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起停式曲柄飞剪机--在设计的同时进行仿真 |
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作者：北京锐和华泰科技有限公司 王峥 |
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起停式曲柄飞剪机的主要任务是将运行着的轧件按照工艺要求定尺剪断。随着轧机轧制速度和生产能力的不断提高，提高飞剪的速度和性能已成为研究热点之一。飞剪机种类很多,根据其不同的剪切断面和速度快慢，应用于不同场合。目前较先进的机型为起停式曲柄飞剪。飞剪一般处于静止状态，剪切时，采用低惯量大扭矩直流电机，直接完成起动、剪切、制动等工艺过程。
起停式曲柄飞剪机剪切机构设计时要注意如下要求：
1两剪刃运动必须为一定轨迹的封闭曲线，剪切工程中要求剪刃运动轨迹水平平滑，水平分速度呈匀速线形，并大于等于轧件的运动速度。
2在剪刃剪切过程中出现最大应力时，确保承受载荷的曲柄为安全。
图1 飞剪机实物图片
传统的手工计算，先要做出机构简图，套用力学公式及平面几何的概念，求解结果，再根据结果描绘所需各种曲线。因计算工程中数值近似取整等问题，造成得出结果只能作为一个理论值，所以通常计算得出的结果安全系数要大于等于10（安全系数因企业设计要求不同，而不同），才能放心使用。同时因为传统算法，手算量大，易出现人为计算纰漏，最终造成设计误差。
图二 曲柄飞剪机构示意图
Autodesk公司的Autodesk Inventor Professional 11（以下简称AIP11）能在很好地解决设计尺寸结构问题的同时，其内嵌运动仿真和有限元分析模块，对上述问题提供了很好的解决方案，让设计人员在一款CAD软件中从产品概念设计到运动分析，再到出具相关计算报告都能轻松完成。
如何在AIP11中进行起停式曲柄飞剪机构运动学性能分析呢？
利用AIP11方便快捷的造型功能，根据需求，设计曲柄，飞剪机框架，剪刀⋯⋯对于常规机构模型，使用AIP11中的拉伸、旋转命令基本能够完成。在“设计加速器”中输入压力角，螺旋角，中心距，变为系数求解（见图三）。部件环境中对各零件按实际要求拼装，以便日后生成工程图中需要的明细表。校验设计尺寸，确保零部件在实际装配位置上处于无干涉状态，这些操作并不是一件难事。
图三 使用设计加速器生成所需齿轮
现在把装配完成的起停式曲柄飞剪另存，在此模型中改变其装配关系，让所有零件变成同一级装配树中，并进行适当结构简化，使之真正成为一个力学模型。（见图四）
图四 简化的力学模型
进入仿真环境，工具栏中的第一个命令用于给零件间添加包括铰接在内的各种运动连接条件（见图五），我们也可以使用“继承装配”的功能把装配中对齐，配合，插入等装配条件自动转成运动仿真中的连接条件，注意装配中角度约束，过度和运动约束是不可以转换的。
图五 插入连接功能
尽量使用从装配环境继承连接条件的方法，这样可以减少许多不必要重复性劳动。（见图六）一些读者可能会遇到一个奇怪的现象。以四连杆机构为例，在原有的装配环境中，每根杆都使用插入约束进行连接，模型完全可以运动，而且没有提示任何错误。进入仿真环境，对这些插入约束一一进行转化，会发现前三个插入条件都顺利转成铰接，但最后转成铰接后，软件会自动提示添加条件自由度出现问题。（见图七）
图六 使用约束继承
图七 添加条件出现冗余错误
原来AIP11的运动仿真模块底层计算完全基于机原机理中的概念公式，连杆机构自由度条件计算可参考“GRUEBLER定理”，为使空间四连杆机构只有一个可动度M=1（M=6（N-J-1）+ΣJ N为杆件数，J为接点数，ΣJ为接点自由度之合 ），经计算得出最后一个连接点自由度数为4，故最后一个连接要修改为“球面圆槽运动”。
同理修改起停式曲柄飞剪机构中出现连接错误的接点，建议软件自带的“修复冗余”命令（见图八）解决类似问题。较简单的动力学模型，在“修复冗余”命令菜单中就可直接进行问题修改。复杂的动力学模型，此处只能提出合理化建议（见图九），需要使用“插入连接”的命令，重新定义连接关系。
图八 修复连接错误
图九 修复界面
主传动齿轮的连接采用“外齿轮啮合运动”，选择两个斜齿轮的分度圆即可完成条件添加。（见图十）而实体块和定义地面的功能，可以使用“焊接零件”和“固定”命令加以替代。（见图十一和图十二）其实在AIP11的连接条件中也有一个“焊接连接”的条件，这和刚才提到的焊接零件是两个不同的概念，两者的本质区别是“焊接零件”允许把几个零件在运动仿真定义成一个整体，但是作用力不能在这几个零件间传递。而“焊接连接”则可以做到力的传递，但是“焊接连接”只能两个两个零件地添加，不能同时选择几个零件集体定义。在这里我们把飞剪机的曲柄和剪刃定义为“焊接连接”，因为要计算剪切过程中曲柄的受力。（见图十三）
图十 外齿轮啮合运动
连接条件定义完成后，定义一个垂直向下的重力9.8N，根据电机的输出功率求得起停式曲柄飞剪机的转速为280 deg/s，根据轧件厚度和转速，求得剪切过程为0.35s，我们在剪刃添加一个剪切力（两个剪刃均要添加），AIP11的运动仿真模块中，设计人员可以根据实际需要给零件编辑添加力学曲线，在这里我们近似使用剪切过程中最大冲击力计算。曲柄在运动0.15s后出现剪切力，0.5s后剪切力消失，方向受力方向一直保持竖直，所以我们要选择“固定载荷方向”（见图十四）。为捕捉剪刃运动形成的封闭曲线，我们还需要在剪刃处添加一个运动轨迹。（见图十五）
图十四 添加力学曲线
图十五 加载运动轨迹
所有的力学条件全部加载完毕，点击左下方的模拟模版，进入运动模拟，飞剪的运动轨迹清楚地展现出来（见图十六），并把其每一点的参数输出到电子表格（见图十七）。如果需要具体每个位置力学变化，点击工具面板的“输出图示器”，选择需要查看的铰接点受力变化曲线，搜索通过模拟生成的这条曲线的最大值（见图十九），把此数据转入有限元模块分析（值得注意的是我们需要定义一些相关的连接点）。
图十六 剪刃运动生成的封闭轨迹曲线
图十七 封闭曲线输出到电子表格
图十八 搜索曲线中最大受力点
利用图表中搜索出的最大应力加载到曲柄，并定义曲柄的连接点，双击曲柄进入零件应力分析环境，点击“运动载荷”，软件就会自动加载运动仿真中零件受力状况。进行受力分析，由于设计得曲柄属于不对称结构，通过有限元云图我们清楚看到受力偏载的情况，同时发现曲柄与曲轴连接处设计不合理，需要进行设计修改加厚连接处（见图十九），并出具相关问题修改报告。
图十九 曲柄等效应力云图
现在我们来做一个量化的对比。我们把模型导入目前市面比较主流ANSYS Workbench 10.0，利用作用力与反作用力的原理添加相应得约束和力学条件，分析。发现两款软件的分析出的受力趋势和结果，相差无几，AIP11的应力值相对保守些，看来AIP11虽然是一款设计软件，但是其力学分析能力还是值得信赖的。
图二十 ANSYS Workbench分析结果
通过起停式曲柄飞剪机中的实际设计问题，希望广大读者理解如何使用AIP11的运动仿真模块，清楚整个操作流程，解决实际设计中困扰我们的问题，AIP11作为一款三维机械设计软件，很好提供了从产品研发到校核，并出具与设计相关分析报告的一套合理解决方案，在提高产品质量的前提下，优化了设计流程。做为一款设计软件，模型的修改异常简单，随着修改就可以直接分析得出需要的结果，同时伴随设计调整，从零件到装配，甚至指导生产的工程图都会关联更新，这是任何一款CAE软件无法比拟的。(end)
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(8/21/2007) |
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