GQ50型钢筋切断机的结构设计与运动仿真【说明书+CAD+仿真】
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单位代码 02 学 号 080105007 分 类 号 密 级 毕业设计 文献翻译 2012 年 3 月 20 日院（系）名称 工学院机械系 专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 刘文超 指导教师 王良文 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 1 页 利用离线仿真结果和 3D 模型变形以实现实时遥控结构变形的方法 摘要 个为了演示和改进远程操作设备 面的物理测试设备，已经在芬兰建立起来。首个装备有 备原型 经于 2008 年 10 月移交给 目的是为了验证 型可以被成功的应用于第二个暗盒的 与 试设备运行和升级准备 结束的时候，第二个暗盒的 运行成功地为 表做了证明。 得益于 器人的设计，所以当它在 长的控制杆上运载 9 吨重的第二暗盒时，具有相当大的机械弹性。这也就导致数据不精确，并且用于控制系统的 3D 模型也不能准确的反映 器人的变化状态。 为了提高其精确度，已经发展出了一种在虚拟环境中控制其 弹性的方法。加载在 种优化的方法利用有限元分析，通过 3D 模型的变形解释了控制系统机器的结果变形。 这将促使 绝对精度和 3D 模型的适合性有一个相当大的改进，这对 用程序是至关重要的，因为控制装置的视觉信息是受周围环境的限制的 。 关键词 ： 国际热核实验反应堆 远程控制 偏滤器测试平台 2 虚拟工程 弹性变形 虚拟现实 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 2 页 这篇论文展示了系统控制软件执行的负载补偿功能是怎样改进 制系统的绝对精度和可视化精度的。同时也找到了一种通过 3D 模型变形来解释 用有限元分析来导出变化范围。除此之外，真实的组件变形， 2D 结构变形会被用于显示每单位结构负荷的运行评估。 在第二暗盒安装程序的时候， 电机传动装置的协作下，沿着射线方向行进到维持隧道的顶端。（图 1）。 在垂直面上的上升和倾斜运动 可以用来凭借向上维持隧道来控制暗盒的方位。当热运动到达第二暗盒时，由 转连接的可以用来改变暗盒的方位。 1. 2. 偏差研究目录 验 在 递到 ，系统综合阶段开始启动，以为实际测试做系统准备。这个测试在工厂启动实施，在 制室中结束测试运行。 1 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 3 页 最初用于暗盒运行的的程序是被用来教学的，这与暗盒有持续性的视觉联系。 好的重复精度（ 3证了运行程序成功重复。然而， 由于完全精度不够准确，导致 静态的三维模型 不能很好的支持运行。 三维模型有时候会出现暗盒与 突的情况，但实际 情况是一切运行良好。很明显，在远程操作之前，系统的绝对精度需要改进。 载荷补偿 在运行程序的时候，载荷对 动链的影响会被测量。并且知道位于暗盒尖端的定位误差最大接近 80些测量数据被用来生成载荷补偿以改进绝对精度。 这种解决方法对于 持通道的运行是十分普遍的，但是对于负载补偿模型，确实一个基于 价值的平台。由于 将来普遍支持其他终端执行器，所以这种方法简单，易用。具体的查表只应用于在特殊的环形 偿功能还可以 明显 改善设备性能。 因此，暗盒尖端的 最大误差由 80降到了 51 载荷补偿的实施价值可以参考图 2 中的笛卡尔坐标系。根据暗盒是否加载到，解决的方法也分为两个阶段。“理想设备的笛卡尔参考系”（图 2）表达了与轴相连的 的位置坐标。因此， 仅仅被用在改变纵轴周围暗盒的方向，并且，之后 可以应用于 y 轴参考数据的评估。因此，在热运动时，负载补偿的功能依赖于 。 如果在 上没有负载，一个逆运动学解可以直接用于解决联合相应的数值 参 考。 解 决方 法是 使 用包 括基 于 签名 修正 的 准的数计算。 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 4 页 2. in of to of 当载荷是连接到 节，在这种情况下，由于笛卡尔参考也会受 以机器人的逆运动学解并不可直接使用。当产生的作用是已知的，正确的评估 代解和 7项式都能很好的应用于实践中。 值链被定义后，在 x， y， z 方向的位置补偿和圆周与径向的定向补偿可以做成笛卡尔参考系。由于 乏在 向上移动的能力，所以无法做运动补偿。 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 5 页 3. EM H 4. EM H 改进遥控装置的可视化精度 当增加一个链接到 三维模型上时，暗盒在 向的倾斜是可视化的。这个链接已经被放置在勾板和暗盒之间。因此，操作者可以看见暗盒倾 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 6 页 斜的作用 ，它在垂直方向上最大有效运动距离是 10 为了增加可视化精度，当暗盒连接 道内部与外部的时候，压力差超过上升油缸提供的载荷，暗盒的重量也转化都勾板或者 道或者其他别的地方。（图 2） 偏滤暗盒模型的偏差计算结果 在真实的运行环境中，暗盒的三维模型是不能完全反映其模型形状的。当理终端感应器并停留在环形通道上时，它会倾斜。（图 3 形变分别用分析软件和 限元建模工具来计算。这两种结果会被比较。如果限定条件比较正确、全面，那么两种工具的分析结果是相似的。 在下一阶段，有限元分析结果会被分解。然后勾板的水平和垂直偏转会与验室中真实的 试结果比较（平台 1）。这种测试装置是 5. in to 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 7 页 在有限元分析结果和 试结果比较后，得出分析结论。 偏滤暗盒的偏差的可视化 根据机器的适用性和标准性原则设计了 果，其压力总是在建筑材料的比例极限之下，并且具有一定的线弹性。初次测是在胡可定律的线弹性假设下进行的。 因此，有限元分析结果是可以应用于 变的可视化的。加载装置的形状必然会反映到远程观测系统的数据中。计算变形的远程可视化可以在两种不同的方法下进行。传统的方法是把一个整体分成碎片，并在这些碎片间建立联系 4。这种方法需要大量的分析工作。链接的位置和最大链接就是这种分析的结果。基于这 种分析结果，它被 为三段链，并用两个回转节链接起来。图 6 本文提到的方法是运用 3 3 基于有限元分析结果去描述形变。形变，或者是 3D 变形，是物体从一种形状变为另一种形状的过程 2。这种技术可以直接使用有限元分析结果而不用麻烦的求的近似值。另外，这种方法能够运用有限元分析出的每单位范围内的作用结果（图 7）。这就提供了一个更高层次的应用能力，以适用于那些接受多个外力影响的复杂系统。 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 8 页 6. of is to 7. 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 9 页 为了改变模型，我们使用直线切削没变形的三维模型和有限元残缺模型的高点。如果直线切削的精度不足的话，一个更先进的变形算法是应变场插入 法。 运用达索系统可视化工具 观察变形（图 8）。这种虚拟环境是由 有限元模型连接起来，用于创建变形范围。 这种推荐方法的好处有以下几点： 运用未加载荷状态和变形状态间的完全弹性变形，来直接使用有限元结果在每单位范围内的最大压力。 更容易利用真实系统中离线和在线的变形结果。 更加精确的展示复杂系统的各个环节，并且能完全控制连续变形的点，而不粗略的接近。 使从复杂系统中分离出单个外力因素引起的变形成为可能。 控制三维模型的变形 控制三维模型的变形意味着虚拟环境中的变形必须遵 循现实环境中的变形。变形信息可以 依据提前测量的运行状态或者运用液压系统的压力来估测外力，因此，运用了现有的传感器信息。 考虑到机器人的操作，一个更精确的方法可以通过采用应变规来测量机器人链接的实际变形来达到。在实验室的实验中，应变规将被安装到 。 应变规的优势： 变形范围方法的互补性，每一个应力都可以通过专用的应变规来单独测量其范围。 具有即时测量精确应变的能力，不用依赖于提前测量的静态变形或者不能对每一个应力不能直接使用的液压压力 3. 未来工作 三维虚拟样机组件描述如下。最初， 性研究集中在解决子系统的弹性问题。然后，研究会包括整个 器结构，并且链接结构接近变形过程。 更多复杂的变形途径，如三维领域里的线性插值法将会被使用。这将会联合 黄河科 技学院毕业设计 (文献 翻译 ) 第 10 页 由真实 形控制的三维样机的弹性变形。 我们将进一步分析柔性机器人关节的链接和分离。这将有助于创建更精确的有限元模型。最后，弹性链接的作用和影响会反映到整个系统中。 免责声明 本文观点不代表欧洲委员会的观点。 致谢 这项工作是在 联合契约下，由欧洲委员会支持，在 参考文献 1 2010. 2 J. B. L. L. 2 (1996) 269282. 3 u, 3D 2 (1) (2007) 147155. 4 W. , 2008, 287319. 6 (2011) 19581962D ) 008. is to H At 4E H of nd on a D is in of To in to s of on in is in of in D by in a of of D is in of in 2010 in to a D In to be nd on of an 1. in of to of +358 S. 1. is of of nd 2010 by 300, 0 010to to in et (2011) 19581962 19592. in to in to H by a 3 of of D On it in It of be of to it at in 0 is is a on RO is of MM to a in to of at of 0 mm to 1be 2. is on is to RO (2) is of a 1) of RO be of RO be to a of on RO is no RO an be to is on of 1is to RO be in of RO be of or RO th RO is in y- in R) P) to in W) be to in 2. in of to of . et (2011) 19583. EM H 4. EM H in be is to D (2)of 0 mm at of in is as is RM or (2)of of of is by CM it is it on 35)of CM of In EM EM to of on to CM in )D 5. in to EM CM as it of of of CM to of As a of of is s of EM be of CM of to be in is to a to 4. of of of on it to CM by is to D of D to of on EM or 3D) of D as is of 2. EM In of on .2 on .3 et (2011) 19581962 6. of is to by EM to a 7). a of of in of of we in D A is 3 if of to .0 8). in of EM of by of of of of to by in 8. CM of D D in to be on a or by of a by to of In be to of to an by to on be D of be as CM on of in to of in as D in of be be D by of of a EM of on of be . et (2011) 19581962do of is by of of 2010.2 996)269282.3 u, 3D 2 (1) (2007)147155.4 W. ,2008, 287319.黄河科技学院 本科毕业设 计 （论文 ） 任务书 工 学院 机 械 系 机械设计制造及其自动化 专业 08 级 1 班 学号 080105007 学生 刘 文 超 指导教师 王 良 文 毕业设计（论文）题目 钢筋切断机的结构设计与运动仿真 毕业设计（论文）工作内容与基本要求 （目标、任务、途径、方法，应掌握的原始资料（数据）、参考资料（文献）以及设计技术要求、注意事项等） 一、设计技术要求、原始资料（数 据）、参考资料（文献） 1、设计要求： 1）建立运动分析模型 ，分析曲柄滑块机构的位移、速度、加速度。 2）完成 50 型钢筋切断机的结构设计。 3）完成传动系统的计算机的仿真分析（采用三维软件建模并仿真）。 2、原始资料（数据）： 切断机的电机， 4断次数， 28（次 /分 )；切断行程： 40 3、参考资料 1）筑路机械工程著作； 2）建筑机械杂志。 二、设计目标与任务 设计出满足要求的钢筋切断机，并完成其 装配图与部分零件图，查阅文献资料不少于12 篇，其中外文资料不少于 2 篇 。 1、文献综述一篇，不少于 3000 字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于 3000 汉字。 2、毕业设计说明书一份，内容与字数都不少于规定的任务量。 3、图纸若干（折合后不少于 纸 3 张，可以用计算机绘图）。 4、包含本次设计的所有内容的光盘一张。 毕业设计（论文）撰写规范及有关要求，请查阅黄河科技学院本科毕业设计（论文）指导手册。 三、时间安排 1周 完成开题报告、文献翻译、文献综述及总体方 案设计 。 5 完成总体设计、完成部分机构的装配图及部分零件图并撰写说明书 。 12 修改论文、资格审查等 。 14 周 毕业答辩 。 毕业设计（论文）时间 ： 年 月 日至 年 月 日 计 划 答 辩 时 间： 年 月 日 专业（教研室）审批意见： 审批人 签名： 黄河科技学院毕业设计（论文）开题报告表 课题来源：（ 1）教师拟订；（ 2）学生建议；（ 3）企 业和社会征集；（ 4）科研单位提供 课题类型：（ 1） A 工程设计（艺术设计）； B 技术开发； C 软件工程； D 理论研究； E 调查报告 （ 2） X 真实课题； Y 模拟课题； Z 虚拟课题 要求（ 1）、（ 2）均要填，如 课题名称 钢筋切断机的结构设计与运动仿真 课题来源 教师拟订 课题类型 导教师 王良文 学生姓名 刘文超 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 080105007 一、调研资料的准备 1. 参观黄河金刚石有限公司的 和 钢筋切断机，了解钢筋切断机的工作 原理。 2. 利用图书馆及网络资源，查阅相关资料。 二、设计的目的与要求 1. 建立 运动 分析模型 。 2. 建立机械的动力学模型 。 3. 设计整体结构 。 三、思路与预期成果 1、设计思路： （ 1）首先查询大量的相关资料 ， 并熟悉 图软件，达到能够较为熟练的使用，以提高设计及绘图 效率。 （ 2）根据毕业时间的安排 ， 逐步推进设计进程， 有不懂之处 就尽快与老师进行沟通，得到老师指导并解决问题 。 2、预期的成果 （ 1）完成文献综述一篇，不少与 3000 字，与专业相关的英文翻译一篇，不少于 3000 字。 （ 2）完成内容与字数都不少于规定量的毕业设计说明书一份 ，绘制出各主要零件的工程图。 （ 3） 建立 钢筋切断机的 三维模型 ， 并进行运动仿真。 四、任务完成的阶段内容及时间安排 1 周 完成开题报告、文献翻译 及 文献综述。 5周 完成总体设计 ， 基本完成机构的装配图及 零件图 ， 并撰写说明书。 12 修正并完善 论文 终稿， 进行资格审查 。 14 周 毕业答辩。 五、完成设计（论文）所具备的条件因素 修完机械设计， 工程材料 等课程，借助图书馆的相 关文献资料，以及网络等资源。 指导教师签名 : 日期 : 目 录 1任务书 1 2开题报告 2 3指导教师评阅表 3 4主审教师评审表 4 5 毕业设计答辩评审与总成绩评定表 5 6毕业设计说明书 6 7文献综述 58 8文献翻译 64 9光盘 10设计图纸 单位代码 02 学 号 080105007 分 类 号 密 级 毕业设计 文献综述 院（系）名称 工学院机械系 专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 刘文超 指导教师 王良文 2012 年 03 月 20 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 1 页 钢筋切断机 运动 仿真综述 摘要 本文调研了最近几年国内外有关钢筋切断机的专利、论文，以及现在 的研发现状。分析研究钢筋切断机的动力学性能是进行钢筋切断机设计、改良的理论基础。为了推动钢筋切断机设计创新，缩短钢筋切断机的设计周期，在产品试制及完成测试之前明确了解钢筋切断机的动力学参数，及时发现并消除设计过程中存在的缺陷，最大程度地节省资金和时间。采用计算机仿真技术结合动力学理论，对钢筋切断机进行零件三维设计、装配，建立钢筋切断机三维仿真分析模型，模拟钢筋切断机运行状况，对钢筋切断机进行仿真分析研究， 以加快产品技术更新。 关键词： 钢筋切断机 ， 动力学模型 ，结构设计，运动仿真 一 钢筋切断 机是一种各类工程建设领域广泛使用的设备，在近年来的生产、使用中呈现快速增长的趋势。国内各相关厂家先后开发了 、 、 、 等多个品种的切断机。随着建设工程规模的扩大，建筑质量的要求提高，钢筋切断机的规格有逐渐增大的趋势。各生产厂家为提高自己的生产产品的技术性能、增加产品的竞争优势，不断优化结构，努力降低生产成本，并不断开发新的品种。但由于未见国内外有关钢筋切断机动力学研究的文献，因而在改良产品设计及开发新的产品过程中，在产品试制及完成测试之前尚不能对结构的动力学参数 及驱动电机在工作过程中的真实运动情况有比较明确的了解，而电机在工作过程中的速度降是衡量钢筋切断机设计质量的重要指标之一。为此，我们首先建立了一种钢筋切断机的通用动力学计算模型 ， 使我们在产品的改良设计及研发新产品的过程中通过 成产品结构图的设计后，通过联机 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 2 页 计算的方法就可以清楚的求得所开发产品的动力学参数及驱动电机的真实运动情况，可以极大的加快产品的开发速度及方便的修改产品的结构参数。相关工作对于提高国内产品技术开发工作的进度，提高产品的竞争力有一定的积极作用。678 二 钢筋切断机是一种在工程及建筑领域中广泛使用的设备，由于近年来房地产的迅速发展，钢筋切断机的生产、使用呈现快速增长的趋势，随着建筑工程规模的扩大和对建筑质量要求的提高，对钢筋切断机的性能也提出了更高的要求。 9 目前，国产钢筋切断机的典型结构下图所示，电机通过一级带传动、三级齿轮传动来驱动曲柄滑块机构带动活动刀做往复运动，固定在活动刀座上的活动刀片和固定在机体上的固定刀片一起作用完成对钢筋的切断。 10 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 3 页 三 利 123） 专利 1的产品是一种以柴油机为动力的钢筋 切断机，其特征在于将钢筋切断机与柴油机相组合、中间用皮带传动相联接构成一柴油钢筋切断机。其优点和积极效果是：不需要电力，使没有电力或者电力不足的地方，也够使用钢筋切断机完成钢筋的切断。 右 图所示的是 专利1产品的结构示意图： 1为钢筋切断机机构， 2为底架、 3为皮带传动、 4 为柴油机、 5 和 6 分别是柴油机 4 和切断机 1 与底架 2 相连接的连接螺栓。柴油机 4 和钢筋切断机构 1 都被连接螺栓 5 和 6 固定在底架 2 上，发动柴油机 4通过皮带传动 3 带动钢筋切断机构 1 的刀具来完成切断钢筋的工作要求。 专利 2的产品是一种改进的钢筋 切断机。它的箱体由侧面箱板和箱底板组装成封闭型式：其传动系统采用三轴（六齿轮）三级齿轮传动结构；而其曲柄杆与滑块采用钩型连接结构。这种改进，使箱体制造工艺简化。由于是三级齿轮传动节省了一根中间传动轴，故而使整机体积缩小了许多，且降低了成本。而曲柄杆与滑块的钩型连接方式，不仅结构简单，而且提高了机械强度，不易损坏，使整机延长了寿命。 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 4 页 专利 3的产品是一种改进的钢筋切断机。包括电机、飞轮、第一级至第四级齿轮传动装置、离合器、定动切刀和哈夫式齿轮箱体，第一级齿轮传动装置的传动轴两端分别套装有飞轮；哈夫式齿轮箱 体以曲轴中心水平线为依据，由铸成上、下各一半的两块箱体组合而成。本实用新型由于在现有四级齿轮传动钢筋切断机的基础上，采用哈夫式箱体并在第一级齿轮传动装置的传动轴两端分别套装有飞轮，故其故障率低，使用寿命长，阻力大；且安装、维修方便该专利产品是对国内外产品的一种改进，是一种实用新型的钢筋切断机，该产品主要包括电动机，飞轮，第一级至第四级齿轮传动装置、离合器、定动刀片和哈夫式齿轮箱体，起主要特别之 处在于：第一级齿轮传动装置的传动轴两端分别装有飞轮。具体结构如上 图。 四 . 钢筋切断机几个主要部件 (1) 刀口 装置 （ 专利 4） 专利 4指推动刀口轴杆的偏心轴外围装设有方形滑块，于偏心轴转动时能使方形滑块上下移动，进而使刀片轴杆以平面方式向外推动或拉回，使钢筋的切口平直，并于切断钢筋后，偏心轴拉回轴杆撞击偏心轴的力，形成面的使受力点平均，降低偏心轴的耗损，且该偏心轴与推动齿轮间设有一固定隔板，以避免撞击的同时造成齿轮的偏移而损坏，该刀口轴杆的另一侧设有一活动隔板，能增进维修时的便利性。 (2) 离合器组件 （ 专利 5） 专利 5钢筋切断机的曲轴离合器。该器包括曲轴、内齿轮、大齿轮和安装在两轮内接之间的活动销齿 机构。该机构又由转销轴、转销齿、拨动挡板、拉簧和伸缩挡销组成。通过操纵转销齿接触于大齿轮的转销齿推槽内而使大齿轮带动内 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 5 页 齿轮和曲轴转动。或操纵转销齿接触于内齿轮的转销轴槽内而使内齿轮脱离大齿轮，使大齿轮空转。该离合器可适用于切断机、冲床、剪切机床上，其具有离合平稳、体积小、结构紧凑的优点。 五 . 钢筋切断机存在的缺点和问题 目前，国内外现有的钢筋切断机，就其传动方式分为两种类型：一种是开式传动，一种是闭式传动。 11开式传动的形式，其轴、齿轮等主要传动件都要暴露在外，各传动件均要靠人工加油，极为不方便。闭式传动的形式，主要传动件均安装在机器箱体内，形成整体密封，其机体为整体构件，加工工艺复杂。国内外的钢筋切断机主要存在以下几个问题： (1) 用电动机作原动机的钢筋切断机和用柴油机作原动机的钢筋切断机，所用的原动机不能代换， 这 给使用带来了一定的不方便。 (2) 国内外使用的全封闭结构的钢筋切断机的活动刀处采用上开盖的机体，大都是采用的是减速器结构，用螺栓连接，而这种结构的刚性较差，而且在结合面处加工困难，并且常常漏油。 而机体采用整体式结构的钢筋切断机，活动刀处采用的是侧开盖结构，由于切断机工作时所受的侧向力很大，常常损坏。 (3) 国内外所使用的钢筋切断机在空套齿轮与轴结合处，常常容易损坏。 (4) 国内外所使用的钢筋切断机，其离合器操纵机构只有一种方式，即脚踏式，这不适应于不同习惯的操作者和不利于紧急情况的操作。 (5) 国内外所使用的钢筋切断机，大都采用的是小功率的电动机，工作主轴的偏心距也很小，这样在剪切公称直径范围内的不同直径的钢筋时，就要更换刀片或者在刀片的后面加减刀垫，才能完成剪切不同尺寸钢筋的切断要求。 (6) 国内外所使用的钢筋切断机，其固定刀片侧隙的调整是靠人工选配尺寸固定的刀垫来实现的。 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 6 页 六 真对钢筋切断机存在的这些问题，提出以下改良方向： （ 1）结构与造型的改良。 目前的钢筋切断机有闭式与开式两大类。开式由于体积大，搬移不便、润滑差等，已经很少生产使用。而闭式结构的体积虽较为紧凑，但存在的主要问题是在传动系统出现故障时，维修不太方便。目前在市场上出现了一种在整体闭式结构上的改良设计。 1213即将机体一侧的 1/2 1/3 设计为可拆卸结构，这种结构虽然在加工上增加了工序，但铸 造环节更简单，安装比较方便，尤其是便于售后服务。 （ 2）轻量化设计 轻量化设计可节省资源、减少生产、使用、回收等环节中了浪费，而且就机器本身而言，也可以通过轻量化设计，在最低成本下达到机器的使用性能。就目前来说，可通过建立虚拟样机、并对其进行有限元分析实现轻量化设计及制造。1415 七 . 其他 机械动力学的相关内容 ： 机械动力学主要研究的是机械的振动和平衡的问题。目前，我们正在高速发展的阶段，各个部门迫切需要大量的新的高效率，高速度，高精度和高自动化的机械设备。随着机械速度的提高，机械平衡和震动 的问题成为机械设计中的一个问题，在设计高精度的机器时，就必然涉及各种动力学的因素，需要精确计算各部件的真实运动情况以及考虑部件的弹性、运动副中的磨察等因素对构件运动的影响，才能使各部件的动作协调，机械运转正常。 17181920 黄河科技学院毕业设计 (文献综述 ) 第 7 页 八 . 结束语 产品的设计开发过程是一个不断改良完善、技术优化发展的过程。唯有通过长期的市场考验，且有优良的性价比，才能真正占领市场。 钢筋切断机的 运动仿真 的设计必将更加有利于钢筋切断机产品的开发，可以加快产品的开发速度以及开发出更加高效的产品。 参考文献 专利 1 孟宪民 ， 刘鸿鹰 ， 章友文 ， 郭俊平 ， 付竹祥 柴油钢筋切断机 专利号： 利 2 陶昆 ， 钢筋切断机 专利号： 利 3 蒋家善 改进的钢筋切断机 专利号： 利 4 邱文聪 钢筋切断机刀口装置 专利号： 利 5 全承浩 钢筋切断机的曲轴离合器 专利号： 6 胡永华；刘中 钢筋切断机参数化设计系统开发 2011 年 4 月 7 陶浩；段红杰 钢筋切断机的动力学性能 2008 年 5 月 8 段红杰；陶浩 钢筋切断机动力学仿真设计 2010 年 4 月 9 王文良，李长诗 钢筋切断机通用动力学 2008 年 8 月 10 张金芳 袁俊华 陈 伟 人机界面型全自动钢筋切断机 2010 年 8 月 11 刘瑞东 液压随动切断、液压马达送料钢筋定长切断机 2010 年 10 月 12 王良文 国产钢筋切断机的生产现状与改良方向 2009 年 1 月 13 樊智慧 钢筋切断机曲轴连杆机构的 改进 1995 年 3 月 14 孟庆华 钢筋切断机液压系统的设计研究 2010 年 8 月 15 贺生华 普通钢筋切断机技术改造 2008 年一月 16 车仁炜 陆念力 王树春 一种新型钢筋切断机的设计研究 2004 年 17 唐锡宽机械动力学 高等教育出版社 18 张策 机械动力学 北京：高等教育出版社 2001 年 4 月 19 ， ， ， et 0， 003 20 L， ， C 2397 单位代码 02 学 号 080105007 分 类 号 密 级 毕业设计 说明书 钢筋切断机的结构设计与运动仿真 院系名称 工学院 专业名称 机械设计制造及其自动化 学生姓名 刘文超 指导教师 王良文 2012 年 5 月 10 日 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 I 页 钢筋切断机的结构设计与运动仿真 摘要 本产品的设计是根据黄河科技学院工学院机械系 2012 届毕业设计的要求，在参观调研的基础上，对大学四年已学 知识的总结、实践与提高。按照指导老师的要求，我首先查阅了大量关于此产品设计的资料，做好初期准备。然后到河南省长葛市黄河旋风 股份 有限公司参观，深入了解钢筋切断机的工作原理及使用要求，在此基础上，形成自己初步的设计思路。 本产品设计给定的原始参数是：切断能力为（ 60） 圆钢；电机功率为4切次数为 28 次 /断行程为 40次设计的主要研究内容和技术关键是：根据钢筋切断机的使用要求，确定其工作原理，在此基础上进行钢筋切断机的结构设计，确定主要结构尺寸。主要包括以下几点： 1、电动机的选 择； 2、传动装置的设计和计算； 3、轴承的选择； 4、曲轴连杆机构的设计； 5、机体的设计； 6、刀片的设计选择。然后根据这些设计数据进行产品的建模及运动仿真。 本次产品建模使用的是美国 司的三维设计软件 011。首先是根据设计数据建立各个零件的草图， 在草图的基础上运用零件特征生成三维实体；然后在 011 软件的虚拟环境中进行虚拟装配，建立数字样机；最后进行应力分析、运动干涉分析及运动仿真。 本设计可以大幅降低钢筋切断机的研发周期及成本，从而提高产品的市场竞争力和企 业的经济效益。 关键词 ： 钢筋切断机，结构设计， 011，虚拟装配，运动仿真 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 页 is to of 012 of a to a on of to of I a do to to in to a of on to of 0) mm 8 0 of to on of 1, of 2, of 3, 4, of 5, s 6, to of is s 3 d 011 of is to to up of in of d in 011 in to in so as to of of 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 页 011, 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 页 目 录 1 绪论 . 1 2 设计前的准备 . 3 划任务书 . 3 品设计的依据 . 3 划任务书 . 3 计前的准备 . 3 3 钢 筋切断机的总体设计 . 4 筋切断机的 工作原理 . 4 筋切断机的 基本结构 . 4 4 传动方案的设计 . 5 本传动数据计算 . 5 配传动比 . 5 算各州的运动及动力参数 . 5 传动的设计 . 6 型的选择 . 6 轮基准直径的确定 . 6 速的确定 . 6 心距、带长及包角的确定。 . 6 定带的根数 . 7 轮结构与尺寸 . 7 轮传动的设计 . 7 材料、确定初步参数 . 7 面疲劳强度计算 . 8 根抗弯疲劳强度验算 . 10 5 011. 12 011 的组成 . 12 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 V 页 维绘图软件 011 的优点 . 12 维工程图处理能力比较好 . 12 有良好的设计项目管理功能 . 13 数化技术和变量化技术 . 13 便的操作风格 . 13 彩的显示功能 . 13 6 主 要零件的设计及建模 . 14 体的设计流程 . 14 他主要零件的建模效果展示 . 23 7 钢筋切断机的装配 . 29 配流程 . 29 侧盖的 装配步骤 . 29 建文件 . 30 入所有零件 . 30 机体安装大侧盖 . 30 配效果图展示 . 33 8 应用 件 进行干涉检查 . 34 查零部件之间的干涉 . 34 杆及连杆铜瓦的干涉检查 . 34 9 绘制各主要零件的工程图 . 37 10 传动结构的运动仿真 . 41 立一个简单的装配 . 41 动 仿真步骤 . 41 致谢 . 45 参考文献 . 46 附 录 . 48 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 1 页 1 绪论 钢筋切断机 是 建筑机械的一种 。它是钢筋加工必不可少的设备之一，主要用语房屋建筑、桥梁、隧道、电站、大型水利等工程中对钢筋的定长切断。钢筋切断机与其他切断设备相比，具有重量轻、耗能少、工作可靠、效率高等特点，因此近年来逐步被 建筑工地 和小型轧钢厂等广泛采用，在国民经济建设的各个领域发挥了重要的作用。 新中国成立初期，建筑工程中钢筋加工技术非常落后，主要依靠手工或者简单工具，劳动强度大、生产效率低、工程质量很难保证。太原重型机械学院是国内最早生产钢筋切断机的单位之一。他们于 1958 年 首次引进苏联的卧式钢筋切断机图纸，生产了国内第一台钢筋切断机。随后又于 1985 年引进了日本立式钢筋切断机和德国卧式钢筋切断机，并在此基础上研发了 一系列开式、封闭式及半封闭式切断机。该系列的钢筋切断机均是采用机械轮剪切进行切断的。此外，沈阳建筑工程学院工厂、陕西渭南农业科技股份有限公司、黑虎建筑机械公司等企业也生产过不同类型的机械式钢筋切断机。 目前，国内的钢筋切断机多以机械轮剪式切断为主。其工作过程基本为：电动机输出动力经过带传动和三级齿轮传动减速后，带动曲轴旋转，曲轴推动连杆 使滑块和动刀片在机座的滑道中做往复直线运动，使动刀片和定刀片相错而切断钢筋。 近年来，我国在钢筋切断机技术装备方面有了长足的进步，但产品的技术水平与国外先进水平相比，尚有以下几个方面的差距： 1)国外切断机偏心轴的偏心距较大 。 如日本立式切断机偏心距 24国内一般为17看似省料、齿轮结构偏小些，但给用户带来麻烦，不易管理 。 因为在由切大料到切小料时，不是换刀垫就是换刀片，有时还需要转换角度。 2)国外切断机的机架都是钢板焊接结构，零部件加工精度、粗糙度尤其热处理工艺过硬，使切断机在承受过载荷、疲劳失 效、磨损等方面都超过国产机器 。 3)国内切断机刀片设计不合理 。 单螺栓固定，刀片厚度够薄， 40 型和 50 型刀片厚度均为 17国外都是双螺栓固定， 25 27，因此国外刀片在受力及寿命等综合性能方面都较国内优良。 4)国内切断机每分钟切断次数少 。 国内一般为 28 31 次，国外要高出 15 20 次，最高高出 30 次，工作效率较高。 5)国外机型一般采用半开式结构 。 齿轮、轴承用油脂润滑，曲轴轴径、连杆瓦、冲 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 2 页 切刀座、转体处用手工加稀油润滑 。 国内机型结构有全开、全闭、半开半闭 3 种，润滑方式有集中稀油润滑和飞溅润滑 2种 。 6)国内切断机外观质量、整机性能不尽人意 。 国外厂家一般都是规模生产，在技术设备上舍得投入，自动化生产水平较高，形成一套完整的质量保证加工体系。尤其对外观质量更是精益求精，外罩一次性冲压成型，油漆经烤漆喷涂处理，色泽搭配科学合理，外观看不到哪儿有焊缝、毛刺、尖角，整机光洁美观。而国内一些厂家虽然生产历史较长，但没有一家形成规模，加之设备老化，加工过程拼体力、经验，生产工艺几十年一贯制，所以外观质量粗糙、观感较差。 从钢筋切断机的发展趋势看，随着建筑设计与建筑施工技术的国际化，建筑工程设计与应用钢筋必将进入 商品化供应时代，即根据建筑配筋表采购钢筋，钢筋使用现场转化成可用钢筋，商品化供应钢筋。而钢筋的一体化生产就要求钢筋切断机必须实现自动控制 钢筋自动送料，定尺寸后自动切断、落料。 另一方面，国外的产品充分融合了液压技术、机械技术、电子技术等，形成了以机械为筋骨、液压为肌肉、电气为神经的机电液一体化综合控制技术，充分发挥各自的优势，体现综合最优驱动及控制能力。因此，钢筋切断机不但要求实现定长剪切的高精度控制，同时要求其具有相对高的生产效率。所以，如何使钢筋切断机的机电液系统有机地高度集成，充分发挥各自优势，将 是今后研究的主要方向。 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 3 页 2 设计前的准备 划任务书 品设计的依据 本设计是在对 河南省长葛市黄河旋风股份有限公司进行生产参观 后， 对钢筋切断机形成初步认识后，深刻理解其工作原理与结构特点，根据自己大学四年所学的机械方面的各种知识，对钢筋切断机做一个机构设计，并建立数字样机进行运动仿真。本设计力求高效、快速的完成产品研发与校验，并使产品具备完善可靠的性能，满足市场需求，增强企业竞争力。 划任务书 根据建筑市场的使用需求， 钢筋切断机的规格参数设定，见表 2 表 2筋切断机的 参数 电动 机 额定功率 4断能力 60圆钢 冲切次数 28次 /切行程 40计前的准备 接到任务书初期，先查阅了大量有关钢筋切断机的的论文、资料。其后，为了在产品设计前能对钢筋切断机有一个整体、大概的认识，我在王良文教授的帮助指导下，对河南省长葛市黄河旋风股份有限公司进行了为期一天的参观、调研，认真观察了钢筋切断机的结构及生产过程，在其间遇到的各种问题，仔细听取了黄河旋风股份有限公司建筑机械部张工程师的讲解。 回到学校后，收集、整理钢筋切断 机的相关资料，通过分析其性能和技术指标，并结合自己所学的理论知识进行设计。 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 4 页 3 钢筋切断机 的总体设计 筋切断机的 工作原理 工作原理：采用电动机经过一级带传动和三级齿轮传动减速后，带动曲轴旋转，曲轴推动连杆，使滑块和动刀片在机座的滑道中做往复直线运动，这样，活动刀片和固定刀片就能相错而切断钢筋。 筋切断机的 基本结构 传动方案简述：首先是一级带传动，然后是三级齿轮减速。 首先采用一级带传动，因为它具有缓冲、吸震、运行平稳、噪声小、过载保护等优点。然后采用三级齿轮减速，因为齿轮传动可以用来传递空间任 意两轴间的运动和动力，并具有功率范围大，传动效率高，传动比准确，使用寿命长，工作安全可靠等优点。 动力是由电动机输出，通过减速系统传动，把动力输入到执行机构。由于传动系统做的是回转运动，而钢筋切断机的执行机 构需要的是直线往复运动。为了实现这种转换，可以采用曲柄滑块机构或者齿轮齿条机构。考虑到现实使用条件，决定采用曲柄滑块机构作为本机械的执行机构。 考虑到工地上的机械需要经常变幻地方，且考虑到经济性，应尽量使产品的尺寸减小、结构紧凑，所以本设计中的小齿轮都采用齿轮轴的形式。为了节能、储能和减震，本设计运用 了飞轮的优点。为了使飞轮的结构尺寸不至于过大，本产品把飞轮与大带轮作为一个整体来设计，安装在第一根轴上。 本设计基本结构如图 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 5 页 4 传动方案的设计 本传动数据计算 配传动比 电动机功率为 4择型号为 满载转速为 2890r/ 1）总传动比 103282890 配传动装置的传动比 10 上式中10 别为带传动与减速器（ 三 级齿轮减速）的传动比，为使 V 带传动的外廓尺寸不致过大，同时使减速器的传动比圆整以便更方便的获得圆整地齿数。初步取0i=减速器的传动比为 3）分配减速器的各级传动比 查阅机械设计手册，取 1i =4， 2i =4，则3i=4。 算各州的运动及动力参数 1）各轴的转速 轴 m in/ 0 9 001 m 轴 m in/ 141 8 0 6112 m in/ 1223 m in/ 2）各轴的输入功率 查机械设计课程设计手册 表 1带传动的传动效率01=取齿轮传动的传动效率为 轴 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 6 页 轴 曲曲 轴的输入转矩 电动机的输出转矩 9 049 55 0 d轴 轴 7 623223 传动的设计 型的选择 由设计数据可知， V 带的传动功率为 4带轮的转速为 2890r/带轮的转速为 1806r/ 查机械设计可知， 工况系数取 4=6据以上数值及小带轮的转速查相应得图表选取 B 型 轮基准直径的确定 查机械设计表 8取小带轮的基准直径为 200大带轮的 基准直径为320 速的确定 s/ 心距、带长及包角的确定。 由机械设计式 8，带的中心距为 0.7(d1+(d1+ 则 00+320)(200+320) 得 364 1040 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 7 页 初步确定中心距为 800 根据相关公式初步计算带的基准长度： 200320()320200(280024 )(22 20221210 ）（500算实际中心矩： 42025004002 0 0 12 a 定带的根数 11 查表知 =2 轮结构与尺寸 带轮结构与尺寸设计详见附录图纸。 轮传动的设计 为加工方便和降低成本，本设计中，小齿轮均以齿轮轴代替 。此外，本设计采用三级齿轮传动减速，齿轮的详细结构及尺寸设 计见附录图纸 。在此仅以 第一级的 齿轮设计为例，详述其设计过程。 第一级齿轮设计过程如下： 材料、确定初步参数 1）选材料 齿轮轴： 40调制，平均取齿面硬度为 260齿轮： 45钢调制，平均取齿面硬度为 260） 初选齿数 取 齿轮轴 的齿数为 14，则大齿轮的齿数为 14 4=56 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 8 页 3) 齿数比即为传动比 41456 选择尺宽系数 照相关手册并根据以前学过的知识选取 d=初估 齿轮轴的 直径 0小齿轮的尺宽为 b= d 50=25) 齿轮圆周速度为： s/80660100060 11 级。 6) 计算小齿轮转矩 T1 6161 确定载荷系数 定使用系数 阅手册选取使用系数为 定动载系数 阅手册选取动载系数 定齿间载荷分布系数 100*2 411 K 则 1 22 1 H、 确定，由公式可知 面疲劳强度计算 1) 确定许用应力 H 总工作时间 设该切断机的寿命为 10年，每年工作 300 天，每天工作 8个小时，则： 0 0 083 0 05 应力循环次数 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 9 页 0 0 01 8 0 616060 v 寿命系数 查阅相关手册选取 接触疲劳极限取： 20 80 安全系数取： 许用应力 MP i MP 02l i 弹性系数 阅机械设计手册可选取 Z 3) 节点区域系数 H=) 求所需小齿轮直径 5) 计算模数 取模数 m 为标准值 4 。 6） 确定 分度圆 、中心距 分度圆直径 d1, 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 10 页 大齿轮 齿 宽为 6 8轮轴齿宽 取 0心距 a： 08562 21 根抗弯疲劳强度验算 1) 求许用弯曲应力 F 应力循环次数 0 0 048016060 F 寿命系数 查阅相关手册选取 、 极限应力取： 90 20 尺寸系数 阅机械设计手册选，取 安全系数 照表 9 需用应力 、 由式（ 9许用弯曲应力 MP 022 1l i M P MP 022 2l i M P 2) 齿形系数 图 9 ) 应力修正系数 图 9 ) 校核齿根抗弯疲劳强度 由式（ 9齿根弯曲应力 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 11 页 1411111M P 211 2212 MP 9 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 12 页 5 011 件是美国 司于 1999 年底推出的三维可视化实体模拟软件，目前已推出最新版本 012，而我在本次设计中使用的是目前比较成熟稳定的版本 包含三维建模、信息管理、协同工作和技术支持等各种特征。使用 以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的特征、零件和子部件，还可以管理上千个零件和大型部件，它的 “ 连接到网络 ”工具可以使工 作组人员协同工作，方便数据共享和同事之间设计理念的沟通。 维运算 速度和着色功能方面有突破的进展。它是建立在 维实体模拟核心之上，设计人员能够简单迅速地获得零件和装配体的真实感，这样就缩短了用户设计意图的产生与系统反应时间的距离，从而最小限度的影响设计人员的创意和发挥。 在二维绘图软件市场中， 目前应用最为广泛的通用交互 式计算机辅助绘图与设计软件。 其 强大生命力在于 它的通用性、多工 业标准和开放的体系结构。与出一家的 011 具有相同的特点 ，所不同之处在于 绘制二维图方面具有不可比拟的优点， 但在三维造型方面功能欠缺。 11 特点在于处理三维造型、虚拟装配、运动模拟等方面具有独特的优势。其功能强大的三维造型给设计者提供了空前的想象力，从尺寸、外形、颜色各个方面给人以真实的感觉。同时在设计过程中可以及时发现纰漏，并及时处理，避免造成不必要的制造成 本 011 的组成 011 包括 5 个模块：零件造型、钣金、装配、 表达视图、工程图。这些模块创建了相互关联而又 独立的文件。 另外，它还集成了应力分析、运动仿真、 换等功能，方便用户对产品做进一步研发。 维 绘图 软件 011 的优点 维工程图处理能力比较好 因为机械设计的最终目的是为了出工程图，为产品加工、装配打基础。所以 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 13 页 机械设计软件必须具有优良的二维工程图创建和处理能力。三维软件 011的二维工程图处理 能力是比较好的一个，由于建立了统一的工程设计数据库，其二维图素与三维模型关联，因此在工程图中也能逆向修改三维模型的尺寸。 有良好的设计项目管理功能 011 能够相当完整地以设计项目为线索，自 动管理相关的文件及设计数据，而不需要其他管理软件的介入。 数化技术和变量化技术 从功能上划分，三维设计软件可以分为参数化技术和变量化技术两类。参数化技术用“顺序方法”对约束求解，达到全数据相关、全尺寸约束、用尺寸驱动设计结果的修改；变量化技术用“几何图形约束和方程耦合”来求解，达到将参数化技术中的全尺寸约束细分为“尺寸约束”和“几何约束” ，而工程关系 就可以直接与几何约束耦合处理，实现基于装 配关系的关联设计 8。从 011的功能设置和实际使用中所 表现的结果， 011 属于变量化技术一类。因此， 它能处理局部约束的更改，能基于工程关系求解、能显示处理约束等等，与其它软件相比更容易理解、更适合于完成工程师原始设计构思的表达和实现，对创新设计提供了有效的支持，可以基于装配关系，利用现有结构创造全新零件。 便的操作风格 011 完全没有命令行交互的操作。所有的操 作都是通过功能图标、菜单、对话框和鼠标的操作进行。易学易用，不用背记那 些枯燥的操作命令，对于初学者易学易用，应用方便。 彩的显示功能 011 的显示表达十分理想，在透视效果，甚至 剖切效果下实时地渲染、转动、放缩都有出众的表达效果和速度。还有逼真的运动模拟，多数的机构都能被驱动“真的”运动起来。 黄河科技学院毕业设计 说明书 第 14 页 6 主要零件的设计及建模 实际使的钢筋切断机的所有零件加起来有一百多个，其中主要的零件有：机体，小带轮，大带轮（有飞轮的作用），各个齿轮轴及大齿轮，曲轴，连杆，刀座及刀片。在这里，我以机体的建模设计过程为例，其他零件 只展示建模后的效果图，它们 的设计建 模过程可参照机体的设计。 体 的设计流程 机体 的设计 过程简略如下： 1) 启动 011 软 件 ，选 择 【 新建 】 ， 新 建 类型 为【 。如图 6示： 图 6动 011 软件 2) 在【草图】面板，创建机体整体轮廓草图。如图 6示： 黄河科技学院毕业设计 说明书
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