（机械设计及理论专业论文）摆式飞剪最佳偏心距基本定尺分段图解法研究.pdf

原创性声明 m i iii i i i1 1 1 1 1 1 1i ii i1 1 1 1 1 1 y 1915 2 2 7 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：熟日期：趁!年卫月望日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 飞剪是连续轧制生产线上的重要设备，其结构、控制与调整较复 杂，其运行情况也直接影响着轧制生产线的生产效率。由于飞剪在运 动中进行剪切，因而毪剪的结构、调整及控制比一般剪切机要复杂， 对设计和制造的要求也更高。 本文介绍了摆式弋剪的基本结构及其工作原理，分析了同步机构 在整个剪切过程中的作用，通过矢量矩阵法建立了同步机构与剪切本 体一体化运动学模型，运用分析软件m a t l a b 编写了剪切机构运动 学程序，仿真出不同偏心距、不同倍切下剪切机构的运动轨迹；根据 仿真结果分析了同步机构在一定范围内进行剪切速度调节的特性，探 究了剪切过程中工作噪音的来源；并利用三维软件s o l i d w o r k s 建立 了飞剪机构的三维模型，采用s i m m e c h a n i c s 模块进行运动学仿真， 验证了剪切机构一体化运动模型的正确性。 根据飞剪传动系统参数，推导出对应的6 段基本剪切域的长度范 围及其k 倍剪切范围，分析了基本剪切长度只与无级变速器的传动 比及电机与剪切主轴的传动比相关的特性；应用运动学模型，以剪断 点位置的水平摆动速度与送料速度同步为原则，研发了剪切定尺长度 l 下如何设定同步机构最佳偏心距的基本定尺长度分段图解法，开发 了自动求解和绘图计算机程序；应用开发的计算机程序以极限规格尺 寸轧件为例演示了偏心距e 的求解过程。从剪切区域内速度同步定量 分析、剪刃与轧件的垂直度定量分析结果，经与原始数据推算结果比 较表明新的方法不仅准确而且提高了飞剪剪切特性。 本文的研究成果对飞剪的设计和改造有重要的理论指导意义。 关键字摆式飞剪，运动学仿真，偏心距，同步机构 中南大学硕七学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef l y i n gs h e a ri sa l li m p o r t a n tv a l u a b l ee q u i p m e n ti nc o n t i n u o u s r o l l i n gl i n ea n dt h ec o n t r o la n da d j u s t m e n ta r ee x t r e m e l yc o m p l e x i t s o p e r a t i o n h a sad i r e c t i m p a c to nr o l l i n gl i n ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y b e c a u s et h ef l y i n gs h e a ri nt h em o v i n g ，i t ss t r u c t u r a la d j u s t m e n ta n d c o n t r o la r em o r ec o m p l e xt h a nc o m m o ns h e a r , t h e r e q u i r e m e n t so fd e s i g n a n dm a n u f a c t u r ea l s oh i g h e r t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ef l y i n gs h e a ra n ds h e a r t r i g g e ra n da n a l y s e si t sw o r k i n gp r i n c i p l ei nt h ep r o c e s so fm o v i n g ， t h r o u g ht h ev e c t o rm a t r i xm e t h o dt oe s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c sm o d e lo f s y n c h r o n o u si n s t i t u t i o n sa n ds h e a ri n t e g r a t i o n m a t l a b t h ea n a l y t i c a l s o f t w a r e ，p r e p a r et h es h e a rk i n e m a t i c sp r o g r a ma n ds i m u l a t ec u ts h e a r i n g m e c h a n i s mo ft r a j e c t o r yi nd i f f e r e n te c c e n t r i c i t ya n dd i f f e r e n tt i m e s a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es y n c h r o n o u s s p e e dh a s a p r o p e r t i e sw h i c hc a l lr e g u l a t es h e a rs p e e di nac e r t a i nr a n g ea n de x p l o r e t h en o i s es o u r c e si ns h e a r i n gw o r k s o l i d w o r k s t h et h r e e d i m e n s i o n a l s o f t w a r e ，e s t a b l i s ht h e3 dm o d e lo ff l y i n gs h e a r u s i n gt h es i m m e c h a n i c s m o d u l e ss i m u l a t ek i n e m a t i c sa n da l s o p r o o ft h ei n t e g r a t i o no ft h e s h e a r i n gm e c h a n i s mm o t i o nm o d e li sc o r r e c t b a s e do nt h ef l y i n gs h e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m p a r a m e t e r s ，t h i sp a p e r d e d u c e st h el e n g t hd o m a i no fs i xb a s i cs h e a r i n ga n dkt i m e ss h e a r , a n a l y s e st h eb a s i cl e n g t hs h e a r i n go n l yr e l a t et ov a r i a t o rsr a t i oo fc v t a n dt h er a t i oo f s h e a r i n gs p i n d l em o t o rr e l a t e dt op r o p e r t i e s w i t ht h eh e l p o fk i n e m a t i cm o d e l ，t a k i n gt h es y n c h r o n i z a t i o no ft h eh o r i z o n t a lr o c k i n g v e l o c i t yo ft h ec u tb r e a kp o i n ta n df e e d i n gs p e e da st h ep r i n c i p l e ， r e s e a r c hi sd o n eo nt h eg r a p h i cm e t h o db a s e do nf i x e dl e n g t ht og a i nt h e b e s te c c e n t r i c i t yf o rt h es y n c h r o n o u sb o d yu n d e rs h e a rl e n g t hl ，a l s oa n a u t o m a t i cc o m p u t e rp r o g r a mf o rs o l v i n ga n dp l o r i n gi sd e v e l o p e d t h e s o l v i n gp r o c e s st og e tt h ee c c e n t r i c i t yei sd e m o n s t r a t e du s i n gt h e d e v e l o p e dc o m p u t e rp r o g r a m a n dl i m i t e dm e a s u r e m e n ts o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fs p e e ds y n c h r o n i z a t i o ni nt h e s h e a r i n gr e g i o na n dv e r t i c a l i t yb e t w e e nt h es h e a rb l a d ea n dr o l l e dp i e c e ， i i 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t i ti n d i c a t e st h a tt h en e wm e t h o di sn o to n l ya c c u r a t eb u ta l s oi m p r o v e d s h e a rb e h a v i o ro ff l ys h e a rc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sd e r i v e df r o m o r i g i n a ld a t a t h er e s e a r c hr e s u l t sw i l lp l a ya ni m p o r t a n ti n s t r u c t i n gr o l ei nt h e o r y t od e s i g na n dt r a n s f o r mt h ef l y i n gs h e a r k e yw o r d s s w i n g f l y i n gs h e a r , k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ，e c c e n t r i c i t y ， s y n c h r o n o u si n s t i t u t i o n i i i 中南夫学硕f ：学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 】 】 目录i v 第一章绪论1 1 1 飞剪机简介1 1 1 1 轧制生产线上飞剪机的应具备的基本工作性能1 1 1 2 飞剪机的类型l 1 2 飞剪机研究现状7 1 3 课题的研究背景与研究意义8 1 4 课题的研究内容、研究方法9 1 4 1 研究内容9 1 4 2 研究方法9 1 5 应用软件s o li d w o r k 与m a t l a b 简介1 0 1 6 本章小结1 3 第二章i h i 摆式飞剪结构及工作原理1 4 2 1 总体结构1 4 2 2 剪切机构工作原理1 7 2 3 剪刃及调整1 8 2 4 空切机构及倍尺原理1 8 2 4 1 轧件定尺长度计算1 8 2 4 2 空切系数法调整剪切长度1 9 2 5 同步机构2 l 2 6 本章小结2 4 第三章i h i 摆式飞剪运动学模型及剪刃轨迹2 5 3 1 同步机构运动学模型2 5 3 2 同步机构运动特性研究2 6 3 2 1 同步机构运动轨迹2 7 3 2 2 同步机构输出导杆o i b 转速波动特性2 7 3 3 基于同步机构的剪切本体运动学模型2 9 3 3 1 剪切本体0 。c d e o 曲柄摇杆机构3 2 3 3 2 剪切本体讶劂曲柄摇杆机构3 2 i v 中南大学硕十学位论文 目录 3 3 3 剪切本体o i j k l m t g h 踢滑摆机构3 4 3 3 4 剪刃剪切区间内的水平摆动速度以及剪刃与被剪轧件的角度3 6 3 4i h i 摆式飞剪上下剪刃运动轨迹仿真分析3 6 3 4 1 基本数据3 6 3 4 2 运动轨迹仿真3 8 3 4 3剪切区间求解方法4 2 3 4 4 剪切本体工作噪音源分析4 3 3 5 本章小结4 4 第四章摆式飞剪剪切机构运动的软件仿真4 5 4 1 基于s o l i d w o r k s s i m m e c h a n i c s 的软件仿真4 5 4 1 1s o l i d w o r k s 三维建模4 5 4 1 2s i m m e c h a n i c s 建模、仿真4 7 4 2v r m l 虚拟现实模拟5 4 4 3 本章小结5 7 第五章剪切机构l - e 关系推导的基本定尺分段图解法研究及剪切特性分析5 9 5 1 被剪材料送料速度的控制与基本剪切长度控制5 9 5 1 1 矫直机送料速度控制5 9 5 i 2 基本定尺剪切长度的计算6 0 5 1 3 倍尺剪切长度l k 的计算6 l 5 1 4 预定剪切长度的调控机理6 2 5 2 预定剪切长度l k 实现中的同步机构偏心距e 值的计算方法6 3 5 3 极限尺寸剪切材料下的剪切摆动与送料同步效应分析6 4 5 3 1 极小尺寸规格下的同步速度分析6 4 5 3 2 极大尺寸规格下的同步效应分析6 7 5 4 基本定尺范围内分段基本定尺图解法结果与原始数据比较分析6 8 5 5 本章小结7 0 第六章结论与展望7 1 6 1 本文研究结论7 1 6 2 展踅7 l 参考文献7 3 附录7 7 致谢8 8 v 中南犬学硕七学位论文第一章绪论 1 1 飞剪机简介 第一章绪论 横向剪切运动的轧件的剪切机叫飞剪。飞剪与一般剪切机一样，主要用来剪 切定尺、切头、切尾、切取式样以及处理事故等。由于飞剪在运动中进行剪切， 因而飞剪的结构、调整及控制比一般剪切机要复杂，对设计和制造的要求也更高。 飞剪通常安装在连续式轧机的轧制线上和连续式独立加工机组的作业线上。也可 以安装在横切机组、连续镀锌机组和连续镀锡机组等连续作业的精整机组上。随 着连续式轧机的发展和广泛应用，飞剪机得到广泛的应用。 1 1 1 轧制生产线上飞剪机的应具备的基本工作性能 飞剪机的作用是用来横向剪切运动着的轧件。由于现代化板带车间的生产率 很高，生产工艺对飞剪的要求也不断提高。飞剪机必须适用轧制生产线一i - - 的高速 作业且保证断面的剪切质量。因此，飞剪机必须具备如下工作性能【l l ： 1 ) 飞剪能在一定温度条件下剪切规定的各种材质、各种宽度和厚度的带材， 其生产效率必须与生产作业线的生产率相适应； 2 ) 剪切时，剪刃在带钢运动方向的速度水平分量必须与带钢的运行速度保 持一定关系，以保证剪切时带钢不被阻挡或拉断( 冷剪时不超过材料的弹性极 限) 。具体即为：在切头和定尺剪切时剪刃水平速度要等于或略大于带钢速度， 在切尾时，剪刃水平速度要求略小于带钢速度； 3 ) 剪切时，飞剪上下剪刃宜作平面平移运动，上下剪刃垂直或近似垂直于 带材表面并保持适当的侧隙，剪切阶段上下剪刃必须有足够的霞合度； 4 ) 飞剪应能按规定剪得定尺长度的板材，或定长的切头； 5 ) 定尺飞剪剪得带钢的断口应当平直且垂直于带材的轴线，长度公差应符 合要求；切头飞剪剪切后带钢的头部或尾部的形状应有利于下一工序的咬入。 1 1 2 飞剪机的类型 根据飞剪机的用途，飞剪机可分为切头飞剪机和切定尺飞剪机两大类。切头 飞剪用于剪切精轧带坯头和尾部的低温及不规则部分，切定尺飞剪用于剪切定 规格长度的带钢。如果按飞剪机剪切机构的型式来分，目前应用较广泛的飞剪机 有滚筒式飞剪机、曲柄连杆式飞剪机、曲柄偏心式飞剪机、摆式飞剪机和曲柄摇 中南人学硕卜学位论文 第章绪论 杆式飞剪机等。近年来，由于电子技术的发展，采用计算机可编程控制等技术的 飞剪机得到了较好的发展，剪切机的工作控制水平和剪切质量大得到较大的提 高。 1 ) 滚筒式飞剪 滚筒式飞剪机是一种应用很广的飞剪机，它装设在连轧机组或横切机组上， 用来剪切厚度小于1 2 m m 的钢板或小型型钢。而当用这种飞剪机作为切头飞剪机 时，其剪切厚度可达4 5 m m 。由于滚筒式飞剪机的刀片安装在作圆周运动的滚筒 上，因此刀片随同滚筒一起做简单的圆周运动，故可剪切运动速度高达1 5 m s 以上的轧件。 1 上刀片2 上滚筒3 下滚筒4 下刀片 5 送料辊 图1 - 1 滚筒式飞剪机 图1 1 是滚筒式飞剪机结构示意图。上刀片l 装在上滚筒2 上，下刀片4 装在下滚筒3 上，上、下滚筒旋转时，上、下刀随自身滚筒一起作圆周运动，当 上、下切入轧件则开始实现剪切，上下剪刃重合时则剪断轧件。用于切头切尾的 滚筒式飞剪机的滚筒上往往装有两把刀片，分别用来切头和切尾。滚筒式飞剪机 用来对轧件切头切尾时采用启动工作制：用来对轧件进行定尺剪切时采用连续工 作制。 小型车间的滚筒式飞剪机，由于轧件宽度不大，往往将刀片装在作圆周运 动的杠杆上如图l 。2 ，也称回转式飞剪机。 2 妒 中南人学硕 ：学位论丈第一章绪论 1 刀片2 杠杆3 传动齿轮 图1 - 2 回转式飞剪机 滚筒式或回转式飞剪机的刀片作圆周运动，当上、下刀片切入轧件时，显 然刀片并不垂直于轧件表面且上下刀刃互不平行，导致轧件剪切断面不平整，因 此，这种飞剪不适合剪切较厚的轧件，一般用来剪切直径小于 3 0 m m 的圆钢或 相应的方坯以及薄板带。 2 ) 曲柄连杆式飞剪机 为了保证轧件被飞剪机剪断后的剪切断面平整，这就要求上、下刀片作平移 运动。曲柄连杆式飞剪机就是此类飞剪机中的一种，如图1 2 所示。 图1 3 是曲柄连杆式飞剪机结构简图。刀架做成杠杆形状，其一端固定曲柄 轴上，另一端与摆杆相连。当曲柄轴转动时，刀架作平移运动，固定在刀架上的 刀片能垂直或近似地垂直轧件，因此剪切断面较为平整。由于剪切轧件时刀片垂 直于轧件，在剪切板带时可以采用斜刀刃，以减少剪切力。 这种飞剪的缺点是结构复杂，剪切机构动力特性不好，轧件的运动速度不能 太快一般小于5 r n s ，剪切的轧件厚度为3 0 7 0 m m 。在连续式小型型钢生产中， 产品范围为 3 0 m m 5 0 m m ，轧件速度变化范围也达2 - 2 0 m s 。因此，曲柄连 杆式飞剪机的存在一定的局限性。 3 中南人学硕卜学伊论文第章绪论 1 上刀架2 上曲柄轴3 上摆杆 4 下刀架5 下曲柄6 下摆杆7 传动齿轮 图1 - 3 曲柄连杆式飞剪机 3 ) 曲柄偏心式飞剪机 。土翮_ 滁 一r 强警菇潮握噍誉h 。 颥 7 必屿 9 。 0 疆 荔闻z ，- 燃im i 唾南门量i l ! 朦f = ：篓葚翼蕊嘲 e f 。熹 i j摩!麟y 7 吲 i 蹿山 。一1 5 l 靠 一 畸、悄飞 山再 l 函 一 v 1 1 一 l 争弼 卜一上季 i 援l l 。- 一一 阂 篦l i 2 - _ ji 1 小齿轮2 、”传动导架齿轮3 、4 铰链5 双臂曲柄轴曲柄头6 连杆7 摆杆 8 刀架 9 双臂曲柄轴1 0 导架1 2 偏心轴1 3 、1 4 传动偏心轴齿轮1 5 刀片 1 6 滚动轴承 图i - 4 曲柄偏心式飞剪机 这类飞剪机的刀片作平移运动，其结构简图如图l - 4 所示。双臂曲柄轴9 ( b c d ) 铰接在偏心轴1 2 的镗孔中并有一定的偏心距e 。双臂曲柄轴还通过连 杆6 ( a b ) 与刀架l o 相铰接。当导架旋转时，双臂曲柄轴以相同的角速度随之 一起旋转。刀片1 5 固定在刀架8 上，刀架的另一端与摆杆7 铰接，摆杆则铰接 4 中南夫学硕十学何论文第一章绪论 在机架上。通过双臂曲柄轴、刀架和摆杆可使刀片在剪切区作近似于平移的运动， 以获得平整的剪切断面。 通过改变偏心轴与双臂曲柄轴( 导架) 的角速度比值，可以改变刀片轨迹半 径以调整轧件的定尺长度。这类飞剪机装设在连续钢坯轧机后面用来剪切方钢 坯。 4 ) 摆式飞剪 图1 5 为摆式1 s 剪的结构示意图。上刀架5 与主曲柄轴l 相铰接，下刀架6 通过连杆连接轴2 、连杆7 与曲轴l 相连，下刀架6 可在上刀架5 中的滑槽中滑 动。机架4 在后轴3 的驱动摆动。典型的摆式飞剪是日本石川岛播磨鼋工业公司 生产的i h i 摆式飞剪机。 1 主曲柄轴2 连杆联接轴3 后轴4 机架5 上刀架6 下刀架7 连杆 8 圆盘9 齿条1 0 小齿轮 图1 - 5 摆式飞剪机 ( 5 ) 曲柄摇杆式飞剪 曲柄摇杆式飞剪，即施罗曼飞剪机( s c h l o e m a n n ) 。施罗曼飞剪机的上刀架 l ( 连杆) 通过偏心枢轴6 与下刀架2 ( 摇杆) 相铰接。上刀架2 在曲柄3 与上 刀架1 的带动下，以偏心轴4 ( 机械偏心) 、偏心套5 ( 液压偏心) 为中心做往复 摆动。当改变偏心轴4 与偏心套5 的偏心位置时，可得到不同的空切次数。 施罗曼飞剪机用来剪切冷轧板带。由于飞剪机工作时总能量波动较小，故可 在大于5 m s 的速度下工作。 结构如图1 6 ，图1 7 所示。 5 论 1 上刀架( 连杆) 2 下刀架( 摇杆)3 曲柄4 偏心轴( 机械偏心) 5 偏心套( 液压偏心) 6 偏心枢轴7 剪刃间隙调整装置 图卜7曲柄摇杆式飞剪机结构简图( 施罗曼飞剪机) 6 中南人学硕十学何论文第章绪论 1 2 飞剪机研究现状 飞剪机是冶金工业的重要设备，它的剪切速度、自动化程度、操作维护及寿 命，直接影响到轧钢厂的生产效率和经济效益。随着对飞剪的剪切速度和剪切精 度的要求越来越高，提高飞剪机的性能已经成为人们普遍关注和研究的问题。 我国从5 0 年代以来，陆续从国外引进了多种类型飞剪机，如首钢小型5 0 5 0 m m 2 的启停式飞剪、鞍钢初轧1 0 0 x1 0 0m m 2 的连续式飞剪、济钢从捷克引进 的小型连续式飞剪、武钢从日本引进的i h i r 6 3 6 摆式飞剪机，还有首钢、安阳钢 厂引进了意大利d a n i e l i 公司的c v 3 0 0 飞剪机等。同时，相关设计、研究院所开 始消化吸收国外飞剪设备的设计、制造技术，并试制生产飞剪，但未获得一定的 市场。 从文献调研结果可知，关于飞剪的主要研究成果如下： 杨基厚等【l o l 研究了飞剪的均速比、速度增长率、拉钢量及抛钢要求，并采 用一维搜索方法找出主曲柄位置角，确定了纯剪切区。 阎红娟【l3 】通过对首钢轧钢厂棒材生产线上的c v 型飞剪机的故障诊断和综 合测试，分析了飞剪机的响应特性、运动特性、载荷特性和剪切状态特性，建立 了飞剪的动力学模型。 周强【1 5 】通过提高减速箱的速比，增大飞剪的剪切力矩，利用速度设置，避 免了切头切尾失效。运用飞剪机构运动和控制原理分析，找出工作中机构的不可 靠、事故频发等问题。 于凤梅【1 9 】系统的了解了国内铝、箔加工企业的装备技术水平和发展情况， 分析了回转式飞剪结构特点及关键零部件的作用，并指出由于国内制造技术问 题，飞剪国产化过程中存在大部分关键设备还要依靠进口的问题。刘营营等1 2 3 】 介绍了飞剪机的工作原理，传动机构的工作特点及种类，指出了国内现有飞剪机 在生产和研发过程中存在的问题。 刘海1 2 6 1 设计一种新型的飞剪机，采用固定机座、移动机架的特殊结构， 比一般的飞剪机结构简单。 刘晓磊【2 7 】针对上海宝山钢铁企业的某条生产线飞剪机的剪切定尺长板材的 可行性进行了研究，对其主要部件曲轴进行了静力学和动力学分析。 黄真【6 i 】以复变函数的原理阐述了摆式飞剪运动分析的解析法，比传统的图 解法准确方便得多。夏建芳等【7 】【8 l 【9 l 建立了 h i 摆式飞剪运动学分析模型和结构 优化设计模型，但优化模型结果分析中没有考虑不同定尺剪切下送料速度的变化 以及传动比的变化，而足以一种额定转速和最大送料速度来进行优化的，因此， 优化结果能否满足全域剪切范围的剪切性能，还需进步验证，或许需要修改优 7 中南人学硕 ：学位论文 第一章绪论 化模型。 贺保东7 2 1 介绍了i h i 摆式飞剪原始资料偏心距计算经验公式： e ：4 0 0 l x s - k x 9 3 3 8 2 2 三x s + k 9 3 3 8 2 2 s = 0 0 0 0 1 5 ( l 一9 3 3 8 2 2 ) + 1 1 k 一一倍切系数三一一定尺长度 王全忠【7 4 】针对在定尺长度l 剪切生产中，按照i h i 摆式飞剪原始资料中提 供的偏心距e 设定数据( 图表) 操作导致拉剪的现象，分析了i h i 摆式飞剪的轨 迹特性、剪切特性，并根据剪切段、剪切区域中剪切工艺要求研究了偏心距的近 似计算公式： e ：冠f o l - 厶：4 0 0 - ：f o l 一- 1 1 兀三+ 厶五+ 厶 厶叫( 筹) 吲钆6 ) ( 一一定尺长度厶一一基本定尺长度 韩建友、杨基厚等指出了文献【7 4 】偏心距求解方法存在的问题，并以剪切段 起点b ( 丑 z o ) 为参考，设b 一 t 之 间的堆钢量为s 、t - e 之间的拉钢量为最，以s = 兄是为原则推到了较为复杂的 l e 关系，且要通过隐函数反求偏心距e 。不利于计算机编程自动求解与飞剪国 产化中偏心距设定的智能控制。 就上述关于飞剪的主要研究成果可知，飞剪的研究还有很多工作要问答题， 特别是剪切长度l 与同步机构偏心距e 的准确解析关系或准确的数值关系，值得 进一步研究。 1 3 课题的研究背景与研究意义 飞剪是连续轧钢生产线上的重要设备，其结构、控制与调整很复杂，其运 行状况与车l s m 生产线的生产效率密切相关。摆式飞剪在薄板、带连续轧制生产线 上，由于其优良的剪切断面质和多种定尺长度控制受到普遍应用。本论文是在参 与i h i 摆式飞剪国产化课题中衍生出的子研究课题，研究的意义在于：对于应用 反求工程设计方法设计制造的国产i h i 摆式飞剪，研究变剪切长度下满足最佳同 步性能的同步机构偏心距求解方法，编制智能计算求解程序，最终实现给定剪切 长度下最佳偏心距的计算机自动求解与控制。 此课题的研究对于进一步消化、改进i h i 摆式飞剪的设计技术，实现i h i 8 中南大学硕十学位论文第一章绪论 摆式飞剪同步机构偏心距的计算机自动计算与控制，具有重要的研究价值与工程 意义。 1 4 课题的研究内容、研究方法 1 4 1 研究内容 1 ) 分析i h i 摆式飞剪的结构组成、工作原理； 2 ) 基于实体建模法，建立摆式飞剪机剪切机构装配模氆，仿真分析剪切机 构实体装配模型的运动特性；运用虚拟现实技术实现弋剪运动场景实时显示，输 出运动特性，为验证运动学解析模型奠定基础。 3 ) 探求剪切机构运动学解析模型的建立方法，并用剪切机构实体装配模型 的运动特性数据验证解析模型的正确性。剪切机构运动学解析模型是进行同步机 构最佳偏心距求解的重要计算模型，也是后续机构优化的重要计算模型； 4 ) 给定轧件尺寸以及送料速度下，以剪切过程中剪刃水平摆动速度与轧件 送料速度一致为设计目标。研究同步机构最佳偏心距e 的求解方法，编写相应计 算机程序实现自动求解，为同步机构最佳偏心距的智能设定提供技术方法，并定 量分析对应的剪切性能。 1 4 2 研究方法 1 ) 搜集相关文献，总结分析摆式飞剪的结构组成、分析其工作原理并获取 现有进口i h i 摆式飞剪的结构数据； 2 ) 应用s o li d w o r k s 三维造型与分析c a e 软件，建立摆式飞剪剪切机构三 维实体装配模型，并转换至m a t l a b 中，应用其仿真模块s i m m e c h a n i c s 仿真工具 分析剪切机构工作特性，即剪刃运动轨迹和运动速度。 本文先使用s o l i d w o r k s 创建装配体，然后导入s i m m e c h a n i c s 进行运动仿真。 s i m m e c h a n i c s 内部的三维刚体运动可视化，实体外观不够形象、直观，为 了弥补缺陷，m a t h w o r k s 公司提供了s i m m e c h a n i c s 与v r m l 虚拟现实工具的接口。 可以将c a d 软件的三维实体转换为v r 国i l 格式，然后运用s i m m e c h a n i c s 模型计算 的数据控制实体各构件的运动，从而实现逼真的动态效果。 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 即虚拟现实建模语言。是一 种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语占，也具有 平台无关性，是目前i n t e r n e t 上基于w w w 的三维互动网站制作的主流语言。 v r m l 本质上是一种面向w e b ，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语 9 中南人学硕卜学位论文 第一章绪论 言。v r i v i l 的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过 实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的v r ( 虚拟世界) 。 m a t l a b 内的虚拟现实工具箱( v i r t u a lr e a li t yt o o l b o x ) 提供了解决动态 虚拟现实系统显示的一种方法。虚拟现实工具箱可在s i m u l i n k 环境中设计、微 调以及实证3 d 世界，带来强大的虚拟视觉化、模拟以及实证动力。虚拟现实工 具箱借助由v r m l 所构成的浏览器( v r m lv i w e r ) 与m a t l a b 和s i m u l i n k 紧密相 连，同时将模型系统以三维空间虚拟呈现，为能在一个三维虚拟现实环境中进行 可视化操作和与动态系统进行交互提供了一种有效的解决方案。使用m a t l a b 提 供的虚拟现实编辑器( v r m le d i t o r ) 可以创建三维场景，然后通过虚拟现实工 具箱提供的v rs i n k 模块将v r i v i l 模型导入，导入之后就可以在v r m l 节点属性中 选择需要控制的实体自由度，然后用s i m u l i n k 信号控制这些自由度，仿真开始 后在v r m lv i w e r 中就可以看到实时的运动状况。 3 ) 应用向量矩阵法建立剪切机构解析模型，应用m a t l a b 符号语言功能求 解剪刃位移、速度、加速度等，进而分析不同定尺剪切参数下的剪刃与轧件的同 步特性、剪刃与被剪切轧件的垂直特性、剪刃相对位置特性( 最大歼口度、重合 度、剪切区域) 等，并与实体机构运动特性比较，以验证解析模型的正确性。 应用m a t l a b 对i h i 摆式飞剪运动学解析模型进行计算机编程，可以高效、 全面求解剪刃的运动特性、剪切特性，并可获得需要的求解数据，同时也可对数 据进行图像化处理，直观表达运动特性。 4 ) 以剪切实施过程对应瞬态区间末的剪刃水平速度略超前轧件喂料速度 2 - 3 为工艺准则，研究同步机构最佳偏心距通用求解方法，以适用不同剪切长度 下同步机构偏心距的最佳设置计算机自动求解。 1 5 应用软件s o lid w o r k 与m a t l a b 简介 1 ) s o l i d w o r k s s o li d w o r k s 是美国s o li d w o r k s 公司开发的基于w i n d o w s 操作系统为平台的 一款功能强大的三维c a e 软件。s o li d w o r k s 具有高效的、简单的实体建模功能， 并可以利用s o l i d w o r k s 集成的辅助功能对设计的实体模型进行一系列计算机辅 助分析，以便更好的满足设计需要，节省设计成本，提高设计效率。s o l i d w o r k s 通常应用于产品的机械设计中，它将产品设计置于3 d 空间环境中进行，设计工 程师按照设计思想绘制出草图，然后生成模型实体及装配体，运用s o l i d w o r k s 自带的辅助功能对设计的模型进行模拟功能分析，根据分析结果修改设计的模 一型，最后输出详细的工程图，进行产品生产。由于s o l i d w o r k s 简单易用并且有 强大的辅助分析功能，已广泛的应用于各个行业中，如机械设计、工业设计、电 l o 中南大学硕+ ：学何论文第章绪论 装设计、消费品产品及通信器材设计、汽车制造设计、航空航天的飞行器设计等 行业中。 2 ) m a t l a b m a t l a b 是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 的简称，是美国m a t h w o r k s 公 司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的 高级技术计算语言和交互式环境，主要包括m a t l a b 和s i m u l i n k 两大部分。 ( 1 ) m a t l a b 符号运算 m a t l a b 符号运算是通过集成在m a t l a b 中的符号数学工具箱( s y m b o l i cm a t h t o o l b o x ) 来实现的。和别的工具箱有所不同，该工具箱不是基于矩阵的数值分 析，而是使用字符串来进行符号分析与运算。实际上，m a t l a b 中的符号数学工 具箱是建立在m a p l e 基础上的，当进行m a t l a b 符号运算时，它就请求m a t l a b 软件去计算并将结果返回给m a t l a b 。m a t l a b 的符号数学工具箱可以完成几乎所 有得符号运算功能。这些功能主要包括：符号表达式的运算，符号表达式的复合、 化简，符号矩阵的运算，符号微积分、符号函数画图，符号代数方程求解，符号 微分方程求解等。此外，工具箱还支持可变精度运算，既支持符号运算并以指定 的精度返回结果。 ( 2 ) m a t l a b s i m m e c h a n i c s 工具仿真及v r m l 虚拟现实模拟 m a t l a b 中的s i m m e c h a n i c s 立足于s i m u l i n k 之上，是进行控制器和对 象系统跨领域跨学科的研究分析环境。s i m m e c h a n i c s 为多体动力机械系统 及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段，一切工作均可在s i m u l i n k 环境中完成。它提供了大量对应实际系统的元件，如：刚体、铰链、约束、 坐标系统、作动器和传感器等。使用这些模块可以方便的建立复杂机械系 统的图示化模型，进行机械系统的单独分析或与任何s i m u l i n k 设计的控制 器及其它动态系统相连进行综合仿真。 s i m m e c h a n i c s 是s i m u l i n k 物理建模产品家族的一员，该产品系列扩 展了s i m u li n k 的建模能力，利用它们做出的模型仍能与传统s i m u li n k 模 块所建立的模型相融合。 s i m m e c h a n i c s 具有以下特点： 提供了三维刚体机械系统的建模环境； 包含了一系列分析机械运动和设计机械元件尺寸的仿真技术； 三维刚体可视化仿真； s i m m e c h a n i c sl i n ku t ilit y ，提供p r o e n g i n e e r 和s o li d w o r k sc a d 平 台的接口并且也提供了a p i 函数和其它c a d 平台的接口； 能够把模型转化为c 代码( 使用r e a l - t i m ew o r k s h o p ) ； 中南人学硕卜学位论文 第一章绪论 由于集成在s i m u l i n k 环境中，因此可以建立高精度、非线性的模型以支 持控制系统的开发和测试。 k 4 t l a b 中的s i n 1 m e c h a n i c s 共有6 大模块库，杆件( b o d i e s ) 、约束和驱动 ( c o n s t r a i n t s & d r i v e r s ) 、力元件( f o r c ee l e m e n t s ) 、运动副( j o i n t s ) 、 测量和激励元件( s e n s o r s a c t u a t o r s ) 、实用件( u t i li t i e s ) 。下面简要 介绍常用的几种模块。 g r o u n d 模块 该模块代表机器上固定的部分，也就是机架。可设定的参数为其在世界坐标 系内的坐标。 目 m a c h i n ee v i r o m e n t 机械环境模块 m a c h i t i e e n v i r o n m e n t 该模块确定重力加速度、仿真模式和精度等。 母 b o d y 模块 该模块表示机械中的杆件。杆件与杆件之间通过运动副联结。杆件需要确定 的参数有尺寸和质量信息，包括运动副坐标、重心坐标和惯性积等。 1 2 参数为主动轴方向。 模块 起点时运动副的初始位置和速度。 日 懒 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一该 脚 婀 m 拥 一 酬 宅旦旷 中南人学硕卜学何论丈 第章绪论 该模块用来测量杆件上某些点的位置、速度和加速度等信息。该模块能将 s i m m e c h a n i c s 信号转换为s i m u li n k 信号，因此是两个工具的桥梁。 阳 b o d ya c t u a t o r 激励模块 1 、r 该模块用来接受给定的s i m u li n k 信号，比如角度信号、力或力 j 0 m 侦咖甜们矩信号等等，以激励另一端的杆件。该模块也是s i m m e c h a n i c s 和 s i m u l i n k 之间的桥梁。 s i m m e c h a n i c s 可以用于开发悬架、机器手臂、外科医疗设备、起落架和大 量的其它机械系统。用户也可以在s i m m e c h a n i c s 环境下集成其它的m a t h w o r k s 物理建模工具，这样做可以实现更加复杂跨领域的物理建模。 1 6 本章小结 本章主要介绍了飞剪机的作用、分类、国内设备现状以及研究现状。概述了 课题的来源、研究内容和研究意义。并简要描述了研究思路。课题的研究重点在 于以剪切实施过程对应瞬态区间末的剪刃水平速度略超前轧件喂料速度2 3 为 工艺准则，研究同步机构最佳偏心距通用求解方法，以适用不阿剪切长度下同步 机构偏心距的最佳设置计算机自动求解，最终实现i h i 摆式飞剪同步机构偏心距 的智能设