（机械电子工程专业论文）钢筋切断机的箱体有限元分析及传动机构动力学仿真.pdf

中文摘要 中文摘要 肿f j l l jllr f l j l f l l l lj i r l i f l l l l f f f l l l l f r r l f l l l y 17 8 9 3 7 5 钢筋切断机是一种广泛应用于机械制造、建筑等行业中的重要工具，随着科技的进 步和加工要求的不断提高，现有的钢筋切断机已逐渐不能适应用户的新需求，目前钢筋 切断机还有待于进一步全面深入的研究。降低成本、增加新功能、提高自动化水平等将 成为钢筋切断机今后发展的方向。 针对钢筋切断机设计和生产的现状，进行了生产加工状况、常见故障及关键问题的 调查，然后使用有限元及虚拟样机技术对钢筋切断机三维模型进行结构静力学分析、动 力学分析，进而提出改进方案。 论文主要就以下内容进行了深入研究： ( 1 ) 建立钢筋切断机三维实体模型。建立钢筋切断机各个零部件的模型，完成虚拟 装配并进行运动仿真，利用建模软件p r o e 的碰撞检测功能对钢筋切断机模型进行碰撞 检测，验证模型的准确性。 ( 2 ) 借助a n s y s 软件对钢筋切断机箱体进行静力学分析，得出钢筋切断机剪切钢筋 过程中箱体上应力、应变的分布云图，找出最大应力位置并提出改进方案，对改进后的 箱体做有限元分析，并分别对改进前后的箱体进行模态分析，分析改进方案的可行性和 有效性。 ( 3 ) 建立钢筋切断机剪切钢筋的模型，对其进行有限，亡分析。基于动力学分析软件 l s d y n a 仿真钢筋切断机剪切钢筋的过程，得出钢筋被剪切时动态的应力、应变分布云 图、钢筋被剪切时的断口变化情况及剪切力曲线图等。 ( 4 ) 将建好的传动机构模型导入到a d a m s 环境下，进行动力学性能分析，借助 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块获得减速机构中各关键部位的速度、加速度、位移等曲线图， 深入分析钢筋切断机中传动机构的动力学性能。 通过仿真分析，取得了以下结果： 借助先进的p r o e 、a n s y s 和a d a m s 软件联合仿真，建立了钢筋切断机模型，并实 现了其运动仿真，通过对箱体模型做有限元分析，提出了改进方案并证明了改进方案的 可行。利用l s - d y n a 仿真钢筋切断机剪切钢筋的动念过程，利用a d a m s 软件刈铡筋切断 机的传动机构做动力学分析，得到了传动机构的运行数据及相关曲线图，为后续课题的 进一步研究提供了参考数据。 火键词：钢筋切断机；箱体；有限元分析；动力学分析；模型传递 钢筋切断机的箱体有限元分析及传动机构动力学仿真 a i ma tt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o ns t a t u so ft h er e i n f o r c i n gs t e e lc u r e r , s t u d y t h ec o m m o nf a u l t sa n dk e yi s s u e s n e x t ，p r o p o s ei m p r o v e m e n ts c h e m eb y a n a l y z i n gs t a t i c s t r u c t u r ea n dd y n a m i c so ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h e r e i n f o r c i n gs t e e lc u t t e rw i t ht h ef e mt e c h n o l o g ya n d v p t e c h n o l o g y s t u d yd e e p l yo nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t i nt h i st h e s i s ： ( 1 ) e s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h er e i n f o r c i n gs t e e lc u r e r s e tu pe a c hp a r tm o d e lo ft h er e i n f o r c i n gs t e e lc u r e r a c c o m p l i s ht h ev i r t u a l a s s e m b l ya n dc a r r yo u tt h em o t i o ns i m u l a t i o n v e r i f yt h em o d e l sa c c u r a c yb y d o i n gc o l l i s i o nd e t e c t i o nu s i n gt h ec o l l i s i o nd e t e c t i o nf u n c t i o no f t h em o d e l i n g s o f t w a r ep 舳 ( 2 ) m a k es t a t i ca n a l y s i s o nr e i n f o r c i n gs t e e lc u r e rc a s eu s i n ga n s y s s o f t w a r e g e ts t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n so fi t sc a s ed u r i n gt h er e i n f o r c i n g s t e e lc u r e rw o r k s f i n dt h em a x i m u ms t r e s sl o c a t i o na n dp r o p o s ei m p r o v e m e n t p r o g r a m s d ot h ef e ma n a l y s i s o nt h ec a s em o d e lb e f o r ea n da f t e rt h e i m p r o v e m e n t a n a l y z et h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s o ft h e i m p r o v e m e n t s c h e m e ( 3 ) m a k et h ef e ma n a l y s i so nt h ec u tb o d i e s m o d e lo fr e i n f o r c i n g s t e e l c u r e r a n a l y z et h es h e a r i n gr e i n f o r c e m e n tm o d e lp r o c e s so fr e i n f o r c i n gs t e e l c u t t e rb a s e do nd y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r el s d y n a o b t a i nt h e s t r e s sa n d s t r a i nn e p h o g r a m s ，t h ef r a c t u r ec h a n g i n gs i t u a t i o na n dt h es h e a r i n gf o r c ec u r v e d i a g r a mw h i l et h es t e e lb a rm o d e li sb e i n gs h e a r e d p r o v i d er e f e r e n c ed a t af o r f u r t h e rs t u d yi nt h ef o l l o w u pr e s e a r c h i 塑堑塑堑丝竺笙堡鱼堡垄坌塑丝堡垫型! 塑生尘堂堕壅 _ _ _ - _ _ 一一 ( 4 ) d ot h ed y n a m i ca n a l y s i sb a s e do nt r a n s f e rr e d u c e rm o d e li n t oa d a m s e n v i r o n m e n t g e tt h e v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n ，d i s p l a c e m e n t c u r v e so ft h e r e i n f o r c i n g s t e e lc u t t e r c a s ea n dr e d u c e rm a c h i n eb y m e a n so f a d a m s p o s t p r o c e s s o rm o d u l e n e x tm a k ei n d e p t ha n a l y s i s o nd y n a m i c p r o p e r t i e so fr e d u c t i o nu n i ti nt h er e i n f o r c i n gs t e e lc u t t e r t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i sa c q u i r e dt h ef o l l o w i n g r e s u l t s ： c o - s i m u l a t i o nb yv i r t u eo ft h ea d v a n c e ds o f t w a r e sp r o e a n s y sa n d a d a m s e s t a b l i s ham o d e lo ft h es t e e lc u t t i n gm a c h i n ea n da c h i e v ei t sm o t i o n s i m u l a t i o n p r e s e n ti m p r o v e m e n ts c h e m e sa n dp r o v et h e i rf e a s i b i l i t yt h r o u g h d o i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt h ec a s em o d e l f o rt h ef i r s tt i m e u s el s d y n a t os i m u l a t em ed y n a m i cp r o c e s so ft h es t e e lb a rm o d e ls h e a r e db yr e i n f o r c i n g s t e e lc u t t e r p r o v i d er e f e r e n c ed a t af o rf u r t h e rs t u d yi nt h ef o l l o w u pr e s e a r c h o b t a i nf u n c t i o nd a t aa n dr e l a t e dc u r v e so fr e d u c t i o nm a c h i n ew h i c ha r ea c q u i r e d b yu s i n ga d a m st od od y n a m i ca n a l y s i s o nt h er e i n f o r c i n gs t e e lc u t t e r r e d u c t i o nm a c h i n e k e y w o r d s ：r e i n f o r c i n gs t e e lc u t t e r ；m a c h i n ec a s e ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ； d y n a m i ca n a l y s i s ；m o d e l t r a n s f e r 1 2 国内外研究的现状及发展趋势1 1 2 1 钢筋切断机的历史1 1 2 2 国内外切断机技术差异2 1 2 3 发展趋势3 1 3 课题研究的意义3 1 3 1 理论意义3 1 3 2 现实应用4 1 4 课题研究方案4 1 5 本章小结4 第二章模型的建立及其运动仿真5 2 1p r o e 简介5 2 1 1 三维实体建模5 2 1 2 单一数据库5 2 1 3 基于特征5 2 1 4 参数化设计6 2 2 钢筋切断机结构和基本工作原理6 2 2 1 基本结构6 2 2 2 基本工作原理6 2 3 钢筋切断机模型的建立7 2 3 1 箱体模型的建立7 2 3 2 齿轮及齿轮轴模型的建立8 2 3 3 其他零部件模型的建立1 1 2 4 虚拟装配1 l 2 4 1 模块化的虚拟装配1 l 2 4 2 自顶向下的原则1 3 2 4 3 装配过程中出现的常见问题及解决方法1 3 2 5 运动仿真1 4 2 5 1 建立机构运动仿真的一般步骤1 5 2 5 2 钢筋切断机运动仿真实现1 5 2 5 3 干涉检验1 6 2 5 4 保存结果1 8 2 6 本章小结1 8 第三章钢筋切断机的箱体有限元分析，19 3 1 有限元软件a n s y s l1 0 简介1 9 3 2 钢筋切断机的力学性能分析1 9 3 2 1 钢筋切断机的剪切机理2 0 3 2 2 最大冲切力的计算2 2 3 2 3 箱体受力分析2 4 3 3 箱体结构静力分析2 7 钢筋切断机的箱体有限冗分析及传动机构动力学仿真 3 3 1 箱体模型的导入2 7 3 3 2 在a n s y s l1 0 中设置材料参数2 8 3 3 3 对箱体模型划分网格2 8 3 3 4 边界条件及施加载荷2 9 3 3 5 计算结果分析3 1 3 3 6 优化改进3 4 3 4 箱体模态分析4 0 3 4 1 对材料为球墨铸铁的箱体模态分析4 1 3 4 2 改进后的箱体模态分析4 3 3 4 3 结论分析4 4 3 5 本章小结4 6 第四章钢筋切断机的动力学分析4 7 4 1 引言4 7 4 2 基于a n s y s l s d y n a 钢筋切断机剪切钢筋过程的仿真分析4 7 4 2 1 建立钢筋剪切机构模型4 8 4 2 2 划分网格4 9 4 2 3 加载、约束和边界条件5 0 4 2 4 显式分析求解5 0 4 2 5 显式后处理及结果分析5 0 4 3 箱体内部齿轮减速机构的动力学分析5 4 4 3 1 关于动力学分析和a d a m s 5 4 4 3 2 接口 l e c h a n i c a l p r o 5 5 4 3 3 导入模型5 6 4 3 4 创建约束副、添加驱动和接触力5 7 4 3 5 仿真分析j 5 8 4 3 6 仿真后处理及结果分析5 8 4 4 本章小结6 0 第五章总结与展望6 1 5 1 本文结论6 1 5 2 回顾总结6 2 5 3 工作展望6 2 参考文献6 3 致谢。6 7 攻读学位期间发表的论文。6 9 对建筑材料，特别是钢筋的需求量将极大增加，势必引起钢筋切断机的需求量随之增加。 1 1 课题提出的背景 钢筋切断机是一种建筑机械，是钢筋加工必不可少的设备之一，它主要用于房屋建 筑、桥梁、隧道、电站、大型水利等工程中对钢筋的定长切断。相对而言其本身具有重 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 等单位广泛采用，在国民经济建设中发挥了重要的作用n 3 1 。 改革开放三十年，我国的国计民生得到了长足的发展，建筑业和制造业规模都不断 地扩大，但在个别方面我们和西方发达国家依然有不小的差距。制造业是国民经济的基 础行业，也足高新技术发展的支撑，随着经济全球化的不断推进、机械制造业的飞速发 展，新的技术变革悄然兴起。近年来，一些传统的设计、生产方法受到了挑战，传统生 产方式仅依靠二维图纸先生产出样品，经反复试验、改进，然后才投入批量生产的方法 逐渐被现代设计生产模式取代。随着现代科技的发展，计算机辅助设计已经渗透到机械 发展的各个行业中，该项技术的介入，也大大加快了机械行业的发展，而且计算机辅助 设计己成为该领域的一个研究热点，与计算机辅助制造、计算机辅助工艺设计在行业中 共同发挥着很大的作用。 近年来，计算机辅助设计、计算机辅助制造等技术在很多领域得到了深入的发展， 但由于钢筋切断机生产厂家规模不大，结构简单，技术含量低等原因，三维建模、虚拟 样机技术、有限元分析等先进的计算机辅助技术很少用到钢筋切断机的设计生产过程 中。本文充分利用成熟的计算机仿真技术对钢筋切断机的箱体、剪切机构及减速机构计 算分析，将使铡筋切断机的质量、寿命得到提高，并降低成本及提高其可靠性。 1 2 国内外研究的现状及发展趋势 1 2 1 钢筋切断机的历史 太原科技人学机器厂是最早尘产钢筋切断机的厂家之一，1 9 5 8 年首先引进苏联的卧 式钢筋切断机图纸，丌始生产了全固第一台钢筋切断机，现生产的( ；0 4 0 a 型就足其改进 型。原机型体积较大，重1 0 0 0 k g ，r 乜机功率7 5 k w ，是标准的傻大卡h 产品，经改进现降 为重7 2 0 k g 、电机功率4 k w 3 1 。 1 钢筋切断机的箱体有限元分析及传动机构动力学仿真 1 9 8 2 年太原科技大学机器厂设计出g q 4 0 bi i 型钢筋切断机，在曲轴大齿轮处装上刚 性转键离合器，用脚踏操纵机构控制切断，同时装上挡料和送料装置，填补了国内切断 机多年来没有离合器的空白。该机型操作安全、下料长度准确、减轻了劳动强度，1 9 8 3 年荣获山西省科技二等奖。1 9 8 5 年前后太原科技大学机器厂经中国建研院建筑机械化研 究所引进了日本立式切断机和西德卧式切断机图纸，并对原图作了重大改进，使其性能 和加工工艺符合我国的国情。西德的4 0 型卧式切断机是凸轮摆杆式机构，受力合理， 增力显著，最后一级传动齿轮的模数仅为2 7 5 ，电机功率为2 2 k w ，但由于自身结构比 较复杂，不适合批量生产。而立式切断机具有机型独特、结构新颖、坚固耐用等优点， 生产至今市场一直看好n ，引。 1 2 2 国内外切断机技术差异 由于钢筋切断机技术含量低、易于仿造、利润不高等原因，所以厂家几十年来基本 维持现状，发展速度不快，与国外同行相比有以下几个方面差距n ，鲫： ( 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是2 4 嗍，而国内 一般为1 7 m m 。看似省料、齿轮结构偏小，但给用户带来麻烦，不易管理。因为在由切 大料到切小料时，不是需要换刀挚就是需要换刀片，有时还需转换角度。 ( 2 ) 国外切断机的机架都是钢板焊接结构，零部件加工精度高，尤其热处理工艺过 硬，使切断机在承受过载荷、疲劳失效、磨损失效等方面都超过国产机器。 ( 3 ) 国内切断机刀片设计不合理，刀片厚度过薄，4 0 型和5 0 型刀片厚度均为1 7 m m ， 而国外都是2 5 2 7 m m 厚，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2 8 3 1 次，国外要高出1 5 2 0 次， 最高高出3 0 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 ) 国内切断机在外观、整机性能等方面都不尽如人意，国外厂家一般都是规模生 产，在新技术研究上投入较多，自动化生产水平较高，形成了一套完整的质量保证加工 体系。尤其对外观质量更足精益求精，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，外观看彳 到哪儿有无焊缝、毛刺、尖角等痕迹，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、 凭经验，生产：工艺几十年一成不变，所以外观质量粗糙、观感较差。 由于以上原冈，国内切断机产品质量参差不齐，企业技术力量薄弱，缺乏技术创新 2 第一章绪论 能力，产品单一，效益普遍不好，与国外相比差距非常明显。我国只有引进竞争机制， 重视对人才的引进和培养，依靠科技进步、不断创新，彳能增强自身的实力，企业才有 希望。 1 2 3 发展趋势 为了保持经济增长的持续性和稳定性，国家在“十五”、“十一五 规划中大量投 资于基础设施建设，今年为了应对次贷危机造成的金融危机，更是提i j f 启动了部分铁路 等基础设施的建设，再加上极速发展的房地产市场，都为建筑机械提供了一个良好的市 场和发展契机。 展望我国钢筋切断机发展的趋势，机型将以卧式为主，机型结构对4 0 - 6 5 型中型切 断机来说以半开半闭式为主，6 5 型以上的大型切断机将以全开式为主，传动形式仍以齿 轮传动为主。随着人们的环保意识不断提高，润滑方式将从油脂润滑加稀油集中润滑过 渡到全部油脂润滑；切断机的辅助装置日趋完善，挡料装置与切断刀片连动，钢筋断口 质量将会进一步提高；送料机构带有动力实现自动化送料，快捷省力；随着技术不断地 发展，铡筋将逐渐向成品化、与国际标准接轨等方向发展；钢筋的工厂化生产要求钢筋 切断机必须实现自动控制、铡筋自动送料，定长后自动切断、落料、包扎并转到下道工 序；为了保证流水线生产的高效率，必须配套大型、重型钢筋切断机。另外，各制造厂 家将继续提高产品的整体性能和外观质量，把让用户完全满意和提高用户忠诚度作为最 高的追求目标3 。 所以，钢筋切断机在将来的发展过程中，不但要满足定长剪切的高精度及自动化控 制，同时还要求其具有相对较高的可靠性和生产效率。如何更好的高度集成钢筋切断机 的机电液系统，充分发挥其各自优势，在降低钢筋切断机成本的同时，提高钢筋切断机 的综合性能将是今后研究的主要方向。 1 3 课题研究的意义 1 3 1 理论意义 本义简单介绍了钢筋切断机的发展历程、现状并展望了其今后趋势，阐述了钢筋切 断机的种类、结构、剪切机理，并对国内外钢筋切断机的同类产品做了相应的对比，分 析了产生差崔旺的原因。为相关的研究人员认识了解钢筋切断机提供了一些帮助。 鉴丁研究钢筋切断机动念剪切方面的资料较少，本文在箱体分析的基础上针对剪切 钢筋的过程建模爿：作出分析，为今后这方面的研究增添一些参考。冈此，本课题分别从 静态、动念等多角度对钢筋切断机进行分析，为今后相关的研究和生产提供了资料。 钢筋切断机的箱体有限兀分析及传动机构动力学仿真 1 3 2 现实应用 随着社会需求标准的不断提高，建筑行业对钢筋等建材加工精度的要求也越来越 高，以往简单粗糙的把钢筋切断已不能满足现代工程的需要，定尺切断误差的控制、断 面是否规整等因素都影响工程的质量。另外，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必将进入与国际接轨的时代，这就要求提高钢筋切断机的剪切速度 和钢筋断口的质量，如果能在保证钢筋切断机正常工作要求的情况下，降低生产成本， 对于企业来讲具有一定的经济效益。因此，本课题的研究为钢筋切断机降低成本、优化 结构等提供了设计的依据，具有广阔的应用前景和一定的经济与社会效益。 1 4 课题研究方案 ( 1 ) 实地观摩太原科技大学机器厂钢筋切断机的零件加工、装配和试车；调阅生产 图纸、对设计人员和车间工人进行调研；认真查阅、整理国内外钢筋切断机相关技术资 料、期刊及论文。详细了解钢筋切断机的相关知识，分析其优缺点和存在的问题。 ( 2 ) 熟悉软件之间的接口m e c h a n i c a l p r o 等，结合各软件的优势功能，充分发挥 p r o e 的建模功能、a n s y s 的有限元分析功能及a d a m s 的动力学分析功能，避免在a n s y s 、 a d a m s 中建立复杂模型，快捷、有效地获得课题研究的准确数据。 ( 3 ) 根据实际生产过程中使用的钢筋切断机图纸，利用现在广泛使用的三维参数化 建模软件p r o e 建立钢筋切断机的三维实体模型。首先生成钢筋切断机各个零部件模型， 然后按照相应的装配原则进行虚拟装配，并在此基础上进行运动仿真。 ( 4 ) 利用建立的三维实体模型，运用有限元分析软件a n s y s 进行箱体的受力分析、 模态分析，提出箱体改进方案，进而对改进后的箱体模型做有限元分析。 ( 5 ) 基于l s - d y n a 强大的功能，实现钢筋切断机剪切钢筋模型的运动仿真，直观地 了解钢筋被剪切时变形及断裂的过程，分析其剪切机理，获得动态的应力、应变分布云 图，并提取相关数据和剪切力曲线图。 ( 6 ) 对钢筋切断机的减速机构进行动力学分析，利用动力学分析软件a d a m s 分析钢 筋切断机中传动机构的动力学性能，并得出相关数据和曲线图。 1 5 本章小结 钢筋切断机在现代化的建设过程中起着不可或缺的作用，它的性能强弱间接体现着 制造业生产力的先进与否。掌握钢筋切断机的相关资料，建立其三维实体模型，并充分 利用各软件的优势功能对钢筋切断机进行仿真、分析研究。 4 第二章模型的建证及其运动仿真 第二章模型的建立及其运动仿真 随着计算机技术在各领域的迅速渗透，计算机辅助设计、计算机辅助制造和 计算机辅助工程等技术在机械行业已经得到了广泛的应用，逐渐从根本上改变了 传统的设计、生产、组织模式，对推动技术改造、促进经济增长都具有十分重要 的意义。到目前为止，在三维建模技术方面，p r o e 软件作为优秀的实体建模软件 已被广泛应用于多个行业。 2 1p r o e 简介 p r o e n g i n e e r 系统是由美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 开发的，是当今世界著名的三维c a d c a m c a e 系统软件，它广泛应 用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、家电、玩具等行业，是一个全方位的 三维产品设计和开发软件，具有三维实体建模、参数化设计、基于特征和单一数 据库功能等特性h 引。 2 1 1 三维实体建模 三维实体建模的功能可以将用户的建模思想以最真实的三维模型在计算机上 模拟出来，并且建立的模型具有体积、面积、重心、重量等特征，在p r o e 中甩 户可以方便地对设计模型进行旋转、平移、缩放等操作。根据建模的要求，用户 可以随时对模型每个数据作出修改。 2 1 2 单一数据库 p r o e 是建立在单一数据库上的建模软件。所谓单一数据库，就是建立模型的 所有数据都存储在一个库中，模型中的任何一零部件或任何一个特征发生变动， 都会反映在已经虚拟装配好的对应零部件上。例如，钢筋切断机的飞轮直径改变 了若干毫米，这个零件变动的特征在已经完成虚拟装配的钢筋切断机模型中会自 动更新；在装配工程图中对零件的修改同样会反应到最终设计结果中。这种特点 可以确保在p r o e 中建模时数据的一致性，避免了反复修改的繁琐。 2 1 3 基于特征 p r o e 是一个以特征为基本操作单位的参数化实体模型系统。通过逐个添加特 征，构筑出所建模型的完整形态，在设计过程巾，采用具有智能特性基于特征的 功能生成模型。例如，如果舛j ，f 1 要在一个模型上加一个孔，那么就称为增加一个 孔特征，需要对这个模型某些边添加网角，就称为增加圆角特征。p r o e 中的特征 操作通过选择即【i 丁轻松实现，难是凶为以特征作为设计单元，用户可以随时对这 钢筋切断机的箱体有限元分析及传动机构动力学仿真 些特征做出合理的修改和调整。这一特性给工程设计人员提供了前所未有的简易 和灵活。 2 1 4 参数化设计 在运用p r o e 软件建模的过程中，许多零部件的特征都是通过设置尺寸参数 来实现的，例如给一个边添加倒角特征，这个特征已经存在软件中，只需根据建 模的要求输入相关参数即可，由参数驱动来实现大小不等的倒角；在建立钢筋切 断机减速机构模型时，因各个齿轮的齿数、模数等特征均不相同，而模型是由参 数驱动，所以在已经建立一个标准齿轮模型的基础上，通过修改标准齿轮模型的 参数即可获得所需的其它齿轮模型。 2 2 钢筋切断机结构和基本工作原理 2 2 1 基本结构 经过多年的发展，钢筋切断机形成了不同型号的系列产品，因为其功能大致相似， 各型号的钢筋切断机结构差别不大。本课题主要基于g q 3 2 型钢筋切断机进行研究，其 结构丰要包括以下几部分： ( 1 ) 箱体。目前常见的钢筋切断机箱体材料大多采用球墨铸铁，工艺简单，一般都 是铸造而成，成本较低；也有部分产品箱体采用钢板焊接结构。 ( 2 ) 传动系统。根据型号不同常见的分为二级、三级传动。主要在箱体内由齿轮轴 和齿轮组成。 ( 3 ) 剪切机构。钢筋切断机基本上都是采用定刀片和动刀片进行剪切，由曲柄滑块 带动动刀片做往复运动。 2 2 2 基本工作原理 轴i i轴l 1 固定刀片2 活动刀片3 曲轴4 轴i i5 轴l6 飞轮7 电动机 图2 1 钢筋切断机的结构示意图 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fr e i n f o r c i n gs t e e lc u t t e r 6 第二二章模型的建立及兑运动仿真 如图2 - 1 所示： 钢筋切断机加工钢筋时大多以机械剪式切断为主，其工作过程基本为：电动机输出 动力经带传动和齿轮传动减速后，曲轴推动连杆使滑块和动刀片在机座的滑道中作往复 直线运动，动刀片和定刀片共同作用切断钢筋。 g 0 3 2 型卧式封闭钢筋切断机与其他同类机型相比，其结构设计有许多不同之处，现 分析如下： ( 1 ) 机体结构：机体为箱体封闭型。箱形机体为水平对开形式。分型面选在主传动 轴轴线平面，这样便于铸造、加工与装配。在各关键受力部位配有加强筋，以增加机体 的刚度。 ( 2 ) 润滑方式：该机型传动部件如齿轮、轴承、连杆等都封闭在箱体内，采用飞溅 润滑的方式进行润滑。这种集中飞溅润滑方式较过去采用外露的油杯管结构具有润滑性 好，不易损坏的特点。 ( 3 ) 机架结构改进：该机型采用将电机固定在箱体后部的结构。省去了同类型切断 机所采用的机架部分，使得整体重量减轻，外形尺寸减小，原材料减少，成本降低。 ( 4 ) 轴承形式：封闭型切断机采用滑动轴承和滚动轴承配合的使用形式。在低速主 轴上，采用滑动轴承( 铜基合金) ，以使轴承能承受剪切钢筋时巨大的冲击载荷。而在高 速和中高速轴上采用滚动轴承，使机器工作时因摩擦造成的功率损失减小。 ( 5 ) 飞轮：封闭型切断机的飞轮安装于高速轴，从而在提供相同动能的情况下，降 低了飞轮重量和电机功率。 2 3 钢筋切断机模型的建立 2 3 1 箱体模型的建立 箱体是钢筋切断机的主要组成部分，由多个面组成的不规则体，尤其是钢筋 切断机的机头部分，有斜面、槽等多种特征。在箱体内外部各轴孔处为了加强其 刚度，特别增加了轴孔周围的箱体厚度，另外，还有用于固定刀座、轴孔盖等零 件的螺孔，所以，箱体模型是钢筋切断机整体模型中最复杂的组成部分。 箱体模型是整个钢筋切断机建模的主要工作，要充分利用p r o e 的拉伸、旋 转、映射、网角及倒角等功能，必要时还要建立相应的辅助基准轴线和辅助参考 而。建市模型时，先把箱体的丰要轮廓建立起来，然后添加螺孔、倒角、圆角等 特征。 建立的钢筋切断机箱体模型如图2 2 所示： 钢筋切断机的箱体有限元分析及传动机构动力学仿真 图2 - 2 钢筋切断机箱体模型 f i g 2 2t h ec a s em o d e lo fr e i n f o r c i n gs t e e lc u t t e r 2 3 2 齿轮及齿轮轴模型的建立 齿轮机构是在各种机械机构中应用最广泛的一种传动机构。它可以用来传递 空间任意两轴问的运动和动力，并具有传动功率范围大、传动效率高、传动比准 确、使用寿命长，以及工作安全可靠等特点。 本课题研究的钢筋切断机是二级减速，在建好一个标准齿轮模型的基础上通 过修改其齿数、模数等基本参数就可以生成其它所需的齿轮模型。当所有模型建 好以后，即可进入虚拟装配的环节，还要另外单独对传动机构做虚拟装配，装配 的模型将导入a d a m s 环境下做动力学分析。 建立第一个齿轮模型 ( 1 ) 运行p r o e 软件，先要设置待建齿轮模型的参数，p r o e 的一个显著特点 是建模的参数化，通过输入相关参数来定义模型的特征。在下拉菜单“工具”中 选择“参数，命令，出现参数设置对话框，如图2 3 中所示，通过按钮l 纠给p r o e 添加建模过程中需要的参数，修改参数的名称、类型及数值等，并在其中设置齿 轮的模数、齿数等参数。 完成齿轮参数设置的对话框如图2 3 所示： 图2 - 3 齿轮模型参数 f i g 2 3t h ep a r a m e t e r so fg e a rm o d e l ( 2 ) 建立一个基准轴，并画出四个基本参照圆，将相关尺寸定义成变量。在 关系设置对话框中输入这个齿轮的尺寸关系： h a 2 ( h a x + x ) 水m h f = ( h a x + c x - x ) 术m d = m 宰z d a = d + 2 ，l c h a d b = d 木c o s ( a l p h a ) d f = d 2 木h f d 6 = 3 6 0 ( 4 半z ) d 9 = b i fh a x = i d 1 4 = o 3 8 水m e n d l f 9 钢筋切断机的箱体有限兀分析及传动机构动力学仿真 d 1 5 = 3 6 0 z d 2 22 3 6 0 z p 2 3 = z 一1 d 7 2 = 3 6 0 ( 2 书z ) 设置齿轮尺寸关系后，p r o e 草绘环境中所画的四个基本参照圆将分别代表齿 助的基准轴和基 齿。输入的参数 标准的齿轮模型 钢筋切断机的虚拟装配就是在前面建模的基础上，按照模块化的思想、自顶 向下的原则，根据钢筋切断机的总装图，把所建立的箱体、齿轮系等模型按照p r o e 中装配模块提供的匹配、对齐、插入、坐标系等约束类型和刚性、销钉等连接类 型完成钢筋切断机的虚拟装配。 2 4 1 模块化的虚拟装配 钢筋切断机的虚拟装配过程中，如果像砌墙一样逐个地添加零件，上层零部 件的参照关系就会叠加起来依赖于下层零部件，一旦中间某个零件出现问题，就 会出现前功尽弃的现象，并且安装过程中，容易漏装、错装零件。因此，按照模 块化的思想，将钢筋切断机工作工程中相对静止的零件组合成多个小的模块，然 后将这些小模块组合成一个整体，这种方法更科学、更合理。本文中把钢筋切断 机先分为箱体模块、主动轴系模块、从动轴系模块和曲柄滑块模块等多个模块， 然后再将各模块装配起来。 ( 1 ) 钢筋切断机的减速齿轮系及齿轮轴都是安装在箱体模型内部的，如果直 接将建立的齿轮模型及齿轮轴模型往上箱体装配，不但虚拟装配过程中因视角问 题给装配带来困难，而且由于齿轮等零部件模型都在箱体内部，将会致使装配完 成的钢筋切断机模型不够直观，为了能够更好的看清楚完整的装配模型以及运动 仿真时模型的运动情况，在装配之前先要把箱体模型进行截面剖视。剖视的箱体 模型如图2 5 所示： 钢筋切断机的箱体有限元分析及传动机构动力学仿真 ；j 。 l 。? t | 编薹二，二，i | ，|j ? ，j “：一 ； 图2 5 箱体的截面剖视 f i g 2 5t h eh a l fs e c t i o nv i e wo f c a s e ( 2 ) 其余模块的装配。装配过程中要严格按照p r o e 的约束舰则，否则容易出 现约束不完整以及后期的运动干涉现象。主动轴系模块、从动轴系模块和曲柄滑 块等模块如图2 - 6 - a 、图2 - 6 - b 所示： 图2 - 6 - a 虚拟装配模块 f i g 2 6 av i r t u a la s s e m b l ym o d u l e 1 2 第二章模型的建立及其运动仿真 图2 - 6 一b 虚拟装配模块 f i g 2 6 bv i r t u a la s s e m b l ym o d u l e 2 4 2 自顶向下的原则 在传统的设计方法中，往往首先设计出零件，然后组合已有的元件以组成一 个装配体，这是一种自底向上的装配体方法。这种方法使最终装配体的形成受制 于已有零件的特征n 引。 随着现代设计方法的发展以及设计观念的更新，自顶向下的装配体设计概念 成为了必然发展的趋势。例如在本文中箱体的参数和基准特征直接影响了其他几 个模块的参数，如果下级模块参数有错误，在给箱体模块添加其他零部件模块的+ 装配过程中就可能有干涉现象产生，导致装配模型有误，进而影u 向分析结果的准 确性。 2 4 3 装配过程中出现的常见问题及解决方法 当装配好一个模块后，操作“应用程序机构”时就经常出现“没有定义的 已加亮两个主体连接。如果继续将被隐藏 的提示，如果点击“继续”，就会把虚 拟装配中用来设置连接的轴线隐藏掉而导致无法添加齿轮副连接、电动机等。 要解决这个问题，首先：装配一个模块时，例如从动轴模块，在导入第一个 零件“从动轴”时，不能采用“缺省”参照约束，要设置为“销钉”连接，并且 在此之前先要创建一个基准轴，为轴对齐约束做好准备。 其次，在往轴一卜装配齿轮时，不能采用传统的“销钉”连接，要用“刚性对 齐”。凶为齿轮和键之间的连接约束采用的是“刚性”连接，如果整个连接中既有 “销钉”又有“刚性就产生了约束上的冗余，因此添加齿轮时两个约束集都要 采用“刚性”连接的方式。齿轮币确的装配如图2 7 所示： 钢筋切断机的箱体有限元分析及传动机构动力学仿真 图2 - 7 齿轮正确装配 f i g 2 7e x a c t n e s sa s s e m b l yo fg e a r 把各个模块装配到箱体模型上面，再将固定刀座装配到箱体模型上，至此， 钢筋切断机模型的虚拟装配基本完成，钢筋切断机模型如图2 - 8 所示： 图2 - 8 钢筋切断机装配模型 f i g 2 8a s s e m b l em o d a lo fr e i n f o r c i n gs t e e lc u a e r 2 5 运动仿真 钢筋切断机的运动仿真要用到p r o e 中的机构运动分析模块( m e c h a n is m ) ， 该模块既能对钢筋切断机进行运动仿真又能实现其机构分析，足p r o e 中一个功 能强大的模块。当钢筋切断机各个零部件通过虚拟装配组装成一个完整的机构以 后，就可以在p r o e 中直接启动机构运动分析模块，根据分析意图定义机构中的 连接，设置伺服电机，运行机构分析，脱察机构的运动过程是否正确，检测机械 1 4 第二章模型的建诳及j e 运动仿真 干涉，还可以进行各种测量，最后把分析结果保存成影片的形式。 2 5 1 建立机构运动仿真的一般步骤 ( 1 ) 建立模型，进入装配模块，建立一个装配模型文件，进入机械运动仿真模 块。