（机械设计及理论专业论文）离心式飞剪运动分析与控制研究.pdf

1 j、1i at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y iiilllllrllllflllliillllllllllrlllllllillllll fy 18 4 0 9 3 2 c e n t r i f u g a lf l y i n gs h e a rm o t i o n a n a l y s i s a n dc o n t r o ls t u d y b ys u nj i a n a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gj i n c h u n n o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 譬一 ， - r f 4 1l-l 厶 0 t 独创性声明 0 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 眨 思。 学位论文作者签名：盈j 、建宝 日 期：撕谚q 学位论文版权使用授权书 、l本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年囱 学位论文作者签名：- r 1 露像 签字日期： 、d 啄痧文 导师签名：r 圣铸嘧 签字日期： y 咛唬 、 v 谚 f ， ，0 。 令k“) 东北大学硕士学位论文摘要 离心式飞剪运动分析与控制研究 摘要 连铸是现代炼钢生产中的最重要技术之一。连铸技术的主要特点是节能和高效，适 合于大规模的自动化钢铁生产，因此被广泛应用。目前，连铸技术已经成为衡量一个国 家钢铁工业现代化水平的重要标志。飞剪机是连续式轧钢机组中重要而复杂的辅助设 备，其结构参数设计的好坏直接影响剪切质量。飞剪机结构优化也成为飞剪设计中的一 个重要问题。 本文是基于实际需要而完成的。论文结合宝钢飞剪机的结构参数，建立了飞剪机的 三维实体模型，使之可视化。通过对模型的结构分析，论文提出了两种可行性结构，并 分别建立了可视化模型。 之后，本文研究了s o l i d w o r k s 导出三维实体模型的方法，将模型输入到a d a m s 中去，在a d a m s 中建立起机器人的虚拟样机模型。基于虚拟样机模型对飞剪机剪切过 程进行了动力学仿真分析。通过对比，选择了一种较为合理的飞剪机结构。同时，本文 还建立了飞剪机构的数学模型，并将数学模型分析结果与虚拟样机分析结果进行对比， 验证了数学模型的正确性。 同时，论文借助于m a t l a b ，对数学模型进行分析，用参数化方法讨论了飞剪机定尺 剪切的控制，并得到了c d 长度与定尺调整的函数关系。 最后，本文针对所得到的数据结果设计完成了调整定尺长度的液压伺服系统，并通 过仿真验证了其可靠性。 本论文所采用的现代设计方法对提高冶金设备设计水平，缩短设计开发周期，提高 产品竞争力有重要的现实意义。 关键词：飞剪；3 d 实体模型；虚拟样机；定尺剪切 一i 卜 k1“， o；k，。t， 。移 i - 、 t _ 、 东北大学硕文 a b s t r a c t c e n t r i f u g a ls h e a rm o t i o na n a l y s i sa n dc o n t r o ls t u d y a bs t r a c t t h ec o n t i n u o u sc a s t i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nm o d e mi r o na n d s t e e li n d u s t r y w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fs a v i n ge n e r g ya n dh i g he f f i c i e n c y , i ti sa p p l i e d w i d e l y t h e s ed a y s ，t h et e c h n o l o g yh a sb e c a m ea ni m p o r t a n ts y m b o lo fm e a s u r i n g o n e c o u n t r y sm o d e r n i z a t i o nd e g r e eo fs t e e l m a k i n g t h ef l y i n gs h e a ri s a l li m p o r t a n ta n d c o m p l e xa u x i l i a r ye q u i p m e n ti nc o n t i n u o u sm o d er o l l i n gm i l l ；i t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e c o n c e r n st h eq u a l i t yo fs h e a rd i r e c t l y t h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no ff l y i n g s h e a ra l s o b e c o m e sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nf l y i n gs h e a rd e s i g n t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t i tt o o kf u l lu s eo ft h ei n f o r m a t i o nw h i c h c a m ef r o mt h ef l y i n gs h e a ru s e di nb a o s t e e lc o m p a n y , a n de s t a b l i s h e da3 ds o l i dm o d e lo f t h em a c h i n e , w h i c hi se a s yt os e ei nc o m p u t e r a f t e ra l la n a l y s i so ft h em o d e l ，t h ep a p e r b m u 曲tu pt w of e a s i b l em e c h a n i s m sf o rf l y i n gs h e a r , a n dm a d ev i s u a lm o d e l sf o rt h e m e c h a n i s m sr e s p e c t i v e l y a f t e rt h a t ，t h ep a p e rd i dr e s e a r c ho nt r a n s f e r r i n g3 ds o l i dm o d e lf r o ms o l i d w o r k s t oa d a m s ，a n de s t a b l i s h e dav i r t u a lp r o t o t y p eo ft h em a c h i n ei na d a m s b a s e do nt h e v i r t u a lp r o t o t y p e ，d y n a m i cs i m u l a t i o no ft h em a c h i n ew a sc a r r i e d0 1 1 ，a n dam o r er e a s o n a b l e f l y i n gs h e a rs t r u c t u r ew a sc h o s e nb yc o n t r a s t a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra l s oe s t a b l i s h e da m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l y i n gs h e a r i tc o m p a r e dt h er e s u l t so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l w i t l lv i r t u a lp r o t o t y p e ，a n dv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l f u r t h e r m o r e ，w i t ht h eu s eo fm a t l a b ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d d i dr e s e a r c ho nc u t - t o - l e n g t hc o n t r o lo f f l y i n gs h e a rb yp a r a m e t r i ct e c h n o l o g y a tl a s t , t h ep a p e rf i n i s h e dt h ed e s i g no fah y d r a u l i cs y s t e mw h i c hc a nb eu s e df o rt h e c u t - t o l e n g t hc o n t r 0 1 t h em o d e r nd e s i g nm e t h o dt h a tw a su s e di nt h i sp a p e rh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r i m p r o v i n gt h em e t a l l u r g i c a le q u i p m e n td e s i g nl e v e la n ds h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n tp e r i o d a n di m p r o v i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：f l y i n gs h e a r ；3 ds o l i dm o d e l ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；c u t - t o - l e n g t hc o n t r o l - i i i 。 k，；“； v； 东北大学硕士学位论文 目录 、 独创性声明i i 摘要i i i a b s t r a c t i i i + l第1 章绪论1 1 1 飞剪机及其发展现状l 1 2 研究内容及技术路线5 1 3 虚拟样机技术及a d a m s 介绍7 1 4 课题研究意义。9 第2 章飞剪机型综合设计和3 d 实体建模11 2 1 飞剪机型综合设计和三维建模1 l 2 1 1 飞剪机型综合设计1 l l 2 1 2 三维建模准则”1 4 2 1 3 主要构件三维可视化模型“l5 。 2 2 飞剪机结构分析1 6 2 2 1 直动结构结构飞剪机1 7 2 2 2 摆动结构飞剪机1 7 第3 章虚拟样机运动仿真分析1 9 3 1s o l i d w o r k s 与a d a m s 的数据交互1 9 3 2 飞剪机的虚拟样机仿真流程”2 0 1 3 3a d a m s 软件运动仿真的计算方法”2 2 f j 3 4 仿真结果和对比2 6 。 第4 章飞剪机数学模型的建立3 1 4 1 飞剪机运动方程的建立3 1 4 2 数学模型验证3 7 9 6 第5 章定尺调整的控制研究4 1 、 5 1 定尺剪切的长度调整4 1 一一 东北大学硕士学位论文目录 5 1 1 飞剪定尺长度基本方程式一4 l 5 1 2 连续工作制定尺长度调整4 2 5 2 定尺调整的参数化研究4 4 5 2 1c d 长度对定尺调整的影响4 6 5 2 2d 点坐标对定尺调整的影响4 9 5 3 经验公式拟合5 0 第6 章定尺调整液压伺服系统设计5 3 6 1 液压系统方案设计“5 3 6 1 1 负载特性分析5 3 6 1 2 液压系统原理设计一5 3 6 2 元件的计算与选型5 4 6 2 1 根据负载确定液压缸活塞面积和最大负载流量5 4 6 2 2 电液伺服阀的参数确定及选型5 5 6 2 3 伺服放大器的选用”5 7 6 2 4 位移传感器的选用及参数”5 7 6 2 5 其他元件的选用一5 7 6 3 液压系统数学模型5 8 6 3 1 伺服阀传递函数5 8 6 3 2 液压缸传递函数一5 9 6 3 3 干扰模型传递函数一6 l 6 3 4 伺服放大器传递函数一6 1 6 3 5 反馈环节传递函数6 l 6 4 液压系统稳定性和动态性能验证6 2 第7 章结论与展望6 5 7 1 结论6 5 7 2 展望6 5 参考文献6 7 蜀c 谢6 9 - v - k i 姊 h ； | 东北大学硕士学位论文 附录 一v i ， _ ， 譬；， 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 飞剪机在轧件运行中进行剪切，所以对飞剪机的剪切机构和性能要求比较高，从机 构的层面上对剪切机构的运动性能有特殊要求，其结构、调整、控制也比较复杂。近年 来随着轧机的速度不断提高，提高飞剪机的剪切速度控制己成为人们普遍关注与研究的 问题，各国的飞剪机设计研究工作者正在研究各类高速飞剪机及其剪切过程的全部自动 化。采用电子计算机可编程序控制等新技术的飞剪机得到了发展，并己经用于生产中。 本课题来源于上海宝山钢铁股份公司新增电镀锌机组项目中的一个实际应用课题 离心式飞剪控制研究，借助于虚拟样机等技术研究定尺调整的控制规律和实现 方法。希望可以在定尺剪切控制领域特别是定尺调整领域有所突破。 1 1 飞剪机及其发展现状 随着科学和技术的发展，连续轧制已经成为目前金属冶炼方面应用最为广泛的轧制 方法。在连续轧制中，生产线上工艺连续的轧机串列式配置，使轧制材料从上工序流到 下工序，一次轧制得到目标产品。在最后一道轧制工艺结束时，轧制材料仍然处于连续 运动状态。将运动着的连续材料剪切成理想的长度，需由飞剪机实现。采用飞剪机来剪 切轧件，使轧钢车间生产连续化，生产效率大大提高【l 】。 由于连续式轧机的普及，飞剪机的应用日益广泛。飞剪机通常安装在钢坯连轧机、 钢板连轧机、型钢和线材连轧机的轧制线上，剪切运动着的轧件头部、尾部或将轧件剪 切成定尺长度。在其他钢铁生产线上也应用飞剪机来进行分卷和定尺剪切。在线棒材、 板带材连续生产中，飞剪机用来横向剪切运动着的轧件；在连轧、横切、酸洗、镀锌、 电解清洗、镀锡、彩涂、重卷等各大机组中，飞剪均被广泛使用。所以，对飞剪机的研 究和改进，提高其剪切特性和动力学性能具有十分重要的意义【2 1 。 用飞剪机来剪切运动着的轧件开始于十九世纪末期，人们在实践的基础上不断改进 与提高，使飞剪机的性能不断完善。飞剪机作为板带车间横切机组作业线上的关键设备， 其定尺控制系统的水平直接影响横切机组的生产率及成品质量，因此飞剪机定尺控制系 统的研究开发受到了人们的重视。目前，由我国自行研制的飞剪机的定尺控制系统仍处 于开发研制状态，与国际先进水平还有一定差距【3 1 。 飞剪属于剪切机的一种，用于横向剪切运动着的轧件。结合轧钢生产的工艺要求， 对飞剪机有三个基本要求【4 】： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 ) 剪刃在剪切轧件时要随着运动着的轧件一起运动，即剪刃应该同时完成剪切和 移动两个动作，且剪刃在轧件运动方向的瞬时分速度应该与轧件运动速度相等或者大 些。因为，在剪切轧件时，如果剪刃在轧件运动方向的瞬时速度小于轧件运动速度，则 剪刃将阻碍轧件的运动，会使轧件弯曲，甚至产生缠刀事故。反之，如果剪刃瞬时速度 比轧件运动速度大的多，则在轧件中将产生较大的拉应力，这会影响轧件的剪切质量和 增加飞剪的冲击负荷； 2 ) 根据产品品种规格的不同和用户的要求，在同一台飞剪上应该能剪切多种规格 的定尺长度，并且使长度尺寸公差与剪切断面质量符合国家有关规定： 3 ) 能够满足轧机或者机组生产率的要求。 飞剪机种类很多，剪切机构的形式不同，对应着不同的飞剪机工作条件。主要可分 为切头飞剪机和定尺飞剪机。每种剪切机构的性能也有很大差异。飞剪机设备的关键部 分是其剪切机构，剪切机构形式及其性能决定了飞剪机的应用场合和剪切质量【5 1 。 随着飞剪机性能的日趋完善，它的结构型式也变得多种多样。按工作对象和使用环 境的不同，具体可分为以下几种类型【6 】： 1 ) 圆盘式飞剪机。常用于小型棒材和线材车间，可剪切运动速度达l o r n s 以上的 轧件，一般安装在精轧机组前对轧件进行切头：或安装在冷床前，对长轧件进行粗剪。 其优点是，结构很简单，工作较可靠，安装与使用方便；缺点是剪切后轧件断面为倾斜 的。 2 ) 滚筒式飞剪机。它是应用很广的一种飞剪，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。一般采用连续工作制。但在剪切厚轧件时， 轧件断面不平整川。 3 ) 曲柄回转杠杆式飞剪机。也称为“曲柄连杆式飞剪”。其剪切刀片安装于连杆上， 在剪切区可实现平移运动。由于飞剪在剪切轧件时刀片垂直于轧件，故剪切断面较为平 整。缺点是轧件运动速度不能太快【引。 4 ) 曲柄偏心式飞剪机。其特点是通过双臂曲柄轴、刀架和摆杆使刀片在剪切区作 近似平移运动，以获得平整的剪切断面【9 】。 5 ) 摆式飞剪机。这种飞剪机在曲柄转动时由连杆、摇杆等机构带动上下刀架作往 复摆动，在剪切过程中上下刀片始终平行，但与轧件不垂直。由于整个剪切机构摆动， 其惯性力较大【i o 】。 6 ) 曲柄摇杆式飞剪机。也称为施罗曼( s c h l o e m a n n ) 飞剪机，用来剪切冷轧板带。 一2 卜 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 它工作时总能量波动较小，故可在大于5 m s 的速度下工作。整个机构山上下刀架、曲 柄、偏心轴、偏心套和偏心枢轴等组成，当改变偏心轴与偏心套的偏心位置时，可以得 到不同的空切次数【1 1 】。 此外还有具有一个主动杆的冲击式、四连杆式、杠杆摆动式，具有两个主动杆的双 轴旋转式，以及凸轮式、行星齿轮式等等。 棒材飞剪使用较多的形式是摆槽式、离合器式和直接启停式三种( 圆盘飞剪用作成 品分段剪切在我国很少应用，其它如采用空切机构、匀速机构实现定尺分段剪切的回转 飞剪山于使用条件限制，也很少应用) 。这三种飞剪的使用情况与技术的进步是分不开 的，从初期的粗放型飞剪到现在的高效型飞剪，充分体现了社会的进步。早在5 0 6 0 年 代，由于电控技术及制造技术不过关，离合器式飞剪和直接启停式飞剪在我国均未得到 应用，而摆槽式飞剪由于其结构及电控系统简单、容易掌握，因而应用地较早。离合器 式飞剪在8 0 年代末将其关键部件气动离合器和制动器国产化后，才开始推广使用， 典型代表为宜钢小型厂【1 2 】。而直接启停式飞剪也是在8 0 年代p l c 发展起来后，电控得 到了保证才开始推广使用，典型代表为深圳华美钢厂【1 3 1 。目前离合器飞剪和直接启停式 飞剪代表着小型棒材飞剪的发展方向。这两种飞剪各有其优点，也有其不足之处。随着 科学技术的不断发展和电控元器件水平的更加提高，直接启停式飞剪将逐步代表着飞剪 的发展趋势。 离合器式飞剪，整机分为传动装置与剪切装置两大部分。传动部分是由直流电动机 拖动，配置有飞轮连续做高速运转。而剪切装置一般在非剪切状态下是静止不动的。两 部分之间通过对电控信号快速响应的离合器制动器实现连接和控制。当需要剪切时，制 动器打开，离合器合上，传动装置通过离合器带动剪切装置运动并剪切；剪切完毕后， 离合器打开，制动器合上，将剪切装置制动停止到某一确定的待切位置上。传动部分仍 连续运转。这种机型传动部分的转动惯量很小，因此可以通过离合器控制来实现在小惯 量下启动、制动，而在大惯量下进行剪切，可充分利用动力矩，提高了工作效率，降低 了能耗。结构示意简图如下图1 1 所示。 - 3 - 图1 2 直接启停式飞剪本体与驱动系统示意图 f i g 1 2t h ed i a g r a mo fs t a r t i n g s t o pf l y i n gs h e a ra n di t sd r i v es y s t e m l 控制柜；2 一电动机；3 连轴器：4 一减速机构；5 一剪切机构 l - - - c o n t r o lc a b i n e t ；2 m o t o r ；3 - - - c o u p l i n g ；4 - - r e d u c i n go o h a n i s m ；5 - - s h e a r i n gm e c h a n i s m 直接启停式飞剪与离合器式飞剪相比，主要有以下优点： 1 ) 结构简单，重量轻； 2 ) 无需耐磨件，如离合器的摩擦片，并可简化维护检修工作量： _ 4 一 喜 i 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 ) 可节约能源，只有剪切时才启动电动机，且剪切时间短，剪切次数少，电动机 。 不会长期空负荷运转； -4 ) 无气动离合器等部件，避免了离合器式飞剪在结合或分开时的滑动，可确保剪 切公差；同时由于剪刃可自动重新设置，往复剪切精度高； 5 ) 剪切精度不受压缩空气变化的干扰； 6 ) 有利于环保，由于不采用气动摩擦离合器，因而没有噪声问题。 1 2 研究内容及技术路线 先进的理论方法和技术是现代机械设计研究方法的基础，近年来冶金设备的研究方 法发生了很大的变化，主要得益于在现代计算机技术和测试技术手段的应用。 结合本课题，我们从以下几个方面对飞剪机进行分析研究。 ( 1 ) 利用型综合设计方法和模块化设计方法完善飞剪机机构 结合课题的目的和内容，本论文的主要方向是实现对飞剪机的剪切研究分析，但由 于缺少必要的结构信息，我们需要先对飞剪机进行型综合可视化设计，进而得到飞剪机 i 可视化模型，从而实现重点对剪切模块的运动综合分析和研究【1 4 】。 现代机械设计方法的一个重要分支是概念设计，也就是型综合设计。概念设计是由 - 分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现 为一个由粗到精、由模糊到清晰、由具体到抽象的不断进化的过程。概念设计即是利用 设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法【1 5 】。它为设计者提供了更有效的分 析、优化、仿真和绘图手段，大大的提高了设计质量和设计效率。机械概念设计的任务 是完成型综合到尺度综合的机械机构层面的方案确定。计算机辅助的机械概念设计就是 实现智能化的机械系统型综合设计和尺度综合设计f 1 6 1 。 结构模块化设计方法的主要特点是：将具有某种功能的实体( 如零件、部件等) 看成一个结构模块，通过结构模块的组合实现产品的设计和开发。这是一种有效的提高 产品开发能力的方法。 ( 2 ) 采用3 d 实体建模软件完成飞剪进行可视化建模 伴随着计算机技术的发展和广泛应用，计算机辅助设计( c a d c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 已经成为机械设计工作中的不可或缺的方法和手段。在工程和产品设计中，计 算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机 对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人 员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机 自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和 修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数 据加工工作。c a d 能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量【1 7 】。 目前c a d 应用广泛，借助的使用的软件也多种多样。在当前的c a d 软件中，2 d 设计软件有a u t o c a d 、c a x a 等，可以代替图纸实现无纸化设计；3 d 设计软件有 p r o e n g i n e e r 、u g 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 等等，可以实现可视化设计和虚拟仿真。 不同的软件有不同的特点。根据实际环境和需要，本论文采用s o l i d w o r k s 为型综合 设计的辅助软件。 ( 3 ) 利用虚拟样机技术对3 d 模型进行运动研究和分析 虚拟样机技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制 造技术，它以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟样机，在产品实际加工之前对产 品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化， 以达到产品生产的最优目标。 随着机械设计的研究深入和发展，虚拟样机技术作为机械设计和研究的工具，将会 发挥越来越重要的作用。针对机构多样化和系列化的发展趋势，结合我国传统机械设计 行业新产品开发周期长、成本高、对机械产品的评价和设计手段落后等现状，虚拟样机 技术在机械设计开发中的应用将越来越重要【1 8 】。 本论文以s o l i d w o r k s 、a d a m s 为依托，借助于虚拟样机技术，实现对飞剪机 的参数化设计和优化分析，找到飞剪机尺寸的最佳结合点，从而实现对飞剪机的运动控 制和定尺剪切控制。 ( 4 ) 利用m a t l a b 技术实现建模仿真和定尺剪切的优化设计 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 ) 之意。该软件除具备卓越的数值计算 能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功 能。m a t l a b 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十 分相似，故用m a t l a b 来解算问题要比用c 、f o r t r a n 等语言完成相同的事情简捷 得多。在新的版本中也加入了对c 、f o r t r a n 、c h 、j a v a 的支持。可以直接调用， 用户也可以将自己编写的实用程序导入到m a t l a b 函数库中方便自己以后调用，此外 许多的m a t l a b 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用， - 6 - 0 l 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 非常的方便【1 9 】。 、 ( 5 ) 完成飞剪定尺调整的机械结构改进设计 飞剪定尺调整是本文研究的核心内容。飞剪机作为板带车间横切机组作业线上的关 键设备，其定尺控制系统的水平直接影响横切机组的生产率及成品质量，因此飞剪机定 、 尺控制系统的研究开发受到了人们的重视。目前，由我国自行研制的飞剪机的定尺控制 系统仍处于开发研制状态，与国际先进水平还有一定差距【3 1 。本文借助于a d a m s 和 m a t l a b 的辅助功能，通过仿真分析，得到定尺调整的控制策略，并设计液压系统以实现 该功能，从而为实际生产提供技术支持。 1 3 虚拟样机技术及a d a m s 介绍 计算机辅助工程( c a e - c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 是用计算机辅助求解复杂工程 和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力 学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。虚拟样机 ( v p v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 技术是计算机辅助工程的一个重要分支，它是人们在开发产 i品时，在概念设计阶段，通过学科理论和计算机语言，对设计阶段的产品进行虚拟性能 测试，达到提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间的目的。 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上8 0 年代随着 计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e ) 新技术。工程师在计 算机上建立样机模型，用数字化形式代替传统的实物样机实验，对样机进行各种动态性 能分析，然后改进样机设计方案，通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证寻优过 程顺利进行例。从国内外对虚拟样机技术的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于 发展的阶段。 随着人类社会进步的加快，人们生活水平的不断提高，人们对产品的要求也越来越 高，同时社会竞争更加激烈，产品复杂程度越来越高，产品开发周期越来越短，产品保 修维护期望越来越高，产品计划越来越灵活，在现实中还有一些客观的约束条件，例如 昂贵的物理样机试验，严格的法律法规要求等，因此要提高产品质量，缩短开发周期并 不是件容易的事情。要克服以上困难，一个行之有效的办法就是通过虚拟样机进行仿真 模拟，在未生产出真实的产品以前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止各 种设计缺陷的存在，提出改进意见。 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 概念详细制造物测试物产品定 _ 斗 设计设计理样机理样机型生产 j 一发现问题，修改设计k 一 i 重新制造样机 i 图1 3 传统的产品开发流程 f i g 1 3t h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo ft r a d i t i o n a lp r o d u c t 传统的产品开发过程如图所示，该过程是一个大循环过程，不仅难以提高产品质量， 而且耗费大量的时间和资金，而通过虚拟样机技术，在制造物理样机之前，就可以进行 样机的测试，找出和发现潜在的问题，缩短产品开发周期的4 0 7 0 ，其过程如图所 示，这样不仅可以节省时间和金钱，还可以大幅度的提高设计质量【2 。利用虚拟样机技 术，有时只需要投入传统设计方式1 0 的费用，就可以达到传统设计9 0 的目标。 概念详细虚拟样机测 产品定 斗- 呻- _ 设计 设计试修正 型生产 图1 4 虚拟样机开发流程 f i g 1 4t h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo f v m a l a lp r o t o t y p i n g 机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so f m e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，是美国原m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的世界上最具权威性、 使用范围最广的虚拟样机分析软件。1 9 7 3 年m r m i c h a d e k o r y b a l s k i 取得密西根大学 爱娜堡分校( u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n ，a n na r b o r ) 机械工程硕士学历后，受雇于福特汽 车担任产品工程师，四年后( 1 9 7 7 年) 与其他人于美国密执安州爱娜堡镇创立m d i 公 司。密西根大学对a d a m s 发展具有密不可分的关系，在a d a m s 未成熟前，m d i 与 密西根大学研究学者开发出2 d 机构分析软件d r a m s ，直到1 9 8 0 年第一套3 d 机构运 动分析系统商品化软件，称为a d a m s 。2 0 0 2 年3 月1 9 日m s c s 0 1 a r e 公司并购m d i 公司，自此a d a m s 并入m s c 产品线名称为m s c a d a m s 。 a d a m s 是世界上应用广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件，其全 球市场占有率一直保持在5 0 以上。工程师、设计人员利用a d a m s 软件能够建立和 测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。 利用a d a m s 软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。 - 8 - 舢 - 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 用户既可以在a d a m s 软件中直接建造的几何模型，也可以从其它c a d 软件中传过来 的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激励。最后可以执行 与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统_ 作过程的实际运 动情况。过去需要几星期、甚至几个月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利 用a d a m s 软件仅需几个小时就可以完成，并能在物理样机建造前，就可以知道各种设 计方案的样机是如何工作的。 1 4 课题研究意义 离心式飞剪由于其具有结构可靠、剪切精度高等优点，而广泛应用于冶金行业带材 处理线。飞剪属于在线连续剪切设备剪切过程中涉及到启、停控制，剪切同步控制，定 尺调长控制等复杂过程，为了保证剪切精度，需要制定严格、准确的控制方案。目前， 这类飞剪机械本体既有整体引进国外的，也有国内合作完成制造的，但对于飞剪的控制 基本上是由外方完成。在宝钢新增电镀锌机组项目中，出口飞剪由国内设计制造，飞剪 的控制系统由宝钢自主集成且亟待深入的理论分析，这就需要对飞剪设备、结构及控制 等诸方面展开全面深入的研究。 本课题结合实际项目，拟将理论研究，数值仿真和生产实际经验相结合，从分析离 心式飞剪的结构和工作原理入手，对飞剪的运动特性、轨迹、定尺调整等核心工艺控制 技术进行理论研究，建立相应的数学模型，从而为实际项目的开展提供理论根据，同时 也期望为国内飞剪机控制系统开发奠定基础。 1 1 ， 东北大学硕文 第2 章飞剪机综合设计和3 d 实体模型建立 第2 章飞剪机型综合设计和3 d 实体建模 3 d 可视化模型是计算机辅助分析的基础，它可以让设计人员直观形象的看到分析 对象的结构以及运动机理，从而有助于做出正确的判断和理论分析。本章根据已知的安 装信息和飞剪机的结构特征，利用型综合设计方法，通过计算机辅助设计软件 s o l i d w o r k s 建立飞剪机的形体可视化模型，并利用功能模块设计的方法提出两种飞 剪机的结构模型。 2 1 飞剪机型综合设计和三维建模 2 1 1 飞剪机型综合设计 离心式飞剪是摆式飞剪的一种，图2 1 是一种典型的离心式飞剪结构图。 图2 1 典型爵心式e 剪结构图 f i g 2 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft y p i c a lc e n t r i f u g a lf l y i n gs h e a r 由图中可以看出，离心式飞剪主要由五个构件组成，其中：1 构件为主动件；2 构 件和4 构件为从动件，与主动件铰接，其中4 构件上固定着一个剪刃；3 构件为滑块与 4 构件构成滑动副，同时与2 构件铰接，其上固定着另一个剪刃；5 构件为约束部件， 约束离心式飞剪的摆动轨迹【2 2 1 。通过这五个构件的组合从而形成两个剪刃固定的运动轨 迹。当对1 构件施加一个驱动力矩时，分别固定于3 构件和4 构件上的上下剪刃就会产 生相对运动，而由于5 构件的约束，4 构件会有一定幅度的摆动，因而使上下剪刃的运 动会有一个水平方向的分量；当两剪刃相啮合时即实现剪切过程，而后，在1 构件上驱 动力矩的带动下两剪刃再相互离开，最终完成一个剪切动作【2 3 1 。这种机构可以始终保持 相同的剪刃间隙，故断面质量较好该剪切机构能够剪切断面较大的钢坯，剪切速度较 低 一1 1 一 - 1 2 、 、 1 3 - ? 一 _ ，一 沦一 ，正_【_ 学一 页一 石一 学一 k 一 ! 蕺 h o q jd暑qss一高q莒磐iih匠nn面匠 h v丑鞋群蜜1；1nn墨 - d u 东北大学硕士学位论文第2 章飞剪机型综合设计和3 d 实体模型建立 宝山钢铁股份有限公司的新增电镀锌项目机组中离心式飞剪机即为该结构。在了解 了飞剪机结构之后，结合已知的安装图纸图2 2 、图2 3 等，可以实现对飞剪主体结构 的可视化设计。 2 1 2 三维建模准则 通过分析图纸，我们可以确定飞剪机的主体尺寸，完成型综合设计过程。利用这些 尺寸可以建立飞剪机的3 d 虚拟模型。三维建模的好坏直接影响后面的运动仿真和定尺 剪切控制，如果模型建错，那么虚拟样机仿真时结果必然不对，因而在用s o l i d w o r k s 进行建模时必须遵循下面几个建模规则【2 4 】： ( 1 ) 草图尽量简化 草图上最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。这是因为三维绘图软件的草 图绘制功能大多较弱，如果要像绘n - 维工程视图那样绘制草图模型，软件的执行效率 会很低，实践证明也没有这个必要。另一方面，如果草图过于精细，生成模型时会耗尽 计算机资源，影响三维模型的生成速度，严重时会导致计算机卡死。这是由于计算机的 三维实体模型是通过布尔运算生成的，草图过于复杂会导致运算工作量较大，耗费机时 较多，故生成模型速度较慢。 ( 2 ) 合理安排模型生成方法 由于实体模型可以有很多种生成方法，采取何种方法更为合理、高效，需要一个经 验积累的过程。一般来说，旋转、扫描比拉伸生成的模型高效；排列、镜像比逐个生成 快捷。例如：制作圆柱模型，可以通过拉伸一个圆生成，也可以经由旋转一个矩形框获 得，但旋转生成模型速度更快，生成的文件体积也更小。 ( 3 ) 采用自上而下的设计方法 自上而下设计( t o p - d o w nd e s i g n ) 是专门针对传统的自下而上设计而言的。所谓 自下而上设计，是指先绘制零件图，再由零件装部件，然后用零件和部件总装产品，这 也是通常采用的方法。而自上而下设计是先设计总装图，然后拆部件和零件图，这样就 从根本上避免了干涉现象的产生。同时当当装配体设计完毕，零部件也就自动生成，自 然就减少了工作量，提高了工作效率，特别是在新产品的开发和研制阶段。 ( 4 ) 正确进行零件造型 创建三维模型，不仅仅是为了造型，更多的是为了今后使用方便，如设计的修改和 调整等。这就要求所创建的零件造型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，以便在今 后的零件设计过程中，随时可以方便的对不合理的结构做出修改 一1 4 - l 2 1 3 主要构件三维可视化模型 通过前述的分析设