（机械制造及其自动化专业论文）砂锯多体系统虚拟样机建模及动态性能研究.pdf

d i r e s e a r c ho nv i r t u a lp r o t o t y p em o d e l i n ga n dd y n a m i c p r o p e r t yf o rm u l t i b o d ys y s t e mo fg a n g s a w c a n d i d a t e ： y a n gz h e s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i n s h e n g a s s o c i a t ep r o f w a n gz h i s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l 1 9 t h ，2 0 1 0 、 本人郑重声 立进行研究所取 包含任何其他个 究作出重要贡献 全意识到本声明 论文作者签 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趟导师签名： 日苴日友。mr 、谚 日期：隧竺! 兰! 兰! 篁 门录 目录 摘要i a b s t r a c t i l i 第1 章绪论1 1 1 背景分析1 1 2 花岗石砂锯原理及其分类3 1 3 国内外研究现状5 1 3 1 国外花岗石砂锯研究现状5 1 3 2 国内花岗石砂锯研究现状5 1 4 课题研究的必要性及主要研究内容6 1 4 1 课题产生背景6 1 4 2 课题研究必要性6 1 4 3 课题研究的主要内容7 1 4 4 课题研究的主要意义8 第2 章花岗石砂锯虚拟样机总体设计及模型的建立9 2 1 虚拟样机总体设计9 2 1 1 设计要求9 2 1 2 主要技术参数1 0 2 2 总体方案设计1 0 2 2 1 总体方案模块划分1 0 2 2 2 论文研究内容框架体系的建立1 2 2 3 砂锯多体系统虚拟样机建模1 3 2 3 1 花岗石砂锯系统机械模型导入a d a m s 1 3 2 3 2 建立虚拟样机模型1 4 2 4 本章小结1 8 第3 章花岗石砂锯主传动系统分析1 9 3 1 主传动系统运动学理论分析2 0 3 。1 1 建立位移方程2 0 3 1 2 建立速度方程2 2 3 1 3 建立加速度方程2 3 3 2 主传动系统动力学理论分析2 4 3 3 锯机仿真结果及讨论2 5 3 3 1 锯机的运动特性2 5 3 3 2 锯机的动力特性2 7 山东人学硕 j 学伊论文 3 4 本章小结2 9 第4 章虚拟样机参数化分析3 l 4 1a d a m s 参数化分析简介3 l 4 2 参数化分析的步骤3 2 4 3 主传动系统建模3 2 4 3 1 几何建模3 2 4 3 2 参数化建模3 3 4 4 主传动系统参数化分析3 4 4 4 1 设计研究3 5 4 4 2 试验设计3 6 4 4 3 优化设计3 9 4 5 本章小结4 1 第5 章花岗石砂锯工作装置连杆动态仿真分析4 3 5 1 连杆结构分析和设计4 3 5 2a n s y s 有限元模态分析理论4 6 5 3a d a m s 柔性体理论4 7 5 3 1 柔性体的表示4 8 5 3 2 柔性体的运动微分方程4 9 5 4 花岗石砂锯柔性连杆建模5 0 5 5 花岗石砂锯刚性连杆的柔性化5 1 5 5 1 模型的生成和数据交换5 1 5 5 2 连杆模态中性文件的生成5 2 5 6 花岗石砂锯连杆动态应力分析5 3 5 6 1 柔性连杆的导入5 3 5 6 2 连杆的模态分析5 4 5 6 3 柔性连杆动态载荷谱的导出5 5 5 6 4 柔性连杆动态应力分析5 5 5 7 连杆疲劳强度分析5 7 5 8 本章小结5 9 结论与展望6 l 参考文献6 3 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 7 致 射6 9 2 3v i r t u a lp r o t o t y p eo fg a n g s a wm u l t i - b o d ys y s t e mm o d e l i n g 13 2 3 1m e c h a n i c a ls y s t e mm o d e li m p o r ta d a m s 1 3 2 3 2e s t a b l i s ht h em e c h a n i c a lm o d e lo f v i r t u a lp r o t o t y p e 1 4 2 4b r i e fs u m m a r yo fc h a p t e r l8 c h a p t e r3a n a l y s i st h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo f g r a n i t eg a n g s a w 1 9 3 1k i n e m a t i c st h e o r ya n a l y s i so ft h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 0 3 1 1e s t a b l i s hd i s p l a c e m e n te q u m i o n 2 0 ：；1 2e s t a b l i s hv e l o c i t ye q u m i o n 2 2 ：；1 3e s t a b l i s ha c c e l e r a t i o ne q u a t i o n 2 3 3 2d y n a m i ct h e o r ya n a l y s i so ft h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 4 ：；3s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dd i s c u s s i o no f g a n g s a w 2 5 3 3 1m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f g a n g s a w 2 5 ：；3 2d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg a n g s a w 2 7 3 4b r i e f s u m m a r yo f c h a p t e r 2 9 c h a p t e r4p a r a m e t r i ca n a l y s i so f v i r t u a lp r o t o t y p e 3l 5 8b r i e fs u m m a r yo fc h a p t e r 5 9 c ：o n c l u s i o na n do u t l o o k 6 l r e f e r e n c e s 6 3 t h ep a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gg e t t i n gm a s t e rd e g r e e 6 7 a c k n o w l e d g e m e n t 6 9 砂锯是花岗石大板最主要的a n t 设备。目前我国处于大规模建设时期，石材 产品市场空间较大，现代石材业的快速发展，对砂锯的性能提出了更高的要求， 进一步加大对砂锯的研发力度，使其具有良好的动态特性已经成为整个研发过程 中的一个重点和难点。 根据虚拟样机技术研发工作的技术路线及特点，以优化砂锯动态特性为目标， 系统分析了花岗石砂锯虚拟样机的建模、仿真等内容。 运用模块化设计技术对设备方案进行了规划，利用a d a m s 建立了砂锯的虚 拟样机模型；建立了砂锯的主传动系统数学模型，并对主传动系统进行了运动学 和动力学理论分析：通过对锯机进行仿真分析，主传动系统各构件运动时不会发 生干涉，各构件实现了预定轨迹变化的要求。 利用a d a m s 的参数化分析功能对主传动系统进行了分析，经过设计研究和 试验设计分析，连杆长度和曲柄转速是影响连杆受力的关键参数；经过优化设计 分析，连杆受力从1 8 5 0 3 3 1 0 5 n 减小到1 4 1 4 8 6 1 0 5 n ，受力状况得到明显改善。 以主传动系统中主要受力部件连杆作为研究对象，对其四种调节方式进 行了分析；基于虚拟样机技术、柔性体理论及模态分析技术，联合运用s o l i d w o r k s 、 有限元软件a n s y s 与动力学仿真软件a d a m s ，对花岗石砂锯连杆机构刚柔体模 型进行动力学分析，得到连杆在工作循环中的动态应力，并对连杆受力最大区域进 行疲劳分析，连杆可以承受交变载荷循环1 0 7 次而不发生疲劳破坏。 经过优化后的砂锯在加工效率上有了较大的提高，整体结构更加合理，具有 较高的性价比，满足了消费者的需求，可以很好的提高设备的市场竞争力，使砂 锯在锯切大规格板材制品应用中的优势充分体现，具有较高的经济效益和广阔的 市场前景。 关键词砂锯：虚拟样机技术；主传动系统；参数化分析；连杆 a b s t r a c t g a n g s a wi st h em a i ne q u i p m e n tf o rm a n u f a c t u r i n gb i gg r a n i t ep l a t e s t h em a r k e t d e m a n do fs t o n ep r o d u c ti si naw i d es p a c e 嬲c h i n ai si n al a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o n p e r i o dr e c e n t l y a st h er a p i dg r o w t ho ft h em o d e m s t o n ei n d u s t r y ，t h ep r o p e r t i e so ft h e e q u i p m e n tn e e dm o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s t h e e q u i p m e n tw i t hag o o dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ch a sb e c o m eo n eo fe m p h a s e sa n dd i f f i c u l t i e si nt h ee n t i r er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a l r o u t ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yr e s e a r c hw o r k o p t i m i z i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eg a n g s a wa st h e g o a l ，s y s t e ma n a l y s i st h em o d e l i n g ，s i m u l m i o no f t h eg a n g s a wv i r t u a lp r o t o t y p e m o d u l a rt e c h n o l o g yw a su s e dt op l a nt h ee q u i p m e n ts c h e m e e s t a b l i s h e dt h e g a n g s a wv i r t u a lp r o t o t y p eu s i n g t h ea d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i s o f m e c ：h a n i c a ls y s t e m ) e s t a b l i s h e dt h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fg a n g s a w k i n e m a t i c s a n dd y n a m i c st h e o r ya n a l y s i si sc a r r i e do nf o rt h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h r o u g h t h es i m u l m i o na n a l y s i so fg a n g s a w , t h ei n t e r f e r e n c eo ft h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m c o m p o n e n t sn o to c c u r sw h e n t h ec o m p o n e n t sh a v er e a c h e dt h et r a c k u s i n ga d a m sp a r a m e t e r i z a t i o na n a l y s i sf u n c t i o nc o n d u c t t h ep a r a m e t r i ca n a l y s i s o ft h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h r o u g ht h ed e s i g ns t u d ya n dt h ed e s i g no fe x p e r i m e n t ( d o e ) ，t h el e n g t ho fc o n n e c t i n g r o da n dt h es p e e do fc r a n ki st h ek e yp a r a m e t e r s i n f l u e n c et h es t r e s so fc o n n e c t i n g r o d ；a f t e ro p t i m i z a t i o n ，c o n n e c t i n g - r o df o r c e sf r o m 1 8 5 0 3 3 1 0 5 nr e d u c e dt o1 4 1 4 8 6x1 0 5 n ，s t r e s sc o n d i t i o ni m p r o v e do b v i o u s l y w i t ht h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m sm a i nc o m p o n e n t - - - - - - - c o n n e c t i n g 。r o d 雒t h e r e s e a r c ho b j e c t ，a n a l y s i si t sf o u rr e g u l a t i n gm o d e b a s e d o nt h e v i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g y ，f l e x i b l eb o d yt h e o r ya n dt h em o d a la n a l y s i st e c h n o l o g y , a n d c o m b i n e d w i t hs o l i d w b r k s 锄dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s a n dt h em u l t i r i g i d d y n a m i cs o f t w a r ea d a m s ，ad y n a m i ca n a l y s i so fr i g i d f l e x i b l ec o n n e c t i n g r o ds y s t e m i sc o n d u c t e d t h ed y n a m i cs t r e s so ft h ec o n n e c t i n g r o di nt h ew o r k i n gc y c l ei so b t a i n e d ， a n df a t i g u ea n a l y s i si sd o n ef o rt h el a r g e s ts t r e s s a r e ao ft h ec o n n e c t i n g 。r o d t h e c o n n e c t i n g r o ds a t i s f y t h e r e q u i r e di n t e n s i t y c o n n e c t i n g - r o d c a nw i t h s t a n d a l t e m a t i n gl o a dc i r c u l a t i o n10 7t i m e sw i t h o u tf a t i g u e i v 筇1 章绪论 1 1 背景分析 第1 章绪论 天然石材古朴典雅、色彩缤纷、抗震耐压、耐酸、环保。从古罗马大教堂到 法国的卢浮宫，石材推动了人类建筑史的发展，同时也映射了人类文明的进步。 随着人们生活质量的提高，各种天然石材日渐进入到人们的日常生活中。近几年， 大幅面板材制品的需求量在建筑装饰和机械制造业中日益增大，其加工已成为一 大趋势，其中花岗石性能优良，其用量与日俱增。 饰面板材加工过程中的工序锯切，不仅直接影响板材的产量，且影响到 磨削工序的生产率及最终成品率、产品质量和经济效益；它是饰面板材生产中的 第一道工序，同时也是加工过程中工作量最大的一道工序，工厂生产能力的高低， 主要是看它锯切能力的大小；它又是石材加工厂设备投资最大的，这道工序的消 费约占制成品成本的2 0 以上i lj 。 花岗石荒料到大板的加工，当前主要有三种设备，分别是：金刚石圆盘锯、 金刚石串珠锯、砂锯。 金刚石圆盘锯，如图1 1 所示，是以作为切割刀具的金刚石圆锯片将石材荒料 锯切为具有一定厚度的板材或块料的加工设备i 羽。主要应用在大理石、花岗石板材 的切割领域。优点是：加工效率高，加工成本低。缺点是：加工幅面受锯片尺寸 影响大。普通金刚石圆锯片存在一个明显的缺陷：圆锯片的有效切割宽度只占其 直径的3 0 3 5 。只有增加圆锯片直径才能扩大切割幅面，但随着圆锯片直径的 增大，将使圆盘锯的成本呈指数倍数的增加，无法体现其加工的低成本优势【3 l 。 t 一、_ 气、 i 1 ，i 舯 一 图1 1 金刚杠圆盘锯图1 2 金刚石串珠绳锯 ij l 尔人学硕十学何论文 金刚石串珠锯，如图1 2 所示，是利用金刚石串珠绳对石材进行切割。串珠绳 是把许多金刚石串珠套在钢丝绳上，弹簧放入串珠之间，橡胶等将串珠隔开，工 作时将绳首尾连接成环形而成。金刚石串珠锯在经历了几十年的发展后，产生了 荒料整形用金刚石串珠锯、异型加工用金刚石串珠锯、开采矿山用金刚石串珠锯 和多绳金刚石串珠锯等锯机产品【4 j 。同一台锯机，或者更换不同用途的串珠绳、或 者改变串珠绳线速度，就可以方便地切割大理石或花岗石大板。串珠绳间距的调 整，可灵活地改变成品板材的厚度，其优异的性能受到越来越多人的关注1 5 】。金刚 石串珠锯的优点是：加工效率高、加工成本低、应用范围广。缺点是：技术含量 高，国内研究较少，设备价格高，对荒料的整齐度要求高。金刚石串珠绳锯切割 机理的研究远落后于生产应用，其加工工艺的潜力尚未被完全开发【6 】。 砂锯，如图1 3 所示，是以一定厚度的高锰钢锯条为刀具，以钢砂为磨料，将 石材荒料锯切为具有一定厚度的石材荒料加工设备，是石材大板加工中应用较早 的传统设备，目前仍然是国内外加工锯切硬质花岗石大板的主要设备【7 】。 图1 3 花岗石砂锯 二十世纪五、六十年代，框架式砂锯在欧洲得到广泛应用，到七十年代加工 石材的宽度达到2 5 m - - 3 5 m 、长度达到2 8 m - 3 5 m ，1 9 7 2 - - 1 9 7 4 年市场上出现逐 步代替铁砂的钢砂l8 1 ，1 9 7 8 年至1 9 8 6 年中国大规模引进国外石材设备，主要引进 的有石材工具生产线、石材成套加工生产线等，意大利、德国等石材工业及石材 设备先进的国家也出现了大批中国技术人员的身影，中国丌始了自己的石材机械 与工具的研制【9 1 。中国石材机械的发展一直走的是意大利石材机械的路子，自二十 2 第1 章绪论 世纪八十年代从意大利引进砂锯生产线以来，国内砂锯的生产制造得到了迅速发 展，到目前为止我国已逐渐形成了自己的品牌。 砂锯生产技术自从国外引进以来在国内迅速推广开来，在大板加工特别是硬 质花岗石大板加工方面迅速占据了主导地位。砂锯在各大中型石材厂家得到广泛 应用，国内砂锯制造厂家在近几年也逐渐兴起，如上海飞宙、广东科达，福建盛 达等。但与进口产品相比，国产砂锯还有一定差距，为了提高生产能力，很多加 工企业花费大量资金购买进口设备，这极大地限制了国内企业的发展。 随着市场的发展，最近几年国内外的花岗石设备制造商相继开发出一些新型 花岗石砂锯。表1 1 是国内外几个主要生产厂家生产的砂锯参数对比。 表1 1 国内外砂锯参数对比 厂家 飞宙 r e d u c ed u e s i m e c 科达 项目 b m 超速砂锯 6 0 3 6 2 0 0m 5 7 1 s j s 5 3 v 3 5 外型尺寸约( 长宽x 高) 1 7 6 8 9 7 3 0 01 9 2 0 0 7 2 0 01 4 6 0 0 x5 5 0 01 7 3 6 5 x 8 8 4 0 x ( m m )x 5 5 0 07 2 0 05 1 0 06 0 0 0 有效切割尺寸( 长宽3 5 0 0 x 4 6 0 03 6 0 0 6 0 0 0 x3 3 0 0 2 8 0 03 5 0 0 x 5 0 0 0 x 高) ( m m ) 2 2 0 0 2 2 5 0 x 2 0 5 0 2 1 0 0 可装锯条数量( 条) 1 6 02 0 01 0 01 7 0 锯框冲程( m m ) 6 0 08 0 01 0 0 07 0 0 每分钟往复次数( 次分钟) 7 5 6 27 86 7 主电机功率( k w ) 1 5 01 3 2 1 3 21 1 0 机器总重量约( t ) 8 3 1 5 06 09 4 5 总装机功率( k w ) 1 6 02 2 21 4 51 7 0 随着竞争日益加剧，使用者对砂锯的要求不断提高。使用者除了希望购买到 更新型、先进的设备外，还希望砂锯生产效率的提高以及生产成本的下降l 1 0 1 。 利用装有多根锯条的砂锯锯切花岗石荒料是目前获得花岗石板材最有效和最 经济的方式】。 1 2 花岗石砂锯原理及其分类 砂锯按照锯条往复运动形式分为三种：框架摆式砂锯、平移式砂锯和复合运 动式砂锯。 山东大学硕_ ? 学伊论文 ( 1 ) 框架摆式砂锯 该锯机使用历史悠久，积累有长期生产的经验和技术，国内已有几十多家厂 家能生产制造。它是锯切花岗石的传统设备，目前在花岗石加工中仍得到广泛的 应用。 该锯机主要由主电机、飞轮、四柱框架、锯框、锯框悬臂、进给电机、工作 进给机构、荒料车、加砂装置等组成。锯机工作时，荒料安装在荒料车上，锯框 上的锯条随锯框往复摆动，当锯框向上摆动时，锯条的下方落入磨料；当锯框向 下摆动时，锯条和石材之间的磨粒在锯条压力和冲击力作用下冲压石材，并在石 材上滚动和滑移，达到锯切石材荒料的目的。 摆式锯结构简单，机件磨损小，使用寿命长，故障率和维修成本低，所以大量 的砂锯往复运动轨迹目前仍然采用摆式。 ( 2 ) 框架直线运动式砂锯 又称平移式( 或平动式) 砂锯。优点：生产效率高，毛板质量好；缺点：毛板 出板率较低。 平移式砂锯的锯框作水平直线往复运动，锯条始终与锯缝底部接触，增加了 锯条锯切石料的接触面积，其效率高于框架摆式砂锯。 该锯机用于花岗石标准板材毛板的锯割加工。主要由主电机、飞轮、四柱框 架、连杆、锯框、锯框导向装置、进给电机、荒料车、工作进给机构和加砂装置 等组成。 平移式砂锯工作原理与框架摆式砂锯相同，当装在锯框的带孔( 槽) 钢锯条 作水平直线往复运动时，磨料不断供给，并通过磨料的压裂、压碎作用，微量的 切削作用来完成锯切。 平移式砂锯需要较大功率的主电机驱动，加工锯缝宽，所以平移式砂锯在最近 几年几乎销声匿迹。 ( 3 ) 复合运动式( 即曲一直一曲运动) 砂锯 在进锯和出锯时采用曲线切割，中间过程为直线切割。在曲线切割时，锯框 往复运动中产生的惯性力以及与石料的冲击力大大减少，从而导致主传动轴承的 负荷和磨损减少，主电机功率减少，降低了板材成本，延长了易损件的寿命；在 直线切割时，增加了锯条与荒料接触面积，加快了落锯( 进给) 速度，因此兼具 4 筇1 审绪论 摆式砂锯消耗低和平移砂锯效率高的优点，是目前用作花岗石大板生产的一种比 较先进的设备。其最大缺点是，形成锯条曲线加直线运动轨迹的复摆式机构受磨比 较严重，维修成本和故障率较高。 目前锯框和锯条的往复运动轨迹仍然是摆式、复摆式并存，摆式为主，而平 移式已很少采用。摆式锯的锯条运动轨迹为圆弧曲线，复摆式锯的锯条运动轨迹 为两端圆弧曲线与中间直线的结合，平移式锯的锯条轨迹是一条直线。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外花岗石砂锯研究现状 国外砂锯的发展方向是：高效率、大型化、自动化。目前最新型的花岗石砂 锯加工宽度达到7 m ，采用双连杆结构，连杆长度可以调节，锯条数达2 3 0 根，加工 荒料总体积达至1 j 5 7 7 m 3 。锯条的往复行程从普通砂锯的5 5 0 m m 、6 8 0 m m 增加到 8 0 0 m m ，摆臂长度从0 7 m - - , o 8 m 增至目前的1 4 m - - 1 6 m ，飞轮与主电机之间采用 一级三角带传动形式，设计采用飞轮低转速、锯框大往复行程的形式。 1 3 2 国内花岗石砂锯研究现状 通过研究学习国外先进的整机技术和零部件技术，我国开始了砂锯的自主研 发，但是与国外先进技术相比，国产砂锯在工作效率、切割成本等方面存在一定 差距。目前国内砂锯多采用单连杆结构，加工宽度最大可达4 8 m ，最多安装锯条 数1 6 0 根，锯框重量达1 0 t 以上，往复行程为6 0 0 m m 。国内花岗石砂锯设计存在以下 不足： ( 1 ) 对花岗石砂锯的三维数字建模分析和系统动态特性的研究较少： ( 2 ) 对花岗石砂锯工作机构三维运动学、动力学理论与仿真的研究较少。 与国外先进的虚拟样机设计、虚拟仪表控制技术相比，我国花岗石砂锯生产 企业的设计水平和设计手段还有不小的差距，还未能见到经过虚拟样机设计、动 力学及有限元分析的国产花岗石砂锯的报道。 5 山东人学硕十学伊论文 1 4 课题研究的必要性及主要研究内容 1 4 1 课题产生背景 石材作为建筑材料在全球范围内应用越来越广，我国的石材工业在二十世纪 九十年代以后获得突飞猛进的发展，从此我国进入石材生产大国和贸易大国的行 列，尤其是花岗石大板的需求量逐年增加，使得花岗石大板最主要的加工设备 砂锯的需求量越来越大。 为了争取市场份额，获取最大利润，国内砂锯生产企业纷纷加大了研发力度， 产品更新换代日益加快。在当前市场竞争十分激烈，全球经济不景气和原材料价 格大幅上涨的背景下，制造业面临巨大挑战。为了面对这些挑战，同时也为了促 进砂锯的发展，理论需要创新性的应用到设备的研发制造中，使砂锯在原有结构 上得到优化，实现成本降低，性能提高的目的，在这样的前提下我们提出本课题 的研究内容。 1 4 2 课题研究必要性 国内从事花岗石砂锯研究虽然已有二十多年的历史，然而受各种因素和条件 的制约，花岗石砂锯的设计一般遵循以下程序：工程师理论选型计算结果 画出机械零件图、部件图和装配图交给车间试制。样品出来以后，通过对样 品的运转测试与理论构想进行比对，寻找产生差异的原因，经过反复修改使运动 关系和结构设计趋于合理。这种经验设计物理样机现场试验样机再 修改现场再试验分析损坏零件样机定型规模生产的传统设计流 程存在设计周期长、效率低、费时费力的缺点。 针对国内石材业迅猛发展，花岗石大板需求量不断加大的现状，结构合理、 高效、性能优良的砂锯设计迫在眉睫。分析砂锯的结构特点，通过虚拟样机技术 进行分析来优化其结构从而降低生产成本、减少材料使用、提高性能，提升产品 市场竞争力。 6 1 4 3 本文研究的花岗石砂锯以虚拟样机技术为基础，综合运用三维设计软件 s o l i d w o r k s 、有限元分析软件a n s y s 与动力学仿真软件a d a m s ，对砂锯主传动 系统进行理论和仿真分析，利用参数化思想对主传动系统进行优化设计并对其主 要部件连杆进行动态仿真分析。本文采取理论联系实际的技术路线，目的研 制出结构优化，生产效率高的新型砂锯，结合山东省石材工程技术研究中心在设 备研发和石材制品加工方面的技术基础，以及石材生产厂和石材机械厂的实际生 产、应用条件，采用理论分析和仿真计算相结合的研究方法，主要进行以下几方 面的研究内容： ( 1 ) 根据设备设计理念，在功能分析和模块化设计技术的基础上，提出花 岗石砂锯总体设计方案，针对属于总体方案的机械模块中的子模块运动模块 建立了本论文的研究体系：利用虚拟样机技术，根据花岗石砂锯运动特点，通过 一系列步骤建立了花岗石砂锯的虚拟样机模型。 ( 2 ) 根据花岗石砂锯的工作原理，建立了砂锯主传动系统的数学模型，并对 其进行了运动学和动力学理论分析，又通过建立的虚拟样机模型进行了仿真计算 分析，得到花岗石砂锯锯机的运动和动力特性。 ( 3 ) 对花岗石砂锯虚拟样机的主传动系统进行参数化分析。针对主传动系统r ： 的构件连杆、摆臂等，分别运用设计研究、试验设计的思想，考虑一个设计参数、 多个设计参数变化对样机性能的影响，在给定的设计参数变化范围内进行优化设 计，研究主传动系统各构件的最优化组合，设计出性能优良的花岗石新型砂锯。 ( 4 ) 对花岗石砂锯工作装置中的主要部件一奎杆进行动态仿真分析，主要 包括：连杆四种调节方式的分析以及连杆的设计，a n s y s 有限元模态分析理论和 a d a m s 柔性体理论的介绍，连杆柔性体的建模、动态应力分析和疲劳强度分析。 利用a n s y s 有限元模态分析理论和a d a m s 柔性体理论并且通过a n s y s 和 a d a m s 的双向数据接口建立连杆的柔性体模型，生成刚柔耦合的花岗石砂锯虚拟 样机工作装置并进行仿真分析，生成的连杆载荷文件导入到a n s y s 中进行动态应 力分析，找出连杆受力最大区域并进行疲劳强度分析，验证设计的连杆是否满足 使用要求。 文 少，多数砂锯生产企业模仿创造 心技术。基于虚拟样机技术的花 题针对常规设计计算过程中所存 统动力学和虚拟样机理论。其具 基于虚拟样机技术，在物理样机 制造出来之前，设计者利用本课题的设计思想就可利用计算机进行花岗石砂锯虚 拟样机的仿真研究分析，通过各种不同设计方案的比较，确定敏感参数，并通过 可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征，直到获得最优工作性能， 从而使新产品的设计研发周期大大缩短，花岗石砂锯整机的性能指标得到保证， 采用仿真解决传统解析法无法解决的问题。 ( 2 ) 花岗石砂锯研制成功后，大规格和超大规格花岗石板材制品加工问题将 得到很好的解决。通过主传动系统结构的改进来提高加工效率，降低锯切成本， 从而占据花岗石超大规格板材加工的主导地位，具有较高的经济效益和广阔的市 场前景。 ( 3 ) 达到追求更低的研发成本、更短的研发周期的目的。采用虚拟样机技术 建立花岗石砂锯的数字化模型，摆脱依赖物理样机的现状，完成物理样机无法进 行的虚拟仿真试验，最优方案的获得无需试验物理样机，缩短了花岗石砂锯的研 发周期。 ( 4 ) 花岗石砂锯的设计理论得到丰富和发展。在对产品技术改造和研发过程 中，经过初步确定设计参数三维数字建模运动学和动力学仿真查找 问题优化设计和动力学研究一系列步骤，花岗石砂锯的设计走向立体，对花 岗石砂锯的现代数字化设计、生产、试验有着重要的理论和现实指导意义。 总之，本文所进行的理论及试验研究，解决了花岗石砂锯设计中系统动态特 性和传统解析法无法解决的问题，花岗石砂锯的设计理念得到提升，这些工作对 花岗石砂锯的现代化设计具有重要的理论和实际指导意义。 8 第2 章花岗了i 砂锯虚拟样机总体设计及 ：c ! 到的建节 第2 章花岗石砂锯虚拟样机总体设计及模型的建立 随着我国城市化进程的加快以及拉动内需政策的实施，特别是建材下乡措施 的实施为石材业的发展提供了良好的机遇。据估计，到“十二五 末，国内花岗 石板材的产量将达到6 5 7 0 亿平米【1 2 】。为了满足花岗石大板的生产需要，砂锯的 生产制造需要满足一次性加工更多的板材数量、更高的生产效率、更低的生产成 本，以满足市场需求。 本论文以当前应用最广泛的摆式砂锯作为研究对象( 下文中不做特别说明均 指摆式砂锯) ，其结构由飞轮、曲柄、连杆、锯框( 装有钢锯条) 、摆臂、立柱框 架、进给系统、荒料车、驱动主电机及供砂系统等组成，如图2 1 所示。锯机工作 时，荒料安装在荒料车上，紧固在锯框上的锯条随锯框往复摆动，当锯框向上摆 动时，磨粒落入锯条的下方；当锯框向下摆动时，锯条和石材之间的磨粒在锯条 压力和冲击力作用下冲压石材，并在石材上滚动和滑移，破碎石材达到锯切目的。 1 飞轮2 曲柄3 驱动主电机4 连杆5 立柱框架6 进给丝杠7 锯框 8 进给系统9 摆臂1 0 荒料i i 荒料车 图2 1 摆式砂锯结构简图 2 1 虚拟样机总体设计 2 1 1 设计要求 砂锯样机设计应满足以下几个基本要求： ( 1 ) 结构简单紧凑，满足主要工作尺寸及作业范围的要求。 ( 2 ) 经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，确保实现既定工艺方法 9 学硕 j 学伊论文 ( 4 ) 样机应具有足够高的精度，抗震性，弹性变形和噪声要小，以满足加工 性能要求。 ( 5 ) 满足加工要求情况下，应尽量达到材料节约，成本低廉，外形美观大方 的要求。 2 1 2 主要技术参数 花岗石砂锯虚拟样机模型拟定的主要参数如表2 1 所示。 表2 1 砂锯样机拟定主要参数 技术参数参数值 最火荒料尺寸( m m ) 3 6 0 0 5 0 0 0 2 2 0 0 飞轮直径( m m ) 3 9 0 0 连杆双迮杆 连杆k 度( m m ) 7 5 0 0 捏臂长度( m m ) 1 6 0 0 锯条数量 1 6 0 每分钟往复次数( 次r a i n ) 6 0 砂锯样机宽6 m ，高7 m ，长1 7 m ，采用双连杆结构，运行更加平稳，加工宽 度大，一次性加工板材多。 2 2 总体方案设计 2 2 1 总体方案模块划分 根据模块化设计的特点以及模块划分的原则，设备分解为：机械、加砂润滑、 控制和其他辅助扩展功能四大功能模块，各功能模块继续分解为各子功能模块， 各子功能模块最后进一步细化分解到各功能元，这也就是花岗石砂锯的模块划分 方式。 按照设备的运动功能分析，设备的机械功能模块分解为三个子功能模块1 1 3 5 l ： ( 1 ) 运动模块实现曲柄连杆带动装有锯条的锯框在摆臂带动下往复运动完 l o 菊2 章花岗丫i 砂锯虚拟卡丫机总休设计及模型的建t 成对花岗石切割。 ( 2 ) 动力模块实现缓慢进给运动，带动进给电机完成辅助进给运动、带动 飞轮完成主旋转运动。 ( 3 ) 支撑模块支撑、连接其他部件，使其在工作过程中保持相对位置和运 动关系的准确。 运动模块：飞轮、摆臂、锯框以及曲柄连杆机构。花岗石砂锯通过钢锯条带 动钢砂对石材进行切割，矩形框架中装有锯条，矩形框架连同锯条一起进行钟摆 式运动。钟摆式运动在机械设计中的实现使我们很容易想到一种常见的平面四杆 机构曲柄摇杆机构，在此机构中，摆臂充当摇杆，其与曲柄、连杆一起组成 了一个类似于曲柄摇杆机构的设备。曲柄摇杆机构中，摇杆所做的是一个变速度 变加速度的运动，所以整个设备运动不平稳，加上锯框质量大，因此设备能量转 换非常大，解决这个问题可以依靠飞轮。因此主传动系统包括：飞轮、摆臂、锯 框和曲柄连杆。 动力模块：设备主电机、进给电机。传送带在主电机带动下将动力传递给主 传动系统，进给系统由进给电机带动，完成对石材荒料的切割。 支撑模块：对锯框及锯条起支撑作用，主要包括立柱、水泥台等。 连接组装机械功能模块的各功能元，即完成砂锯机械系统的设计，其总体设 计方案如图2 2 所示。 图2 2 花岗石砂锯总体设计方案 尔人学硕十学伊论文 的建立 砂锯完成对花岗石荒料的锯切，实现砂锯高效锯切 的关键是运动模块中各相关零部件的协调运动。论文研究内容的框架体系如图2 3 所示。 图2 3 论文研究内容的框架体系 在建立的砂锯多体系统虚拟样机模型基础上，论文主要对飞轮、连杆、摆臂 等组成的主传动系统( 锯切系统) 进行分析。应用参数化分析的思想，通过改变 连杆、摆臂、飞轮转速等参数，经过设计研究、试验设计和优化设计三个步骤对 主传动系统进行分析优化：针对主要部件连杆，对其四种调节方式进行分析；基 于柔性体理论及模态分析技术，对砂锯连杆机构刚柔体模型进行动力学分析，得到 连杆在工作循环中的动态应力，并对连杆受力最大区域进行疲劳分析。经过对主传 动系统及其主要部件的分析为新型砂锯的研制奠定基础。 1 2 第2 章花岗r 彳i 砂钒虚拟样机总体设计及模刑的建囊 2 3 砂锯多体系统虚拟样机建模 多体系统是对某类客观事物的高度抽象和概括，是研究和分析机械系统的最 优模型。多体系统动力学是在现代科学技术发展的推动下，由于经典力学的发展 而逐步形成的一个具有独立性的学科分支。大量刚体和柔性体相互关联耦合的系