冲切式飞剪系统的运动分析和数学建模.pdf

l 匐 化 冲切式飞剪系统的运动分析和数学建模 Kin em at ics anal ysis and m at hem at ical m odel ing o f punchin g f l yin g s hear s ys t em 陈白宁 丁立坤 CHEN Ba i n i n g Dl NG L i k u n 沈阳理工大学 机械工程学院 沈阳 1 1 0 1 5 9 摘 要 根据起停式飞剪机的剪切工艺要求 对整个工作周期全过程进行运动分析和数学建模 并据此 推导得到原动构件运转的同步速度控制曲线 为控制系统建模提供理论依据 关键词 起停式飞剪 运动分析 速度同步 模型修正 中图分类号 T F 3 0 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 o 3 上 o l 3 4 0 2 D o i 1 0 9 9 6 I J I s s n 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 o 3 上 3 9 0 引言 起 停 式 飞剪 是 一种 应 用 广泛 的 冶金 机械 设 备 根据机械结构不同 飞剪机 可分为起停式飞 剪 离合式飞剪 霍尔顿剪等 其中 起停式飞 剪具有机械结构简单 剪切精度高等特点 在大 型板材 管材连续轧制 造纸等系统中有着广泛 的应用 传统飞 剪在同步剪切 段的速度 曲线是一段恒 定的曲线 在剪切厚 度较薄 的板材 以及轧钢等对 剪切精 度要求相对较 低的行 业 该速度 曲线 尚可 接 受 但在下料 等一 些生产线上 由于剪切精度 要求较高并且 刀刃剪切 行程 较大 因此该动作 曲 线无法满 足加 工精度要求 所以必 须对剪切过程 进行运动分析 得到更为准确的速度同步 运动 曲 线 以此作为控制系统建模的依据 1 飞剪系统剪切机构的运动分析 1 1 飞剪剪切时的工艺要求 2 飞剪机具有如下剪切工艺要求 1 同步性要求 飞剪机在剪切运动着的工件 时 刀刃的水平分速度与工件速度同步 2 定尺要求 飞剪系统应能根据用户对产 品 品种 规格 的不 同要求 在给定 的线速度下 剪 切 出多种不同规格的产品 并满 足要求的尺寸精 度和表面质量 3 剪切的速度必须与生产线上的其它设备相 匹配 4 其他功能要求 如手动操作等 1 2飞剪剪刃的速度图及运行轨迹 飞剪剪刃的运行轨迹示意图如图l 所示 飞剪 有上下两把剪刃 如 图2 所示 剪切时两把刀运行 方 向相反 以上剪刃为例 简要说 明运动情况 图1 中的点A即上剪刃的停车位置 也是等待定位 阶段的静止等待位置 自点A得到启动信号后 飞剪剪刃便进入加速 启动阶段 逆时针转动到点 B 位置 在点B处达到速度同步条件 剪刃继续运 动 当到点C 处时 剪刃接触工件 开始剪切 到 点D 处剪切结束 在前行方向上 剪刃继续和工件 同步运动 直至点F 速度同步阶段结束 飞剪进 入减速制动阶段 并在转过一定角度后到达点A 减速制动阶段停止 在点A处 剪刃静止等待 直 至得到下一次剪切启动信号 开始新的剪切动作 图1飞剪剪刃运行轨迹示意图 收稿 日期 2 0 1 2 I 1 2 9 作者简介 陈白宁 1 9 6 2一 女 教授 主要从事机电一体化产品 智能仪表及自动装配技术等的研究与开发 1 3 4 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 3 上 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务I 訇 图2 飞剪机剪 切过程示意图 飞剪剪 刃的速度图如图3 所示 剪 刃速度图在 一 个运动周期 中分为如下 四个阶段 1 加速启动 阶段 2 速度同步阶段 3 减速制动阶段 4 等待定位阶段 图3 飞剪剪刃的速度图 图4 短尺寸剪切时剪刃速度图 1 3 飞剪机构类型的选择 传统的飞剪作业生产线上 飞剪 系统 的电机 转速 是恒 定不变 的 但 是为了实现定长剪切 飞 剪机 的转速又必 须是可 以调 整的 因此需要 增设 复杂的调速机构 这也是传统飞剪 的缺点 5 本 系 统 中的飞剪机构 采用简单 的曲柄机构 由大功率 的伺服 电机提供动 力带动 曲柄 动作 使上下 刀架 按照相反 的转 向旋转 上下刀 片在剪切过程 中随 工件一起运动 同时完成移动和剪切两个动作 刀片在剪切区域的水平分速度v x 与运动速度 V 0 相 同 从而实现 了速度的同步 1 4 剪切过程中的运动分析 根据前面分析 可得 刀片合速 度 v R 式中R为曲柄半径 曲柄角速度 和 曲柄转速n 的关系 2 石 国 6O 由几何关系得到 V V co s 1 8 0 t 速 度同步条件是剪刃的平移速度分量和工件 前进速度相等 即 由此可得 一 o I co s 0 t R 曲柄角速度和 曲柄转角 0的关系 日 商I 单z de t C O S t 得到关系式 u 即 0 d t co s 0 t d t R 积分可得 d t c 0 s d 该运行阶段 的初始条件 在时间点t t 2 时 转 盘 自启动点 转过角度o 0 1 4 3 经分析计 算 t 2 积分如下 c o s c t d t f 2 一 a t 鲁 a t s t s i n c 1 4 3 0 一 一 得 一 一 s 430 R 0 t一 1 同时可得 了 I 2 J 卜 si n 143 0 0 I 叫 3 c o o 一 v 2 1 s m o r si Il 143o vo 3 显然 为 了满足速度同步条件 v o 必 须让飞剪机的曲柄在剪切区 内按照公式 1 到公 式 3 的规律变速转动 2 速度同步模型的分析 2 1飞剪系统在整个运行周期的运动规律 飞剪在 同步 区域 的曲柄运动 曲线已经推导得 到 设计其余阶段为匀加速启动 匀减速制动 静止等待阶段 并推导得到 曲柄转动规律的表达 式 如公式4 所示 Q l4 3x R2 cos2 1 4 3 0 一 Q t E t l t 2 t E t2 t 3 4 R co s o 3 7 0 一 I E BIl 4 1 4 3 R 2 3 7 0