飞剪机构分析与设计任务书.pdf

机械原理课程设计 廖汉元 孔建益 闻欣荣 李 佳 编撰 武汉科技大学 机械自动化学院 机械设计与制造教研室 1999 年 5 月 02 年再版 1 飞剪机构分析与设计任务书 飞剪机构分析与设计任务书 一 工艺要求 一 工艺要求 1 剪切运动速度为Vt 2m s的钢板 拉钢系数 V刀 Vt 1 01 1 052 两种钢板定尺 长度 L 1m 0 65m 3 剪切时上下剪刃有间隙 剪切后上下剪刃不发生干涉 相碰 4 剪切时上 下剪刃沿钢板运动速度方向的速度相对误差 2 V刀 0 05 二 给定参数 二 给定参数 1 工艺参数 剪切力 F 10T 98kN h A 支座 A 距辊道面高约为 h 250mm 如图 1 刀刃重合量 h 5mm 钢板厚度 b 1mm 2 机构设计参数 图 1 按定尺 L 1m 给出机构的行程速比系数 k 远极位传动角2 摇杆摆角 表 1 参数与方案 表 1 参数与方案 方案号 1 2 3 4 5 1 12 1 14 1 16 1 18 1 20 74 73 72 70 68 16 17 18 20 22 三 设计内容 三 设计内容 1 根据工艺要求制定机构方案 定性比较各方案的优 劣 2 设计出满足工艺要求的机构尺寸及上下剪刃的位置尺寸 3 根据最终设计结果按比例绘制机构运动简图及上下剪刃的轨迹 4 进行机构的运动及力分析 检验上下剪刃的速度相对误差 拉钢系数是否满要求 并 求出曲柄上的平衡力矩 Mb 飞剪机构分析与设计 指导书 飞剪机构分析与设计 指导书 二 对剪机运动的要求 二 对剪机运动的要求 1 曲柄转一圈对钢材剪切一次 2 剪切时 上 下剪刃速度相对误差小于其许用值 V刀 2 VEt VFt VEt VFt 0 05 3 剪切时 上下剪刃应与钢材运动同步 一般希望剪刃速度略大于钢材运动速度 即拉钢系数 1 V刀 VEt VFt 2 V刀 Vt 1 01 1 05 4 能调节钢材的剪切长度 L A D B C E F x y t f e n1 L a b c L b h Vt 2 4 3 图2 三 设定参数 三 设定参数 1 工艺参数 1 工艺参数 剪切力 F 10T 98kN 支座 A 距辊道面高约为 h 250mm 刀刃重合量 h 5mm 钢板厚度 b 1mm2 机构设计参数 按定尺 L 1m 给出机构的行程速比系数 k 远极位传动角 2 摇杆摆角 如表 1 所示 四 机构的型综合 四 机构的型综合 首先对工艺要求进行分析 把工艺要求变换为对机构运动的要求 然后根据对机构的 动作要求进行型综合 1 工艺对机构的动作要求 1 工艺对机构的动作要求 1 为完成剪切 上下剪刃应完成相对分合运动 3 2 为剪切运动中的钢材 上下剪刃在完成相对分合运动的同时还应有沿钢材方向的运 动 3 根据以上要求可知 上下剪刃运动轨迹之一应为封闭曲线 如图 3a b c 所示 图 3 d 上下刀刃均为非封闭曲线 使得飞剪在空行程中沿钢材运动方向逆向剪切 这是 不允许的 图 3 a b c d 2 机构型综合的方法及一般原则 2 机构型综合的方法及一般原则 1 固定一个构件为机架 可得到一个全铰链机构 2 可用移动副直接代替转动副而得到带有移动副的机构 3 具有两个转动副的一个构件可变换成一个高副 4 最简单机构原则 首先采用最简单的运动链进行机构综合 不满足要求时才采用较 复杂的运动链 5 最低级别机构原则 一般采用多元连杆为机架不易得到高级别机构 6 不出现无功能结构原则 7 最低成本原则 加工易难及加工成本按如下顺序递增 转动副 移动副 高副 8 最符合工艺要求原则 表 2 3 和图 4 5 给出 F 1 F 2 各类运动链及其结构图 作为进行机构变换的依据 图4 F 1运动链结构图的 4 5 表 2 单自由度运动链 表 2 单自由度运动链 组合序号 特性 N3 1 N3 2 N3 3 N3 4 N4 1 N4 2 备注 N 4 L 1 N2 4 N3 0 N3 0 N 6 L 2 N2 5 N3 0 N4 1 均 为 四 杆 运 动 链 1 022022 2 N 6 L 2 N2 4 N3 2 N4 0 112112 1 0222 0222 2 N 8 L 3 N2 6 N3 0 N4 2 1122 1122 1 012012 0022 2 012002 0122 3 012111 0112 4 111111 1111 5 N 8 L 3 N2 5 N3 2 N4 1 012011 1122 1 002002002002 2 011011002002 3 000011012012 4 001011011111 5 011011011011 6 001001012012 7 N 8 L 3 N2 4 N3 4 N4 0 002001011012 表 3 两自由度运动链 表 3 两自由度运动链 组合序号 特性 N3 1 N3 2 N3 3 N3 4 N4 1 N4 2 A A N 5 L 1 N2 5 N3 0 N4 0 B B N 7 L 2 N2 6 N3 0 N4 1 3333 C 1 023 023 C 2 113 113 C C 3 N 7 L 2 N2 5 N3 2 N4 0 122 122 D 1 0223 0223 D 2 1123 1123 D D 3 N 9 L 3 N2 7 N3 0 N4 2 1222 1222 6 E 1 002 013 0123 E 2 002 022 0222 D 3 003 012 0123 E 4 012 012 1122 E 5 011 013 1113 E 6 011 022 1122 E 7 012 013 0023 E 8 012 112 0122 E 9 013 111 0113 E 10 022 022 0022 E 11 022 112 0112 E 12 111 112 1112 E E 13 N 9 L 3 N2 6 N3 2 N4 1 112 112 1111 F 1 000 011 013 013 F 2 000 012 012 022 F 3 001 001 013 013 F 4 001 002 012 022 F 5 001 003 011 013 F 6 001 011 012 112 F 7 001 012 012 111 F 8 002 011 011 112 F 9 002 002 003 003 F 10 002 002 012 012 F 11 002 011 012 111 F 12 011 011 003 003 F 13 011 011 111 111 F F 14 N 9 L 3 N2 5 N3 4 N4 0 011 011 012 012 图5 F 2运动链结构图的 机构变换例 机构变换例 选用图 4 中最简单的 F 1 的四杆运动链进行机构变换 如图 6 a 所示以 AD 为机架 CD 为滑块 D 为移动副 图 6 b 上 下刀刃分别装在曲柄 滑块上 图 6 c 7 方案分析 方案分析 方案满足上 下剪刃运动轨迹之一应为封闭曲线的运动要求 其最大的优点是结构简 单 但存在如下突出缺点 横向尺寸大 偏距大 连杆长度短将使机构压力角增大 为 减小压力角 必需增大连杆长度BC 调节钢材定尺困难 定尺调短时曲柄转速增高 为使刀刃速度与钢材速度Vt同步 必需减小曲柄半径AB和刀刃E的转动半径AE 图 6 d中的 AB AE 由于剪切点由点K上移到K 因此必需将钢材抬起方能进行剪切 这是不允许 的 此为一个坏方案 可见上刀刃不能装在曲柄上 A B C D A B C D 8 A B C D E A E B K K K Vt Vt a b c d 图6 块构飞曲柄滑机的剪 e 五 机构尺度设计 五 机构尺度设计 分两步进行 1 四杆机构的相对尺寸设计 2 计算四杆机构的绝对尺寸 1 四杆机构的相对尺寸设计1 四杆机构的相对尺寸设计 见 机械原理 P126 已知参数 k 2 计算机构的相对尺寸 a0 b0 c0 d0 1 A B1 B2 C2C1 b0 c0 9 D d0 1 a0 1 图 7 2 0 2 计算四杆机构的绝对尺寸 2 计算四杆机构的绝对尺寸 1 曲柄半径 a 剪切钢板一次所需的时间 t t L Vt s 曲柄的转速n1和角速度 1 若曲柄销的速度为VB 则曲柄半径a为 a VB 1 设 k1 vB v刀 k1为曲柄销B点的速度与刀刃平均速度之比 VB k1V刀 k1 Vt 由此得到 a k1 Vt 1 或 a k1 L 2 2 初步设计时k1可任选 机构初步设计完成后再重新确定k1 3 四杆机构的绝对尺寸 3 四杆机构的绝对尺寸 相对尺寸为 a0 b0 c0 d0 绝对尺寸为 a b c d 求比例尺 L a a0 得绝对尺寸 a La0 b Lb0 c Lc0 d L 4 刀刃位置确定 4 刀刃位置确定 A B C D h h F E e f c b a 4 2 3 Y t x p34 p24 图 8 2 1 3 4 d A D 如图 8 所示 取机架角 4 10 30 且使曲柄与机架共线的机构位置来确定刀刃位置尺寸 这是考虑到 可得到刀刃重合量 h 且此时有vFt vEt 此时连杆的绝对瞬心在D点且有 2 3 若计算出f 3 e 2 即确定了刀刃F E的位置 f dcos 4 h 3 e f h 2 d a 2 2 f h d a cos 4 0 5 4 初步计算 3 2 3 4 由 BCD按余弦定理求出 3求出后可由 BDE和 BDF求出LCE LCF 然后由 BCE 按余弦定理求出 2 注意到点E F应满足重合 剪切 即LCE LCF 故令 LCEF LCE LCF 2 5 按长度LCEF及尺寸b e c f重新计算a2 a 3 5 剪切角 1 0 的确定 5 剪切角 1 0 的确定 剪切角 1 0 即剪切时所对应的曲柄转角 由图 9 知 1 0 4 DAB DAB 由 ADB 按余弦定理求解 长度 LBD 由 BE F D 求得 BED 的角 BEC DEC BEC DEC 分别由 BEC DEC 按余弦定理求解 10 A 11 B C F E e f c a D b 4 2 3 y t x 图 9 2 3 d A D E 2 1 0 4 6 调整上下刀刃水平速度误差 6 调整上下刀刃水平速度误差 当曲柄转角 1 1 0 时飞剪对钢材进行剪切 此时若上 下刀刃E F沿钢材方向的速 度误差太大 则出现倾斜的钢材切口 甚至不能切断钢材 因此必需调整某参数以控制上 下刀刃的速度误差 上 下刀刃的速度可写成如下矢量方程 VE VC VEC VF VC VFC 若VEC VFC垂直于钢材运动方向 即CE F 线与钢材运动方向平行 则 其在钢材运动方向的分量为零 VE VF沿钢材的分量即VC沿钢材的分速度而相等 故计算 CE F 的位置角 E 再使整个机构沿顺时针转动以使CE F 线与钢材运动方向平行 即 调整机架倾角a4使上 下刀刃的速度误差为零 先对机构进行运动分析求出 2角 参考 机械原理 p29 p30 再由矢量多边形方 程BE BC CEBE BC CE由下式求 E角 tan esin bsin ecos bcos 6 E E 90 7 E即整个机构沿顺时针转动的角度 按下式计算机构转动后的机架倾角和各构件的 位置角 4 4 E 0 1 0 1 E 2 2 E 3 3 E 7 调整刀刃与钢材运动速度同步 7 调整刀刃与钢材运动速度同步 先进行运动分析求出 2 3 再由矢量方程 AE AB BE AE AB BE 求上 下刀刃沿钢材方向的 速度分量VEt yE VFt yF 机构的运动分析参考 机械原理 p29 p30 求出上 下刀刃沿 钢材方向的平均速度V刀及拉钢系数 12 V刀 VEt VFt 2 8 V刀 Vt 9 一般 即上 下刀的速度不满足预先选定的拉钢系数要求 由于曲柄转速不能 调整故应调整曲柄半径 初定曲柄半径a 时公式中的k1 为曲柄销B点的速度与刀刃平均 速度之比 是任意选定的 故应按下式计算出实际的k1 值后重新计算曲柄半径a k1 a 1 V刀 10 a k 1 Vt 1 或 a k1 L 2 11 为保证原始给定参数 2 k 不变 各长度尺寸应作如下调整 b c d e f 由此得到满足给定设计要求的机构尺寸为带 的参数 其剪切角为 0 1 8 求曲柄的平衡力矩 Mb 8 求曲柄的平衡力矩 Mb 如图8所示 Mb 1 FcVEx FcVFx 0 Mb Fc VEx VFx 1 12 六 机构设计性能校验六 机构设计性能校验 用带 号尺寸计算 1 检验剪切 1 0 1 时 上下刀刃对刀误差 x 2 xE xF xE xF y 2 yE yF yE yF 2 检验剪切时上下刀刃是否与钢材运动速度同步 3 检验剪切时上下刀刃速度的相对误差 v刀 0 05 4 检验机构是否达到给定设计要求 k 2 5 从结构尺寸 传力性能等方面与方案5比较其优劣 作方案5的与方案1比较 13 A B C F e f c b a 3 y x 0 1 E 图 9 D FC FC 1 Mb 2 d 七 设计的内容及要求 七 设计的内容及要求 一 设计说明书内容 仅供参考 一 设计说明书内容 仅供参考 1 设计任务 题目 具体设计内容 2 飞剪的工作原理及工艺要求 3 原始数据 工艺参数 设计参数 4 机构型综合 型综合原理 工艺对机构动作的要求 三种方案的比较 本计算方案 自己的方案 小 组内自选一方案 5 机构的尺寸设计 四杆机构相对尺寸计算 刀刃位置尺寸及剪切角的确定方法 机构绝对尺寸计算及调整 的原理与方法 最终设计结果 6 机构的平衡力矩计算 7 主要结论 与方案 5 1 比较列出机器的尺寸参数及性能 从机器的尺寸大小 机重 传力等方 面比较本方案的优缺点 8 结束语 设计心得与体会 9 参考文献 作者 文献名 出版社 出版年月 卷期号 或页号 1 二 设计的具体要求 二 设计的具体要求 1 按自己的设计绘制机构型综合 3 图一张 要求 1 如何从运动链变换得到 2 按合理的比例绘制机构简图 3 按比例画出上下刀刃的轨迹并判断方案的合理性 分析优缺点 4 图面填充率不小于 75 文字用仿宋体书写 2 按机构设计的最终尺寸 按比例绘制机构图 2 图 及上下刀刃的轨迹 要求 1 标出尺寸 运动副 位置参数等的代号 列表标出其数值 2 以 X 为起始位置将曲柄圆周等分为 12 等分 图解求点 E F 的轨迹 加剪 切点共 13 个点位 3 列表标出点 E F 坐标的图解值与理论值及其相对误差 4 图面填充率不小于 75 文字用仿宋体书写 3 设计说明书用钢笔书写 文字清晰 端正 内容完整精炼流畅 50 10 10 10 15 20 15 135 20 飞剪机构分析与设计飞剪机构分析与设计 机械原理课程设计 武汉科技大学 机械自动化学院 班 级 设 计 顺序号 方案号 图 号 审 查 不少于 15 页 4 阐明原理 方法时应配有示意图 用铅笔仪器绘制 5 将设计说 明书及两张图纸装订后粘贴封面 14 附录 机构设计的优化方法 机构设计的优化方法是一种适应性很强的设计方法 对于飞剪机构也可使用优化设 计 尽管其结果不如上述理论求解精确 但如果需要还可增加更多的设计条件 有兴趣的 学生可以试试 与理论求解相同 为保证给定的参数k 2 应先计算出四杆机构的相对尺寸a0 b0 c0 d0 只要确定一个绝对尺寸 如曲柄半径a 就可求出比例尺后再计算其它各绝对 尺寸 A 15 B C F E e f c a D b 4 2 3 y t x 图 10 2 3 d A D E 2 3 1 0 4 设计变量 设计变量 参数a 4 e 2 f 3 1 0均可作设计变量 注意到剪时要求点E F重合 上 下 刀刃的位置尺寸e 2和f 3之一为非独立参数 可根据E F共点求出 故以下参数为设 计变量 X x1 x2 x3 x4 x 5 T a 4 e 2 1 0 T 如图 10 所示f 3根据E F共点按下式求出 3 3 arctan csin 3 LCEFsin E ccos 3 LCEFcos E 13 f csin 3 LCEFsin E 2 ccos 3 LCEFcos E 2 0 5 14 目标函数 目标函数 建立目标函数考虑如下因素 1 VEt与VFt间的误差 2 VEt VFt要与钢材Vt同步 3 能剪断钢材 约束条件 约束条件 由于已考虑机构的传力性能且一定有曲柄 故只考虑设计变量的边界约束 16 飞剪机构优化设计的数学模型 飞剪机构优化设计的数学模型 设计变量 设计变量 X xX x1 1 x x2 2 x x3 3 x x4 4 x x 5 5 T T a a 4 4 e e 2 2 1 1 0 0 T T 目标函数 目标函数 F X wF X w1 1 K K1 1 2 V 2 VEt Et V VFtFt V VEtEt V VFtFt W W2 2 K K2 2 V VEtEt V VFtFt 2 V 2 Vt t W W3 3 K K3 3 h h 约束条件 约束条件 0 x0 xi i p pi i i 1 2 3 4 5 i 1 2 3 4 5 pi 为各设计变量的上限 Wi为各单项目标的加权因子 K1 K2 K3分别为上下刀刃沿 钢材方向的相对误差许用值 拉钢系数许用值和刀刃重合量许用值 h为刀刃实际重合量 按下式计算 h xFi max xEi min i 1 2 3 n n 为曲柄转角的分点数 约束随机法源程序 数学模型 minF X x 8 2 x 8 2 s t G1 x x1 0 G2 x x2 1 0 G3 x 11 x1 x2 0 设计变量的维数n 2 约束数z 3 最小步长e 10 5 搜索方向数m 50 其优化源程序如 下 define pi 3 1415926 include stdio h include math h include stdlib h main 优化主程序 float x 20 x0 20 f f0 goalf constr sm y 20 s 20 al 1 3 kr e 1e 5 int n 2 i j g k m 50 numb 0 numb0 0 loop1 for i 0 i n i printf x0 d i scanf f g constr x0 printf g d n g if g 1 goto loop1 f0 goalf x0 17 for i 0 i n i printf x0 d f n i x0 i printf f0 f f0 loop2 k 1 j 0 loop3 sm 0 for i 0 i n i kr random 200