机构-课程设计曹文凯

1、学 号： 201140110133机构设计课程设计教 学 院机电工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级2011级1班姓 名 曹文凯指导教师成经平 夏萍2014年11月28日目录目录1设计任务书2前言5根据原始数据设计和工艺要求设计系统运动方案.6施罗曼飞剪剪切机构与摆式飞剪剪切机构的比较7施罗曼飞剪剪切机构的尺度综合8施罗曼飞剪剪切机构的运动分析14剪切机构剪切长度的调整.18剪切机构的侧隙调整.19参考资料.2020142015学年第1学期机构设计课程设计任务书设计名称施罗曼（Schloemann）飞剪剪切机构综合班级2011级机制专业机械设计理论方向地点 K1-313一、题目施罗曼（S

2、chloemann）飞剪剪切机构综合二、工作原理及工艺动作过程1施罗曼飞剪剪切机构简介飞剪是冷轧厂带钢自动连续剪切线上的关键设备。施罗曼（Schloemann）飞剪是我国从原西德引进的设备。这种飞剪具有下列特性：1） 有较好的动平衡性，高速剪切时工作平稳。2） 有无极定尺的特点，且改变定尺时，调节时间短，操作方便。3） 定尺精度高，定尺公差为长度的±0.025%0.03%。4） 剪切侧刃小（T=0.01mm），可剪切较薄的带钢。从机构学角度看。采用平面四连杆机构的连杆轨迹作为上刃口的轨迹，摇杆轨迹作为下刃口的轨迹。由于剪切机构设计巧妙，故较简单。施罗曼飞剪剪切机构如图1所示。L1为连

3、杆，L2为摇杆，上剪刃安装在连杆上，下剪刃安装在摇杆上。机构运行至图示位置时，上刃口与下刃口相交于K点，将带钢切断。带钢的运行方向与X轴平行。2 剪切工艺要求根据工艺要求，飞剪剪切带钢时，必须满足：1） 在理论剪切区间，上刃口与下刃口的水平分速度vx 原则上应相等，且等于带钢的运行速度。实际要求上刃口水平分速度比下刃口水平分速度略快2%3%。2） 上刃口与下刃口在理论剪切区域中进行剪切，并在K点剪切完毕，上、下刃口开始分离（实际剪切区在理论剪切区之中，其大小与带钢的厚度有关）。3） 上刃口与下刃口在剪切时应有一定侧隙，并可随带钢的厚度而调节。4） 被剪带钢的定尺长度应能无极调节。三、设计原始数

4、据上刃口的位移点P1（0,1265），K（85,1224），P3（117,1226）下刃口的位移点e（3,1226.94），K（85,1224）曲柄L1的转动中心A0的坐标为（-132.5,1482.5）摇杆L3的转动中心B0的坐标为（0,0）摇杆L3的长度为1415 mm。四、设计任务1、按给定的设计原始数据和工艺要求，构思系统运动方案。比较分析施罗曼飞剪剪切机构（图1）与摆式飞剪剪切机构（图2）的设计思想。2、根据设计原始数据对施罗曼飞剪剪切机构进行尺度综合。3、根据尺度综合出的施罗曼飞剪剪切机构进行运动分析，检验飞剪在整个理论剪切区间是否有良好的工作性能。4、施罗曼飞剪剪切机构剪切长度的

5、调整。5、施罗曼飞剪剪切机构的侧隙调整。6、编写设计计算说明书。 图1 施罗曼飞剪剪切机构 图2 摆式飞剪剪切机构五、设计计算说明书内容0、封面（题目、班级、姓名、学号、指导老师、时间）1、目录（标题、页次）2、设计任务书（装订原发的设计任务书）3、前言（题目分析、施罗曼飞剪剪切机构简介等）4、按给定的设计原始数据和工艺要求，构思系统运动方案5、比较分析施罗曼飞剪剪切机构（图1）与摆式飞剪剪切机构（图2）的设计思想6、施罗曼飞剪剪切机构的尺度综合7、施罗曼飞剪剪切机构的运动分析8、剪切机构剪切长度的调整9、剪切机构的侧隙调整10、参考资料（资料的编号 ，作者，书名，出版单位和出版年、月）六、进

6、度安排（第13周 2014.11.24-2014.11.28） 周一 按给定的设计原始数据和工艺要求，构思系统运动方案；比较分析施罗曼飞剪剪切机构图1与六杆飞剪剪切机构图2的设计思想。周二 施罗曼飞剪剪切机构的尺度综合周三 施罗曼飞剪剪切机构的运动分析周四 剪切机构剪切长度调整；实现上下刃口之间的侧隙调整；周五 整理、编写设计计算说明书七、课程设计基本要求1能从使用要求和剪切机构的运动规律出发，构思系统运动方案。2能按给定的设计原始数据和工艺要求，进行施罗曼飞剪剪切机构的尺度综合。3能按照尺度综合出的施罗曼飞剪剪切机构参数，开展机构的运动分析。4. 能按使用要求和剪切机构的运动规律，调整剪切机

7、构剪切长度和剪切机构的侧隙。5. 在客观条件允许的情况下，初步掌握使用计算机进行编程计算。机电基础教学部 2014.11.20前 言飞剪机是连续式轧钢机组中重要而复杂的辅助设备，通过横向剪切运行工作，是一种能快速切断铁板、钢管、纸卷的加工设备，是冶金轧钢行业、高速线材及螺纹钢定尺剪断机，是现代轧制棒材剪断中的产品，具有耗电少、投资成本低的特点。飞剪常用于轧钢，造纸等生产线上。在连轧钢坯车间或小型型钢车间里，它安放在轧制线的后部，将轧件切成定尺或仅切头切尾。在冷、热带钢车间的横剪机组、重剪机组、镀锌机组和镀锡机组里都配置有各种不同类型的飞剪，将带钢剪成定尺或裁成规定重量的钢卷。广泛采用飞剪有利于

8、使轧钢生产迅速向高速化、连续化方向发展。因此，它是轧钢生产发展的重要环节之一。根据飞剪机的用途，飞剪机可以分切头飞剪机和定尺飞剪机两大类。如果按飞剪机剪切机构的形式来分，目前应用比较广的飞剪机有，滚筒式飞剪机、曲柄回转杠杆式飞剪机、曲柄偏心式飞剪机、摆式飞剪机、和曲柄摇杆式飞剪机等。1、摆式飞剪机介绍摆式飞剪机是用来剪切厚度小于6.4mm的板带。刀片在剪切区作近似于平移的运动，剪切质量较好。上刀架在与主曲轴相铰接。下刀架通过套式连杆、外偏心套、内偏心套与主曲柄轴相连。下刀架可在上刀架的滑槽中滑动。上下刀架与主曲柄轴连接处的偏心距为e1,偏心位置相差180°。当主曲柄轴转动时，上下刀架

9、作相对运动，完成剪切动作。在主曲柄轴上，还有一个偏心e2。此偏心通过连杆与摇杆的轴头相连，而摇杆则通过连杆与上刀架相连。因此，当主曲柄轴转动时，通过连杆、摇杆和连杆使上下刀架作往复摆动。由于上下刀架除能上下运动外还可进行摆动，故能剪切运动中的轧件。2、曲柄摇杆式飞剪机（施罗曼飞剪机）介绍这种飞剪机也称为施罗曼飞剪机，用来剪切冷轧板带。由于飞剪机工作时总能量波动较小，故可在大于5ms的速度下工作曲柄摇杆式飞剪机的上刀架通过偏心枢轴与下刀架相铰接。下刀架在曲轴与上刀架的带动下，以偏心轴（机械偏心）偏心套（液压偏心）为中心作往复摆动。当改变偏心轴与偏心套的偏心位置时，可得到不同的空切次数。一、根据原

10、始数据设计和工艺要求系统运动方案该剪切机构的设计可以分为两步进行。第一步按上述工艺要求1）和2）设计基本定尺剪切机构。第二步分别设计侧隙装置以满足工艺要求3）和剪切长度调整装置以满足工艺要求4）。为了保证在理论剪切中上下刃口的水平分速度相等，可要求上刃口由理论剪切区的到点时，下刃口相应由剪切区的点同时到达点。这样，上、下刃口在同一时间间隔中，在方向的位移相同。由于理论剪切区很小，所以也很小，这就可以认为在这段时间中，上、下刃口在方向的分速度相等。再适当的选择曲柄转速，可使该水平分速度等于带钢的运行速度。参考引进的机器，选定 注意、两点间轴坐标差应大于被剪带钢的最大厚度。点的坐标值为3，是考虑到

11、上刃口的水平分速度应比下刃口的水平分速度快2%3%而定出的。而点的坐标值是从点的坐标值中，计算出下刃口的半径（参见下图）后，按坐标值为3计算而得的。图（3）为了使上、下刃口在点剪切完毕后，立即分开，就要求上刃口过点后向上运动，因此在原始数据中，再给出上刃口的第三个轨迹点。而下刃口的第三个轨迹点，因它总是沿圆弧向下，故没有必要规定。按上述选定数据，即可综合该四杆机构。从图中可知，该机构共有 、 、共10个参数。根据机构设计函数生成机构综合轨迹生成机构的讨论，在本实习中若不考虑下刀刃上的轨迹点时，是一个简单的已经连杆轨迹上3个点的综合问题，根据表5-2，这时有4个设计方程，10个待定参数；再考虑下

12、刃口的轨迹要求，当摇杆上点由到时，下刃口应由点到点，应补充一个设计方程。因此共有5个独立的设计方程式。为了使设计参数和设计方程数目相等，应预先选定5个参数。先根据剪切机构的杆件配置、选定点在坐标原点、为，另外再选摇杆的长度为1415mm。然后根据上述要求综合出另外5个参数、。二、施罗曼飞剪剪切机构与摆式飞剪剪切机构的比较与曲柄式飞剪相比摆式飞剪具有调整剪切长度简单，设备重量轻等优点。因此，国内外都比较重视摆式飞剪的研究、设计及应用，但应指出，摆式飞剪在剪切过程中，上下刀架均作往复摆动，所产生的惯性力按正弦函数变化，大小与剪切速度的平方成正比，从而使得这类飞剪的动力学特性变坏，不仅有较大的振动和

13、冲击，影响零部件寿命和发出较大噪声，而且限制了剪切速度的提高，降低了剪切精度，剪切速度一般不超过1.8米/秒。后来，增加了惯性力平衡装置，剪切速度可提高到4米/秒。西德施罗曼公司为了克服摆式飞剪惯性力大的缺点，设计制造了新型摆式飞剪。这种新型摆式飞剪与上述摆式飞剪相比，在结构上作了很大改进，其上刀片与主动曲柄相连。为了与上述摆式飞剪相区别，称它为曲柄摆式飞剪，即施罗曼飞剪。这种新型飞剪，由于采用径向均速机构，惯性力要比上述摆式飞剪小得多，因此，剪切速度可达到4米/秒。施罗曼飞剪有如下特性：1)有较好的动平衡性，高速剪切时工作平稳2)有无级定尺的特点，且改变定尺时，调节时间短，操作方便3)定尺精

14、度高，定尺公差为长度的±(0025 OO3 )4)剪刃侧隙小(辞一001 ram)，可剪切较薄的带钢从结构学角度看，施罗曼飞剪采用平面四杆机构的连杆轨迹作为上刃口的轨迹，摇杆轨迹作为下刃口的轨迹。由于剪切机构设计巧妙，故较简单。设计计算说明结论三、施罗曼飞剪剪切机构的尺度综合根据连杆上上刃口过、 3个已知点，可写出曲柄的两个等长约束方程设上刃口轨迹上3个已知点、的坐标分别为（）、（）、（），又连杆由位置1到位置2和位置3的转角分别为和，则可写出下列位移关系式j=2,3将式（3）代入式（1）和式（2）消去、，得设计计算说明结论同理，可写出摇杆的等长约束方程和下边两个位移关系式另外，已知

15、上刃口从点到点时，下刃口也必从点移到点，即摇杆要顺时针方向摆过角，使移到处（见图一），因而有下列位移关系式注意，上式中为负值。将式（9）和式（11）展开后消去、得联立式（8）、式（12）和式（13）求解、和 设计计算说明结论展开式（10）并将式（7）代入，消去、得到综合上述方程式（4）、式（5）、式（8）、式（12）、式（13）、式（14）得其中、分别为下刃口第一位置的坐标。将求得的、代入式（14）中求得将、代入式（4）和式（5）中求得和设计计算说明结论综合步骤1设计原始数据上刃口的位移点P（0,1265），K（85,1224），P（117,1226）,下忍口的位移点（3，1226.94），K

16、（985,1224)。在上刃口从P移到K点时，摇杆c应摆过的角。°曲柄的转动中心的坐标（-132.5,1482.5），摇杆的转动中心的坐标（0，0），摇杆的长度=1414mm。2尺寸综合将以上数据代人设计方程式（4）式（5）、式（8）、式（12）、式（13）、式（14）并求解，得到° ° 将上述结果代人式（15）式（19），求出 °°设计计算说明结论上述结果与实测出的尺寸基本一致，（实测出的尺寸为：）。由式（8）、式（9）、式（10）组成的方程组编写程序#include< stdioh>#include<mathh>#d

17、efineM 3#defineN 6main()double fl，f2，f3，b，yl，y2，y3，c，aMN;double axl=0，ayl=1265，ax2= 85，ay2= 1224，q= -38324*314159265180；double b1x= 一750, bly= 1199885411，p12= 一6*314159265180，l3=1415l; int i，j，s，k，n=0;doa00=cos(pl2)一cos(q)；a01=-sin(pl2)+sin(q)；a02=(axlblx)*sin(pl2)+(aylbly)*cos(pl2); a03=1；a04=0; a0

18、5=0;a10=sin(pl2)-sin(q); a11=cos(p12)一cos(q)；a12=(b1xax1)*cos(pl2)一(bly-ay1)*sin(pl2)；a13设计计算说明结论=0；a14=1; a15=0；a20=2*blx；a21=2*bly；a22=0; a23=0；a24=0;a25=1；fl=(blx-ax1)*cos(pl2)-(bly-ay1)*sin(p12)-blx*cos(q)+blysin(q)+ax2; f2=(blx-ax1)*sin(p12)+(b1y-ay1)*cos(pl2)-blx*sin(q)-bly cos(q)+ay2；f3=blx*b

19、lx+ bly*b1y-l3*l3;f0r(j=0；j<M; j+)if(ajj=0)for(i=j；i<M；j+)if(aij!=0)for(k=j;k<N;k+)b=ajk；ajk=aik;aik=b;)goto l；)printf(“nn no solution”);return ll：c=(double)1aji;for(i=j;i<N;i+) aji=aji*c；for(i= 0;i< M;i+ +)if(i!=j) c=-aij；设计计算说明结论for(s=j；s< N；s+)ais=ais+c*ajs;yl=blx-l-a03*(-f1)+a0

20、4*(-f2)+a05*(-f3);y2=bly+a13*(-f1)+a14*(-f2)+a15*(-f3);y3=p12+a23*(-f1)+a24*(-f2)+a25*(-f3);if(fabs(yl-blx)< 0.000001)&&(fabs(y2一bly)< 0.000001)& &(1abs(y3一p12)< 0.000001)pl2= pl2*1803.14l59265：printf(”n%g,%g,%g,%g,% g,%g,% g,% g,%g,%d”,blx,bly，pl2，fl，f2，f3，y1一blx，y2一hlY，y3一

21、p12，n)；break；)elseblx=yl；hly=y2；pl2=y3；n=n+1；)while(1)；根据方程(14)编写程序(略)，运行结果为：p13=-7.795842°根据方程(4)、(5)组成的方程组编写程序(略)，运行结果为：alx=-210.3 aly=1 319.9l。四、机构运动分析根据上述原理，综合出剪切机构的参数后，还要对其进行运动分析，以检验飞剪是否在整个理论剪切区间都有良好的工作性能。若不满足某些性能，则要调整一些原始数据，重新设计，直至符合要求。程序运行的结果为：设计计算说明结论如图-4所示，已知=180.2489，=579.1532，=1415，（

22、-132.5，,182.5），（0,0），设之间的长度为，与水平线间的夹角为，与水平线间的夹角为，可以求出。将铰链四杆机构看成一封闭的矢量多边形，若以、分别表示各构件矢量，则该机构的封闭矢量方程为+-=0设计计算说明结论以复数形式表示为：其中相关的角度均是以x轴正向逆时针度量。按欧拉公式展开得：方程两边相等，即虚实部分别相等（a）消去后得：其中， 又 代入到方程中，得到关于的一元二次方程，由此解出解中的正负号分别表示的两个对称位置。设计计算说明结论由（a）式消去后，可得上刃口（）的角位移另外，下刃口的角位移（图中未标出）与相差（见任务书图 1），所以通过对上面综合出的机构进行运动分析，可得到如下结论：1） 刃口在曲柄转角之间进入理论剪切区；而在之间上、下刃口重合，完全符合设计要求。2） 除上、下刃口重合时（），它们的水平分速度几乎相等外，其余区间时，上刃口水平分速度均略高于下刃口水平分速度。若以处的上、下刃口的水平分速度作为其理论剪切区的平均水平分速度，则上刃口的平均水平分速度比下刃口的平均水平分速度快2.3%左右，也符合要求。3） 若上、下刃口的水平分速度还不满足实际要求，则可以改变e点的x坐标值。x坐标值增大则上刃口的水平分速