【正文】 馬達(dá) 翁格爾飛剪 上面所講述的傳動(dòng)系統(tǒng)與勻速系統(tǒng)，使得飛剪機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性可見一斑。在引進(jìn)后的幾年間的時(shí)間里，飛剪機(jī)的上、下刀座都不斷出現(xiàn)過開焊、上刀梁斷裂等事故 [2]。如圖 1 2b 所示就是第二引進(jìn)的代剪切機(jī) 翁格爾飛剪機(jī)。隨著控制技術(shù)、大型伺服電機(jī)制造以及交流變頻技術(shù)等電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為那些對(duì)生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜的飛剪機(jī)的技術(shù)的進(jìn)步起到了推動(dòng)作用。其工作機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)和上下刀座組成。該機(jī)構(gòu)完全取消了以往飛剪機(jī)的倍尺機(jī)構(gòu)和勻速機(jī)構(gòu)；并利用了先進(jìn)的電氣控制技術(shù)，簡(jiǎn)單明快地滿足了生產(chǎn)工藝對(duì) 于飛剪機(jī)的要求。換句話說，它是完全由電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)來保證所需的倍尺系數(shù) k和兩次剪切時(shí)間間隔 t，而不再是通過復(fù)雜的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)與倍尺機(jī)構(gòu)后再來改變定尺長(zhǎng)度公式中的兩次剪切時(shí)間間隔 t和倍尺系數(shù) k。根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令和檢測(cè)信號(hào)，直接通過伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)飛剪機(jī)主軸，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)剪切帶鋼時(shí)，實(shí)現(xiàn)速度同步的要求；飛剪機(jī)的主軸在兩次剪切的間隔時(shí)間內(nèi)是做變速運(yùn)動(dòng)的。所以在生產(chǎn)實(shí)踐中，操作簡(jiǎn)便，為了能夠達(dá)到定尺調(diào)長(zhǎng)的目的，則只需要給計(jì)算機(jī)輸入一個(gè)相應(yīng)的參數(shù)即可。由于飛剪機(jī)的上下刀座均用高強(qiáng)度低質(zhì)量密度的材料制造，使得飛剪 的動(dòng)力學(xué)性能更好、機(jī)構(gòu)便于自動(dòng)控制。從飛剪機(jī)設(shè)計(jì)來說，電機(jī)及電氣控制技術(shù)的發(fā)展足以用簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)滿足復(fù)雜生產(chǎn)工藝對(duì)飛剪機(jī)的要求，理應(yīng)引起我們的充分注意，這可以說是一個(gè)根本變革性的設(shè)計(jì)思路。但是，在第三代飛剪機(jī)中又已經(jīng)引進(jìn)了。 橋式飛剪 橋式飛剪為第三代引進(jìn)的飛剪機(jī)，如圖 1 2c 所示。從根本上講，第二、三代飛剪機(jī)是同屬于一個(gè)技術(shù)等級(jí)的飛剪機(jī)，它們所使用的電氣及控制技術(shù)原理都是相似的；可是第三代飛剪機(jī)的機(jī)20xx 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 5 械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)則明顯比第二代飛剪機(jī)要好得多。從上面的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出，橋式飛剪機(jī)是五桿機(jī)構(gòu)，是通 過偏心距相等的曲軸來驅(qū)動(dòng)箱型的上、下刀座 ( 梁 )進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的；其上下刀座的同步性、運(yùn)動(dòng)的確定性是通過一個(gè)簡(jiǎn)單的桁架相互聯(lián)接的。因此，第三代飛剪機(jī)構(gòu)相對(duì)與第二代就更加簡(jiǎn)化了，傳動(dòng)鏈也更為簡(jiǎn)潔。第二代飛剪機(jī)在生產(chǎn)實(shí)踐中，曾出現(xiàn)過上刀梁斷裂事故；但是第三代飛剪機(jī)的上下刀座 ( 梁 ) 的箱型結(jié)構(gòu)不僅加強(qiáng)了上下刀梁的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)對(duì)于刀梁對(duì)于材料的要求更低了，進(jìn)而節(jié)約了成本。使其動(dòng)力學(xué)性能更加優(yōu)越。引進(jìn)的第三代飛剪機(jī)給我們的重要啟示是：高效利用先進(jìn)的電氣化技術(shù)以及不斷追求機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳化。 2 IHI 擺式飛剪工作原 理 擺式飛剪的結(jié)構(gòu) 擺式飛剪由主電動(dòng)機(jī)、飛剪本體、矯直機(jī)本體 、 矯直機(jī)分配箱 、 無級(jí)變速箱 、 傳動(dòng)箱等幾個(gè)主要部分組成。 此機(jī)構(gòu) 還設(shè)有均速機(jī)構(gòu)（包括相位角β的調(diào)節(jié)及指示裝置）以及自動(dòng)測(cè)量帶鋼長(zhǎng)度裝置等。如圖 2 1為 擺式飛剪本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖 2 1 擺式飛剪本體結(jié)構(gòu) 當(dāng) 電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主偏心軸 6（ 即 主傳動(dòng)軸）旋轉(zhuǎn)時(shí) ，由于 在主偏心軸 空切偏心軸 3以 及連桿4的作用下， 從而 使 得 下刀架 2在 擺架 9的滑槽內(nèi) 做 上 、 下 移動(dòng) 。由于擺架 9的擺動(dòng)，使上下刀片相遇而實(shí)現(xiàn)剪切 ，故 上刀架 1固定 于 擺架 9上。由于空切液壓缸 5及齒輪齒條的作用，使下刀架 2下降。這樣，當(dāng)擺架 9擺動(dòng)時(shí)，使上刀 架 1與下刀架 2不相遇而實(shí)現(xiàn)空切。改變均速偏心軸 7的相位角，可改變剪刀速度，從 而實(shí)現(xiàn)與帶材速度同步，達(dá)到均速目的。空切液壓缸 5上的齒條與空切偏心軸 3上的齒 輪相嚙合。擺架 9與均速偏心軸 7之間由均速連桿 8連接。均速偏心軸 7與主偏心軸 6 由同一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。滑塊式擺式飛剪 是指 由于下刀架 2在擺架 9 (即上刀架 1） 的滑槽內(nèi)滑動(dòng)而實(shí)現(xiàn)剪切 的剪切 機(jī)構(gòu) ，簡(jiǎn)稱為擺式飛剪。 其 剪切過程：上 、 下刀咬入→剪切→分離， 這樣基于田口設(shè)計(jì) IHI 擺式飛剪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 6 形成一個(gè)剪切區(qū)。一般說來 ， 剪切區(qū)越小越好。因?yàn)榧羟袇^(qū)小，剪刀行程小，上下剪刀間的剪切角亦可小些。 剪切機(jī)構(gòu) 在如圖 2 2中 ， 上刀架 1是 通過上刀架偏心套 9和滾動(dòng)軸承安裝在剪切機(jī)構(gòu)主軸 8上 ，并且上刀架 偏心套 9通過 鍵固定 于 主軸上 ，而 e1為其相 對(duì)于主軸 8的偏心距 ； 套式連桿 3和下刀架 2通過 用銷軸 7鉸接 ， 同時(shí)套式連桿 3還 依次通過 了 滾動(dòng)軸承、外偏心套 4和內(nèi)偏心套 5并 空套 在 主軸 8上 ；而 內(nèi)偏心套和外偏心套 還 可以經(jīng)過齒輪系 M的驅(qū)動(dòng) 進(jìn)行 獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn) ，從而 構(gòu)成 了 雙偏心軸機(jī)構(gòu) 。 只有當(dāng)上刀架偏心套 9的偏心距 e1在轉(zhuǎn) 至 最低位置 ，并 且內(nèi)、外偏心套的偏心同時(shí) 也 轉(zhuǎn) 至 最高位置 時(shí)，也就是說要使得 上、下刀刃相互重合完成剪切 ，就要使得 3個(gè)偏心同時(shí)處于 同一 個(gè)垂直的 平面上 。而 其中齒輪 M1 M14以 及空切軸 Ⅴ 上齒輪 M1 M18驅(qū)動(dòng)內(nèi)偏心套 5進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)； 而帶有“十” 字 形 接頭盤齒輪 M1 M15和軸 Ⅴ上的空切齒輪 M1 M16以及軸Ⅵ上的齒輪 M M21來驅(qū)動(dòng) 外偏心套 4轉(zhuǎn)動(dòng)的。而這部分驅(qū)動(dòng)齒輪全部設(shè)置在空切傳動(dòng)箱 25中，為倍尺剪切創(chuàng)造了條件。此外，上刀架 1經(jīng)與其鉸接的內(nèi)搖桿 10通過主軸 搖桿曲柄軸 11 和帶有偏心套的連桿 12相連接，從而構(gòu)成了一對(duì)連桿機(jī)構(gòu)。而上、下刀架的往復(fù)擺動(dòng)是通過主軸 8轉(zhuǎn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)剪切刃與帶鋼在水平方向上的同步，故主軸 8的轉(zhuǎn)速要通過機(jī)構(gòu)齒輪系 S來改變。 圖 2 2 剪切機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 、下刀架 、內(nèi)偏心套 Ⅱ N 軸器 Ⅱ 速 (同步 )機(jī)構(gòu) A、 B、 C、 E、 F、 20xx 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 7 空切機(jī)構(gòu) 當(dāng)剪切機(jī)構(gòu)的上刀架和下刀架在作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上刀架 1也會(huì)帶動(dòng)下刀架 2進(jìn)行擺動(dòng)。因此，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡都是封閉的曲線；當(dāng)主軸 8和外、內(nèi)偏心套 5的轉(zhuǎn)速都相同時(shí)，即 i=nt/nz=1，刀架每擺動(dòng)一次就會(huì)發(fā)生一次剪切。此時(shí)的剪出板材長(zhǎng)度就是基本定尺長(zhǎng)度 L0，并且可以通過速度比 i的變換來實(shí)現(xiàn)倍尺剪切，也就是說定尺長(zhǎng)度 L=KL0(此處 K為倍尺系數(shù) )。而 i的變換又是通過空切換檔離合器 E、 F、 G和空切軸Ⅴ、Ⅶ上的齒輪系來實(shí)現(xiàn)的。其中，軸Ⅴ驅(qū)動(dòng)活套在主軸 8上的內(nèi)偏心套 5，軸Ⅶ驅(qū)動(dòng)活套在主軸 8上的外偏心套 4；軸Ⅶ左端是通過油缸 28來控制牙嵌式離合器 26與微調(diào)電動(dòng)機(jī) 27的相互連接，當(dāng) 27在主電機(jī)中不能準(zhǔn)確地停在換檔位時(shí)，才對(duì)其進(jìn)行微調(diào)對(duì)位。 同步機(jī)構(gòu) 從 如圖 2 3中可以看出， 滑塊式擺式飛 剪 機(jī)是 采用雙曲柄 的 同步機(jī)構(gòu) ，而 雙曲柄同步機(jī)構(gòu) 就是指 從動(dòng)軸在 1周內(nèi)轉(zhuǎn)角的變化 使得 瞬時(shí)角速度 隨之產(chǎn)生相應(yīng)，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)剪切時(shí)剪刃的瞬時(shí)水平分速度 與 帶鋼運(yùn)行速度 相， 但剪刃的不等速運(yùn)動(dòng) 會(huì)產(chǎn)生較大的的 動(dòng)力矩 。 在圖 6中 ，因 O1A和 O1B的半徑 都是 R， 且 二者的 回轉(zhuǎn)軸心 都是 O1， 當(dāng) O1O1與 OO重合時(shí) ，即無偏心距，且 調(diào)整前的基本剪切長(zhǎng)度 為 剪切長(zhǎng)度 ，則 兩軸 OO與 O1O1的運(yùn)動(dòng) 都為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。假如 改變 OO與 O1O1二者之 間的相對(duì)位置 所 產(chǎn)生偏心距 e時(shí)， 則主動(dòng)曲柄 O1A仍以 速度為 XA發(fā)生 等角速度旋轉(zhuǎn) ，而 從動(dòng)曲柄 O1B的 旋轉(zhuǎn)角速度在 一周 內(nèi) 按 一定的 規(guī)律 發(fā)生 變化 。 由于與空心軸相連的滑塊 A和與實(shí)心軸相連的滑塊 B裝于一個(gè) 滑槽中 ，且 兩軸旋轉(zhuǎn) 周期 相等 ，故 空心軸曲柄 O1A和實(shí)心軸曲柄 O1B在 一周 內(nèi) ，二者 的平均角速度相 同。當(dāng)偏心距 e為正值 時(shí)，機(jī)構(gòu)發(fā)生 倍尺剪切 ；當(dāng)偏心距 e為負(fù)值 是，機(jī)構(gòu)的 剪切長(zhǎng)度小于基本 的 剪切長(zhǎng)度 。 圖 2 3 同步機(jī)構(gòu)示意圖 基于田口設(shè)計(jì) IHI 擺式飛剪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 8 3 IHI 剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 IHI擺式飛剪機(jī)構(gòu)是 14桿機(jī)構(gòu) ， 具有 3個(gè)自由度的 [4 5]。 為了便于分析 ， 將此機(jī)構(gòu)分 簡(jiǎn)化成 2個(gè) 機(jī)構(gòu) :1） 剪切擺動(dòng)機(jī)構(gòu) ，簡(jiǎn)稱 剪切本體 ， 如圖 3 1所示 ； 2)調(diào)整同步的同步機(jī)構(gòu) ，簡(jiǎn) 稱 雙導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) ，如圖 3 2所示。 圖 3 1剪切擺動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 此 機(jī)構(gòu) 具 有 3個(gè)原動(dòng)件 ，而且也都是 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的 :一個(gè) 是雙導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的輸入曲柄 ， 剪切機(jī)本體的 HOC桿與它的輸出桿 OB通過軸直接相 互 連 。所以 在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 時(shí)，可以 把這 2個(gè)桿件 簡(jiǎn)化成為 1個(gè) 桿件來 進(jìn)行分析 ；而 另 外的 2個(gè)原動(dòng)件 分別 是 JK桿和 OJ桿 。要能夠 得到不同空切數(shù) ，那么直接將它們的 角速度 按照 不同比例 的進(jìn)行 組合 就行了。 在 對(duì)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí) ，為了簡(jiǎn)化分析，首先假設(shè) 各桿 的 尺寸 是已知的，而且 原動(dòng)件的角速度 為固定的常數(shù)值。以下為通過 矢量 方程 法 (或稱復(fù) 數(shù) 方程 法 )來 求解擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程 [ 14]。 同步機(jī)構(gòu)分析 機(jī)構(gòu)位置分析 為了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，那么必須對(duì)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)桿件進(jìn)行建模。于是通過復(fù)數(shù)函數(shù)的方法對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的桿件的位置以及角度進(jìn)行建模，從而得出各桿件與角度之間的關(guān)系式，進(jìn)而為設(shè)計(jì)的下一步的繼續(xù)進(jìn)行提供條件和依據(jù)。 由下圖 3 2可以看出， 雙導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 為 IHI擺式飛剪的同步機(jī)構(gòu) 。下面是通過 用復(fù)數(shù) 來 描述每一 個(gè) 桿件 ， 其中 把 δ i表示為 復(fù)數(shù)的幅角 ，把 桿長(zhǎng) γ i表示為 復(fù)數(shù)的模 ，而在△ OAO1中，應(yīng)該 滿足以 下關(guān)系 : 21 21 ?? jj ereer ?? （ 2） 20xx 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文 9 圖 3 2 同步機(jī)構(gòu)示意圖 此式中 :e表示為 同 步 機(jī)構(gòu)的偏心距 。又根 據(jù)實(shí)部、虛部分別相等可 以 推導(dǎo) 出 : )c oss ina rc t a n(1111 er r ?? ? ?? 桿長(zhǎng) r2是變化的 ， 可由余弦定理求得 : 112212 c os2 ?ererr ??? 對(duì)于 △ OO1B， 滿足如下關(guān)系式 : 3344 ?? ejreejr ?? （ 3） 由于 r3與 r2是同一構(gòu)件 ， 且θ 3=θ 2+π ， θ 4=2θ 2θ 1+π ， r1=r4， 故 △ OBA為等腰三角形 ， 得 ： 412213 c o s2 ?ererr ??? 機(jī)構(gòu)角速度分析 對(duì)式 (2)， (3) 兩 邊同時(shí)求導(dǎo) ， 得 221 22211 ??? ?? jj ejdredrejdr ?? 其中 :dθ 1， dθ 2為桿 1與桿 2的角速度 ， 以ω 1， ω 2表示 ；而 滑塊相對(duì)導(dǎo)桿的速度為 dr2。因此，該公式 可表示為 : 221 22211 ??? ?? jjj jeredrjer ?? (4) 其中 ， ω 1已知 。 將式 (4) 兩 邊同時(shí)乘以 2je? ， 經(jīng)整理 ， 并據(jù)復(fù)數(shù)方程的實(shí)部與虛部分別相等 ，可求得參數(shù)ω 2， dr2: )co s ( 12112 ???? ?? r (5) )s in ( 12112 ??? ?? rdr (6) 基于田口設(shè)計(jì) IHI 擺式飛剪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 10 為求得機(jī)構(gòu)輸出件的角速度 ， 對(duì)式 (3)2邊求導(dǎo) ， 考慮到ω 4=dθ 4， dθ 3=ω 3=ω 2， 可得 : 334 33344 ??? ?? jjj jererjer ?? 其中 :dr3， ω 4是待求量 。 對(duì)上式 兩 邊同 時(shí) 乘以 一個(gè) 3je? ， 考慮到 r1=r4， θ 4θ 3=θ 2θ 1， 經(jīng)整理 后，再 分別令實(shí)部與虛部相等 可求得參數(shù) dr ω 4: )s i n ( 12443 ??? ??? rdr (7) 1233424 21134 )c os ( )c os ( ??? ??? rrrr rr ???? （ 9） 飛剪本體分析 飛剪 機(jī) 本體是一個(gè) 由 具有 3個(gè)自由度的 “十” 桿機(jī)構(gòu) 組成的，所以相對(duì)的比較復(fù)雜，由下 圖 3 3所示 。在 結(jié)構(gòu)上 ，可以把它看成是 由 3個(gè)原動(dòng)件 和 3個(gè)基本組 (CDE、 FGH和 MLK)構(gòu)成 的。 為了 分析 簡(jiǎn)單的需要，將 飛剪本體分解成 3個(gè)封閉環(huán) :OJKLMHO、 OEFGHO和 OEDCO，并 對(duì)每 一 個(gè)封閉環(huán)建立復(fù)數(shù)方程 ，這樣就可以求出每個(gè) 構(gòu)件結(jié)點(diǎn) 處 的位置、速度 以及 加速度 。 圖 3 3 剪切振動(dòng)機(jī)構(gòu) OEDCO簡(jiǎn)圖 機(jī)構(gòu)位置分析 對(duì)封閉四邊形 OEDCO， 滿足 : 76 7655 ??? jjj erRerer ??? （ 9） 其中 :θ 6=β α ； θ 7=π