鋁合金桿全自動(dòng)雙盤成圈收桿機(jī)組飛剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

文/德陽東佳港機(jī)電設(shè)備有限公司技術(shù)中心

一、項(xiàng)目描述

項(xiàng)目名稱：鋁合金桿全自動(dòng)雙盤成圈收桿機(jī)組飛剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目來源：根據(jù)本公司新產(chǎn)品自主創(chuàng)新研發(fā)計(jì)劃，以及市場(chǎng)需求和用戶要求，技術(shù)中心研發(fā)了鋁合金桿全自動(dòng)雙盤成圈收桿機(jī)組。該機(jī)組在國(guó)內(nèi)屬于首次研發(fā)，機(jī)組包含了主機(jī)及相配套的一系列輔機(jī)。本項(xiàng)目屬于機(jī)組中相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)機(jī)構(gòu)。

（一）飛剪機(jī)構(gòu)的作用和原理描述

1.鋁合金桿材是制造電線電纜的原材料，由連鑄連軋?jiān)O(shè)備生產(chǎn)，連鑄連軋?jiān)O(shè)備一般以6m/s以上的速度連續(xù)出桿，出桿后由全自動(dòng)雙盤成圈收桿機(jī)組卷繞收桿并密排后存入盤具。但是，收桿機(jī)在換盤時(shí)將暫停收桿，此時(shí)就需要將連續(xù)輸入的桿材剪斷成短桿，換盤成功后再繼續(xù)收桿。

2.飛剪機(jī)構(gòu)是收桿機(jī)組的配套裝置，主要用于將Φ9.5mm鋁（鋁合金）桿剪切為長(zhǎng)度約2.5米的短桿。在剪切過程中，桿材始終以6m/s的速度喂送到飛剪中。飛剪機(jī)構(gòu)主要由二個(gè)上下布置的飛輪構(gòu)成，飛輪外圍各裝有一對(duì)剪切刀片并且對(duì)稱布置。當(dāng)二個(gè)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)則兩個(gè)刀片相遇一次，即完成剪切一次，往復(fù)剪切實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。

（二）飛剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求

1.飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度必須大于出桿速度，即必須大于6m/s。

2.剪切后的短桿要求長(zhǎng)度約2.5米。

3.飛剪機(jī)構(gòu)由單獨(dú)電機(jī)傳動(dòng)并與主機(jī)通過PLC程序同步控制。

二、飛剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)矛盾分析

（一）飛輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中必須滿足的技術(shù)條件

a.桿材輸入時(shí)的線速度≥6m/s；

b.所剪切的短桿長(zhǎng)度約2.5米。

（二）設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的技術(shù)難點(diǎn)分析

1.要滿足a條件，必須使飛輪直徑變大，使其在相同轉(zhuǎn)速時(shí)線速度更快。經(jīng)計(jì)算，滿足條件的情況下，飛輪直徑需Φ400mm時(shí)才能使其達(dá)到6m/s的線速度。但此時(shí)兩輪剪切一次的時(shí)間為0.6秒，剪出的短桿長(zhǎng)度為4米，無法滿足b條件。

結(jié)構(gòu)示意圖

文/德陽東佳港機(jī)電設(shè)備有限公司技術(shù)中心

TRIZ理論矛盾矩陣表（部分）

2.要滿足b條件，必須使飛輪直徑變小，其在相同轉(zhuǎn)速下剪一次的時(shí)間更短。經(jīng)計(jì)算，滿足條件的情況下，飛輪直徑為Φ250mm時(shí)，剪切一次的時(shí)間為0.4秒，可以使其達(dá)到2.5米的短桿范圍。但此時(shí)的線速度為4m/s，無法滿足a條件。

因此，根據(jù)以上分析，要同時(shí)滿足a、b二個(gè)技術(shù)條件，以現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法將無法實(shí)現(xiàn)飛剪機(jī)構(gòu)的功能并且達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。

三、應(yīng)用TRIZ理論解決技術(shù)矛盾

（一）將技術(shù)矛盾繪制成簡(jiǎn)圖：

由以上簡(jiǎn)圖得如下結(jié)論：

此項(xiàng)技術(shù)問題在將各個(gè)外部影響因素簡(jiǎn)化后，得出主要激化矛盾應(yīng)為：速度—長(zhǎng)度之間的矛盾關(guān)系。

（二）利用TRIZ輔助圖表查詢解決方案

1.從“矛盾矩陣表”中查詢兩個(gè)技術(shù)矛盾所對(duì)應(yīng)的參數(shù)：

惡化的參數(shù)：速度（表中序號(hào)9）；

改善的參數(shù)：運(yùn)動(dòng)對(duì)象的長(zhǎng)度（表中序號(hào)3）。

2.查表后從兩個(gè)參數(shù)的X和Y軸交點(diǎn)得到序號(hào)為04、08、13的3個(gè)原理可以在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中利用，從表中繼續(xù)查詢所對(duì)應(yīng)的3個(gè)原理分別為：

a、增加不對(duì)稱性原理（表中序號(hào)04）；

b、重量補(bǔ)償原理（表中序號(hào)08）；

c、反向作用原理（表中序號(hào)13）。

（三）分析三種原理在本項(xiàng)目中的可適用性和實(shí)施性

1.增加不對(duì)稱性原理：此原理是改變物體的對(duì)稱度，使其達(dá)到不同的功能，屬于改變結(jié)構(gòu)形式的一種原理。此原理不會(huì)改變?cè)袟l件，而只需改變飛輪結(jié)構(gòu)或剪切方式，與其他限定條件不沖突，屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的改變，初步認(rèn)為可應(yīng)用于此設(shè)計(jì)。

2.重量補(bǔ)償原理：此原理是將原來的物體附加重量后而達(dá)到效果。本設(shè)計(jì)限定條件為飛輪的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而不是飛輪的物理參數(shù)。因此，改變重量不適用此項(xiàng)目。

3.反向作用原理：此原理主要將原來的作用相反而達(dá)到目的。但此設(shè)計(jì)原始條件已經(jīng)給定，速度與長(zhǎng)度的條件不能變動(dòng)。因此，無反向的條件。

四.具體實(shí)施辦法

經(jīng)過此原理的啟發(fā)，應(yīng)用創(chuàng)新方法優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)變?yōu)椋?/p>

（一） 根據(jù)“矛盾矩陣表”中的不對(duì)稱性原理，兩個(gè)飛輪分別設(shè)計(jì)為一大一小的結(jié)構(gòu)，其直徑比率設(shè)計(jì)為2:3，并且兩輪設(shè)計(jì)的直徑均大于400mm，二輪分別各裝一對(duì)剪切刀片。因此，兩輪由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線速度均可以達(dá)到6m/s；

（二）原結(jié)構(gòu)二輪剪切刀片相交一次，即剪切一次，直徑相同時(shí)每1圈剪一次?，F(xiàn)變?yōu)榇筝?圈，小輪2圈剪切刀片才能相交一次，即剪切一次。這樣，剪切的時(shí)間間隔更長(zhǎng)，則剪切的桿材滿足了長(zhǎng)度2.5m的條件。

五、本項(xiàng)目應(yīng)用創(chuàng)新方法所得到的啟發(fā)

在通常的設(shè)計(jì)中，一般會(huì)認(rèn)為對(duì)稱性是設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，而往往會(huì)忽視不對(duì)稱性機(jī)構(gòu)，因?yàn)椴粚?duì)稱的結(jié)構(gòu)會(huì)讓各個(gè)設(shè)計(jì)條件更難控制，會(huì)帶來周期性的變化。而在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)用不對(duì)稱性原理后，不對(duì)稱性的往復(fù)效果反而成為有利的因素，使其同時(shí)滿足了看似矛盾并且無法兼容的兩種技術(shù)條件。

目前，該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)應(yīng)用于鋁合金桿全自動(dòng)雙盤成圈收桿機(jī)組飛剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)組經(jīng)用戶使用滿足了產(chǎn)品生產(chǎn)。