基于ADAMS的鋼板剪切機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

徐德慧

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械分院，浙江 紹興312000)

0 引言

剪切機(jī)是中厚板加工精整線上的重要設(shè)備，它主要被用來(lái)做加工中的切頭、切尾、定尺剪、切邊剖切和切試樣等工作，根據(jù)軋件的斷面形狀和對(duì)端面質(zhì)量要求的不同，所采取的切斷方法也不同，中厚板的剪切設(shè)備有平行刀片剪切機(jī)、斜刀片剪切機(jī)、圓盤(pán)式剪切機(jī)、飛剪機(jī)和滾切式剪切機(jī)[1]。目前，滾切式剪切機(jī)在我國(guó)的中厚板生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其研究引起了研究人員的重視[2-9]。例如，沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院的王丹[10]對(duì)滾切式定尺剪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。張禮明, 秦勤, 臧勇等人[11]對(duì)雙軸雙偏心滾切式定尺剪的機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究，可以指導(dǎo)實(shí)踐。侯春寧和張敬慧[12]對(duì)滾切式橫切剪剪刃的軌跡進(jìn)行了優(yōu)化分析，提高了剪切機(jī)的工作性能。由于滾切剪的上刀刃的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是多桿雙自由度的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，因此在上剪刃驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)確定方面還需要進(jìn)行深入的研究。所以，對(duì)滾切式剪切機(jī)的剪刃軌跡及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析具有一定的工程實(shí)踐價(jià)值。

1 滾切式剪切機(jī)的機(jī)構(gòu)分析

滾切式定尺剪用于定尺寸穿的長(zhǎng)度的剪切板材,定尺剪的結(jié)構(gòu)形式有雙軸雙偏心和單軸雙偏心兩種。圖1所示為雙軸雙偏心式滾切式定尺剪的機(jī)構(gòu)示意圖。由圖1可知，該剪機(jī)機(jī)構(gòu)包括左右偏心軸，左右連桿，導(dǎo)桿和上下刀刃等幾部分組成。上刀刃的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)相同偏心半徑、相同轉(zhuǎn)向、相同轉(zhuǎn)速、不同相位角的偏心軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。上刀刃處于開(kāi)口度最大的位置即為剪切起始位置。剪切開(kāi)始時(shí)，兩個(gè)曲柄以相同的角速度同向旋轉(zhuǎn)，上剪刃的左端下降，與下剪刃相切后便開(kāi)始剪切，隨著曲柄的回轉(zhuǎn)，上下剪刃保持滾動(dòng)相切，實(shí)現(xiàn)鋼板的剪切，最后上刀刃回到初始位置。如此即完成一次剪切過(guò)程[13]。

滾切式剪切機(jī)是一種先進(jìn)的中厚板剪切設(shè)備。滾切剪的上刀刃呈弧形，下刀刃呈直線，在整個(gè)剪切行程內(nèi)刀片重疊量不變。剪切過(guò)程中，上剪刃與被剪鋼板之間只產(chǎn)生很小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上下剪刃重疊量小，剪切力小，有利于保持被切鋼板的平直度，切下的板邊彎曲也小，有利于回收利用。

圖1 滾切式定尺剪剪切機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of rotary cut-and-slide shear mechanism

2 上刀刃連桿機(jī)構(gòu)方程的建立

由機(jī)構(gòu)學(xué)分析可知，滾切式剪切機(jī)是有三個(gè)固定鉸鏈的平面雙自由度七連桿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 剪機(jī)上刀刃運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of blade movement mechanism on shear

由圖2所示的坐標(biāo)系，根據(jù)連桿運(yùn)動(dòng)方程，可得到各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)方程，如表1所示。

表1 機(jī)構(gòu)各連接點(diǎn)的坐標(biāo)方程Table 1 Coordinate equations of each connection point of the organization

由表1給出的C點(diǎn)和H點(diǎn)坐標(biāo)，則可得到上剪刃上任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)，可以由CP連線（Lcp）與HC連線（L5）的夾角φ8計(jì)算得到，如式（1）所示。

根據(jù)式（1），即可得到上剪刃上每一點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而得到上剪刃剪切過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 基于ADAMS的上剪刃運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了得到剪機(jī)上剪刃在剪切過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，將連桿運(yùn)動(dòng)方程導(dǎo)入到ADAMS軟件中，進(jìn)行仿真分析[14]。首先在ADAMS仿真環(huán)境中建立剪機(jī)模型，通過(guò)創(chuàng)建鉸接點(diǎn)、連桿和上刀刃模型，并添加旋轉(zhuǎn)副和驅(qū)動(dòng)元件，即完成了剪機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，然后通過(guò)參數(shù)化坐標(biāo)點(diǎn)和設(shè)計(jì)變量實(shí)現(xiàn)仿真模型的參數(shù)化。

定義A點(diǎn)的坐標(biāo)為（-1000, 0），F(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)為（1000, 0），E點(diǎn)的坐標(biāo)（-2416, -1015）；L1的長(zhǎng)度為122 mm，L2的長(zhǎng)度為855 mm，L3的長(zhǎng)度為862 mm；L4的長(zhǎng)度為625 mm，L5的長(zhǎng)度為2000 mm，L6的長(zhǎng)度為122 mm；L7的長(zhǎng)度為855 mm，L8的長(zhǎng)度為2000 mm；曲柄與垂直線之間的夾角為21.5°，所以左側(cè)曲柄的初始相位角為111.5°，右側(cè)曲柄的初始相位角為68.5°。定義滾切剪每分鐘剪切次數(shù)為15次，即剪切周期為4 s。在ADAMS中進(jìn)行仿真，就可得到上刀刃重心位置、重心運(yùn)動(dòng)速度和重心加速度隨時(shí)間變化的曲線，如圖3～5所示。

圖3 上刀刃重心位置隨時(shí)間的變化曲線Fig. 3 Curve of the position of the upper blade center over time

圖4 上刀刃重心速度的變化曲線Fig. 4 Curve of the speed of the upper blade center over time

圖5 上刀刃重心加速度的變化曲線Fig. 5 Curve of the acceleration of the upper blade center over time

由圖3可知，X向的位移變化曲線比較復(fù)雜，而Y向的位移變化是一個(gè)三角函數(shù)曲線。且在一個(gè)剪切周期內(nèi)X的值變化不大，這符合滾切理論。由圖4和圖5可知，速度和加速度的曲線都是連續(xù)的，說(shuō)明在剪切過(guò)程中運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，沖擊較小。

4 剪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾切剪重疊量的影響

上下刀刃的重疊量為在橫坐標(biāo)相同的前提下，上下刀刃對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)之間的縱坐標(biāo)的差值的最小值。這些差值組成的曲線即為上下刀刃之間的重疊量曲線[15]。本文仿真模型的上下刀刃為3800 mm，因此在上下刀刃上每隔380 mm取一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，共計(jì)11個(gè)點(diǎn)，在ADAMS中選擇上下刀刃相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Y向上的測(cè)量，即可得到相應(yīng)的曲線。

剪刃重疊量是滾切剪設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的考慮因素，影響剪刃重疊量的因素很多。本文擬從曲柄的初始相位角、曲柄長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度以及側(cè)桿長(zhǎng)度四個(gè)方面來(lái)探討其對(duì)滾切剪剪刃重疊量的影響。

4.1 曲柄初始相位角對(duì)重疊量的影響

保持其他變量不變，將曲柄的初始相位角分別取16.5°，19°，21.5°，24°，26.5°，得到曲柄初始相位角對(duì)重疊量的影響曲線，如圖6所示。

圖6 曲柄初始相位角對(duì)重疊量的影響Fig. 6 Influence of crank initial phase angle on the amount of overlap

由圖6可知，曲柄初始相位角影響剪機(jī)的上下刀刃的重疊量的程度比較大。曲柄的初始相位角從16.5°變化到26.5°時(shí)，重疊量曲線從下凹形狀變成上凸形狀。在19°時(shí)，曲線比較平緩，隨著角度的變大，重疊量也變大。

4.2 曲柄長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響

保持其他參數(shù)不變，分別取曲柄長(zhǎng)度為：112 mm、117 mm、122 mm、127 mm、132 mm。得到曲柄長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響曲線，如圖7所示。

圖7 曲柄長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響曲線Fig. 7 Curve length influence on the amount of overlap

由圖7可知，在曲柄長(zhǎng)度變化的時(shí)候，曲線的形狀變化不大。不管曲柄長(zhǎng)度是多少，重疊量曲線都比較平滑。曲柄長(zhǎng)度從112 mm增加到132 mm的過(guò)程中，重疊量從正值漸漸變成負(fù)值。曲柄長(zhǎng)度從112 mm增加到132 mm的過(guò)程中，重疊量曲線之間的差值變化不是很大。

4.3 連桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響

保持其他參數(shù)不變，將連桿的長(zhǎng)度從845 mm增加到865 mm，每次的增加量是5 mm。得到連桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響曲線，如圖8所示。

圖8 連桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響曲線Fig. 8 Influence of connecting rod length on the amount of overlap

由圖8可知，連桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響不大，從845 mm變到865 mm的過(guò)程中，重疊量的變化值不超過(guò)1 mm。

4.4 側(cè)桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響

保持其他參數(shù)不變，取側(cè)桿長(zhǎng)度分別為615 mm、620 mm、625 mm、630 mm、635 mm，得到側(cè)桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響曲線，如圖9所示。

圖9 側(cè)桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響曲線Fig. 9 Influence of the length of the sidebar on the overlap

由圖9可知，側(cè)桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響很小，不同的側(cè)桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的變化范圍基本在1 mm以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文對(duì)剪切機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，并通過(guò)ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了仿真分，得到了如下結(jié)論：

（1）分析了滾切剪上剪刃的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖，得到了上剪刃連桿機(jī)構(gòu)各連接點(diǎn)的坐標(biāo)方程。

（2）利用ADAMS軟件建模，對(duì)上剪刃的位移、速度和加速度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，速度和加速度的曲線都是連續(xù)的，說(shuō)明滾剪切過(guò)程中運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，沖擊較小。

（3）研究了機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾切剪上下剪刃的重疊量的影響。結(jié)果表明：初始相位角和曲柄的長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響較大，側(cè)桿長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度對(duì)重疊量的影響很小。

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