飞剪机构设计.doc

1、机械原理课程设计参考资料 机电074班 李坤武科大飞剪机构设计说明书一 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、拉钢系数是否满足要求，并求出曲柄上的平衡力矩Mb。二 工作原理及要求如上图所示，摆式飞剪由四杆机构ABCD构成。上剪刃E装在连杆BC上，下剪刃F装在摇杆CD上。当曲柄AB等速转动时，将厚度为Db速度为Vt的运动中的钢材剪成定尺（长度）为L的成品。飞剪机运动要求：1 曲柄转一圈对钢材剪

2、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=|VEt-VFt|/(VEt+VFt)1：V刀=(VEt+VFt)/2;= V刀/Vt= =1.011.054 能调节钢材的剪切长度L三 原始数据工艺参数剪切力F=10T=98kN;支座A距辊道面高约为h=250mm刀刃生命量h=5mm钢板厚度b=1mm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、摇杆摆角如下表所示。方案号5k1.226822四 机构型综合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

3、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。采用多元连杆为机架一般不容易得到高级别机构。（6） 不出现无功能结构原则。（7） 最低成本原则。加式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。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；（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a、b、c、d所示）。图d上、下刀刃的运动轨迹均为非封

4、闭曲线，使得飞剪在空行程中沿钢材的逆运动方向剪切，这是不允许的。三种方案的比较本计算方案我的方案小组内其它方案运动链图机构简图刀刃轨迹优点1 采用四杆机构，结构紧凑，运动形式较简单.2 全部采用转动副，加工容易，成本也比较低。3 通过机构尺寸，容易实现不同定尺的加工任务。1 因为下刀刃运动形式简单，容易调整上下刀刃的水平速度误差。2 机构可变尺寸多，可以调节多种定尺加式方式。1 采用四杆机构，结构和运动形式比较简单。2 上下刀刃配合较好，适合加工固定尺寸钢板。缺点1. 采用六杆机构，结构比较复杂。2. 采用了较多的移动副，增加了加工难度和制造成本。而且本机构占用空间比较大。1 不方便改变定尺长

5、度。2 移动副的构件较大，克服摩擦力的能量损失大，效率不高注意：机构简图尺寸可能不符合实际情况。五 机构的尺寸设计下面列出参照机械原理和设计指导书的方法，用Matlab计算尺寸的过程。（“%”之中的为注释）%设计参数初始赋值%k=1.2 %k表示行程数比系数%gama2=68*pi/180 %gama2表示2%fai=22*pi/180 %fai表示%aerf4=15*pi/180 %aerf4表示4，以后aerf均表示%k1=1.2 %k1为曲柄销B点的速度与刀刃平均速度之比,此处初值任取1左右%vt=2segema=1.04 %segema表示拉钢系数%L=1h=0.25detah=0.0

6、05 %detah表示刀刃重合量%detab=0.001 %detab表示钢板厚度%fc=98000 %表示剪切力%计算相对尺寸%seta=pi*(k-1)/(k+1)gama1=fai+gama2-setaseta0=atan(sin(gama2)*sin(seta)/(sin(gama1)-sin(gama2)*cos(seta)A=cos(seta+seta0)*sin(gama2+seta0)B=sin(gama2)+sin(seta0)*cos(gama1+seta+seta0)N=2*sin(gama2)*cos(seta+seta0)a0=(A-B)/Nb0=(A+B)/Nc0=

7、sin(seta0)/sin(gama2)d0=1/计算结果/seta = 0.2856gama1 = 1.2852seta0 = 1.3094A = -0.0146B = -0.0061N = -0.0450a0 = 0.1897b0 = 0.4590c0 = 1.0419d0 = 1%计算绝对尺寸%t=L/vtw1=2*pi/t%计算曲柄转速%a=k1*segema*L/(2*pi)%其中k1=Vb-V刀,利用B点的速度与k1,V刀的关系计算a%ul=a/a0b=ul*b0c=ul*c0d=ul/计算结果/t = 0.5000T = 0.5000w1 = 12.5664a = 0.1986

8、ul = 1.0471b = 0.4806c = 1.0909d = 1.0471%刀刃位置确定%f=d*cos(aerf4)-he=(f-detah)2+(d-a)2-2*(f-detah)*(d-a)*cos(aerf4)0.5detaaerf=acos(c2+(d-a)2-b2)/(2*c*(d-a)aerf3=aerf4+detaaerfLce=(c2+(f-detah)2-2*c*(f-detah)*cos(aerf3)0.5Lcf=(c2+f2-2*c*f*cos(aerf3)0.5aerf2=acos(b2+e2-Lce2)/(2*b*e)Lcef=(Lce+Lcf)/2aerf

9、2x=acos(b2+e2-Lcef2)/(2*b*e)%aerf2x即表示计算重新得到的2%aerf3x=acos(c2+f2-Lcef2)/(2*c*f)%aerf3x即表示计算重新得到的3%/计算结果/f = 0.7614e = 0.2285detaaerf = 0.4347aerf3 = 0.6965Lce = 0.7045Lcf = 0.7039aerf2 = 2.8977Lcef = 0.7042aerf2x = 2.8904aerf3x = 0.6969%剪切角fai01的确定%Jbec=acos(e2+Lcef2-b2)/(2*e*Lcef)%Jbec表示角BEC%Jdec=a

10、cos(f2+Lcef2-c2)/(2*f*Lcef)%Jdec表示角DEC%cegama=Jbec+JdecLbd=(e2+f2-2*e*f*cos(cegama)0.5Jdab=acos(a2+d2-Lbd2)/(2*a*d)fai01=aerf4-Jdab%Jdad表示角DAD%/计算结果/Jbec = 0.1704Jdec = 1.6778cegama = 1.8483Lbd = 0.8528Jdab = 0.1886fai01 = 0.0732%调整上下刀刃水平速度误差%计算九个理论点的程序也是如下代码改编过来的%l=(a2+d2-2*a*d*cos(fai01-aerf4)0.5f

11、ai00=atan(d*sin(aerf4)-a*sin(fai01)/(d*cos(aerf4)-a*cos(fai01)fai3=fai00-acos(b2-l2-c2)/(2*l*c)%按正切函数求角度时，应根据函数中分子分母的正负号判断所在象限后决定%fai2=atan(l*sin(fai00)+c*sin(fai3)/(l*cos(fai00)+c*cos(fai3)faie=atan(e*sin(fai2+aerf2x)-b*sin(fai2)/(e*cos(fai2+aerf2x)-b*cos(fai2)if(faie0) %对faie取值的选取% faie=pi+faieend

12、detafaie=faie-pi/2aerf4x=aerf4-detafaie%aerf4x,aerf01x,fai2x,fai3x均为调整后的值%fai01x=fai01-detafaiefai2x=fai2-detafaiefai3x=fai3-detafaie/计算结果/l = 0.8528fai00 = 0.3055fai3 = -2.3999fai2 = -1.5523faie = 1.5086detafaie = -0.0622aerf4x = 0.3240fai01x = 0.1354fai2x = -1.4901fai3x = -2.3377%调整刀刃与钢材运动速度同步%w2=

13、(-a*w1*sin(fai01x-fai3x)/(b*sin(fai2x-fai3x)w3=(a*w1*sin(fai01x-fai2x)/(c*sin(fai3x-fai2x)vet=a*w1*cos(fai01x)+e*w2*cos(fai2x+aerf2x)vft=f*w3*cos(fai3x-aerf3x)vd=(vet+vft)/2k1x=a*w1/vd%k1x为同步后的值%ax=k1x*segema*L/(2*pi)%ax和下面的bx,cx,dx,ex,fx均为满足给定设计要求的机构尺寸%ux=ax/abx=b*uxcx=c*uxdx=d*uxex=e*uxfx=f*ux%剪切角

14、为fai01x%/结果/w2 = -4.2934w3 = -3.0472vet = 2.3068vft = 2.3068vd = 2.3068k1x = 1.0820ax = 0.1791ux = 0.9017bx = 0.4333cx = 0.9837dx = 0.9441ex = 0.2060fx = 0.686六 机构平衡力矩的计算(仍然接上面程序)%计算平衡力矩%fai1x=fai01xvex=-ax*w1*sin(fai1x)-ex*w2*sin(fai2x+aerf2x)vfx=-fx*w3*sin(fai3x-aerf3x)Mb=fc*(vex-vfx)/w1/计算结果/fai1

15、x = 0.1354vex = 0.5679vfx = -0.2235Mb = 6.1714e+003%机械校验%xe=ax*cos(fai1x)+ex*cos(fai2x+aerf2x)xf=dx*cos(aerf4x)+fx*cos(fai3x-aerf3x)ye=ax*sin(fai1x)+ex*sin(fai2x+aerf2x)yf=dx*sin(aerf4x)+fx*sin(fai3x-aerf3x)detax=abs(xe-xf)/(xe+xf)detay=abs(ye-yf)/(ye+yf)vet1=ax*w1*cos(fai1x)+ex*w2*cos(fai2x+aerf2x)

16、vft1=fx*w3*cos(fai3x-aerf3x)vd1=(vet1+vft1)/2segema1=vd1/vtsegemadetavd=abs(vet1-vft1)/(vet1+vft1)/计算结果/xe = 0.2124xf = 0.2124ye = 0.2272yf = 0.2272detax = 5.2270e-016detay = 8.5506e-016vet1 = 2.0800vft1 = 2.0800vd1 = 2.0800segema1 = 1.0400segema = 1.0400detavd = 0根据计算结果,利用PRO/E建模,进行仿真后得到的图像:E点与F点的运

17、动学仿真.由上图可以看出，上下刀刃共速时，即是飞剪工作位置点。图中0.2s时,接近共速2m/s.下面附上轨迹上八个点的计算程序，这部分程序也可以用来精确绘制轨迹。%l1,l2,l3,l4,e,f,aerf2,aerf3,aerf4,fai01x对应机构上的a,b,c,d等对应值的最终结果%l1=0.17909982782256l2=0.43334384960827l3=0.98369417789403l4=0.94412528572010e=0.20602645765000f=0.68653083673498aerf2=2.89043959151758aerf3=0.6968509050397

18、1aerf4=0.32398904858085fai01x=0.13543240467806fai1=fai01xl=(l12+l42-2*l1*l4*cos(fai1-aerf4)0.5fai=atan(l4*sin(aerf4)-l1*sin(fai1)/(l4*cos(aerf4)-l1*cos(fai1)fai3=fai-acos(l22-l2-l32)/(2*l*l3)fai2=atan(l*sin(fai)+l3*sin(fai3)/(l*cos(fai)+l3*cos(fai3)xes(1)=l1*cos(fai1)+e*cos(fai2+aerf2)xfs(1)=l4*cos(

19、aerf4)+f*cos(fai3-aerf3)yes(1)=l1*sin(fai1)+e*sin(fai2+aerf2)yfs(1)=l4*sin(aerf4)+f*sin(fai3-aerf3)fai1=3*pi/2%从Y轴负方向逆时针开始%for i=2:9l=(l12+l42-2*l1*l4*cos(fai1-aerf4)0.5fai=atan(l4*sin(aerf4)-l1*sin(fai1)/(l4*cos(aerf4)-l1*cos(fai1) if(fai0) fai=pi+fai end fai3=fai-acos(l22-l2-l32)/(2*l*l3)fai2=atan

20、(l*sin(fai)+l3*sin(fai3)/(l*cos(fai)+l3*cos(fai3)jiaodu(i)=faifengzi(i)=(l*sin(fai)+l3*sin(fai3)fengmu(i)=(l*cos(fai)+l3*cos(fai3)if(fengmu(i)0) fai2=atan(-(l*sin(fai)+l3*sin(fai3)/(l*cos(fai)+l3*cos(fai3)endxes(i)=l1*cos(fai1)+e*cos(fai2+aerf2)xfs(i)=l4*cos(aerf4)+f*cos(fai3-aerf3)yes(i)=l1*sin(fai

21、1)+e*sin(fai2+aerf2)yfs(i)=l4*sin(aerf4)+f*sin(fai3-aerf3)fai1=fai1+pi/4end%下面的数据为实际测量所得数据%exl=212.403 -108.693 71.8819 200.193 177.581 11.284 -181.698 -286.137 -252.157eyl=227.223 -1.14317 74.5635 207.456 328.851 387.32 327.769 178.958 39.8776 fxl=212.403 226.185 232.381 214.604 207.893 211.3 210.8

22、12 207.83 211.167 fyl=227.223 144.53 120.392 205.412 322.733 374.182 369.329 320.382 233.37 exl=exl/1000eyl=eyl/1000fxl=fxl/1000fyl=fyl/1000%wcex=(exl-xes)./(xes)*100wcey=(eyl-yes)./(yes)*100wcfx=(fxl-xfs)./(xfs)*100wcfy=(fyl-yfs)./(yfs)*100jieguo=xes;exl;wcex;yes;eyl;wcey;xfs;fxl;wcfx;yfs;fyl;wcfy下

23、表即是程序运行后所得结果.位置123456789xe理论值212.4-104.2176.246203.73175.2914.484-177.84-281.93-247.8xe实际值212.4-108.6971.882200.19177.5811.284-181.7-286.14-252.16误差%-6.39E-064.2995.72431.73641.307922.0962.17181.49381.7573ye理论值227.22-1.373773.125204.55326.84384.62326.21178.5339.992ye实际值227.22-1.143274.564207.46328.8

24、5387.32327.77178.9639.878误差%0.0001744516.7831.96721.42130.61410.702910.478630.23850.28681xf理论值212.4226.71232.75215.15208.82212.35211.83208.73211.89xf实际值212.4226.19232.38214.6207.89211.3210.81207.83211.17误差%6.39E-060.231110.160640.255920.442110.494090.481280.430950.34181yf理论值227.22143.39119.6205.0232

25、2.22373.4368.37319.27232.15yf实际值227.22144.53120.39205.41322.73374.18369.33320.38233.37误差%0.000174450.797810.665510.189140.158920.209510.25970.346980.52377七 主要结论方案1与方案5参数表项目方案1方案5k1.121.20274681622a*0.17560.1791b*0.45820.4333c*1.29050.9837d*1.27130.9441e*0.28900.2060f*1.00690.68652*2.93782.89043*0.61

26、250.69694*0.29800.324001*0.11580.1354Mb6.0395e+003KNm6.1714e+003 KNm由上表可以得出，方案1与方案5所需要的平衡力矩相差不大，仅相差2%左右，而方案1比方案5多花费材料在30%左右，且占用比较大的空间。综合以上参数，方案5方案优于方案1。结束语通过两个星期的机械原理课程设计，我对机械原理知识有了更深入的理解，通过理论与实践的结合，我对机械这个行业有了更大的兴趣。第一周里，我们的主要任务是通过型综合，设计也满足条件的机构。在这个过程中，我们积极思考，设计出了各种各样的机构。大家在讨论过程中，相互借鉴优点。在一个教室里，大家交流的机

27、会比平时更多，同学们关系融洽，班级凝聚力更强。在设计出自己的机构后，我们认真思考了方案的可行性。为了更直观的观察，我建立了PRO/E模型，并利用软件的仿真功能测量绘制了位置和速度的曲线图。分析结果直观的检测了方案的可行性程度。第二周，我们开始进入计算和绘图。在机构尺寸的计算过程中，使用到了七十多个量，用到了一百多个等式和方程。在使用了Matlab编程以后，计算工作得到大大简化。但是程序还存在不少问题，需要不断修正和完善。特别是在后面计算八个点的理论值时，如果利用好程序，可以快速高效的完成计算任务。在这次课程设计中，我深切体会到了计算机辅助设计，辅助制图的便捷。 我以后有必要在这些方面作比较深入的学习。同时，对于基础知识，也应该有比较扎实的功底。参考文献:廖汉元 孔建益 .机械原理. 机械工业出版社 . 2007.2. 第2版