基于ADAMS的鋼板剪切機的運動學分析

徐德慧

(浙江工業職業技術學院機械分院，浙江 紹興312000)

0 引言

剪切機是中厚板加工精整線上的重要設備，它主要被用來做加工中的切頭、切尾、定尺剪、切邊剖切和切試樣等工作，根據軋件的斷面形狀和對端面質量要求的不同，所采取的切斷方法也不同，中厚板的剪切設備有平行刀片剪切機、斜刀片剪切機、圓盤式剪切機、飛剪機和滾切式剪切機[1]。目前，滾切式剪切機在我國的中厚板生產中應用廣泛，其研究引起了研究人員的重視[2-9]。例如，沈陽航空工業學院的王丹[10]對滾切式定尺剪機構進行了設計，并對其運動動力學進行了研究。張禮明, 秦勤, 臧勇等人[11]對雙軸雙偏心滾切式定尺剪的機構參數進行了研究，可以指導實踐。侯春寧和張敬慧[12]對滾切式橫切剪剪刃的軌跡進行了優化分析，提高了剪切機的工作性能。由于滾切剪的上刀刃的驅動機構是多桿雙自由度的復雜機構，因此在上剪刃驅動機構尺寸參數確定方面還需要進行深入的研究。所以，對滾切式剪切機的剪刃軌跡及運動學分析具有一定的工程實踐價值。

1 滾切式剪切機的機構分析

滾切式定尺剪用于定尺寸穿的長度的剪切板材,定尺剪的結構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構示意圖。由圖1可知，該剪機機構包括左右偏心軸，左右連桿，導桿和上下刀刃等幾部分組成。上刀刃的運動由兩個相同偏心半徑、相同轉向、相同轉速、不同相位角的偏心軸回轉運動實現。上刀刃處于開口度最大的位置即為剪切起始位置。剪切開始時，兩個曲柄以相同的角速度同向旋轉，上剪刃的左端下降，與下剪刃相切后便開始剪切，隨著曲柄的回轉，上下剪刃保持滾動相切，實現鋼板的剪切，最后上刀刃回到初始位置。如此即完成一次剪切過程[13]。

滾切式剪切機是一種先進的中厚板剪切設備。滾切剪的上刀刃呈弧形，下刀刃呈直線，在整個剪切行程內刀片重疊量不變。剪切過程中，上剪刃與被剪鋼板之間只產生很小的相對運動，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機構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of rotary cut-and-slide shear mechanism

2 上刀刃連桿機構方程的建立

由機構學分析可知，滾切式剪切機是有三個固定鉸鏈的平面雙自由度七連桿機構，如圖2所示。

圖2 剪機上刀刃運動機構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of blade movement mechanism on shear

由圖2所示的坐標系，根據連桿運動方程，可得到各個點的坐標方程，如表1所示。

表1 機構各連接點的坐標方程Table 1 Coordinate equations of each connection point of the organization

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

根據式（1），即可得到上剪刃上每一點的坐標，進而得到上剪刃剪切過程的運動軌跡。

3 基于ADAMS的上剪刃運動學分析

為了得到剪機上剪刃在剪切過程中的運動學參數，將連桿運動方程導入到ADAMS軟件中，進行仿真分析[14]。首先在ADAMS仿真環境中建立剪機模型，通過創建鉸接點、連桿和上刀刃模型，并添加旋轉副和驅動元件，即完成了剪機的運動學仿真模型，然后通過參數化坐標點和設計變量實現仿真模型的參數化。

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

圖3 上刀刃重心位置隨時間的變化曲線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雜，而Y向的位移變化是一個三角函數曲線。且在一個剪切周期內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的，說明在剪切過程中運動比較平穩，沖擊較小。

4 剪機結構參數對滾切剪重疊量的影響

上下刀刃的重疊量為在橫坐標相同的前提下，上下刀刃對應的兩個點之間的縱坐標的差值的最小值。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取一個標記點，共計11個點，在ADAMS中選擇上下刀刃相對應的兩個點進行Y向上的測量，即可得到相應的曲線。

剪刃重疊量是滾切剪設計的一個很重要的考慮因素，影響剪刃重疊量的因素很多。本文擬從曲柄的初始相位角、曲柄長度、連桿長度以及側桿長度四個方面來探討其對滾切剪剪刃重疊量的影響。

4.1 曲柄初始相位角對重疊量的影響

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重疊量的影響曲線，如圖6所示。

圖6 曲柄初始相位角對重疊量的影響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，重疊量曲線從下凹形狀變成上凸形狀。在19°時，曲線比較平緩，隨著角度的變大，重疊量也變大。

4.2 曲柄長度對重疊量的影響

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

圖7 曲柄長度對重疊量的影響曲線Fig. 7 Curve length influence on the amount of overlap

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

4.3 連桿長度對重疊量的影響

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

圖8 連桿長度對重疊量的影響曲線Fig. 8 Influence of connecting rod length on the amount of overlap

由圖8可知，連桿長度對重疊量的影響不大，從845 mm變到865 mm的過程中，重疊量的變化值不超過1 mm。

4.4 側桿長度對重疊量的影響

保持其他參數不變，取側桿長度分別為615 mm、620 mm、625 mm、630 mm、635 mm，得到側桿長度對重疊量的影響曲線，如圖9所示。

圖9 側桿長度對重疊量的影響曲線Fig. 9 Influence of the length of the sidebar on the overlap

由圖9可知，側桿長度對重疊量的影響很小，不同的側桿長度對重疊量的變化范圍基本在1 mm以內。

5 結論

本文對剪切機的連桿機構進行了分析，并通過ADAMS對機構運動學進行了仿真分，得到了如下結論：

（1）分析了滾切剪上剪刃的驅動機構原理圖，得到了上剪刃連桿機構各連接點的坐標方程。

（2）利用ADAMS軟件建模，對上剪刃的位移、速度和加速度進行了分析。結果表明，速度和加速度的曲線都是連續的，說明滾剪切過程中運動比較平穩，沖擊較小。

（3）研究了機構參數對滾切剪上下剪刃的重疊量的影響。結果表明：初始相位角和曲柄的長度對重疊量的影響較大，側桿長度和連桿長度對重疊量的影響很小。

[1] 鄒家祥. 軋鋼機械[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2007.ZHOU Jia-xiang. Rolling Machine [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2007.

[2] 王志強, 王紅, 張小亮, 等. 新材料研究進展[J]. 新型工業化, 2016, 6(1): 1-5.WANG Zhi-qiang, WANG Hong, ZHANG Xiao-liang, et al. Development of new materials [J]. The Journal of New Industrialization,2016, 6(1): 1-5.

[3] 劉志剛, 鄔海龍, 謝榮譽, 等. 金屬屑壓塊機的設計研究[J]. 新型工業化, 2016, 6(11): 53-57.LIU Zhi-gang, WU Hai-long, XIE Rong-yu, et al. Design of Metal Scrap Briquetting Machine[J]. The Journal of New Industrialization,2016, 6(11): 53-57.

[4] 張寶成, 劉磊. 基于ADAMS的滾切剪運動模型構建與分析[J]. 機械工程與自動化, 2014(5): 25-27.ZHANG Bao-cheng, LIU Lei. ADAMS-based Construction and Analysis of Rolling Shear Motion Model[J]. Mechanical Engineering &Automation, 2014(5): 25-27.

[5] 陳曦, 胡小卓, 郝建偉. 滾切式定尺剪的新型工藝布置探討[J]. 冶金設備, 2014(6): 53-55, 42 HEN Xi, HU Xiao-zhuo, HAO Jian-wei. Discussion on New Process Layout of Rolling-cut Dividing Shear[J]. Metallurgical Equipment,2014(6): 53-55.

[6] 武正權, 王珂, 韋游. 中厚鋼板液壓剪切機的關鍵結構設計[J]. 科技創新與應用, 2018(5): 101-102.WU Zheng-quan, WANG Ke, WEI You. Key structure design of medium-thick steel plate hydraulic shearing machine[J]. Technological innovation and application, 2018(5): 101-102.

[7] 汪孝丁. 雙邊剪鋼板跑偏原因探討與調整[J]. 科技創新與應用, 2018(3):55-56.WANG Xiao-ding. Exploration and Adjustment of Causes for Sidetracking of Double Sided Shearing Steel Plates[J]. Technological innovation and application, 2018 (3):55-56.

[8] 李西兵, 黃穎, 李明, 等. 滾切式雙邊剪機設計與分析[J]. 煤礦機械, 2015(6): 182-184.LI Xi-bing, HUANG Ying, LI Ming, et al. Bilateral Shearing Machine Design and Analyze of Roll Cutting Type[J]. Coal Mine Machinery,2015(6): 182-184.

[9] 趙星. 中厚板剪切工藝的研究與優化[J]. 科技傳播, 2014(3): 194-195.ZHAO Xing. Research and Optimization of Shearing Process for Medium Plate[J]. Public Communication of Science & Technology,2014(3): 194-195.

[10] 王丹. 滾切式定尺剪機構設計及運動動力學研究[D]. 沈陽: 沈陽航空工業學院, 2009.WANG Dan. Research on the Design of Cutting Circle-slipping Mechanism and Its Dynamics[D]. Shenyang: Shenyang Institute of Aeronautical Technology, 2009.

[11] 張禮明, 秦勤, 臧勇, 等. 雙軸雙偏心滾切式定尺剪機構參數的研究[J]. 機械設計, 2009, 26(10): 50-52.ZHANG Li-ming, QIN qin, ZANG Yong. Research on the parameters of double-axis double-offset rotary cut-and-sew mechanism[J].Mechanical Design, 2009, 26(10): 50-52.

[12] 侯春寧, 張敬慧. 滾切式橫切剪剪刃軌跡優化分析[J]. 計算機應用, 2011(2): 49-51.HOU Chun-ning, ZHANG Jin-hui. Rolling-cutting cross-cut shear path optimization analysis[J]. Computer application, 2011(2): 49-51.

[13] 張春捷, 于有冬. 滾切剪曲柄連桿機構優化設計[J]. 一重技術, 2010(1): 30-32.ZHANG Chun-jie, YU You-dong. Roller-cut-crank mechanism optimization design [J]. CFHI Technology, 2010(1): 30-32.

[14] 張靜, 許東來. ADAMS在并聯機構運動學分析中的應用[J]. 北京工業大學學報, 2010(27): 57-60.ZHANG Jing, XU Dong-lai. Application of ADAMS in kinematic analysis of parallel mechanism [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2010(27): 57-60.

[15] 郝建偉, 馬曉明, 胡典章, 等. 雙軸雙偏心滾切剪運動軌跡求解及機構優化[J]. 軋鋼, 2011, 28(2): 41-43.HAO Jian-wei, MA Xiaoming, HU Dianzhang, et al. Double-axis double-offset rolling shear trajectory solution and mechanism optimization [J].Steel rolling, 2011, 28(2): 41-43.