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l 匐 化 冲切式飞剪系统的运动分析和数学建模 Kinematics analysis and mathematical modeling of punching flying shear system 陈白宁，丁立坤 CHEN Bai—ning． DlNG Li—kun (沈阳理工大学机械工程学院，沈阳110159) 摘 要：根据起停式飞剪机的剪切工艺要求，对整个工作周期全过程进行运动分析和数学建模，并据此 推导得到原动构件运转的同步速度控制曲线，为控制系统建模提供理论依据。 关键词：起停式飞剪；运动分析；速度同步；模型修正 中图分类号 ：TF302 文献标识码 ：B 文章编号；1 009—01 34(201 3)o3(上)-ol 34—02 Doi：1 0．996~I／J．Issn．1 009-01 34．201 3．o3(上)．39 0 引言 起停式飞剪是一种应用广泛的冶金机械设 备。根据机械结构不同，飞剪机可分为起停式飞 剪、离合式飞剪、霍尔顿剪等Ⅲ。其中，起停式飞 剪具有机械结构简单，剪切精度高等特点，在大 型板材、管材连续轧制，造纸等系统中有着广泛 的应用。 传统飞剪在同步剪切段的速度曲线是一段恒 定的曲线。在剪切厚度较薄的板材以及轧钢等对 剪切精度要求相对较低的行业，该速度曲线尚可 接受，但在下料等一些生产线上，由于剪切精度 要求较高并且刀刃剪切行程较大，因此该动作曲 线无法满足加工精度要求。所以必须对剪切过程 进行运动分析，得到更为准确的速度同步运动曲 线，以此作为控制系统建模的依据。 1 飞剪系统剪切机构的运动分析 1．1飞剪剪切时的工艺要求【2】 飞剪机具有如下剪切工艺要求： 1)同步性要求：飞剪机在剪切运动着的工件 时，刀刃的水平分速度与工件速度同步。 2)定尺要求：飞剪系统应能根据用户对产品 品种、规格的不同要求，在给定的线速度下，剪 切出多种不同规格的产品，并满足要求的尺寸精 度和表面质量。 3)剪切的速度必须与生产线上的其它设备相 匹配 。 4)其他功能要求，如手动操作等。 1-2飞剪剪刃的速度图及运行轨迹 飞剪剪刃的运行轨迹示意图如图l所示。飞剪 有上下两把剪刃，如图2所示，剪切时两把刀运行 方向相反。以上剪刃为例，简要说明运动情况。 图1中的点A即上剪刃的停车位置，也是等待定位 阶段的静止等待位置 ；自点A得到启动信号后， 飞剪剪刃便进入加速启动阶段，逆时针转动到点 B位置，在点B处达到速度同步条件；剪刃继续运 动，当到点C处时，剪刃接触工件，开始剪切，到 点D处剪切结束；在前行方向上，剪刃继续和工件 同步运动，直至点F，速度同步阶段结束；飞剪进 入减速制动阶段，并在转过一定角度后到达点A， 减速制动阶段停止；在点A处，剪刃静止等待，直 至得到下一次剪切启动信号，开始新的剪切动作。 图1飞剪剪刃运行轨迹示意图 收稿日期：2012-I1-29 作者简介：陈白宁 (1962一)，女，教授，主要从事机电一体化产品、智能仪表及自动装配技术等的研究与开发。 [134] 第35卷 第3期 2013-03(上) 学兔兔 务I 訇 [ 图2 飞剪机剪切过程示意图 飞剪剪刃的速度图如图3所示。剪刃速度图在 一 个运动周期中分为如下四个阶段：1)加速启动 阶段；2)速度同步阶段；3)减速制动阶段；4) 等待定位阶段。 图3 飞剪剪刃的速度图 图4 短尺寸剪切时剪刃速度图 1．3 飞剪机构类型的选择 传统的飞剪作业生产线上，飞剪系统的电机 转速是恒定不变的。但是为了实现定长剪切，飞 剪机的转速又必须是可以调整的，因此需要增设 复杂的调速机构，这也是传统飞剪的缺点【5】。本系 统中的飞剪机构采用简单的曲柄机构，由大功率 的伺服电机提供动力带动曲柄动作，使上下刀架 按照相反的转向旋转；上下刀片在剪切过程中随 工件一起运动，同时完成移动和剪切两个动作； 刀片在剪切区域的水平分速度vx与运动速度V0相 同 ，从而实现了速度的同步。 1．4 剪切过程中的运动分析 根据前面分析，可得刀片合速度：v=R，∞， 式中R为曲柄半径； 曲柄角速度 ∞和曲柄转速n的关系： ·2石 国 = — — 6O 由几何关系得到：V =V·cos(180~- (t) 速度同步条件是剪刃的平移速度分量和工件 前进速度相等，即 由此可得： 、， - 一-o = (I)·cos(0(t~ R 曲柄角速度和曲柄转角 0的关系： ∞ = 日 商 I单 z ． ： —de—(t)~COS( (t) 得到关系式：。 u 即： ， ． 0_dt=cos(0(t))d (t) R 积分可得：『． dt=『c0s( )d ) 该运行阶段的初始条件：在时间点t=t2时，转 盘 (自启动点)转过角度o(0=143。。 (经分析