课程设计(飞剪机构的设计)

图
飞剪机构的设计
一、 设计内容 1、工艺要求
1.1剪切运动速度为V t =2m/s 的钢板，拉钢系数δ=V 刀/ V t =[δ]， [δ]=1.01~1.05
1.2 两种钢板定尺（长度）L=1m; 0.65m ；1.3 剪切时上下剪刃有间隙，剪切后上下剪刃不发生干涉（相碰）；
1.4 剪切时上、下剪刃沿钢板运动速度方向的速度相对误差： ΔV 刀≤0.05=[ε] 2、给定参数
2.1工艺参数 剪切力F=10T=98kN;
支座A 距辊道面高约为 h ≈250mm(如图h ≈5mm;
钢板厚度Δb=1mm; 2.12.2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γ2、摇杆摆角ψ如表2-1所示。

：
表2-1 参数与方案
3、具体内容
3.1根据工艺要求制定机构方案，定性比较各方案的优、劣； 3.2设计出满足工艺要求的机构尺寸及上下剪刃的位置尺寸； 3.3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；
3.4进行机构的运动及力分析，检验上下剪刃的速度相对误差、拉钢系数是否满要求，并求出曲柄上的平衡力矩M b 4、对剪机运动的要求：
4.1曲柄转一圈对钢材剪切一次；
4.2剪切时，上、下剪刃速度相对误差小于其许用值：
△V 刀=2|V Et -V Ft |/(V Et +V Ft )≤ [ε] = 0.05. 4.3剪切时，上下剪刃应与钢材运动同步。

一般希望剪刃速度略大于钢材运动速度，即拉钢系数δ>1： V 刀= (V Et +V Ft )/2； δ= V 刀/ V t =[δ] =1.01~1.05. 4.4能调节钢材的剪切长度L
C b
5、设定参数
5.1工艺参数
剪切力F=10T=98kN 支座A距辊道面高约为h ≈250mm
刀刃重合量Δh≈5mm 钢板厚度Δb=1mm
5.2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γ2、摇杆摆角ψ如表2-1所示。

6、机构的型综合
首先对工艺要求进行分析，把工艺要求变换为对机构运动的要求，然后根据对机构的动作要求进行型综合。

6.1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6.1 a、b、c)所示。

图3 d上下刀刃均为非封闭曲线，使得飞剪在空行程中沿钢材运动方向逆向剪切，这是不允许的。

6.2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。

一般采用多元连杆为机架不易得到高级别机构。

（6）不出现无功能结构原则。

（7）最低成本原则。

加工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。

对比分析
二、 计算
1.四杆机构的相对尺寸设计
图 6.1
a)
b)
c)
d)
已知参数：k, γ2, ψ.计算机构的相对尺寸a 0 ,b 0 ,c 0 , d 0=1.
2.四杆机构的绝对尺寸2.1曲柄半径a 剪切钢板一次所需的时间t ： t=L/V t （s)
曲柄的转速n 1和角速度ω1:若曲柄销的速度为V B ，则曲柄半径a 为：a=V B /ω1.
设：k 1=v B /v 刀 (k 1为曲柄销B 点的速度与刀刃平均速度之比) V B =k 1V 刀=k 1[δ]V t . 由此得到：
a=k 1 [δ]V t /ω1,
或 a=k 1 [δ]L/(2π) (2)
初步设计时k 1可任选。

（*机构初步设计完成后再重新确定k 1） 2.2 计算 四杆机构的绝对尺寸
相对尺寸为：a 0 , b 0 ,c 0 ,d 0 。

绝对尺寸为：a ,b ,c ,d:
C
求比例尺μL =a/a 0。

得绝对尺寸：a=μL a 0, b=μL b 0, c=μL c 0, d=μL 。

3.刀刃位置确定
如图( )所示，取机架角α4=10︒~30︒且使曲柄与机架共线的机
构位置来确定刀刃位置尺寸，这是考虑到:可得到刀刃重合量Δh ，且此时有v Ft ≈v Et （此时连杆的绝对瞬心在D 点且有ω2=ω3）。

若计算出f 、α3、e 、α2，即确定了刀刃F 、E 的位置。

f=dcos α4-h (3)
e={(f-Δh)2+(d-a) 2-2(f-Δh)(d-a)cos α4}0.5. (4) 初步计算α3、α2：
α3=α4+Δα。

Δα由ΔBCD 按余弦定理求出。

α3求出后可由ΔBDE 和ΔBDF 求出L CE 、L CF 。

然后由ΔBCE 按余弦定理求出α2。

注意到点E 、F 应满足重合（剪切），即L CE =L CF 。

故令
L CEF =(L
CE
+L
CF
)/2
(5)
按长度L
CEF 及尺寸b,e,c,f重新计算a
2
*、a*
3
4.剪切角ϕ1（0）的确定：
剪切角ϕ1（0）即剪切时所对应的曲柄转角。

由图( )知：ϕ1（0）=α4-∠DAB.
∠DAB由ΔADB按余弦定理求解。

长度L BD由ΔBE（F）D求得，ΔBED的角
δ=∠BEC+∠DEC。

∠BEC、∠DEC分别由ΔBEC、ΔDEC按余弦定理求解。

5.调整上下刀刃水平速度误差
当曲柄转角ϕ1=ϕ1（0）时飞剪对钢材进行剪切。

此时若上、下刀刃E、F沿钢材方向的速度误差太大，则出现倾斜的钢材切口，甚至不能切断钢材。

因此必需调整某参数以控制上、下刀刃的速度误差。

上、下刀刃的速度可写成如下矢量方程：
V E =V C +V EC
V F =V C +V FC 若V EC 、V FC 垂直于钢材运动方向（即CE （F ）线与钢材运动方向平行），则其在钢材运动方向的分量为零，V E 、V F 沿钢材的分量即V C 沿钢材的分速度而相等。

故计算CE （F ）的位置角ϕE ，再使整个机构沿顺时针转动以使CE （F ）线与钢材运动方向平行。

即调整机架倾角a 4使上、下刀刃的速度误差为零。

先对机构进行运动分析求出ϕ2角（参考《机械原理》p29～p30），再由矢量多边形方程BE=BC+CE 由下式求ϕE 角： tan =[esin()-bsin]/[ecos()-bcos] (6)
∆φ E = φ E -90︒ (7)
∆φ E 即整个机构沿顺时针转动的角度。

按下式计算机构转动后的机架倾角和各构件的位置角：
α*4 = α4 - ∆φ E φ（0）*1 = φ（0）1 - ∆φ E φ*2 = φ2 - ∆φ E φ*3 = φ3 - ∆φ E
6,调整刀刃与钢材运动速度同步
先进行运动分析求出ω2、 ω3，再由矢量方程 AE=AB+BE 求上、下刀刃沿钢材方向的速度分量V Et =y E '、V Ft =y F '(机构的运动分析参考《机械原理》p29～p30)。

求出上、下刀刃沿钢材方向的平均速度V 刀及拉钢系数δ：
V
刀
=（
V Et + V Ft
）/2
(8)
δ= V刀/ V t
（9）
一般δ≠[δ]，即上、下刀的速度不满足预先选定的拉钢系数要求。

由于曲柄转速不能调整故应调整曲柄半径。

初定曲柄半径a 时公式中的k
1
（为曲柄销B点的速度与刀刃平均速度之比）是任意选定的，故应按下式计算出实际的k1*值后重新计算曲柄半径
a*：
k1*=aω1/ V刀，(10)
a*=k1*[δ]V t/ω1,
或a*=k1*[δ]L/(2π) (11)
为保证原始给定参数γ2、k、ψ不变，各长度尺寸应作如下调整：b=, c=d=e=f=
由此得到满足给定设计要求的机构尺寸为带*的参数，其剪切角为φ（0）*1。

7,求曲柄的平衡力矩M b
如图8所示，
M bω1-F c V Ex+F c V Fx=0
M b=F c(V
Ex -V
Fx
)/ ω
1
(12)
D
三、机构设计性能 (用带*号尺寸计算)
1， 检验剪切（φ1=φ（0）*1）时，上下刀刃对刀误差： △x=2│x E -x F │/( x E + x F );△y=2│y E -y F │/( y E + y F ). 2，检验剪切时上下刀刃是否与钢材运动速度同步（δ=[δ])； 3，检验剪切时上下刀刃速度的相对误差∆v 刀≤0.05 4 ,检验机构是否达到给定设计要求
（k 、γ2 、ψ ）
5，从结构尺寸、传力性能等方面与方案5比较其优劣。

（作方案5的与方案1比较）。