混合驱动飞剪的运动学分析与尺寸综合研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.7MB 63 页 15积分

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摘要

混合驱动机构的研究开始于 20 世纪 90 年代初，英国 Liverpool John Moores

大学的 Jones 和Tokuz 结合传统机构和并联机器人机构的特点，提出一套同时具有

两类机构特点的机械系统方案，称为混合驱动机构(Hybrid Machine)。混合驱动

机构由不可控的常速电机和实时可控的伺服电机共同驱动的两自由度机构，其中

常速电机提供主体运动和主要功率，伺服电机主要提供辅助运动。现实生产中，

需求最大的往往是只需要一定的工作柔性，能完成相似任务的、可适度调节的机

器。混合驱动机构很明显是可以满足这一需求的，因此具有巨大的潜在发展空间

和应用价值。

飞剪机是在轧件运动过程中，剪刃产生相对运动而将轧件切断的设备。飞剪

机是冶金工业的重要生产设备之一，飞剪机剪刃的运动轨迹比较复杂，对剪切区

内上、下剪刃速度的一致性以及剪刃速度与轧件运动速度的同步性要求很高，它

的性能好坏直接关系到成品钢板的质量。当前我国引进的飞剪大多为单自由度飞

剪，在轨迹和速度控制上无法实现精确控制，只能近似实现轨迹需求和近似达到

速度要求。单自由度飞剪机构在性能的提高上存在着局限性，难以实现更高的精

度要求。

因此，本文将两自由度混合驱动的概念引入飞剪机的控制中，混合驱动飞剪

机构在实现轨迹要求的同时，尽可能提高剪刃速度与轧件运动速度的同步性。首

先对混合驱动五杆、七杆机构进行了构型分析，结合单自由度飞剪机构原型，提

出了改进的混合驱动五杆、七杆飞剪机构的构型。再分别运用矢量法对混合驱动

五杆飞剪机构和混合驱动七杆飞剪机构进行逆向运动学分析，求出伺服电机所需

的角速度与角加速度。在 ADAMS 中对混合驱动飞剪机构进行参数化建模仿真分析，

并以上、下剪刃速度差最大值最小化为优化目标对混合驱动七杆飞剪机构进行了

优化设计，得到速度和轨迹都能精确符合要求的优化后飞剪机构尺寸，同时论证

了混合驱动机构的优越性。

关键词：飞剪混合驱动五杆机构七杆机构优化设计

ABSTRACT

The research of hybrid machine began in 1990s. Combined the features of

conventional machine and robot machine, the concept of hybrid machine was put

forward by Tokuz and his tutor Jones firstly in Liverpool John Moores, UK. A hybrid

machine is a 2 DOF mechanism, which is driven by an uncontrolled constant speed

motor and a controlled servo motor. The constant speed motor support the main motion

and supply the main power, while the servo motor support auxiliary motion. In real

production, appropriate flexibility is useful. The machine should fulfil similar tasks and

can be adjusted moderately. Hybrid machine can achieve this obviously, so it has a huge

potential space for development and has immense application value.

The flying sheer is an equipment which can cut the moving metal sheets. As one of

the most important metallurgical equipment, the flying sheer has a complicated cutting

curve and requires simultaneous speed control of cutting edges and the moving metal

sheets. The better performance of the flying sheer is the guarantee of the high quality of

the metal sheets. Currently the imported flying sheers in china is mostly 1 DOF

mechanism, they can’t achieve the accurate control of the cutting curve and the cutting

speed, just approximate to the demanded cutting curve and cutting speed. 1 DOF

mechanism has limitations to improve its accurate performance.

Accordingly, The concept of 2 DOF hybrid machine was introduced in the control

of the flying sheer in this paper. The hybrid driven flying sheer can achieve the

demanded cutting curve, meanwhile, it can achieve simultaneous speed control of

cutting edges and the moving metal sheets. This paper carried out a configuration

analysis of 2 DOF 5-bar and 7-bar mechanism firstly. Get going from the prototype of 1

DOF flying sheer, the hybrid driven 5-bar and 7-bar flying sheer configuration were put

forward in this paper. Then the inverse kinematics analysis of hybrid driven 5-bar and

7-bar flying sheer is done by using vector method, the angular velocity and the angular

acceleration of the servo motor were solved. Parametric modeling of the hybrid driven

flying sheer was carried out by using the software ADAMS. With the object function of

the minimization of the cutting edges’ velocity contrast peak value, optimization is

conducted in order to acquire the optimized dimensions of the hybrid driven 7-bar

flying sheer. The demanded cutting curve and speed of the flying sheer was achieved

owing to the superiority of the hybrid driven mechanism.

Key Words: flying sheer, hybrid driven, five-bar mechanism,

seven-bar mechanism, optimize design

中文摘要

ABSTRACT

第一章综述 ......................................................... 1

§1.1 飞剪机概述 .................................................... 1

§1.1.1 飞剪机的组成和分类 ........................................ 1

§1.1.2 飞剪机的设计要求 .......................................... 4

§1.2 混合驱动机构概述 .............................................. 5

§1.2.1 混合驱动机构的研究现状 .................................... 6

§1.2.2 混合驱动机构的应用研究 .................................... 8

§1.3 本文的主要工作 ................................................ 9

第二章混合驱动五杆和七杆机构的构型分析 ............................. 11

§2.1 二自由度机构构型 ............................................. 11

§2.2 混合驱动五杆机构的构型分析 ................................... 11

§2.2.1 混合驱动五杆机构的构型设计 ............................... 11

§2.2.2 混合驱动五杆飞剪机构型的提出 ..............................12

§2.3 混合驱动七杆机构构型分析 ..................................... 14

§2.3.1 混合驱动七杆机构的构型设计 ................................14

§2.3.2 混合驱动七杆飞剪机构型的提出 ..............................15

第三章混合驱动五杆飞剪机构的运动学分析和仿真 ....................... 17

§3.1 施罗曼五杆飞剪机构的运动学分析 ............................... 17

§3.1.1 施罗曼五杆飞剪机构的位置分析 ............................. 17

§3.1.2 施罗曼五杆飞剪机构的速度分析 ............................. 18

§3.1.3 施罗曼五杆飞剪机构上、下剪刃的位置和速度分析 ............. 18

§3.1.4 施罗曼五杆飞剪机构的运动学计算结果分析 ................... 19

§3.2 混合驱动五杆飞剪机构的运动学分析 ............................. 22

§3.2.1 混合驱动五杆飞剪机构的位置分析 ........................... 23

§3.2.2 混合驱动五杆飞剪机构的速度分析 ........................... 24

§3.2.3 混合驱动五杆飞剪机构的加速度分析 ......................... 25

§3.2.4 混合驱动五杆飞剪的剪刃位置和速度 ......................... 26

§3.3 混合驱动五杆飞剪机构的运动学仿真分析 ......................... 26

§3.3.1 ADAMS 软件的参数化建模功能介绍 ...........................26

§3.3.2 混合驱动五杆飞剪机构的参数化建模与分析 .................. 28

第四章混合驱动七杆飞剪机构运动学分析和尺寸综合 ..................... 35

§4.1 混合驱动七杆飞剪机构的运动学分析 ............................. 35

4.1.1 混合驱动七杆飞剪机构的位置分析 .............................36

4.1.2 混合驱动七杆飞剪机构的速度分析 .............................37

4.1.3 混合驱动七杆飞剪机构上剪刃的位置和速度分析 .................39

4.1.4 混合驱动七杆飞剪机构的加速度分析 ...........................39

§4.2 混合驱动七杆飞剪机构的参数化建模 ............................. 40

§4.3 五杆运动链

ABCDE

的优化综合 .................................. 44

§4.4 五杆运动链

ABIHG

的优化综合 ...................................47

§4.4.1 设计变量的确定 ........................................... 47

§4.4.2 目标函数的确定 .......................................... 47

§4.4.3 约束条件的确定 .......................................... 47

§4.4.4 运用 ADAMS 的优化分析功能进行优化 ........................ 48

第五章结语 ......................................................... 53

§5.1 全文总结 ..................................................... 53

§5.2 展望 ......................................................... 54

参考文献 ............................................................ 55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 59

致谢 ................................................................ 61

第一章综述

§1.1 飞剪机概述[1-7]

飞剪机是冶金工业的重要生产设备之一，它的使用开始于十九世纪末期，由

于其工作具有连续性的优点，经过持续的改进与提高，现已成为国内外轧钢机组

中主要使用的剪切机。飞剪机通过横向剪切运动中的轧件，实现用户对轧件的定

尺要求。它与一般剪切机的主要区别在于：飞剪是在轧件运动中进行剪切，而一

般剪切机剪切时，轧件必须停止运行，保持静止。

随着国内经济，特别是制造业和建筑业的快速增长，钢材的生产量和消费量

也逐年在提高，而剪切工序是冷轧产品生产中非常重要的一道工序，剪切的质量

直接关系着钢板的质量，因此在剪切机的设计中必须注重剪切精度和剪切效率。

飞剪机的使用大大提高了剪切的效率。

§1.1.1 飞剪机的组成和分类

飞剪机的组成机构一般包括剪切机构、调节剪切长度机构、剪刃间隙调整机

构和传动机构。

飞剪有多种类型。按照飞剪所剪切的轧件品种可分为钢坯飞剪、钢板飞剪、

型钢飞剪和线材飞剪等；按照飞剪的用途可分为定尺飞剪、切头切尾飞剪、事故

处理飞剪和碎边飞剪等。按飞剪剪切机构的不同又可分为下面几种型式：

1．摆式飞剪

摆式飞剪为六杆机构，如图 1-1 所示的罗马尼亚的拉茨厂生产的哈尔顿飞剪即

属于摆式飞剪。主动件通过连杆和导杆及摆杆使滑块相对于导杆有相对运动，又

随导杆一起摆动。上下剪刃分别安装在滑块和导杆上。该机构可始终保持相同的

剪刃间隙，剪切断面质量较好。但摆式飞剪输入轴扭矩波动很大，传动系统承受

很大冲击负荷，影响了剪切断面较大的钢坯，且剪切速度较低。

摆式飞剪的剪切精度理论上可达±0.5～0.8mm，但在实际生产中，由于制造

和安装上的缺陷，其实际剪切精度比理论剪切精度要低很多，实际生产应用中的

哈尔顿飞剪的剪切精度为 1～3mm，日本的石川岛播磨重工公司生产的摆式飞剪，

其剪切精度在 1.5mm 以上。

混合驱动飞剪机构的运动学分析与尺寸综合研究

图1-1 哈尔顿飞剪机构示意图

2．滚筒式飞剪

滚筒式飞剪的结构比较简单，图1-2为滚筒式飞剪机构示意图，它的剪刃装在

沿机身轴线旋转的滚筒上，其工作速度较高，可达6米/秒，但由于这种飞剪剪刃不

是垂直切入轧件，而是剪、挤并举，在剪切较厚钢板时剪切力急剧增加，其剪切

精度相对较差，仅适用于剪切厚度较薄的带钢。我国的鞍钢热轧带钢厂从德国引

进的的滚筒式飞剪，其机械部分由SMS（西马克）公司设计，中德合作制造，可

生产1.2mm～19mm厚、800mm～1630mm宽的热轧板卷，产品质量、成材率、能

耗、劳动生产率、环保等各项指标均达到国际水平。

图1-2 滚筒式飞剪机构示意图

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摘要：

摘要混合驱动机构的研究开始于20世纪90年代初，英国LiverpoolJohnMoores大学的Jones和Tokuz结合传统机构和并联机器人机构的特点，提出一套同时具有两类机构特点的机械系统方案，称为混合驱动机构(HybridMachine)。混合驱动机构由不可控的常速电机和实时可控的伺服电机共同驱动的两自由度机构，其中常速电机提供主体运动和主要功率，伺服电机主要提供辅助运动。现实生产中，需求最大的往往是只需要一定的工作柔性，能完成相似任务的、可适度调节的机器。混合驱动机构很明显是可以满足这一需求的，因此具有巨大的潜在发展空间和应用价值。飞剪机是在轧件运动过程中，剪刃产生相对运动而将轧件切断...

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