一种平面连杆机构共轭横断剪设计方法
【专利摘要】一种二自由度单、双环全铰链平面连杆机构共轭横断剪设计方法，包括如下步骤：1)设定剪切机构坐标系；2)设定二原动件转角关系；3)应用坐标变换，建立连杆动剪刃线族方程；4)建立连杆动剪刃的共轭包络方程；5)导出连杆包络线上点的速度方程；6)建立剪切机构尺度优化模型，以剪切范围内动剪刃包络线与直线拟合误差最小、加权包络线上点的速度趋于零为优化目标，以重叠量和非剪切范围的开口度及杆长限制为约束条件；7)采用遗传算法求解最优解，得到机构尺度与参数。该方法能提高剪切质量，保证剪切断面整齐、无台阶、无变形，而且能减小剪刃的划伤和磨损，延长剪刃使用寿命。
【专利说明】一种平面连杆机构共轭横断剪设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种平面连杆机构共轭横断剪设计方法，属于金属板横断剪切机械【技术领域】。
【背景技术】
[0002]金属板横断剪切机构是重工企业宽厚板生产线上的重要设备，主要用于对轧制后的钢板进行定尺剪切。其特点是连杆上剪刃为圆弧形，固定的下剪刃为直线段，通常也称这种剪切机为滚切剪。这种剪切机具有剪切质量好、剪切效率高、剪刃寿命长和传动功率低等优点，得到广泛的应用。
[0003]在1971年，西德摩纳.纽曼公司(简称MDN)首次研制成功滚切剪机构，此后在欧洲、美国、韩国、日本等发达国家的钢铁企业得到迅速推广。目前，欧美等国在2300?5500mm宽厚板轧机生产线上，逐渐用滚切剪取代了老式的斜刀片剪切机和圆盘式剪切机。此项技术由德国西马克公司(SMS)和日本石川岛播磨重工业株式会社(IHI)完善成熟，随后被奥钢联(VAI)、达涅利(Danieli)、三菱日立制铁株式会社(Mitsubishi ZHitaehi)、日本川崎制铁株式会社(KHI)等公司掌握。随着我国中厚钢板的产量逐年提高，对滚切剪设备的需求急剧增加。并且，随着对板材剪切质量要求的提高，对滚切剪设备的剪切性能也提出了更高的要求。由于技术保护，加之国内缺少有效的滚切剪机构设计方法，制约了我国滚切剪设备的自主研发过程。
[0004]我国黄庆学等人对单轴双偏心滚切剪机构进行了计算机运动仿真，提出了四个位置精确综合的单轴双偏心滚切剪机构优化数学模型，并对单轴双偏心非对称负偏置滚切剪机构作了一些探索研究；孙复森等人建立了连杆任意点轨迹方程，通过控制上剪刃动态最低点的轨迹来对滚切剪机构参数进行优化。然而，动滚切剪刃相对定剪刃的运动应属于共轭剪切运动，并且相对速度越小、重叠量越均匀，剪切质量越好、剪刃寿命越长。给定上剪刃的几个位置精确综合机构尺寸参数和只控制上剪刃动态最低点的轨迹的方法设计出的滚切剪机构，剪切性能不理想，并影响刀具使用寿命。
[0005]本发明以实现连杆上的圆弧动剪刃与直线定剪刃共轭剪切运动为重点，提出一种二自由度单、双环全铰链平面连杆剪切机构优化设计方法。以剪切范围内动剪刃包络线的直线(平行于定剪刃)拟合最大误差最小、加权包络线上点的速度趋于零为优化目标，非剪切范围的开口度及杆长限制为约束条件，建立剪切机构尺度优化模型，并采用遗传算法进行求解，求出符合设计要求的滚切剪机构尺度与参数的最优解。从而实现了连杆上的圆弧动剪刃与直线定剪刃的共轭剪切运动，保证剪切断面整齐、无台阶、无变形，提高剪切质量，而且能减小剪刃的划伤和磨损，延长剪刃使用寿命。
【发明内容】
[0006]本发明提出了一种平面连杆机构共轭横断剪设计方法，具体涉及二自由度单、双环全铰链平面连杆机构共轭横断剪设计方法，使其连杆上的圆弧动剪刃与直线定剪刃实现共轭剪切运动，解决了滚切剪机构优化设计问题，提高了滚切剪设备的剪切质量和刀具寿命，为滚切剪机构的系列化、智能化设计提供方法，为我国滚切剪设备的自主研发提供理论支持。
[0007]为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:
[0008]一种平面连杆机构共轭横断剪设计方法，包括如下步骤:
[0009]步骤1:设定剪切机构坐标系。固定坐标系Sf，坐标原点在剪切机构的一个固定铰链点上，取水平方向为X轴，竖直方向为y轴；动坐标系Sm固结在动剪刃上,一个坐标轴通过两铰链点，坐标原点在两活动铰链点的中点处，沿杆方向为X轴，y轴方向通过剪刃圆弧中心。
[0010]步骤2:设定二原动件转角关系。设二自由度剪切机构两原动件的曲柄转角分别为妁和(pi，满足妒2=的+AC，δ C为常数，令供=供I，则确定了二原动件转角都是相关一个自变量--的不同相位关系。
[0011]步骤3:应用坐标变换，建立连杆动剪刃线族方程。动剪刃的圆弧在动坐标系Sm的向量为Rm，在固定坐标系Sf中的向量为Rf:
[0012]Rf = BffflRffl+R0ffl(I)
[0013]其中:Bfm为动定坐标系的旋转转化矩阵，是原动件曲柄输入角P的函数，R0m为动坐标系坐标原点的位置向量。动剪刃位置与P相关，随着机构的运动，动剪刃圆弧在固定坐标系中形成了曲线族。
[0014]步骤4:基于共轭理论建立连杆动剪刃的共轭包络方程。根据曲线包络的共轭方法，动剪刃圆弧在随着原动件的运动过程中的包络线方程表示为:
[0015]
【权利要求】
1.一种平面连杆机构共轭横断剪设计方法，其特征在于如下步骤: 步骤1:设定剪切机构坐标系 固定坐标系Sf,坐标原点在剪切机构的一个固定铰链点上；动坐标系Sm固结在动剪刃上，一个坐标轴通过两铰链点，坐标原点在两活动铰链点的中点处，剪刃圆弧中心在纵向坐标轴上； 步骤2:设定二原动件转角关系 设两原动件的曲柄转角奶为和内，满足的H+AC，AC为常数，令尸供?; 步骤3:动剪刃的圆弧在动坐标系Sm的向量为Rm，在固定坐标系Sf中的向量为Rf，建立连杆动剪刃线族方程: Rf = BfmR^R0m(I) 其中，Bfm为动定坐标系的旋转转化矩阵,是原动件自变量P的函数，R0m为动坐标系坐标原点的位置向量； 步骤4:建立连杆动剪刃的共轭包络方程:
其中，θ e [θ。θ2]为圆弧自变量在剪刃范围的变化区间，k为垂直于剪切平面方向的单位向量； 步骤5:建立剪切机构矢量闭环方程:
其中，Ili表不第一环中的向量，I2i为第二环的向量；lu、l2i> Vu、心分别为向量Ili和的标量和I2i对应的角位移；对于单环机构Ili = i2i = Ii, Ili = i2i = Ii, φ--=ψ2?=φη对式(3)的时间求导得:
其中，
为动坐标系Sm相对定坐标系Sf的转角； 对式(I)的时间求导得出动剪刃任意一点的速度方程:
步骤6:建立剪切机构尺度优化模型，以剪切范围内动剪刃包络线与直线拟合误差最小、加权包络线上点的速度趋于零为优化目标，以重叠量和非剪切范围的开口度及杆长限制为约束条件，优化模型表达为:
其中，λ ( λ 2为剪切区间，由动剪刃与钢板左、右边界交点位置确定；f\(z) = I (Rf-Rc).j|，f2(z) = Vf-T，τ 为一小值，Rc = 1。为定剪刃位置常矢量，Rf为包络线满足式(2)，Vf为包络线上点的速度满足式⑵和式(5)，ζ = [Ili, l2i, IJT, i = I, 2,…，5为优化变量，C1, C2为加权系数，C3为惩罚值，gv (ζ)≤O分别为杆长约束g: (z) = [l]-min (Ili, I2i) ( O, [I]为允许的最小杆长；曲柄存在约束g2(z)=Lkl+Lk2+Lk5-Li3-Lk4≤O，k = 1，2为环的序号，Lki为每个环的杆长Ili和I2i的排序(Lkl ( Lk2 ( Lk3 ( Lk4 ( Lk5);非剪切区域开口度约束 g3(z) = I σ。-(Rf-Rc).j | J ( O,σ。为给定的开口度设计值；剪切重叠量约束，g4(z) = |Rf * j Imax-1Rc * j h1-1 ε0≤0，^为给定的重叠量设计值； 步骤7:选定一组初始设计变量，将剪切机构的曲柄输入角Ψ ^ [0,1π\离散为N个均匀值，对应动剪刃不同的运动位置，采用遗传算法在剪切范围内求解优化模型(6)，得到机构尺度与参数。
【文档编号】G06F17/50GK104077452SQ201410321357
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】王德伦, 董惠敏, 孙大庆, 夏永, 邱俊, 黎康康, 汪全, 罗婧 申请人:大连理工大学