起停式曲柄飛剪機(jī)的主要任務(wù)是將運(yùn)行著的軋件按照工藝要求定尺剪斷。隨著軋機(jī)軋制速度和生產(chǎn)能力的不斷提高，提高飛剪的速度和性能已成為研究熱點(diǎn)之一。飛剪機(jī)種類(lèi)很多,根據(jù)其不同的剪切斷面和速度快慢，應(yīng)用于不同場(chǎng)合。目前較先進(jìn)的機(jī)型為起停式曲柄飛剪。飛剪一般處于靜止?fàn)顟B(tài)，剪切時(shí)，采用低慣量大扭矩直流電機(jī)，直接完成起動(dòng)、剪切、制動(dòng)等工藝過(guò)程。
起停式曲柄飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意如下要求：
1兩剪刃運(yùn)動(dòng)必須為一定軌跡的封閉曲線，剪切工程中要求剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡水平平滑，水平分速度呈勻速線形，并大于等于軋件的運(yùn)動(dòng)速度。
2在剪刃剪切過(guò)程中出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)，確保承受載荷的曲柄為安全。
圖1 飛剪機(jī)實(shí)物圖片
傳統(tǒng)的手工計(jì)算，先要做出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，套用力學(xué)公式及平面幾何的概念，求解結(jié)果，再根據(jù)結(jié)果描繪所需各種曲線。因計(jì)算工程中數(shù)值近似取整等問(wèn)題，造成得出結(jié)果只能作為一個(gè)理論值，所以通常計(jì)算得出的結(jié)果安全系數(shù)要大于等于10（安全系數(shù)因企業(yè)設(shè)計(jì)要求不同，而不同），才能放心使用。同時(shí)因?yàn)閭鹘y(tǒng)算法，手算量大，易出現(xiàn)人為計(jì)算紕漏，最終造成設(shè)計(jì)誤差。
圖二 曲柄飛剪機(jī)構(gòu)示意圖
Autodesk公司的Autodesk Inventor Professional 11（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AIP11）能在很好地解決設(shè)計(jì)尺寸結(jié)構(gòu)問(wèn)題的同時(shí)，其內(nèi)嵌運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析模塊，對(duì)上述問(wèn)題提供了很好的解決方案，讓設(shè)計(jì)人員在一款CAD軟件中從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到運(yùn)動(dòng)分析，再到出具相關(guān)計(jì)算報(bào)告都能輕松完成。
如何在AIP11中進(jìn)行起停式曲柄飛剪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析呢？
利用AIP11方便快捷的造型功能，根據(jù)需求，設(shè)計(jì)曲柄，飛剪機(jī)框架，剪刀??對(duì)于常規(guī)機(jī)構(gòu)模型，使用AIP11中的拉伸、旋轉(zhuǎn)命令基本能夠完成。在“設(shè)計(jì)加速器”中輸入壓力角，螺旋角，中心距，變?yōu)橄禂?shù)求解（見(jiàn)圖三）。部件環(huán)境中對(duì)各零件按實(shí)際要求拼裝，以便日后生成工程圖中需要的明細(xì)表。校驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸，確保零部件在實(shí)際裝配位置上處于無(wú)干涉狀態(tài)，這些操作并不是一件難事。
圖三 使用設(shè)計(jì)加速器生成所需齒輪
現(xiàn)在把裝配完成的起停式曲柄飛剪另存，在此模型中改變其裝配關(guān)系，讓所有零件變成同一級(jí)裝配樹(shù)中，并進(jìn)行適當(dāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使之真正成為一個(gè)力學(xué)模型。（見(jiàn)圖四）
圖四 簡(jiǎn)化的力學(xué)模型
進(jìn)入仿真環(huán)境，工具欄中的第一個(gè)命令用于給零件間添加包括鉸接在內(nèi)的各種運(yùn)動(dòng)連接條件（見(jiàn)圖五），我們也可以使用“繼承裝配”的功能把裝配中對(duì)齊，配合，插入等裝配條件自動(dòng)轉(zhuǎn)成運(yùn)動(dòng)仿真中的連接條件，注意裝配中角度約束，過(guò)度和運(yùn)動(dòng)約束是不可以轉(zhuǎn)換的。
圖五 插入連接功能
盡量使用從裝配環(huán)境繼承連接條件的方法，這樣可以減少許多不必要重復(fù)性勞動(dòng)。（見(jiàn)圖六）一些讀者可能會(huì)遇到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。以四連桿機(jī)構(gòu)為例，在原有的裝配環(huán)境中，每根桿都使用插入約束進(jìn)行連接，模型完全可以運(yùn)動(dòng)，而且沒(méi)有提示任何錯(cuò)誤。進(jìn)入仿真環(huán)境，對(duì)這些插入約束一一進(jìn)行轉(zhuǎn)化，會(huì)發(fā)現(xiàn)前三個(gè)插入條件都順利轉(zhuǎn)成鉸接，但最后轉(zhuǎn)成鉸接后，軟件會(huì)自動(dòng)提示添加條件自由度出現(xiàn)問(wèn)題。（見(jiàn)圖七）
圖六 使用約束繼承
圖七 添加條件出現(xiàn)冗余錯(cuò)誤
原來(lái)AIP11的運(yùn)動(dòng)仿真模塊底層計(jì)算完全基于機(jī)原機(jī)理中的概念公式，連桿機(jī)構(gòu)自由度條件計(jì)算可參考“GRUEBLER定理”，為使空間四連桿機(jī)構(gòu)只有一個(gè)可動(dòng)度M=1（M=6（N-J-1）+ΣJ N為桿件數(shù)，J為接點(diǎn)數(shù)，ΣJ為接點(diǎn)自由度之合 ），經(jīng)計(jì)算得出最后一個(gè)連接點(diǎn)自由度數(shù)為4，故最后一個(gè)連接要修改為“球面圓槽運(yùn)動(dòng)”。
同理修改起停式曲柄飛剪機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)連接錯(cuò)誤的接點(diǎn)，建議軟件自帶的“修復(fù)冗余”命令（見(jiàn)圖八）解決類(lèi)似問(wèn)題。較簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模型，在“修復(fù)冗余”命令菜單中就可直接進(jìn)行問(wèn)題修改。復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型，此處只能提出合理化建議（見(jiàn)圖九），需要使用“插入連接”的命令，重新定義連接關(guān)系。
圖八 修復(fù)連接錯(cuò)誤
圖九 修復(fù)界面
主傳動(dòng)齒輪的連接采用“外齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)”，選擇兩個(gè)斜齒輪的分度圓即可完成條件添加。（見(jiàn)圖十）而實(shí)體塊和定義地面的功能，可以使用“焊接零件”和“固定”命令加以替代。（見(jiàn)圖十一和圖十二）其實(shí)在AIP11的連接條件中也有一個(gè)“焊接連接”的條件，這和剛才提到的焊接零件是兩個(gè)不同的概念，兩者的本質(zhì)區(qū)別是“焊接零件”允許把幾個(gè)零件在運(yùn)動(dòng)仿真定義成一個(gè)整體，但是作用力不能在這幾個(gè)零件間傳遞。而“焊接連接”則可以做到力的傳遞，但是“焊接連接”只能兩個(gè)兩個(gè)零件地添加，不能同時(shí)選擇幾個(gè)零件集體定義。在這里我們把飛剪機(jī)的曲柄和剪刃定義為“焊接連接”，因?yàn)橐?jì)算剪切過(guò)程中曲柄的受力。（見(jiàn)圖十三）
圖十 外齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)
連接條件定義完成后，定義一個(gè)垂直向下的重力9.8N，根據(jù)電機(jī)的輸出功率求得起停式曲柄飛剪機(jī)的轉(zhuǎn)速為280 deg/s，根據(jù)軋件厚度和轉(zhuǎn)速，求得剪切過(guò)程為0.35s，我們?cè)诩羧刑砑右粋€(gè)剪切力（兩個(gè)剪刃均要添加），AIP11的運(yùn)動(dòng)仿真模塊中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際需要給零件編輯添加力學(xué)曲線，在這里我們近似使用剪切過(guò)程中最大沖擊力計(jì)算。曲柄在運(yùn)動(dòng)0.15s后出現(xiàn)剪切力，0.5s后剪切力消失，方向受力方向一直保持豎直，所以我們要選擇“固定載荷方向”（見(jiàn)圖十四）。為捕捉剪刃運(yùn)動(dòng)形成的封閉曲線，我們還需要在剪刃處添加一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡。（見(jiàn)圖十五）
圖十四 添加力學(xué)曲線
圖十五 加載運(yùn)動(dòng)軌跡
所有的力學(xué)條件全部加載完畢，點(diǎn)擊左下方的模擬模版，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)模擬，飛剪的運(yùn)動(dòng)軌跡清楚地展現(xiàn)出來(lái)（見(jiàn)圖十六），并把其每一點(diǎn)的參數(shù)輸出到電子表格（見(jiàn)圖十七）。如果需要具體每個(gè)位置力學(xué)變化，點(diǎn)擊工具面板的“輸出圖示器”，選擇需要查看的鉸接點(diǎn)受力變化曲線，搜索通過(guò)模擬生成的這條曲線的最大值（見(jiàn)圖十九），把此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入有限元模塊分析（值得注意的是我們需要定義一些相關(guān)的連接點(diǎn)）。
圖十六 剪刃運(yùn)動(dòng)生成的封閉軌跡曲線
圖十七 封閉曲線輸出到電子表格
圖十八 搜索曲線中最大受力點(diǎn)
利用圖表中搜索出的最大應(yīng)力加載到曲柄，并定義曲柄的連接點(diǎn)，雙擊曲柄進(jìn)入零件應(yīng)力分析環(huán)境，點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)載荷”，軟件就會(huì)自動(dòng)加載運(yùn)動(dòng)仿真中零件受力狀況。進(jìn)行受力分析，由于設(shè)計(jì)得曲柄屬于不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元云圖我們清楚看到受力偏載的情況，同時(shí)發(fā)現(xiàn)曲柄與曲軸連接處設(shè)計(jì)不合理，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)修改加厚連接處（見(jiàn)圖十九），并出具相關(guān)問(wèn)題修改報(bào)告。
圖十九 曲柄等效應(yīng)力云圖
現(xiàn)在我們來(lái)做一個(gè)量化的對(duì)比。我們把模型導(dǎo)入目前市面比較主流ANSYS Workbench 10.0，利用作用力與反作用力的原理添加相應(yīng)得約束和力學(xué)條件，分析。發(fā)現(xiàn)兩款軟件的分析出的受力趨勢(shì)和結(jié)果，相差無(wú)幾，AIP11的應(yīng)力值相對(duì)保守些，看來(lái)AIP11雖然是一款設(shè)計(jì)軟件，但是其力學(xué)分析能力還是值得信賴的。
圖二十 ANSYS Workbench分析結(jié)果
通過(guò)起停式曲柄飛剪機(jī)中的實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題，希望廣大讀者理解如何使用AIP11的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，清楚整個(gè)操作流程，解決實(shí)際設(shè)計(jì)中困擾我們的問(wèn)題，AIP11作為一款三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，很好提供了從產(chǎn)品研發(fā)到校核，并出具與設(shè)計(jì)相關(guān)分析報(bào)告的一套合理解決方案，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程。做為一款設(shè)計(jì)軟件，模型的修改異常簡(jiǎn)單，隨著修改就可以直接分析得出需要的結(jié)果，同時(shí)伴隨設(shè)計(jì)調(diào)整，從零件到裝配，甚至指導(dǎo)生產(chǎn)的工程圖都會(huì)關(guān)聯(lián)更新，這是任何一款CAE軟件無(wú)法比擬的。
