[科普中国]-圆盘剪切机

简介

作为机械加工的第一道工序，剪切加工在实际生产中被广泛采用。随着加工产品形式的多样化，传统的只能完成简单剪切的剪切设备已经不能满足实际需求。例如在冷弯成型领域中，柔性冷弯产品需要成型板料沿纵向尺寸是变化的，因此高精度的变宽度剪切机是柔性冷弯成型重要的前序设备。我校设计制造的具有自主知识产权的变宽度圆盘剪切机实现了对板材的变宽度剪切，不仅为柔性冷弯成型提供变宽度板料，也为其它有变宽度剪切需求的应用提供了有效的解决方案。仿真技术在机械系统中的应用非常广泛，在产品或设备的前期设计中对原理与性能进行分析与验证，以保证产品或设备满足设计要求。随着系统分析的细化与软件技术的进步，越来越多的仿真研究采用软件联合应用的方式，以充分利用各类软件的特点与优势，实现对系统进行综合分析的目的，即联合仿真。例如在三维造型软件SolidWorks 或Pro/E 中进行三维建模，然后在ADAMS 中进行运动学与动力学分析，使造型的便利性与强大的分析功能相结合，为改善系统性能提供依据。此外，利用MATLAB 软件强大的计算功能与成熟的控制系统分析功能，对机械系统分析中的非线性因素以及控制算法加以仿真，使仿真技术向机电一体化方向发展。

这里设计制造的变宽度圆盘剪切机具有三个自由度，能够实现任意轨迹的剪切。由于采用圆盘剪切，所以机械结构与工作原理相对复杂，同时剪切过程中还受板料速度的影响，这些都为高精度剪切控制带来了一定挑战。因此，需要在虚拟环境下对样机工作原理进行深入研究，同时检验控制方法的合理性，而这些工作在三维造型软件所提供的仿真环境中是无法实现的。采用SolidWorks 造型平台建立变宽度圆盘剪切机的虚拟样机，采用LabVIEW开发平台编写控制虚拟样机运动的驱动程序，利用MechatronicsToolkit 接口模块将虚拟样机平台与实时控制平台相连接，实现LabVIEW 对SolidWorks 下虚拟样机的运动轨迹控制，即LabVIEW-SolidWorks联合仿真，从而更直观有效地对剪切机的运动规律进行分析，设计出合理的控制律，节约由仿真到实时控制的时间成1本。

圆盘剪切机的传动原理圆盘剪板机由主机和尾座两部分组成，主机主体为右侧的深喉口结构。传动箱内有齿轮变速机构.变速机构有三种速度。上、下国盘刀片由齿轮、链轮传动.下圆盘刀片为齿轮传动。两个圆盘刀片呈45°分布。以利曲线剪切。剪切间隙靠上、下刀盘系统的蜗轮一螺旋机构实现。

圆盘剪切机剪切圆形坯料的工作原理将被剪切的坯料夹在压料定心盘上.尾座上的夹紧机构通过棘轮和丝杠控制夹紧力，井能绕压料定心盘中心转动。尾座上的移动丝杠用来调节压料定心盘中心主圆盘剪刀的距离，也就是剪切圆形坯件的半径。通过上、下阅盘剪刀的旋转，完成园形坯件的剪切。剪切任惫曲线形坯件时，夹紧机构只起支承作用，依据划线由人工送进。目盘剪切机也可以剪切条料，但是剪切后条料弯曲度较大2。

变宽度圆盘剪切机结构变宽度圆盘剪切机为三自由度剪切机结构：剪刀盘位于X 平动机构上，实现沿板材X 方向的变宽度剪切；为保证剪刃始终与板材垂直，剪刀盘需要沿Z 轴的转动；同时为保证对任意曲率板材的剪切，考虑到剪刀盘的回转半径为固定尺寸，需要剪刀盘可以沿Y 方向（板材运动方向）移动。传动机构中除Z 方向采用蜗轮蜗杆结构外，其余均为丝杠—丝母结构。

根据以上结构，为实现剪刀盘点高精度定位定速，采用5 个伺服电机分别驱动以上3 个自由度上的5 个电机。于是该剪切机就可以根据实际需求，以高精度剪切出对称或非对称、具有任意曲率的板材，剪切轨迹3。

轨迹仿真构架的建立与实现在SolidWorks 中建立剪切机虚拟样机后，其运动分析插件COSMOSMotion 可进行基本的运动学及动力学仿真，初步分析剪切机的运动特性。但由于COSMOSMotion 电机驱动函数类型较单一，并且对于复杂轨迹的数据加载十分困难，尤其是同时驱动多电机且电机之间需要协同运动时。因此，分析复杂机构的运动轨迹时，COSMOSMotion 仿真环境具有一定的局限性。变宽度剪切机的实时控制平台采用具有虚拟仪器思想的高性能模块化硬件集成平台—PXI 控制器与图形化软件LabVIEW。LabVIEW 以严格定义的概念构成了一种易于理解和掌握的硬件和软件模块，并提供了一个理想的程序设计环节，较传统的文本语言，节约程序的开发时间。

LabVIEW 开发了电机专用控制模块—MotionAssistant，能够方便地实现电机的直线及圆弧控制。借助NIMechatronicsToolkit 接口工具包，可以将LabVIEW 中的电机驱动函数加载于SolidWorks 虚拟样机中，使其能够按照LabVIEW 中所设计的控制参数动作，从而实现LabVIEW-SolidWorks 的联合仿真。通过联合仿真，不仅能够协调多电机同时进行控制，还能够深入剖析剪切机的工作原理及运动规律，实现对复杂剪切轨迹的仿真，进而分析影响剪切轨迹精度的各种因素。

1 变宽度剪切机虚拟样机的建立

与其他三维造型软件相比，SolidWorks 简便易用，且具有功能强大、操作便捷、界面友好等特点。在SolidWorks 环境下对剪切机各零件进行虚拟建模并装配，装配过程严格遵循实际机构配合关系、运动原理，力求使虚拟样机具有与原型机相似的物理特性，为实现运动轨迹仿真奠定基础。鉴于所讨论的仿真着重研究运动控制与运动轨迹，因此只需对影响剪切轨迹的关键运动部件进行原理建模，相应的运动动作通过对其添加约束实现。如X、Y 方向上的传动机构添加移动副实现剪切机两方向的平动；Z 方向上的传动机构添加旋转副与耦合关系实现剪刀箱的转动。实际剪切过程中，剪刀盘的旋转不影响剪切轨迹，故只需对下剪刀盘建模，其顶点运动轨迹即是剪切成型轨迹。建立的剪切机虚拟样机模型。

在COSMOSMotion 中，可通过编辑各约束属性，定义其惯性、添加力、运动类型及驱动运动等仿真控制参数，对虚拟样机进行简单运动分析。LabVIEW 通过控制COSMOSMotion 中的运动副，实现对虚拟样机的运动控制。

2 LabVIEW 与SolidWorks 的连接

NI Motion Assistant 是NI 开发的专用于运动控制的模块，将基本运动类型封装为独立单元，供LabVIEW 调用，提高运动控制应用程序的开发效率。接口模块Mechatronics Toolkit 以项目的形式将LabVIEW 开发的控制程序与SolidWorks 中的虚拟样机连接起来，实现LabVIEW 对SolidWorks 模型的控制。项目浏览器界面，即在此工具包中，NI Motion Assistant 程序与COSMOSMotion Simulation 的接口转换程序列于同一项目下，方便用户的调用。为实现LabVIEW 与SolidWorks 之间的数据交互即程序对虚拟样机的仿真参数加载，程序中的运动轴名称要与相应的约束名称保持一致，并将驱动函数定义为“样条线”，这是实现联合仿真的两个重要因素1。

联合仿真结果分析首先以剪切三斜率板材为例，对虚拟样机轨迹控制过程进行说明。板材的剪切轨迹，图中虚线为板料边界，实线为剪切轨迹，即剪刀盘的运动轨迹为：沿X 方向正向电机迅速运动50mm 后，保持位置不变。当板材行走100mm 后，剪刀盘电机正向转动15°，同时平动电机以板速v0tan15°反向运动，板材行走100mm 后，剪刀盘电机反向转动15°后停止运动，保持当前位置至板材运行100mm。为简化仿真过程，令板材速度v0 为常值，且速度值设为50mm/s。联合仿真界面。指令轨迹与仿真轨迹。

由仿真轨迹可以看出，通过LabVIEW 下的指令设计，完成了对多轴电机的协同控制，实现了对剪切机虚拟样机预期轨迹的控制，包括位置控制与速度控制。由于控制指令考虑了电机的启停特性，因此仿真位移轨迹呈现出S 形曲线特征。此外，仿真时采用电机空载特性，与实际中电机带载后的特性不完全一致，根据负载不同响应速度会产生或大或小的延迟。在实际控制中，可以通过设计控制律来改善系统的动态性能，最大程度降低由于系统过渡过程而产生的偏差，从而提高控制精度。

采用同样方法，对剪切机进行弧线轨迹的仿真，指令轨迹与仿真轨迹。仿真轨迹较指令轨迹略有滞后也是由于电机启停特性的影响，实际中可以添加控制率加以改善。由于剪切弧线的曲率半径与剪切机回转半径相关，因此在实际剪切控制中，需根据轨迹尺寸调整控制参数，以实现剪切机任意轨迹的剪切2。

总结仿真分析是目前对复杂机械结构或复杂控制系统进行分析设计的重要手段与方法。轨迹控制是根据预定轨迹的形态特征分析实际样机各运动轴的协调动作，编写其驱动设备的控制程序，从而实线预定轨迹的控制。对于复杂机械结构而言，任一轨迹的生成都是通过多设备驱动协同完成的。因此，在虚拟环境下仿真运动轨迹，实现设计思想，体现机构动作过程，不仅避免实际调试

可能面临的风险，更为实际控制提供依据。使得对系统有更加深入的了解，从而设计出性能更加优异的物理样机，降低系统可行性验证的时间成本与实际成本。

在SolidWorks 环境下，建立了变宽度圆盘剪切机的原理样机，通过接口模块Mechatronics Toolkit，将剪切机中电机的控制轨迹转换为虚拟样机中电机的驱动函数，使剪切机的原理样机能够进行复杂的轨迹仿真。剪切机轨迹仿真系统的建立，不仅验证了轨迹控制方法，更直观分析了机构复杂的动作过程。仿真过程得到的大量分析参数，有助于深入了解物理样机结构和运动原理，提高系统轨迹控制精度，完善控制律。所采用仿真方法，为其它复杂机构的轨迹仿真分析提供了有效的解决方案3。