飞剪机剪切机构的合理设计

D0I:10.13374/i.issn1001一053x.1980.01.005 北京钢铁学院学报 1980年第1期 飞剪机剪切机构的合理设计 机械敢计教研室陈立周 摘 要 本文根据连轧的生产工艺特点，提出飞剪机剪切机构的合理設计要求，並利用 运动儿何学的理论和P曲线，给出了按给定的最佳轨迹曲线及其一系列连杆合理位 置的剪切机构的設计方法。这种方法对于其他同类型的机构设计问题也具有普通的 意义。 一、引 言 在连续式轧钢机的辅助设备中，飞剪机是比较重要和复杂的设备之一。它的任务是将运 行着的轧件按照工艺要求定尺剪断。因此，对于飞剪机剪切机构的设计，不仅要求两个刀刃 具有迎面相碰的剪切动作，而且还要求两个刀刃在剪切过程中平行向前运动，如图1()、 (b)所示。 秋 刀刃这知方问 (a) (b) 图1 根据文献〔1)〔2)〔3)的建议，对剪切机构的最合理要求是： 1,要求刀刃的运动轨迹曲线是一封闭曲线，使在剪切完毕之后，保证刀刃沿着轧件运 行的相反方向返回到初始位置（也有采用不封闭的曲线，但须采取辅助方法将刀刃退回到初 始位置)。 46

北 京 钥 铁 学 院 学 报 年第 期 飞剪机剪切机构的合理设计 机械般 计教研 室 陈立 周 摘 要 本文根 据连轧的生产工 艺特 点 ， 提 出飞剪机 剪切机 构 的合 理 般 计 要 求 ， 业利 用 运 动几 何 学的理 论 和 曲线 ， 给 出了按给定 的最佳轨迹 曲线及其一 系列连杆合 理 位 置 的剪切 机 构 的投计方法 。 这 种方法对于 其他 同类型 的机 构般 计 问题 也具 有普遏 的 意义 。 它 佳 ， 一 、 口 在连续 式轧钢机的辅助设备中 ， 飞剪机是 比较重要和 复杂 的设备之一 。 它 的任 务是将运 行 着 的轧件按照工 艺要求定尺剪断 。 因此 ， 对于 飞剪机剪切机构 的设计 ， 不仅要求两个刀 刃 具有迎 面 相碰 的剪切 动 作 ， 而且还 要求两个刀刃 在剪切过程 中 平 行 向前运动 ， 如 图 、 所 示 。 、 ， ， 拍 ， 万 丫， 子户 尸样尸一一一 补， 刀刃运初方向 〕 图 根 据文 献 〔 〕 〔 的建议 ， 对剪切机构 的最 合理 要求是 要 求刀刃 的运 动轨迹 曲线 是一封 闭曲线 ， 使 在剪切 完毕之后 ， 保证刀刃 沿着轧件运 行 的相反方 向返 回到初 始位置 也有采用不封闭的曲线 ， 但须 采取辅助方法将刀刃退回 到初 始位 置 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1980．01．005

2.在剪切轧件时，要求两个刀刀除垂直于轧件迎而相碰外，还要求平行向前移动。特 别是对于连续钢坯飞剪机更是如此。 此外，还要求两刀刃有一定的重迭度及侧向间隙，以保证产品的工艺质量和减小剪切 力。 因此，对于飞剪机剪切机构的设计，必须按照刀刀的最佳的轨迹曲线及其一系列的合理 位置来进行。 二、基本理論 根据几何运动学的理论〔4)〔6〕，当某一运动平面S相对于静止平面S。作出两个有限接 近位移S1、S,时，可以把它看作对转动中心P:.2一次转动完成，如图2()所示。显然， 转动中心(P)是运动平面S上位移等于零的点，或者说是与静止平面S。上的一个重合点。 如图2(b)所示，当运动平面沿某运动轨迹曲线ab运动时，可以把它看作由若干位置 A,B…AnB。组成。此时，若以某一运动位置（图上取1位置）选定为参考位置，即可 以得出各位置的转动中心P,2、P,.g…P1.n,这些点的连线称为转动中心曲线P.n,注 脚的前一数码为选定的参考位置，后一数码为位置列的顺序号。P曲线的性质是既属于静止 平面S。上的一条曲线，又属于“参考”平面S1上的一条曲线。 P-2 P-2 (a) (b) 图2 根据这个重要的概念，就可以说明曲柄摇杆机构连杆位置列的转动中心曲线簇的重要关 系。如图3所示，在机构的运动过程中，连杆的位置列是A:B、A,B2…A1B:。,如以 A:,B1,为参考位置，其转动中心曲线P17,m通过连杆平面的B1?点和机架（静止平面）的 B。点，其他位置类推，所以以不同连杆位置m为参考位置的转动中心曲线簇Pm,n,其每一 条转动中心曲线既通过相应连杆位置的Bm点，又通过机架的固定支点B,〔7)，这是由于p· 曲线是静止平面上的点集，又是参考平面上的点集的缘故。 47

在剪切 轧件 时 ， 要 求两 个刀 刃 除垂 直 于轧件迎 而 相碰外 ， 还 要求平 行向前移 动 。 特 别 是对于连续钢 坯 飞剪机更 是如此 。 此 外 ， 还 要求两 刀 刃 有一 定 的重迭 度 毛及侧 向间隙 ， 以保证产品 的工 艺质 量和 减小剪切 力 。 因此 ， 对 于飞剪机剪切机构的设计 ， 必须 按照 刀刃 的最佳 的轨迹 曲线 及 其一 系列 的合理 位里来进行 。 二 、 基 本 理 箫 根据几何运动 学的理论 〔 〕 〔 〕 ， 当某一运 动 平面 相对于静止平 面 。 作出 两 个有限 接 近 位移 、 时 ， 可 以把它 看作对转动 中心 一 次转动 完成 ， 如 图 所示 。 显 然 ， 转动 中心 是运 动平 面 上位移 等于零 的点 ， 或者说 是与静 止平面 。 上 的一个 重 合点 。 如 图 所示 ， 当运 动 平面 沿某运动 轨迹 曲线 运 动 时 ， 可 以把它 看作 由若千位 置 ” · … 。 组成 。 此 时 ， 若 以某一运动 位 置 图上取 位置 选定为参 考位 置 ， 即可 以得 出 各位置 的转动 中心 、 … … 。 ， 这 些 点 的连线称为转动 中心 曲线 。 ， 注 脚 的前一数码为选 定 的 参考位置 ， 后 一数码 为位置 列 的顺 序 号 。 曲线 的性质是既 属 于 静止 平面 。 上 的一 条曲线 ， 又属 于 “ 参考 ” 平 面 上 的一 条 曲线 。 含 厂 「 ‘ 梦 ’ 沐冲 讯 图 根 据这个 重 要 的概念 ， 就可 以 说 明 曲柄摇杆机构连杆 位置 列 的转动 中心 曲线簇的重要关 系 。 如 图 所示 ， 在机构的运 动过程 中 ， 连杆 的位 置 列 是 、 … ， 如 以 ， 为参考位 置 ， 其 转动 中心 曲线 ， 二 通过连杆平面 的 ， 点和 机架 静止平面 的 。 点 ， 其他位 置 类推 ， 所 以 以不同连杆位 置 为参考位 置 的转动 中心 曲线簇 。 。 ， 其 每一 条转动 中心 曲线 既通 过 相应 连杆位置 的 。 点 ， 又通 过机架 的固定支点 。 〔 〕 ， 这 是 由于 曲线是静止平面 上 的点集 ， 又 是参考平面上的点集的缘故

三、剪切机构的合理设计 机构设计就是根据生产工艺要求给出的最佳运 动学要求来确定机构的尺寸。现在采用P曲线法来 R(Pas) 解决剪切机构的合理设计问题。 4 如图4所示，根据传动装置中心距A。、剪刃 R.5 的重迭度5，画出要求的刀刃轨迹曲线e及e'。以 13 A。点为圆心对曲线e作外切圆及内切圆得半径R。、 5 R,由此求得 曲柄长 1AB=±(R。-R,) 5 和刀架部分长 80 1 IAE=(R。+R:)。 R 当刀刃沿给定轨迹曲线e运动时，其刀架（实 P.4 际就是连杆平面)的另一点由曲柄A点带动作圆周 运动，这样，为了保证刀刃在剪切区内作平行移 动，必须使其连杆位置列A,E1=A2E2=…= 图3 A。E。=lA为平行的位置列，其余的位置列A。E。…AzE2只要沿曲线e运动即可。 根据连杆位置列A:E,…A12E12,作出转动中心曲线簇Pm·。(图上只取三条，即以 A,E,、A,E。、A,E,为参考位置)，得其交点为B。点。这样求得机架长1。。 利用铵链相对运动原理〔8〕，如图5所示，取A,E,位置为坐标位置（相对静止位置）， 作全等三角形 仔0 B. 6 8 》.7 图4 48

三 、 剪切 机构的合 理 设 计 机构设计就 是根 据生产工 艺 要求给 出 的最佳运 动学要 求来确定机构的尺寸 。 现 在采用 曲线 法来 解决 剪切机构的合理设计 问题 。 如图 所示 ， 根 据传动装置 中心距 。 、 剪刃 的重迭 度 七 ， 画 出要求的刀 刃 轨迹 曲线 及 尸 。 以 。 点为画 心 对 曲线 作外切 圆 及 内切圆得半径 、 ， 由此 求得 曲柄长 。 士 一 和 刀 架部分长 。 女 ‘ 。 当刀 刃 沿给 定轨迹曲线 运 动时 ， 其刀 架 实 际就是连杆 平面 的 另一点 由曲柄 点带动 作圆周 运 动 ， 这样 ， 为了保证刀 刃 在 剪切 区 内作 平 行 移 动 ， 必须使 其连杆位置列 ‘ 二 二 。 。 一 为平行的位 置 列 ， 其余的位 置列 。 。 … … 图 只 要 沿 曲线 运 动 即可 。 根据连杆位置 列 … … 作出转动 中心 曲线 簇 。 图上只 取 三 条 ， 即 以 、 。 。 、 ， 为参考位 置 ， 得 其交点为 。 点 。 这样求得机架长 。 。 。 利 用铰链相对运 动原理 〔 〕 ， 如 图 所示 ， 取 位置为坐标位置 相对静止位 置 ， 作全 等三 角形 门门【」本 ‘ ‘ 必 图

图5 AAE,Bo1=△AE,B'o1 △AE,Bo2=△A1E,B'o2 △A2E12Bo12=△AE,B'og 即可以找出B。点的相对运动位置B'。…B0g,然后用透明例弧样板找出它的逼近圆弧m。 根据低付机构运动可逆性的理论〔9〕，相对运动轨迹m'。的圆心就是连杆一摇杆的铰链 B1点，它的半径就是摇杆的长度。因此，连接A、B,点即为连杆长I1B1,连接B1、B,即 为摇杆长11。三角形A,B,E,即为剪刃刀架。至此，求得剪切机构的全部运动学尺寸。 所设计的机构是否满足剪切机构的要求？这可以用作图方法或用模型作出检验，由图5可 B) 8 B 助e6以 77777 Bor 8助 b 图6 49

牛 土 写权 一 廿 图 △ 。 △ ‘ △ △ ‘ △ 。 △ ’ 。 即可 以找出 。 点的相 对运 动位置 ‘ 。 … ‘ 。 ， 然后 用 透 明圆弧样板找出它 的退 近 圆弧 之 。 。 根据低付 机 构运 动可 逆性的理论 〔 〕 ， 相 对运 动 轨迹 ‘ 。 。 的圆 心 就 是 连杆 一摇杆 的铰链 点 ， 它 的半径 就 是摇杆 的长度 。 因此 ， ’ 连 接 、 点即 为连杆长 。 ， 连 接 、 。 即 为摇杆长 。 。 。 三 角形 即为剪刃 刀 架 。 至此 ， 求得 剪切机构的全 部运 动学尺寸 。 所 设计的机构是 否 满 足剪切机 构的要求 这可 以用 作 图 方 法 或用 模 型 作 出检验 ， 由图 可 图

见，机构E点的实际轨迹是1'、2'…12'，和给定的轨迹曲线e很逼近，只是在8~12位 置误差稍大，但这段的轨道曲线如何並不影响剪切工艺。而在剪切区域内（从1~5位置）， 轨迹曲线基本重合，而连杆的位置均相差1.5°~2°，这完全可以用刀架上的刀刃安装位置来 调整，可以保证剪刃的平行运动，其结构原理如图6所示。 四、结 语 按照给定最佳的轨迹曲线及一系列连杆的合理位置设计机构，是一个难度较大的机构设 计问题，采用一般的机构综合理论〔4〕〔5)〔6)〔9〕是难以解决的。但建立在几何运动学原 理基础上的P曲线法（用图解法，也可以用解析法）可以使这类问题得到比较满意的解答。 本文为飞剪机剪机剪切机构的设计提供了一般的理论与方法。无疑，这种方法也可以推 广解决其他工农业部门中的模仿生物动作的复杂运动轨迹的机构设计问题，这对于实现机械 化是很有意义的。 参考文献 (l)A.M.LennkoB,B.I.CMHPHOB:“ΠpoKaTHbe CTa”Merannyprn3Iat 1958r (2)C.H.KoxeBHHKOB,B.I.KHpHnoK:"CTpyTypHin aHann3 MexaHw3Mon neryux Hoxunn"M.3.B.nep.Meran.1959r N02 〔3)R.Stawertron:“Feysing sheors for bars and Biels”J.of the Iron and steel institute 1958,181,No3 (4)R.Beyer "Kinematische Getriebesy n these"Springer Verlay 1953 (5)M.H.ApTo6onencknA,H.M.JTeBnTcKn,C.A.YepkynnHoB "Cunre nocKHx Mexa3M MocHBa 1959r 〔6)李学荣著“四连杆机构概论”第二册机械工业出版社1963年， 〔7)P.Lohse“Getriebesy n these'”springer Verlagl977, 〔8)陈立周“按照给定运动轨迹曲线设计铰链四杆机构”《起重运输机械》1975 恤5，№6， 〔9)R,S.Harten berg“Kinematic sy nthesis of linkages”l964 50

见 ， 机构 点 的实际 轨迹 是 尸 、 声 … … 了， 和 给 定的轨迹 曲线 很 逼近 ， 只 是在 位 置误 差稍大 ， 但这段 的轨道 曲线如何业 不影 响剪切 工 艺 。 而在剪切 区域 内 从 位 置 ， 轨迹 曲线 基 本 重 合 ， 而连杆 的位 置均 相差 。 。 ， 这 完全可 以用 刀 架 上的刀 刃安装位置 来 调 整 ， 可 以保证 剪刃 的平行运 动 ， 其结 构原理 如 图 所 示 。 四 、 结 语 按照 给定最佳 的轨迹 曲线 及一 系 列连杆 的合理位 置设计机构 ， 是 一个难 度较大的机构设 计 问题 ， 采用 一般 的机构综 合理论 〔 〕〔 〕 〔 〕 〔 〕是堆以解决 的 。 但建立 在几何运动 学原 理 基础 上 的 曲线 法 用 图解法 ， 也可 以用 解析 法 可 以使这 类问 题得 到 比较满意 的解答 。 本 文为飞剪机剪机剪切 机构的设计提供 了一 般的理论与方法 。 无疑 ， 这种方 法也可 以推 广解决其他工 农业 部门 中的模仿生 物动作的复杂运 动轨迹的机构 设计 问题 ， 这 对于实现机械 化 是很 有意义 的 。 参 考 文 献 班 二 ‘ ， 口 。 “ ” 二 二 ，‘ 及 狱 。 “ ， 八 “ 二 “ 了 了 ‘ “ 二 ， ” ” 几 ， 叹 “ 水 班 双， 几 几 掖 ， ， 恤 ‘ 几 几 班 盛， 汀 班 班 众， 耳 几 “ “ 、 几 “ 益 址 ” “ ’ 李学荣著 “ 四 连杆机构概 论 ” 第二 册机械工业 出版社 年 ， ， 陈立周 “ 按照 给 定运 动轨 迹 曲线设计铰 链 四 杆机构 ” 《 起重运输机械 》 报 ， 取 ， ‘ 三， ， 且 ， 沪、产曲、、 ‘、沪、声‘ 〔 〕 〔 〕 、、户、沙 〔 〕