动力辊筒线的设计与研究

西南科技大学本科毕业论文 Southwest university of science and technology本科毕业论文动力辊筒线的设计与研究学院名称专业名称学生姓名学号指导教师二一一年六月 西南科技大学本科毕业论文 动力辊筒线的设计与研究摘要：动力辊筒线是生产线上常用的机械输送装备，锥筒式的辊筒一般的长度尺寸都在1200mm以内。但是当遇到所运货物比较大的时候，由于动力辊筒线比较窄，不足以平衡货物，所以这个尺寸根本不能满足实际运送的要求。本文研究的动力辊筒线，其辊筒尺寸达到1600mm，而且具有90的转弯，适合运送板材等大尺寸物品。首先对实际情况进行综合分析，以确定动力辊筒线的相关参数。然后通过ADAMS软件，建立动力辊筒线运动学模型，并对其进行仿真，以确定动力辊筒线能够将板材平稳的运送到指定位置。最后对其进行虚拟样机的仿真分析，准确测出板材从辊筒线转弯处飞出去的临界速度。关键词：动力辊筒线；ADAMS；虚拟样机技术 西南科技大学本科毕业论文 Power roller line design and researchAbstract：Power roller line is commonly used in the production line machinery transport equipment, general roller cone drum dimensions are 1200mm in length or less. But when faced with the large cargo, because of power roller line is quite narrow, not enough to balance the goods, so the size did not meet the requirements of the actual delivery.In this paper, the power roller line that roller size of its reach 1600mm, and has 90 of turn, for delivery of large items such as sheet metal.This first comprehensive analysis of the actual situation, determine the power roller line parameters. And then through the ADAMS software, Established the power roller line kinematics model and simulation to determine the power roller line to the board a smooth delivery to the specified location. Finally, a virtual prototype of its simulation, accurately measure the speed line of sheet metal flying out of the roller corner.Key words: power roller line, ADAMS, Virtual Prototypin 西南科技大学本科毕业论文 动力辊筒线的设计与研究第一章：概述11.1 引言11.2 动力辊筒的基本概述11.3 动力辊筒国内外研究现状21.4 本文研究内容概述51.5 本章小结5第二章 虚拟样机技术及ADAMS软件62.1 虚拟样机技术62.1.1 概述62.1.2 虚拟样机代表性的论述62.1.3 DMSO 虚拟样机定义72.2 ADAMS软件72.2.1 软件简介72.2.2 软件应用72.2.3 ADAMS软件模块82.2.4 特点综合92.3 本章小结11第三章 动力辊筒结构设计123.1 基本设计要求123.1.1 屋面材料情况简述123.1.2 送料任务简述133.2 动力辊筒结构设计153.3 本章小结17第四章 动力辊筒线的运动仿真及分析184.1 动力辊筒线模型建立184.2 动力辊筒运动仿真204.3 可靠分析244.4 本章小结32第五章 proe精确建模335.1 proe简介335.2 模型建立355.3 本章小结40第六章 电机和变频器的参数选择方案416.1 电机的选择416.2 变频器的选择426.2.1变频器分类及控制方式426.2.2 变频器工作原理446.2.3 变频器的选择466.3 本章小结48总结49致谢50 西南科技大学本科毕业论文 参考资料51附录1 CAD图纸52 西南科技大学本科毕业论文 第一章：概述1.1 引言2010年中国动力辊筒线市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励动力辊筒线产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对动力辊筒线行业的关注越来越密切，这使得滚筒转弯机行业的发展需求增大。1.2 动力辊筒的基本概述辊筒线利用按一定间距架设在固定支架上的若干个辊子来输送成件物品的输送机。固定支架一般由若干个直线或曲线的分段按需要拼成。辊子输送机可以单独使用，也可在流水线上与其他输送机或工作机械配合使用，具有结构简单、工作可靠、安装拆卸方便、易于维修、线路布置灵活等优点。这种输送机按辊子是否具有驱动装置，可分为无动力式和动力式两类。图1-1 辊筒线其具有结构简单、运行可靠、维护方便、可输送高温物品、节能等特点，适合于运送成件物品。辊子输送机分动力型和无动力型，可以实现直线、曲线、水平、倾斜运行，并能完成分流、合流等要求，实现物品在机上加工、装配、试验、包装、挑选等工艺。1.3 动力辊筒国内外研究现状动力辊筒线在国内外的已经是一项很成熟的技术了。但是国内生产的动力辊筒和国外同类产品还是有一定的差距。这个差距主要体现在国内生产的动力辊筒比较的简单，一般只是一个动力辊筒。在与其他设备的相互嵌入方面做得不够好。滚筒线又称滚筒输送机适用于各类箱、包、托盘等件货的输送，散料、小件物品或不规则的物品需放在托盘上或周转箱内输送。能够输送单件重量很大的物料，或承受较大的冲击载荷。 结构形式：按驱动方式可分为动力滚筒线和无动力滚筒线，按布置形式可分为水平输送滚筒线、倾斜输送滚筒 线和转弯滚筒线。还可按特殊要求特殊设计，以满足各类要求。标准规滚筒线内宽度为200、300、400、500、1200mm等。转弯滚筒线标准转弯内半径为600、900、1200mm等，直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、 60、76、89mm等。 滚筒输送机之间易于衔接过滤，可用多条滚筒线及其它输送设备或专机组成复杂的物流输送系统，完成多方面的工艺需要。可采用积放滚筒实现物料的堆积输送。滚筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便。 滚筒输送机适用于底部是平面的物品输送，主要由传动滚筒、机架、支架、驱动部等部分组成。具有输送量大，速度快，运转轻快，能够实现多品种共线分流输送的特点。 结构形式：从驱动形式上分为有动力、无动力、电动滚筒等，按布局形式分为水平输送，倾斜输送和转弯输送。 尺寸规格：滚筒输送机内宽度根据实际情况确定，转弯滚线标准转弯内半径为300、600、900、1200mm等。直段滚筒所用的滚筒直 径有38、50、60、76、89mm等。转弯滚筒的锥度我们会根据输送物体的重量、外形尺寸、线速度等来设计。 机架材质：碳钢喷塑，不锈钢，铝型材。 动力方式：减速电机驱动，电动滚筒驱动等形式。 传动方式：单链轮、双链轮、O型皮带、平面摩擦传动带、同步带等。 调速方式：变频调速，无级变速等。 设备特点：滚筒输送机之间易于衔接过滤，可用多条滚筒线及其它输送设备或专机组成复杂的物流输送系统以及分流合流系统，完成多方面的工艺需要。可采用积放滚筒实现物料的堆积输送。滚筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便，动力滚筒线考虑链条抗拉强度，最长单线长度一般不超过10米。 动力辊筒线有以下技术参数： 1、输送物体的长度、宽度和高度； 2、每一输送单元的重量； 3、输送物的底部状况； 4、有无特殊工作环境上的要求（比如：湿度，高温，化学品的影响等）； 5、输送机属于无动力式或电机带动式。 为确保货物能够平稳输送，必须在任何时间点都至少有三只滚筒与输送物保持接触。对软袋包装物必要时应加托盘输送。 1、滚筒的长度选择： 不同宽度的货物应选适合宽度的滚筒，一般情况下采用“输送物+50mm”。 2、滚筒的壁厚及轴径选择： 按照输送物的重量平均分配到接触的滚筒上，计算出每支滚筒的所需承重，从而确定滚筒的壁厚及轴径。 3、滚筒材料及表面处理 ： 根据输送环境的不同，确定滚筒所采用的材质和表面处理（碳钢镀锌、不锈钢、发黑还是包胶）。 4、选择滚筒的安装方式 ： 根据整体输送机的具体要求，选择滚筒的安装方式: 弹簧压入式, 内牙轴式, 全扁榫式, 通轴销孔式等。 对于弯道机的锥形滚筒，其滚面宽度及锥度视货物尺寸和转弯半径而定。国外研究产品：图1-2 德国雅茨公司生产的动力琨筒线国内研究产品：图1-3 湖州科尼物流设备有限公司生产的辊道输送系统 1.4 本文研究内容概述本课题来源于教师的横向科研项目“板材送料系统”的子课题“动力辊筒线的设计与研制”。动力辊筒线是生产线上常用的机械输送装备，锥筒式的辊筒一般的长度尺寸都在1200mm以内，本课题研究的动力辊筒线尺寸达到1600mm，并且具有90的转弯部分，是比较具有创新性的设计研究。要求机械图纸一套，仿真优化设计方案一套、电机与调频器的参数选择方案一套。1.5 本章小结本章主要讲述动力辊筒线在国内外的发展和研究状况，并概述了本文主要研究的内容。第二章 虚拟样机技术及ADAMS软件2.1 虚拟样机技术2.1.1 概述虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP)现在还处于发展阶段，他从19世纪80年代兴起的。从目前国内外研究来看，虚拟样机技术应用到不同的领域就有不一样的定义。2.1.2 虚拟样机代表性的论述（1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法 ； （2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现； （3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术； （4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统； （5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。2.1.3 DMSO 虚拟样机定义在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义。DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程.2.2 ADAMS软件2.2.1 软件简介ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近 图2-1 ADAMS软件八千万美元、占据了51%的份额,现已经并入美国MSC公司。2.2.2 软件应用ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。在这里将以Windows 2000版的ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。2.2.3 ADAMS软件模块ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表3-1所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 基本模块 用户界面模块 ADAMSView 求解器模块 ADAMSSolver 后处理模块 ADAMSPostProcessor 扩展模块 液压系统模块 ADAMS/Hydraulics 振动分析模块 ADAMS/Vibration 线性化分析模块 ADAMS/Linear 高速动画模块 ADAMS/Animation 试验设计与分析模块 ADAMS/Insight 耐久性分析模块 ADAMS/Durability 数字化装配回放模块 ADAMS/DMU Replay 接口模块 柔性分析模块 ADAMS/Flex 控制模块 ADAMS/Controls 图形接口模块 ADAMS/Exchange CATIA专业接口模块 CAT/ADAMS Pro/E接口模块 Mechanical/Pro 专业领域模块 轿车模块 ADAMS/Car 悬架设计软件包 Suspension Design 概念化悬架模块 CSM 驾驶员模块 ADAMS/Driver 动力传动系统模块 ADAMS/Driveline 轮胎模块 ADAMS/Tire 柔性环轮胎模块 FTire Module 柔性体生成器模块 ADAMS/FBG 经验动力学模型 EDM 发动机设计模块 ADAMS/Engine 配气机构模块 ADAMS/Engine Valvetrain 正时链模块 ADAMS/Engine Chain 附件驱动模块 Accessory Drive Module 铁路车辆模块 ADAMS/Rail FORD汽车公司专用汽车模块 ADAMS/Pre(现改名为Chassis) 工具箱 软件开发工具包 ADAMS/SDK 虚拟试验工具箱 Virtual Test Lab 虚拟试验模态分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis 钢板弹簧工具箱 Leafspring Toolkit 飞机起落架工具箱 ADAMS/Landing Gear 履带/轮胎式车辆工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle 齿轮传动工具箱 ADAMS/Gear Tool2.2.4 特点综合1. 新的在线帮助系统以及PDF格式文件，方便打印 在 MD Adams中，MSC.Software 引入了一套新的电子在线帮助系统。MD Adams 和 MD Adams/Car 的用户可以使用整个帮助系统。在帮助系统的目录表中，按照模块进行组织，更方便信息的查找和搜索。 对 MD Adams/View 中的命令语言，新加帮助，对 MD Adams/Vibration模块新加了新的理论手册。 为方便打印，帮助文档提供了所有帮助文档的PDF格式。 2. 输出线形模型，可用于在NASTRAN中进行进一步的振动性能分析 MD Adams/Vibration的一个新功能就是Adams2Nastran功能，该功能可以输出线形模型，用于在NASTRAN中进行进一步的振动性能分析。此功能将线性化后的ADAMS模型封装为 Nastran 的DMIG 输入形式。一旦输出完成，用户能够利用NASTRAN强大的频响分析的功能，对系统进行精确的NVH分析和较高频域范围内系统的响应分析。 3. 在3D接触分析中，用于处理球体新的分析方法 当模型中存在3D的球体接触碰撞时，为了得到更为精确的结果，加强了接触计算的算法，即使用真实的几何来代表球体。同旧的将球体表面用小平面表示的方法相比，这种算法解算的速度明显加快。例如，如右图所示的滚珠轴承模型，解算的速度提高3.1倍。 这种算法的另一个好处是接触载荷计算的精度提高。右图所示的曲线图显示旧的算法 （黑色曲线）和新的算法 （红色曲线）所得到的接触载荷的区别所在。 4. 仿真过程中时变累计质量的计算 新版本中开发了新的实用子程序，可以自动地计算仿真过程中时变的系统累计质量。 新的解算器可以完成多体系统质量的计算，包括刚性体和弹性体。 5. 对频响仿真节点的应力和应变结果的曲线绘制 MD Adams 新版本支持绘制由于强迫载荷激励载荷输入引起的在弹性体上应力应变的结果曲线。利用此功能，可以让分析人员快速地进行“what-if”的研究，同时考虑系统多体动力学特性和结构的影响。 6. MD Adams/Car Mechatronics汽车机电模块 MD Adams/Car Mechatronics（汽车机电模块）为新的模块，该模块极大地加强了Adams/Car和 Adams/Controls的集成。新模块的宗旨是在Car模型下标准化控制系统的实现。 使用新的机电模块，你可以很容易地对你的车辆控制系统性能的参数影响进行仿真，控制器的开/关只需要简单地在控制器上切换一下即可。 信号控制器，作为机电模块的一部分，可以在整个系统装配时连接控制系统和机械系统。 7. C+ Solver 支持 Adams/Car Adams/Car 的模型现在可以使用 C+ Solver解算了，用户可以利用新的HHT积分器以提高解算速度。 MD Adams/Tire 和 MD Adams/SmartDriver 模块也支持新的 C+ Solver。 新的 C+ Solver 提供分析偏微分方程的功能，因而精度更高也更稳定。同时还支持基于传动系统建立的一般状态方程（GSE），并改进了包含弹性体和钢板弹簧的模型。 8. 更精确的动态悬架分析 现在，MD Adams 具有的功能可以利用动态悬架试验台对悬架模型完成更为真实的动态悬架分析。此新功能将悬架运动的动态影响考虑在内，因而可以提高仿真的精度。 用户同样可以使用 RPC 格式的文件作为运动驱动，这一点对于悬架系统及其零部件的耐久性能分析则为至关重要的。 9. 用于轮胎分析的新试验台 轮胎试验台更为快速地进行多个轮胎模型的比较。可以为不同的轮胎模型自动地生成轮胎特性比较需要的各种曲线图。这种高度自动化的分析功能界面有助于你对各种轮胎模型的品质以及轮胎数据库快速地分析比较。2.3 本章小结本章主要介绍了虚拟样机技术，其中重点讲述了应用最广泛的仿真软件ADAMS的功能、特点等。第三章 动力辊筒结构设计3.1 基本设计要求本课题来源于教师的横向科研项目“板材送料系统”的子课题“动力辊筒线的设计与研制”。动力辊筒线是生产线上常用的机械输送装备，转弯滚筒线标准转弯内半径为600、900、1200mm等，也可根据需求采用其它特殊规格。直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、 60、76、89mm等。本课题研究的动力辊筒线尺寸达到1600mm，并且具有90的转弯部分。3.1.1 屋面材料情况简述其中屋面2400*1200mm型屋面材料为公司生产的标准产品，尺寸为2400mm*1200mm，重量不大于100kg，厚度为12/10/6/8/4mm，生产过程中表面温度不高于80，2400*1200mm型屋面材料如图12所示。图3-1 堆叠的屋面材料 图3-2 不同厚度的屋面材料 在实际生产过程中，屋面材料放置在搬运小车上，搬运小车置于摆渡车上，在摆渡车上的堆叠高度不大于1200mm。堆叠的屋面材料每隔12块左右有一块不锈钢垫板相隔，特别强调：屋面材料彼此之间有一定粘连，屋面材料的堆叠示意图如图3所示。图3-3 屋面材料堆叠示意图 3.1.2 送料任务简述图3-4 平面图图3-5 实景图图3-6 建模图送料任务为，工人将载有材料的摆渡车推送到接近传输带的某位置，然后启动送料系统，将材料放到传输带上，与此同时将垫板放到增压釜侧面轨道上的小车上面，送料结束后系统停止工作，等待下一次任务。送料平均速度6-10张/m。送料过程要求安全可靠，可监测并识别材料、垫板及小车，将材料和垫板送到预定位置。3.2 动力辊筒结构设计1、滚筒的长度选择： 不同宽度的货物应选适合宽度的滚筒，一般情况下采用“输送物+50mm”。 2、滚筒的壁厚及轴径选择： 按照输送物的重量平均分配到接触的滚筒上，计算出每支滚筒的所需承重，从而确定滚筒的壁厚及轴径。 3、滚筒材料及表面处理 ： 根据输送环境的不同，确定滚筒所采用的材质和表面处理（碳钢镀锌、不锈钢、发黑还是包胶）。 4、选择滚筒的安装方式 ： 根据整体输送机的具体要求，选择滚筒的安装方式: 弹簧压入式, 内牙轴式, 全扁榫式, 通轴销孔式等。5、机架材质选择：一般可以选择碳钢喷塑，不锈钢，铝型材等材质。 6、动力方式选择：通常情况下就选择的动力方式就两种，一种是减速电机驱动，另一种电动滚筒驱动。 7、传动方式选择：传动方式可选择单链轮、双链轮、O型皮带、平面摩擦传动带、同步带等。 8、调速方式选择：调速方式分为变频调速，无级变速等。 9、锥筒的选择锥筒的选择主要考虑两个方面的问题，一个是锥筒的大小，另一个问题就是锥筒的锥度，首先是锥筒大小的确定，锥筒的大小主要考虑的是它所运载货物的重量。这是为了考虑到锥筒的承载能力。其次是锥度的确定，这个问题主要是关系到转弯半径，锥筒的锥度没有设计好，就会影响到板材不能顺利转向的问题。所以锥筒的锥度就应该满足以下关系：锥筒小端的半径/大端的半径=弯道的内径/弯道的外径只有这样才能保证板材在转弯部分顺利转向。通过综合的因素考虑，确定以下的技术参数：1、输送线由一段动力直道线和一条弯道组成。2、动力直道线1，总长3750mm，总宽度为1600mm，总高度为1050mm。3、动力直道线2，总长1250mm，总宽度为1600mm，总高度为1050mm。4、弯道线半径R=1000mm，总宽度为1600mm，总高度为1050mm。5、输送线为两个驱动，功率0.75kw，输送速度为08米/分钟。6、输送线辊面高于机架7mm。7、动力直辊76*2.5焊管表面抛光镀锌，链轮08B13齿双排。8、动力锥辊小端50mm，大端120mm链轮08B13齿双排。9、机架采用120*30*3C型钢剪折，支腿采用60*40*2.5方管焊接表面酸洗喷塑。整体的设计图纸如下图所示：图3-7 俯视图图3-8 主视图3.3 本章小结 本章主要讲述了动力辊筒线的设计要求以及动力辊筒线各项参数的确定。第四章 动力辊筒线的运动仿真及分析4.1 动力辊筒线模型建立ADAMS工作界面：图4-1 ADAMS工作界面第一步是建立机架模型：首先是弯道的建立，由于在ADAMS中圆弧曲线不好建立，所以弯道的建立就只能采用两个圆布尔运算的形式建立一个圆环，然后再次采用布尔运算切出四分之一圆环。同理，就建立好了机架的弯道部分。接下来就是直道部分的建立，直道是通过建立八个点：（ 1000 ， 0 ，3750 ） ，（ 1030 ， 0 ， 3750 ），（ 2505 ， 0 ， 3750 ），（ 2535 ，0 ，3750 ），（ -1250 ，0 ， -1000 ），（ -1250 ， 0 ，-1030 ），（ -1250 ，0 ，-2505 ），（ -1250 ，0 ，-2535 ）。然后拉伸得到。最后同样是拉伸、复制、平移建立九个机脚。机架模型如下图所示：图4-2 机架模型图第二步辊筒的添加：辊筒的添加要麻烦些，主要是定位比较复杂，定位需要对模型的尺寸进行计算，才能找出滚筒的准确位置。定位之后还要对弯道锥筒进行两次旋转，才能完成建模。最后的模型文件如下图所示：图4-3 完整模型4.2 动力辊筒运动仿真首先要为每个辊筒添加一个旋转副约束，需要注意的是：在弯道的时候旋转副的旋转轴要和辊筒保持一致，否则所添加的旋转副就会使辊筒左右前后的摆动，不能达到仿真的效果。接下来就是为每个旋转副添加一个驱动，在这里暂时设置辊筒的驱动为30d/s。最后还要为每根辊筒与板材添加接触。添加完成后仿真前的准备工作就差不多完成了。图4-4 旋转副添加界面 图4-5驱动添加效果图 图4-6 接触添加界面完成后动力辊筒线的坐标方位如下图所示：图4-7 模型在ADAMS中的坐标方位板材分别在X、Y、Z方向上的位置和速度曲线图如下图所示：图4-8 X方向位置曲线图4-9 Y方向位置曲线图4-10 Z方向位置曲线图4-11 X方向速度曲线图4-12 Y方向速度曲线图4-13 Z方向速度曲线根据板材在各个方向的位置和速度图像可以看出，在正常情况下，板材是可以平稳的转向并达到预定的位置。4.3 可靠分析现在我们有个比较关心的问题就是板材在速度达到一定的时候会不会在转弯处飞出去。如果会飞出去，那么这个飞出去的临界速度是多少。所以接下来我们就从板材的速度和位置曲线图分析板材飞出去的临界速度。由于速度和位置图像在临界点以前的大片区域里都是差不的，分析的价值意义并不是很大，所以这里就不从最小速度一步一步的分析。就直接从临界点附近开始分析。由图形在ADAMS中的坐标方向分析，从X方向着手对板材的速度和位置曲线图进行分析是最容易可行的方法。从速度为1800d/s开始分析，X方向速度曲线图如下图所示：图4-14 1800 d/s 速度曲线图4-15 1820 d/s 速度曲线图4-16 1830 d/s 速度曲线图4-17 1835 d/s 速度曲线图4-18 1840 d/s 速度曲线图4-19 1845 d/s 速度曲线图4-20 1846 d/s 速度曲线图4-21 1847 d/s 速度曲线图4-22 各速度曲线对比图从上面的速度曲线分析：辊筒速度在1846d/s以前，板材的速度曲线都比较正常且平稳。但是辊筒速度在1847d/s的时候速度曲线发生了突变。而且转弯过后速度没有达到0，由此可以初步判断：板材飞出去的临界点是辊筒速度在1847d/s这点。为了进一步证实这个推断是正确的而不是偶然，接下来我们对板材的位置曲线进行分析：图4-23 1800 d/s 位置曲线图4-24 1820 d/s 位置曲线图4-25 1830 d/s 位置曲线图4-26 1835 d/s 位置曲线图4-27 1840 d/s 位置曲线图4-28 1845 d/s 位置曲线图4-29 1846 d/s 位置曲线图4-30 1847 d/s 位置曲线图4-31 各位置曲线对比图由板材在X方向上的位置曲线图可以看出，和板材在X方向的速度曲线图一样，在辊筒速度为1846d/s以前，位置曲线图都有恒定不变的时候，但是在辊筒速度为1847d/s的时候，位置曲线图发生了突变。位置曲线一直处于上升状态，这说明板材在X方向上的速度一直都没有达到零。由此可以肯定，辊筒速度为1847d/s的时候是板材在转弯处飞出去的临界点。4.4 本章小结本章首先主要讲述了动力辊筒线的建模过程，建模是后续工作的基础，一个好的模型，可以方便以后的工作。其次就是模型约束的添加和仿真。最后就是动力辊筒的可靠性分析。这个分析主要是从板材的速度和位置曲线图进行。第五章 proe精确建模5.1 proe简介proe是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。1. proe的概述在中国也有很多用户直接称之为“破衣”。1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了全面、集成紧密的产品开发环境。是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性MCAD软件。 2. proe的特点和优势经过20多年不断的创新和完善，pore现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势图5-1 Proe 6.0参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。 例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。4. proe软件的主要模块组成一、 ProEngineer Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功 能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。二、 ProASSEMBLY Pro/ASSEMBLY是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及 可自动地更换零件。Pro/ASSEMBLY是 Pro/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在 Pro/Engineer环境下运行。三、 ProCABLING Pro/CABLING提供了一个全面的电缆布线功能，它为在Pro/ENGINEER的部件内真正设计三维 电缆和导线束提供了一个综合性的电缆铺设功能包。四、 ProCAT ProCAT是选用性模块，提供ProENGINEER与 CATIA的双向数据交换接口，CATIA的造型 可直接输入ProENGINEER软件内，并可加上 ProENGINEER的功能定义和参数工序，而 ProEngineer也可将其造型输出到 CATIA软件里。这种高度准确的数据交换技术令设计者得以 在节省时间及设计成本的同时，扩充现有软件系统的投资。 五、ProCDT Pro/CDT是一个 Pro/ENGINEER的选件模块，为 CADAM 2D工程图提供 PROFESSIONALCADAM与 Pro/ENGINEER双向数据交换直接接口。CADAM工程图的文件可以直接读入Pro/ENGINEER，亦可用中性的文件格式，经由PROFESSIONAL CADAM输出或读入任何运行 Pro/ENGINEER 的工作站 上。Pro/CDT避免了一般通过标准文件格式交换信息的问题，并可使新客户在转入 Pro/ENGINEER后，仍可继续享用原有的 CADAM数据库。 5.2 模型建立Proe工作环境如下图所示：图5-2 proe工作界面首先是辊筒的绘制：图5-3 链轮图5.4 锥筒图5-5 直筒接下来就是机架的建模：图5.6 机架模型板材模型：图5-7 板材模型动力辊筒线装配模型：图5.8 动力辊筒线装配图1图5-9 动力辊筒线装配图2图5-10 动力辊筒线分解视图5.3 本章小结本章主要对proe软件做了简单的了解和简单的介绍了动力辊筒线模型的建立过程。第六章 电机和变频器的参数选择方案6.1 电机的选择图6-1 三相异步电动机首先考虑的是Y系列三相异步电动机，它是按照国际电工委员会（IEC）标准设计的，具有国际互换性的特点。其中，Y系列（IP44）电动机为一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具有防止灰尘、铁屑或者其他杂物侵入电动机内部的特点，B级绝缘，工作环境温度不超过+40摄氏度，相对湿度不超过百分之九十五，海拔高度不超过1000 m，额定电压380 v，频率50 HZ。适用于无特殊要求的机械上，如机床、泵、风机、运输机、搅拌机、农用机械等。根据动力辊筒线的功率输出要求以及其他的因素进行综合考虑，最后选择的电机型号为：Y801-2 。相关参数如下表所示：表6.1 Y801-2 电机技术数据电动机型号额定功率/KW满载转速/(r/min)堵转转矩最大转矩质量/kg额定转矩额定转矩同步转速3000 r/min，2级Y801-20.7528252.22.316注：Y表示系列，80表示机座中心高，2表示电机的级数。6.2 变频器的选择图6-2 变频器6.2.1变频器分类及控制方式低压变频器按照不同的分类标准，可以分为若干类别。按主电路工作方式，可分为电压型和电流型变频器；按开关方式，可分为PAM 、PWM控制变频器；按工作原理，可分为V/F控制变频器、转差控制变频器 、矢量控制变频器等；按用途，可分为普通变频器、专用变频器等。目前，随着低压变频器技术的不断成熟，低压变频的应用场合决定了它不同的分类。单从技术角度来看，低压变频器的控制方式也在一定程度上表明了它的技术流派。V/F控制方式：早期变频器一般都采用V/F控制方式，其中大多数为开环恒压比 （ 电压 / 频率 = 常数 ） 的控制方式。它是基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机磁通量不变的思想提出的。其特点是控制结构简单，尤其适用在风机，水泵上，缺点是低速是因电动机定子电阻和逆变器死区效应的存在而导致调速性能下降、转矩响应慢，比较适合低频调速性能要求不高的场合。正弦脉宽调制（SPWM） 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 但是此种控制方式也是目前变频器普遍使用的控制方式之一。也是目前国产品牌使用最多的控制方式之一。 电压空间矢量（SVPWM） 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。使用矢量控制，可以使电机在低速,出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150）。 直接转矩控制（DTC）方式 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。ABB公司的ACS800系列即采用这种控制方式。 矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。6.2.2 变频器工作原理1、 变频器概述。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 它的主电路都采用交直交电路。JP6C-T9/J9 系列低压通用变频器工作电压为：380690V，功率为0.75800kW，工作频率为0400Hz；JP6C-YZ 系列中压通用变频器工作电压为：11402300V，功率为371000kW，工作频率为0400Hz；JCS 系列高压变频器工作电压为：3KV / 6KV / 10KV，功率为28020000kW，工作频率为060Hz；2、变频原理。从理论上我们可知，电机的转速N 与供电频率f 有以下关系：其中： p 电机极数 S转差率由式(1)可知，转速n 与频率f 成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。3、 节能调速原理一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要，往往运行中要改变风量、水量，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下：当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到80，转速亦下降到80时，则轴功率下降到额定的51，若风量下降到50，轴功率将下降到额定的13，其节电潜力非常大，并有下述曲线、阴影部分表示采用变频器调速方式的节电效果，其节电可达30-40效果十分明显。对不同使用频率时的节电率N%可查表。上述原理也基本适用水泵，可见采用变频调速控制实现节电是有效的、惟 一的途径。变频调速特点是效率高，无附加转差损耗，调速范围大、精度高、无级的。容易实现协调控制和闭环控制，可利用原有异步电动机对旧设备进行技术改造，它既保留了原有电动机，具有改造简单，可靠、耐用，维护方便的优点，即能达到节电的显著效果，又能恒压力的工艺需求，还能减小机械磨损。因此，可理论上认为风机、水泵采用交流调速来实现较大幅度的节能（可达20-50）是种较为理想而实用的方法。4、变频器中PWM 和PAM 的波形调制不同点是什么？PWM 是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。可获得按正弦包络电压波形输出值调制方式。PAM 是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。可获得按一个方波宽窄可变电压波形输出值调制方式。5、变频器电压型与电流型不同点。变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。6、变频器的电压与电流成比例的改变原因。异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要