基于田口设计IHI摆式飞剪结构优化

毕业设计（论文） 论文题目 基于田口设计IHI摆式飞剪机结构优化 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2010级机械二班 学生学号 学生姓名 指导老师 完成时间 2014-05-10 目录目录I1引言21.1飞剪机的发展21.1.1施罗曼飞剪31.1.2 翁格尔飞剪41.1.3 桥式飞剪52 IHI摆式飞剪工作原理52.1摆式飞剪的结构52.2 剪切机构62.3 空切机构72.4 同步机构73 IHI 剪切机构运动学模型83.1 同步机构分析83.1.1 机构位置分析83.1.2 机构角速度分析93.2 飞剪本体分析103.2.1 机构位置分析103.2.2 上、下剪刃位置123.2.3 机构速度分析134 IHI 摆式飞剪剪切机构目标函数及约束函数的建立144.1 剪刃水平分速度的优化144.2 剪切平面优化154.3 主要约束条件的建立154.4总体优化设计数学模型165 基于田口法的结构分析175.1 田口方法175.1.1田口方法175.1.2田口方法的特点185.1.3 实验步骤185.2 建立田口直交表186结论277致谢语28参考文献29II2014届机械设计制造及其自动化专业毕业论文基于田口设计IHI摆式飞剪机结构优化 机械工程学院 机械设计制造及其自动化专业2010级 摘要 为了通过田口方法对IHI摆式飞剪机的结构进行优化，首先对摆式飞剪机的构造进行了解，运用复数函数方程的方法对摆式飞剪机的构件建立初始位置的方程，以及对上下剪切刃的位置、切削速度建立方程。通过此方法得出各个杆长与之相对应的摆角的函数关系。通过对飞剪机在剪切时上下剪切刃的运动轨迹，推导出五组变化的杆长以及与之相对应的摆角，通过minitab软件建立在不同杆长下的直交样本空间表，并借组matlab软件计算在以上杆长下所对应的摆角值，随后通过所得到的值以及建立的杆长与摆角的关系函数，建立目标函数，并导入至ADAMS软件进行动态模拟。确定出上下剪切刃的最大以及最小速度。通过对每一组杆长对应的速度，取其平均值。再通过田口方法的目标偏差公式求出速度偏差。根据速度偏差最小值找出最优的一组杆长，再通过ADAMS软件模拟分析，确定速度的超前与滞后，从而得到对IHI摆式飞剪机的结构进行优化的目的。关键词 飞剪机构 ADAMS 矢量法 田口方法 minitab1引言 飞剪机是用在连续轧机的轧制线上来剪断横向运动轧件的设备，主要运用于连续镀锌机组、横向剪切机组等机组上。从结构上看，摆式飞剪机可以分为两种：一种是IHI摆式飞剪又称上摆式，另一种是哈尔登摆式飞剪，又称下摆式，可简化为杆件机构。而上摆式飞剪又分为剪切、空切以及匀速三种机构，其中剪切机构最为复杂，其控制与调整一般比较复杂。在摆式飞剪的设计中，必须满足以下几个基本要求：）剪切刃不仅能够同时完成移动和剪切两个动作外，而且为了避免出现“堆钢”和“拉钢”情况，故轧件运动的方向上其瞬时速度必须与轧件的移动速度的比值应相等或者大于至左右，。） 上、下剪刃有一定的开口度、重合度，以保证轧件能正常切断。） 在上、下剪刃剪切过程中，刀刃应尽可能与轧件垂直，以保证轧件的剪切质量。针对杆件机构几何特性的设计以及运动轨迹分析，传统方法为CAD作图法。该方法需要设计人员具有一定的杆件设计基础，同时需要花费较多时间，还很复杂，并且得到的结果精度有限，而且以复变函数的方法推导出机构的几何位置以及初始的剪切速度，也不能得到其在剪切过程中上、下剪刃的运动特性曲线以及轨迹曲线3。基于Matlab编程数值计算方法，得到了剪切机构剪刃的运动轨迹图和速度变化图，但编制程序比较复杂，不易掌握，且得到的数值结果比较有限。而本次设计的目的就是通过田口设计方法在机构保持不变的情况之下，通过上下剪切速度的反映情况来对整个机构进行优化设计，找出最大速度最小速度的超前与滞后。从而以验证设计的优化的真实性、可靠性。1.1飞剪机的发展飞剪机在冶金工业的生产设备占有重要地位。飞剪机就是指不仅能够横向剪切运动中的轧件外，还能够满足用户规定的尺寸要求的设备。因此，必须具备以下三个必要条件：1、能够满足用户规定的尺寸要求；2、在剪切时其刀刃的水平速度要与轧件速度相同；3、为了能够提高生产率，剪切的速度还要能够与生产线上的其它设备相互匹配。由于必须要满足此三项要求，故就决定了飞剪机机构的复杂性。飞剪机的种类包括有板带钢精轧生产线的飞剪机、滚筒式飞剪机、板坯飞剪机、型钢飞剪机、切头飞剪机、碎边飞剪机等六大类。 图 1 1 轧钢精轧线机组典型布置如图1 1所示，在此图中可以看出，该飞剪机是通过直流电机所驱动。带钢的运动方向为箭头所指向的方向。 ( 1)而（1）式表示为定尺长度公式，在此式中， n 飞剪主轴转速； v0 送料辊出口带钢运行速度； l 定尺长度； t 飞剪两次剪切的间隔时间； k 倍尺系数； (a) 施罗曼飞剪 (b) 翁格尔飞剪 (c) 桥式飞剪图 1 2 三代飞剪机机构简图1. 主动曲柄 2.上刀架 3.下刀架 4、5.空切( 倍尺) 曲柄 在一般情况下，带钢速度v0不变( 通过无级变速箱调整而得)；l的改变，由倍尺系数k和飞剪机主轴转速n两者共同来决定。因此，在改变主轴转速n的时候，势必会出现刀刃的水平速度与带钢的运动速度的不能够发生同步的情况；又因为倍尺剪切(又称空切)是通过其倍尺机构来完成的。因此，此类机构基本上是通过倍尺机构以及匀速系统来构成的；而常用的匀速系统又包括径向匀速机构、双曲柄匀速机构等。飞剪机结构复杂的原因还因为空切机构的形成是通过对其下刀座曲柄的长度的组合进行调整来得以完成的。以下为国内引进的三代飞剪机机构简图，如图 1 2 所示。1.1.1施罗曼飞剪 施罗曼飞剪又称双曲柄摇杆式飞剪机，它是我国引进的第一代飞剪机，由图 1 2a 所示。它所用的机构就是所谓的径向匀速机构。而图 1 3 中的结构简图就正好说明了这种机构的复杂性。在正常剪切时，其中径向啮合齿轮对a、b都是各自啮合的。主电机1经轴O1，通过径向啮合齿轮对a，再经轴O2带动上刀座运动。与此同时，R为O1- O2 间直线偏心距离，并且O3处是脱离了的。为了改变O1与O2的相对位置，即改变R的目的，就是改变R值来改变定尺寸长度，又由于啮合齿轮a、b处于分离的，齿轮对b的左片径向齿轮(内有大齿圈)与齿轮对a的右片径向齿轮是背靠一起在O3处相铰接触，进而通过液压马达5经过一对内外齿啮合的齿轮使其绕O3旋转。当调整好R后，径向啮合齿轮对a、b则会再次各自啮合在一起，则O3处会发生脱离，于是又开始发生新的剪切。由于此机构不是无级调整，往往在此调整之后，要经过无级变速箱等手段，再一次进行微调带钢的送料速度。而图中的倍尺机械变速箱 6、机械偏心机构7以及机械偏心机构 8 主要是用于空切即倍尺。而其中的液压偏心机构7与机械偏心机构8又是联合使用，故可以通过他们来整倍数的改变剪切带钢的长度。图 1 3 施罗曼飞剪结构简图1.主电机 2.径向啮合齿轮对a 3.径向啮合齿轮对b 4.上刀座 5.调整主轴偏心 R 的液压马达 6.倍尺机械变速箱 7.下刀座液压摆动偏心机构 8.下刀座机械偏心 9.下刀座1.1.2 翁格尔飞剪 上面所讲述的传动系统与匀速系统，使得飞剪机结构的复杂性可见一斑。在引进后的几年间的时间里，飞剪机的上、下刀座都不断出现过开焊、上刀梁断裂等事故2。如图 1 2b 所示就是第二引进的代剪切机 翁格尔飞剪机。随着控制技术、大型伺服电机制造以及交流变频技术等电机技术的发展，为那些对生产工艺要求复杂的飞剪机的技术的进步起到了推动作用。其工作机构是由两个四杆机构和上下刀座组成。该机构完全取消了以往飞剪机的倍尺机构和匀速机构；并利用了先进的电气控制技术，简单明快地满足了生产工艺对于飞剪机的要求。换句话说，它是完全由电气自动控制系统来保证所需的倍尺系数k和两次剪切时间间隔t，而不再是通过复杂的机械变速机构与倍尺机构后再来改变定尺长度公式中的两次剪切时间间隔t和倍尺系数k。根据计算机发出的指令和检测信号，直接通过伺服电机来驱动飞剪机主轴，同时还能够实现剪切带钢时，实现速度同步的要求；飞剪机的主轴在两次剪切的间隔时间内是做变速运动的。所以在生产实践中，操作简便，为了能够达到定尺调长的目的，则只需要给计算机输入一个相应的参数即可。由于飞剪机的上下刀座均用高强度低质量密度的材料制造，使得飞剪的动力学性能更好、机构便于自动控制。从飞剪机设计来说，电机及电气控制技术的发展足以用简单机构满足复杂生产工艺对飞剪机的要求，理应引起我们的充分注意，这可以说是一个根本变革性的设计思路。但是，在第三代飞剪机中又已经引进了。1.1.3 桥式飞剪桥式飞剪为第三代引进的飞剪机，如图 1 2c 所示。从根本上讲，第二、三代飞剪机是同属于一个技术等级的飞剪机，它们所使用的电气及控制技术原理都是相似的；可是第三代飞剪机的机械机构设计则明显比第二代飞剪机要好得多。从上面的机构简图可以看出，桥式飞剪机是五杆机构，是通过偏心距相等的曲轴来驱动箱型的上、下刀座( 梁)进行运动的；其上下刀座的同步性、运动的确定性是通过一个简单的桁架相互联接的。因此，第三代飞剪机构相对与第二代就更加简化了，传动链也更为简洁。第二代飞剪机在生产实践中，曾出现过上刀梁断裂事故；但是第三代飞剪机的上下刀座( 梁) 的箱型结构不仅加强了上下刀梁的强度和刚度，同时对于刀梁对于材料的要求更低了，进而节约了成本。使其动力学性能更加优越。引进的第三代飞剪机给我们的重要启示是：高效利用先进的电气化技术以及不断追求机械机构设计的最佳化。2 IHI摆式飞剪工作原理2.1摆式飞剪的结构摆式飞剪由主电动机、飞剪本体、矫直机本体、矫直机分配箱、无级变速箱、传动箱等几个主要部分组成。此机构还设有均速机构（包括相位角的调节及指示装置）以及自动测量带钢长度装置等。如图2 1为摆式飞剪本体结构简图。图2 1 摆式飞剪本体结构1.上刀架 2.下刀架 3.空切偏心轴 4.连杆 5.空切液压缸 6.空切偏心轴 7.匀速偏心轴 8.匀速连杆 9.摆架当电动机带动主偏心轴6（即主传动轴）旋转时，由于在主偏心轴6、空切偏心轴3以及连杆4的作用下，从而使得下刀架2在摆架9的滑槽内做上、下移动。由于摆架9的摆动，使上下刀片相遇而实现剪切，故上刀架1固定于摆架9上。由于空切液压缸5及齿轮齿条的作用，使下刀架2下降。这样，当摆架9摆动时，使上刀 架1与下刀架2不相遇而实现空切。改变均速偏心轴7的相位角，可改变剪刀速度，从 而实现与带材速度同步，达到均速目的。空切液压缸5上的齿条与空切偏心轴3上的齿 轮相啮合。摆架9与均速偏心轴7之间由均速连杆8连接。均速偏心轴7与主偏心轴6 由同一电动机带动。滑块式摆式飞剪是指由于下刀架2在摆架9 (即上刀架1）的滑槽内滑动而实现剪切的剪切机构，简称为摆式飞剪。其剪切过程：上、下刀咬入剪切分离，这样形成一个剪切区。一般说来，剪切区越小越好。因为剪切区小，剪刀行程小，上下剪刀间的剪切角亦可小些。2.2 剪切机构在如图2 2中，上刀架1是通过上刀架偏心套9和滚动轴承安装在剪切机构主轴8上，并且上刀架偏心套9通过键固定于主轴上，而e1为其相对于主轴8的偏心距；套式连杆3和下刀架2通过用销轴7铰接，同时套式连杆3还依次通过了滚动轴承、外偏心套4和内偏心套5并空套在主轴8上；而内偏心套和外偏心套还可以经过齿轮系M的驱动进行独立运转，从而构成了双偏心轴机构。只有当上刀架偏心套9的偏心距e1在转至最低位置，并且内、外偏心套的偏心同时也转至最高位置时，也就是说要使得上、下刀刃相互重合完成剪切，就要使得3个偏心同时处于同一个垂直的平面上。而其中齿轮M13、M14以及空切轴上齿轮M17、M18驱动内偏心套5进行转动；而带有“十”字形接头盘齿轮M12、M15和轴上的空切齿轮M19、M16以及轴上的齿轮M20、M21来驱动外偏心套4转动的。而这部分驱动齿轮全部设置在空切传动箱25中，为倍尺剪切创造了条件。此外，上刀架1经与其铰接的内摇杆10通过主轴8、摇杆曲柄轴11和带有偏心套的连杆12相连接，从而构成了一对连杆机构。而上、下刀架的往复摆动是通过主轴8转动得以实现。为了实现剪切刃与带钢在水平方向上的同步，故主轴8的转速要通过机构齿轮系S来改变。图2 2 剪切机构及传动系统示意图1、2.上、下刀架 3.套式连杆 4、5.外、内偏心套 6.连杆 7.销轴 8.主轴 9.上刀架偏心套 10.内摇杆 11.摇杆曲柄轴 12.连杆N 13.飞轮 14.电磁离合器 15.安全联轴器 16.手轮 17.无级变速器 18.齿轮电动机 19.飞轮 20.主电动机 21.传动箱 22.匀速(同步)机构 23.齿轮电动机 24.锁紧油缸 25.空切传动箱 26.牙嵌离合器 27.微调电动机 28. 油缸 A、B、C、D.变速换档离合器 E、F、G.空切换档离合器 H.接定尺指示装置 J.接送料矫正分配箱2.3 空切机构 当剪切机构的上刀架和下刀架在作上下往复运动时，上刀架1也会带动下刀架2进行摆动。因此，它们的运动轨迹都是封闭的曲线；当主轴8和外、内偏心套4、5的转速都相同时，即i=nt/nz=1，刀架每摆动一次就会发生一次剪切。此时的剪出板材长度就是基本定尺长度L0，并且可以通过速度比i的变换来实现倍尺剪切，也就是说定尺长度L=KL0(此处K为倍尺系数)。而i的变换又是通过空切换档离合器E、F、G和空切轴、上的齿轮系来实现的。其中，轴驱动活套在主轴8上的内偏心套5，轴驱动活套在主轴8上的外偏心套4；轴左端是通过油缸28来控制牙嵌式离合器26与微调电动机27的相互连接，当27在主电机中不能准确地停在换档位时，才对其进行微调对位。2.4 同步机构从如图2 3中可以看出，滑块式摆式飞剪机是采用双曲柄的同步机构，而双曲柄同步机构就是指从动轴在1周内转角的变化使得瞬时角速度随之产生相应，进而实现剪切时剪刃的瞬时水平分速度与带钢运行速度相，但剪刃的不等速运动会产生较大的的动力矩。在图6中，因O1A和O1B的半径都是R，且二者的回转轴心都是O1，当O1O1与OO重合时，即无偏心距，且调整前的基本剪切长度为剪切长度，则两轴OO与O1O1的运动都为匀速转动。假如改变OO与O1O1二者之间的相对位置所产生偏心距e时，则主动曲柄O1A仍以速度为XA发生等角速度旋转，而从动曲柄O1B的旋转角速度在一周内按一定的规律发生变化。由于与空心轴相连的滑块A和与实心轴相连的滑块B装于一个滑槽中，且两轴旋转周期相等，故空心轴曲柄O1A和实心轴曲柄O1B在一周内，二者的平均角速度相同。当偏心距e为正值时，机构发生倍尺剪切；当偏心距e为负值是，机构的剪切长度小于基本的剪切长度。图2 3 同步机构示意图3 IHI 剪切机构运动学模型IHI摆式飞剪机构是14杆机构，具有3个自由度的4 5。为了便于分析，将此机构分简化成2个机构:1）剪切摆动机构，简称剪切本体，如图3 1所示；2)调整同步的同步机构，简称双导杆机构，如图3 2所示。图3 1剪切摆动机构示意图此机构具有3个原动件，而且也都是匀速转动的:一个是双导杆机构的输入曲柄，剪切机本体的HOC杆与它的输出杆OB通过轴直接相互连。所以在分析机构运动时，可以把这2个杆件简化成为1个杆件来进行分析；而另外的2个原动件分别是JK杆和OJ杆。要能够得到不同空切数，那么直接将它们的角速度按照不同比例的进行组合就行了。在对机构进行运动学分析时，为了简化分析，首先假设各杆的尺寸是已知的，而且原动件的角速度为固定的常数值。以下为通过矢量方程法(或称复数方程法)来求解摆动机构、双导杆机构的运动方程2、3、4、9、14。3.1 同步机构分析3.1.1 机构位置分析为了对结构进行优化设计，那么必须对结构中的各个杆件进行建模。于是通过复数函数的方法对整个机构的杆件的位置以及角度进行建模，从而得出各杆件与角度之间的关系式，进而为设计的下一步的继续进行提供条件和依据。由下图3 2可以看出，双导杆机构为IHI摆式飞剪的同步机构。下面是通过用复数来描述每一个杆件，其中把i表示为复数的幅角，把杆长i表示为复数的模，而在OAO1中，应该满足以下关系: （2）图3 2 同步机构示意图此式中:e表示为同步机构的偏心距。又根据实部、虚部分别相等可以推导出: 杆长r2是变化的，可由余弦定理求得:对于OO1B，满足如下关系式: （3）由于r3与r2是同一构件，且3=2+，4=22-1+，r1=r4，故OBA为等腰三角形，得：3.1.2 机构角速度分析对式(2)，(3) 两边同时求导，得其中:d1，d2为杆1与杆2的角速度，以1，2表示；而滑块相对导杆的速度为dr2。因此，该公式可表示为: (4)其中，1已知。将式(4) 两边同时乘以，经整理，并据复数方程的实部与虚部分别相等，可求得参数2，dr2: (5) (6)为求得机构输出件的角速度，对式(3)2边求导，考虑到4=d4，d3=3=2，可得: 其中:dr3，4是待求量。对上式两边同时乘以一个，考虑到r1=r4，4-3=2-1，经整理后，再分别令实部与虚部相等可求得参数dr3、4: (7) （9）3.2 飞剪本体分析飞剪机本体是一个由具有3个自由度的“十”杆机构组成的，所以相对的比较复杂，由下图3 3所示。在结构上，可以把它看成是由3个原动件和3个基本组(CDE、FGH和MLK)构成的。为了分析简单的需要，将飞剪本体分解成3个封闭环:OJKLMHO、OEFGHO和OEDCO，并对每一个封闭环建立复数方程，这样就可以求出每个构件结点处的位置、速度以及加速度。图3 3 剪切振动机构OEDCO简图3.2.1 机构位置分析 对封闭四边形OEDCO，满足: （9）其中:6=-；7=+-；5已知。利用三角函数可求得A，。对式(9)经整理得到6和7的函数解析式:图3 4 剪切摆动机构OEFGHO简图在图3 4中的封闭环OEFGHO中，将FED(即)、COH(即)、5设为已知的常数，再根据角度关系可以求出: 3.2.2 上、下剪刃位置由图3 4中剪切机构OJKLMHO封闭环可以得出: 其中: ，R1和1分别表示为上剪切刃的位置通过极径和幅角；假如将上剪刃位置用直角坐标表示，则为： (10)而在图3 4中，对于封闭环形OJKLMHO可表示为: (11)在此式中:把LM的长度表示为Q，且为常量；HM的长度表示为P。由于r12，r13，r14是主动件杆长，12，13，14已知，故式(11)中只有15和P是变量。把(11)式的两边同时乘以一个，并且令实部和虚部分别相等，再通过化简可以得到：若将MN的长度表示为S，则下剪刃位置为若将下剪切刃尖点N的位置用直角坐标表示，则可以表示为：(12)图3 4剪切机构OJKLMHO简图若假定3个主动件角位置为不同的值，那么就可以计算出在一个系列中上、下剪刃位置点，于是就可以得到上、下剪切刃运动的轨迹。而剪切刃的开口度为3.2.3 机构速度分析 将(8)式微分，有 (13)把(12)式的两边同时乘以一个，并根据实部相等可以得出: (14)把(12)式的两边同时乘以一个，并根据实部相等可以得出: (15)由图3 3，可得: 对上式两边同时求导，并据12=5，7=8，有 (16)将(15)式的两边同时乘以一个，并根据实部相等可以可得出: (17)将(16)式的两边同时乘以一个，可以求得出: (18)剪切刃的速度的水平分量即为所要求的量，根据这样来考虑剪切机在剪切时是否会发生“拉钢”或“堆钢”的现象。将式(10)中的X1进行求导，可得: (19)4 IHI 摆式飞剪剪切机构目标函数及约束函数的建立 为满足工艺要求，那么在飞剪机的结构设计中，应该遵循以下设计要求 3、4 :( 1) 为了保证剪切刃在返回时不会阻碍轧件连续移动，故上、下剪切刃的运动轨迹一般情况下均为一定形状的封闭环形曲线；( 2) 上下剪刃必须有一定的重叠量和开口度；( 3) 为使的剪切断面垂直于轧件轴线，故在剪切的过程中，其剪切刃最好是做垂直平面的运动；( 4) 飞剪机必须按照一定的工作制度进行工作，并且能够保证剪切规定的尺寸长度；( 5) 在剪切区域内，剪切刃的水平速度应略大于输送辊道时的喂料速度；( 6) 为减少飞剪机在运动中所承受的负荷，以及提高飞剪机的剪切能力，应尽可能的减少飞剪机运动件的质量以及加速度。以上为对剪切机构建立参数优化数学模型的根据。4.1 剪刃水平分速度的优化 将输送辊喂料速度用V0 表示，将剪刃水平速度用V 1 表示。在剪切区域内，由于上、下剪切刃在完成一次剪切动作的同时，由于允许出现少量的“拉钢” 现象，而且对轧制工艺也是有利的，但不允许出现严重的“拉钢”现象，故剪切刃必须同轧件一起以相等或稍大轧件移动速度的水平速度继续移动，故一般取。出现严重的“拉钢”现象不仅会影响到轧件的剪切质量，还会增加飞剪机的冲击负荷，或者还会使得轧件在送料辊上出现打滑从而导致擦伤轧件表面。若，那么剪切刃就可能会阻止轧件运动，从而产生堆钢现象，使得轧件产生弯曲，甚至使得轧件顶在剪切刃上进而产生缠刀等事故。由此可以看出，剪切刃的水平速度的均匀化是极其重要的，它不但影响着轧件的剪切质量、表面光洁度等，还能够影响剪切机的使用寿命，因此，分目标函数应该为在剪切区域内使剪切刃各位置的水平速度与轧件运动的速度之差累计的最小值。 式中v1表示为剪切区域内第i个点上剪切刃的实际水平速度，并且取轧件的运动的最大速度为106.7m/min= 1778.33mm/s4.2 剪切平面优化在剪切刃剪切轧件的时候，剪刃应垂直于轧件，这样就能使剪切出平整的轧件断面，并且能够保证剪切质量，同时还能够保证剪切刃侧向间隙的均匀化，还能够保证在剪切过程耗能小，延长飞剪机的寿命。为保证在剪切时剪切刃垂直于轧件，可以用摆杆11来实现，故另一个分目标函数为在剪切区域内摆杆11的摆动角度与垂直方向的累计误差的最小值。 式中11为摆杆( r11) 的摆角4.3 主要约束条件的建立 由于优化方案的搜寻空间为将约束条件组成设计变量的取值空间，故对剪切本体的四杆机构OCDEO以及五杆机构OEFGHO，曲柄的存在条件以及传动角的条件来考虑 57 :( 1) 四杆机构OCDEO 曲柄存在条件其中最短杆为r5，由曲柄的存在条件可知: r5 与其它任意一杆之长；r5其它任意两杆之和，即：r5 r6 ，r5 r7，r5 R，r5 + R r6 + r7 ，r5+ r6 R + r7，r5+ r7 R + r6( 2) 四杆机构OCDEO 传动角条件当OC杆旋转角5=0时，即为C点处于OE连线的中间位置，而此时的传动角为最小 ： 当OC杆旋转角5=180时，即为C点处于OE连线的延长线上，而此时的传动角为最大：( 3) 五杆机构曲柄存在条件在此机构中，最短杆为r12，为简化分析，故将五杆机构中的OEFGHO拆分成一个动态的OEF和一个四杆机构OHGFO，并根据曲柄的存在条件可以得出:r12 R，r12 r8，r12 r9，r12 r10r12+ r10 r9+ OFmin，r12+ r9+ r10+ OFminr12+ OFmax0gx(2)=x(6)-x(4)0gx(3)=x(1)-x(11)0gx(4)=x(5)+x(6)-x(4)-x(1)0gx(5)=x(1)+x(6)-x(4)-x(5)0gx(6)=x(1)+x(5)-x(6)-x(4)0gx(7)=0gx(8)=0gx(9)=x(1)-x(2)0gx(10)=x(7)-x(11)0gx(11)=x(8)-x(11)0gx(12)=x(9)-x(11)0gx(13)=x(8)+x(9)-x(11)-x(1)-x(7)0gx(14)=x(8)+x(1)-x(7)-x(9)-x(11)0gx(15)=x(9)+x(1)+x(7)-x(8)-x(11)0gx(16)=-x(2)0gx(17)=-x(3)0gx(18)=x(10)+x(11)+2x(12)-x(13)-x(13)-530.9-21.850 5 基于田口法的结构分析5.1 田口方法5.1.1田口方法 田口方法(Taguchi Methods)是一种由田口玄一教授所创立的知识系统,包括有:1.田口质量工程学，2.田口实验设计法，3.田口商业数据分析法，4.田口部门评价系统，5.田口模式识别技术。 它跟传统的质量定义相比较，有所不同。他将产品在出厂以后为避免可能对社会造成损失的性质，通过“质量损失”来进行对产品质量做定量的描述来定义为产品的质量。而这种质量损失又是指产品在出厂以后后“给社会可能会带来的一些损失”，而这种损失又包括直接损失和间接损失。比如说噪声和空气污染等所带来的直接损失，还有顾客们可能会对产品所表现出来的的不满意度以及由此而可能会导致的某些或某种的销售和市场方面的损失等所带来的间接损失。而如果质量特性的值偏离其目标值越大，那么损失就有可能会越大，也就是说质量会越差；相反，质量就会越好。生产中在对待偏差问题时候，如果运用传统的方法来检测产品，以此来剔除超差的部分或者是严格地控制工艺、材料方面来缩小在产品生产中可能会偏差。但是这方法不仅不经济，而且技术有限。田口方法主要是设计参数方面进行调整，从而使的偏差的起因对产品的功能、性能影响不大，进而以提高产品对其他因素的抗干扰性。由此可见，田口方法是一种聚焦于最小化过程变异或使产品、过程对环境变异最不敏感的实验设计方法，是一种能设计出环境多变条件下能够稳健和优化操作的高效方法。而在本文中，主要是设r5、r6、r7、r9、r10为变化因素，根据其对摆角7、8、9、10、11的影响来确定出它们对机构在发生剪切的时候上、下剪切刀的最大速度和最小速度的偏差值，进而通过田口优化公式来计算出它们的最大和最小速度的偏差率。又由偏差率的最小值来确定出最佳的一组数据，即为最有数据，而这组数据也就是结构最优的数据。5.1.2田口方法的特点 田口方法相对于一些其他的质量工程方法而言，效益高、成本低，它是设计来强调产品质量的提高。而它的特点主要有：(1) “源流”的管理理论。因为源流是指在开发设计阶段，是上游，而制造阶段以及检验阶段则是指下游。如果对开发设计阶段抓好了的话，那么其他的阶段也就相对的简单的多了，管理起来也就没那么难了。(2)产品开发的三次设计法。产品开发设计(主要分为三个阶段，即参数设计、系统设计、容差设计。其中参数设计是整个阶段的核心。该方法不仅能够从根本上解决内、外干扰因素所对质量所引起的波动问题，还能够利用该方法设计出质量好、性能稳定、价格便宜的产品。(3)质量与成本的平衡性。运用容差设计方法不仅能够达到质量与成本的平衡，而且还能够生产出物美价廉的产品，从而从整体上还能够提高公司在整个行业中的竞争实力。(4)新颖、实用的正交试验设计技术。运用动态特性设计和综合误差因素法的先进技术，通过误差因素的模拟各种干扰(如噪声)，不仅具有工程特色，还能提高试验效率，增加试验科学性，其试验试验结果也能达到最优化。此外，采用此方法还可以大大节约费用，从而降低了成本。5.1.3 实验步骤田口方法的实施步骤： 选定品质特性判定品质特性之理想机能列出所有影响此品质特性的因子定出信号因子的水准定出控制因们的水准 定出干扰因子的水准，必要的话，进行干扰实验选定适当的直交表，并安排完整的实验计划执行实验，记录实验数据资料分析确认实验5.2 建立田口直交表 通过ADAMS软件，对整个机构建立动态模拟分析，得出当在倍尺系数K=1和K=2的时候的上下剪切刃的运动轨迹，如图5 1所示。通过对其运动轨迹的分析，可以得出在此机构中r5、r6、r7、r9、r10的长度是变化的而其他的杆长保持不变。于是运用田口统计分析法，以此五组杆长为动态因子，建立样本空间。 （）K=1；（）K=2 图5 1上、下剪刃运动轨迹如果进程有一个输入信号，可以直接用来决定输出信号，优化将涉及确定的控制因素的最佳水平，比输入信号直接控制输出信号要最接近理想关系。这就是所谓的田口方法 21 的动态模型。田口方法的目的是用来减少输出信号的变化过程，通过在输入和输出信号的线性关系，减少噪音。则在minitab软件将五个变化的杆长设为五个变量因子，并在此软件中编写一个25*5的表格，将此作为一个实验样本空间，如图5 2所示。在minitab的DOE统计分析项中对r和摆角建立关系，并进行田口方法分析。在此样本空间中是以各杆长长度的变化为变量因子，从而确定出杆长变化时个角度所产生的变化。图5 2 田口样本空间 IHI飞剪的模型采用文献5中的数据，相应的参数如下：r570mm，r6948mm，r7311mm，r8510mm,r9997mm，r10944mm，r111120mm，r1250 mm，r13 r1425 mm，r15495 mm，LM 74 mm，MN536 mm, TG150mm，1120mm，1000mm，COH158，FED170。在IHI摆式飞剪剪切过程中，主动杆件COH杆、OJ 杆与JK杆作整周旋转运动，12、13、14的位置已知取工作起始位置为5：H点位于y轴负最下方，J点和K点在y轴最上方，即12=13=14 =/2。根据matlab运算程序计算出杆件所对应的角度值。飞剪剪切运动过程比较复杂，借助ADAMS动力学分析软件进行分析67。根据杆在ADAMS中建立IHI摆式飞剪剪切机构的模型，施加约束和驱动，结果模型如图5 3所示。图5 3剪切机构杆件模型故在此项工作中，为确保曲柄机构的存在，r5、r6、r7、r9、r10、确定为五个变量因子如：根据参考数据以及动态模拟分析以及其剪切的运动轨迹，假设设r569mm，r6947mm，r7311mm，r9996mm，r10943mm，这是一组标准数据，并每个因子分别以+/-0.2（minitab的内定变化量）的偏差取值，当一个r在变化时，其余的都保持不变。如：r5=68.8 68.9 69（标准数据） 69.1 69.2 这是他的五组数据，即左右各变动两次。标准值为从而求出对应的摆角（7、8、9、10、11）。因此需要运用matlab软件设计计算的程序。程序分别如下：程序1：clear all； %清变量close all； %关闭所有图像clc %清屏R=1000；r12=50；r8=510；r11=1120；12=75/180*pi；OEH=15/180*pi；fai=171/180*pi；R5_7=；for i=1:5 r5=70+(i-3)*0.1； r6=948； r7=310；r9=996；r10=740； 5=fai-12； % 8=fai-7； 7_1=acos(r52+R2-2*r5*R*cos(5)-r62+r72)/(2*r7*sqrt(r52+R2-2*r5*R*cos(5) ； 7_2=atan(r5*sin(5)/(R-r5*cos(5)； 7=7_1-7_2； 7=7*180/pi； R5_7=R5_7；r5 7；End R5_7R6_7=；for i=1:5 r5=70； r6=948+(i-3)*0.1； r7=310；r9=996；r10=740； 5=fai-12； % 8=fai-7； 7_1=acos(r52+R2-2*r5*R*cos(5)-r62+r72)/(2*r7*sqrt(r52+R2-2*r5*R*cos(5) ； 7_2=atan(r5*sin(5)/(R-r5*cos(5)； 7=7_1-7_2； 7=7*180/pi； R6_7=R6_7；r6 7；End R6_7R7_7=；for i=1:5 r5=70； r6=948； r7=310+(i-3)*0.1； r9=996；r10=740； 5=fai-12； % 8=fai-7； 7_1=acos(r52+R2-2*r5*R*cos(5)-r62+r72)/(2*r7*sqrt(r52+R2-2*r5*R*cos(5) ； 7_2=atan(r5*sin(5)/(R-r5*cos(5)； 7=7_1-7_2； 7=7*180/pi； R7_7=R7_7；r7 7；End R7_7程序2：clear all； %清变量close all； %关闭所有图像clc %清屏R=1000；r12=50；r8=510；r11=1120；12=75/180*pi；OEH=15/180*pi；fai=171/180*pi；r5=70；r6=948；r7=310；R9_9=；for i=1:5 r9=996+(i-3)*0.1； r10=740； 5=fai-12； 7_1=acos(r52+R2-2*r5*R*cos(5)-r62+r72)/(2*r7*sqrt(r52+R2-2*r5*R*cos(5) ； 7_2=atan(r5*sin(5)/(R-r5*cos(5)； 7=7_1-7_2； 8=fai-7； m=sqrt(r122+R2-2*r12*R*cos(12)； l=sqrt(m2+r82-2*r8*m*cos(8+OEH)； 9=2*pi-8-acos(r92+l2-r102)/(2*r9*l)-acos(l2+r82-m2)/(2*l*r8)； 9=9*180/pi； R9_9=R9_9；r9 9；End R9_9 R10_9=；for i=1:5 r9=996； r10=740+(i-3)*0.1； 5=fai-12； 7_1=acos(r52+R2-2*r5*R*cos(5)-r62+r72)/(2*r7*sqrt(r52+R2-2*r5*R*cos(5) ； 7_2=atan(r5*sin(5)/(R-r5*cos(5)； 7=7_1-7_2； 8=fai-7； m=sqrt(r122+R2-2*r12*R*cos(12)； l=sqrt(m2+r82-2*r8*m*cos(8+OEH)； 9=2*pi-8-acos(r92+l2-r102)/(2*r9*l)-acos(l2+r82-m2)/(2*l*r8)； 9=9*180/pi； R10_9=R10_9；r10 9；End R10_9则得出数据，并通过建立了minitab建立的田口样本空间表和matlab计算而得出的数据进行整理出算出的每组数据的结果后，将这些数据录入至田口样本空间表内，形成一个直交表，如表5 1所示。 其中，令A=r5、B=r6、C=r7、D=r9、E=r10。而A1=68.8mm、A2=68.9mm、A3=69mm、A4=69.1mm、A5=69.2mm；B1=946.8mm、B2=946.9mm、B3=947mm、B4=947.1mm、B5=947.2mm；C1=310.8mm、C2=310.9mm、C3=311mm、C4311.1mm、C5=311.2mm；D1=995.8mm、D2=995.9mm、D3=996mm、D4=996.1mm、D5=996.2mm；E1=942.8mm、E2=942.9mm、E3=943mm、E4=943.1mm、E5=943.2mm。从而再根据每一组数据进行组合，再通过ADAMS软件进行剪切机动态模拟，并得出剪切速度速度的变化情况。根据每一组数据计算出各值所对应的摆角（）值。 表5 1 田口直交表 在设立了田口正交表之后，再建立影响因素及水平表（如表5 3）和实验结果表（如表5 4至5 8）。而实验所得出的结果也基本都是将matlab软件计算出来的结果以及minitab软件建立的田口正交表导入至ADAMS软件中进行模拟运算出得出的结果。其中在ADAMS软件中建立关于此机构的函数关系以及其速度公式，分别为：目标函数： g=G（r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，r12，r13，r15 ，） fj(r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，r12，r13，r15，）（j=1，2。，m） min/max g=G(r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，r12，r13，r15，），S.t. f1（r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，r12，r13，r15，）， f2（r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，r12，r13，r15，）， fj（r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，r12，r13，r15，）速度公式： g=G(v-1778.33)/1778.33 通过上面步骤可以得出每组数据所对应的上、下剪切刀的最大速度以及最小速度分别为多少，然后列出以下表格。如表5 2所示表5 2 上下刀剪切速度速度偏差公式： 根据表5 2所得出的数据，分别计算出r5、r6、r7、r9、r10的每个数据所对应的剪切刃最大速度和最小速度的的平均。然后在列出个干所对应的杆长与剪切速度，并通过速度变化率公式分别加算出上下剪切刃的值，最后将算出的速度以及值列入表格内，由表5 4至5 8所示。然后通过表格中的最小值所对应的数据找出所对应的杆长值，即为最优值。这样就达到了通过田口方法来对IHI摆式飞剪机的结构优化的目的。而得出的杆长值即为最优组。表5 3 杆长因素即水平表表5 4 r5的实验结果及表5 5 r6的实验结果及表5 6 r7的实验结果及表5 7 r9的实验结果及表5 8 r10的实验结果及6结论 根据以上过程得出的结论和分析为：） 分析推导了IHI摆式飞剪剪切机构的几何位置解析公式，有助于机构的几何特性和运动特性分析。） 通过matlab软件计算出了各杆件所对应的5*5组的摆角值。） 根据对剪切本体的四杆机构OEDEO和五杆机构OEFGHO 曲柄的存在条件和传动角条件作为约束条件8，利用ADAMS软件对飞剪剪切机构优化设计，并将田口正交表以及计算出的杆长和摆角的数据录入ADAMS软件中进行模拟分析出各对应的上下剪切刃剪切时的最大值和最小值。从而得出的最优的杆长分别为：r569mm，r6947mm，r7311mm，r8510mm，r9996mm，r10743mm，r111120mm，r1248mm，COH158，FED171。优化后上剪刃的水平方向最大剪切速度为1810mm/s，相对钢板水平移动速度超前1.81（原设计超前1.31），最小剪切速度为1773mm/s，相对钢板水平移动速度滞后0.45（原设计滞后1.72）。上剪刃水平方向平均剪切速度为1791mm/s，相对钢板水平移动速度超前1.01（原设计滞后0.41），改进后更加符合设计要求，同时有利于轧制工艺。7致谢语首先，需要感谢的是我的指导老师，在百忙之中能抽空给我讲解有关于论文中所要用到的知识，并对我的论文进行指导。其次是我的同学们，在他们的帮助下，我的论文也才能够顺利的完成。最后，也要感谢学校的任课老师们，正因为有了你们的教导和帮助，我才能够知道如何去运用所学到的知识去做好自己的毕业论文。同时，我也要感谢评审老师给予我的论文指导，正是老师们认真严谨的教学态度，帮助我完善毕业论文并提高了我的专业理论水平，在这里，我要向他们表示深深的谢意。另外，我还要感谢在完成论文过程中给予我帮助的同学和朋友，也特别感谢 对我的启迪。总之，我在论文过程中得到很多帮助，感谢所有帮助过我的人。时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋渐进，毕业论文的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！你们孜孜不倦的教诲！参考文献1 冶金工业部有