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黃河科技學院本科畢業(yè)設計（論文）任務書
工 學院 機 械 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 08 級 1 班
學號 080105007 學生 劉 文 超 指導教師 王 良 文
畢業(yè)設計（論文）題目 GQ50型鋼筋切斷機的結構設計與運動仿真
畢業(yè)設計（論文）工作內容與基本要求（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）以及設計技術要求、注意事項等）
一、設計技術要求、原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）
1、設計要求：
1）建立運動分析模型 ，分析曲柄滑塊機構的位移、速度、加速度。
2）完成50型鋼筋切斷機的結構設計。
3）完成傳動系統(tǒng)的計算機的仿真分析（采用三維軟件建模并仿真）。
2、原始資料（數(shù)據(jù)）：
切斷機的電機，4kw；切斷次數(shù)，28（次/分)；切斷行程：40mm。
3、參考資料
1）筑路機械工程著作；
2）建筑機械雜志。
二、設計目標與任務
設計出滿足要求的鋼筋切斷機，并完成其裝配圖與部分零件圖，查閱文獻資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇。
1、文獻綜述一篇，不少于3000字，與專業(yè)相關的英文翻譯一篇，不少于3000漢字。
2、畢業(yè)設計說明書一份，內容與字數(shù)都不少于規(guī)定的任務量。
3、圖紙若干（折合后不少于A1圖紙3張，可以用計算機繪圖）。
4、包含本次設計的所有內容的光盤一張。
畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范及有關要求，請查閱《黃河科技學院本科畢業(yè)設計（論文）指導手冊》。
三、時間安排
1-4 周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述及總體方案設計。
5-11 周 完成總體設計、完成部分機構的裝配圖及部分零件圖并撰寫說明書。
12-13 周 修改論文、資格審查等。
14 周 畢業(yè)答辯。
畢業(yè)設計（論文）時間： 年 月 日至 年 月 日
計 劃 答 辯 時 間： 年 月 日
專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人簽名：
課題名稱
GQ50型鋼筋切斷機的結構設計與運動仿真
課題來源
教師擬訂
課題類型
AX
指導教師
王良文
學生姓名
劉文超
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
學 號
080105007
一、調研資料的準備
1. 參觀黃河金剛石有限公司的GQ40型和GQ50型鋼筋切斷機，了解鋼筋切斷機的工作原理。
2. 利用圖書館及網(wǎng)絡資源，查閱相關資料。
二、設計的目的與要求
1. 建立運動分析模型。
2. 建立機械的動力學模型。
3. 設計整體結構。
三、思路與預期成果
1、設計思路：
（1）首先查詢大量的相關資料，并熟悉AUTO CAD及Inventor2011繪圖軟件，達到能夠較為熟練的使用，以提高設計及繪圖效率。
（2）根據(jù)畢業(yè)時間的安排，逐步推進設計進程，有不懂之處就盡快與老師進行溝通，得到老師指導并解決問題。
2、預期的成果
（1）完成文獻綜述一篇，不少與3000字，與專業(yè)相關的英文翻譯一篇，不少于3000字。
（2）完成內容與字數(shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設計說明書一份，繪制出各主要零件的工程圖。
（3）建立GQ50型鋼筋切斷機的三維模型，并進行運動仿真。
四、任務完成的階段內容及時間安排
1-4 周 完成開題報告、文獻翻譯及文獻綜述。
5-11 周 完成總體設計，基本完成機構的裝配圖及零件圖，并撰寫說明書。
12-13 周 修正并完善論文終稿，進行資格審查。
14 周 畢業(yè)答辯。
五、完成設計（論文）所具備的條件因素
修完機械設計，工程材料等課程，借助圖書館的相關文獻資料，以及網(wǎng)絡等資源。
指導教師簽名: 日期:
黃河科技學院畢業(yè)設計（論文）開題報告表
課題來源：（1）教師擬訂；（2）學生建議；（3）企業(yè)和社會征集；（4）科研單位提供
課題類型：（1）A—工程設計（藝術設計）；B—技術開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調查報告
（2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題
要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等
目 錄
1．任務書………………………………………………………1
2．開題報告……………………………………………………2
3．指導教師評閱表……………………………………………3
4．主審教師評審表……………………………………………4
5．畢業(yè)設計答辯評審與總成績評定表………………………5
6．畢業(yè)設計說明書……………………………………………6
7．文獻綜述……………………………………………………58
8．文獻翻譯……………………………………………………64
9．光盤
10．設計圖紙
單位代碼 02
學 號 080105007
分 類 號 TH
密 級
畢業(yè)設計
文獻綜述
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
劉文超
指導教師
王良文
2012年 03 月 20
黃河科技學院畢業(yè)設計(文獻綜述) 第 8 頁
鋼筋切斷機運動仿真綜述
摘要
本文調研了最近幾年國內外有關鋼筋切斷機的專利、論文，以及現(xiàn)在的研發(fā)現(xiàn)狀。分析研究鋼筋切斷機的動力學性能是進行鋼筋切斷機設計、改良的理論基礎。為了推動鋼筋切斷機設計創(chuàng)新，縮短鋼筋切斷機的設計周期，在產(chǎn)品試制及完成測試之前明確了解鋼筋切斷機的動力學參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并消除設計過程中存在的缺陷，最大程度地節(jié)省資金和時間。采用計算機仿真技術結合動力學理論，對鋼筋切斷機進行零件三維設計、裝配，建立鋼筋切斷機三維仿真分析模型，模擬鋼筋切斷機運行狀況，對鋼筋切斷機進行仿真分析研究， 以加快產(chǎn)品技術更新。
關鍵詞： 鋼筋切斷機，動力學模型，結構設計，運動仿真
一.引言
鋼筋切斷機是一種各類工程建設領域廣泛使用的設備，在近年來的生產(chǎn)、使用中呈現(xiàn)快速增長的趨勢。國內各相關廠家先后開發(fā)了GQ32型、GQ40型、GQ50型、GQ60型、GQ75型等多個品種的切斷機。隨著建設工程規(guī)模的擴大，建筑質量的要求提高，鋼筋切斷機的規(guī)格有逐漸增大的趨勢。各生產(chǎn)廠家為提高自己的生產(chǎn)產(chǎn)品的技術性能、增加產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢，不斷優(yōu)化結構，努力降低生產(chǎn)成本，并不斷開發(fā)新的品種。但由于未見國內外有關鋼筋切斷機動力學研究的文獻，因而在改良產(chǎn)品設計及開發(fā)新的產(chǎn)品過程中，在產(chǎn)品試制及完成測試之前尚不能對結構的動力學參數(shù)及驅動電機在工作過程中的真實運動情況有比較明確的了解，而電機在工作過程中的速度降是衡量鋼筋切斷機設計質量的重要指標之一。為此，我們首先建立了一種鋼筋切斷機的通用動力學計算模型，使我們在產(chǎn)品的改良設計及研發(fā)新產(chǎn)品的過程中通過AutoCAD完成產(chǎn)品結構圖的設計后，通過聯(lián)機計算的方法就可以清楚的求得所開發(fā)產(chǎn)品的動力學參數(shù)及驅動電機的真實運動情況，可以極大的加快產(chǎn)品的開發(fā)速度及方便的修改產(chǎn)品的結構參數(shù)。相關工作對于提高國內產(chǎn)品技術開發(fā)工作的進度，提高產(chǎn)品的競爭力有一定的積極作用。[6][7][8]
二.鋼筋切斷機簡介
鋼筋切斷機是一種在工程及建筑領域中廣泛使用的設備，由于近年來房地產(chǎn)的迅速發(fā)展，鋼筋切斷機的生產(chǎn)、使用呈現(xiàn)快速增長的趨勢，隨著建筑工程規(guī)模的擴大和對建筑質量要求的提高，對鋼筋切斷機的性能也提出了更高的要求。[9]
目前，國產(chǎn)鋼筋切斷機的典型結構下圖所示，電機通過一級帶傳動、三級齒輪傳動來驅動曲柄滑塊機構帶動活動刀做往復運動，固定在活動刀座上的活動刀片和固定在機體上的固定刀片一起作用完成對鋼筋的切斷。[10]
三.相關專利產(chǎn)品介紹（專利[1][2][3]）
專利[1]的產(chǎn)品是一種以柴油機為動力的鋼筋切斷機，其特征在于將鋼筋切斷機與柴油機相組合、中間用皮帶傳動相聯(lián)接構成一柴油鋼筋切斷機。其優(yōu)點和積極效果是：不需要電力，使沒有電力或者電力不足的地方，也夠使用鋼筋切斷機完成鋼筋的切斷。
右圖所示的是專利[1]產(chǎn)品的結構示意圖：1為鋼筋切斷機機構，2為底架、3為皮帶傳動、4為柴油機、5 和6分別是柴油機4和切斷機1與底架2相連接的連接螺栓。柴油機4和鋼筋切斷機構1都被連接螺栓5和6固定在底架2上，發(fā)動柴油機4通過皮帶傳動3帶動鋼筋切斷機構1的刀具來完成切斷鋼筋的工作要求。
專利[2]的產(chǎn)品是一種改進的鋼筋切斷機。它的箱體由側面箱板和箱底板組裝成封閉型式：其傳動系統(tǒng)采用三軸（六齒輪）三級齒輪傳動結構；而其曲柄桿與滑塊采用鉤型連接結構。這種改進，使箱體制造工藝簡化。由于是三級齒輪傳動節(jié)省了一根中間傳動軸，故而使整機體積縮小了許多，且降低了成本。而曲柄桿與滑塊的鉤型連接方式，不僅結構簡單，而且提高了機械強度，不易損壞，使整機延長了壽命。
專利[3]的產(chǎn)品是一種改進的鋼筋切斷機。包括電機、飛輪、第一級至第四級齒輪傳動裝置、離合器、定動切刀和哈夫式齒輪箱體，第一級齒輪傳動裝置的傳動軸兩端分別套裝有飛輪；哈夫式齒輪箱體以曲軸中心水平線為依據(jù)，由鑄成上、下各一半的兩塊箱體組合而成。本實用新型由于在現(xiàn)有四級齒輪傳動鋼筋切斷機的基礎上，采用哈夫式箱體并在第一級齒輪傳動裝置的傳動軸兩端分別套裝有飛輪，故其故障率低，使用壽命長，阻力大；且安裝、維修方便該專利產(chǎn)品是對國內外產(chǎn)品的一種改進，是一種實用新型的鋼筋切斷機，該產(chǎn)品主要包括電動機，飛輪，第一級至第四級齒輪傳動裝置、離合器、定動刀片和哈夫式齒輪箱體，起主要特別之處在于：第一級齒輪傳動裝置的傳動軸兩端分別裝有飛輪。具體結構如上圖。
四. 鋼筋切斷機幾個主要部件
(1) 刀口裝置（專利[4]）
專利[4]指推動刀口軸桿的偏心軸外圍裝設有方形滑塊，于偏心軸轉動時能使方形滑塊上下移動，進而使刀片軸桿以平面方式向外推動或拉回，使鋼筋的切口平直，并于切斷鋼筋后，偏心軸拉回軸桿撞擊偏心軸的力，形成面的使受力點平均，降低偏心軸的耗損，且該偏心軸與推動齒輪間設有一固定隔板，以避免撞擊的同時造成齒輪的偏移而損壞，該刀口軸桿的另一側設有一活動隔板，能增進維修時的便利性。
(2) 離合器組件（專利[5]）
專利[5]鋼筋切斷機的曲軸離合器。該器包括曲軸、內齒輪、大齒輪和安裝在兩輪內接之間的活動銷齒機構。該機構又由轉銷軸、轉銷齒、撥動擋板、拉簧和伸縮擋銷組成。通過操縱轉銷齒接觸于大齒輪的轉銷齒推槽內而使大齒輪帶動內齒輪和曲軸轉動。或操縱轉銷齒接觸于內齒輪的轉銷軸槽內而使內齒輪脫離大齒輪，使大齒輪空轉。該離合器可適用于切斷機、沖床、剪切機床上，其具有離合平穩(wěn)、體積小、結構緊湊的優(yōu)點。
五. 鋼筋切斷機存在的缺點和問題
目前，國內外現(xiàn)有的鋼筋切斷機，就其傳動方式分為兩種類型：一種是開式傳動，一種是閉式傳動。[11]開式傳動的形式，其軸、齒輪等主要傳動件都要暴露在外，各傳動件均要靠人工加油，極為不方便。閉式傳動的形式，主要傳動件均安裝在機器箱體內，形成整體密封，其機體為整體構件，加工工藝復雜。國內外的鋼筋切斷機主要存在以下幾個問題：
(1) 用電動機作原動機的鋼筋切斷機和用柴油機作原動機的鋼筋切斷機，所用的原動機不能代換，這給使用帶來了一定的不方便。
(2) 國內外使用的全封閉結構的鋼筋切斷機的活動刀處采用上開蓋的機體，大都是采用的是減速器結構，用螺栓連接，而這種結構的剛性較差，而且在結合面處加工困難，并且常常漏油。而機體采用整體式結構的鋼筋切斷機，活動刀處采用的是側開蓋結構，由于切斷機工作時所受的側向力很大，常常損壞。
(3) 國內外所使用的鋼筋切斷機在空套齒輪與軸結合處，常常容易損壞。
(4) 國內外所使用的鋼筋切斷機，其離合器操縱機構只有一種方式，即腳踏式，這不適應于不同習慣的操作者和不利于緊急情況的操作。
(5) 國內外所使用的鋼筋切斷機，大都采用的是小功率的電動機，工作主軸的偏心距也很小，這樣在剪切公稱直徑范圍內的不同直徑的鋼筋時，就要更換刀片或者在刀片的后面加減刀墊，才能完成剪切不同尺寸鋼筋的切斷要求。
(6) 國內外所使用的鋼筋切斷機，其固定刀片側隙的調整是靠人工選配尺寸固定的刀墊來實現(xiàn)的。
六.鋼筋切斷機的改良方向
真對鋼筋切斷機存在的這些問題，提出以下改良方向：
（1）結構與造型的改良。
目前的鋼筋切斷機有閉式與開式兩大類。開式由于體積大，搬移不便、潤滑差等，已經(jīng)很少生產(chǎn)使用。而閉式結構的體積雖較為緊湊，但存在的主要問題是在傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，維修不太方便。目前在市場上出現(xiàn)了一種在整體閉式結構上的改良設計。[12][13]即將機體一側的1/2～1/3設計為可拆卸結構，這種結構雖然在加工上增加了工序，但鑄造環(huán)節(jié)更簡單，安裝比較方便，尤其是便于售后服務。
（2）輕量化設計
輕量化設計可節(jié)省資源、減少生產(chǎn)、使用、回收等環(huán)節(jié)中了浪費，而且就機器本身而言，也可以通過輕量化設計，在最低成本下達到機器的使用性能。就目前來說，可通過建立虛擬樣機、并對其進行有限元分析實現(xiàn)輕量化設計及制造。[14][15]
七. 其他
機械動力學的相關內容：
機械動力學主要研究的是機械的振動和平衡的問題。目前，我們正在高速發(fā)展的階段，各個部門迫切需要大量的新的高效率，高速度，高精度和高自動化的機械設備。隨著機械速度的提高，機械平衡和震動的問題成為機械設計中的一個問題，在設計高精度的機器時，就必然涉及各種動力學的因素，需要精確計算各部件的真實運動情況以及考慮部件的彈性、運動副中的磨察等因素對構件運動的影響，才能使各部件的動作協(xié)調，機械運轉正常。[17][18][19][20]
八. 結束語
產(chǎn)品的設計開發(fā)過程是一個不斷改良完善、技術優(yōu)化發(fā)展的過程。唯有通過長期的市場考驗，且有優(yōu)良的性價比，才能真正占領市場。
鋼筋切斷機的運動仿真的設計必將更加有利于鋼筋切斷機產(chǎn)品的開發(fā)，可以加快產(chǎn)品的開發(fā)速度以及開發(fā)出更加高效的產(chǎn)品。
參考文獻
專利[1] 孟憲民，劉鴻鷹，章友文，郭俊平，付竹祥 柴油鋼筋切斷機
專利號：91209535.0
專利[2] 陶昆 ， 鋼筋切斷機 專利號：94217280.9
專利[3] 蔣家善 改進的鋼筋切斷機 專利號：00240526.1
專利[4] 邱文聰 鋼筋切斷機刀口裝置 專利號：96205392.9
專利[5] 全承浩 鋼筋切斷機的曲軸離合器 專利號：95214902.8
[6] 胡永華；劉中 《鋼筋切斷機參數(shù)化設計系統(tǒng)開發(fā)》 2011年4月
[7] 陶浩；段紅杰 《鋼筋切斷機的動力學性能》 2008年 5月
[8] 段紅杰；陶浩 《鋼筋切斷機動力學仿真設計》 2010年4月
[9] 王文良，李長詩 《鋼筋切斷機通用動力學》 2008年8月
[10] 張金芳 袁俊華 陳 偉 《人機界面型全自動鋼筋切斷機》 2010年8月
[11] 劉瑞東 《液壓隨動切斷、液壓馬達送料鋼筋定長切斷機》 2010年10月
[12] 王良文 《國產(chǎn)鋼筋切斷機的生產(chǎn)現(xiàn)狀與改良方向》 2009年1月
[13] 樊智慧 《鋼筋切斷機曲軸連桿機構的改進》 1995年3月
[14] 孟慶華 《鋼筋切斷機液壓系統(tǒng)的設計研究》 2010年8月
[15] 賀生華 《普通鋼筋切斷機技術改造》 2008年一月
[16] 車仁煒 陸念力 王樹春 《一種新型鋼筋切斷機的設計研究》 2004年
[17] 唐錫寬《機械動力學》 高等教育出版社 1984.5
[18] 張策 《機械動力學》 北京：高等教育出版社 2001年4月
[19] Bevefidge R，Bolme D，Teixeira M，et a1．The CSU Face Iden—tification Evaluation System[R]．Users’Guide Version 5．0，technical report，Computer Science Dept．，Colorado State Univ．，May 2003．
[20] Huang L—L，Shimizu A，and Kobatake H．Classification—based face detection using gabor filter features[A]．The 6th IEEE Internati0nal Conference on Automatic Face and Gesture Recognition(FG2004)[C]．2OO4：397-402．
單位代碼 02
學 號 080105007
分 類 號 TH
密 級
畢業(yè)設計
文獻翻譯
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
劉文超
指導教師
王良文
2012 年 3月 20日
黃河科技學院畢業(yè)設計(文獻翻譯) 第 11 頁
利用離線仿真結果和3D模型變形以實現(xiàn)實時遙控結構變形的方法
摘要
DTP2，一個為了演示和改進遠程操作設備ITER全面的物理測試設備，已經(jīng)在芬蘭建立起來。首個裝備有SCEE的RH設備原型CMM已經(jīng)于2008年10月移交給DTP2。其目的是為了驗證CMM/SCEE原型可以被成功的應用于第二個暗盒的RH的運作。在 F4E 授與 " DTP2 測試設備運行和升級準備 " 結束的時候，第二個暗盒的 RH 的運行成功地為F4E代表做了證明。
得益于CMM/SCEE機器人的設計，所以當它在3.6米長的控制桿上運載9噸重的第二暗盒時，具有相當大的機械彈性。這也就導致數(shù)據(jù)不精確，并且用于控制系統(tǒng)的3D模型也不能準確的反映CMM/SCEE機器人的變化狀態(tài)。 為了提高其精確度，已經(jīng)發(fā)展出了一種在虛擬環(huán)境中控制其彈性的方法。加載在CMM/SCEE上載荷的作用大小被測量并且最小化到由控制系統(tǒng)軟件執(zhí)行的載荷補償模型上。這種優(yōu)化的方法利用有限元分析，通過3D模型的變形解釋了控制系統(tǒng)機器的結果變形。 這將促使CMM/SCEE的絕對精度和3D模型的適合性有一個相當大的改進，這對RH應用程序是至關重要的，因為控制裝置的視覺信息是受周圍環(huán)境的限制的。
關鍵詞：國際熱核實驗反應堆 遠程控制 偏濾器測試平臺2 虛擬工程 彈性變形 虛擬現(xiàn)實
1.引言
這篇論文展示了系統(tǒng)控制軟件執(zhí)行的負載補償功能是怎樣改進DTP2控制系統(tǒng)的絕對精度和可視化精度的。同時也找到了一種通過3D模型變形來解釋DTP2的結構變形的新方法，利用有限元分析來導出變化范圍。除此之外，真實的組件變形，2D結構變形會被用于顯示每單位結構負荷的運行評估。
在第二暗盒安裝程序的時候，CMM在電機傳動裝置的協(xié)作下，沿著射線方向行進到維持隧道的頂端。（圖1）。在垂直面上的上升和傾斜運動可以用來憑借向上維持隧道來控制暗盒的方位。當熱運動到達第二暗盒時，由CRO和HRO回轉連接的可以用來改變暗盒的方位。
Fig. 1. CMM and SCEE structural representation.
2. DTP2的偏差研究目錄
2.1 CMM/SCEE檢驗
在CMM/SCEE傳遞到DTP2后，系統(tǒng)綜合階段開始啟動，以為實際測試做系統(tǒng)準備。這個測試在工廠啟動實施，在RH控制室中結束測試運行。[1]
最初用于暗盒運行的的程序是被用來教學的，這與暗盒有持續(xù)性的視覺聯(lián)系。CMM/SCEE良好的重復精度（3mm）保證了運行程序成功重復。然而，由于CMM/SCEE的完全精度不夠準確，導致靜態(tài)的三維模型不能很好的支持運行。三維模型有時候會出現(xiàn)暗盒與DRM沖突的情況，但實際情況是一切運行良好。很明顯，在遠程操作之前，系統(tǒng)的絕對精度需要改進。
2.2 載荷補償
在運行程序的時候，載荷對CMM-SCEE運動鏈的影響會被測量。并且知道位于暗盒尖端的定位誤差最大接近80mm。這些測量數(shù)據(jù)被用來生成載荷補償以改進絕對精度。這種解決方法對于RH維持通道的運行是十分普遍的，但是對于負載補償模型，確實一個基于CRO蓮價值的平臺。由于CMM在將來普遍支持其他終端執(zhí)行器，所以這種方法簡單，易用。具體的查表只應用于在特殊的環(huán)形SCEE軌道中的操作。補償功能還可以明顯改善設備性能。因此，暗盒尖端的最大誤差由80mm下降到了5mm。[1]
載荷補償?shù)膶嵤﹥r值可以參考圖2中的笛卡爾坐標系。根據(jù)暗盒是否加載到HRO上，解決的方法也分為兩個階段?！袄硐朐O備的笛卡爾參考系”（圖2）表達了與軸相連的HRO鏈的位置坐標。因此，HRO鏈僅僅被用在改變縱軸周圍暗盒的方向，并且，之后CRO鏈可以應用于y軸參考數(shù)據(jù)的評估。因此，在熱運動時，負載補償?shù)墓δ芤蕾囉贑RO鏈。
如果在HRO鏈上沒有負載，一個逆運動學解可以直接用于解決聯(lián)合相應的數(shù)值參考。解決方法是使用包括基于簽名修正的CMM / SCEE校準的Denavit-Hartenberg參數(shù)計算。
Fig. 2. Left: load compensation in cartesian space. Right: implementation of load effect to the joint data of the real device.
當載荷是連接到HRO關節(jié)，在這種情況下，由于笛卡爾參考也會受CMM/SCEE的撓度影響，所以機器人的逆運動學解并不可直接使用。當產(chǎn)生的作用是已知的，正確的評估CRO鏈的價值可以迭代利用負載補償或者定義了并列價值與CRO鏈價值之間的適應性。迭代解和7th多項式都能很好的應用于實踐中。CRO價值鏈被定義后，在x，y，z方向的位置補償和圓周與徑向的定向補償可以做成笛卡爾參考系。由于CMM/SCEE缺乏在yaw方向上移動的能力，所以無法做運動補償。
Fig. 3. Ansys FEM result (DCM lifted from RH interface).
Fig. 4. CATIA FEM result (DCM lifted from RH interface).
2.3 改進遙控裝置的可視化精度
當增加一個鏈接到CMM/SCEE的三維模型上時，暗盒在yaw方向的傾斜是可視化的。這個鏈接已經(jīng)被放置在勾板和暗盒之間。因此，操作者可以看見暗盒傾斜的作用 ，它在垂直方向上最大有效運動距離是10mm。
為了增加可視化精度，當暗盒連接DRM通道內部與外部的時候，壓力差超過上升油缸提供的載荷，暗盒的重量也轉化都勾板或者DRM通道或者其他別的地方。（圖2）
2.4 偏濾暗盒模型的偏差計算結果
在真實的運行環(huán)境中，暗盒的三維模型是不能完全反映其模型形狀的。當DCM處理終端感應器并停留在環(huán)形通道上時，它會傾斜。（圖3-5）
DCM的形變分別用分析軟件和CATIA有限元建模工具來計算。這兩種結果會被比較。如果限定條件比較正確、全面，那么兩種工具的分析結果是相似的。
在下一階段，有限元分析結果會被分解。然后勾板的水平和垂直偏轉會與DTP2實驗室中真實的DCM測試結果比較（平臺1）。這種測試裝置是Sokkia NET05高精度三維調試系統(tǒng)。
Fig. 5. Vertical and horizontal deflections in respect to cassette structures.
在有限元分析結果和Sokkia NET05測試結果比較后，得出分析結論。
2.5 偏濾暗盒的偏差的可視化
根據(jù)機器的適用性和標準性原則設計了DCM。結果，其壓力總是在建筑材料的比例極限之下，并且具有一定的線彈性。初次測是在胡可定律的線彈性假設下進行的。
因此，有限元分析結果是可以應用于DCM形變的可視化的。加載裝置的形狀必然會反映到遠程觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中。計算變形的遠程可視化可以在兩種不同的方法下進行。傳統(tǒng)的方法是把一個整體分成碎片，并在這些碎片間建立聯(lián)系[4]。這種方法需要大量的分析工作。鏈接的位置和最大鏈接就是這種分析的結果?；谶@種分析結果，它被DCM分為三段鏈，并用兩個回轉節(jié)鏈接起來。圖6
本文提到的方法是運用3D變形——3D模型逐漸改變的過程——基于有限元分析結果去描述形變。形變，或者是3D變形，是物體從一種形狀變?yōu)榱硪环N形狀的過程[2]。這種技術可以直接使用有限元分析結果而不用麻煩的求的近似值。另外，這種方法能夠運用有限元分析出的每單位范圍內的作用結果（圖7）。這就提供了一個更高層次的應用能力，以適用于那些接受多個外力影響的復雜系統(tǒng)。
Fig. 6. The body of the cassette is divided into three rigid links connected with two rotational joints to approximate mechanical flexibilities.
Fig. 7. Simplified example of 3 links deformed by 9 individual morph targets (forces).
為了改變模型，我們使用直線切削沒變形的三維模型和有限元殘缺模型的高點。如果直線切削的精度不足的話，一個更先進的變形算法是應變場插入法。
運用達索系統(tǒng)可視化工具5.0來觀察變形（圖8）。這種虛擬環(huán)境是由ITER CATIA與有限元模型連接起來，用于創(chuàng)建變形范圍。
這種推薦方法的好處有以下幾點：
運用未加載荷狀態(tài)和變形狀態(tài)間的完全彈性變形，來直接使用有限元結果在每單位范圍內的最大壓力。
更容易利用真實系統(tǒng)中離線和在線的變形結果。
更加精確的展示復雜系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，并且能完全控制連續(xù)變形的點，而不粗略的接近。
使從復雜系統(tǒng)中分離出單個外力因素引起的變形成為可能。
2.6 控制三維模型的變形
控制三維模型的變形意味著虛擬環(huán)境中的變形必須遵循現(xiàn)實環(huán)境中的變形。變形信息可以依據(jù)提前測量的運行狀態(tài)或者運用液壓系統(tǒng)的壓力來估測外力，因此，運用了現(xiàn)有的傳感器信息。
考慮到機器人的操作，一個更精確的方法可以通過采用應變規(guī)來測量機器人鏈接的實際變形來達到。在實驗室的實驗中，應變規(guī)將被安裝到DCM上。
應變規(guī)的優(yōu)勢：
變形范圍方法的互補性，每一個應力都可以通過專用的應變規(guī)來單獨測量其范圍。
具有即時測量精確應變的能力，不用依賴于提前測量的靜態(tài)變形或者不能對每一個應力不能直接使用的液壓壓力
3. 未來工作
DTP2的三維虛擬樣機組件描述如下。最初，DCM彈性研究集中在解決子系統(tǒng)的彈性問題。然后，研究會包括整個CMM機器結構，并且鏈接結構接近變形過程。
更多復雜的變形途徑，如三維領域里的線性插值法將會被使用。這將會聯(lián)合由真實DCM變形控制的三維樣機的彈性變形。
我們將進一步分析柔性機器人關節(jié)的鏈接和分離。這將有助于創(chuàng)建更精確的有限元模型。最后，彈性鏈接的作用和影響會反映到整個系統(tǒng)中。
免責聲明
本文觀點不代表歐洲委員會的觀點。
致謝
這項工作是在EURATOM和TEKES的聯(lián)合契約下，由歐洲委員會支持，在EFDA工作框架下完成的。
參考文獻
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[4] A.D. Luca, W. Book, Robots with flexible elements, in: Siciliano, Khatib (Eds.), Springer Handbook of Robotics, Springer, 2008, pp. 287–319.
單位代碼 02
學 號 080105007
分 類 號 TH
密 級
畢業(yè)設計說明書
GQ50型鋼筋切斷機的結構設計與運動仿真
院系名稱
工學院
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
劉文超
指導教師
王良文
2012年 5 月 10 日
黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 49 頁
GQ50型鋼筋切斷機的結構設計與運動仿真
摘要
本產(chǎn)品的設計是根據(jù)黃河科技學院工學院機械系2012屆畢業(yè)設計的要求，在參觀調研的基礎上，對大學四年已學知識的總結、實踐與提高。按照指導老師的要求，我首先查閱了大量關于此產(chǎn)品設計的資料，做好初期準備。然后到河南省長葛市黃河旋風股份有限公司參觀，深入了解鋼筋切斷機的工作原理及使用要求，在此基礎上，形成自己初步的設計思路。
本產(chǎn)品設計給定的原始參數(shù)是：切斷能力為（φ6-φ50）mm的圓鋼；電機功率為4kw；沖切次數(shù)為28次/min；切斷行程為40mm。此次設計的主要研究內容和技術關鍵是：根據(jù)鋼筋切斷機的使用要求，確定其工作原理，在此基礎上進行鋼筋切斷機的結構設計，確定主要結構尺寸。主要包括以下幾點：1、電動機的選擇；2、傳動裝置的設計和計算；3、軸承的選擇；4、曲軸連桿機構的設計；5、機體的設計；6、刀片的設計選擇。然后根據(jù)這些設計數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品的建模及運動仿真。
本次產(chǎn)品建模使用的是美國Autodesk公司的三維設計軟件Inventor 2011。首先是根據(jù)設計數(shù)據(jù)建立各個零件的草圖，在草圖的基礎上運用零件特征生成三維實體；然后在Inventor 2011軟件的虛擬環(huán)境中進行虛擬裝配，建立數(shù)字樣機；最后進行應力分析、運動干涉分析及運動仿真。
本設計可以大幅降低鋼筋切斷機的研發(fā)周期及成本，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力和企業(yè)的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：鋼筋切斷機，結構設計，Inventor 2011，虛擬裝配，運動仿真
Disc Centrifuge Spindle Box Design
Author：Wenchao Liu
Tutor：Liangwen Wang
Abstract
This product is designed according to the college of engineering science and technology of 2012 member of graduation design requirements, during a visit to a research, on the basis of the university for four years have already learn knowledge summary, practice and improve. According to the requirements of the guiding teacher, I first looked a lot about this product design information, do well to the early. And then to the Yellow River in henan province ChangGe city whirlwind visit to a joint stock limited company, understand reinforced cutting machine and working principle of the use requirement, and based on this, the preliminary design to form their own ideas.
This product design parameters are given of the original: cutting ability for (phi 6-phi 50) mm round steel; The motor power for 4 kw; For punching number 28 times/min; Cut off the trip to 40 mm. The design of the main research contents, technology and the key is: according to the use requirement reinforced cutting machine, determine its working principle, and based on the structure of the steel cutting machine design, confirming the main structure size. Mainly include the following: 1, the choice of the motor; 2, the design and calculation of transmission device; 3, bearing choice; 4, crankshaft connecting rod design of organization; 5, the body's design; 6, the blade design choices. Then according to the design data modeling of products and movement simulation.
This product modeling is using the company's 3 d design Autodesk Inventor 2011 software. First of all is according to the design data to set up the various parts of the sketch, in the sketch of the use part features based on 3 d entity; And then in the Inventor 2011 software virtual environment in virtual assembly, to build digital prototype; Finally in stress analysis, motion interference analysis and simulation movement.
This design can dramatically reduce the reinforced cutting machine development cycle and cost, so as to improve the market competitiveness of products and the economic efficiency of enterprises.
Keywords: steel cutting machine, the structure design, Inventor 2011, virtual assembling, movement simulation
目 錄
1 緒論 1
2 設計前的準備 3
2.1計劃任務書 3
2.1.1 產(chǎn)品設計的依據(jù) 3
2.1.2 計劃任務書 3
2.2 設計前的準備 3
3鋼筋切斷機的總體設計 4
3.1鋼筋切斷機的工作原理 4
3.2鋼筋切斷機的基本結構 4
4傳動方案的設計 5
4.1 基本傳動數(shù)據(jù)計算 5
4.1.1分配傳動比 5
4.1.2計算各州的運動及動力參數(shù) 5
4.2 帶傳動的設計 6
4.2.1帶型的選擇 6
4.2.2帶輪基準直徑的確定 6
4.2.2帶速的確定 6
4.2.3中心距、帶長及包角的確定。 6
4.2.4 確定帶的根數(shù) 7
4.2.5 帶輪結構與尺寸 7
4.3 齒輪傳動的設計 7
4.3.1選材料、確定初步參數(shù) 7
4.3.2齒面疲勞強度計算 8
4.3.3齒根抗彎疲勞強度驗算 10
5 Autodesk Inventor 2011 12
5.1 Inventor 2011的組成 12
5.2三維繪圖軟件Inventor 2011的優(yōu)點 12
5.2.1 二維工程圖處理能力比較好 12
5.2.2 具有良好的設計項目管理功能 13
5.2.3 參數(shù)化技術和變量化技術 13
5.2.4 簡便的操作風格 13
5.2.5 精彩的顯示功能 13
6 主要零件的設計及建模 14
6.1機體的設計流程 14
6.2其他主要零件的建模效果展示 23
7鋼筋切斷機的裝配 29
7.1裝配流程 29
7.2大側蓋的裝配步驟 29
7.2.1新建文件 30
7.2.2裝入所有零件 30
7.2.3向機體安裝大側蓋 30
7.3裝配效果圖展示 33
8應用Inventor軟件進行干涉檢查 34
8.1檢查零部件之間的干涉 34
8.2 連桿及連桿銅瓦的干涉檢查 34
9繪制各主要零件的工程圖 37
10 傳動結構的運動仿真 41
10.1建立一個簡單的裝配 41
10.2運動仿真步驟 41
致謝 45
參考文獻 46
附 錄 48
1 緒論
鋼筋切斷機是建筑機械的一種。它是鋼筋加工必不可少的設備之一，主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對鋼筋的定長切斷。鋼筋切斷機與其他切斷設備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點，因此近年來逐步被建筑工地和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國民經(jīng)濟建設的各個領域發(fā)揮了重要的作用。
新中國成立初期，建筑工程中鋼筋加工技術非常落后，主要依靠手工或者簡單工具，勞動強度大、生產(chǎn)效率低、工程質量很難保證。太原重型機械學院是國內最早生產(chǎn)鋼筋切斷機的單位之一。他們于1958年首次引進蘇聯(lián)的臥式鋼筋切斷機圖紙，生產(chǎn)了國內第一臺鋼筋切斷機。隨后又于1985年引進了日本立式鋼筋切斷機和德國臥式鋼筋切斷機，并在此基礎上研發(fā)了GQ40、GQ50、GQ65等一系列開式、封閉式及半封閉式切斷機。該系列的鋼筋切斷機均是采用機械輪剪切進行切斷的。此外，沈陽建筑工程學院工廠、陜西渭南農(nóng)業(yè)科技股份有限公司、黑虎建筑機械公司等企業(yè)也生產(chǎn)過不同類型的機械式鋼筋切斷機。
目前，國內的鋼筋切斷機多以機械輪剪式切斷為主。其工作過程基本為：電動機輸出動力經(jīng)過帶傳動和三級齒輪傳動減速后，帶動曲軸旋轉，曲軸推動連桿使滑塊和動刀片在機座的滑道中做往復直線運動，使動刀片和定刀片相錯而切斷鋼筋。
近年來，我國在鋼筋切斷機技術裝備方面有了長足的進步，但產(chǎn)品的技術水平與國外先進水平相比，尚有以下幾個方面的差距：
1)國外切斷機偏心軸的偏心距較大。如日本立式切斷機偏心距24mm，而國內一般為17mm?？此剖×稀X輪結構偏小些，但給用戶帶來麻煩，不易管理。因為在由切大料到切小料時，不是換刀墊就是換刀片，有時還需要轉換角度。
2)國外切斷機的機架都是鋼板焊接結構，零部件加工精度、粗糙度尤其熱處理工藝過硬，使切斷機在承受過載荷、疲勞失效、磨損等方面都超過國產(chǎn)機器。
3)國內切斷機刀片設計不合理。單螺栓固定，刀片厚度夠薄，40型和50型刀片厚度均為17mm；而國外都是雙螺栓固定，25～27mm厚，因此國外刀片在受力及壽命等綜合性能方面都較國內優(yōu)良。
4)國內切斷機每分鐘切斷次數(shù)少。國內一般為28～31次，國外要高出15～20次，最高高出30次，工作效率較高。
5)國外機型一般采用半開式結構。齒輪、軸承用油脂潤滑，曲軸軸徑、連桿瓦、沖切刀座、轉體處用手工加稀油潤滑。國內機型結構有全開、全閉、半開半閉3種，潤滑方式有集中稀油潤滑和飛濺潤滑2種。
6)國內切斷機外觀質量、整機性能不盡人意。國外廠家一般都是規(guī)模生產(chǎn)，在技術設備上舍得投入，自動化生產(chǎn)水平較高，形成一套完整的質量保證加工體系。尤其對外觀質量更是精益求精，外罩一次性沖壓成型，油漆經(jīng)烤漆噴涂處理，色澤搭配科學合理，外觀看不到哪兒有焊縫、毛刺、尖角，整機光潔美觀。而國內一些廠家雖然生產(chǎn)歷史較長，但沒有一家形成規(guī)模，加之設備老化，加工過程拼體力、經(jīng)驗，生產(chǎn)工藝幾十年一貫制，所以外觀質量粗糙、觀感較差。
從鋼筋切斷機的發(fā)展趨勢看，隨著建筑設計與建筑施工技術的國際化，建筑工程設計與應用鋼筋必將進入商品化供應時代，即根據(jù)建筑配筋表采購鋼筋，鋼筋使用現(xiàn)場轉化成可用鋼筋，商品化供應鋼筋。而鋼筋的一體化生產(chǎn)就要求鋼筋切斷機必須實現(xiàn)自動控制——鋼筋自動送料，定尺寸后自動切斷、落料。
另一方面，國外的產(chǎn)品充分融合了液壓技術、機械技術、電子技術等，形成了以機械為筋骨、液壓為肌肉、電氣為神經(jīng)的機電液一體化綜合控制技術，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，體現(xiàn)綜合最優(yōu)驅動及控制能力。因此，鋼筋切斷機不但要求實現(xiàn)定長剪切的高精度控制，同時要求其具有相對高的生產(chǎn)效率。所以，如何使鋼筋切斷機的機電液系統(tǒng)有機地高度集成，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，將是今后研究的主要方向。
2 設計前的準備
2.1計劃任務書
2.1.1 產(chǎn)品設計的依據(jù)
本設計是在對河南省長葛市黃河旋風股份有限公司進行生產(chǎn)參觀后，對鋼筋切斷機形成初步認識后，深刻理解其工作原理與結構特點，根據(jù)自己大學四年所學的機械方面的各種知識，對鋼筋切斷機做一個機構設計，并建立數(shù)字樣機進行運動仿真。本設計力求高效、快速的完成產(chǎn)品研發(fā)與校驗，并使產(chǎn)品具備完善可靠的性能，滿足市場需求，增強企業(yè)競爭力。
2.1.2 計劃任務書
根據(jù)建筑市場的使用需求，GQ50型鋼筋切斷機的規(guī)格參數(shù)設定，見表2-1。
表2-1 鋼筋切斷機的參數(shù)
電動機額定功率
4KW
切斷能力
φ6-φ50mm的圓鋼
沖切次數(shù)
28次/min
沖切行程
40mm
2.2 設計前的準備
接到任務書初期，先查閱了大量有關鋼筋切斷機的的論文、資料。其后，為了在產(chǎn)品設計前能對鋼筋切斷機有一個整體、大概的認識，我在王良文教授的幫助指導下，對河南省長葛市黃河旋風股份有限公司進行了為期一天的參觀、調研，認真觀察了鋼筋切斷機的結構及生產(chǎn)過程，在其間遇到的各種問題，仔細聽取了黃河旋風股份有限公司建筑機械部張工程師的講解。
回到學校后，收集、整理鋼筋切斷機的相關資料，通過分析其性能和技術指標，并結合自己所學的理論知識進行設計。
3鋼筋切斷機的總體設計
3.1鋼筋切斷機的工作原理
工作原理：采用電動機經(jīng)過一級帶傳動和三級齒輪傳動減速后，帶動曲軸旋轉，曲軸推動連桿，使滑塊和動刀片在機座的滑道中做往復直線運動，這樣，活動刀片和固定刀片就能相錯而切斷鋼筋。
3.2鋼筋切斷機的基本結構
傳動方案簡述：首先是一級帶傳動，然后是三級齒輪減速。
首先采用一級帶傳動，因為它具有緩沖、吸震、運行平穩(wěn)、噪聲小、過載保護等優(yōu)點。然后采用三級齒輪減速，因為齒輪傳動可以用來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并具有功率范圍大，傳動效率高，傳動比準確，使用壽命長，工作安全可靠等優(yōu)點。
動力是由電動機輸出，通過減速系統(tǒng)傳動，把動力輸入到執(zhí)行機構。由于傳動系統(tǒng)做的是回轉運動，而鋼筋切斷機的執(zhí)行機構需要的是直線往復運動。為了實現(xiàn)這種轉換，可以采用曲柄滑塊機構或者齒輪齒條機構?？紤]到現(xiàn)實使用條件，決定采用曲柄滑塊機構作為本機械的執(zhí)行機構。
考慮到工地上的機械需要經(jīng)常變幻地方，且考慮到經(jīng)濟性，應盡量使產(chǎn)品的尺寸減小、結構緊湊，所以本設計中的小齒輪都采用齒輪軸的形式。為了節(jié)能、儲能和減震，本設計運用了飛輪的優(yōu)點。為了使飛輪的結構尺寸不至于過大，本產(chǎn)品把飛輪與大帶輪作為一個整體來設計，安裝在第一根軸上。
本設計基本結構如圖3.2
1.電機 2.小帶輪
3.大帶輪 4.一軸
5.二軸連軸齒輪 6.三軸
7.曲軸大齒輪
8.機體 9.二軸
10.三軸連軸齒輪
11.曲軸 12.連桿
13.活動刀座 14.活動刀片
15.固定刀片
4傳動方案的設計
4.1 基本傳動數(shù)據(jù)計算
4.1.1分配傳動比
電動機功率為4kw，選擇型號為Y112M-2，其滿載轉速為2890r/min。
1）總傳動比
2）分配傳動裝置的傳動比
上式中分別為帶傳動與減速器（三級齒輪減速）的傳動比，為使V帶傳動的外廓尺寸不致過大，同時使減速器的傳動比圓整以便更方便的獲得圓整地齒數(shù)。初步取=1.6，則減速器的傳動比為
3）分配減速器的各級傳動比
查閱機械設計手冊，取=4，=4，則=4。
4.1.2計算各州的運動及動力參數(shù)
1）各軸的轉速
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
曲軸
2）各軸的輸入功率
查《機械設計課程設計手冊》表1-7，取帶傳動的傳動效率=0.96 ，取齒輪傳動的傳動效率為0.97。則
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
曲軸
3）各軸的輸入轉矩
電動機的輸出轉矩
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
曲軸
4.2 帶傳動的設計
4.2.1帶型的選擇
由設計數(shù)據(jù)可知，V帶的傳動功率為4kw，小帶輪的轉速為2890r/min，大帶輪的轉速為1806r/min。
查《機械設計》可知，工況系數(shù)取 KA=1.5 ，Pc=1.5×4=6kw。根據(jù)以上數(shù)值及小帶輪的轉速查相應得圖表選取B型V帶。
4.2.2帶輪基準直徑的確定
查《機械設計》表8-4a ，取小帶輪的基準直徑為200mm，則大帶輪的基準直徑為320mm。
4.2.2帶速的確定
4.2.3中心距、帶長及包角的確定。
由《機械設計》式8-20知，帶的中心距為
0.7(d1+d2)
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