基于MATLAB的QA35Y-30液压联合冲剪机剪切机构的优化设计.pdf

2 01 1年 1月 第 3 9卷 第 2期 机床 与液压 M ACHI NE T0OL HYDRAUU CS J a n ． 2 0 1 l Vo 1 ． 3 9 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 2 3 基于 M A T L A B的 Q A 3 5 Y 一 3 0液压联合冲剪机剪切机构的优化设计 阎青松 ，张铁 ，童蕾 1 ．广东机电职业技术学院机 电工程 系，广东广州 5 1 0 5 1 5 ； 2 ．华南理工大学机械工程学院，广 东广州 5 1 0 6 4 0 摘要剪切机构是 Q A 3 5 Y - 3 0液压联合冲剪机的重要组成部分，它的工作性能直接影响整机的生产效率。以一次行程 所剪切的宽度最大为 目标函数 ，对剪切机构的几个关键部位进行分析，用 M A T L A B进行优化计算。结果表明优化后的剪 切机构一次剪切宽度可增大2 8 ． 3 ％。在功率相 同、结构简化 、质量下降的情况下，Q A 3 5 Y- 3 0可剪切的最大方钢、圆钢、 角钢等尺寸 明显增加 。 关键词 剪切机构 ；优化设计 中 图分类号 T G 3 1 5 ． 55 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 20 7 7 3 Op t i ma l D e s i g n f o r S h e a r i n g Me c h a n i s m 0 f QA 3 5 Y 3 0 Hy d r a u l i c Co mb i n e d Pun c h i n g S he a r i n g M a c hi n e Ba s e d o n M ATLAB Y A N Q i n g s o n g ，z H A N G T i e ．T O N G L e i 1 ． De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E l e c t ri c a l E n g i n e e rin g ，Gu a n g d o n g Vo c a t i o n a l C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l T e c h n o l o g y，Gu a n g z h o u Gu a n g d o n g 5 1 0 5 1 5，C h i n a； 2 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 16 4 0 ，C n a Ab s t r a c t S h e a fi n g m e c h a n i s m i s a n i m p o a n t c o n s t i t u e n t p a r t o f Q A 3 5 Y - 3 0 h y d r a u l i c c o mb i n e d p u n c h i n g ＆ s h e a fi n g m a c h i n e ． I t s w o r k i n g p e rf o r ma n c e h a s d i r e c t i n fl u e n c e s o n p r o d u c t i v i t y ．T a k i n g t h e m a x i mu m c u t t i n g w i d t h a s t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n ，t h e k e y p a r t s o f s h e a fi n g me c h a n i s m we r e a n a l y z e d a n d t h e y we r e o p t i mi z e d b y MAT L AB． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma x i mu r a c u t t i n g wi d t h o f t h e o p t i mi z e d s h e a fi n g me c h a n i s m i n c r e a s e s 2 8 ． 3 ％ ． I n t h e c a s e w i t h s a me p o we r ， s i mp l i f i e d s t r u c t u r e a n d d e c l i n i n g w e i g h t ， t h e ma x i mu m c u t t i n g wi d t h o f s qu a r e s t e e l ，r o un d b a r ， a n g l e s t e e l ，i s r e ma r k a b l e i n cr e a s e d ． Ke y wo r d s S h e a r i n g me c h a n i s m ；Op t i ma l d e s i g n Q A 3 5 Y 一 3 0液压联合 冲剪机是一种 多功能 的生产设 备，集压力机、型剪、剪板三种机床 的功能于一身， 深受航空、车辆、冶金、桥梁、机械等制造业的欢迎。 剪切机构 是 Q A 3 5 Y 一 3 0液 压联 合 冲剪机 的重 要组 成部分 ，它的工作 性能直接影 响整机 的生产效率 。由 于剪切位置与 冲剪 的吨位直接关联 。设计 时 ，只要对 Q A 3 5 Y - 3 0液压联合 冲剪机剪切机构 的几个关键部位进 行分析 ，用 M A T L A B进行优化计算 ，不但 实现了参数 化设计与优化 ，还提 高了设计 的可靠性和设计效率 。 1剪切机构简介 板材 和圆钢 、方钢 、角钢 、工字钢 、槽钢等 型材 的剪切 ，都 由剪切部 分完成 。剪切机构如 图 1 所示 。 为降低剪切力 ，减小刀具 、模具 的磨损 ，剪 切部 分采用斜 刃剪 切 取 7 ． 5 。 。除剪切 板材 、条料 外 ，还 可修剪 角钢或板料的角度 。剪板刀对称并 活动 可调 ，刃 口钝 了 ，可拆下换边 ，一块刀片 的四个 刃 口 6 1 ～剪滑块2 一润滑槽3 一角钢剪切部位4 一吊环螺钉s 一型钢剪切 部位6 一联接 部位7 一模剪部位8 一板 料剪切部位9 一支撑 部位 图 1 剪切机构 用钝 了 ，才 修磨 一 次 ，极 大 地节 约 了成 本 和辅 助 时 问。在型钢剪切部位 的槽 内换 用不同的刀具 ，可剪切 圆钢 、方 钢 、槽 钢 、工 字钢 、T型钢 等 ，刀板用简 单 收稿 日期 2 0 0 91 11 6 基金项 目 粤港关键领域招标项 目 2 0 0 9 0 1 0 1 1 ；中山市科技计划项 目 2 0 0 9 2 A1 4 0 作者简介 阎青松 1 9 6 8 一 ，女，高级工程师，主要从事专用机床设计、教学和管理工作。电话1 3 7 2 4 8 4 2 1 4 8 ，Em a i l y q s d i e 1 6 3 ． c o n。 7 8 机床与液压 第 3 9卷 的夹具 固定 ，拆装 方便 可靠 。模 剪部 位可 根 据形状 要求 ，设计各种类型 的槽状 冲头 如矩形 、V形开槽 工具等 ，开槽模座装 有活动可调 的刀片 ，将刀片调 头或翻边使用 ，可提供新的切削刃 口，模剪刀的四个 刃 口用钝了 ，才修磨一次 ，在很大程度上节约了成本 和辅助时间。 2 剪切机构数学模型及关键部位坐标 液压缸带动剪切机构 ，通过 MA T L A B，对剪切机 构的关键部位进行分析并优化计算 ，可求出能够满足 剪切各种型材位置的最优解 。 2 ． 1 数学模型的建立 以剪 切 机 构 支 撑 轴 的几 何 中心 为 坐 标 系 原 点 0 ， 0 ，各点 的坐 标如 图 2 所 示 。h为液压 缸 行程 ； 为点 ． ， Y 。 到点 。 ，Y o 的距离 ；L ． 为坐标 系原 点 0 ，0 到 点 。 ，y 的距 离 ；0 ． 为 点 ，Y 。 和坐标 系原点 0 ， 0 的连线 与 轴 的位 置角 。数学模型如下 Z 1 c o s 0 】 一 0 Z I s i n 0 I Y 0 hz 1 图 2 剪切工作机构的关键部位 2 ． 2关键 部位 坐标 剪切机构各关键部位 的坐标 如下 ，t 为坐标原点 0 ，0 到第 i 点的距离；0 为第 i 构件与 L 。 的位置角。 r ll 1 c o s 0 l2 1 c O S O r 【 Y l z l s i n 0 l z l s i n w t f 21 2 C O S 0 J 0 2 Z l C O S t o t 0 2 【 Y 2 f 2 s i n 0 l 2 1 2 s i n to t 0 2 2 『 l i C O S 0 l 0 Z C O S o t 0 【 Y l i s i n 0 l 0 l i s i n g o t 0 3 剪切机构 MA T L A B优化计算 对剪切机构 的关键部 位进行 M A T L A B优化计算 ， 有效 地提高了设计 的可靠性与设计效率 ，实现 了工作 机构 的参数化 和优化设计 。 3 ． 1 设计 变量 液压缸与剪切机构联接支点位置 ． ，Y 。 和动 刀刃初 始角 ，液压 缸行 程 h和剪滑块 运动 速度 ∞， 对剪切过程 有决定 性 的影 响 ，而 是 h的 函数 ，所 以取其一作为设计变量 X[ ． ， 2 ， 3 ， r[ ， Y ， h ， ] 3 3 ． 2 目标 函数 设计剪切机构主要考虑以下几个 因素 1 剪 切 的宽 度最 大。即确 定剪 切 吨位 或剪 切 厚度 ，使一 次行 程剪 切 的宽度 最大 或剪切 角钢 或 方圆钢等型钢的型号最大 ，则剪切效率最高。当剪 切机构绕坐 标系点 O转 动 ，剪 刀顺时针转 过角度 ， 刀尖 由位置 D为 K，N变为 D 则 ， j 【 ⋯ 。 ] ] 4 令 卢 卢 ⋯ ，设 动 、静剪 刀板之 夹角 即动刀 刃 初始 角为 ，则一次行程可 剪板宽 为 W-- x, Y , T N 而 - Y D 5 2 液压缸行程 h 。因剪切 的运动速度 是液压 缸行程 h的 函数 ，而关键部位各点的速度为 1 -o J ／ j s i n r 2 一wl z s i n 0 2 【 夕 2 o i l 2 c o s o t 0 2 6 r 一 Z s i n o t 0 【 夕 w l C O S o t 0 所 以 ，剪切机构优化设计的 目标 函数为 F mi n [一W ， ， T矗 】 7 3 ． 3 约束条件 1 剪切力矩 的限制 。油缸 压 力矩 F 必 须大 于剪切阻力矩 Fi ， J i g 。 F L 一F ， 0 8 2 动刃初始角 。 过大则导致剪切侧 向力增 大及较大的剪切变形 。推荐 ≤1 8 。 g 2 1 8一y≥0 9 3 一次剪切 最大 宽度 。最 大剪 切 宽度 不 可能超过 刀刃长度 g 3 Wm 一WD 0 1 O 4 由于剪 切过 程 中弹塑性 变形 ，造 成 被剪钢 第 2期 阎青松 等 基于 MA T L A B的 Q A 3 5 Y 一 3 0液压联合冲剪机剪切机构的优化设计 7 9 材 头 、尾部被压扁 。为 减少被 剪 钢材被 压扁 的长度 ， 保 证工件均匀受力 ，要求剪切刀刃在水平方 向上的速 度 尽量均匀 ，剪切刀刃 必须切 入钢 材 内部一 定深度 ， 达到断裂 极限 ，钢材剩余部分在 冲力及应力集 中的共 同作 用下发 生脆 断 ，所 以要求 垂 直方 向上 的速 度 大于水平 方 向上的速度 V g ．．J I ， I 一常数 1 1 g I I I 0 1 2 3 ． 4 MA T L A B优化计算编程 Q A 3 5 Y 一 3 0液压联 合 冲剪 机剪 切工 作机 构优化 的 目标 函数是非线性 函数 ，约束 条件为边界约束 。可通 过 M A T L A B的命 令 函数 f m i n c o n 来 处 理 这类 有 约 束 、非线性 、多元变量 的优化 问题 。 首先将 目标 函 数 制 成 函数 M 文 件 ，函数 名 为 s h e a r f u n ． m 程序略 ；其 次 ，初始估 计值 ，并将约束 条件也 编制成 文件 ；然 后 ，调用 M A T 1 A B优 化工具箱 的 f m i n c o n 函数进行优化计算 。以下就是剪板刀在机 床中的一个最优位置解 的编程计算 ，得 到的最优解 为 X[ 1 0 0 ． 3 6 4 3 ， 8 9 9 ． 8 5 7 1 ， 5 ． 0 0 0 2 ， 1 7 ． 5 6 6 5 ] 。程序 如 下 c l e a r x O[ 9 5 ， 8 6 0 ， 7 ． 5 ， 1 2 ] ； ％初始 估计值 f u n X 1 x 2 l s i n x 3 一X 1 C O S x 3 ／ t a n x 4 一X 3 一x 2 C O S X 3 一 x 1 l s i n x 3 ； ％ 目标 函数 l b[ 9 0 ， 8 5 0 ， 5 ， 1 0 ] ； ％变量 的下界 u b[ 1 1 0 ， 9 5 0 ， 1 1 ， 1 8 ] ； ％变量 的上界 o p t i o n s [ ] ； ％参数说明 向量 [ X ， f v a l ， e x i t fl a g ， o u t p u t ] f m i n c o n f u n ， x 0 ， [ ] ， [ ] ， [ ] ， [ ] ， 1 b ， u b ， [ ] ， [ ] ， o p t i o n s I n C ＼ MAT LAB6 p 5＼ t o o l b o x＼ o p t i m＼ f mi n e o n ．m a t l i n e 21 3 O p t i m i z a t i o n t e r m i n a t e d s u c c e s s f u l l y ％优化成 功 运行结果 x1 0 0 ． 3 6 4 3 8 9 9 ． 8 5 7 1 5 ． 0 0 0 2 1 7 ． 5 6 6 5 f v a l 一7 ． 91 3 6 e0 0 9 e x i t f l a g 1 o u t p u t i t e r a t i o n s 1 9 ％迭代次数 f u n e C o u n t 4 0 5 ％代 人函数值的次数 s t e p s i z e 3 ． 0 5 1 8 e～0 0 5 ％步长 a l g o r i t h m m e d i u m s e r e S Q P ， Q u a s i N e w t o n ， l i n e s e a r c h ％算法 fi r s t o r d e r o p t 5 ． 4 4 3 1 e 0 1 7 ％ 一阶最优 值 c g i t e r a t i o n s [ ] ％C G叠代次数 由于对液压联合 冲剪机工作机构 的关键部位进行 M A T L A B优化计算 ，故 Q A 3 5 Y ． 3 0液压联合 冲剪机 的 剪切性能好 。从表 1可以看出 在功率相 同、结构简 化、质量下降的情况下，Q A 3 5 Y 一 3 0可剪切的最大方 钢 、圆钢 、角钢等尺寸明显增加 ，机器的外形尺寸在 长度上从 2 6 8 0 m m减小 到 2 2 8 0 m m。采用优化 设计 的剪切 机构 ，一次剪切宽度可提高 2 8 ． 3 ％ 。 表 1 优化前 后产 品的性能 比较 4结 论 对 Q A 3 5 Y 一 3 0液压联 合冲剪机 的关 键部 位进行 分 析 ，建立工作机构布 置与运 动参 数之 间 的数 学模 型 ， 对 其进行 M A T L A B优 化计 算 ，有 效地 提 高 了设计 的 可靠性与设计效率 ，极大地简化 了 Q A 3 5 Y - 3 0液压 联 下转第 7 O页 7 0 机床与液压 马达输出转矩会 随着井深的增加而减小 。在到达一定 深度后 ，马达的输 出转矩为零。并且 ，随着井深 的进 一 步增加 ，链条牵引负载所需 的马达输出转矩变 为负 增长 。此 时 ，为保证测井作业速度控制的要求 ，注入 头马达应反 向工作 ；上提连续管时 ，虽然 马达 的输 出 转矩一直 为负 ，但会 随着井深 的减小 ，得链条牵引负 载所需 的马达输出转矩 的绝对值进一步减小 。 主驱动 回路的控制 回路 由工控机 、P I c及 P R O F I B U S D P现场总线 组成 ，完成 注入 头液压 系统 的控 制任务 。 2 ． 2辅助 驱动 回路 柴油发 动机驱动双联 泵中的恒压变量泵 ，为辅助 驱动 回路中的张紧油缸和压紧油缸提供动力源。张紧 油缸和压紧油缸都是通过三位四通 电磁换 向阀的切换 来实现链条 的张紧和松开。链条张紧和压紧后 ，控制 系统实时检 测压 力 ，紧急情 况下 ，依 靠 蓄 能器来 保 压 。 张 紧油 缸 和 压 紧 油 缸 总 的 进 油 口都 设 有 溢 流 阀 ，控制各个油 缸的供 油压 力 ，并 在各 个油缸 的进 出 口设 有 节流 阀 ，以调 节 张紧油 缸 和压 紧油缸 动作 的速度 。 3 注入头液压系统的特点 1 注人头液压系统采用 电液 比例控制 ，实现 了 注入头和滚筒 的协 同控制 。并且 ，注入头的注入或上 第 3 9卷 提速度控制为无级调速 ，使连续管测井机实现了工作 过程 的 自动化 。 2 主驱 动 回路与 辅助驱 动 回路 的动 力源 分别 由负载敏感 泵 和恒 压变 量泵 提供 ，控 制 回路 相互 独 立 。 3 主驱 动 回路 由负载敏感 泵提供 注入 头 马达 所需要的流量 ，减少 了液压系统的发热量 ，提高 了液 压系统的工作效率 。注入头马达采用带减速机构和刹 车装置的双排量变量马达 。小排 量情况下 ，提高了注 入头注入或上提 的速度 ；大排量情况下 ，满足了测井 工艺低速稳定性 的要求。 4 注人 头主驱 动 回路 中，由于加入 了手 动换 向阀 ，使得在系统失电的紧急情况下 ，也能够实现连 续管 的注入或上提 ，提高了系统 的安全性 。 参考文献 【 1 】傅阳朝， 李兴名． 连续油管技术[ M] ． 北京 石油工业出 版社 ， 2 0 0 0 ． 【 2 】熊革， 高文倩． 连续油管测井技术[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 3 】许益民． 电液比例控制系统分析 与设计[ M] ． 北京 机械 工业 出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】崔孝斌 ， 张运翘． 连续油管作业机液压系统分析[ J ] ． 石 油机械 ， 1 9 9 3 ， 2 1 1 2 3 4 3 8 ． 【 5 】高纪念， 朱小平． 连续油管注入器液压系统 l J ] ． 西安石 油学院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 4 2 3 8 4 5 ． 上接 第 5 8页 4结论 作者用西 门子软件 7 - 2 0 0编 程设计 了 钢管 的称 重 、测长和喷标 自动化控制系统 ，用组态王进行 了界 面设计 ，而且和 P L C实现 了通信 。在 S 7 2 0 0中编 写 了通讯协议 ，实 现 了喷码机 和 P L C的通讯 连接 。实 验结果表明 作者设计的程序没有任何错误 ，完全符 合要求 ，而且完成一根钢管的称重 、测长和喷标过程 仅仅需要 3 0 s ，该 系统运行稳定可靠 ，没有 出现任何 问题 。与现有 的控制系统 相 比， ． 该设计大大提高了生 产效率 ，具有 良好 的市场前景。 参考 文献 【 1 】西门子 中国 有限公司自动化 与驱动集团． 深入浅出 西 门子 s 7 ． 2 0 0 P L C [ M] ． 北京 北京 航空 航天大 学 出版 社 ， 2 0 0 3 ． 1 2 ． 【 2 】王兆义． 可编程控制器教程 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 3 26 ． 【 3 】时文飞， 侯世英， 张柯， 等． P L C与计算机的串口通信程 序设计 [ J ] ． 机床 电器 ， 2 0 0 5 4 ． 【 4 】马丁． 西门子 P L C应用程序设计实例精讲[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 上接 第 7 9页 合冲剪机剪切工作机构的设 计过程 ，实现了工作机构 的参数化 和优化设计。在 功率相 同、结构简化 、质量 下降的情况下 ，该设备可剪切的最大方钢 、圆钢 、角 钢等尺寸明显增加 ，实现 了产品的高效率 和低能耗 。 参考文献 【 1 】中国机械工程学会编． 锻压手册 第 3卷 锻压车间设 备[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 2 】阎青松 ， 陈华丰． Q A 3 5 Y 一 3 0液压联合 冲剪机 的研制 [ J ] ． 锻压机械 ， 2 0 0 8 1 1 0 9～1 1 2 ． 【 3 】阎青松， 刘杰 ， 陈华丰， 等． 液压联合冲剪机剪切机构的 建模与仿真[ j ] ． 机械 ， 2 0 0 8 5 1 71 9 ． 【 4 】苏金明， 阮沈勇， 王永利． MA T I A B工程数学[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 1 ． 【 5 】许波， 刘征． M A T I A B工程数学应用[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 2 0 0 0 ．