鋼筋矯直機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真分析含SW三維及7張CAD圖-獨(dú)家.zip,鋼筋,矯直機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計,運(yùn)動,仿真,分析,SW,三維,CAD,獨(dú)家 鋼筋矯直機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真分析 摘要 矯直作為一種精整技術(shù)，始終是工業(yè)發(fā)展不可或缺的一個分支。尤其近年來，隨著社會的發(fā)展，人們對產(chǎn)品質(zhì)量和精度的要求普遍提高，矯直技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用也越來越廣泛。如今，工業(yè)發(fā)展方向是高、精、尖，對各種材料的質(zhì)量提出了更高的要求。因此矯直作為一種精整技術(shù)已越來越得到工程技術(shù)人員的重視；矯直設(shè)備則已經(jīng)從過去的冶金行業(yè)的輔助設(shè)備發(fā)展為包括冶金和一些高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的加工設(shè)備。 本文根據(jù)分析了鋼筋矯直機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，根據(jù)所確立基本原理和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了高效鋼筋矯直機(jī)的總體設(shè)計，描述了其矯直過程。接著對每個功能模塊進(jìn)行了設(shè)計，確定了基本部件的選用，確定了幾大功能部件，分別是：動力裝置，輸送托輥裝置，矯直裝置。 本文利用SOLIDWORKS軟件完成鋼筋矯直機(jī)的3D總體設(shè)計圖，然后利用三維SOLIDWORKS完成矯直機(jī)二維圖的導(dǎo)出，最后對關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，同時運(yùn)用SOLIDWORKS對整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真。 關(guān)鍵詞：鋼筋矯直機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；矯直裝置  Abstract Straightening as a finishing technology, industrial development has always been an indispensable branch.Especially in recent years, with the development of the society, people and accuracy requirements generally improve the quality of product, straightening technology developing rapidly, is becoming more and more widely applied.Now, the industry development direction is high, refined, sharp, for a variety of materials quality put forward higher requirements.Thus straightening as a finishing technology has been more and more get the attention of the engineering technical personnel;Straightening equipment are from the auxiliary equipment development of metallurgical industry for including metallurgy and some high technology fields indispensable processing equipment. According to the steel bar straightening machine mechanical system are analyzed, according to the basic principle and technical index was established effective reinforced straightening machine overall design, describes the straightening process.Then has carried on the design of each function module, determine the selection of basic components, and determine the function of several major parts, respectively is: power equipment, conveyor roller device, straightening device. Of reinforced straightening machine in this paper, by using SOLIDWORKS software to complete 3 d overall design, and then use of straightening machine 3 d SOLIDWORKS, derivation of the two-dimensional figure, finally, the key components in finite element analysis, at the same time using SOLIDWORKS motion simulation on the whole machine. Key words: reinforced straightening machine;Structure design;straighteners 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 1.3本文的研究內(nèi)容 3 第二章 鋼筋矯直機(jī)總體設(shè)計 5 2.1矯直機(jī)矯直原理 5 2.2 驅(qū)動方案的確認(rèn) 6 2.3 力能參數(shù)計算 7 2.4 上、下輥系軸的校核 11 第二章 鋼筋矯直機(jī)三維建模的設(shè)計 15 3.1零件建模 15 3.2零件裝配 16 3.3 三維向二維的轉(zhuǎn)換 18 第三章 矯直輥的有限元分析 21 4.1 矯直輥有限元分析 21 第四章 鋼筋矯直機(jī)的仿真 27 5.1 Animator介紹 27 5.2 鋼筋矯直機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn) 27 結(jié)論與展望 29 結(jié)論 29 展望 29 參考文獻(xiàn) 30 致謝 32 III 第一章 緒論 1.1研究背景及意義 矯直作為一種精整技術(shù)，始終是工業(yè)發(fā)展不可或缺的一個分支。尤其近年來，隨著社會的發(fā)展，人們對產(chǎn)品質(zhì)量和精度的要求普遍提高，矯直技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用也越來越廣泛。如今，工業(yè)發(fā)展方向是高、精、尖，對各種材料的質(zhì)量提出了更高的要求。因此矯直作為一種精整技術(shù)已越來越得到工程技術(shù)人員的重視；矯直設(shè)備則已經(jīng)從過去的冶金行業(yè)的輔助設(shè)備發(fā)展為包括冶金和一些高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的加工設(shè)備。 彈塑性力學(xué)是固體力學(xué)的一個重要分支，是研究彈性和彈塑性物體變形規(guī)律的一門學(xué)科，比材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)研究范圍更廣泛,研究方法更精確，是分析和解決許多工程技術(shù)問題的基礎(chǔ)和依據(jù)，矯直理論就是在彈塑性理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它屬于金屬加工學(xué)科的一個分支。但隨著冶金行業(yè)的不斷發(fā)展，矯直機(jī)械也己經(jīng)從過去的冶金行業(yè)發(fā)展到其他一些高技術(shù)領(lǐng)域，如儀器儀表制造業(yè)、汽車、船舶和飛機(jī)制造業(yè)，石油化工業(yè)、建筑材料業(yè)、機(jī)械裝備制造業(yè)以及精密加工制造業(yè)等領(lǐng)域。由此可以看出矯直技術(shù)水平的高低不僅影響著一個企業(yè)某種產(chǎn)品的質(zhì)量和其成本，而且標(biāo)志著一個國家的工業(yè)發(fā)展水平。矯直技術(shù)水平的高低不僅影響著一個企業(yè)某種產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，而且標(biāo)志著一個國家的工業(yè)水平，直接關(guān)系到工業(yè)產(chǎn)品的競爭力。在講求質(zhì)量、效益的今天，矯直技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的重要性更加突出。 我們知道，金屬條材在加工和運(yùn)輸過程中，常因受外力、溫度等變化發(fā)生彎曲，扭曲變形，為了解決這種弊端，矯直技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。矯直技術(shù)就多用于金屬條材加工的后部工序，在很大程度上決定著產(chǎn)品或成品的質(zhì)量水平，矯直技術(shù)同其他金屬加工技術(shù)一樣在 20 世紀(jì)取得了長足的進(jìn)展，相應(yīng)的矯直理論也取得了很大的進(jìn)步，雖然還有一些理論滯后于實(shí)踐的情況，不過，如今的矯直理論已經(jīng)進(jìn)入到了解析化和系統(tǒng)化的時代，并為數(shù)字化和信息化敞開了大門，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，矯直理論和矯直技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1國外的研究現(xiàn)狀 在20世紀(jì)30～40年代，國外技術(shù)發(fā)達(dá)國家的鋼筋矯直機(jī)和板材矯直機(jī)也迅速的發(fā)展起來，相應(yīng)的理論研究也取得了一定的成果。到了20世紀(jì)70～80年代，國外許多發(fā)達(dá)國家的技術(shù)力量己相當(dāng)雄厚，矯直技術(shù)得到了不斷地改進(jìn)、發(fā)展和擴(kuò)充。英國的布朗克斯(BRONX)、德國的凱瑟琳(Kieserling)、德馬克(Demag)以及日本的一些品牌成為了矯直機(jī)領(lǐng)域的代表。此時的矯直概念則由原來狹義的彎曲矯直擴(kuò)展為包括解決彎曲、控制斷面形狀和尺寸精度的矯直，提出了平動矯直技術(shù)、行星矯直技術(shù)、全長矯直技術(shù)、程序控制矯直技術(shù)、變輥距矯直技術(shù)以及雙向旋轉(zhuǎn)矯直技術(shù)等。 近幾年國外關(guān)于矯直技術(shù)和矯直機(jī)的研究主要集中在提高矯直精度，提高控制水平及改善環(huán)境方面。同時為提高矯直精度和控制水平，開展了對變形機(jī)理、改進(jìn)工藝和參數(shù)優(yōu)化等方面的理論研究，取得了一些具有實(shí)用價值的成果。而且國外學(xué)者對矯直過程的計算機(jī)實(shí)時控制研究比較多，如Dvide E.Hardt等對扭轉(zhuǎn)變形矯直過程的實(shí)時控制的研究，以及Juen A.Robert對圓盤鋸片嬌直過程實(shí)現(xiàn)自動控制的研究等等。 1.2.2國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 我國的矯直技術(shù)研究起步較晚，建國以后，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要才有了對矯直技術(shù)的研究。那時，矯直機(jī)主要靠進(jìn)口。從 70 年代開始，許多學(xué)者對輥形設(shè)計做了理論和試驗(yàn)研究。在 1980年，中國金屬壓力加工學(xué)會在衡陽專門召開了“輥形專題會議” 。通過這次學(xué)術(shù)交流會，產(chǎn)生了等曲率反彎輥形計算法。 到了 80 年代，國內(nèi)對矯直技術(shù)的研究已有了相當(dāng)?shù)某晒?。在轉(zhuǎn)轂矯直技術(shù)方面，創(chuàng)造了中國首創(chuàng)的雙向旋轉(zhuǎn)矯直法。在80 年代末，東北大學(xué)的崔甫教授研制了矯直 F200復(fù)合轉(zhuǎn)轂式高精度棒材矯直機(jī)，并首先提出了雙交錯輥系的新方法。從 90 年代后，我國在趕超世界先進(jìn)水平方面邁出了一大步。我國在反彎輥形七斜輥矯直機(jī)、多斜輥薄壁轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)、雙向反彎輥形2 輥矯直機(jī)、復(fù)合轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)、液壓矯直自動切料機(jī)和平行不等輥距矯直機(jī)等方面有了很大突破，各種矯直機(jī)的矯直質(zhì)量均有突破。 近年來，我國在趕超世界先進(jìn)水平方面取得了很大進(jìn)步，在矯直機(jī)械的研制和矯直理論的研究上都取得了很多成績，很多學(xué)者開始利用有限元分析和解析的方法來研究矯直理論本身，從不同角度建立了矯直狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，壓彎量及工件殘余應(yīng)力等都成為了人們的研究對象。在過程控制方面，正由人工控制逐漸向計算機(jī)控制， 由單機(jī)控制向全線計算機(jī)控制發(fā)展，在矯直機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，正在向精密化、大型化發(fā)展，老設(shè)備將逐漸被淘汰或改造?，F(xiàn)在矯直技術(shù)的研究發(fā)展方向是開發(fā)研制高效節(jié)能、高精度和高度自動化的環(huán)保型矯直設(shè)備。既要求有高質(zhì)量，又要有高矯直速度，在產(chǎn)品上能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且還必須降低工作噪聲，操作上實(shí)現(xiàn)完全自動化。 現(xiàn)在國內(nèi)西安重型機(jī)械研究所和太原重型集團(tuán)等企事業(yè)部門在矯直機(jī)的研究和生產(chǎn)上代表了國內(nèi)的領(lǐng)先的水平，在棒材、型材和板材矯直機(jī)的研制上都取得了一定的成績。 但是，在取得成績的同時，國內(nèi)矯直技術(shù)的研究和使用還有很多工作要做，如鋼筋矯直機(jī)壓上式結(jié)構(gòu)的研究、提高矯直精度、矯直速度和控制水平等等。 1.2.2發(fā)展趨勢 綜合近些年國內(nèi)外的研究，可以看到：在矯直過程的變形機(jī)理方面向精度定量的方向進(jìn)一步發(fā)展，如：拉力對矯直的作用，在斜輥矯直機(jī)上壓緊力對矯直的作用等；在改進(jìn)矯直工藝及改進(jìn)矯直設(shè)備方面，如采用最佳壓下方案，采用恒功率制度，用振動矯直代替旋轉(zhuǎn)矯直，單獨(dú)驅(qū)動的變輥距矯直是大型矯直機(jī)發(fā)展的趨勢；在過程控制方面，隨著工業(yè)控制水平的不斷提高，矯直機(jī)電氣控制已上了一個新臺階，設(shè)備級控制趨向簡單化，工廠級監(jiān)控、相關(guān)設(shè)備間聯(lián)動、智能化控制，已是傳動及基礎(chǔ)自動化發(fā)展的必然趨勢。 鋼筋矯直機(jī)采用壓上式結(jié)構(gòu)將是未來發(fā)展的方向，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)將使機(jī)架上部結(jié)構(gòu)更加簡化，操作環(huán)境的光線會更好，在采用吊車換輥操作的時候可以避免輥?zhàn)踊虻踯嚺c機(jī)架上部壓下裝置的磕碰，減少事故的發(fā)生，從另一角度而言，換輥工作將更加方便。 1.3本文的研究內(nèi)容 鋼筋矯直機(jī)自動化是目前的演變趨勢，許多企業(yè)會添加購買自動化設(shè)備對現(xiàn)有的矯直機(jī)升級改良，有的也會自己設(shè)計制造鋼筋矯直機(jī)。本文結(jié)合現(xiàn)有的鋼筋矯直機(jī)設(shè)計構(gòu)思，設(shè)計出全自動高效鋼筋矯直機(jī)本文對整個鋼筋矯直機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，最終目的是生產(chǎn)裝配出可實(shí)現(xiàn)全自動的矯直設(shè)備。 本文對鋼筋矯直機(jī)原理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，總結(jié)國內(nèi)外研究成果，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，適當(dāng)改進(jìn)，設(shè)計了一種能的全自動高效矯直機(jī)。論文主要內(nèi)容包括以下幾個方面： （1）對矯直機(jī)功能研究，確定了系統(tǒng)工作原理以及方案，并根據(jù)原理方案對鋼筋矯直機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。 （2）主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算與校核。 （3）運(yùn)用SOLIDWORKS軟件完成鋼筋矯直機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 （4）運(yùn)用SOLIDWORKS軟件完成鋼筋矯直機(jī)關(guān)鍵部件的有限元分析。 （5）運(yùn)用SOLIDWORKS軟件完成鋼筋矯直機(jī)的運(yùn)動仿真。 第二章 鋼筋矯直機(jī)總體設(shè)計 2.1矯直機(jī)矯直原理 輥式矯直機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種矯直機(jī)。也是矯直技術(shù)發(fā)展最為完善的一種矯直機(jī)。輥式矯直機(jī)可以矯正板帶材和型材。其種類繁多，按用途可分為板材和型材兩類矯直機(jī)；還可按板厚來分，可分為厚、中、薄三類板材矯直機(jī)；還有按重型和普通型來區(qū)分板材矯直機(jī)的；用板寬來編排矯直機(jī)系列也是一種方法。從趨勢上看以厚度來區(qū)分板材矯直機(jī)是最基本的方法。 輥式矯直機(jī)屬于連續(xù)性反復(fù)彎曲式矯直機(jī)，是在壓力矯直機(jī)的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的，它克服了壓力矯直機(jī)斷續(xù)工作的缺點(diǎn)，使矯直效率成倍提高，使矯直工序得以進(jìn)入連續(xù)生產(chǎn)線，這在技術(shù)上是一次較大的跨越。其理論基礎(chǔ)就是金屬材料在較大彈塑性彎曲條件下，不管其原始彎曲程度有多大差別，在彈復(fù)后所殘留的彎曲程度差別會顯著減小，甚至?xí)呌谝恢?，從而達(dá)到矯直目的。 圖2-1 平行輥矯直的7種典型輥系 在生產(chǎn)實(shí)際中，工件原始曲率的大小和方向均是不相同的，輥式矯直機(jī)的矯直原理就是使工件在矯直輥壓下力的作用下，在同一工作平面內(nèi)通過交錯配置的工作輥進(jìn)行反復(fù)壓彎，工件發(fā)生彈塑性變形，直到殘余曲率逐漸減小為零，工件趨于平直。因此，輥式矯直機(jī)必須具有兩個基本特征：第一是具有相當(dāng)數(shù)量交錯配置的矯直輥，實(shí)現(xiàn)多次反復(fù)彎曲的能力；第二是壓彎量可以調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)矯直所需要的壓彎方案。 平行輥矯直機(jī)發(fā)展歷史較長，輥系結(jié)構(gòu)形式很多，且主要與用途有關(guān)，其次也與矯直質(zhì)量有關(guān)。如圖2-1為平行輥矯直機(jī)的7種典型輥系。輥系a主要用于熱矯厚板、粗矯板材等；輥系b主要用于熱矯板材；輥系c是一種靈活性較大的多用途輥系；輥系d是按線性遞減壓下的板材矯直輥系；輥系e是型材矯直的常用輥系，各上輥單獨(dú)調(diào)整可采用各種壓下方案；輥系f是矯直板材的輥系，帶有支撐背輥。 2.2 驅(qū)動方案的確認(rèn) 設(shè)備的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進(jìn)行分析比較。 2.2.1 液壓驅(qū)動 設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： (1)液壓容易達(dá)到較高的壓力（常用液壓為2.5～6.3MPa），體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩； (2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度； (3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動控制； (4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。 液壓傳動系統(tǒng)的不足之處是： (1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃爆炸等危險； (2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高； (3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則引起故障。 液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型設(shè)備的驅(qū)動。 2.2.2 氣壓驅(qū)動 與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)是： (1)壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速； (2)利用工廠集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動力設(shè)備； (3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)； (4)氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。 它的不足之處是： (1)壓縮空氣常用壓力為0.4～0.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大； (2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難； (3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致設(shè)備失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。 氣動式驅(qū)動多用于點(diǎn)位控制、抓取、開關(guān)控制和順序控制的設(shè)備。 2.2.3 電動機(jī)驅(qū)動 電動機(jī)驅(qū)動可分為普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。 普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型設(shè)備。伺服電動機(jī)和步進(jìn)輸出力矩相對小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型設(shè)備。交、直伺服電動機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機(jī)則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 2.2.4 方案的確認(rèn) 綜合上述三個方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文最重選用電機(jī)傳動最為本次鋼筋矯直機(jī)的驅(qū)動形式。 2.3 力能參數(shù)計算 矯直機(jī)的力能參數(shù)包括矯直力、矯直彎矩、工作轉(zhuǎn)矩及驅(qū)動功率。矯直機(jī)的力學(xué)模型如下圖所示： 2.3.1 矯直力與矯直彎矩 由彎矩比的定義： （2.1） 可算出七次矯直的彎矩 根據(jù)連續(xù)梁的三彎矩方程，可以寫出矯直力的表達(dá)式，任意第i輥的矯直力為: （2.2） 其中p為輥距，若把理解為彈性極限彎曲時的支點(diǎn)力，并用表示，即： （2.3） 則上式（2.2）變?yōu)椋? （2.4） 各輥矯直力在等輥距矯直機(jī)上可寫為矩陣形式： （2.5） 各輥矯直力絕對值之和為： （2.6） 2.3.2矯直輥轉(zhuǎn)矩 塑形變形能可由下式來計算： （2.7） 將代入上式積分整理得： 代入數(shù)據(jù)算得 總彎曲變形能為： 彈復(fù)變形能為： （2.8） 矯直機(jī)在矯直鋼筋時，彈復(fù)的絕大部分能量將釋放反饋給矯直機(jī)，幫助機(jī)器運(yùn)行。因此機(jī)械用于矯直變形的能量基本可以寫成為： （2.9） 第i輥的矯直變形能為： （2.10） b.克服摩擦阻力的矯直輥轉(zhuǎn)矩 矯直輥在矯直力作用下收到各種阻力，矯直輥產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要能夠克服軸承摩擦阻力、輥面與工件間的滾動摩擦阻力及工件變形阻力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。對于懸臂式結(jié)構(gòu) 克服摩擦阻力的矯直輥轉(zhuǎn)矩為： （2.11） ：工件與輥面的滾動摩擦系數(shù)，型材取=0.001 ：軸承摩擦系數(shù)，滾動軸承?。?.01 da為工作側(cè)軸頸直徑，為驅(qū)動側(cè)軸頸直徑。根據(jù)初步設(shè)計，分別取=320mm，=200mm。 c.克服工件塑性變形的矯直輥轉(zhuǎn)矩 工件彎曲過程中純塑性變形及殘余變形都消耗動力，設(shè)這兩種變形所需轉(zhuǎn)距為，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動θ角后所消耗的能量為θ，此時工件所走過的長度為θR ，其中R為輥?zhàn)影霃剑?設(shè)工件單位長度所需的矯直變形能為，寫成能量關(guān)系式： （2.12） （2.13） 若第i輥處的轉(zhuǎn)矩為，矯直變形能為，則克服工件塑性變形阻力的矯直輥轉(zhuǎn)矩為: （2.14） 矯直輥的總轉(zhuǎn)矩為: （2.15） （4）驅(qū)動功率 當(dāng)以確定矯直速度v，矯直機(jī)傳動系統(tǒng)的效率為η時，矯直機(jī)驅(qū)動功率為： （2.16） ：當(dāng)采用電動機(jī)-減速器-萬向軸傳動時，取0.8。 : 取60m/min。 2.4 上、下輥系軸的校核 輥軸是矯直機(jī)的重要部件，不僅承受矯直力及軸承支點(diǎn)力產(chǎn)生的彎矩作用，而且傳遞矯直動力，承受扭矩。由于矯直機(jī)外形尺寸較大，前后立箱距離較大，會使輥軸產(chǎn)生一定的撓度彎曲。輥軸上零件較多，軸的結(jié)構(gòu)加工處承受交變的力，會對軸的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。因此總的看來，對于輥軸應(yīng)該進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度計算、疲勞強(qiáng)度校核及剛度計算。鑒于篇幅，只在這里進(jìn)行其中最重要的對第3輥的彎扭合成強(qiáng)度計算。 根據(jù)軸的工作條件并考慮到制造工藝等因素，應(yīng)選擇具有高的強(qiáng)度及剛度、并對應(yīng)力集中的敏感性低、材料來源廣泛及經(jīng)濟(jì)低廉的軸，故對輥端軸選取45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，通過查閱手冊，可得其相關(guān)力學(xué)性能為： =600MPa，=355MPa， =55MPa 當(dāng)作用于軸上載荷的大小及位置已確定，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計也已基本確定時，可按彎扭合成法進(jìn)行計算，一般轉(zhuǎn)軸用這種方法，偏于安全。計算步驟如下。 （1）畫出軸的受力簡圖，分析后畫出受力圖、彎矩圖、扭矩圖，如下所示。 圖2-2 輥軸受力示意簡圖 圖2-3 輥軸受力圖 圖2-4輥軸彎矩圖 圖2.12 輥軸扭矩圖 其中扭矩可按前面力能參數(shù)計算部分矯直輥轉(zhuǎn)矩的計算公式計算。第三個輥的力，克服摩擦阻力的矯直輥轉(zhuǎn)矩為： （2.17） ，克服工件塑性變形阻力的矯直輥轉(zhuǎn)矩為： （2.18） 矯直輥總轉(zhuǎn)矩為： （2）確定危險截面。由上面的分析及圖像可見，1截面軸頸最小且開了一個鍵槽，2截面受彎矩最大，因此1截面和2截面是危險截面，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。 對于1截面，危險截面上彎矩M產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為： （2.19） ，轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力為： 對于一般鋼制的軸，危險截面上的計算應(yīng)力可按第三強(qiáng)度理論計算： （2.20） 因此1截面安全，滿足強(qiáng)度要求。 對于2截面，其軸頸為： 危險截面上彎矩M產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為： 轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力為： (2.21) 對于一般鋼制的軸，危險截面上的計算應(yīng)力可按第三強(qiáng)度理論計算： (2.22) 因此2截面安全，滿足強(qiáng)度要求。 綜上所述，輥軸設(shè)計強(qiáng)度符合要求，滿足使用條件 第二章 鋼筋矯直機(jī)三維建模的設(shè)計 3.1零件建模 3.1.1矯直機(jī)機(jī)架三維建模的形成 在SolidWorks中，矯直機(jī)機(jī)架的形成比較容易實(shí)現(xiàn)，通過拉伸、陣列等指令，矯直機(jī)機(jī)架的三維模型如圖3-1所示。 圖3-1 矯直機(jī)機(jī)架三維圖 3.1.2 從動托輥的三維建模形成 由于從動托輥的三維模型比較復(fù)雜，運(yùn)用了拉伸，切除，圓角，等特征，形成從動托輥的三維模型。如圖3-2所示 圖3-2 從動托輥三維圖 3.1.3 TOOLBOX運(yùn)用 另外，SolidWorks里toolbox里包含了各種傳動件，螺栓，螺母，螺釘，軸承等數(shù)據(jù)，可直接調(diào)用輸入自己參數(shù)即可。 軸承的建模，從toolbox中選擇軸承，滾動軸承如圖3-3所示 圖3-3 添加軸承 3.2零件裝配 零件設(shè)計好了，可以將其在組建模式下通過一定的方式組合在一起，從而造成一個組件或完整產(chǎn)品模型。 零件裝配需要在專門的組件設(shè)計模式下進(jìn)行。在Solidworks2014 中，可以按照以下步驟來創(chuàng)建一個組件設(shè)計文件： 單擊新建按鈕，打開“新建”對話框。 在“類型”選項(xiàng)組中選擇“組件”單選按鈕，在“子類型”選項(xiàng)組中尋則“設(shè)計”單選按鈕，在“名稱”文本框中輸入組件名稱，清除“使用缺省模板”復(fù)選框，然后單擊“確定”按鈕。 彈出“新建文件選項(xiàng)”對話框。從“模板”選項(xiàng)組的列表框中選擇“mmns _SLDASM_design”，單擊“確定”按鈕。 在組件設(shè)計中（裝配設(shè)計），主要有兩種主流設(shè)計思路，即自底向上設(shè)計和自頂而下設(shè)計。通俗一點(diǎn)而言，前者是將已設(shè)計好的零部件按照一定的裝配方式添加到裝配體中；而后者則是從頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)著手，由頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計規(guī)范到所有相關(guān)子系統(tǒng)，從而有利于高效地對整個設(shè)計流程項(xiàng)目進(jìn)行協(xié)作管理。 在組件設(shè)計模式下，系統(tǒng)允許采用多種方法將元件添加到組件，包括使用放置定義集（簡稱約束集）和使用元件界面自動放置等。通常元件放置根據(jù)放置定義集而定，這些集合決定了元件與組件的相關(guān)方式及位置，這些集既可以是由用戶定義的，也可以是預(yù)定義的。用戶定義的約束集含有0個或多個約束；預(yù)定義約束集（也叫連接）具有預(yù)定義數(shù)目的約束。 約束放置是較為常用的裝配方式。在 Solidworks2014元件放置操控板的約束列表框中，提供了多種放置約束的類型選項(xiàng)，包括缺省、固定、曲面上的邊、曲面上的點(diǎn)、直線上的點(diǎn)、相切、坐標(biāo)系、插入、匹配、對其、和自動。 在使用約束放置選項(xiàng)時，需要注意約束放置的一般原則及注意事項(xiàng)。例如，“匹配”約束或“對齊”約束的一組參照的類型要相同（平面對平面、旋轉(zhuǎn)對旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)對點(diǎn)、軸對軸）；一次只能添加一個也是，譬如不能使用一個單一的“匹配”約束選項(xiàng)將一個零件上的兩個不同的平面與另一個零件上的兩個不同的平面配對，二必須定義兩個單獨(dú)的“匹配”約束；元件的裝配需要定義放置約束集，放置約束集由若干個放置約束構(gòu)成，用來組合定義元件的放置和方向。 裝配通過一個中心線重合，面重合或給定距離來配合圓弧曲面的零件。首先進(jìn)行部裝，在得到鋼筋矯直機(jī)的裝配圖，總裝配圖見下圖3-4所示： 圖3-4 鋼筋矯直機(jī)三維裝配體 3.3 三維向二維的轉(zhuǎn)換 SolidWorks作為一套功能強(qiáng)大的計算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計軟件，可以建立零件的三維實(shí)體圖，三維裝配體圖及二維工程圖，且大多數(shù)生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員對二維繪圖軟件，如autocad，caxa電子圖版，等更加熟悉，而且二維軟件在繪制，尤其是標(biāo)注裝配體，零件圖時，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。所以，充分利用SolidWorks和二維圖之間的轉(zhuǎn)換，把SolidWorks自動生成的工程視圖與二維軟件的標(biāo)注結(jié)合起來，達(dá)到“以二維之長補(bǔ)三維之短”的目的。一下是三維建模生成二維工程圖的詳細(xì)過程。 在SolidWorks中生成二維工程圖。在SolidWorks中的新建模板中，新建一個工程圖模板，打開工程圖工具條，在工程圖工具條中點(diǎn)擊“新建”按鈕，并在作圖區(qū)域中單擊右鍵，“從文件中選擇”，確認(rèn)要生成工程圖的三維模型，并選擇要形成工程圖的視圖方向；在繪制區(qū)域內(nèi)單擊左鍵，以確定圖形位置，單擊“確定，完成工程圖的繪制，并將其保存為“dwg/dxf”格式的文件。如圖3-5所示 圖3-5新建工程 選用標(biāo)準(zhǔn)圖紙，或自定義圖紙大小，如圖3-6所示 圖3-6選擇圖紙 打開需要生成工程圖的零件，并將其拖入此工程圖。左鍵確定位置，繼續(xù)移動鼠標(biāo)，會顯示鼠標(biāo)移動方向的視圖。從而確定所需工程圖，如圖3-7所示。 圖3-7工程圖創(chuàng)建 此外，還可通過上方的工具來分析剖視圖。也可標(biāo)注此裝配體的零件及其名稱。因此圖還將在CAD中修改，故在此未標(biāo)注零件序號及名稱，最后完成的工程圖如圖3-8所示： 圖3-8鋼筋矯直機(jī)工程圖紙 第三章 矯直輥的有限元分析 4.1 矯直輥有限元分析 首先，對矯直輥的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。完成三維建模后，再對相應(yīng)部分進(jìn)行有限元分析。由于矯直輥的螺栓、導(dǎo)向桿等零件無需單獨(dú)進(jìn)行受力分析，而且如果對矯直輥整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，將會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的計算時間將會持續(xù)幾天甚至更多。所以為了使計算更加精確，縮短系統(tǒng)計算時間，我們在這里只對矯直輥主體進(jìn)行分析，即直接將矯直輥主體分離出來單獨(dú)進(jìn)行靜態(tài)分析，以確保系統(tǒng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。矯直輥有限元分析的具體步驟如下： 4.1.1 矯直輥零件的三維建模 利用SOLIDWORKS軟件對矯直輥零件進(jìn)行三維模型，這個的具體繪圖過程就不一一詳細(xì)描述。得到的三維模型如圖4-1所示。 圖4-1 矯直輥模型 4.1.2 確定材料 零件的反應(yīng)取決于其所構(gòu)成的材料，程序必須知道零件材料的彈性屬性，通過從材料庫選擇材料來給零件指派材料。由于矯直輥承受重量大，矯直輥主體會受到較大的壓力和拉應(yīng)力，所以矯直輥材料選擇普通碳鋼。但在用Solidworks Simulation對矯直輥進(jìn)行應(yīng)力分析時，由于材料庫沒有這一材料，因此選擇近似的材料碳鋼，具體選擇如下圖4-2所示。 圖4-2 材料選取 4.1.3 添加夾具 在夾具選項(xiàng)卡中，可以定義固定約束。每個約束可以包含多個面。受約束的面在所有方向都受到約束。必須至少約束零件的一個面，以防由于剛性實(shí)體運(yùn)動而導(dǎo)致分析失敗。在對矯直輥主體進(jìn)行應(yīng)力分析前，首先要確定其夾具固定的部分。如圖4-3所示，選擇矯直輥兩軸承固定段為固定端，即模擬夾具夾住矯直輥兩軸承固定段部分。 圖4-3添加夾具 4.1.4 施加載荷 矯直輥我們設(shè)定載荷為皮帶拉力為5517KN。在載荷選項(xiàng)卡上，可以應(yīng)用力和壓力載荷至模型的面，可以應(yīng)用多個力至單個或多個面。由矯直輥實(shí)際工況得出其受力情況見圖4-4 圖4-4 矯直輥豎直方向施加載荷 4.1.5 生成網(wǎng)格 接下來需對矯直輥劃分網(wǎng)格。實(shí)體模型的網(wǎng)格化由兩個基本階段組成。在第一階段，網(wǎng)格器將節(jié)放置于邊界上，此階段稱為曲面網(wǎng)格化。如果第一個階段成功，網(wǎng)格程序開始第二個階段，將在內(nèi)部生成節(jié)，以四面單元填充體積，并將中側(cè)節(jié)放置于邊線上。在實(shí)際操作中，我們先要選擇網(wǎng)格的參數(shù)，如圖4-5所示，將網(wǎng)格密度設(shè)置為良好。選擇好網(wǎng)格參數(shù)之后，對矯直輥模型生成定義的網(wǎng)格。 圖4-5 矯直輥網(wǎng)格化 4.1.6 運(yùn)算求解 網(wǎng)格化參數(shù)后點(diǎn)擊運(yùn)行，軟件開始自動對算例進(jìn)行計算分析，求解過程如下圖5-6所示。 圖4-6運(yùn)行算例分析 當(dāng)運(yùn)行結(jié)束后，就可以得到矯直輥模型應(yīng)力、應(yīng)變、位移和安全系數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)的有限元分析結(jié)果。 4.1.7 分析結(jié)果輸出 Simulation的結(jié)果選項(xiàng)卡中生成的圖解可以生動形象的表現(xiàn)出矯直輥各部位的應(yīng)力—應(yīng)變情況、位移情況及安全系數(shù)情況，如圖4-7所示。結(jié)果選項(xiàng)卡的第一個屏幕顯示矯直輥所有位置的最小安全系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)則通常要求安全系數(shù)為 1.5 或更大。對于給定的最小安全系數(shù)，Simulation程序會將可能的安全與非安全區(qū)域分別繪成藍(lán)色與紅色。矯直輥主體部分有限元分析的應(yīng)力、位移、應(yīng)變及合位移分布云圖如圖4-8至4-11所示。 圖4-7 輸出結(jié)果 圖4-8 合位移圖 圖4-9 位移分布圖 圖4-10 應(yīng)變分布圖 圖4-11 應(yīng)力分布圖 由圖4-11可知，矯直輥在工況載荷下，施加載荷時候的最小安全系數(shù)是1.05，。根據(jù)圖4-10所示，矯直輥的屈服力大約為220MPA，而所用材料的抗拉強(qiáng)度為490MPA，完全符合設(shè)計要求。 第四章 鋼筋矯直機(jī)的仿真 5.1 Animator介紹 Animator插件就是一個與SolidWorks完全集成的動畫制作軟件插件，它能將SolidWorks的三維模型實(shí)現(xiàn)動態(tài)的可視化，并且實(shí)時錄制機(jī)構(gòu)的模擬裝配過程、模擬拆卸過程和機(jī)構(gòu)的模擬工作過程，將機(jī)構(gòu)的工作情況得到更好的表達(dá)，增強(qiáng)了人們對機(jī)構(gòu)的認(rèn)識和了解。產(chǎn)品的交互動畫將SolidWorks的三維模型實(shí)現(xiàn)動態(tài)的可視化，攝制產(chǎn)品設(shè)計的模擬裝配過程、模擬拆卸過程和產(chǎn)品的模擬運(yùn)行過程，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)設(shè)計。 Animator具有如下特點(diǎn)： （1）Animator與SolidWorks和PhotoWorks軟件無縫集成，可以充分利用SolidWorks的實(shí)體模型和 PhotoWorks的渲染功能。 （2）利用動畫向?qū)?，可以非常容易地對SolidWorks零件或裝配體環(huán)境制作動畫。 （3）爆炸或解除爆炸動畫，來展示裝配體中零部件的裝配關(guān)系。 （4）繞著模型轉(zhuǎn)動或讓模型360度轉(zhuǎn)動，可以從不同角度觀看設(shè)計模型。 （5）利用專業(yè)的燈光控制以及為零件和特征增加材質(zhì)，來產(chǎn)生高質(zhì)量的動畫效果。 （6）可以直接通過電子郵件發(fā)送AVI格式動畫文件，加快設(shè)計觀點(diǎn)的交流，縮短設(shè)計周期。 5.2 鋼筋矯直機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn) SolidWorks Animator使用基于“關(guān)鍵點(diǎn)”的界面。所謂關(guān)鍵點(diǎn)（Key Frame），就是零部件的某個特定的狀態(tài)?！瓣P(guān)鍵點(diǎn)”不僅支持空間位置的變化，也支持模型材質(zhì)、顏色、透明度的變化。Animator 基本界面如圖5-1所示： 圖5-1 放置鍵碼屬性管理器 重點(diǎn)在于關(guān)鍵點(diǎn)的確定，生成關(guān)鍵點(diǎn)有3個步驟：（1）切換到動畫界面。（2）根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的時間長度，拖動時間滑竿到相應(yīng)的位置。（3）拖動裝配體零部件，使其達(dá)到動畫序列末端應(yīng)達(dá)到的新的位置。也可以在對應(yīng)零件的時間欄區(qū)域單擊右鍵，在菜單中選擇“放置鍵碼”選項(xiàng)。對于本裝配體，移動時間滑竿，然后旋轉(zhuǎn)齒輪到最終理想的位置，就可以達(dá)到理想的動畫效果，單擊“開始”按鈕可以播放動畫，通過點(diǎn)擊“保存”按鈕可以將動畫保存為AVI格式的動畫。 結(jié)論與展望 結(jié)論 此次畢業(yè)設(shè)計是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向未來工程師重要的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從最初的選題，開題到計算、繪圖直到完成設(shè)計。其間，查找資料、老師指導(dǎo)、與同學(xué)交流、找相關(guān)人士咨詢、反復(fù)修改圖紙，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗(yàn)和知識的運(yùn)用。 通過這次設(shè)計，我了解了的鋼筋矯直機(jī)的的用途及工作原理，熟悉了產(chǎn)品的設(shè)計步驟，鍛煉了工程設(shè)計實(shí)踐能力，培養(yǎng)了自己的獨(dú)立設(shè)計能力。此次畢業(yè)設(shè)計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。 畢業(yè)設(shè)計收獲很多，比如學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的繪圖能力，懂得了許多經(jīng)驗(yàn)公式的獲得，是不懈努力的結(jié)果。同時，仍有很多課題需要在以后的工作中去努力去完善。但是畢業(yè)設(shè)計也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解等等。這次實(shí)踐是對自己大學(xué)四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長，以后更應(yīng)該在工作中不斷努力學(xué)習(xí)，努力使自己成為一個對社會有所貢獻(xiàn)的人，為中國機(jī)械行業(yè)添上自己的微薄之力。 展望 這次設(shè)計讓我認(rèn)識到機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要性，只有完成了結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計，才有可能進(jìn)行后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的合理性需要反復(fù)的驗(yàn)證，只有各個部件的完美配合，才能實(shí)踐預(yù)期的功能。 通過這一次的畢業(yè)設(shè)計，自己開始對結(jié)構(gòu)設(shè)計有了一定的認(rèn)識和了解，在設(shè)計工作過程中培養(yǎng)了獨(dú)立思考，細(xì)心專研的學(xué)習(xí)態(tài)度，相信對以后的工作學(xué)習(xí)會有很大的幫助。在這次設(shè)計過程中，充分認(rèn)識到理論結(jié)合實(shí)踐的重要性，一定要充分理解消化書本中的理論知識，并將其運(yùn)用到實(shí)際的設(shè)計中，只有這樣才能設(shè)計出合理優(yōu)秀的產(chǎn)品。 29 參考文獻(xiàn) .[1] 《機(jī)械設(shè)計（第八版）》，高等教育出版社，濮良貴，紀(jì)名剛主編，2006年5月第八版； [2] 《工程機(jī)械構(gòu)造圖冊》，機(jī)械工業(yè)出版社，劉希平主編； [3]《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》，高等教育出版社，吳宗澤，羅圣國主編，2006年5月第三版 [4]《減速器選用手冊》，化學(xué)工業(yè)出版社，周明衡主編，2002年6月第一版 [5] 《機(jī)械制圖（第四版）》，高等教育出版社，劉朝儒，彭福蔭，高治一編，2001年8月第四版； [6]《互換性與技術(shù)測量（第四版）》，中國計量出版社，廖念釗，古瑩庵，莫雨松，李碩根，楊興駿編，2001年1月第四版； [7] 葉偉昌.機(jī)械工程及自動化簡明設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001. 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