圓盤剪切機

作為機械加工的第一道工序，剪切加工在實際生產中被廣泛採用。隨着加工產品形式的多樣化，傳統的只能完成簡單剪切的剪切設備已經不能滿足實際需求。例如在冷彎成型領域中，柔性冷彎產品需要成型板料沿縱向尺寸是變化的，因此高精度的變寬度剪切機是柔性冷彎成型重要的前序設備。我校設計製造的具有自主知識產權的變寬度圓盤剪切機實現了對板材的變寬度剪切，不僅為柔性冷彎成型提供變寬度板料，也為其它有變寬度剪切需求的應用提供了有效的解決方案。仿真技術在機械系統中的應用非常廣泛，在產品或設備的前期設計中對原理與性能進行分析與驗證，以保證產品或設備滿足設計要求。隨着系統分析的細化與軟件技術的進步，越來越多的仿真研究採用軟件聯合應用的方式，以充分利用各類軟件的特點與優勢，實現對系統進行綜合分析的目的，即聯合仿真。例如在三維造型軟件SolidWorks 或Pro/E 中進行三維建模，然後在ADAMS 中進行運動學與動力學分析，使造型的便利性與強大的分析功能相結合，為改善系統性能提供依據。此外，利用MATLAB 軟件強大的計算功能與成熟的控制系統分析功能，對機械系統分析中的非線性因素以及控制算法加以仿真，使仿真技術向機電一體化方向發展。

這裏設計製造的變寬度圓盤剪切機具有三個自由度，能夠實現任意軌跡的剪切。由於採用圓盤剪切，所以機械結構與工作原理相對複雜，同時剪切過程中還受板料速度的影響，這些都為高精度剪切控制帶來了一定挑戰。因此，需要在虛擬環境下對樣機工作原理進行深入研究，同時檢驗控制方法的合理性，而這些工作在三維造型軟件所提供的仿真環境中是無法實現的。採用SolidWorks 造型平台建立變寬度圓盤剪切機的虛擬樣機，採用LabVIEW開發平台編寫控制虛擬樣機運動的驅動程序，利用MechatronicsToolkit 接口模塊將虛擬樣機平台與實時控制平台相連接，實現LabVIEW 對SolidWorks 下虛擬樣機的運動軌跡控制，即LabVIEW-SolidWorks聯合仿真，從而更直觀有效地對剪切機的運動規律進行分析，設計出合理的控制律，節約由仿真到實時控制的時間成 ^[1]  本。

圓盤剪板機由主機和尾座兩部分組成，主機主體為右側的深喉口結構。傳動箱內有齒輪變速機構.變速機構有三種速度。上、下國盤刀片由齒輪、鏈輪傳動.下圓盤刀片為齒輪傳動。兩個圓盤刀片呈45°分佈。以利曲線剪切。剪切間隙靠上、下刀盤系統的蝸輪一螺旋機構實現。

將被剪切的坯料夾在壓料定心盤上.尾座上的夾緊機構通過棘輪和絲槓控制夾緊力，井能繞壓料定心盤中心轉動。尾座上的移動絲槓用來調節壓料定心盤中心主圓盤剪刀的距離，也就是剪切圓形坯件的半徑。通過上、下閲盤剪刀的旋轉，完成園形坯件的剪切。剪切任憊曲線形坯件時，夾緊機構只起支承作用，依據劃線由人工送進。目盤剪切機也可以剪切條料，但是剪切後條料彎曲度較大 ^[2]  。

變寬度圓盤剪切機為三自由度剪切機結構：剪刀盤位於X 平動機構上，實現沿板材X 方向的變寬度剪切；為保證剪刃始終與板材垂直，剪刀盤需要沿Z 軸的轉動；同時為保證對任意曲率板材的剪切，考慮到剪刀盤的回轉半徑為固定尺寸，需要剪刀盤可以沿Y 方向（板材運動方向）移動。傳動機構中除Z 方向採用蝸輪蝸桿結構外，其餘均為絲槓—絲母結構。

根據以上結構，為實現剪刀盤點高精度定位定速，採用5 個伺服電機分別驅動以上3 個自由度上的5 個電機。於是該剪切機就可以根據實際需求，以高精度剪切出對稱或非對稱、具有任意曲率的板材，剪切軌跡 ^[3]  。

在SolidWorks 中建立剪切機虛擬樣機後，其運動分析插件COSMOSMotion 可進行基本的運動學及動力學仿真，初步分析剪切機的運動特性。但由於COSMOSMotion 電機驅動函數類型較單一，並且對於複雜軌跡的數據加載十分困難，尤其是同時驅動多電機且電機之間需要協同運動時。因此，分析複雜機構的運動軌跡時，COSMOSMotion 仿真環境具有一定的侷限性。變寬度剪切機的實時控制平台採用具有虛擬儀器思想的高性能模塊化硬件集成平台—PXI 控制器與圖形化軟件LabVIEW。LabVIEW 以嚴格定義的概念構成了一種易於理解和掌握的硬件和軟件模塊，並提供了一個理想的程序設計環節，較傳統的文本語言，節約程序的開發時間。

LabVIEW 開發了電機專用控制模塊—MotionAssistant，能夠方便地實現電機的直線及圓弧控制。藉助NIMechatronicsToolkit 接口工具包，可以將LabVIEW 中的電機驅動函數加載於SolidWorks 虛擬樣機中，使其能夠按照LabVIEW 中所設計的控制參數動作，從而實現LabVIEW-SolidWorks 的聯合仿真。通過聯合仿真，不僅能夠協調多電機同時進行控制，還能夠深入剖析剪切機的工作原理及運動規律，實現對複雜剪切軌跡的仿真，進而分析影響剪切軌跡精度的各種因素。

1 變寬度剪切機虛擬樣機的建立

與其他三維造型軟件相比，SolidWorks 簡便易用，且具有功能強大、操作便捷、界面友好等特點。在SolidWorks 環境下對剪切機各零件進行虛擬建模並裝配，裝配過程嚴格遵循實際機構配合關係、運動原理，力求使虛擬樣機具有與原型機相似的物理特性，為實現運動軌跡仿真奠定基礎。鑑於所討論的仿真着重研究運動控制與運動軌跡，因此只需對影響剪切軌跡的關鍵運動部件進行原理建模，相應的運動動作通過對其添加約束實現。如X、Y 方向上的傳動機構添加移動副實現剪切機兩方向的平動；Z 方向上的傳動機構添加旋轉副與耦合關係實現剪刀箱的轉動。實際剪切過程中，剪刀盤的旋轉不影響剪切軌跡，故只需對下剪刀盤建模，其頂點運動軌跡即是剪切成型軌跡。建立的剪切機虛擬樣機模型。

在COSMOSMotion 中，可通過編輯各約束屬性，定義其慣性、添加力、運動類型及驅動運動等仿真控制參數，對虛擬樣機進行簡單運動分析。LabVIEW 通過控制COSMOSMotion 中的運動副，實現對虛擬樣機的運動控制。

2 LabVIEW 與SolidWorks 的連接

NI Motion Assistant 是NI 開發的專用於運動控制的模塊，將基本運動類型封裝為獨立單元，供LabVIEW 調用，提高運動控制應用程序的開發效率。接口模塊Mechatronics Toolkit 以項目的形式將LabVIEW 開發的控制程序與SolidWorks 中的虛擬樣機連接起來，實現LabVIEW 對SolidWorks 模型的控制。項目瀏覽器界面，即在此工具包中，NI Motion Assistant 程序與COSMOSMotion Simulation 的接口轉換程序列於同一項目下，方便用户的調用。為實現LabVIEW 與SolidWorks 之間的數據交互即程序對虛擬樣機的仿真參數加載，程序中的運動軸名稱要與相應的約束名稱保持一致，並將驅動函數定義為“樣條線”，這是實現聯合仿真的兩個重要因素 ^[1]  。

首先以剪切三斜率板材為例，對虛擬樣機軌跡控制過程進行説明。板材的剪切軌跡，虛線為板料邊界，實線為剪切軌跡，即剪刀盤的運動軌跡為：沿X 方向正向電機迅速運動50mm 後，保持位置不變。當板材行走100mm 後，剪刀盤電機正向轉動15°，同時平動電機以板速v0tan15°反向運動，板材行走100mm 後，剪刀盤電機反向轉動15°後停止運動，保持當前位置至板材運行100mm。為簡化仿真過程，令板材速度v0 為常值，且速度值設為50mm/s。聯合仿真界面。指令軌跡與仿真軌跡。

由仿真軌跡可以看出，通過LabVIEW 下的指令設計，完成了對多軸電機的協同控制，實現了對剪切機虛擬樣機預期軌跡的控制，包括位置控制與速度控制。由於控制指令考慮了電機的啓停特性，因此仿真位移軌跡呈現出S 形曲線特徵。此外，仿真時採用電機空載特性，與實際中電機帶載後的特性不完全一致，根據負載不同響應速度會產生或大或小的延遲。在實際控制中，可以通過設計控制律來改善系統的動態性能，最大程度降低由於系統過渡過程而產生的偏差，從而提高控制精度。

採用同樣方法，對剪切機進行弧線軌跡的仿真，指令軌跡與仿真軌跡。仿真軌跡較指令軌跡略有滯後也是由於電機啓停特性的影響，實際中可以添加控制率加以改善。由於剪切弧線的曲率半徑與剪切機回轉半徑相關，因此在實際剪切控制中，需根據軌跡尺寸調整控制參數，以實現剪切機任意軌跡的剪切 ^[2]  。

仿真分析是目前對複雜機械結構或複雜控制系統進行分析設計的重要手段與方法。軌跡控制是根據預定軌跡的形態特徵分析實際樣機各運動軸的協調動作，編寫其驅動設備的控制程序，從而實線預定軌跡的控制。對於複雜機械結構而言，任一軌跡的生成都是通過多設備驅動協同完成的。因此，在虛擬環境下仿真運動軌跡，實現設計思想，體現機構動作過程，不僅避免實際調試

可能面臨的風險，更為實際控制提供依據。使得對系統有更加深入的瞭解，從而設計出性能更加優異的物理樣機，降低系統可行性驗證的時間成本與實際成本。

在SolidWorks 環境下，建立了變寬度圓盤剪切機的原理樣機，通過接口模塊Mechatronics Toolkit，將剪切機中電機的控制軌跡轉換為虛擬樣機中電機的驅動函數，使剪切機的原理樣機能夠進行復雜的軌跡仿真。剪切機軌跡仿真系統的建立，不僅驗證了軌跡控制方法，更直觀分析了機構複雜的動作過程。仿真過程得到的大量分析參數，有助於深入瞭解物理樣機結構和運動原理，提高系統軌跡控制精度，完善控制律。所採用仿真方法，為其它複雜機構的軌跡仿真分析提供了有效的解決方案 ^[3]  。