线缆剪切装置的动力学仿真分析及试验研究.docx

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线缆剪切装置的动力学仿真分析及试验研究

线缆剪切装置的动力学仿真分析及试验研究

李春泉，邵永安，赵帅峰，黄红艳（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004）摘要：

线缆剪切装置是线缆自动绑扎设备中的重要机构。

在分析了目前线缆剪切机构的基础上，提出并设计了一种新型线缆自动剪切装置。

对剪切装置的主要系统传动参数进行了设计计算，并对剪切装置机构进行了三维建模、动力学仿真分析以及核心部件的ANSYS静力学仿真分析。

仿真结果表明，该线缆自动剪切装置可以实现线缆自动绑扎设备中线缆及线束的自动剪断过程。

最后，进行了装置物理样机的加工制造，并通过样机的剪切试验验证剪切装置设计的正确性和可行性。

关键词：

线缆剪切；模拟仿真；动力学分析；静力学分析1引言线缆作为电子设备的“神经系统”，在各种电子设备的功能实现上起着至关重要的作用[1-2]。

随着近几年线束行业的不断发展，线缆自动绑扎加工设备也应运而生。

线缆绑扎具体是一种能自动拉紧绑扎线束并剪断塑料扎带的设备，可实现自动助推上料、自动对准、自动拉紧绑扎、自动剪断、自动排出剪断料等过程。

线缆的自动剪断是线缆绑扎工艺中的关键环节，但是在国内外现有的线缆绑扎设备中，并没有广泛应用于线缆绑扎设备的线缆自动剪切装置，小型线缆绑扎机的线缆剪切工作需要借助人力完成，不仅耗费人力物力，而且工作效率低，由于人工操作，剪断后的线缆长度以及剪切截面平整性得不到保证，导致绑扎后的线束整体外观存在误差。

针对上述剪切装置所存在的问题，设计出一种线缆自动剪切装置，利用SolidWorks软件对剪切装置进行三维仿真。

线缆剪切装置的三维仿真模型，如图1所示。

装置主要包括：

1同步带轮机构，2辅助弹簧复位机构，3步进电机，4电机固定装置，5剪切机构，6齿轮齿条机构等。

剪切部分的刀具是装置的主要受力构件，刀片的形状、材料、安装位置等因素都对剪切结果起到关键作用，针对关键零部件进行动力学仿真和有限元分析，可进一步优化样机模型的系统结构参数，保证剪切装置的工作性能。

图1线缆剪切装置三维模型仿真

Fig.1CableShearingDeviceThree-DimensionalModel2剪切装置的结构及工作原理线缆剪切装置主要包括驱动机构，传动机构，剪切机构和辅助弹簧复位机构。

线缆剪切装置结构简图，如图2所示。

装置进行线缆剪切工作时，通过控制器控制装置步进电机带动同步带以及齿轮轴带动具有齿条结构的刀架进行相反方向的直线运动，使安装在滑动刀架上的上刀片和下刀片相互贴合，直到完成剪切动作，辅助弹簧复位机构主要用于刀架的快速复位过程，为下次的剪切动作做准备。

装置主要完成线缆或线束的剪切，利用齿轮齿条机构的特性实现刀片以对剪方式进行剪切，使线缆在剪切过程中的受力集中于线缆的中心点处，得到良好的剪切效果。

根据设计要求，当步进电机驱动轴旋转240°时，刀片完成一次剪切动作，一侧刀片的最大行程为12mm，驱动轴反转240°时，剪切动作完成，刀架复位，刀架运动轨迹为往复的直线。

如图6所示，剪切刀片刃口形状为燕尾形，刀片长为40mm，宽为15mm，最大可剪切截面直径为10mm的线缆及线束。

图2线缆剪切装置结构简图

Fig.2CableShearingDeviceStructureDiagram3系统传动参数设计线缆剪切装置的整体结构为驱动、传输、执行一体式设计。

本装置选用步进电机型号为：

57BYG250C。

通过同步带轮将动力传递到齿轮轴，然后齿条驱动刀架运动，从而实现剪切动作。

根据线缆的横截面积不同，剪切所需要的剪切力也尽不相同，所以需要对装置的主要传动参数进行设计以及计算验证，同时进行动力学仿真分析，提高系统工作的可靠性。

3.1传动参数计算3.1.1确定初始参数根据所选用的步进电机型号，得到电机额定输出功率为P=100W，额定输出转速为n1=200r/min，选取同步带轮机构的传动比i=n1/n2=2，初定中心距a0=79mm。

3.1.2计算设计功率根据线缆剪切装置的工作特性，选取载荷修正系数KA=1.5，则设计功率为：

3.1.3选定同步带型号和节距根据计算功率以及驱动同步轮转速n1=200r/min，查文献[8]可知，选择同步带的型号为：

3M型带，该型号同步带所对应的节距Pb=3.0mm。

3.1.4确定同步轮齿数根据同步带的型号以及所选步进电机的转速可以查得驱动同步轮的最小需用齿数Z1=14，同步带轮齿数应该在满足工作以及加工成本的要求下尽量取高，故选择的同步带轮的齿数Z1=24，则根据传动比i=2可知，从动同步轮的齿数为：

3.1.5验算啮合齿数驱动同步轮的节圆直径为：

从动同步轮的节圆直径为：

同步带节线长度为：

经计算查得节线长度最接近的数值为Lop=267mm，齿数为Zp=89，同步带的实际代号为267-3M。

同步轮的实际间距为：

取整后取中心距a=80mm。

同步带与带轮之间啮合齿数为：

根据以上结果，啮合齿数大于最小值6，故设计的同步带轮的直径以及两轮的间距合理。

3.1.6计算同步带带速、工作时的额定功率以及实际带宽同步带速度为：

同步带工作所需的基准额定功率为：

式中：

Ta—同步带的许用工作拉力；M—为同步带的单位长度的质量，具体数值可查文献[8]得到。

同步带的额定功率大于实际工作的额定功率，故满足设计要求。

同步带的实际带宽为：

式中：

bso—同步带的基准宽度为9.5；KZ—同步带与带轮的啮合指数，这里取值为1。

根据计算结果选取同步带的标准宽度为：

bs=9。

3.1.7计算总结综上所述，本装置所选择的同步带轮的型号为3M系列，齿数分别为24和48，同步带的型号为HTD267-3M-9。

所设计的同步轮传动机构的啮合齿数、基准额定功率以及带宽等参数都在可允许范围之内，故满足实际工作要求。

3.2动力学仿真分析根据已确定的设计参数首先在SolidWorks中完成剪切装置的三维模型，然后对装置进行动力学仿真分析。

通过运动分析，可知系统的输入为步进电机的转速，输出为刀架的直线运动以及刀片的剪切力。

在建立模型过程中，为了简化模型，便于分析，可将装置各部件视为刚体，通过轴孔间的铰链配合、面与面的接触配合、齿轮齿条配合等约束各部件的自由度，使装置的运动与实际相符，从而建立装置的动力学模型。

根据实际约束情况，完成配合约束以及使用分段函数定义输入转速，通过定义转速来模拟步进电机工作的全过程，设定仿真总时间为5s。

输入转速的函数图像，如图3所示。

图3步进电机输入转速函数图像

Fig.3StepperMotorInputSpeedFunctionImage设置初始参数，对建立的模型进行仿真计算，提取刀架的运动速度和刀片所受反作用力随时间的变化的曲线，如图4所示。

图4仿真输出结果

Fig.4TheSimulationOutput由图3和图4可知，电机的输入转速与刀架的运动速度整体呈线性关系，刀架受力平稳，没有出现跳跃及断裂等显现，与剪切装置实际动力学特性相符合。

4静力学分析4.1刀片结构设计根据线缆剪切的工作特性，为得到良好的剪切效果，本设计对剪切装置的刀片结构进行了优化设计，设计刀片的刃口处呈燕尾形，该结构形状可使两刀片在剪切时的剪切强度集中到一个点，使刀片对所要剪切的线缆的压强达到了最大，从而能顺利完成线缆剪切的任务。

4.2仿真参数设定根据上一小节设计的刀片的结构尺寸建立三维模型，然后用ANSYS软件进行分析。

首先对剪切刀片模型进行定义材料，选用材料为40Cr，密度为7.9mg.cm3，弹性模量为2.06E+11，泊松比为0.29。

定义材料特性之后，需要对模型进行网格划分，模型采用自动划分网格，网格等级选择6，ANSYS会根据结构模型的特性进行对网格的平滑度、尺寸函数以及相关度中心进行自动的网格划分设置。

4.3仿真结果与分析对结构模型施加约束以及力，选择ANSYS的OnAreas约束，分别选择刀片两个固定孔内部曲面的全约束。

然后对结构模型施加受力，同样选择OnAreas受力分析，分别选择刀片的两个刀刃斜面。

由于线束剪切装置在进行工作时主要剪切线缆及线束，并且所设计的装置仅为试验样机阶段，所以对结构模型施加的力为X方向的均布压力100N。

经过ANSYS中的Solve/CurrentLS计算，可以对结构模型进行求解计算，分别求出剪切刀片的整体应力云图、整体位移云图、刀片XY向应力图和X向位移图。

分析结果，如图5所示。

图5剪切刀片模型在ANSYS中分析结果

Fig.5ShearingBladeModelResultsinANSYS由图5可知，整个剪切装置的最大应力发生在刀片固定孔的下端为8.026MPa，完全符合实际材料特性，根据图（a）可以看出，全图基本属于蓝色，说明模型整体受力比较均匀，由于刀片与连接螺栓连接具有预紧力以及受到螺栓的横向剪切应力，所以出现了应力集中。

由图（c）可知，由于刀片的剪切刀面为斜面，所以在Y方向上出现了剪切力，但所有剪切力均呈现出绿色，即剪切装置所受Y向剪切力在可接受范围之内。

由于整体受到剪切力的影响导致了刀片具有整体位移的出现，由图（b）可知，刀片出现整体位移最大处为刀片的尖端为0.662mm，再由图（d）可知，主要位移发生在装置的X轴向为0.638mm，所以，可以判断剪切刀片在进行线缆剪切时基本上没有发生偏移，只是在X轴向发生了位移变化，并在可接受范围之内，从而验证了剪切装置结构的合理性以及所选材料满足结构刚度要求。

5样机试验为了验证仿真结果的正确性和有效性，通过仿真模型导出剪切装置的二维设计图纸，从而研制出物理样机，装置的样机图片，如图6所示。

图6剪切装置物理样机

Fig.6ShearingDevicePhysicalPrototype选用型号为227ICE06（RV）型300/500V聚氯乙烯绝缘软线缆用于剪切试验的剪切材料。

该型号线缆在一般电子电器设备的内部连线中应用较为广泛。

分别使用普通剪刀装置和剪切装置样机对线缆进行剪切，经过多次剪切实验，剪切装置的整个剪切过程基本能在3s之内完成，过程中未出现线缆在刀片中打滑或剪切失败的现象，剪切后的线缆横截面非常整齐，在线缆周围未出现毛刺、飞边等现象。

通过对比两种方式得到的剪切截面效果可以发现，剪切装置相较普通剪刀有更好的剪切效果。

6结语提出一种新型的线缆剪切装置。

首先，介绍了装置的结构组成以及工作原理，同时对传动系统的主要参数进行设计和计算验证。

然后，用SolidWorks建立装置的三维模型，并对其进行动力学仿真分析，同时针对剪切刀片进行基于ANSYS的有限元分析，根据分析结果，验证了所设计的剪切装置满足工作要求。

最后，根据设计结果研制装置物理样机，通过样机的剪切试验有效地证明了剪切装置设计的正确性和可行性。

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（SchoolofMechanical&ElectricalEngineering，GuilinUniversityofelectronicTechnology，GuangxiGuilin541004，China）Abstract：

Cableautomaticcablecuttingdeviceisanimportantmechanismlashingequipment.Onthebasisofthecurrentanalysisofthecableonthecuttingmechanismisproposedanddesignedanewautomaticcablecuttingdevice.Themainsystemdriveparametershearingdevicedesignedandcalculated，andtheshearingdevicebodies3Dmodeling，ANSYSsimulationanalysisofstaticsanddynamicssimulationanalysisofthecorecomponents.Thesimulationresultsshowthatthecablewireautomaticcuttingdevicecanautomaticallycutautomaticbandingprocessequipmentcableandwireharness.Finally，aphysicalprototypemanufacturingequipment，andthroughsheartestprototypeverificationofthecorrectnessoftheshearingdevicedesignandfeasibility.KeyWords：

CableCut；Simulation；DynamicsAnalysis；StaticAnalysis中图分类号：

TH16；TP391文献标识码：

A文章编号：

1001-3997（2017）10-0191-04来稿日期：

2017-04-20基金项目：

国家自然科学基金项目（51465013）；桂林电子科技大学研究生创新项目（GDYCSZ201443，GDYCSZ201480）作者简介：

李春泉，（1975-），男，北京人，博士研究生，硕士生导师，教授，主要研究方向：

先进制造技术，微电子制造工程；赵帅峰，（1990-），男，河南人，硕士研究生，主要研究方向：

先进制造系统