鋁合金桿全自動雙盤成圈收桿機組飛剪機構設計

文/德陽東佳港機電設備有限公司技術中心

一、項目描述

項目名稱：鋁合金桿全自動雙盤成圈收桿機組飛剪機構設計。

項目來源：根據本公司新產品自主創新研發計劃，以及市場需求和用戶要求，技術中心研發了鋁合金桿全自動雙盤成圈收桿機組。該機組在國內屬于首次研發，機組包含了主機及相配套的一系列輔機。本項目屬于機組中相對獨立的一個機構。

（一）飛剪機構的作用和原理描述

1.鋁合金桿材是制造電線電纜的原材料，由連鑄連軋設備生產，連鑄連軋設備一般以6m/s以上的速度連續出桿，出桿后由全自動雙盤成圈收桿機組卷繞收桿并密排后存入盤具。但是，收桿機在換盤時將暫停收桿，此時就需要將連續輸入的桿材剪斷成短桿，換盤成功后再繼續收桿。

2.飛剪機構是收桿機組的配套裝置，主要用于將Φ9.5mm鋁（鋁合金）桿剪切為長度約2.5米的短桿。在剪切過程中，桿材始終以6m/s的速度喂送到飛剪中。飛剪機構主要由二個上下布置的飛輪構成，飛輪外圍各裝有一對剪切刀片并且對稱布置。當二個飛輪轉動一圈時則兩個刀片相遇一次，即完成剪切一次，往復剪切實現連續工作。

（二）飛剪機構設計的主要技術要求

1.飛輪轉動的線速度必須大于出桿速度，即必須大于6m/s。

2.剪切后的短桿要求長度約2.5米。

3.飛剪機構由單獨電機傳動并與主機通過PLC程序同步控制。

二、飛剪機構設計過程中的技術矛盾分析

（一）飛輪在轉動過程中必須滿足的技術條件

a.桿材輸入時的線速度≥6m/s；

b.所剪切的短桿長度約2.5米。

（二）設計時所遇到的技術難點分析

1.要滿足a條件，必須使飛輪直徑變大，使其在相同轉速時線速度更快。經計算，滿足條件的情況下，飛輪直徑需Φ400mm時才能使其達到6m/s的線速度。但此時兩輪剪切一次的時間為0.6秒，剪出的短桿長度為4米，無法滿足b條件。

結構示意圖

文/德陽東佳港機電設備有限公司技術中心

TRIZ理論矛盾矩陣表（部分）

2.要滿足b條件，必須使飛輪直徑變小，其在相同轉速下剪一次的時間更短。經計算，滿足條件的情況下，飛輪直徑為Φ250mm時，剪切一次的時間為0.4秒，可以使其達到2.5米的短桿范圍。但此時的線速度為4m/s，無法滿足a條件。

因此，根據以上分析，要同時滿足a、b二個技術條件，以現有的結構設計方法將無法實現飛剪機構的功能并且達到所需要的技術指標。

三、應用TRIZ理論解決技術矛盾

（一）將技術矛盾繪制成簡圖：

由以上簡圖得如下結論：

此項技術問題在將各個外部影響因素簡化后，得出主要激化矛盾應為：速度—長度之間的矛盾關系。

（二）利用TRIZ輔助圖表查詢解決方案

1.從“矛盾矩陣表”中查詢兩個技術矛盾所對應的參數：

惡化的參數：速度（表中序號9）；

改善的參數：運動對象的長度（表中序號3）。

2.查表后從兩個參數的X和Y軸交點得到序號為04、08、13的3個原理可以在本項目的設計中利用，從表中繼續查詢所對應的3個原理分別為：

a、增加不對稱性原理（表中序號04）；

b、重量補償原理（表中序號08）；

c、反向作用原理（表中序號13）。

（三）分析三種原理在本項目中的可適用性和實施性

1.增加不對稱性原理：此原理是改變物體的對稱度，使其達到不同的功能，屬于改變結構形式的一種原理。此原理不會改變原有條件，而只需改變飛輪結構或剪切方式，與其他限定條件不沖突，屬于機械結構形式的改變，初步認為可應用于此設計。

2.重量補償原理：此原理是將原來的物體附加重量后而達到效果。本設計限定條件為飛輪的運動參數，而不是飛輪的物理參數。因此，改變重量不適用此項目。

3.反向作用原理：此原理主要將原來的作用相反而達到目的。但此設計原始條件已經給定，速度與長度的條件不能變動。因此，無反向的條件。

四.具體實施辦法

經過此原理的啟發，應用創新方法優化后的結構變為：

（一） 根據“矛盾矩陣表”中的不對稱性原理，兩個飛輪分別設計為一大一小的結構，其直徑比率設計為2:3，并且兩輪設計的直徑均大于400mm，二輪分別各裝一對剪切刀片。因此，兩輪由單獨電機驅動同時轉動時，線速度均可以達到6m/s；

（二）原結構二輪剪切刀片相交一次，即剪切一次，直徑相同時每1圈剪一次。現變為大輪3圈，小輪2圈剪切刀片才能相交一次，即剪切一次。這樣，剪切的時間間隔更長，則剪切的桿材滿足了長度2.5m的條件。

五、本項目應用創新方法所得到的啟發

在通常的設計中，一般會認為對稱性是設計的最優方案，而往往會忽視不對稱性機構，因為不對稱的結構會讓各個設計條件更難控制，會帶來周期性的變化。而在本項目設計中應用不對稱性原理后，不對稱性的往復效果反而成為有利的因素，使其同時滿足了看似矛盾并且無法兼容的兩種技術條件。

目前，該設計方案已經應用于鋁合金桿全自動雙盤成圈收桿機組飛剪機構設計，機組經用戶使用滿足了產品生產。