第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景
建国 60 多年来，我国钢铁行业发展迅猛，钢材产量增速惊人。建国时我国的钢材年产量只有 13 万吨，而到 2000 年时则突破了 1 亿吨大关，达到 13146 万吨。进入 21 世纪后，随着我国经济的高速发展，钢材需求量日益增加，钢铁产量快速增长，使我国成为了世界第一钢铁大国。中厚板作为我国经济发展的重要钢铁品种之一，更是取得了快速发展。在 2000年，我国中厚板的产量已达 1600 万吨，占全国钢材产量的 12.51%；到 2010 年，我国中厚板一季度的产量就近 1600 万吨，相当于 2000 年一年的产量。中厚板主要用于机械制造、桥梁建设、容器加工、造船等行业，通常用来制造炉壳、炉板、汽车静钢钢板、桥梁用钢板、造船钢板、低合金钢板以及汽车大梁钢板等，也可以用来作为拖拉机某些零件或焊接构件，用途广泛。因此中厚板的生产水平一直是衡量一个国家钢铁工业发展水平的重要标志之一。目前我国的钢铁产品结构与工业发达国家相比，仍存在一定的差距，而且主要是体现在中厚板的生产结构上[1-2]。我国正处于从以建造型材为主向以制造业板材为主转变的阶段，而工业发达国家部分处于以制造业板材为主的阶段，部分处于以服务型产业和信息产业为主的阶段，部分则两着兼而有之。这主要体现在我国生产的中厚板品质少，科技含量低。我国的中厚板主要为普碳板，而用于造船、锅炉制造、容器制造及及一些对钢板强度、韧性、耐腐蚀性或冲压性能等要求较高的专用中厚板，则产量较少，有的甚至必须从工业发达国家进口。而工业发达国家生产的中厚板主要是品种板，具有品种多，性能好，科技含量高的优点。产品结构的差距导致我国的中厚板只能以高价从工业发达国家进口，而出口价格却一降再降。
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1.2 国内外研究现状
发达国家很早就开始了对钢板打印机的研制和开发，因此设备和技术都比较先进。规模比较大的有德国的 STOOVF 公司，奥地利的 NUMTEC 公司，丹麦的丹纳麦格公司，加拿大的伊斯沃公司，日本的日立、川铁制作所等。其中 STOOVF 公司和 NUMTEC 公司研发的冲打式式打印机，具有打字清晰、性能稳定的优点，在国内购买的数量分别约为二十多套和一百多套，但价格昂贵，并且出现故障后不易修理，售后服务也不及时，目前尚在使用的不到一半；这两家公司生产的喷码机性能优良，但由于涂料不过关或使用维护的原因，在使用的已不足二十套。丹纳麦格公司和伊斯沃公司生产的打印机采用气针冲击点阵组字方式，则气针容易磨损，消耗量大，费用高的缺点。日本的日立、川铁制作所生产的字模冲击式打印机，由于打印位数少，打印时间长，在国内应用不多。这些打印机大多采用计算机控制，自动化程度高，但价格非常昂贵，并且出现故障后修理难度大，因此从国外引进先进钢板打印机代价很大，我国进行自主研发是很有必要的。
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第 2 章 压印头的结构原理及字条形状尺寸设计
2.1 压印头的结构特点及工作原理
自动换字钢板打印机的压印头采用直接向下压印的打印原理，能够实现自动换字，降低了劳动强度，节省了人力；同时可以消除弯曲应力，增加字条使用寿命。压印头主要由底座、主轴、字盘、传动轮、步进电机支架等组成。其中字盘共有 13 个，每个字盘均可绕主轴转动，且两者之间为滑动摩擦；字盘之间用大、小两种钢珠隔开，使字盘间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦；每个字盘上有大、小两种钢珠各 8 个，成圆形分布，且两种钢珠交叉均匀放置，使字盘间的距离保持不变，可以防止字盘轴向滑动，影响压印头换字；为避免相邻字盘上的钢珠相互干涉，调整钢珠的分布圆半径大小，使相邻字盘上的钢珠互不影响；在每个字盘上均有一定数量均匀分布的字模，只要使字盘转过一定的角度，就可以改变字模的位置，从而实现自动换字。在压印头的两侧装有 13 个传动轮和 13 个步进电机支架，每个步进电机支架可安装一个步进电机，一个步进电机驱动一个传动轮，而每个传动轮均与相应的字盘咬合在一起。当步进电机工作时，便可以通过传动轮驱动字盘转动，改变字模的位置。步进电机的速度和位置控制精度较高[14]，因此，步进电机可以精确地控制字盘的转速和转角，使压印头快速准确地完成自动换字。
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2.2 建立压印头的三维实体模型
与二维图形相比，三维模型具有更强烈的真实感，因此，建立压印头的零部件和整体的三维实体模型，有利于了解压印头的结构，对其形成形象直观的认识，同时可以通过观察零部件之间的尺寸关系，查找设计缺陷，为压印头的结构优化提供依据。SolidWorks 软件是全世界第一个在 Windows 基础上开发的三维 CAD 系统，具有功能强大、易学易用和创新性强三大优点，使其软件在航空航天、机车、机械、国防、交通、食品、电子通讯、医疗器械等领域得到广泛应用。SolidWorks 软件强大的设计功能使用户可以自行设计零部件的结构尺寸，然后完成装配；Windows 风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴操作使软件的使用简单方便、易学易用；在进行产品设计时，零部件、装配图和工程图三者之间是全相关的，并且各个设计步骤具有百分之百的可编辑性，这些特点使 SolidWorks 软件能快速准确地建立三维实体模型，提高产品的质量[15]。SolidWorks 中的插件还可以进行运动学、动力学和有限元分析，为后续操作和优化提供基础。
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第 3 章 压印过程数值模拟分析.........24
3.1 钢板压印过程有限元模拟系统 ....... 24
3.2 钢板压印有限元模型的建立 .... 26
3.3 模拟结果分析 ....... 30
3.4 本章小结 ........ 36
第 4 章 压印液压系统设计..........37
4.1 拟定液压系统原理图 ......... 37
4.2 液压系统主要元件的选型计算 ....... 39
4.3 本章小结 ........ 44
第 5 章 液压系统的动态特性分析.....45
5.1 液压系统动态特性分析方法 .... 45
5.2 液压系统建模方法 ...... 45
5.3 模块化建模思想 .......... 48
5.4 AMESim 建模与仿真分析 ......... 49
5.5 本章小结 ........ 58
第 6 章 压印头的实验研究
6.1 实验研究背景及实验目的
压印头是自动换字钢板压印机的主要组成部分，它的结构特点使压印机实现了自动换字，节省了人力，降低了劳动强度。在实际生产过程中，钢板的出辊速度很快，为了不降低生产效率，要求压印机能在较短时间内完成参数标记，由前文的分析结果可知，每块钢板需经过三次换字和四次压印才能完成参数标记，因此压印头必须在很短时间内完成一次自动换字。本次实验的主要目的是验证压印头设计方案的正确性，检验其是否能实现自动换字，同时对压印头换字所需的时间进行测试，检测其是否满足设计要求。压印头自动换字时所需的动力由步进电机提供，并由步进电机控制字盘的转速和转角，因此需要对步进电机进行选型计算。步进电机是一种用于实现速度和位置精确控制的特种电机。它可以将脉冲信号转换为角位移或线位移，即接收一个脉冲信号，转过一个步距角[45]。步进电机具有以下特点，可以实现对字盘转动的精确控制[46]。
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结 论
本文是以液压全自动钢板打印机为基础，针对它需要人工换字和字条存在弯曲应力的缺点，对压印头进行改进，提出了自动换字钢板压印机。该压印机由原来的滚压变为直接下压，在实现了自动换字的同时消除了字条上的弯曲应力。这样不仅可以降低工人的劳动强度，提高工作效率，还可以增加字条的使用寿命。本文设计了一种新型结构的压印头，详细介绍了它的结构特点和工作原理，并对步进电机的型号进行了选择。在确定了字条的形状尺寸后，利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA 对压印时钢板变形区域的受力情况进行模拟分析。在计算出压印头受到的最大作用力后，确定了液压系统的最大工作负载，并对液压系统进行了设计。通过对液压系统进行建模和仿真分析，得到了影响系统动态特性的主要因素，然后对液压系统进行了改进，并进行二次分析。本文的主要研究成果总结如下：
（1）综合国内外钢板打印机的发展现状，针对液压全自动钢板打印机的缺点，提出自动换字钢板压印机压印头的工作原理和结构特点，选择满足工作要求的步进电机，并通过软件 SolidWorks 建立三维实体模型。
（2）根据钢板弹塑性变形特点，分别分析字条字顶形状和压印锥角与压印时字条所受作用力的关系，并对公式进行详细推导，然后确定字条的形状尺寸。
（3）利用有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA 对压印时钢板变形区域的受力情况进行了模拟分析，得到了应力分布云图和钢板最大应力与时间的关系变化曲线，并通过计算出钢板对压印头的最大作用力，确定了压印头液压系统的最大工作负载。#p#分页标题#e#
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参考文献（略）
