鍛造操作機上架回旋機構設計

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第一章 引言 1.1 本課題的意義 鍛造操作機是鍛造車間實現(xiàn)鍛造自動化的關鍵設備，用于夾持鍛件配合壓機完成鍛造工藝動作。在大鍛件生產中，鍛造操作機更是必不可少的設備。鍛造操作機在20世紀60年代初就已問世，近二、三十年更是得到了迅速的發(fā)展。最早是在美國、前蘇聯(lián)，而后在德國、英國、日本等國發(fā)展起來，并成為系列化產品進入工業(yè)生產。最初的操作機多為全機械傳動，隨著科學技術的發(fā)展，到60、70年代出現(xiàn)了混合傳動和全液壓傳動、結構緊湊、操作靈活的鍛造操作機。它與壓機配合使用，提高了生產效率及最大鍛件質量。80年代以后，隨著大型裝備制造的快速發(fā)展，對大鍛件生產又提出了更高的要求，促進了鍛造操作機技術的發(fā)展，主要表現(xiàn)在對鍛造操作機的需求量不斷增加，對鍛造操作機的最大鍛件質量要求大大提高，引起了各國對鍛造操作機在鍛造生產作用的重視。 我國鍛造操作機起步于70年代，開始只能由一些鍛造廠自己制造有軌鍛造操作機，這些操作機結構簡單，鉗子的張合夾緊靠與吊鉗分離開的電動方頭扳手來完成，因而夾緊鍛件不方便，只能用于鋼錠開坯、撥料。隨著國民經濟的發(fā)展，80年代開始研制出全機械傳動和少數(shù)液壓傳動有軌操作機。隨后，小型液壓傳動有軌操作機得到發(fā)展，并出現(xiàn)了液壓傳動無軌操作機。90年代初期我國自行設計制造的100kN鍛造操作機主要技術性能已達到世界80年代水平，該臺鍛造操作機于1992年5月在太原試制成功。 近年來，核電、造船、化工、國防等領域的大型鍛件精確高效制造迫切需要重載鍛造操作機。重載鍛造操作機發(fā)展水平的落后制約了我國的大裝備制造能力，部分大型裝備的關鍵構件完全依賴進口。重載鍛造操作機直接影響國家重大工程的實施和國民經濟的發(fā)展，開展重載鍛造操作機的研究具有重要戰(zhàn)略意義。 1.2 鍛造操作機的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 大型鍛造操作機屬于當前世界最大的多自由度重載機器人，屬于機、電、液高度一體化的復雜裝備，它是萬噸鍛造壓機的重要配套設備，也是國家經濟建設急需的重大機械裝備之一。并且，大型鍛件制造業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎行業(yè)，是關系到國家安全和國家經濟命脈的戰(zhàn)略性行業(yè)，其發(fā)展水平是衡量國家綜合國力的重要標志。通過深入開展大型鍛造操作機的研究工作，將逐步實現(xiàn)大型鍛造操作機的國產化，對提升我國大型裝備及關鍵零部件的自主設計和制造能力、滿足國家經濟建設的需求結束我國不能設計大型鍛造操作機的歷史都具有重要的社會意義和經濟效益。 一、大型鍛造操作機的發(fā)展歷史 鍛造操作機最早出現(xiàn)在美國和原蘇聯(lián)，而后在日本、英國、奧地利等國發(fā)展起來，并成為系列化產品進入工業(yè)性生產。最初的操作機多為全機械傳動，60、70年代出現(xiàn)了混合傳動和全液壓傳動、結構緊湊、操作靈活的鍛造操作機。到了80年代，各國對鍛造操作機的設計、制造、技術改造方面又有了更高的要求，不斷改進結構及生產工藝，促進了鍛壓技術的發(fā)展。特別是鍛造操作機的需求量不斷增加，引起了國內外大、中型企業(yè)對鍛造操作機在生產中作用的重視。90年代中期，國外大型鍛造操作機技術已經成熟，大型操作機與30000kN自由鍛造水壓機聯(lián)動操作，不斷提高了水壓機生產能力。 我國鍛造操作機起步于60年代，開始只能由某些工廠自己制造有軌操作機。90年代初期，我國自行設計制造的100kN鍛造操作機于1992年5月在太原試制成功，其主要技術性能已達到世界80年代水平，能替代同類進口產品。至今，我國自主研發(fā)投產的全液壓鍛造操作機最大夾持能力也只有500kN。 世界上裝備的萬噸級自由鍛造壓機近30臺，最大的模鍛水壓機載荷能力高達7.5萬噸，最大的六自由度鍛造操作機操作力矩達7500kN·m，最大承載能力高達2500kN。目前，我國已具備了萬噸級鍛壓裝備的設計與制造能力，如中國一重自主設計、自主制造的世界上最先進的150MN自由鍛造水壓機，2006年末已經投產使用，但與之配套的大型鍛造操作機仍在研發(fā)當中。 二、大型鍛造操作機的研究現(xiàn)狀 國內外大型鍛造操作機的研究現(xiàn)狀 鍛造操作機作為進行鍛造工藝的重要設備，眾多國外公司對其進行了系統(tǒng)化研究，目前，德國DDS公司、韓國HBE PRESS公司以及捷克ZDAS公司的鍛造操作機的制造水平處在世界前列。其中，德國DDS公司和WEPUKO公司是世界著名的鍛造操作機專業(yè)研發(fā)、制造企業(yè)，在重型鍛造操作機研制領域具有70多年的歷史。此外，日本三菱長琦生產的操作機因擁有高速、高精度的機械手及控制系統(tǒng)而著稱。 國內鍛造操作機的研究起步較晚，在一些技術方面與國外相比還有一定的差距。與萬噸壓機配套的大型鍛造操作機全部采用進口設備，自主開發(fā)的大型鍛造操作機至今尚未問世，如中國一重與上海交大聯(lián)合開發(fā)的1600kN鍛造操作機和北方重工自主開發(fā)的2000kN鍛造操作機的整機水平還有待于進一步驗證。 我國與大型鍛造操作機相關的研究項目 為解決我國重大裝備制造中一批關鍵技術和共性技術問題，實現(xiàn)重大裝備及其成套技術的自主研發(fā)，科技部在“十一五”國家科技支撐計劃中設立了“大型鑄鍛件制造關鍵技術及裝備研制”項目，在重點完成的工作中明確提出“150MN自由鍛造水壓機及配套設備關鍵技術研究”和“165MN自由鍛造油壓機及配套設備關鍵技術研究”。第一個課題主要開展大型自由鍛造水壓機整機設計、模態(tài)分析、預應力框架結構整體振動及疲勞分析，開展快換機構設計和控制系統(tǒng)設計研究，研制配套操作機；第二個課題自主開展大型自由鍛造油壓機整機設計、快換機構設計、控制系統(tǒng)設計技術研究和關鍵部件研制，攻克多功能操作機設計技術、驅動和控制系統(tǒng)設計技術研究和關鍵結構件制造技術等，掌握核心技術，開展壓機與操作機及輔助裝備聯(lián)動協(xié)調控制技術研究等。上述兩個課題，對掌握大型操作機核心技術、攻破我國重大技術裝備的生產瓶頸、提高特大型自由鍛件的制造技術水平與制造能力起著關鍵性的作用。2006年，上海交通大學、浙江大學、中南大學清華大學、大連理工大學、華中科技大學共同承擔了國家科技部“973”計劃中“巨型重載操作裝備的基礎科學問題”項目，圍繞“多自由度重載操作機構構型與操作性能的映射規(guī)律”“重載操作裝備的界面行為與失效機理”“重載操作裝備的多源能量傳遞規(guī)律與動態(tài)控制”三個基礎科學問題，開展了7個課題研究，包括大型構件制造操作運動軌跡建模、重載裝備多自由度操作性能度量與機構設計原理、低速非連續(xù)工況下重載裝備界面行為與力學特征、大尺度重型構件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅動策略、大流量電液伺服系統(tǒng)的介質流動規(guī)律、重載大慣量裝備的快速協(xié)調控制和巨型重載操作裝備的性能仿真與優(yōu)化等。從基礎研究的角度，揭示了巨型重載操作裝備的操作靈活性、力承載能力、剛度等性能與機構構型的映射規(guī)律。此課題為我國巨型重載操作裝備的研究提供了理論基礎，同時，也為配套操作機的研究提供了進一步的可行性。 三、大型鍛造操作機的技術特征 大型鍛造操作機和萬噸鍛造壓機是配合在一起聯(lián)合工作的，工作過程中操作機保持著頻繁的重復動作，對其性能的要求為動作速度高、空行程時間短、精整時定位準確，以達到快速鍛造，并得到尺寸精確的鍛件。與加工裝備相比，大型操作機的特點是載荷大、慣量大、自由度多、操控能力強。大型鍛造操作機的主要技術特征:一是在重載操作條件下，操作機構件的分布式柔性變形直接影響末端執(zhí)行器的操作精度。因此，在裝備的機構設計中，既要保證操作裝備在整個工作空間中具有理想的剛度特性，又要通過運動學設計對結構變形在裝備運動鏈中的傳遞特性進行控制。此外，鍛造操作機長期在非連續(xù)工作條件下進行操作，其動力學性能在空載和負載操作情況下存在顯著差別。二是大型鍛造操作機制造成本高，設計與制造周期長，通常采用單臺制造模式。重載操作機通常很難通過物理樣機實驗對其操作性能進行分析和驗證，因此，計算機數(shù)值模擬是鍛造操作機設計、性能評估與優(yōu)化的重要支撐技術。 第二章 鍛造操作機簡介 鍛造操作機（manipulator for forging ）用于夾持鋼錠或坯料進行鍛造操作及輔助操作的機械設備。 所謂，“10噸操作機”，是指該操作機可夾持的鋼錠最大重量為十噸。 2.1 基本含義 　　用以夾持鍛坯配合水壓機或鍛錘完成送進、轉動、調頭等主要動作的輔助鍛壓機械。鍛造操作機有助于改善勞動條件，提高生產效率。根據(jù)需要，操作機也可用于裝爐、出爐，并可實現(xiàn)遙控和與主機聯(lián)動。操作機結構分有軌和無軌兩種，其傳動方式有機械式、液壓式和混合式等。此外，還有專門用于某些輔助工序的操作機，如裝取料操作機和工具操作機等。為了配合操作機的工作，有時 圖2-1 鍛造操作機 還配置鍛坯回轉臺，以方便鍛坯的調頭。在模鍛和大件沖壓中，機械手的應用已日益普遍，這樣的機械手實際上是一種自動的鍛造操作機。 　　主要用于750kg空氣錘、1000-2000kg電液錘、模鍛錘或其它相應噸位的鍛錘，是我國鍛造行業(yè)最先進的設備之一。 2.2 操作設備 　　采用全液壓傳動，高集成閥塊，超大流量通徑，使系統(tǒng)壓力損失少 密封性能高，油溫控制好。 　　匠心獨特的油路設計，真正使液壓系統(tǒng)處在最佳狀態(tài)，即使在長期大負荷情況下工作，也能輕松勝任。 　　運動系統(tǒng)采用了擺線齒輪馬達和漸開線減速機組合，完美地實現(xiàn)了大車的無級變速行走、臺架回轉。 　　三級連動機構使鉗口平行升降，鉗桿傾斜，360度旋轉，三維空間任意靈活轉動。 ?? 圖2-2鍛造操作機 　　機械手造型美觀，結構緊湊，轉動極其靈活，能出色地完成龐大的操作機無法完成的動作，讓操作工體驗到人機合一、隨心所欲的感覺，充分體現(xiàn)操作機向機械手轉變的根本意義。 　　鍛造操作機適用于鍛造和鍛壓行業(yè)，與各種自由鍛錘及壓機配合，能完成坯料成型的各種工序；對減輕勞動強度、提高生產效率60%以上；是鍛造鍛壓行業(yè)不可缺少的輔助設備。 鍛造操作機分類 　　鍛造操作機分為：直移式、回轉式、平移式等多種運動形式，全機械、全液壓、機械液壓混合等多種驅動形式，可以從各方面滿足不同用戶的需要。 鍛造操作機功能 　　操作機具有以下動作功能：大車在軌道上自由行走；鉗架前后升降、傾斜；鉗頭夾持、松開、旋轉等。大車架采用整體框架式結構，由電機或馬達驅動。鉗架升降有鋼絲繩或油缸帶動，可實現(xiàn)前后同步升降或分別升降，使鉗架到達水平或實現(xiàn)一定角度的傾斜。鉗頭夾緊由大螺距絲桿或油缸帶動夾持拉桿水平移動實現(xiàn)，并且有緩沖保險裝置。鉗頭旋轉由電機減速機帶動，并設有過載保護裝置。鉗架的前后、兩側及鉗架與升降機之間均設有防振動的緩沖裝置（另有大量配件供應）。 2.3 操作機的結構 10噸操作機是由四部分所組成，其結構示意如圖2-3所示。 (1)升降機構：包括前提升油缸12、后提升油缸9、活塞7和13、活塞桿6和14、活動架19、沿塊5以及彈簧24等。 (2)夾緊機構：包括旋轉滑閥26、夾緊油缸22活塞23、活塞桿21、鉗殼17、夾緊滑塊18、夾臂16和鉗口15等。 圖2-3 10噸操作機結構示意圖 (3)旋轉機構：包括電動機l、制動器2、行星減速器3、減速器4與空心鈾20等。 (4)大車行走機構：包括電動機27、減速器35、車輪28、車體29等。 2.3.1 升降機構 升降機構主要是為實現(xiàn)柸料的提升、下降、傾斜等動作，以滿足鍛造工藝過程的需要。升降機構由前提升機構、后提升機構、活動架等三部分所組成。 2.3.2夾緊機構 夾緊機構主要用來夾持坯料、鍛件或鋼錠。 夾緊機構可以分成鉗頭和夾緊油缸俯兩大部分，它們分別 固定在空心軸的兩抵鉗頭在前端，夾緊油缸在后端。 (1)鉗頭 鉗頭的結構如圖2-4所示。兩個鉗口l通過銷軸l0分別 與夾臂3的一端鉸接。小軸9穿過夾臂中間的孔，使夾臂小 揣固定在鉗殼2上，這樣，夾臂便形成可以繞小軸回轉的杠 桿。夾臂的另一端通道銷軸4與連板5鉸接。連板又通過銷 軸8與夾緊滑塊6相連?；钊麠U7則以螺紋與夾緊滑塊構成 一體。 圖2-4 鉗頭 當活塞桿在夾緊油缸的拉力作用下，帶動滑塊和連板向 后(即向左)移動時，上夾臂繞小軸作順時鐘方向轉動，下夾臂 臂繞小軸作逆晌針方向轉動，使兩鉗口間的距離越來越小， 坯料被夾緊。當活塞桿在夾緊油缸的推力作用下，推動滑 塊、連板向前(即向右)移動時，上夾臂繞小軸作逆時針方向 轉動，下夾臂繞小軸作順時針方向轉動，兩鉗口的距離越來 越大，于是刨門鉗口便張開。鉗口與夾臀鉸接是為了擴大夾持坯 料的尺寸范圍。如當夾持斷面尺寸較大的鋼錠或坯料時，兩 個鉗口可以繞銷鈾向鉗頭內轉動，而當夾持斷面尺寸較小的 鋼錠或坯料時，兩個鉗口就繞銷軸向鉗頭外轉動，使鉗口與 被夾持的鋼錠或坯料始終保持有足夠的接觸面積，被夾持的 鋼錠或坯料就不易松脫。 (2)夾緊油缸 夾緊油缸是操作機產生夾緊力的機構，在它的拉力或推 力作用下，使鉗頭的鉗口完成對鋼錠、坯料或鍛件的夾緊與 張開動作。 夾緊油缸又可分成兩大部分，一部分為油缸，另一部分 為旋轉滑閥。詞條圖冊更多圖冊 2.3.3大車行走機構 大車行走機構承擔著操作機自身的全部重量和操作機所 夾持的鋼錠、坯料或鍛件的重量而在軌道上運行，完成鍛造 時需要坯料進退的動作。 大車行走機構由車體和行走機構兩部分組成。 (1)車體 車體承擔著操作機自身的重量和被夾持件的重量，它的 結構如圖13所示。車體的底座1支承在四個車輪9的鈾承 上。八個定位塊l o用以保證車輪與車體的相關位置。托扳 13焊接在底座尾部，托看行走機構的電動機3、減速器40 在底座上固定著兩根前立柱7和兩根后立柱6，四根立柱又 都與車頂11固定在一起。在兩根前立柱間有前導板8，為 活動架的前部升降導向部位。雨棍后立柱間則裝有后導板12， 后提升機構的升降滑塊就在其問上、下滑動。車頂是裝置液 壓系統(tǒng)的油箱、電動機、油泵、蓄能器、各種閥類等部件的 地方，同時又支承著升降機構的油缸。 圖2-5 大車行走機構 第三章 旋轉機構設計 3.1 旋轉機構的組成 旋轉機構主要是為帶動被夾持坯料作左右旋轉動作，以滿足鍛造生產中對坯料進行不同方向的鍛壓。 10噸操作機的旋轉機構系采用機械傳動方式，如圖3-1所示。電動機1通過聯(lián)拙器2與制動器3相連。制動器在電動機停止轉動時起制動作用，使旋轉機構能迅速而準確地停在所需要酌位置。行星減速器4的一端與制動器相連，另一端通過聯(lián)抽器5與齒輪6相連。旋轉機構中的上述部分都安裝在活動架中間部分的平向上。與齒輪6、惰輪7相嚙合的大齒輪8同定在空心軸10上?？招妮S則通過軸承分別支承在活動架的前、后軸承座內。此外，空心抽又將夾緊機構中的鉗頭和夾緊油缸連成一個整體，使夾緊機構所夾持的坯料可以隨空心軸一起左右旋轉。 圖3-1 旋轉機構示意圖 當電動機轉動時，制動器的閘緊裝置立即脫開。電動機的較高轉速經行星減速器按一定速比減速后，被傳至齒輪6。齒輪6通過惰輪7帶動大齒輪8旋轉(此時又作一次減速)。這樣，夾緊機構所夾持的坯料和空心軸一起隨大齒輪轉動，帶動坯料作旋轉運動。按動正、反按鈕，電動機可左、右旋轉，坯料也隨之左、右旋轉。 在鍛造生產過程中，經常有這種情況發(fā)生：正當鍛造操作機夾持著坯料不斷地旋轉，在鍛擊著的上下砧子間進行圓軸的滾鍛時，砧于突然壓住了坯料使坯料不能繼續(xù)轉動。然而，整個旋轉機構在電動機的作用下卻仍在繼續(xù)轉動。這樣就可能導致電動機因過載而燒損，或是旋轉機構中的零部件因此而被破壞的嚴重后果。為了避免這種情況的發(fā)生，旋轉機構中必須設置過載保護裝置。行星減速器在這里除了起減速作用外，它的另一個重要作用，既是成為旋轉機構中的過載保護裝置。 3.2 行星減速器設計 行星減速器在齒輪傳動系統(tǒng)中為周轉輪系。所謂周轉輪系，既是在齒輪傳動中至少有一個齒輪的幾何軸線是繞另一個定鈾齒輪軸線轉動的齒輪傳動系統(tǒng)。如圖3-2所示，齒輪2和齒輪3的軸線可以繞齒輪1、4的固定軸線轉動，這種傳動系統(tǒng)即稱為周轉輪系。 圖3-2 行星減速器示意圖 圖3-2所示的周轉輪系可分別進行兩種方式的傳動過程：其一，齒輪l為主動輪，它把旋轉運動傳給了齒輪2。齒輪2、3都固定在同一根軸一上。旋轉運動通過齒輪3又傳給了固定在軸三上的內齒輪4。這樣，軸二v便帶動與其相關聯(lián)的機構轉動；其二，齒輪1為主動輪，內齒輪4固定不動。當主動齒輪1轉動時，旋轉運動經齒輪2、鈾二傳動齒輪3。但國內齒輪4不動，致使齒輪2、3不能單純地繞自身軸線轉動，而是繞抽一、二的軸線旋轉(軸一、二同心)。由于軸一是固定在外殼5上的，因此外殼也隨同鈾二一起轉動。 在鍛造操作機正常工作的時候，行星減起器上的閘緊裝置緊緊抱住了外完殼，使其不能轉動因而周轉輪系只能按第一種方式傳功，此時它只起一般減速器作用，將旋轉運動傳給空心軸，使坯料隨之旋轉。當坯料在旋轉過程中被上下砧子壓住時，坯料不能轉動，第一種方式的傳動便因此而停止。此時在電動機的作用下，外殼克服了閑緊裝置的摩擦阻力，以第二種方式進行傳動，進而保護了電動機和相關零件不會因過載而受損。 操作機應用的這種保護裝置，由于它不能同時進行兩種方式的傳動過沒只能進行其中的一種，這便是所謂周轉輪系中的行星輪系，行星減速器也因此而得名。 10噸操作機所用的這種旋轉機構為齒輪等機械零部件歷構成，所以稱它為機械傳動的旋轉機構。 除了機械旋轉機構外，也可以采用液壓旋轉機構。液壓旋轉機構僅用油馬達來驅動空心軸及鉗頭的旋轉，它和液壓傳動的升降機構、液壓夾緊機構共用同一壓力油源，所以結構非常簡單。此外，液壓旋轉機構因為在整個液壓系統(tǒng)中設置了溢流閥，所以它不怕因坯料被壓住而過載。但它也存在著一些值得注意的問題。如鍛造操作機鉗頭的旋轉速度一般部在十幾到二十幾轉，而驅動鉗頭腦轉的泊馬達轉速則是受流入油馬達的泊液流量大小所決定，它與油泵流量有關。但油系的流量是報報整個池壓系統(tǒng)的最大流量或系統(tǒng)的平均流量(有蓄能器時)來選定的，因此，這就往往需要在旋轉機構的液壓系統(tǒng)中設置流量控制閥，以減少通入油馬達的油液流量，使汕馬達轉速適應鍛造操作機旋轉機構的要求。但懸流量控制閥的設置，會相應地帶來壓力汕經常不斷地從溢流閥中流回油箱，致使汕溫升高的結果。當油溫高于500°時，液壓系統(tǒng)中的密封件將不能保證其密封性，造成油液泄漏而使某些液壓元件不能正常工作。盡管如此從長遠的觀點來看，隨著我國液壓技術的飛速發(fā)展，液壓傳動的旋轉機構有著極為廣闊的發(fā)展前途，它必將會越來越多地應用于實際生產之中，以取代機械傳動的旋轉機構。 20