機械畢業(yè)設計（論文）-無縫廠加熱爐出料機械手設計-機械部分

1、內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書題 目：無縫廠加熱爐出料機械手設計機械局部學生姓名：學 號：0602115108專 業(yè)：機械設計制造及其自動化班 級：機06-5班指導教師：35m環(huán)型加熱爐出料機械手摘要本文主要針對無縫鋼管廠35m環(huán)型加熱爐出料機械手進行設計。行走小車在機架上做水平直線運動，并帶動夾料桿至加熱爐前，再通過升降驅動液壓缸驅動同步擺桿機構使夾料桿完成升降運動，最后通過旋轉用液壓缸驅動夾料桿旋轉完成夾料工作。設計中包括以下內容：介紹機械手分類及主要技術指標，確定本設計任務中出料機械手采用的方案；對出料機械手的參數(shù)進行設計計算；計算選擇液壓元件及緩沖元件，以及對主要機械部件的強度校核

2、。關鍵詞：環(huán)型加熱爐；機械手；控制；吊掛擺動裝置全套圖紙， Ring of Steel Furnace ManipulatorAbstractThis article will focus on the discharging manipulator design of 35m ring furnace in the seamless steel pipe plant.The walking trolley that does a straight line on the pedestal promotes the clip materials bar to the

3、furnace,and then promotes it doing Lifting exercise through synchronous pendulum body driven by the lifting driving hydraulic cylinder, and finally with a rotating hydraulic cylinder drives the clip materials bar to complete the clip materials work.Design includes the following: includuction manipul

4、ator classification and the main technical indicators, deternination the design task with a steel manipulator; parameters design and calculated of the steel ,the choice of hydraulic components and buffer components ,as well as the strength check of the main mechanical components.Keywords: Ring-type

5、furnace; manipulator; control; hanging swing mechanism目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264548855 摘要 PAGEREF _Toc264548855 h I HYPERLINK l _Toc264548856 Abstract PAGEREF _Toc264548856 h II HYPERLINK l _Toc264548857 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc264548857 h 1 HYPERLINK l _Toc264548858 概述 PAGEREF _Toc26454885

6、8 h 1 HYPERLINK l _Toc264548859 機械手的組成及分類 PAGEREF _Toc264548859 h 1 HYPERLINK l _Toc264548860 機械手的組成 PAGEREF _Toc264548860 h 1 HYPERLINK l _Toc264548861 機械手的分類 PAGEREF _Toc264548861 h 3 HYPERLINK l _Toc264548862 機械手的主要技術指標 PAGEREF _Toc264548862 h 4 HYPERLINK l _Toc264548863 機械手的靜力和動力分析 PAGEREF _Toc2

7、64548863 h 5 HYPERLINK l _Toc264548864 靜力分析 PAGEREF _Toc264548864 h 5 HYPERLINK l _Toc264548865 動力分析 PAGEREF _Toc264548865 h 6 HYPERLINK l _Toc264548866 工業(yè)機械手的技術開展方向 PAGEREF _Toc264548866 h 6 HYPERLINK l _Toc264548867 第二章 環(huán)型加熱爐及出料機械手 PAGEREF _Toc264548867 h 8 HYPERLINK l _Toc264548868 環(huán)型加熱爐 PAGEREF

8、_Toc264548868 h 8 HYPERLINK l _Toc264548869 環(huán)型加熱爐的結構 PAGEREF _Toc264548869 h 8 HYPERLINK l _Toc264548870 環(huán)型加熱爐的優(yōu)缺點 PAGEREF _Toc264548870 h 9 HYPERLINK l _Toc264548871 環(huán)型加熱爐的工作過程 PAGEREF _Toc264548871 h 10 HYPERLINK l _Toc264548872 出料機械手 PAGEREF _Toc264548872 h 10 HYPERLINK l _Toc264548873 設計專題局部 PAG

9、EREF _Toc264548873 h 11 HYPERLINK l _Toc264548874 第三章 出料機械手的方案確定 PAGEREF _Toc264548874 h 12 HYPERLINK l _Toc264548875 可選方案 PAGEREF _Toc264548875 h 12 HYPERLINK l _Toc264548876 方案一 PAGEREF _Toc264548876 h 12 HYPERLINK l _Toc264548877 方案二 PAGEREF _Toc264548877 h 13 HYPERLINK l _Toc264548878 方案三 PAGERE

10、F _Toc264548878 h 15 HYPERLINK l _Toc264548879 技術經濟評價法擇優(yōu) PAGEREF _Toc264548879 h 15 HYPERLINK l _Toc264548880 技術評價 PAGEREF _Toc264548880 h 15 HYPERLINK l _Toc264548881 經濟評價 PAGEREF _Toc264548881 h 16 HYPERLINK l _Toc264548882 技術經濟綜合評價 PAGEREF _Toc264548882 h 16 HYPERLINK l _Toc264548883 第四章 出鋼機械手參數(shù)設

11、計計算 PAGEREF _Toc264548883 h 18 HYPERLINK l _Toc264548884 機械手組成 PAGEREF _Toc264548884 h 18 HYPERLINK l _Toc264548885 出料機械手的循環(huán)動作 PAGEREF _Toc264548885 h 20 HYPERLINK l _Toc264548886 主要參數(shù)的設計計算 PAGEREF _Toc264548886 h 21 HYPERLINK l _Toc264548887 初定行程用時 PAGEREF _Toc264548887 h 21 HYPERLINK l _Toc2645488

12、88 旋轉用液壓缸負載壓力 PAGEREF _Toc264548888 h 22 HYPERLINK l _Toc264548889 吊掛擺動裝置液壓缸負載壓力計算 PAGEREF _Toc264548889 h 23 HYPERLINK l _Toc264548890 同步擺桿機構尺寸計算 PAGEREF _Toc264548890 h 24 HYPERLINK l _Toc264548891 夾料桿升降驅動液壓缸負載壓力計算 PAGEREF _Toc264548891 h 25 HYPERLINK l _Toc264548892 車輪驅動力的計算 PAGEREF _Toc264548892

13、 h 28 HYPERLINK l _Toc264548893 第五章 液壓缸及減速緩沖元件的選用 PAGEREF _Toc264548893 h 31 HYPERLINK l _Toc264548894 液壓馬達選擇 PAGEREF _Toc264548894 h 31 HYPERLINK l _Toc264548895 液壓缸選擇 PAGEREF _Toc264548895 h 31 HYPERLINK l _Toc264548896 夾鉗啟閉用液壓缸的選擇 PAGEREF _Toc264548896 h 31 HYPERLINK l _Toc264548897 升降驅動液壓缸的選擇 PA

14、GEREF _Toc264548897 h 33 HYPERLINK l _Toc264548898 吊掛擺動液壓缸的選擇 PAGEREF _Toc264548898 h 33 HYPERLINK l _Toc264548899 減速器選擇 PAGEREF _Toc264548899 h 34 HYPERLINK l _Toc264548900 緩沖裝置簡介及其選用 PAGEREF _Toc264548900 h 35 HYPERLINK l _Toc264548901 第六章 局部部件設計及其強度校核 PAGEREF _Toc264548901 h 37 HYPERLINK l _Toc26

15、4548902 夾料桿旋轉嚙合齒輪設計 PAGEREF _Toc264548902 h 37 HYPERLINK l _Toc264548903 夾料桿強度校核 PAGEREF _Toc264548903 h 42 HYPERLINK l _Toc264548904 結束語 PAGEREF _Toc264548904 h 48 HYPERLINK l _Toc264548905 參考文獻 PAGEREF _Toc264548905 h 49緒 論概述工業(yè)機械手是近30年來開展起來的一種模仿人手動作，并按設定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具或進行操作的高科技自動化裝置，在結構和

16、性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其是表達了人的智能性和適應性，能夠提高勞動生產率和自動化水平，能夠減輕生產工人的繁重、重復的體力勞動，并且能在高溫、高壓、低溫、粉塵、有毒氣體和放射性污染等環(huán)境中代替人工作。工業(yè)機械手在我國工業(yè)生產中得到了廣泛的應用，在促進生產過程自動化方面起了巨大作用。機械手技術涉及力學、機械學、電氣液壓技術、自控技術、傳感器技術和計算機技術等領域，是一門跨學科的綜合技術。而且機械 構學乃是機器人的主要根底理論和關鍵技術，也是現(xiàn)代機械原理研究的重要內容。機械手的組成及分類機械手的組成工業(yè)機械手的結構有簡單的也有復雜的。但從結構形式分析，主要有執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成

17、，各局部關系如圖1.1所示，機械手的組成示意圖如圖1.2所示。控制系統(tǒng)驅動系統(tǒng)位置檢測裝置執(zhí)行機構工件圖1. SEQ 圖1- * ARABIC 1 機械手組成一、執(zhí)行機構執(zhí)行機構由抓取局部手部、腕部、臂部和行走機構等運動部件組成。1一手指 2一手部 3一手腕回轉液壓缸 4一導向桿 5手臂伸縮液壓缸 6一手臂回轉液壓缸 7一手臂升降液壓缸 8液壓系統(tǒng)控制閥 9一液壓泵電動機 10液壓泵 11一油箱1. 手部 即直接與工件接觸的局部，一般是回轉型或平移型多為回轉型，因其結構簡單。手爪多為兩指；根據(jù)需要分為外爪式或內爪式兩種；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤它主要用于吸取冷的，光滑外表的零件或薄板零件

18、和電磁吸盤。2. 腕部 即連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓物體的方位即姿態(tài)。它可以有上下擺動、左右擺動和繞自身軸線的回轉三個運動。如有特殊要求(將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等)，手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業(yè)機械手沒有腕部自由度。3. 臂部 手臂是支承被抓物體、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到給定的位置。4. 行走機構 有的工業(yè)機械手設有行走機構。二、驅動機構有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結構簡單，本錢低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的出力

19、人，臂力可達1000N以上，且可用電液伺服機構，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內。目前常用的是氣動和液動驅動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。三、控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。四、基體(機身)基體是整個機械手的根底。機械手的分類目前，我國對工業(yè)機械手尚無較為統(tǒng)一的分類標準。一般可按機械手的規(guī)格、功能或用途等來分類。一、按規(guī)格(所搬運的工件重量)分類1)微型的搬運重量在1k

20、g以下。2)小型的搬運重量在10kg以下。3)中型的搬運重量在50kg以下。4)大型的搬運重量在500kg以上。二、按功能分類1簡易型工業(yè)機械手 有固定程序和可變程序兩種。固定程序由凸輪轉鼓或擋塊轉鼓控制，可變程序用插銷板或轉鼓控制來給定程序。近年來，普遍采用可編程序控制器(PC)組成控制系統(tǒng)。這種機械手多為氣動或液動，結構簡單，價格廉價，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點位控制，但作為一般單機效勞的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。2記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手 這種工業(yè)機械手由人工通過示教裝置領動一遍，由記憶元件(如磁盤、磁帶或存儲器)把程序記錄下來，以后機械手就自動按記憶的程

21、序重復進行循環(huán)動作。這是采用較多的一種，多為電液伺服驅動。與前者比擬，有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。3計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手 可通過更換穿孔帶或其它記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作程序，還可以進行多機控制。計算機可以是可編程序控制器或微型計算機。4智能工業(yè)機械手(機器人) 由電子計算機通過各種傳感元件等進行控制，具有視覺、熱覺、觸覺、行走機構等。1專用機械手 附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。這種機械手工作對象不變，動作固定，結構簡單，使用可靠，適用于成批、大量生產的生產自動線或專機作為自動上、下料用。2通用機械手 具有獨立控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈

22、活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于工件經常變換的中、小批量自動化生產。機械手的主要技術指標工業(yè)機械手的技術指標很多，下面主要介紹一些與機械手有關的技術指標。自由度 即用來確定手部相對機座的位置和姿態(tài)的獨立能變數(shù)的數(shù)目。它等于機械手獨立驅動的關節(jié)數(shù)目。自由度是反映機械手的通用性和適應性的一項重要指標。自由度越多，就更能接近人手的動作機能，通用性更好，但結構也更復雜。目前，一般的通用工業(yè)機械手大多為5個自由度左右，但已能滿足多種作業(yè)的要求。工作空間 即機械手的工作范圍，通常以手腕中心點在機械手運動的所占有的體積來表示。我們把機械手能對操作對象完成操作的那一局部空間

23、稱為看管區(qū)域或工作區(qū)域。靈活度 是指機械手末端執(zhí)行器在工作時，所能采取的姿態(tài)的多少。假設能從各個方位抓取物體，那么其靈活度最大；假設只能從一個方位抓取物體，那么其靈活度最小。此外，用來表征工業(yè)機械手操作性能的技術指標還有負荷能力，快速動作特性，重復定位精度及能量消耗等等。機械手的靜力和動力分析對機器的操作進行靜力分析和動力分析是機械手操作機設計，以及其驅動裝置和控制系統(tǒng)設計的根底。靜力分析機械手靜力分析的目的是確定機械手在靜力平衡狀態(tài)下，各關節(jié)力與末端執(zhí)行器上外力、外力矩間的關系，為機械手的設計提供初步依據(jù)。在機械手中，任取兩桿i與i+1，設作用在桿i+1上的力Fi+1和力矩Mi+1在坐標系i

24、+1中表示為Fi+1(i+1)和Mi+1(i+1)；桿i上的重力Gi在機座坐標系x0y0z0中表示為Gi(0)。再設桿i上Si點和Oi點在坐標系xiyizi中的位置矢量為rsi和ri+1。當不考慮摩擦時，將這些力和力矩簡化到坐標系xiyizi中，可得:Fi(i)= Fi+1(i)+Gi(i)=Ri+1,iFi+1(i+1)+Ri0Gi(0)(11)Mi(i)=Mi+1(i)+ri+1Fi+1(i)+rsiGi(i)=Ri+1,iMi+1(i+1)+ri+1Ri+1,iFi+1(i+1)+rsiRi0Gi(0) (12)式中Ri+1,i和Ri0為坐標旋轉變的矩陣，恰在此時與運動分析為逆變換。上述

25、兩式為兩相鄰桿間力的傳遞關系。如設作用在機械手末端執(zhí)行器上P點外力和外力矩為FW(0)和MW(0)，同時考慮各桿自量的影響，那么經逆推可求得關節(jié)點Oi上的力和力矩分別為：F0i(i) =Ri0FW(0)+ (13)M0i(i) =Ri0MW(0)+rsjRj0Gj(0) (14)求出力F0i(i) 和力矩M0i(i) 在 xi和zi 軸上的分量，即得到關節(jié)力和關節(jié)力矩。取其反號值，即為使桿件保持靜力平衡應由驅動機提供的關節(jié)驅動力或驅動力矩。動力分析當考慮慣性力的影響時，對機械手進行的力分析即為動力分析。與前面平面機構力分析相似，機械手的動力分析可將慣性力視為一般外力加于產生慣性力的構件上，而仍

26、將機械手視為處于靜力平衡狀態(tài)，然后即可用前述機械手靜力分析的方法進行力的分析。工業(yè)機械手的技術開展方向國內外實際上使用的定位控制的機械手，沒有“視覺和“觸角反響。目前，世界各國正積極研制帶有“視角和“觸角的工業(yè)機械手，使它能對所抓取助工件進行分辨，選取所需要的工件，并正確地夾持工件，進而精確地在機器中定位、定向。為使機械手有“眼睛去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零件，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當?shù)奈樟?；另一種是直接檢測

27、指部與物件的滑動位移，來修正握力。因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能：1)能準確地抓住方位變化的物體。2)能判斷對象的重量。3)能自動避開障礙物。4)抓空或抓力缺乏時能檢測出來。這種具有感知能力并能對感知的信息作出反響的工業(yè)機械手稱為智能機械手，它是有開展前途的?，F(xiàn)在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單重復的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替人從事繁重的工作和危險的工作，在惡劣環(huán)境下尤其明顯。至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部門，機械手的應用情況決不能說是很好的。雖然這些工業(yè)部門工時缺乏的問題很鋒利，但采用機械手只限于一小局部工序。其原因之一是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求

28、，適于機械手工作的范圍很狹小。另外經濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經濟上看不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題獲得解決，機械手的應用必將會飛躍開展。環(huán)型加熱爐及出料機械手環(huán)型加熱爐隨著鋼鐵工業(yè)技術的開展，為適應高速、高精度連續(xù)軋機及快鍛、精鍛設備的要求，環(huán)型加熱爐得到了較快開展。環(huán)型加熱爐是工業(yè)爐中爐型結構復雜、機械化程度和裝備水平較高的一種，一般適用于無縫鋼管穿孔前的加熱。根據(jù)加熱管坯尺寸的不同，環(huán)型加熱爐的直徑也有所不同，但根本結構均無很大的差異。環(huán)型加熱爐適合于加熱異型鋼坯，坯料間

29、隔布置，三面受熱，加熱時間短，溫度均勻；可根據(jù)要求改變爐內布料、改變加熱溫度。環(huán)型加熱爐適合大批量生產的要求，有利于實現(xiàn)機械化和自動化。環(huán)型加熱爐的結構環(huán)型加熱爐是借爐底的旋轉，使放置在爐底上的管坯由裝料口移到出料口的一種爐型。爐子用側進料、側出料的方式，并且用側燒嘴加熱。環(huán)型加熱爐由轉動爐底和固定爐墻、爐頂組成。整個環(huán)型加熱爐看起來為一個立體圓環(huán)。沿爐子圓周方向可分為幾個段，如預熱段、一加熱段、二加熱段、均熱段、清渣段等。段與段之間用隔墻隔開，有些段采用水冷隔墻。爐底和爐墻之間的環(huán)逢采用水封以防止熱量和煙氣散出。清渣段：沒有坯料，供清渣用。預熱段：不安燒嘴，只靠爐內煙氣對管坯加熱，起到節(jié)能降

30、耗的作用。一加熱段：開始安裝燒嘴，是供熱的主要段，也是提高產量的主要段。二加熱段：是供熱的主要段，也是提高質量的主要段。均熱段：在這段里最大限度地消除管坯外表和中心的溫度差，提高管坯的加熱質量。環(huán)型加熱爐結構上沒有明顯的分段，主要靠燒嘴的配置和供熱強度來控制溫度制度。各段的長度并不固定，例如爐子在低負荷下工作時，就可以關閉一局部加熱段的燒嘴，預熱段就相對延長。為了使爐子各段的溫度更符合加熱工藝的要求，環(huán)型加熱爐都設有水冷梁支托的吊掛式隔墻。隔墻的數(shù)目和位置不一定，一般設有三道隔墻：(1)在加熱段和預熱段之間設一道隔墻，減少加熱段向預熱段的熱輻射；(2)在均熱段和出料口之間設一道隔墻，防止因出料

31、口經常開啟而降低均熱段的溫度，還防止均熱段熱氣直接進入排煙道；(3)在裝料口與出料口之間也有一道隔墻(有時有兩道)，以防止裝料口吸入冷風，對出料口的熱管坯造成不良影響，也防止均熱段熱氣短路，直接進入排煙道。隔墻距離爐底的間隔高度，應保證加熱最大直徑的管坯時能自由通過，還考慮到氧化鐵皮在爐底上的堆積，故間隔高度一般約為140mm。環(huán)型加熱爐一般由混合煤氣、天然氣等可燃氣體供熱，各段供熱可以單獨進行控制。燒嘴均安裝在內外環(huán)墻上。爐底一般由假設干電機驅動，目前均實現(xiàn)變頻調速控制。另外，裝料和卸料由電機或馬達等驅動的小車完成。環(huán)型加熱爐的優(yōu)缺點環(huán)型加熱爐具有以下的優(yōu)點：(1)爐子的轉速和管坯之間的間隔

32、距離可以準確地控制，各段的溫度可以根據(jù)需要通過調整供熱量及利用中間煙道實行控制。爐子的產量、熱工制度等都有較大的靈活性。(2)由于管坯之間有間隙，三面受熱，溫度均勻，沒有水管黑印，加熱質量好。(3)可以加熱推送式爐和步進式爐所不能加熱的異型管坯。(4)和斜底爐相比，加熱圓坯時不需要翻料，沿爐長沒有高度差，漏人的空氣少，甚至可以采取微正壓操作，燒損率比推送式連續(xù)加熱爐減少1.52。(5)爐子可以排空，防止停軋時管坯在爐內長期停留，便于更換管坯規(guī)格。(6)由于幾乎沒有什么水冷件，熱耗比擬低。環(huán)型加熱爐的缺點：(1)機械設備復雜，占地面積大，投資費用高。(2)管坯之間有間隙，爐底面積利用率低，爐底強

33、度只及推送式爐的一半左右。(3)裝料門和出料門相距很近，送料與出料的區(qū)域很窄，操作不方便。環(huán)型加熱爐的工作過程環(huán)型加熱爐的管坯料為圓柱狀，一般沿徑向布置。正常工作時爐底按一定速度旋轉，每轉動一個料位便停一下，在停止轉動的時間內完成向一個料位裝料并從出料口卸下一根坯料給軋鋼機。然后，爐底繼續(xù)旋轉，如此連續(xù)不斷地運行。在爐底旋轉一周后，坯料剛好經過預熱段、一加熱段、二加熱段、均熱段完成對坯料的均勻加熱最后被送出加熱爐。而燃料和助燃空氣那么經各段燒嘴噴入爐膛燃燒，廢氣經煙道排除煙囪。出料機械手出料機械手是生產制造中的一個重要局部，針對加熱爐有一個出料門和一個上料門。有的加熱爐僅有一個門，集出料和上料

34、于一體。出料機械手位于出料門前側或上側，將管坯夾取出爐的一個裝置，然后將管坯放于爐前的軌道，傳送至加工裝置。出料機械手是針對專項管坯加工設備進行的專門設計，應用到力學、熱學、摩擦學以及傳感器等多方面的知識。本次設計是針對包鋼集團無縫鋼管廠小無縫的35mm加熱爐進行的設計。出料機械手中用到的液壓缸和傳動部件用的是國內標準系列產品。液壓缸的選取全選自江蘇無錫液壓缸廠，控制精度難度中下級別，而對于天津大無縫的出料機械手中所用到的是德國力士樂公司用到的液壓缸，控制精度相比照擬高，其控制基于ST200PLC控制，在國內處于領先水平，但其設計也是針對加熱爐出料機進行的專項設計。設計專題局部本次設計是針對包

35、鋼集團無縫鋼管廠35m加熱爐出料進行的專項設計。35m加熱爐是包鋼集團無縫鋼管廠生產工藝流程中的一個重要設備，無縫鋼管廠主要生產工藝路線：管坯鋸管坯加熱穿孔機連軋機脫管機再加熱爐定徑機冷床管排鋸矯直機探傷倒棱熱處理包裝發(fā)行，管坯鋸斷以后，再將斷坯送入至加熱爐，即裝料，然后在加熱爐里加熱至適宜溫度，使得管坯在比擬適合穿孔的溫度下出料，本次設計就是針對其出料結構進行的一個專項設計。本次設計主要是根據(jù)設計給定的參數(shù)，利用我們所學專業(yè)知識以及制圖知識，設計出合理的夾料出料裝置，完成主要部件框架的組合設計以及局部零件的強度校核，最后對局部零件進行壽命預算，最后畫出裝配圖及零件圖。出料機械手的方案確定可選

36、方案方案一出料機械手要想完成從加熱爐中夾取出管坯的任務，必須存在水平面內的直線運動、豎直面內的升降運動以及旋轉運動，所以有必要設計一個支撐機械手完成上述動作的機架。該機架設有一正對爐門并高于爐門的長直軌道來支撐行走小車。水平軌道長度大于小車行程，約46m小車水平行程約8.1m,回轉加熱爐直徑為35m,小車允許運行的有效行程為10m圖3.1 使用電液伺服閥的同步回路1換向閥 2電液伺服閥 3、4位移傳感器 5伺服放大器 6溢流閥圖3.2 夾料桿旋轉運動控制圖1滑輪 2徑向距離控制用導圈 3夾料桿一4夾料桿二 5液壓缸行走小車動力源選用一個電動機，經減速器減速后，輸入到行走小車主動輪，從而驅動行走

37、小車完成水平面內直線運動的動作，在行走小車的終了軌道上設置一限動橫梁，并在小車減速器輸出端設置一緩沖裝置來保證行走小車停止時的迅速可靠。行走小車夾料桿的升降運動主要是通過一個用電液伺服閥的同步回路如圖3.1所示驅動兩個液壓缸同步伸縮以及滑輪同步機構如圖3.2所示來實現(xiàn)的，兩液壓缸分別與一滑輪同步機構相連來支承夾料桿前后兩個支點使夾料桿做升降運動，液壓缸以及滑輪機構的同步性可保證夾料桿始終處于水平。圖 3.3 夾料桿旋轉運動控制圖夾料桿的旋轉運動是由一個液壓缸配合夾料桿上中間部位的兩個特殊凸耳來實現(xiàn)的，通過液壓缸的伸縮來使兩個夾料桿實現(xiàn)正反轉如圖3.3所示。該方案控制的夾料動作反響快速準確，特別

38、是選用的同步的回路同步精度很高，伺服閥與換向閥要求有相同的流量，規(guī)格尺寸必須選擇很大，價格也相當昂貴，特別是行走下車車體上要同時固定五個大行程液壓缸，因此，行走小車在體積和材料剛度的選用方面都有特殊的要求，但是其無論在效率還是在壽命方面的性能都比擬好。方案二方案二與方案一驅動小車的動力源有所不同，小車水平驅動是靠一個液壓馬達驅動減速器，經減速器調速后減速，輸出到行走小車主動輪，驅動小車在水平軌道上前進后退，此處選擇液壓馬達驅動可使整個機構的動力源一致。行走小車夾料桿的升降驅動是由一個液壓缸和一個特殊的同步擺桿機構共同來控制如圖3.4所示，A、B和C三點均固定在車體上，該機構雖然可以實現(xiàn)夾料桿升

39、降方面的同步性，但是D、E兩點做的是圓周運動，F(xiàn)點也是圓周運動，也就是說，D、E兩點在做上下運動時也要在水平方向上做前后運動，因此就必須存在一個補償運動，所以對此還專門設計了一個吊掛擺動裝置，來補償其水平垂直方向的微動。吊掛擺動裝置的驅動也是靠一個重型液壓缸來實現(xiàn)的。圖3.4 同步擺桿機構1液壓缸 2 、4曲柄 3連桿圖3.5 夾料桿旋轉運動控制圖夾料桿的旋轉運動是通過一個液壓缸配合夾料桿上的凸耳來實現(xiàn)的如圖3.5所示，液壓缸的伸縮運動和夾料桿上的特殊凸耳共同作用驅動夾料桿反向旋轉。吊掛擺動裝置在徑向控制其徑向距離和補償其水平方向的微動。機架安置在環(huán)型加熱爐前，夾料桿水平前行時，就近似一個懸臂

40、梁，這就要求機架相對地基能過承受懸臂夾料桿傾反力矩的影響，因此，其固定必須采用有效可靠的措施。該方案對于夾料桿運動控制較好，設備的制造，除液壓馬達和液壓缸之外，都可以從本廠直接獲取坯料并進行加工。對于完成一些控制精度不高，生產效率一般的生產廠區(qū)比擬實效。方案三該方案的設計與前兩個方案不同的地方是行走小車運行于地面的水平軌道上。升降驅動用方案一的鏈式同步液壓缸回路實現(xiàn)，旋轉運動也按方案一的方法控制。這種方案省去了機架的材料和費用，但是它卻占據(jù)了廠區(qū)大量的面積。一般來說廠區(qū)的面積是比擬有限的，該方案只適合于某些專門的加熱爐出料而不從事其他流水作業(yè)的廠區(qū)。技術經濟評價法擇優(yōu)技術經濟評價法的依據(jù)是相對

41、價：其中包括方案的技術價和經濟價，該法被定為德國工程師協(xié)會標準VDI22225。技術評價通過技術分析驗證所采用的技術原理的正確性，預測設計方案的性能，并確定詳細設計細節(jié)，技術評價通過方案的技術價Wt進行分析：Wt= (31)式中：Pi第i個技術評價指標的評分值；gi第i個技術評價指標的加權系數(shù)；Pmax最高分值本次設計評價中的高分值選用五分制。注：Wt0.6表示方案在技術上適宜，必須改良。表 31 設計方案技術評價評價目標加權系數(shù)gi方案一方案二方案三P1iP1igiP2iP2igiP3iP3igi剛度34精度431 加工444裝配344使用54PmaxP1igiP2igiP3igi=3.7W

42、t=gi/PmaxWt1Wt2Wt3經濟評價經濟評價的目的是求方案的經濟價We,也就是理想本錢與實際制造本錢的比值。We=Hi/H(32)表 3.2設計方案的經濟評價評價目標方案一方案二方案三生產本錢理想本錢a經濟價We=Hi/HWe1We1We1注：一般取We0.7意味著實際本錢高于允許生產本錢，在經濟上不合格。式中：H實際制造本錢，包括材料費用，工資費用和一般管理費用等。進行經濟評價時，H是理論值；Hi理想的制造本錢。技術經濟綜合評價總價值：Wo= eq r(,WeWt) (33)三種方案的相對價:W1= eq r(,We1Wt1) = 0.74) W1= eq r(,We2Wt2) =

43、0.73) W1= eq r(,We3Wt3) = eq r(0.6250.73) 圖中的OS表示開發(fā)線，方案越靠近開發(fā)線，說明方案的技術經濟的綜合性越好，但是必須位于開發(fā)線的需用區(qū)域內。評價決策結果：準備采用方案二來進行本次畢業(yè)設計。表 33 優(yōu)度圖出鋼機械手參數(shù)設計計算機械手組成本次設計的出料機械手構成主要包括如圖4.1所示：車 架：支承行走小車在某一固定水平高度上直線運動，設有車輪軌道。行走小車：在車架上做直線運動，后裝夾料桿和吊掛擺動裝置，在水平方向帶動夾料桿移動至加熱爐門前，其上還設同步擺桿機構，配合液壓缸完成垂直升降運動。行走小車是承載夾料桿在水平方向前進的主要裝置。行走小車配以兩

44、個后輪，兩個后下輪，兩個前輪和兩個導向輪，其動作形式就是在水平軌道上前進或后退。為控制行走小車在前進方向的啟動速度和停止時間，還專門設置了緩沖裝置緩沖器HX400。圖 4.1 出料機械手構成1行走小車2車架3同步擺桿機構4吊掛擺動機構5夾料桿行走小車下部還設有同步擺桿機構來控制夾料桿在垂直方向上的移動，同步擺桿機構由兩個曲柄和一個連桿組成。同步擺桿機構由液壓缸驅動，液壓缸端部固定在行走小車上，其運動軌跡是弧形和伸縮的合成運動。A點軌跡促使C、E兩點同步運動，C、E兩點是純弧形軌跡。就單純分析同步桿件來說，DE桿是一個虛約束，但是正是這個虛約束實現(xiàn)了夾料桿的同步升降。行走小車的動力源是液壓馬達。

45、液壓馬達是將液壓能轉化為機械能的元件。即輸入壓力和流量，輸出轉矩和轉速。液壓馬達后接減速器，經減速器調速后輸出至行走小車的主動輪，驅動行走小車前進。夾料桿裝配： 鍵型孔夾料桿采用無縫鋼管成品，規(guī)格為29930-7280，材料為45鋼。每個管在管壁上加工出4個孔：2個69mm的圓孔和2個鍵型孔斷面如圖4.2所示。由于管坯溫度較高，且材料為45鋼，所以容易發(fā)生化學反響和變形，而且與所設計的夾料桿夾鉗上的半圓條相接觸時，容易發(fā)生粘接，所以必須配置降溫設備。在本次設計中，夾料桿兩端有軸頭密封，夾料桿上的兩個69mm的圓孔是用來實現(xiàn)水冷的，這兩個圓孔一個作為進水口，一個作為出水口，冷卻水從進水口流入，經

46、過冷水管與無縫鋼管之間的縫隙，然后通過鍵型孔流入夾鉗內部，之后冷卻水在壓力作用下經回水管進入冷水管，再從出水口流出，完成冷卻過程。在這個過程中，不僅對夾鉗有很好的冷卻作用，對于工作在較高溫度下的夾料桿桿臂也有較好的冷卻作用。冷卻過程的控制是通過溫度傳感器實現(xiàn)的，當夾料桿鉗口到達某一溫度時，溫度傳感器獲得信號并將信號傳至給控制器，從而開啟進水管進行冷卻。夾料桿夾取管坯時的旋轉運動是由液壓缸驅動的，即在夾料桿尾部徑向配以液壓缸，并在夾料桿上設有特殊的凸耳結構，通過液壓缸的伸縮實現(xiàn)兩夾料桿旋轉。為使兩夾料桿不會因徑向竄動而引起徑向距離變化，在夾料桿上設有弧形塊，從而防止了夾鉗啟閉用液壓缸行程偏小而無

47、法夾取坯料，或行程偏大，在夾取坯料時，坯料在徑向受擠壓而產生變形。本次設計還在夾料桿外壁上采取了一定的措施：1) 在夾料桿端部通過齒輪嚙合來控制旋轉角度，其分度圓所在位置的半徑與夾料桿外圓半徑控制在同一尺寸上；2) 在夾料桿的中間部位配以弧形塊，作用同1)。由于夾料桿長度較長，而且只有尾部固定在同步擺桿機構的曲柄一上，雖然在垂直面內的移動已被約束，但仍可轉動，為使夾料桿能保持水平，在其中間偏尾部設計一吊掛擺動裝置，并通過鏈條傳動的輔助作用來維持其與尾部的同步旋轉，此外，吊掛擺動裝置還可以控制其徑向方面的移動。冷卻裝置：包括液壓冷卻裝置和夾料桿內水冷裝置，本次設計只對水冷裝置進行設計。此外，本次

48、設計中還簡單提到了出料機械手拖鏈機構、事故卷揚機和出料機械手傳感器裝置等。出料機械手的循環(huán)動作當管坯加熱到適宜溫度，加熱爐門翻開，出料機械手開始動作。首先，出料機械手通過液壓馬達驅動，再經過后接的減速器調速后，驅動行走小車在水平軌道上前進，小車的啟動過程是一個勻加速直線運動，到達最高速度后開始做勻速直線運動，當快到達限動橫梁時做勻減速直線運動。為使其減速反響快速、敏捷，還在行走小車上裝有緩沖裝置緩沖器，用以防止車速過高沖出軌道，造成設備損傷，甚至傷及在場工作人員等事故的發(fā)生。當出料機械手運行至坯料上方時，水平運動快速平穩(wěn)停止，液壓缸一收縮調節(jié)同步擺桿機構下降至可以夾取坯料的位置后停止，然后通過

49、液壓缸二配合吊掛擺動裝置中的液壓缸三的協(xié)作運動使夾料桿的夾取鉗口翻開，夾取坯料，接著通過液壓缸一的伸出使夾料桿連同所夾取的坯料上升至之前的高度，液壓馬達再次驅動行走小車水平動作后退至運料軌道正上方，液壓缸一收縮運動使夾料桿下降；最后，通過液壓缸二、三的協(xié)作運動使夾料桿鉗口翻開，管坯脫開停放在了運料軌道上。重復以上步驟，直至環(huán)型加熱爐中管坯夾取完畢。其工作順序簡圖如下：主要參數(shù)的設計計算管坯規(guī)格： 180mm管坯： L1 M1=900Kg 270mm管坯： L2=1.3 M2=2030Kg出料頻率：f=120根/h出料機械手行程：L=8100+2502=8600mm出料機械手最大行程：Lmax=

50、8100mm出料機械手最小行程：Lmin=5700mm爐內升降行程：H內=350mm爐外升降行程：H外=190mm初定行程用時因加熱爐是環(huán)型，管坯沿徑向分布如下圖，所以每次取完爐口的管坯，圖 4.4 環(huán)型加熱爐管坯分布簡圖接下來就要取與已經夾取的管坯相對處的管坯以減少環(huán)型加熱爐的動載荷，故可以看做每次循環(huán)夾取兩根管坯。出料頻率為120根/小時，即：每分鐘兩根?？紤]到設備的反響滯后，摩擦磨損帶來的時間消耗以及液壓傳動的緩沖和排氣方面的影響因素：設s爐內升降行程用時：爐外升降行程用時：夾鉗啟閉用時：保守估計單次循環(huán)累計用時：T=()22，而2=，故取=13。當夾取270mm坯料時，同理由幾何關系可

51、得擺角：270mm規(guī)格的坯料的最大重量：G=mg=20309.8=19894N將G及的值代入式(41)得：即夾取270mm坯料口所受壓力為KN，鉗口擺角取=17。設計中取數(shù)值較大的鉗口擺角：=13，鉗口開啟壓力：F=。故液壓缸的負載壓力為： F旋=吊掛擺動裝置液壓缸負載壓力計算行走小車底部設有同步擺桿機構，左邊的曲柄與夾料桿相接，夾料桿的左端已經固定了一個液壓缸來控制鉗口的開啟，因此，吊掛擺動裝置中液壓缸的作用：一是維持夾料桿旋轉；二是保持夾料桿工作同步，故在吊掛擺動裝置上使用的液壓缸負載壓力就稍小于夾料桿夾鉗開閉驅動液壓缸的負載壓力，其行程由行走小車下端尾部耳環(huán)固定的間距和夾鉗啟閉液壓缸行程

52、計算，其選型可以在高壓重型液壓缸系列中選擇稍小于夾鉗啟閉液壓缸一號即可。同步擺桿機構尺寸計算夾料桿在爐內升降行程為350mm，爐外升降行程為190mm，同步擺桿機構的兩個曲柄安裝高度差為160mm，由同步擺桿機構的相關知識，我們知道兩曲柄接夾料桿處運動軌跡是完全一樣的。曲柄一中A、B和C三點在同一條直線上，可以將其簡化為桿件來進行計算，從而確定A點的上升下降高度，也就是升降驅動液壓缸的工作行程范圍。圖aa圖b圖4.6 同步擺桿機構尺寸計算圖如圖4.6所示，在圖a中，由條件AB=406mm，BC=580mm，DE=BF=175mm知：故：AD=AE-圖b為夾料桿在爐內下降350mm時，曲柄一的位

53、置圖，其中： =BF+350=525mm，=406mm，=580mm，由圖中幾何關系知：故： 綜上可知：兩點在垂直方向上的高度差為。考慮到液壓缸在垂直面內的擺動和其他因素產生的冗余伸長的影響，將其圓整為250mm。夾料桿升降驅動液壓缸負載壓力計算1、夾料桿下降時，同步擺桿機構所承受的載荷必須考慮到夾料桿重量、吊掛擺動裝置重量和夾料桿內部水的重量：G1=G夾+G吊+G水(42)因下降時剛開始進行水冷，夾料桿內部水的重量可以忽略，故：G1G夾+G吊(43)將m夾=4845kg，m吊=127kg代入上式，得：G1=4845+127因為夾料桿在爐內下降時同步擺桿機構所承受的載荷要小于夾料桿夾取管坯上升

54、時同步擺桿機構所承受的載荷，所以我們可以根據(jù)上升時同步擺桿機構所承受的載荷計算出升降液壓缸負載壓力。2、夾料桿在爐內上升時也必須考慮夾料桿重量、吊掛擺動裝置重量以及水冷時管內水的重量和管坯重量，故：G2=G夾+G吊+G水+G管坯(44)其中：m夾=4845kg，m吊=127kg，m水=V水水，m管坯=2030kg下面計算夾料桿內冷水的質量：夾料桿內圓橫截面面積：S=r2(45)=mm2單根無縫鋼管長：L=7280mm冷水的體積：V水=2SL=27280=0.653冷水的質量：m水= V水水1000kg=653kg將各值代入式44：G2=m夾+m吊+m管+m水g=6845+127+2030+65

55、3KN確定同步擺桿機構下裝整個設備的重量后，還必須計算整個設備的重心水平坐標，之后才能確定同步擺桿機構兩曲柄分別所受載荷。首先，根據(jù)夾料桿裝配各零部件的位置以及重量確定夾料桿的重心，然后，再計算夾料桿裝配、吊掛擺動裝置、管內冷卻水和管坯的整體重心位置。經過計算，可以求得夾料桿裝配、吊掛擺動裝置、冷卻水和管坯各自的重心：x夾=3751mm，x吊=3751mm，x水=3751mm，x管=3751mm如下圖。圖4. 7根據(jù)上圖，同步擺桿機構下裝設備的水平重心為：=4764mm列平衡方程：解得： 3、同步擺桿機構中的連桿通過兩個鉸鏈與兩個曲柄相連，為一二力桿。將同步擺桿機構約束除去，用外力代替施力物體

56、，對曲柄一、二和連桿進行受力分析，如下列圖所示。圖4.9曲柄二受力分析圖圖4.8 曲柄一受力分析圖 圖4.10 連桿受力分析圖根據(jù)受力分析列平衡方程其中：曲柄一：Fx=0，=0Fy=0，MB=0，F(xiàn)A387-FD-FC552=0曲柄二：Fx=0，F(xiàn)y=0，ME=0，F(xiàn)F-FG552=0連桿：其中：，將FC=代入上式，可得：FA車輪驅動力的計算車輪運行于鋼質導軌上，其驅動力必須考慮到滾動摩阻，下面簡要說明這種滾動摩阻的形成原因及特性。圖4. 11 設在水平面上有一滾子，半徑為R，重為P，在其中心O加一水平力F1所示。當力F不大時，滾子仍將保持靜止，由滾子的受力情況可知，滾子受到的力有法向反力FN

57、，它與P等值反向，靜滑動摩擦力，它與F2示。如果水平面對滾子的反力僅有FN和FS，那么滾子不可能保持平衡。因為FS不僅能阻止?jié)L子滾動，反而與力F組成一個力偶，使?jié)L子發(fā)生滾動，但實際上當力F較小時，滾子能夠保持平衡，其原因是滾子和水平面并不是剛體，它們在力的作用下都會發(fā)生變形，它們之間接觸處并不是一個點，而是一段弧線，輪子在接觸面上受力分布力作用，當將這些力向A點簡化時，可得到一個合力FRFR可分解為摩擦力FS 和正壓力FN和一個力偶，其力偶矩為Mf2所示，這個矩為Mf的力偶稱為滾動摩阻力偶，它與力偶F，F(xiàn)S相平衡，方向與滾動的趨勢方向相反。與靜滑動摩擦力相似，滾動摩阻力偶矩Mf也隨著主動力的增

58、大而增大當力F增加到某個值時，滾子處于將滾未滾的臨界平衡狀態(tài)；這時，滾動摩阻力偶矩到達最大值，稱為最大滾動摩阻力偶矩，用Mmax表示。假設力F再增大一點，輪子就會滾動。由此可見，滾動摩阻力偶矩Mf的大小介于零與最大值之間，即，0M Mmax46實驗證明，最大滾動摩阻力偶矩Mmax與支承面的法向反力FN的大小成正比，即Mmax=FN 47圖4. 12滾動摩阻系數(shù)用實驗測定，它與滾子和支承面的材料的硬度和溫度有關，與滾子的半徑無關。表41是幾種常見材料的滾動摩阻系數(shù)的值。行走小車車軌支承力：P=G2+G車G2=KNG車=50179.8=KN故：據(jù)滾動摩阻定律： Mmax=FNFN=+=KN查表41

59、知：mm Mmax=Nm小車最大行程：L=8100+2502=8600mm實際最大行程：L=8100mm小車運行速度：=根據(jù)緩沖計算摩擦力：F=小車驅動功率：P=F=KW表41 滾動摩阻系數(shù)材料名稱mm材料名稱mm鑄鐵與鑄鐵鋼質車輪與鋼軌木與鋼木與木軟木與軟木淬火鋼珠與鋼軟鋼與鋼有滾珠軸承的料車與鋼軌無滾珠軸承的料車與鋼軌鋼質車輪與木面輪胎與路面210液壓缸及減速緩沖元件的選用本次設計中液壓馬達和減速器均需設計，并按設計要求進行制造與裝配，以保證設備性能和控制精度，但液壓馬達和減速器的設計不是本次設計的重點，故只說明其型號和功能參數(shù)。液壓馬達選擇液壓馬達是把液壓能轉換為機械能的元件，輸入壓力和

60、流量輸出轉矩和轉速。液壓馬達按結構可分為齒輪式、葉片式和柱塞式。本次設計選用液壓馬達型號為A2F200W2P2注： A馬達型號 2無連桿 F壓力級 200工程排量 W 控制設計變量 2主體設計序號 P平鍵連接 2 裝配形式主要參數(shù)：排量：200ml/r 最大工作壓力：10MPa 最高轉速：1700r/min液壓缸選擇夾鉗啟閉用液壓缸的選擇在4.3.2節(jié)中已經計算出液壓缸最大負載工作壓力：F旋=200.3KN。查參考文獻7表251和表252，選擇液壓缸內徑D=80mm，活塞桿直徑d=56mm，滿足要求。因夾鉗相對液壓缸旋轉角度為，也就是說，夾鉗啟閉液壓缸的行程為：L=2(51) =2661=mm