鍛造操作機上架回旋機構(gòu)設(shè)計說明書

1、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(guān)鍵設(shè)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(chǎn)中，鍛造操作機更是必不可少的設(shè)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(chǎn)品進入工業(yè)生產(chǎn)。最初的操作機多為全機械傳動，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，到60、70年代出現(xiàn)了混合傳動和全液壓傳動、結(jié)構(gòu)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(chǎn)效率及最大鍛件質(zhì)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(chǎn)又提出了更高的要求，促進了鍛造操作機技術(shù)的發(fā)展，主

2、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(zhì)量要求大大提高，引起了各國對鍛造操作機在鍛造生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(shè)計制造的100kN鍛造操作機主要技術(shù)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

3、、化工、國防等領(lǐng)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(guān)鍵構(gòu)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(jīng)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(nèi)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(shè)備，也是國家經(jīng)濟建設(shè)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(chǔ)行業(yè)，是關(guān)系到國家安全和國家經(jīng)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

4、作機的研究工作，將逐步實現(xiàn)大型鍛造操作機的國產(chǎn)化，對提升我國大型裝備及關(guān)鍵零部件的自主設(shè)計和制造能力、滿足國家經(jīng)濟建設(shè)的需求結(jié)束我國不能設(shè)計大型鍛造操作機的歷史都具有重要的社會意義和經(jīng)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(chǎn)品進入工業(yè)性生產(chǎn)。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(jié)構(gòu)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(shè)計、制造、技術(shù)改造方面又有了更高的要求，不斷改進結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝，促進了鍛壓技術(shù)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(nèi)外大、中型

5、企業(yè)對鍛造操作機在生產(chǎn)中作用的重視。90年代中期，國外大型鍛造操作機技術(shù)已經(jīng)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(chǎn)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(shè)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(shù)性能已達到世界80年代水平，能替代同類進口產(chǎn)品。至今，我國自主研發(fā)投產(chǎn)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7500kNm，最大承載能力高達2500kN。目

6、前，我國已具備了萬噸級鍛壓裝備的設(shè)計與制造能力，如中國一重自主設(shè)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(jīng)投產(chǎn)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(nèi)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(shè)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(lǐng)域具有70多年的歷史。此外，日本三菱長琦生產(chǎn)的操作機因擁有高速、高精度的機械手及

7、控制系統(tǒng)而著稱。國內(nèi)鍛造操作機的研究起步較晚，在一些技術(shù)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(shè)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(guān)的研究項目為解決我國重大裝備制造中一批關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)問題，實現(xiàn)重大裝備及其成套技術(shù)的自主研發(fā)，科技部在“十一五”國家科技支撐計劃中設(shè)立了“大型鑄鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)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(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”和“165MN自由鍛造

8、油壓機及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”。第一個課題主要開展大型自由鍛造水壓機整機設(shè)計、模態(tài)分析、預應力框架結(jié)構(gòu)整體振動及疲勞分析，開展快換機構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)計、快換機構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究和關(guān)鍵部件研制，攻克多功能操作機設(shè)計技術(shù)、驅(qū)動和控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)等，掌握核心技術(shù)，開展壓機與操作機及輔助裝備聯(lián)動協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究等。上述兩個課題，對掌握大型操作機核心技術(shù)、攻破我國重大技術(shù)裝備的生產(chǎn)瓶頸、提高特大型自由鍛件的制造技術(shù)水平與制造能力起著關(guān)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

9、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(chǔ)科學問題”項目，圍繞“多自由度重載操作機構(gòu)構(gòu)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(chǔ)科學問題，開展了7個課題研究，包括大型構(gòu)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(gòu)設(shè)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(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動策略、大流量電液伺服系統(tǒng)的介質(zhì)流動規(guī)律、重載大慣量裝備的快速協(xié)調(diào)控制和巨型重載操作裝備的性能仿真與優(yōu)化等。從基礎(chǔ)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

10、、剛度等性能與機構(gòu)構(gòu)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(chǔ)，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(shù)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(shù)特征:一是在重載操作條件下，操作機構(gòu)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(gòu)設(shè)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

11、性，又要通過運動學設(shè)計對結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計、性能評估與優(yōu)化的重要支撐技術(shù)。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(shè)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(zhuǎn)動、調(diào)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)臺，以方便鍛坯的調(diào)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(shè)備之一。