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内蒙古科技大学毕业设计说明书内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目：无缝厂加热炉出料机械手设计机械部分学生姓名：学 号：0602115108专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机06-5班指导教师：5035m环型加热炉出料机械手摘要本文主要针对无缝钢管厂35m环型加热炉出料机械手进行设计。行走小车在机架上做水平直线运动，并带动夹料杆至加热炉前，再通过升降驱动液压缸驱动同步摆杆机构使夹料杆完成升降运动，最后通过旋转用液压缸驱动夹料杆旋转完成夹料工作。设计中包括以下内容：介绍机械手分类及主要技术指标，确定本设计任务中出料机械手采用的方案；对出料机械手的参数进行设计计算；计算选择液压元件及缓冲元件，以及对主要机械部件的强度校核。关键词：环型加热炉；机械手；控制；吊挂摆动装置全套图纸，加15389370635m 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 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 manipulator 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 furnace; manipulator; control; hanging swing mechanism目 录摘要IAbstractII第一章 绪 论11.1 概述11.2 机械手的组成及分类11.2.1 机械手的组成11.2.2 机械手的分类31.3 机械手的主要技术指标41.4 机械手的静力和动力分析51.4.1 静力分析51.4.2 动力分析61.5 工业机械手的技术发展方向6第二章 环型加热炉及出料机械手82.1 环型加热炉82.1.1 环型加热炉的结构82.1.2 环型加热炉的优缺点92.1.3 环型加热炉的工作过程102.2 出料机械手102.3 设计专题部分11第三章 出料机械手的方案确定123.1 可选方案123.1.1 方案一123.1.2 方案二133.1.3 方案三153.2 技术经济评价法择优153.2.1 技术评价153.2.2 经济评价163.2.3 技术经济综合评价16第四章 出钢机械手参数设计计算184.1 机械手组成184.2 出料机械手的循环动作204.3 主要参数的设计计算214.3.1 初定行程用时214.3.2 旋转用液压缸负载压力224.3.3 吊挂摆动装置液压缸负载压力计算234.3.4 同步摆杆机构尺寸计算244.3.5 夹料杆升降驱动液压缸负载压力计算254.3.6 车轮驱动力的计算28第五章 液压缸及减速缓冲元件的选用315.1 液压马达选择315.2 液压缸选择315.2.1 夹钳启闭用液压缸的选择315.2.2 升降驱动液压缸的选择335.2.3 吊挂摆动液压缸的选择335.3 减速器选择345.4 缓冲装置简介及其选用35第六章 部分部件设计及其强度校核376.1 夹料杆旋转啮合齿轮设计376.2 夹料杆强度校核42结束语48参考文献49内蒙古科技大学毕业设计说明书第一章 绪 论1.1 概述工业机械手是近30年来发展起来的一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的高科技自动化装置，在结构和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其是体现了人的智能性和适应性，能够提高劳动生产率和自动化水平，能够减轻生产工人的繁重、重复的体力劳动，并且能在高温、高压、低温、粉尘、有毒气体和放射性污染等环境中代替人工作。工业机械手在我国工业生产中得到了广泛的应用，在促进生产过程自动化方面起了巨大作用。机械手技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感器技术和计算机技术等领域，是一门跨学科的综合技术。而且机械手机构学乃是机器人的主要基础理论和关键技术，也是现代机械原理研究的重要内容。1.2 机械手的组成及分类1.2.1 机械手的组成工业机械手的结构有简单的也有复杂的。但从结构形式分析，主要有执行机构、驱动系统和控制系统所组成，各部分关系如图1.1所示，机械手的组成示意图如图1.2所示。控制系统驱动系统位置检测装置执行机构工件图1.1 机械手组成一、执行机构执行机构由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。图1.2工业机械手组成示意图1一手指 2一手部 3一手腕回转液压缸 4一导向杆 5手臂伸缩液压缸 6一手臂回转液压缸 7一手臂升降液压缸 8液压系统控制阀 9一液压泵电动机 10液压泵 11一油箱1. 手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型（多为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指；根据需要分为外爪式或内爪式两种；也可用负压式或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。2. 腕部 即连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态）。它可以有上下摆动、左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求(将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等)，手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。3. 臂部 手臂是支承被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定的位置。4. 行走机构 有的工业机械手设有行走机构。二、驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力人，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。三、控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。四、基体(机身)基体是整个机械手的基础。1.2.2 机械手的分类目前，我国对工业机械手尚无较为统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。一、按规格(所搬运的工件重量)分类1)微型的搬运重量在1kg以下。2)小型的搬运重量在10kg以下。3)中型的搬运重量在50kg以下。4)大型的搬运重量在500kg以上。二、按功能分类1简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序由凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来，普遍采用可编程序控制器(PC)组成控制系统。这种机械手多为气动或液动，结构简单，价格便宜，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。2记忆再现型工业机械手 这种工业机械手由人工通过示教装置领动一遍，由记忆元件(如磁盘、磁带或存储器)把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较，有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。3计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制。计算机可以是可编程序控制器或微型计算机。4智能工业机械手(机器人) 由电子计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。三.按用途分类1专用机械手 附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，使用可靠，适用于成批、大量生产的生产自动线或专机作为自动上、下料用。2通用机械手 具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.3 机械手的主要技术指标工业机械手的技术指标很多，下面主要介绍一些与机械手有关的技术指标。自由度 即用来确定手部相对机座的位置和姿态的独立能变数的数目。它等于机械手独立驱动的关节数目。自由度是反映机械手的通用性和适应性的一项重要指标。自由度越多，就更能接近人手的动作机能，通用性更好，但结构也更复杂。目前，一般的通用工业机械手大多为5个自由度左右，但已能满足多种作业的要求。工作空间 即机械手的工作范围，通常以手腕中心点在机械手运动的所占有的体积来表示。我们把机械手能对操作对象完成操作的那一部分空间称为看管区域或工作区域。灵活度 是指机械手末端执行器在工作时，所能采取的姿态的多少。若能从各个方位抓取物体，则其灵活度最大；若只能从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。此外，用来表征工业机械手操作性能的技术指标还有负荷能力，快速动作特性，重复定位精度及能量消耗等等。1.4 机械手的静力和动力分析对机器的操作进行静力分析和动力分析是机械手操作机设计，以及其驱动装置和控制系统设计的基础。1.4.1 静力分析机械手静力分析的目的是确定机械手在静力平衡状态下，各关节力与末端执行器上外力、外力矩间的关系，为机械手的设计提供初步依据。在机械手中，任取两杆i与i+1，设作用在杆i+1上的力Fi+1和力矩Mi+1在坐标系i+1中表示为Fi+1(i+1)和Mi+1(i+1)；杆i上的重力Gi在机座坐标系x0y0z0中表示为Gi(0)。再设杆i上Si点和Oi点在坐标系xiyizi中的位置矢量为rsi和ri+1。当不考虑摩擦时，将这些力和力矩简化到坐标系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+1×Fi+1(i)+rsi×Gi(i)=Ri+1,iMi+1(i+1)+ri+1×Ri+1,iFi+1(i+1)+rsi×Ri0Gi(0) (12)式中Ri+1,i和Ri0为坐标旋转变的矩阵，恰在此时与运动分析为逆变换。上述两式为两相邻杆间力的传递关系。如设作用在机械手末端执行器上P点外力和外力矩为FW(0)和MW(0)，同时考虑各杆自量的影响，则经逆推可求得关节点Oi上的力和力矩分别为：F0i(i) =Ri0FW(0)+ (13)M0i(i) =Ri0MW(0)+rsj×Rj0Gj(0) (14)求出力F0i(i) 和力矩M0i(i) 在 xi和zi 轴上的分量，即得到关节力和关节力矩。取其反号值，即为使杆件保持静力平衡应由驱动机提供的关节驱动力或驱动力矩。1.4.2 动力分析当考虑惯性力的影响时，对机械手进行的力分析即为动力分析。与前面平面机构力分析相似，机械手的动力分析可将惯性力视为一般外力加于产生惯性力的构件上，而仍将机械手视为处于静力平衡状态，然后即可用前述机械手静力分析的方法进行力的分析。1.5 工业机械手的技术发展方向国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视角”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取助工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：1)能准确地抓住方位变化的物体。2)能判断对象的重量。3)能自动避开障碍物。4)抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。第二章 环型加热炉及出料机械手2.1 环型加热炉随着钢铁工业技术的发展，为适应高速、高精度连续轧机及快锻、精锻设备的要求，环型加热炉得到了较快发展。环型加热炉是工业炉中炉型结构复杂、机械化程度和装备水平较高的一种，一般适用于无缝钢管穿孔前的加热。根据加热管坯尺寸的不同，环型加热炉的直径也有所不同，但基本结构均无很大的差异。环型加热炉适合于加热异型钢坯，坯料间隔布置，三面受热，加热时间短，温度均匀；可根据要求改变炉内布料、改变加热温度。环型加热炉适合大批量生产的要求，有利于实现机械化和自动化。2.1.1 环型加热炉的结构环型加热炉是借炉底的旋转，使放置在炉底上的管坯由装料口移到出料口的一种炉型。炉子用侧进料、侧出料的方式，并且用侧烧嘴加热。环型加热炉由转动炉底和固定炉墙、炉顶组成。整个环型加热炉看起来为一个立体圆环。沿炉子圆周方向可分为几个段，如预热段、一加热段、二加热段、均热段、清渣段等。段与段之间用隔墙隔开，有些段采用水冷隔墙。炉底和炉墙之间的环逢采用水封以防止热量和烟气散出。清渣段：没有坯料，供清渣用。预热段：不安烧嘴，只靠炉内烟气对管坯加热，起到节能降耗的作用。一加热段：开始安装烧嘴，是供热的主要段，也是提高产量的主要段。二加热段：是供热的主要段，也是提高质量的主要段。均热段：在这段里最大限度地消除管坯表面和中心的温度差，提高管坯的加热质量。环型加热炉结构上没有明显的分段，主要靠烧嘴的配置和供热强度来控制温度制度。各段的长度并不固定，例如炉子在低负荷下工作时，就可以关闭一部分加热段的烧嘴，预热段就相对延长。为了使炉子各段的温度更符合加热工艺的要求，环型加热炉都设有水冷梁支托的吊挂式隔墙。隔墙的数目和位置不一定，一般设有三道隔墙：(1)在加热段和预热段之间设一道隔墙，减少加热段向预热段的热辐射；(2)在均热段和出料口之间设一道隔墙，防止因出料口经常开启而降低均热段的温度，还防止均热段热气直接进入排烟道；(3)在装料口与出料口之间也有一道隔墙(有时有两道)，以避免装料口吸入冷风，对出料口的热管坯造成不良影响，也防止均热段热气短路，直接进入排烟道。隔墙距离炉底的间隔高度，应保证加热最大直径的管坯时能自由通过，还考虑到氧化铁皮在炉底上的堆积，故间隔高度一般约为140mm。环型加热炉一般由混合煤气、天然气等可燃气体供热，各段供热可以单独进行控制。烧嘴均安装在内外环墙上。炉底一般由若干电机驱动，目前均实现变频调速控制。另外，装料和卸料由电机或马达等驱动的小车完成。2.1.2 环型加热炉的优缺点环型加热炉具有以下的优点：(1)炉子的转速和管坯之间的间隔距离可以准确地控制，各段的温度可以根据需要通过调整供热量及利用中间烟道实行控制。炉子的产量、热工制度等都有较大的灵活性。(2)由于管坯之间有间隙，三面受热，温度均匀，没有水管黑印，加热质量好。(3)可以加热推送式炉和步进式炉所不能加热的异型管坯。(4)和斜底炉相比，加热圆坯时不需要翻料，沿炉长没有高度差，漏人的空气少，甚至可以采取微正压操作，烧损率比推送式连续加热炉减少1.52。(5)炉子可以排空，避免停轧时管坯在炉内长期停留，便于更换管坯规格。(6)由于几乎没有什么水冷件，热耗比较低。环型加热炉的缺点：(1)机械设备复杂，占地面积大，投资费用高。(2)管坯之间有间隙，炉底面积利用率低，炉底强度只及推送式炉的一半左右。(3)装料门和出料门相距很近，送料与出料的区域很窄，操作不方便。2.1.3 环型加热炉的工作过程环型加热炉的管坯料为圆柱状，一般沿径向布置。正常工作时炉底按一定速度旋转，每转动一个料位便停一下，在停止转动的时间内完成向一个料位装料并从出料口卸下一根坯料给轧钢机。然后，炉底继续旋转，如此连续不断地运行。在炉底旋转一周后，坯料刚好经过预热段、一加热段、二加热段、均热段完成对坯料的均匀加热最后被送出加热炉。而燃料和助燃空气则经各段烧嘴喷入炉膛燃烧，废气经烟道排除烟囱。2.2 出料机械手出料机械手是生产制造中的一个重要部分，针对加热炉有一个出料门和一个上料门。有的加热炉仅有一个门，集出料和上料于一体。出料机械手位于出料门前侧或上侧，将管坯夹取出炉的一个装置，然后将管坯放于炉前的轨道，传送至加工装置。出料机械手是针对专项管坯加工设备进行的专门设计，应用到力学、热学、摩擦学以及传感器等多方面的知识。本次设计是针对包钢集团无缝钢管厂小无缝的35mm加热炉进行的设计。出料机械手中用到的液压缸和传动部件用的是国内标准系列产品。液压缸的选取全选自江苏无锡液压缸厂，控制精度难度中下级别，而对于天津大无缝的出料机械手中所用到的是德国力士乐公司用到的液压缸，控制精度相对比较高，其控制基于ST200PLC控制，在国内处于领先水平，但其设计也是针对加热炉出料机进行的专项设计。2.3 设计专题部分本次设计是针对包钢集团无缝钢管厂35m加热炉出料进行的专项设计。35m加热炉是包钢集团无缝钢管厂生产工艺流程中的一个重要设备，无缝钢管厂主要生产工艺路线：管坯锯管坯加热穿孔机连轧机脱管机再加热炉定径机冷床管排锯矫直机探伤倒棱热处理包装发行，管坯锯断以后，再将断坯送入至加热炉，即装料，然后在加热炉里加热至合适温度，使得管坯在比较适合穿孔的温度下出料，本次设计就是针对其出料结构进行的一个专项设计。本次设计主要是根据设计给定的参数，利用我们所学专业知识以及制图知识，设计出合理的夹料出料装置，完成主要部件框架的组合设计以及部分零件的强度校核，最后对部分零件进行寿命预算，最后画出装配图及零件图。第三章 出料机械手的方案确定3.1 可选方案3.1.1 方案一出料机械手要想完成从加热炉中夹取出管坯的任务，必须存在水平面内的直线运动、竖直面内的升降运动以及旋转运动，所以有必要设计一个支撑机械手完成上述动作的机架。该机架设有一正对炉门并高于炉门的长直轨道来支撑行走小车。水平轨道长度大于小车行程，约46m（小车水平行程约8.1m,回转加热炉直径为35m,小车允许运行的有效行程为10m）图3.1 使用电液伺服阀的同步回路1换向阀 2电液伺服阀 3、4位移传感器 5伺服放大器 6溢流阀图3.2 夹料杆旋转运动控制图1滑轮 2径向距离控制用导圈 3夹料杆一4夹料杆二 5液压缸行走小车动力源选用一个电动机，经减速器减速后，输入到行走小车主动轮，从而驱动行走小车完成水平面内直线运动的动作，在行走小车的终了轨道上设置一限动横梁，并在小车减速器输出端设置一缓冲装置来保证行走小车停止时的迅速可靠。行走小车夹料杆的升降运动主要是通过一个用电液伺服阀的同步回路（如图3.1所示）驱动两个液压缸同步伸缩以及滑轮同步机构（如图3.2所示）来实现的，两液压缸分别与一滑轮同步机构相连来支承夹料杆前后两个支点使夹料杆做升降运动，液压缸以及滑轮机构的同步性可保证夹料杆始终处于水平。图 3.3 夹料杆旋转运动控制图夹料杆的旋转运动是由一个液压缸配合夹料杆上中间部位的两个特殊凸耳来实现的，通过液压缸的伸缩来使两个夹料杆实现正反转（如图3.3所示）。该方案控制的夹料动作反应快速准确，特别是选用的同步的回路同步精度很高，伺服阀与换向阀要求有相同的流量，规格尺寸必须选择很大，价格也相当昂贵，特别是行走下车车体上要同时固定五个大行程液压缸，因此，行走小车在体积和材料刚度的选用方面都有特殊的要求，但是其无论在效率还是在寿命方面的性能都比较好。3.1.2 方案二方案二与方案一驱动小车的动力源有所不同，小车水平驱动是靠一个液压马达驱动减速器，经减速器调速后减速，输出到行走小车主动轮，驱动小车在水平轨道上前进后退，此处选择液压马达驱动可使整个机构的动力源一致。行走小车夹料杆的升降驱动是由一个液压缸和一个特殊的同步摆杆机构共同来控制（如图3.4所示），A、B和C三点均固定在车体上，该机构虽然可以实现夹料杆升降方面的同步性，但是D、E两点做的是圆周运动，F点也是圆周运动，也就是说，D、E两点在做上下运动时也要在水平方向上做前后运动，因此就必须存在一个补偿运动，所以对此还专门设计了一个吊挂摆动装置，来补偿其水平垂直方向的微动。吊挂摆动装置的驱动也是靠一个重型液压缸来实现的。图3.4 同步摆杆机构1液压缸 2 、4曲柄 3连杆图3.5 夹料杆旋转运动控制图夹料杆的旋转运动是通过一个液压缸配合夹料杆上的凸耳来实现的（如图3.5所示），液压缸的伸缩运动和夹料杆上的特殊凸耳共同作用驱动夹料杆反向旋转。吊挂摆动装置在径向控制其径向距离和补偿其水平方向的微动。机架安置在环型加热炉前，夹料杆水平前行时，就近似一个悬臂梁，这就要求机架相对地基能过承受悬臂夹料杆倾反力矩的影响，因此，其固定必须采用有效可靠的措施。该方案对于夹料杆运动控制较好，设备的制造，除液压马达和液压缸之外，都可以从本厂直接获取坯料并进行加工。对于完成一些控制精度不高，生产效率一般的生产厂区比较实效。3.1.3 方案三该方案的设计与前两个方案不同的地方是行走小车运行于地面的水平轨道上。升降驱动用方案一的链式同步液压缸回路实现，旋转运动也按方案一的方法控制。这种方案省去了机架的材料和费用，但是它却占据了厂区大量的面积。一般来说厂区的面积是比较有限的，该方案只适合于某些专门的加热炉出料而不从事其他流水作业的厂区。3.2 技术经济评价法择优技术经济评价法的依据是相对价：其中包括方案的技术价和经济价，该法被定为德国工程师协会规范VDI22225。3.2.1 技术评价通过技术分析验证所采用的技术原理的正确性，预测设计方案的性能，并确定详细设计细节，技术评价通过方案的技术价Wt进行分析：Wt= (31)式中：Pi第i个技术评价指标的评分值；gi第i个技术评价指标的加权系数；Pmax最高分值（本次设计评价中的高分值选用五分制）。注：Wt<0.6表示方案在技术上合适，必须改进。表 31 设计方案技术评价评价目标加权系数gi方案一方案二方案三P1iP1igiP2iP2igiP3iP3igi刚度0.330.941.23.51.05精度0.341.230.93.51 加工0.241.840.840.8装配0.130.340.440.4使用0.150.53.50.3540.4PmaxP1igi=3.7P2igi=3.7P3igi=3.7Wt=gi/PmaxWt1=0.74Wt2=0.73Wt3=0.733.2.2 经济评价经济评价的目的是求方案的经济价We,也就是理想成本与实际制造成本的比值。We=Hi/H(32)表 3.2设计方案的经济评价评价目标方案一方案二方案三生产成本1.8a1.4a1.6a理想成本a经济价We=Hi/HWe1=0.555We1=0.717We1=0.625注：一般取We0.7意味着实际成本高于允许生产成本，在经济上不合格。式中：H实际制造成本，包括材料费用，工资费用和一般管理费用等。进行经济评价时，H是理论值；Hi理想的制造成本。3.2.3 技术经济综合评价总价值：Wo=(33)三种方案的相对价:W1=0.6409W1=0.7220W1=0.6755图中的OS表示开发线，方案越靠近开发线，说明方案的技术经济的综合性越好，但是必须位于开发线的需用区域内。评价决策结果：准备采用方案二来进行本次毕业设计。表 33 优度图第四章 出钢机械手参数设计计算4.1 机械手组成本次设计的出料机械手构成主要包括（如图4.1所示）：车 架：支承行走小车在某一固定水平高度上直线运动，设有车轮轨道。行走小车：在车架上做直线运动，后装夹料杆和吊挂摆动装置，在水平方向带动夹料杆移动至加热炉门前，其上还设同步摆杆机构，配合液压缸完成垂直升降运动。行走小车是承载夹料杆在水平方向前进的主要装置。行走小车配以两个后轮，两个后下轮，两个前轮和两个导向轮，其动作形式就是在水平轨道上前进或后退。为控制行走小车在前进方向的启动速度和停止时间，还专门设置了缓冲装置缓冲器HX400。图 4.1 出料机械手构成1行走小车2车架3同步摆杆机构4吊挂摆动机构5夹料杆行走小车下部还设有同步摆杆机构来控制夹料杆在垂直方向上的移动，同步摆杆机构由两个曲柄和一个连杆组成。同步摆杆机构由液压缸驱动，液压缸端部固定在行走小车上，其运动轨迹是弧形和伸缩的合成运动。A点轨迹促使C、E两点同步运动，C、E两点是纯弧形轨迹。就单纯分析同步杆件来说，DE杆是一个虚约束，但是正是这个虚约束实现了夹料杆的同步升降。行走小车的动力源是液压马达。液压马达是将液压能转化为机械能的元件。即输入压力和流量，输出转矩和转速。液压马达后接减速器，经减速器调速后输出至行走小车的主动轮，驱动行走小车前进。夹料杆装配：图4.2 键型孔夹料杆采用无缝钢管成品，规格为299×30-7280，材料为45钢。每个管在管壁上加工出4个孔：2个69mm的圆孔和2个键型孔（断面如图4.2所示）。由于管坯温度较高，且材料为45钢，所以容易发生化学反应和变形，而且与所设计的夹料杆夹钳上的半圆条相接触时，容易发生粘接，所以必须配置降温设备。在本次设计中，夹料杆两端有轴头密封，夹料杆上的两个69mm的圆孔是用来实现水冷的，这两个圆孔一个作为进水口，一个作为出水口，冷却水从进水口流入，经过冷水管与无缝钢管之间的缝隙，然后通过键型孔流入夹钳内部，之后冷却水在压力作用下经回水管进入冷水管，再从出水口流出，完成冷却过程。在这个过程中，不仅对夹钳有很好的冷却作用，对于工作在较高温度下的夹料杆杆臂也有较好的冷却作用。冷却过程的控制是通过温度传感器实现的，当夹料杆钳口达到某一温度时，温度传感器获得信号并将信号传至给控制器，从而开启进水管进行冷却。夹料杆夹取管坯时的旋转运动是由液压缸驱动的，即在夹料杆尾部径向配以液压缸，并在夹料杆上设有特殊的凸耳结构，通过液压缸的伸缩实现两夹料杆旋转。为使两夹料杆不会因径向窜动而引起径向距离变化，在夹料杆上设有弧形块，从而避免了夹钳启闭用液压缸行程偏小而无法夹取坯料，或行程偏大，在夹取坯料时，坯料在径向受挤压而产生变形。本次设计还在夹料杆外壁上采取了一定的措施：1) 在夹料杆端部通过齿轮啮合来控制旋转角度，其分度圆所在位置的半径与夹料杆外圆半径控制在同一尺寸上；2) 在夹料杆的中间部位配以弧形块，作用同1)。由于夹料杆长度较长，而且只有尾部固定在同步摆杆机构的曲柄一上，虽然在垂直面内的移动已被约束，但仍可转动，为使夹料杆能保持水平，在其中间偏尾部设计一吊挂摆动装置，并通过链条传动的辅助作用来维持其与尾部的同步旋转，此外，吊挂摆动装置还可以控制其径向方面的移动。冷却装置：包括液压冷却装置和夹料杆内水冷装置，本次设计只对水冷装置进行设计。此外，本次设计中还简单提到了出料机械手拖链机构、事故卷扬机和出料机械手传感器装置等。4.2 出料机械手的循环动作当管坯加热到合适温度，加热炉门打开，出料机械手开始动作。首先，出料机械手通过液压马达驱动，再经过后接的减速器调速后，驱动行走小车在水平轨道上前进，小车的启动过程是一个匀加速直线运动，到达最高速度后开始做匀速直线运动，当快到达限动横梁时做匀减速直线运动。为使其减速反应快速、敏捷，还在行走小车上装有缓冲装置缓冲器，用以防止车速过高冲出轨道，造成设备损伤，甚至伤及在场工作人员等事故的发生。当出料机械手运行至坯料上方时，水平运动快速平稳停止，液压缸一收缩调节同步摆杆机构下降至可以夹取坯料的位置后停止，然后通过液压缸二配合吊挂摆动装置中的液压缸三的协作运动使夹料杆的夹取钳口打开，夹取坯料，接着通过液压缸一的伸出使夹料杆连同所夹取的坯料上升至之前的高度，液压马达再次驱动行走小车水平动作后退至运料轨道正上方，液压缸一收缩运动使夹料杆下降；最后，通过液压缸二、三的协作运动使夹料杆钳口打开，管坯脱开停放在了运料轨道上。重复以上步骤，直至环型加热炉中管坯夹取完毕。其工作顺序简图如下：图 4.3出料机械手循环控制图4.3 主要参数的设计计算管坯规格： 180mm管坯： L1=1.54.5m M1=900Kg 270mm管坯： L2=1.34.36m M2=2030Kg出料频率：f=120根/h出料机械手行程：L=8100+250×2=8600mm出料机械手最大行程：Lmax=8100mm出料机械手最小行程：Lmin=5700mm炉内升降行程：H内=350mm炉外升降行程：H外=190mm4.3.1 初定行程用时因加热炉是环型，管坯沿径向分布（如图4.4所示），所以每次取完炉口的管坯，图 4.4 环型加热炉管坯分布简图接下来就要取与已经夹取的管坯相对处的管坯以减少环型加热炉的动载荷，故可以看做每次循环夹取两根管坯。出料频率为120根/小时，即：每分钟两根。考虑到设备的反应滞后，摩擦磨损带来的时间消耗以及液压传动的缓冲和排气方面的影响因素：设出料机械手最大工作行程用时：7.4s炉内升降行程用时：1.4s炉外升降行程用时：0.76s夹钳启闭用时：0.5s保守估计单次循环累计用时：T=(7.4+1.4+0.5+0.5+1.4+7.4+0.76+0.5+0.5+0.76)×2=42.24s<60s以下设计计算用时皆按上述假设进行。4.3.2 旋转用液压缸负载压力图4.5 夹钳受力图当夹取180mm管坯时，根据理论力学知识对坯料进行受力分析，如图4.5所示。在图（a）左半部分为夹钳的初始位置，右半部分为刚好夹住坯料的位置，根据图中的几何尺寸，可得： 在图（b）中： G=2F (41)180mm坯料的重量：G=mg=900×9.8=8820N将G及的值代入式(41)得：F=39.2KN故夹取180mm坯料时，钳口所受压力为39.2KN，钳口摆角为12.92。夹钳在工作过程中，钳口还需反向旋转，故夹钳钳口总摆动角度应取>2，而2=，故取=13。当夹取270mm坯料时，同理由几何关系可得摆角：270mm规格的坯料的最大重量：G=mg=2030×9.8=19894N将G及的值代入式(41)得：F=141.2KN即夹取270mm坯料口所受压力为141.2KN，钳口摆角取=17。设计中取数值较大的钳口摆角：=13，钳口开启压力：F=141.2KN。故液压缸的负载压力为： F旋=200.3KN4.3.3 吊挂摆动装置液压缸负载压力计算行走小车底部设有同步摆杆机构，左边的曲柄与夹料杆相接，夹料杆的左端已经固定了一个液压缸来控制钳口的开启，因此，吊挂摆动装置中液压缸的作用：一是维持夹料杆旋转；二是保持夹料杆工作同步，故在吊挂摆动装置上使用的液压缸负载压力就稍小于夹料杆夹钳开闭驱动液压缸的负载压力，其行程由行走小车下端尾部耳环固定的间距和夹钳启闭液压缸行程计算，其选型可以在高压重型液压缸系列中选择稍小于夹钳启闭液压缸一号即可。4.3.4 同步摆杆机构尺寸计算夹料杆在炉内升降行程为350mm，炉外升降行程为190mm，同步摆杆机构的两个曲柄安装高度差为160mm，由同步摆杆机构的相关知识，我们知道两曲柄接夹料杆处运动轨迹是完全一样的。曲柄一中A、B和C三点在同一条直线上，可以将其简化为杆件来进行计算，从而确定A点的上升下降高度，也就是升降驱动液压缸的工作行程范围。图（a）a图（b）图4.6 同步摆杆机构尺寸计算图如图4.6所示，在图（a）中，由条件AB=406mm，BC=580mm，DE=BF=175mm知：故：AD=AE-DE=297.5-175=122.5mm图（b）为夹料杆在炉内下降350mm时，曲柄一的位置图，