铝锭堆垛机设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘要 铝锭堆垛机是铝锭 文根据对铝锭堆垛作业要求进行分析，介绍了一种适合工厂生产的铝锭堆垛机的设计，其中包括运输机构，驱动机构，堆垛机构，机械手等，该铝锭堆垛机各运动关节相互独立，易于控制，经济适用。不仅满足工厂生产要求，而且节约成本。 关键词：铝锭 堆垛机 输送机构 机械手 驱动机构 工厂堆垛铝锭 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 of of l of of to to of a 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目录 1 引言 . 4 题研究的背景及意义 . 4 垛机的国内外研究现状 . 5 题的目的与主要研究内容 . 6 2 堆 垛机的设计 . 7 锭堆垛机的工作原理 . 7 械手 . 8 械手基本形式的选择 . 8 . 8 机构的选择 . 8 . 9 3 液压系统方案的设计 . 10 压缸的选择 . 10 速方案 . 10 . 10 . 10 . 10 压缸工作压力和结构的确定 . 12 压缸外径的校合 . 14 塞杆的计算校合 . 15 泵的计算 . 15 择控制元件 . 18 后端盖螺栓的计算 . 18 . 18 端盖联接螺栓的计算 . 18 端盖连接螺栓的计算 . 20 端盖与缸筒连接螺栓强度的校核 . 21 致谢 . 22 参考文献 . 23 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 1 引言 1 1 课题研究的背景及意义 铝是重要的金属材料，从日常生活用品到潜艇、战机乃至火箭、飞船，铝都无处不在 。随着现代科学技术日新月异、不断向前发展，以及新工业领域的不断涌现，铝的用途也越来越广泛，需求量与日俱增，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。近年来我国铝产量逐年增加，铝的需求量也在不断的增加，目前我国铝产量和消费量均跃居世界第一位，年生产能力为 1000多万吨。但是这些产量仍不能满足我们国民生产的需求，为了提高铝的产量，人们试图用各种方法通过各种渠道来提高铝的产量，铝锭 连续铸造机组浇铸成型生产线就是其中一种。 铝锭连续生产线是生产重熔用铝锭的自动化生产线 (如图 1 1所示 )，机组主要由铸造机、冷却运输机、堆垛机和成品运输机等这几大部分组成。该生产线在 自动完成铝锭的铸造、冷却、堆垛、打包和成品运输等多种生产工序 ，是集机、电、光、液和气于一体的自动化成套冶金设备，国内各大电解铝厂的电解铝成型普遍采用这样的设备。这些设备大都是 80年代中期，昆明重型机器厂和贵阳铝镁设计研究院共同引进日本三菱公司铝锭连续铸造机的生产技术，在一定程度上缓解了我国铝 工业装备相对落后的矛盾，逐步实现了国产化，但由于长期以来缺乏对国外先进技术的吸收、消化和改进，一些关键的技术难题没有解决，比如生产率不高，机架的稳定性，翻转铝锭时的冲击，传动系统的平稳性等等，国内铸造机的技术水平长期滞留在国外上世纪 80年代水平上。而国外生产线的技术水平日益提高，堆垛时采用机器人，生产效率可达 28t h，但成本高。立足现在的国情，研究高效、价格适中、可靠性的生产线是当前的需要，其中堆垛机是提高整个机组性能和效率的瓶颈。铝锭堆垛机是铝锭连铸生产线的重要设备，它的作用是将冷却运输机送来的铝锭按照 生产工艺的要求进行堆垛。堆垛机可分为牵引、翻转、整列堆垛、小车等部分。铝锭堆垛机具有结构紧凑、成本低、操作方便、易于维护保养、适用性强的特点，但是也存在一些问题，比如堆垛机架的稳定性、排列装置铝锭搭接性及整机的可靠性等。这些问题直接影响了堆垛的效率，从而降低了铝锭的生产。从而可以看到，堆垛机的性能是影整机性能的关键环节，随着电解铝行业对铝锭连铸机在机组性能和生产买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 效率方面要求的不断提高，也要求堆垛机向高效率和高可靠性方面发展。翻转装置是堆垛机的一个关键部件，它的好坏直接决定了堆垛机的性能，因此提高国内堆垛机性 能，不断改进它的结构和性能，这样才能提高堆垛机的效率和可靠性，提高生产。 1 2 堆垛机的国内外研究现状 随着经济的发展，堆垛机已经在各行各业得到广泛的应用。其作用是将工业产品按照生产的要求进行堆垛，为后续工作做良好的准备。例如在大型仓库的存储，需要将大量的货物进行调运，同时需要将货物进行一定的堆放，有时量非常大，用人工进行将严重影响后序工作进行。在有的生产中，产品单体的质量比较大，单独依靠人力不能完成这些产品的搬运，而依靠简单的机械将降低自动化生产效率，因此必须采用一定高效机械工具来堆垛或搬 运，例如铝锭生产线中大量铝锭的堆垛问题。因此我们可以看到，堆垛机性能的好坏将直接影响着生产正常进行。从它诞生之日起人们就从各个方面对其进行研究，以提高性能，更好的为工业生产服务。 甘仲平等从现代模块化设计的内涵和特点出发，讨论了基于模块化设计方法的堆垛机产品快速设计体系，研究了在堆垛机模块化设计中所需的功能模块以及融合参数化、变量化等设计手段的实现方法。最后，以某型号堆垛机为例，提出了结合 现产品配置设计。懂良等采用先进的动态设计分析技术，综合运用有限元分析、实验模态 析以及系统辨识理论和方法，对不同类型的堆垛机进行了典型部位的声强测量和噪声源辨识、堆垛机实验模态分析和整机的工作模态分析、结构动力学修改等动态设计技术提出并实施结构修改方案，对修改后的结构再测试。 从这些研究可以看到，目前人们研究堆垛机大多从其结构、设计或关键部件的受力入手，采用实验、模拟仿真以及现场生产的经验不断总结等方法来对其性能不断的改进。 在铝锭连铸生产线中，铝锭堆垛机主要功能是在铝锭连铸生产过程中，将冷却运输机送来的铝锭按照生产工艺的要求进行堆垛。铝锭堆垛机按照堆垛用途分别为专用型堆垛机和通用型堆 垛机。通用型堆垛机主要是国外采用的设备，其特点是采用较多的机器人进行控制，自动化程度高，生产效率高，但是生产线较长，维护保养不便，造价也特别高。在我国铝行业中大多数采用的是专用型的堆垛机，它的特点是设备简易，工作中占用面积小，操作方便，但是生产效率不高；而且有的机构的性能还存在一定问题，为此人们也进行了各种研究。 从上面介绍我们知道，根据堆垛机的特性，人们主要对其从结构、电气控制系统、工作原理及运动特点等进行了研究。并从各个方面对其进行了改进，不断提高堆垛机的生产效率和整机性能。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 1 3课题的目的与主要研究内容 目前国内堆垛机主要存在的问题及原因： (1)堆垛机堆垛不整齐，有时需人工参与。夹紧机械手抓锭和放锭过程中，不能保证五个锭均处于加紧状态，因而夹紧机械手在提升、平动和下降过程中铝锭有可能在夹抓中晃动，尤其是在每个直线运动的极端位置，夹具急停和加速过程中这种情况更为明显，故出现散锭现象。 (2)堆垛机的主要部件翻转装置也有一些问题，下面将有专门的介绍。 (3)堆垛机机架刚性较弱，移动小车及夹抓在水平和垂直方向快速移动或在极端位置启动、制动时，机架颤振。 (4)堆垛机一些零部件的可靠性较低。整列装置在整列时，每层铝锭接合不紧密，需要人工辅助整列。 本课题主要研究的是铝锭堆垛机的抓取，运输过程，以及能否达到工厂要求的经济性，高效性，并为其优化设计制造提供理论依据。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 2 堆垛机的设计 垛机的工作原理 堆垛机是一个将冷却运输机送来的铝锭按照事先设定好的程序进行堆垛的自动化装 (要求每垛 10层，第一层为 4块，其余为 5块 )。堆垛机可分为牵引、翻转、整列堆垛、小车等部分。由于构成堆垛机的装置比较多，要完成 的功能也比较多，相互的协调和配合就十分重要。首先，牵引装置从冷却运输机的尾部导轨上，再推移到整列运输机上，整列机对一层铝锭进行整列和排列。最后由堆垛夹具把经过整列的铝锭用夹具夹住移放到堆垛运输机上进行堆垛。如图 1所示 1一液态铝 2一浇铸模 3一输送链条 4一输送链条 5一冷却槽 6一铝锭 7一推挡缸 8一整齐缸 9一提升缸 1 11一提升缸 12一末端执行器 图 1 铝锭堆垛作业流水线图 铝锭的堆垛要求如图 2是： (1)铝锭 形状为近似四方锥棱柱，最大长为 805大宽度为 185 85 (2)要求每垛 10层，第一层为 4块，其余为 5块。 (3)相邻两层交错放置。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 2 铝锭外形尺寸图 机械手 械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态 ,按坐标形式大致可以分为以下 4种 : (1)直角坐标型机械手 ;(2)圆柱坐标型机械手 ; (3)球坐标 (极坐标 )型机械手 ; (4)多关节型机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单 ,工作范围广 ,因此本设计采用直角坐标型。 在直角坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有 3个自由度既：手指张合；手臂升降 ;手臂平移 3个主要运动。 本设计机械手主要由 3个大部件和 5个液压缸组成：（ 1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手指的张合。（ 2）臂部，采用一个直线型液压缸实现手臂升降（ 4）底部， 主要采用电动机驱动。由电动机带动齿轮在齿条上传动以达到移动的目的。 机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 ,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。 一、用途：搬运 :用于车间搬运 二、设计技术参数 : 1、抓重 :60夹持式手部 ) 2、自由度数 :3个自由度 3、手指工作 范围： 4090文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 根据铝锭的堆垛要求建立的机械手运动系统如图 3所示 1 2 3 4 图 3机械手 这种作业的机械手可以选用多个自由度垂直关节形型机械手，但经过作者的详细分析，还是采用为铝锭堆 垛专门开发的 4 自由度多关节机械手，包括机身的左右转动、机身的上下滑移、手臂的伸缩滑移和手腕的转动。这种堆垛机械手的特点就是运动速度快、占地面积小、作业范围大、操作方便。 它的末端执行器运动过程为： （ 1）检测工件用限位开关检测到铝锭时动作，此时液压缸动作，末端执行器在液压缸的驱动下，从冷却槽的两边插入铝锭的底部， (2)在堆放铝锭时，液压缸动作， U 形爪退出，铝锭堆放在即将成垛的铝锭垛上。 因为由于铝锭机械手是在高温、多粉尘、湿 度大的环境下工作，而且液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大，力 (或力矩 )质量比大，快速响应高，易于实现直线驱动等特点，所以本机械手采用液压作为驱动系统。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 3 液压系统方案的设计 液压缸的选择 由于机械手各个动作所需的流量相差较大，如采用单泵工作则系统的溢流损失很大，能源利用率较低。不符合本机械手的系统要求。所以本系统采用双泵供油，需要大流量的手臂升降动作和手臂回转动作双泵同时为其供油，在需要小流量的其它动作时，则由小油 泵供油，而大流量泵低压卸荷。 速方 案 整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，为了保证液压系统运行的平稳性，各个液压缸都要选择调速。本机械手采用节流阀与蓄能器共同作用进行速度调节，由于蓄能器具有稳压作用，保证系统压力稳定，节流阀能控制流量，两个共同作用各液压缸的运动平稳性就能得到保证。 液伺服阀装备 电液伺服阀输入信号功率很小，一般只有几十毫瓦便能对输出的流量进行连续的双向控制，且具有很快的响应速度和很高的控制精度，故常用它来构成很高精度的闭环电液伺服控制。考虑到铝锭堆垛时机械手在升降高 度和伸缩长度上的精度要求较高，所以采用伺服阀对机身升降缸和手臂伸缩缸进行控制。 置式带活塞式蓄能器液压系统压力控制方式 为了克服压差式压力控制方式的不足，设计了一种适用于带活塞式蓄能液压系统的压力控制方式，它是一个带有霍尔型接近开关的装置，通过检测蓄能器活塞的位置变化来控制先导阀的开关，从而实现对系统压力控制。本装置是利用蓄能器活塞位置的变化来控制霍尔接近开关的导通与关闭，从而控制卸荷阀的开关，实现对液压系统的控制。 冲回路 开始缸内活塞运行时，回油直接通入油箱。而当缸 内活塞运行到接近缸端部的时候，安在缸上的位置检测装置起作用，控制电磁阀开关闭合，使回油经过节流阀再流回油箱，从而起到一定的缓冲作用。 压缸驱动计算 压缸活塞的驱动力的计算 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 F F F F F 回摩 密 惯 （ 1） 回油阻力，由于油无阻力回油箱，所以 （ 2） 是外载荷阻力 50 470 本设计要求手臂上下移动是 V=计算惯性力的时候 , ，启动速度 V=V= 惯( 惯= 7 3 5 0 . 1 3 7 . 59 . 8 0 . 2 g S (3) 液压缸的密封阻力通常折算为克服密封阻力所需要的等效压力乘以液压缸的进油腔的等效面积。设计选取中高压液压缸，且密封结构为 据资料推荐，等效压力压缸的进油腔的有效作用面积初估计值为1A= 2000 2则密封力为：A= 2000 2 400N (4)摩擦力 相互作用产生的 ,由于缸体是垂直悬挂在空中 ,所以活 杆对活塞的正压力很小且很难算。因此假设液压缸是水平摆放 . 再由于活塞杆的重量产生的正压力导致的摩擦力 f，取摩擦系数 = G = 85 过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力 (5)F=400+470+6)我们根据下表可 以知道液压缸的工作压力 1压缸的工作压力 作用在活塞上外力F（ N） 液压缸工作压力用在活塞上外力F（ N） 液压缸工作压力于 5000 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5000 10000 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 50000 以上 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 压缸工作压力和结构的确定 液压缸内径 单杆缸而言，无杆腔进油且不考虑机械效率时，如图 4，有式 图 2 液压缸示意图 2121 2 1 24()F d p p p（ 有杆腔进油且不考虑机械效率时，有式 2211 2 1 24()F d p p p一般情况下，选取回油背压2p=0，这时，上面两式便可简化，即无杆腔进油时 114（ 有杆腔进油时 2214 （ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 式（ 的杆径 d 可根据工作压力选取，见表 液压缸的往复速度比一定时，由式（ 杆径为 1 经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F=据表 择液压缸的工作压力 P=荐液压缸往复速度比如表 2所示 表 2 液压缸往复速度比推 荐值 （ 1）根据表 2选取 = = 则 d= 22D (2)由于我们的设计的手臂是上下运动的 ,且向上运动是需要液压缸提高动力 ,而向下则 是借助物料自身重力下降 2214 选取液压缸的工作效率 为 2214 =624 1 9 9 0 . 80 . 8 1 0 0 . 8 512 D 则 D=d = 902据液压技术行业标准，选取标准直径 D = 90mm d = 70液压缸的实际计算工作压力为 5224 4 1 9 9 0 . 8 3 . 1 3 1 00 . 0 9 实际选取的工作压力为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 53 0p P a 压缸外径的校合 根据装配等因素，考虑到液压缸的壁厚在 10以该液压缸的外径为100壁厚利 用公式 ; 22 6 2 211() 3 6 0 1 0 ( 0 . 1 0 . 0 9 )0 . 3 5 0 . 3 50 . 0 9 结论 :活塞杆的强度足够。 塞杆的计算校合 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长 5倍以上，按拉、压强度计算： 24( 设计中活塞杆取材料为碳刚，故 1 0 0 1 2 0M p a ，活塞直径d=70=1100在进行校核。 56221 9 9 0 . 8 5 . 1 7 1 0 1 0 0 1 00 . 0 744F M p 结论： 活塞杆的强度足够。 总结 :液压缸内径 D=90 活塞杆杆径 d=70 液压缸长度 L=1300量 M=55塞杆行程 00端盖联接方式采用法兰联接 泵的计算 A确定油泵的实际工作压力 对于调 速阀 进油 节 流调速 系统 ，管 路 的局部 压力 损失 一 般取5( 5 1 5 ) 1 0 ，在系统 的结构布局未定之前，可以用局部损失代替总的压力损买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 失 51 5 1 0 a （此设计要求选取），则液压缸的实际计算工作压力 5 5 53 . 1 1 0 5 1 0 8 . 1 1 0p p P a 当液压缸工作快进时，所需要的最大流量之和为 22m a x m a 0 . 7 5 0 3 8 . 4 8 / m i d v L 按照常规选取液压系统的泄漏系数 ，则液压泵的流量为： m a x 1 . 1 3 8 . 4 8 4 2 . 3 3 m i q k q 上一章对液压系统及其工作原理的设计与分析，系统所需要的最大流量为高压小泵和低压大泵流量之和，根据求得的液压泵的流量和压力，联系系统要求，见表 取高压小泵 压大泵 5。 表 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 因该系统设计用高、低压两泵，所以应算出空载快进、最大工进时所需要的功率，按两者 的最大值选取电机的功率，选取最大工进5m/ 最大工进：此时所需的最大流量为 2 2 3m a x m a x 0 . 0 9 5 / m i n 3 1 . 8 / m i v m L 选取液压泵的总效率为： ，则工进是所需要的液压泵的最大功率为： 5 6m a x 8 . 1 1 0 3 1 . 82 2 1 06 0 0 . 8 快速空载：此时液压缸承受一下载荷： 密封阻力： 2 5 21 2 1 0 0 . 0 7 3 8 4 . 8 42 4 2 4d N 摩擦力 : G = 85 载条件下的总负载： 4 6 8 . 1 4 F 摩选取空载快速条件下的系统压力损失 55 1 0 a ，则空载快速条件下液压泵的输出压力为： 55224 4 4 6 8 . 1 4 5 1 0 6 . 2 1 00 . 0 7ee q e p P 空载快速时液压缸所需的最大功率为： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 5 66 . 2 1 0 4 2 . 3 3 1 0 0 . 5 4 6 86 0 0 . 8e P W 故应按最大工进时所需的最大功率选取电机，即 择控制元件 控制元件的规格应根据系统的最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取。 单向阀：按 58 . 1 1 0 , 3 9 m i a q 选 流阀：按工进最大流量 3 1 .8 m ，工作压力 53 1 0p P a 选 10 电磁换向阀：选取 408 过滤器：普通和 10 m 的高压管路精度过滤器 注：所选元件多为产品型号，需要是可直接在商家购置。 后端盖螺栓的计算 （ 1）联接牢固可靠 （ 2）传动效率高 端盖联接螺栓的计算 一首先需要设定 4个螺栓距中心线的距离为 40 二 . 螺栓组联接的受力分析有 4种情况 作用的螺栓组联接 F=作 用的螺栓组联接 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 式中 接合面间的摩擦数； z 螺栓的个数； m 接合面的对数； 考虑摩擦传力的可靠系数； 作用的螺栓组联接 作用 的螺栓组联接 118 821栓组的设计 1. 设计要求 设计螺栓组联接的基本问题就是要根据机械结构的具体特点选择螺纹联接件的类型、螺纹的类型 ;从便于加工、便于装配、利于可靠工作出发 ,确定螺栓组联接的结构形式 ;按经验规范定出螺栓数目和布置 ;根据受力分析和强度计算确定联接件的规格、材料与尺寸。 2. 螺栓组的计算 根据设计的情况分析知道我们设计的法兰盘受到翻转力矩 M。所以设计螺栓选择螺栓组联接的受力分析的第四种情况 由于我们无法知道联接 物体的中心，从而无法算出 M。所以我们采用极端法，假设所有的力都作用在所抓的物体中心。则 l=150 于我们设计的的螺栓组是对称的，所以：1 2 3 4 F F r 选取 0所以1 2 3 4 3 8 2 . 20 . 0 4 F F r =9555 螺栓的材料为 45#钢 安全系数根据机械 设计表 用应力 安 全 系 数 S = 松螺栓联接 螺栓联接 不控制预紧力 16 30 60 炭素钢 4 3 3 2 2 金纲 5 4 4 取 3 则 360 1203s M p 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 1 4 1 d 64 1 5 5 51 2 0 1 0=手册查的， d=14(第二系列 )时，1d= 合。故螺栓采用 承板零件图： 端盖连接螺栓的计算 一在后端盖上铸造一个直径和液压缸后端盖直径一样的圆盘，先设置螺栓中心距离圆盘中线的距离为 30 二由于上端盖螺栓组受到翻转力矩1 则 11 2 3 4 F F r 1M=1 8 0 9 . 8 0 . 2 6 4 5 8 . 6 4 我们取 30螺栓的材料已经是 45#钢 安全系数仍然选取 3 则 =12011 2 3 4 F F r = 15288 1 64 1 . 3 4 1 . 3 1 5 2 8 81 2 0 1 0 =手册查的， d=16（第 3系列） ,1d= 适合。故螺栓采买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 用螺距为