关 键 词：

压铸机 自动 浇注 机械手 设计 SW 三维 CAD

资源描述：

压铸机自动浇注机械手设计含SW三维及4张CAD图,压铸机,自动,浇注,机械手,设计,SW,三维,CAD

内容简介：

任务书论文(设计)题目：压铸机自动浇注机械手设计工作日期：2018年01月09日 2018年01月12日1.选题依据:机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。该选题需要学生一定的分析能力，要查阅相关文献，强化计算机能力以及理论分析能力。总体看来适合作为毕业生的毕业设计题目。2.论文要求(设计参数):1、设计说明书一份，包括：绪论、正文、结论、参考文献。2、设计图纸至少五份，包括：装配图、零件图。3、外文翻译一份。3.个人工作重点:（1）压铸机自动浇注机械手结构设计方案和控制系统设计；（2）压铸机自动浇注机械手升降机构设计；（3）压铸机自动浇注机械手回转机构设计；（4）压铸机自动浇注机械手前后左右伸缩设计；（5）压铸机自动浇注机械手机座和行走机构的机构设计；（6）压铸机自动浇注机械手的定位和平稳性设计4.时间安排及应完成的工作:第1周：了解设计的内容和要求，查阅资料，了解课题内容 第2周：了解设计的内容和要求，查阅资料，了解课题内容 第3周：方案设计，完成开题报告与开题答辩第4周：方案设计，完成开题报告与开题答辩第5周：查阅文献，初步进行方案设计第6周：查阅文献，初步进行方案设计第7周：完善设计方案并完成结构设计第8周：完善设计方案并完成结构设计第9周：完成零件三维建模，完善装配图和零件图第10周：完成零件三维建模，完善装配图和零件图 第11周：完成修改设计说明书第12周：完成修改设计说明书第13周：完成论文，准备答辩第14周：完成论文，准备答辩5.应阅读的基本文献:1戴龙泉.压铸机单臂回转式自动浇注机械手J.上海机械,1980,7:13-14.2朱小钢.全自动浇注机的研发和应用案例J.金属加工(热加工). 2015(11)3刘宗虎,乔会杰,苗晓军,郑延召.压铸技术及压铸合金的发展及应用研究J.黑龙江科技信息 . 2017(18)4李进.280T卧式压铸机取件喷雾一体化直角坐标机械手的开发D.华中科技大学 20165郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势M.山西:中国西部科技,2012.6 巴晓甫,李欢欢,王永宏,侣胜武,闫喜强.气动平衡助力机械手反馈控制系统设计J.液压与气动. 2017(12)7康立新,马建华.工业机械手的设计J.中小企业管理与科技,2009,9:218.8王素粉.基于 PLC 的气动机械手控制系统设计D.三门峡职业技术学院,2016.9刘明保,吕春红,张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定J.河南机电高等专科学校学报,2004,12(1):18-2010曹环军,刘希璐.压铸机浇铸机械手的工作流程及 PLC 系统控制J.湖南农机,2014,41(7):101.11戴勤.自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究 D. 苏州 : 苏州大学.2010.12赵献丹,张良栋,赵虎.压铸机浇铸机械手 PLC 控制系统设计J.机械工程师,2011,11:55-6013 孙龙跃,张海鸥,王桂兰.面向压铸送料机械手的平面五杆机构优化设计J.机电工程技术. 2015(10) 57-6214压铸机送料机械手的开发研究D. 孙龙跃.华中科技大学. 201515Xiao Fei Wei.The Design of Pneumatic Control System for CHT Hydrolysis DeviceJ .Advanced Materials Research . 2012 (538)16Zong Zhang. Rapid Design Platform of Gear Box Based on Modern Design Methods ofPro/EJ . Applied Mechanics and Materials . 2014 (442)17Xiao Fei Wei,Li Sheng Zhang,Pei Jie Wang,Yan Fang. The Design of Pneumatic Control Systemfor CHT Hydrolysis DeviceJ . Advanced Materials Research . 2012 (538)指导教师签字：XX教研室主任意见：同意签字：XX 2017年12月14日教学指导分委会意见：同意签字：XX 2017年12月15日 学院公章进度检查表第-1周工作进展情况1.查阅文献，了解行业最新进展。2.压铸机机械手结构设计方案和控制系统设计。2018年03月16日指导教师意见填写工作进展，可以开始进行下一步的机械手方案分析设计论证指导教师(签字)：XX 2018年01月11日第 2周工作进展情况1.机械手升降机构设计2.机械手回转机构设计3.机械手前后左右伸缩设计4.机械手机座和行走机构设计2018年03月16日指导教师意见进行到升降机构设计、回转机构设计、前后左右伸缩设计、机座和行走机构设计指导教师(签字)：XX 2018年03月29日第 4周工作进展情况1.完善设计方案。2.完成结构设计。3.对初步设计结构进行优化。2018年04月01日指导教师意见完善设计方案，进行结构设计，初步对设计结构进行优化。指导教师(签字)：XX 2018年04月04日第 8周工作进展情况1.完成零件三维建模工作2.完善装配图进程3.完善零件图进程2018年05月01日指导教师意见完成了零件的三维建模制作；完善总体装配图、 完善主要零件图。指导教师(签字)：XX 2018年05月07日第 10周工作进展情况1.完成修改设计说明书。2.完成对说明书内容的再次修改，以达到查重标准。2018年05月23日指导教师意见从格式、内容等方面， 进一步完善、修改设计说明书以符合查重要求。指导教师(签字)：XX 2018年05月23日第 11周工作进展情况1.完成论文，准备答辩。2.对二维三维图进行修改，以达到答辩标准。2018年05月23日指导教师意见修改二维、三维图上问题； 修改完成了设计说明书，准备答辩。指导教师(签字)：XX 2018年05月23日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真，刻苦努力，作风严谨32遵守纪律自觉遵守学校有关规定，主动联系指导教师,接受指导32开题报告内容详实，符合规范要求53任务完成按时、圆满完成各项工作任务43过程管理评分合计10 过程管 理评语 XX同学在四年的学习，及本次毕业设计过程中，态度较认真，学习较努力，作风严谨踏实； 遵守校纪校规，能自觉遵守学校的理论学习及实践环节的各项规定，毕业设计过程中能联系指导教师，提出自己的想法，与老师讨论，接受指导意见； 选定题目后能查阅资料文献，撰写、修改开题报告，所提交的开题报告内容较详实，符合毕业设的计的规范性要求； 在四月份的毕业设计中期检查时，进度略慢于拟定的进度计划，但后来能抓紧设计工作，在五月下旬按时、较圆满地完成了毕业设计的各项工作任务。指导教师签字:XX日期:2018-05-23指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107指导教师评分合计14 指导教 师评语 所选的毕业设计题目，符合机械设计制造及自动化专业的培养目标要求，具有一定的研究价值和实践意义，具有一定的开拓性、题目有一定的创新性，设计难度适宜，工作量饱满； XX同学具有一定的综合运用所学专业知识的能力，科研能力尚可，中文表达能力与外语能力一般，能检索文献资料，能应用计算机完成毕业设计工作； 设计说明书文题相符，论述概念较准确，分析、论证、计算、设计等正确合理，结论明确；设计说明书的结构及格式、插入的图表等符合基本规范要求。指导教师签字:XX日期:2018-05-23评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满53能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规105评阅人评分合计11 评阅人 评语 本论文压铸机自动浇注机械手首先介绍了机械手的组成，然后给出了机械手的总体设计方案，根据总体设计方案首先对手部结构和手部加金液压缸进行了设计，然后对手腕结构进行了设计，紧接着对升降、回转液压缸的尺寸进行了设计和校核，最后给出了总体装配图。本论文具有一定的研究价值和理论意义，文题相符，相关概念较为准确，分析、论证、计算、设计、实验等较为合理，但仍有些不足：撰写格式不符合大连大学论文规范：1.目录中第五章节 不应该出现逗号；2.文章所有段落首行格式不标准；3.图1格式不标准，需要用CAD或Word绘画出；4.连续两章不能出现在一页中，如第5页；5公式应给出单位和物理意义6其他问题参照大连大学论文 标准规范。缺少国内外发展趋势概述。评阅人签字：XX评阅人工作单位：机械工程学院日期：2018-05-23答辩纪录 学生姓名：XX专业班级：XX 毕业论文(设计)题目： 压铸机自动浇注机械手设计答辩时间：2018年05月 日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长)： XX辩小组)成员委员(组员)：XX答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1：左边液压缸固定在哪？ 回 答： 通的，双作用，支架固定问题2：图中为何内容回 答： 铰链，夹东西，松开夹紧问题3：杆为何是斜的，摆动轨迹回 答： 手臂可以上下移动左右摆动，非直线问题4：是否对工作有影响回 答： 非直线轨迹微有影响，波动，距离较小问题5：主要设计，几个自由度回 答： 机械手，圆柱坐标系，两个自由度记录人： 2018年05月24日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理108答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据108选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力107答辩委员会评分合计35 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间，工作努力，态度比较认真，能遵守各项纪律，表现一般。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作，具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确，理论分析无原则性的错误，解决问题方案比较实用，结论正确。 论文使用的概念正确，语句通顺，条理比较清楚。 论文中使用的图表，设计中的图纸在书写和制作时，能够执行国家相关标准，基本规范。 能够独立查阅文献，外语应用能力一般，原始数据搜集得当，实验或计算结论准确可靠。 答辩过程中，能够简明地阐述论文的主要内容，回答问题基本正确，但缺乏深入地分析。答辩成绩： 35答辩委员会主任：XX成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分10指导教师评分14评阅人评分11答辩委员会评分35总分70成绩等级C成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章： XX学院审核人签章： XX一、选题依据1论文（设计）题目压铸机自动浇注机械手设计2研究领域控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术, 本课题研究领域为机械手结构设计。3论文（设计）工作的理论意义和应用价值工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。4目前研究的概况和发展趋势机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上， 用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1、简史机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年 美 国 Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 学 ， 麻 省 理 工 学 院 联 合 研 制 一 种Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。2、 应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。3、 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手， 并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题（1）压铸机自动浇注机械手结构设计方案和控制系统设计；（2）压铸机自动浇注机械手升降机构设计；（3）压铸机自动浇注机械手回转机构设计；（4）压铸机自动浇注机械手前后左右伸缩设计；（5）压铸机自动浇注机械手机座和行走机构的机构设计；（6）压铸机自动浇注机械手的定位和平稳性设计2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）压铸机自动浇注机械手总体结构设计；（2）压铸机自动浇注机械手系统组成设计；（3）压铸机自动浇注机械手达到预定动作设计；（4）有关参数的设定、机械结构设计、零部件设计等领域。3.本论文（设计）预期取得的成果结合具体的设计要求，通过学习及查阅相关方面的资料，全面的了解和掌握压铸机自动浇注机械手工作原理和结构，完成机械手总体结构设计及相关功能部件的设计。设计出的机械手，应能达到结构合理、可靠性高、抗干扰能力高、效率高的特点。最终完成论文，压铸机自动浇注机械手 3D 模型，2D 工程图（装配图，零件图），外文文献翻译。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；通过运用所学的专业知识（机械原理、机械设计、液压传动、控制工程等）完成各部分的结构设计和控制系统原理设计。对开展工作作技术可行性分析先做结构设计，确保结构合理后，完成控制系统设计。本设计经济无污染，适合在工厂中广泛应用。规格参数浇包最大容量：8 公斤自由度数：3 个坐标型式：类似球坐标手臂运动参数：回转（）：110俯仰（）：54浇包最大倾转角（1）：70驱动方式：液压控制方式：继电器固定程序控制2.论文（设计）进度计划第 1-2 周：了解设计的内容和要求，查阅资料，了解课题内容；第 3-4 周：方案设计，完成开题报告与开题答辩第 5-6 周：查阅文献，初步进行方案设计第 7-8 周：完善设计方案并完成结构设计第 9-10 周：完成零件三维建模，完善装配图和零件图第 11-12 周：完成修改设计说明书第 13-14 周：完成论文，准备答辩四、需要阅读的参考文献1戴龙泉.压铸机单臂回转式自动浇注机械手J.上海机械,1980,7:13-14.2朱小钢.全自动浇注机的研发和应用案例J.金属加工(热加工). 2015(11)3刘宗虎,乔会杰,苗晓军,郑延召.压铸技术及压铸合金的发展及应用研究J.黑龙江科技信息 . 2017(18)4李进.280T 卧式压铸机取件喷雾一体化直角坐标机械手的开发D.华中科技大学20165郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势M.山西:中国西部科技,2012.6 巴晓甫,李欢欢,王永宏,侣胜武,闫喜强.气动平衡助力机械手反馈控制系统设计J. 液压与气动. 2017(12)7康立新,马建华.工业机械手的设计J.中小企业管理与科技,2009,9:218.8王素粉.基于 PLC 的气动机械手控制系统设计D.三门峡职业技术学院,2016.9刘明保,吕春红,张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定J.河南机电高等专科学校学报,2004,12(1):18-2010曹环军,刘希璐.压铸机浇铸机械手的工作流程及 PLC 系统控制J.湖南农机,2014,41(7):101.11 戴勤.自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究 D. 苏州 : 苏州大学.2010.12赵献丹,张良栋,赵虎.压铸机浇铸机械手 PLC 控制系统设计J.机械工程师,2011,11:55-6013 孙龙跃,张海鸥,王桂兰.面向压铸送料机械手的平面五杆机构优化设计J.机电工程技术 . 2015(10) 57-6214压铸机送料机械手的开发研究D. 孙龙跃.华中科技大学. 2015 15Xiao Fei Wei.The Design of Pneumatic Control System for CHT Hydrolysis DeviceJ . Advanced Materials Research . 2012 (538)16 Zong Zhang. Rapid Design Platform of Gear Box Based on Modern Design Methods of Pro/EJ . Applied Mechanics and Materials . 2014 (442)17 Xiao Fei Wei,Li Sheng Zhang,Pei Jie Wang,Yan Fang. The Design of Pneumatic Control System for CHT Hydrolysis DeviceJ . Advanced Materials Research . 2012 (538)附：文献综述或报告文献综述工业机械手作为机器人的一种，目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。近 20 年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠； 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于注塑辅机上自动取出产品、机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。在未来几年里它的发展趋势如下也越来越明显，我国的机械手技术已日趋成熟，已形成了几家具有一定竞争力的机械手公司和产业化基地。机器人不但在数量上有所突破，在质量上也有了质的飞跃。近年来，随着气动技术的迅速发展，气动元件及气动自动化技术已越来越多的应用于机械手，构成气动机械手，气动机械手是集机械，电气，气动和控制于一体的典型机电一体化产品。气动系统的最大优势就是低成本，模块化和集成化。这种机械手在自动化领域中，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性， 得到了越来越广泛的应用。以信息技术为代表的现代科学技术的发展对机械制造业提出了更高、更新的要求，更加体现了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中不可替代的基础作用。而在工业自动化成果转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为我国工业机器人发展的必由之路。今后机器人将逐渐发展成为完全智能化的机器。由于机器人技术的发展，提高了机器人可靠性和智能化程度，其应用领域正在不断扩大。在越来越多的工程技术领域， 我们将看到越来越多的机器人在神气绝妙地工作。机器人产业将随着机器人技术的发展和对机器人要求的增加而稳步发展。由于机器人产业的发展，需要越来越多的机器人的研究，随着计算机，传感，机电一体化技术的发展，工业机械手的可靠性不断提高，应用范围也不断扩大，并且向着产品高技术化、经营规模化、服务个性化、自动化、人性化等方向不断深入，相信我们将会看到有形形色色的机械手在更多的机械领域为人类服务。刘宗虎,乔会杰,苗晓军,郑延召在压铸技术及压铸合金的发展及应用研究3中写道压铸技术发展至今 150 余年的历史，与传统的、古老的铸造技术相比，只能说是一种年轻的工艺技术。然而，由于压铸技术所具有的许多特点，使压铸件的应用领域日益扩大，遍及各个工业门类，因而发展速度十分惊人，受到了普遍的关注。压铸机是压铸生产中重要的基础技术装备，与压铸工艺的互存、互动关系非常突出， 压铸工艺的改进或采用新的技术，都要有与之相应的或新型的压铸机作为技术支撑。所以，在压铸技术的发展进程中，压铸机始终担负着重要的角色，起着积极的、直接的推动作用。康立新等在工业机械手的设计7中说道工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。根据王素粉在基于 PLC 的气动机械手控制系统设计8中设计的机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程以变动的多功能机器，在工业自动化生产中占据着重要位置。驱动方式可以液压传动，也可以气压传动，也可以是电气控制等方法并且机械手具有动作快速、灵活、能适应危险和恶劣的环境、重复定位精度髙及可长时间连续作业等优点，采用机械手上进行浇注可减轻工人的劳动量，降低生产成本，提高生产效率。在同一份论文中，她设计的气动机械手模型基于专用计算机 PLC （Programmable logic Controller，简称 PLC）的控制系统设计，首先对搬运机械手的基本应用和基本结构进行介绍，然后提出了实现“原点位置开始启动，完成向左摆动、臂水平伸出、臂垂直下降、夹紧工件、臂垂直缩回、臂水平缩回、向右摆回、臂水平伸出、臂垂直下降、放开工件、臂垂直上升、臂水平缩回至原位” 的位置控制。搬运物料气动技术驱动，用气爪气缸实现最大总重量为 10kg 搬运。气动技术控制采用工业专用计算机-可编程控制技术（PLC）控制的设计方案。对搬运机械手驱动系统中采用气压传动，控制系统中基于三菱公司的 FX2N 系列 PLC 为控制单元完成升降、抓物、水平与左右移动等动作的控制。之后介绍了各组成部件的作用、传感器的选型 PLC 控制系统的硬件连接等，通过对机械手的各功能实现形式和控制方式研究，给出各部分的实现方案。刘明保等在机械手的组成机构及其技术指标的确定9中论述了工业机器人和机械手的机构组成, 并讨论了工业机器人和机械手的工作空间、看管区域、位置函数、运动速度等技术指标的确定方法。为机械手的结构组成合技术指标的确定打下了坚实的理论基础。在同一篇论文中，刘明保,吕春红 ,张春梅等指出机械手和工业机器人的工作性能是由一系列的技术指标来表示的, 其主要技术指标是:工作空间的形状和尺寸;机械手的灵活性;摆动的角度和系数;基本机构的自由度数目等。根据他的研究我们能够确定这些参数，从而完成机械手的结构方面的设计。曹环军等于压铸机浇铸机械手的工作流程及 PLC 系统控制10中研究了浇铸机械手包括诸多方面的组成部分，如手臂、倾倒机构、浇包、倾倒油缸以及回转油缸和升降油缸等，这些结构在设计中都能表现出来。戴勤的自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究11一文中,为了增强机械手的通用性和互换性，使同一机械手由于应用不同的模块而具有不同的功能，而采用模块化气动机械手，对基座、立柱、手臂、手部等模块进行结构设计，通过模块选择与组合，以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品，并且在产品变化或临时对机械手进行新任务分配时，可以允许方便地改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用，便于机械手的标准化生产和使用。胡海洪在四自由度液压机械手液压系统设计11中以能够实现自动抓取及搬运操作的自由度液压机械手为研究对象。根据用途分析了机械手的动作循环及工作原理，设计了机械手的液压系统、油箱及液压元件集成块。首先，本文介绍机械手的作用，液压驱动系统的发展现状和趋势，介绍了液压方案和液压系统图的确定过程和依据。同时，给出了这台机械手的主要性能规格参数。其次，文章中介绍了液压驱动的设计理论与方法步骤。全面详尽的讨论了四自由度液压机械手的液压系统，油箱以及液压元件集成块的设计。最后使用软件对油箱和液压元件集成块装配图及零件图进行绘制。全面而又具体地对机械手的液压系统进行了设计。赵献丹等在压铸机浇铸机械手 PLC 控制系统设计12中介绍了压铸机浇铸机械手的工作流程及其液压系统，根据机械手的控制要求，设计了 PLC 控制系统， 对 PLC 的输入输出端口进行了分配，编制了 PLC 控制梯形图。并且得出 PLC 体积小、可靠性高、抗干扰能力强，能适用浇铸机械手所处的高温多尘的恶劣环境的结论，在机械手的控制中，采用 PLC 代替传统的继电器接触器控制，不但可以提高机械手工作的可靠性，而且 PLC 具有强大的编程能力，可以通过改变程序来改变机械手的动作，从而大大提高了机械手的灵活性和适应性。综上所述，压铸机自动浇注系统与机械手都拥有着巨大发展，本文将结合之前所提及的文献对压铸机自动浇注机械手进行设计。年月日签字：教研室主任意见年月日签字：指导教师评阅意见（对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅）审核意见学院教学指导委员会意见签字： 公章：年月日压铸机自动浇注机械手设计压铸机自动浇注机械手设计Automatic casting machine design for die casting machine目录摘要Abstract1 绪论11.1国内外发展状况11.2 机械手的组成11.2.1执行机构11.2.2驱动机构21.2.3控制系统41.3 应用机械手的意义42 总方案设计52.1原始数据52.2 工作要求52.3 系统组成52.3.1工作原理52.3.2工作过程：52.3.4各个动作时间设定：62.3.5液压系统原理图：62.3.6液压系统的特点：72.4 总体技术方案72.4.1手部83 手部结构设计93.1 手部结构93.1.1手指的形状和分类93.1.2 设计时考虑的几个问题93.2 手部夹紧液压缸的设计103.2.1夹紧力的计算：103.2.2夹紧缸的设计与计算：114 手腕结构设计144.1 手腕的自由度144.2 手腕的驱动力矩的分析144.2.1手腕转动时所需的驱动力矩145 升降，回转液压缸的尺寸设计与校核175.1 平衡装置175.2 手臂升降液压缸的尺寸设计与校核175.2.1概述：175.2.2分类：175.2.3结构：175.2.4工作原理：175.2.5结构图：185.2.6本设计选用液压缸类型：185.3 尺寸设计185.4 尺寸校核195.5 手臂回转液压缸的尺寸设计与校核195.5.1工作特点：195.5.2分类：195.5.3单叶片结构：205.5.4工作原理：205.5.5设计计算：205.6 尺寸设计205.7 尺寸校核216 总体装配图23结论：24参考文献：25致谢27附录：外文翻译28附录：外文原文40摘要机械手作为一个代表整个工业的结合体，综合利用机电液三位一体的新系统，超越各自的性能，已经成为各行各业广泛应用的代表。本文针对通用性压铸机机械手进行设计，涉及到机械手零部件的设计，回转机构，升降机构，以及液压系统的设计。并进行液压系统的设计以及动作顺序表的设计，对回转油缸的设计和校对做出了详细的计算与分析。最后利用CAD与SolidWorks分别进行二位与三维设计，目的是更加直观的看到机械手工作的特性，能够参与到实际应用中。关键词：机械手，浇注，液压系统AbstractAs a combination of the whole industry, the manipulator has become a representative of the wide application of various industries.In this paper, the design of the mechanical hand of the universal die-casting machine involves the design of the mechanical hand parts, the rotary mechanism, the lifting mechanism, and the hydraulic system design. The design of the hydraulic system and the design of the sequence table are carried out, and the design and proofreading of the rotary oil cylinder are calculated and analyzed in detail.Finally, CAD and SolidWorks are used to perform two and three dimensional design respectively. The purpose is to see the characteristics of manipulator work more directly and to automate production.Keywords: manipulator, pouring, hydraulic system.1 绪论1.1国内外发展状况我国相比较与工业起步较早的国家，在机械手方面的实力显然时不如他们的，体现在金属加工制造，材料种类，以及控制系统的设计等等，但可喜的是近年来，国家陆续发布工业4.0，以及到2025年实现工业大国的进步等等一系列措施让我们看到，虽然我们在技术方面有落户，但我们仍然在迎头赶超美英日等制造业强国，总有一天会形成我们自己的核心技术。1.2 机械手的组成机械手在机械结构上主要由控制系统，驱动控制，执行机构1这几部分组成。之间相互的关系如下图1所示：1.2.1执行机构图1（1）手部按照本设计，机械手手爪装配在与升降液压缸相连横臂的另一端。手抓内部结构有夹紧缸，铰链杆，手指杆，手指杆后连接接触面，接触面相互平行，用于夹紧工件，完成指定动作的移动。之所以叫机械手，是因为整个设计是参考人手的工作原理设计的，因此使设计者对机械手结构的设计有很多种选择，可以使自有关节的，也可以是无关节的，还可以是固定关节的，总之可以根据设计者的偏向去设计。但由于机械手不可能设计的像人手指一样复杂，可以简化为两指或者三指，考虑到设计制造的便捷，在本设计中采用两指手指设计，经实际计算是可以完成这一功能的，因此完全可以采用这个方案。（2）手臂手臂的设计可以参考设计手抓一样，根据人手臂去设计2，因此可以设计为无关节的或者有关节的。但是由于本设计的目的是要求机械手完成某一特定重量的浇包运送到指定位置，因此必须要考虑到横臂强度问题。显然多关节的设计可以增加手臂的使用灵活，但是降低了横臂的强度，不符合设计的初衷，因此选择使用无关节的设计，接下来的所有设计都是按照这个原则去设计的。机械手自由度可以分解为机身，机械手臂，手抓这三个部分的自由度3。第一部分里，机身要完成回转功能，没有各个方向的移动，因此只有一个自由度。第二部分里，手臂自有度由升降液压缸控制，只完成上升或者下降这个位移，因此有一个自由度。第三部分里，手抓要完成夹紧或放松，以及夹紧缸的伸长与回缩，因此有两个自由度。所有的机身，手臂以及手抓都是安装在躯干上的，也可以理解为，这些活动件按照设计要求装配在固定件上，完成特定功能。1.2.2、驱动机构驱动机构主要有几种：液压驱动、气压驱动、机械拖动和电气驱动4。在这里主要分析液压与气压传动的特点以及优缺点。一，优点：1.安装位置不受基座整个平面的面积限制，可根据设计与安装要求形成庞大的系统。2.在缸工作过程中可以实现无级调速，调速上下限很大。3.可以与其它电子，电气系统相互配合使用，使控制精度与安全度极大的提高。4.在液压与气压系统广泛使用的今天，各部分传动原件已有标准，这样使设计工作者可以更方便的设计满足某一特定功能的传动系统。缺点：1.机械效率低。具体体现在传动过程中能量的损耗。2.不能保持设计时的压力保持。具体体现在介质的可压缩性，空穴，泄露以及比热容变化等。3.液压缸与气压缸的制造与密封严密，这样使维修工作变得很困难，某一部分损坏以后需要成套更换，增加的使用成本。二，各自的特点：液压：1.液压传动可以在两端的一端中施加很大的压力，在油管壁满足内部压力的情况下，输出的压力可以接近理论值，这一特性可以完成大型机械设备的升降功能。2.瞬时响应快，工作过程系统运行平稳，或出现微小压力波动，具体取决于施加压力的一端。3.由于液压缸的工作介质是液压油5，因此在运行过程中可以完成对自身部件的润滑工作，但应避免液压油泄露造成工作表面的破坏。4.由于液压油的特性，液压油输送过程中存在压力损失，因此避免长距离的压力传动。5.由于液压缸的工作介质是油。而油是对工作环境和温度很敏感的介质，因此根据不同的使用环境和空间温度及时做出调整。气压：1.工作介质为空气，没有使用成本，在工作行程中进出气体不会对周围环境造成污染，可以理解为清洁绿色介质。2.与液压系统相比较有较小的压力损失6。这样便可以进行更远距离的传送压力或者介质，但要注意管路连接处的密封，因为气体泄露不容易检查到。3.与液压油相比较，可压缩性大，稳定，也就是说空气的压缩压力低，这样使整个系统的压力不会比较低。总的来说，液压与气压传动的优势是明显的7。另外我们也可以看到现在很多传动系统都是多个复杂系统的集成，既有液压也有气压，更有机械传动，还有电力拖系统等。这样系统集成的目的只有一个，完成更加复杂的控制，实现便捷操作，灵活控制，运行准确。相信在不久的将来，我们薄弱的机械加工制造业因为有了更高水准的传动系统而受益。本文设计中，它要求机械手能够比较灵活准确的抓到浇包，准确的运送的指定位置，整个运行过程不能太长。另外可以根据生产标准调节整个过程的响应时间，使生产效率提高，在当前主流的传动系统中选择液压传动。1.2.3、 控制系统控制系统的设计可以将机电结合起来完成特定功能8。可以使用PLC编程，将本设计中的升降油缸，回转油缸，夹紧油缸有机的结合起来，组合为一个整体。完成机械手的可控制性。因此最后可以达到可控性，便捷性，综合性的特点。1.3 应用机械手的意义作为一个近几年兴起的代表机械，电子，电气等行业的标志性进步的产物机械手，因能满足各个行业的使用要求，因此被广泛的应用的各个生产，运送，物流等行业中，因此接下来详细分析一下它的意义。1.提高机械加工的工业化进程机械手最初引入的根本性目的就是代替人力，让机械部件直接参与生产，流通等过程，这样做就是为了完全发挥机械特性所带来的确定性，减少了因为人力所带来的不可控性因素，提高了整个工业制造的水准，使得整个有机械手参与的流程成为一个完整的生产链。2.适应各种工作条件，避免人力的不可控整个机械行业的加工条件都不是无尘无污染无害的工作环境，会有很多复杂的工作环境，当人力直接参与这些生产，会对人身造成很大的身体伤害，而使用机械手可以代替在更加复杂的工作环境里工作，既是对人力的保护，又是对整个机械工业的发展做出实际的引用。因此，我们可以结合压铸，机械，机电等各个行业的技术于一体，形成一个优于单项系统的工作的复杂系统，获得我们想要的工作效率。2 总方案设计2.1原始数据浇包标准重量 40kg机身回转角度范围0-180度手臂升降范围200mm底座滑行距离1000mm2.2 工作要求整个机械手机身，横臂以及手抓有回转副和移动副，因此对整个机械手工作的范围相比于众多运动副的机械结构需要更小的工作空间。表1动作回转手臂上升/下降夹紧/放松底座移动运动副回转副移动副移动副移动副2.3 系统组成 2.3.1工作原理图2 2.3.2工作过程：1.1YA两位两通继电器通电，液压系统启动，3作为泄压阀保护整个系统。2.手臂前伸由螺旋丝杠控制，所以还是1YA继续带电。3.1YA失电，两位两通继电器关闭，2YA两位四通带电，液压油进入夹紧缸8，推动活塞向右运动，使夹紧缸抓住工件。4.4YA通电，四位两通电磁换向阀右移。液压油从左侧通过进入液压缸，推动活塞向下运动，活塞杆向下运动，完成手臂抬伸工作过程。5.5YA通电，液压油进入液压缸推动活塞杆向右运动，完成回转工作。6.3YA通电，电磁阀9左移，液压油从右侧进入，推动活塞杆向上运动，使手臂下降。7.2YA失电，电磁阀7左移，液压油从右侧进入，推动活塞杆向左运动，手指松开，放下工件。8.手臂后退也是由螺旋丝杠控制回到原位置。9.5YA失电，电磁阀13向左移动，液压油从右侧进入，推动活塞杆向左移动，完成机械手整体机身反向回转工作。92.3.3液压系统工作表：“+”表示带电。“-”表示失电 表2 动作电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA空载启动+-机械手手臂前伸+-手指夹紧-+-手臂抬伸-+-机械手回转到位-+手臂下降-+-手指松开-手臂上升-+-手臂后退-反向回转到位-2.3.4各个动作时间设定：表3动作空载启动手臂前伸手指夹紧手臂抬伸回转到位手臂下降手指松开手臂上升手臂后退反向回转时间（秒）4222322223 2.3.5液压系统原理图： 图31滤油器 2定量油泵3，4电磁溢流阀 5单向阀 6减压阀 7二位四通电磁换向阀8夹紧缸 9三位四通电磁换向阀 10单向调速阀 11直控平衡阀 12升降油缸13二位四通换向阀 14回转液压缸 2.3.6液压系统的特点：1.电磁溢流阀的作用。使系统空载启动，避免因刚启动时的不稳定造成机械手的不正常工作，使用它就可以很好的避免这个问题。2.夹紧力大小的调节方式。可以通过增压阀或者减压阀来完成，在本系统中使用6减压阀来完成这一特定功能的设计。3.如何提高机械手回转的精度。在本系统设计中，采用了最简洁的梅花式联轴器，另外还可以使用齿轮啮合，蜗轮蜗杆啮合等多种方式，都可以提高精度设计。4.如何保证机械手在抓取完工件以后能够平稳的运送到指定位置。完成这一工作除了保证夹紧力大小的因素之外，还要保证，升降油缸不会有移动，因此在此系统设计中加入了直控平衡阀，目的就是能够使手臂能够平稳的将工件运送到指定位置，不会因为手臂本身及其工件的重量而使手臂下落。5.如何使整个系统作用。因为本设计是液压系统，并且由电磁换向阀，也就意味着可以使用PLC可编程控制器对整个机械手液压系统进行实时控制，极大的提高了可操控性。6.如何保证机械手回转过程中的最终位置。为了保证机械手在工作过程中越过安全线，应在实际操作中设计止动结构。当机械手因故障运动到此位置时自动停下，减少不可控因素。2.4 总体技术方案整个技术方案包含，控制系统设计，液压系统设计，液压缸部分设计，可以说，本设计将机电，机械，液压等系统相互组合，形成一个有机的可控制性系统，可以根据实际需要进行改变控制系统，让同一个机械手还能继续完成不同工作需要的结果。对于底座的移动，这里选择滚珠丝杠副，因为可以满足实际运行过程中的运行精度，这一特点可以完全满足设计要求。另外为了精确的完成实际操作，还需要以下几个要求：1.可控制性因为整个控制系统是整个液压系统能够正常工作的关键，因此，优化可编程控制系统的设计，就是间接的提高液压系统的工作精度，进而提高工作效率，提高可控制性。2.运行平稳手臂是一个独立的横臂所组成的支撑系统，运行过程中的波动会影响到位以及定位的精度3.便于维修和人工作环境不同的是，机械手可以全天不间断的高精度工作，同时随着时间的推移，磨损严重，因此需要更换磨损部件，但良好的设计方案可以为将来解决维修问题提供便捷。4.产生负面效果小工作环境我们应当尽量避免出现比较大的噪音污染，废料污染等，因此在设计过程中都应当考虑到这个问题。2.4.1手部整个机械手分为机身，手臂，手抓三个关键部位。当工作时，通过夹紧缸的压力使活塞拉动柱塞，和柱塞相互连接的铰链柱进而使手指合并，夹紧浇包，完成一个动作过程。1手臂的前后伸退部分通过底座的运动带动手臂的前伸和后退，而底座的运动方式是由滚珠丝杠副带动的。2手臂的上下升降部分手臂一端相连的是一个通孔液压缸，当液压缸的升降带动横臂绕着中间支点进行转动。3腰转部分通过一梅花联轴器传输回转液压缸的产生的机械能，改变机身的运动，进而达到机身的左右回转，或者确定的转动角度。3 手部结构设计3.1 手部结构手部结构有多种设计方式，取决于受力机构和手抓的类型，本设计采用的是夹紧缸中间连接链接机构，再接夹紧手抓。3.1.1手指的形状和分类在手指设计中，可以参考人的手部设计，可以有无关节的，两关节的，或者特殊场合使用的多关节的，总之按需要设计。在生活常用的是手抓可以在传力机构的作用下围绕着某一个指点就行转动，进而夹紧浇包，完成预定功能，但也可能手抓张开的角度受手部具体结构的影响，因此此部分需要更加精密的设计，此部分设计也算是整个设计中最困难的一部分。手抓可以根据不同的需要，通过液压系统的控制来完成不同重量的浇包的浇注工作，这才是一种理想性的设计要求。3.1.2 设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)夹紧力是保证横臂在转动或者回转过程中，浇包能够准确的运送到指定位置，在整个过程中，必须要保证浇包不能掉落或者任何微小的移动。(二)手指间应具有一定的开闭角开闭角的确定是为了保证当前所设计的机械手能够适用于不同工作条件下的浇包，依然能够继续和之前一样能够完成工作，准确的将浇包运送到指定位置，因此，手抓间的张开角能够决定以后在不同环境的上限。(三)保证工件准确定位由于本设计里浇包没有不规则形状，因此不需要特定型号的手抓，只需要平稳将浇包运送到指定位置。(四)具有足够的强度和刚度强度和刚度的设计要求是为了保证在回转以及手臂上升或者下降过程中横臂始终都能够保持平稳，这样做的目的除了保证横臂的正常工作特性外，更主要的目的是为了提高运动的精确性。因此在设计时，务必将横臂的强度和刚度作为重要特性来约束横臂的工作条件。(五)考虑被抓取对象的要求被抓取的对象是一个浇包，因此形状是特定的，按照前面的两手指设计，只需要能够抓紧不会有任何位移即可。3.2 手部夹紧液压缸的设计图4图为机械手手指夹紧部分示意图，受力如图所示，在手臂所构成的力三角里面。有整个水平方向的拉力F，有沿着手臂方向的拉力，还有垂直于工作表面的反作用力，这三个力构成了三角形力的平衡。3.2.1夹紧力的计算：夹爪和工件之间的夹紧力可按下式计算：为安全系数为工况系数，主要由惯性力决定，可以用近似公式计算因为本设计不仅仅只有水平方向的运动，还有重力方向的运动，因此，因此a为工况下向上的加速度，g为重力加速度。为方位系数 为工件在竖直方向所受的重力所以得到：由上图分析可得： 得 得 所以 当手指夹紧工件时，两接触表面互相平行，握力大小相同，方向相反，是一对相互作用力，在这里忽略掉方向问题，按标量进行计算。由于前面已经计算过了力平衡，因此只需再计算力矩平衡即可。所以由 得 因此得 上式中：a手臂回转中心到接触轴线的距离b铰链到回转中心的距离铰链与水平轴线的夹角夹紧缸处拉力在本设计里为2200N，a为150mm，b为200mm，为，理论上是无限接近0度，但是到不了0度。因此由以上公式分析可得：3.2.2夹紧缸的设计与计算：通过前面液压缸的分类及特点，本设计选择的液压缸类型为：双作用单活塞式液压缸，缩进时速度为，伸长时速度为。3.2.2.1设计结构图51缸壁 2活塞 3注销 4连接孔3.2.2.2工作特点如图所示，当带有压力的液压油从进油口进入时，推动活塞向内运动，进而拉着手抓进行夹紧浇包运送，此过程运行速度较伸长时要慢，但作用力大。3.2.2.3计算此液压缸的二维模型如图所示：图6当液压油进入无杆腔时：当液压油进入有杆腔时：这里取机械效率为0.9 情况一：情况二：因此，按标准，取标准值。4 手腕结构设计4.1 手腕的自由度手腕的作用：一端连接升降液压缸，另一端连接手抓，同时它本身在工作时可以围绕着回转液压缸上的法兰盘随着液压缸一起旋转，当然还可以通过升降液压缸的牵引上下摆动，使手抓部分摆动。因此，在设计时，横臂手腕的作用相当的重要，不可以太重，太重会使液压缸的直径加大，增加工作压力，也不可以太轻，太小会使横臂在回转时由于强度不够造成横臂摆动，影响最后定位的精度，所以合理的设计才是关键。另外手腕的旋转精度会严重的影响最后浇包的定位角度，因此要保证输送的液压油能够稳定，压力稳定，工作环境稳定，可以在后续设计中加入传感器检测这一数据，或者安装行程检测装置，都可以完成这一个工作。由分析可以得到，横臂只有绕着某一个轴的转动，因此只有一个自由度，完成回转工作可以使用回转液压缸，或者伺服电机，但是考虑到工作特点，最后选定为回转液压缸。4.2 手腕的驱动力矩的分析4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩当机械手完成一次浇包运送时，在几个工作过程中，必须要要克服回转液压缸里产生的阻力，升降油缸里面的阻力，支撑点的阻力，以及夹紧缸作用时产生的阻力，同时有横臂的自重，浇包的重量，回转时浇包和横臂的所产生的惯性力，这些力都需要考虑在内。因此力矩的计算可以按照下列公式计算： 式中: - 能够使手腕转动的力矩();- 横臂所产生的惯性力矩();- 其余部件的重量所产生的力矩().- 液压缸回转时产生的力矩();因此根据手腕受力情况，可以分析得到所需要的力矩手腕加速运动时所产生的惯性力矩10 式中:- 其余部件的转动惯量;- 工件的转动惯量。还有一种情况是，工件因为某些特殊原因不能和横臂工作轴线不在一起，则转动惯量为:式中:- 浇包重量(N)，- 浇包重心到手臂回转中心的偏心距(cm),-回转到位需要的时间(s)，2、横臂和工件对于重力随着横臂回转时所产生的力矩M偏： + ()式中: - 横臂以及其余部件的重力(N);- 横臂以及其余部件对机身中心轴的偏心距(cm)如果在转动过程中，浇包的中心经过机身的回转中心，则有：.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，-旋转液压缸的内径(mm);- 可以具体查不同轴承的摩擦系数而确定根据机身在回转时所受力的分析可以得到：,得:另外由,得:式中:- 手抓的重力(N), 分别为手腕各个部分的长度.4.回转液压缸，升降液压缸，以及夹紧缸在工作时都会因为缸内活塞的运动下产生能量损失，都会受到缸壁的阻力，反向于运动方向，把这一部分定义为，由于很小，可以忽略不计。5 升降，回转液压缸的尺寸设计与校核5.1 平衡装置为了保证在机械手臂在手抓夹紧浇包回转过程中，由于机身在水平方向的移动以及升降油缸的升降都会使浇包所在端的力矩发生变化，造成横臂的波动，因此在升降液压缸这边增加一个平衡装置，目的是能够保证在横臂在回转以及升降过程中，尽量保持横臂稳定，减少不可控因素5.2 手臂升降液压缸的尺寸设计与校核5.2.1概述：升降液压缸由液压油作用，拖动活塞运动，进而使活塞杆运动，将压力能转化为机械能，与活塞杆相连的横臂可以在活塞杆的力作用下绕着支点进行转动。5.2.2分类：按结构分：柱塞式，活塞式，摆动式，组合式按作用分：单作用式，双作用式表4分类形式特点单作用液压缸双活塞两侧都有活塞杆，只能由一侧供给压力油单活塞活塞仅单向运动，回城利用自重或者外力柱塞式柱塞仅单向运动，由外力使柱塞反向运动差动可以使活塞运动速度加快，但作用力减小伸缩短液压缸获得长行程，靠外力逐渐缩回双作用液压缸双活塞两边有活塞杆，双向液压驱动，双向速度相等单活塞单边有杆，双向液压驱动伸缩双向液压驱动，由大到小逐节推出，由小到大逐节缩回11组合液压缸弹簧复位单向由液压驱动，回城弹簧复位串联用于液压缸直径受限制，长度不受限制的场合，可获得较大的推力12增压由活塞缸和柱塞缸组合而成，低压输入，高压输出齿条活塞的往复运动变成齿轮的回转运动摆动液压缸单叶片压力能变为回转机械能，输出轴摆动角小于300度双叶片压力能变为回转机械能，输出轴摆动角小于150度5.2.3结构：通常由后端盖，缸筒，活塞杆，活塞组件，前端盖等组成13。另外在缸壁与活塞的接触面虽然也液压油自身的润滑，但还是需要密封装置。在前端盖外侧还需要防尘装置。为了防止活塞在运动到终止行程时，不能撞到缸壁，还需要缓冲装置。还需要排气装置14。5.2.4工作原理：以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力15。动力部分-将原动机的机械能转换为油液的压力能(液压能)。例如：液压泵。执行部分-将液压泵输入的油液压力能转换为带动工作机构的机械能。例如：液压缸、液压马达。控制部分-用来控制和调节油液的压力、流量和流动方向。例如：压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。辅助部分-将前面三部分连接在一起，组成一个系统，起贮油、过滤、测量和密封等作用。例如：管路和接头、油箱、过滤器、蓄能器、密封件和控制仪表等。16在一定体积的液体上的任意一点施加的压力,能够大小相等地向各个方向传递.这意味着当使用多个液压缸时,每个液压缸将按各自的速度拉或推,而这些速度取决于移动负载所需的压力.在液压缸承载能力范围相同的情况下,承载最小载荷的液压缸会首先移动,承载最大载荷的液压缸最后移动.为使液压缸同步运动,以达到载荷在任一点以同一速度被顶升,一定要在系统中使用控制阀或同步顶升系统元件。175.2.5结构图：图71拉杆 2活塞杆 3活塞 4活塞圈 5进出油口5.2.6本设计选用液压缸类型：本设计选择的是，双作用液压缸双活塞杆液压缸，设定活塞双向运动速度为。185.3 尺寸设计升降液压缸活塞工作运行长度设计为=118mm,液压缸内径为=110mm, ,活塞在升降液压缸内工作时的速度，活塞行程的运行时间=0.1s,进油口压强为p=0.4MPa,则驱动力为： 5.4 尺寸校核1手腕重量等效以后估测为40kg,则有重力： 2机身回转时初步加速度，则所产生的力为： 3.轴承以及液压缸活塞在行程工作时都会产生阻力，这里设定阻力系数， 则受到的总力 由计算结果可以看到符合设计。5.5 手臂回转液压缸的尺寸设计与校核机械手整个机身的回转所采用的构件是回转液压缸，来达到整个机身的按需转动，使浇包从一侧通过机械手的旋转运动完成浇注工作。5.5.1工作特点：又称作为液压马达或者回转液压缸，可以把压力能转变为机械能，发生了能的转化。5.5.2分类：单叶片 输出轴摆动角度小于300度双叶片 输出轴摆动角度小于150度由于本设计的机械手整体机身旋转角度超过150度，所以选择单叶片回转液压缸图85.5.3单叶片结构：1动片封圈2动片3回转轴4定片5缸体5.5.4工作原理：假设图左侧为进油口，右侧为出油口。第一过程：当左侧带有压力的液压油进入左侧腔体时，由于受到2动片阻挡以及1动片封圈的密封，会使左侧腔体压力增大，作用在动片2上的压力驱使动片逆时针转动。第二过程：当左侧压力油的压力消失，此时从右侧进入右腔体的液压油压力大于左侧的，作用在动片上，驱动动片顺时针转动，同时使左侧腔体的液压油按原路返回。第一与第二过程合起来就是一个完整的回转液压缸的工作过程。5.5.5设计计算：或上式中：M 回转气缸驱动力矩（牛/米） P 回转气缸工作压力（牛/米）R 缸体内壁半径（米）b 动片宽度（米）r 输出轴半径（米）5.6 尺寸设计回转液压缸动片的工作行程长度设计为,液压缸内径为,回转轴径,回转液压缸动片运行角速度=，动片运动时的加速度时间0.1s,压强设定为, 则力矩： 5.7 尺寸校核1横臂以及其余部件的重量为,将整个部分的质量运用等效质量分析等效在一个半径为高为的圆柱体，则转动惯量： 所以：L为其余部件重量到机身轴线的距离为启动瞬时角速度，为。轴承以及液压缸活塞在行程工作时都会产生阻力，这里设定阻力系数, 驱动力矩为： 由计算结果可以看到满足设计要求。6 总体装配图经过一系列的设计与计算，最终得到的三维建模图像如下：图969结论：通过对本次通用性压铸机机械手进行设计，涉及到机械手零部件的设计，回转机构，升降机构，以及液压系统的设计。并进行液压系统的设计以及动作顺序表的设计，对回转油缸的设计和校对做出了详细的计算与分析。认识并且了解到工业机械手目前的技术状况，能对整个机械手发展的未来可以客观性的预测。最后利用CAD与SolidWorks分别进行二位与三维设计，使得可以直接让设计的假想展现出来，机身可以回转，手臂可以升降，手抓可以夹紧与放松的实现。、参考文献：1. 蔡奇善数控车床气压机械手臂的PLC控制系统科学大众（科学教育）2015-03-012. 梁小波仿人机器人双臂结构优化设计与协同作业 西南科技大学2014-01-013. 张兴国基于SolidWorks和ANSYS的五自由度关节式机械手结构设计及分析（C）2014-09-014. 邱东苑基于混合驱动多关节机械臂的控制研究 （C）上海交通大学2014-01-015. 周建军探讨如何提高机械液压缸使用寿命初探（J）中国新技术新产品2012-09-016. 王光磊五自由度液压机械手的液压系统设计与动态分析（J）2012-01-017. 梁永江液压与气压传动技术及应用探析（J）信息系统工程2013-12-018. 张兵阳机电控制系统自动控制技术与一体化设计研究（J）低碳世界2014-11-019. 陈佳基于PLC控制的多功能液压实验台的开发 （C）轮机工程2010-06-0110. 李涧青, 高长生, 荆武兴,等. 俯控式单滑块变质心飞行器控制问题J. 中国科学:技术科学, 2016, 46(10):1048.11. 肖定国. 多节伸缩式液压缸的探讨J. 液压与气动, 2005(3):61-62.12. 张国勇, 叶邦正, 任小鸿,等. 一种双向三级等推力液压油缸的设计C. 机床与液压, 2017, 45(16):131-134.13. 黄海波回转窑挡轮液压缸的改进设计及其数值分析（C）机械电子工程2009-05-0114. 张安裕双活塞串联液压缸的理论研究与设计（C）机械电子工程2014-01-0115. 吴进,陈小平闭式冷却塔在液压设备上的应用前景分析（J）机械工程师2014-07-0116. 肖来利基于液压传动“任务驱动教学”的探究新课程学习中旬）（M）2014-04-0117. 王荣成开体式挖泥船液压缸及甲板铰链的设计分析建筑工程技术与设计（J）2015-08-0118. 王成东模拟风力机载荷的电液加载装置的设计研究（C）机械电子工程2016-01-0119. 孙龙跃,张海鸥,王桂兰.面向压铸送料机械手的平面五杆机构优化设计J.机电工程技术 . 2015(10) 57-6220. 压铸机送料机械手的开发研究C. 孙龙跃.华中科技大学. 201521. Xiao Fei Wei.The Design of Pneumatic Control System for CHT Hydrolysis DeviceJ . Advanced Materials Research . 2012 (538)22. Zong Zhang. Rapid Design Platform of Gear Box Based on Modern Design Methods of Pro/EJ . Applied Mechanics and Materials . 2014 (442)23. Xiao Fei Wei,Li Sheng Zhang,Pei Jie Wang,Yan Fang. The Design of Pneumatic Control System for CHT Hydrolysis DeviceJ . Advanced Materials Research . 2012 (538)致谢首先感谢老师给我选择此题目，让我通过做此次毕业设计，看到了整个机械手行业发展的状况。在此过程中，遇到了很多问题，我会及时与同学室友沟通，不会的地方及时请教，最后比较圆满的完成了论文工作。其次，作为一次毕业设计，让我知道了自己所学的知识是很浅薄的，这对我以后对我自己的定位会有很好的认识。在未来的相关工作中，我一定虚心学习，在本专业有所深入。最后，感谢老师们对我的指导，真心希望老师接下来的工作顺利，也祝同学们前程似锦，未来生活美满。附录：外文翻译冷轧厂工作轴过早发生故障的分析澳大利亚，新南威尔士州2522，Wollongong，Wollongong大学，机械学院，材料和机械电子工程概述在本文中，对几个冷连轧机工作轴过早失效进行了调查。为了研究工作轴表面特性和破坏机理，化学成分，微观结构和轧轴材料的硬度进行了研究。已计算在工作轴剥落面积的压力，确定应力状态。在研究中，轧轴磨损和损坏的原因已经查明。对工作轴表面图像进行了研究，发现了已损坏的轧轴磨损特性的特点。人们已经发现，经营的因素和冶金缺陷将影响在冷轧带钢轧轴的使用寿命。关键词：穿；工作轴冷轧；应力分布1.介绍目前，冷轧带钢生产上的冷连轧带钢轧机或倒车的冷连轧机工作轴破坏为1非圆形变形2。应用于冷连轧，板形好，型材和平整度3,4得到控制模型的基础上。在冷连轧机工作轴发挥主导作用，使带钢的变形来实现所需的形状，轮廓和尺寸。然而，工作轴在极其恶劣的条件下运作，在经营成本的冷连轧机的最重要环节之一，是有关工作轴5。工作轴磨损的材料，变形，热凸度，氧化铁皮及带钢表面粗糙度等的影响，6-14已查处，并为混合润滑摩擦模型15。工作轴的磨损，影响热轧带钢质量和工作轴使用寿命显着。在轧钢工作轴的过程中，受高循环荷载和水平高的耐磨性。与热轧相比，冷轧钢轧制材料的抗变形能力是非常高。在轧轴咬轧轴表面受到高压力是大于10000 MPa和进一步剪应力产生摩擦16在轴/带接口。工作轴过早失效滚动不仅增加成本，而且还轧机停机时间，生产力显着影响。伪造合金钢工作轴过早失败的原因可能是操作技术和冶金轧轴因素的综合影响。经营的因素，包括轧制负荷，润滑，轧制速度，运营商的经验，如轧制参数的选择。工作轴的质量，包括非金属夹杂物的存在，铸造缺陷和相变16。在本文中，冷连轧机工作轴过早失效。作者对轴的化学成分，显微组织和硬度轧轴材料进行了审查使用收集剥落样品，并进行了拉伸试验。在剥落面积的应力状态也已确定找到的轧轴磨损和剥落损坏的原因。工作轴表面图像进行了研究，并已确定为损坏的轧轴磨损的特点。人们已经发现，冶金缺陷和运行参数的影响在冷轧带钢轧轴使用寿命。2.轧制工艺和参数图1.A2-的立场的汇接寒冷的带钢轧机。 （1）成卷 #2（2）张力计，（3）激光测速仪，（4）测厚仪，（5）支撑2，（6 ）支撑1，（7）卷取机1（8）开卷机。图1概述了2支撑的紧凑型冷轧带钢轧机的原理。热轧带钢是这四轴冷连轧机的初始原料。热轧钢卷厚度约1.5-5.0毫米，宽度和重量35吨，在900-1680毫米。前滚酸洗的热轧带钢氧化铁皮被删除。最大的酸洗速度是60米/分钟和酸浴的温度大约是70-85摄氏度。酸洗过程中不影响随后的结果。在轧制过程中采用的AGC液压控制，厚度上线控制，自动测量速度。 润滑剂使用的是quakeroln680-2-BPD。工作轴锻造铝合金钢含有约4的铬，HSC硬度为83至85。在工作轴CVC的个人资料。表1和表2显示的轧制参数和工作轴。3.结果与讨论3.1 工作轴取样其竞选期间的剥落工作轴的标本，他们被切断，并准备利用扫描电子显微镜和光学显微镜观察。表面缺陷图像被从四个不同的使用的轧轴，金属焊接，绑扎，并在他们的竞选剥落显着。所有的工作轴，用于在不同的立场。轧轴表面粗糙度，Ra，测量的工作轴轧机安装之前和之后。3.2.剥落图2（a和b）显示了被剥落工作轴工作轴缺陷的部分和在D-D轴的情况下，似乎是一条曲线，这是在轧轴表面的长度约18毫米的剥落。然而，裂纹有没有深度，根据超声波测试。然而，对轴的损害可能是在第一阶段的轧轴A.表1轧制参数纸架直径（毫米）冷轧带钢（毫米）减少（）轴分离力（kN）轧制速度（米/分）轧制长度（公里）A14491.3512403419,8908674.515B24480.8515003519,93296013.64C14491.1124028.517,6524985.139D24490.61124028.217,52867911.304表2工作轴参数轧轴化学成分（wt）粗糙度（微米）硬度（HSC）碳锰镍硅铬钼工作前工作后A0.810.360.270.403.970.510.80.72983-85B0.820.32C0.830.55D0.870.47图2.工作轴剥落。 （A）轴剥落A和 （B）轴剥落D.典型的剥落面积大小已剥落面积为1430毫米的长度，周长353毫米和85毫米深度的最大的轧轴A.测量。轧轴过早失效后，4.515公里的连轧服务就是比轧轴四轴材料的微观结构工龄进行了检查，光学显微镜，如图3所示。由此可以看出，有一个深度为75毫米硬化区的工作轴，因此所采取的微观结构的区域与中心的工作轴A.图是从轧轴表面的距离。 3（a）是一个区接近表面，（b）约在深度75毫米从表面上看，和（c）从表面深度约85毫米。可以看出，晶粒尺寸从11.5至20米不等。更重要的是，粗粮底下发现轧轴表面，这是保证最低硬化深度为85毫米少75毫米。图3.工作轴材料的微观结构。 （a）地区靠近面，（b）约75毫米的表面深度（c）表面深度约85毫米。图4.打击轴A.斯特朗试验机上进行拉伸试验与平板标本。对样品进行了削减从大剥落件从英斯特朗试验机轴A.结果表明，抗拉强度和屈服强度低于制造商的要求。图4显示了裂纹工作轴A.正常工作轴的压力和剪切应力，分别由赫兹分析计算。计算的正应力和剪应力17开发与带钢接触的结果显示在图5和图6中可以看出。图5讲的一些组件（SXX =R）和（SZZ =Z，）达成一项在表面的大值。两轴A和D是新轴。穿的工作轴或支承轴后面的个人资料可能不实际的因素，促进轧轴损坏。然而，在领先的边缘或由于折叠带钢的冷轧厚度增加一倍局部高负荷可能超过轧轴表面的剪切强度。这是有可能形成一个或多个压力裂缝，在靠近表面的地方超载领域。裂缝轴轴的方向平行，但在一个非径向方向传播（图2（b）。由于轧机扭转滚动功能，裂缝可能会逐步传播（图4）。因内部不当的微观结构（图3（b），内的工作轴表面裂纹扩展开发。因此，发生大的表面剥落。这样可以减少工作轴使用寿命显着（见图7，热轧带钢轧轴公里长度很短，工作轴前被损坏）。图5.正常讲开发与热轧带钢接触的结果图6.剪应力与热轧带钢接触的结果图7.前滚失败和表面粗糙度的冷轧带钢的长度之间的关系3.3.地带的焊接图8显示了轧制，轧机的第二站，第三遍后，将工作轴B轧轴表面上的金属焊接。坐落在热轧带钢的边缘，损害和它的面积约650毫米，宽度和周长707毫米。不正确的轴形或条状不佳，可能会导致在具体的轧制压力，这反过来又导致当地高轴表面温度。因此增加缩进形式的轧轴表面的塑性变形，甚至剥落，是造成这些超载严重的热开发的地方增加了炽裂或瘀伤。取出后由于去除轧轴表面焊接绑扎部分，工作轴可连续使用。然而，工作轴的磨损是这种情况下，具有重要意义，如图所示。与其他案件相比，7轴表面粗糙度降低显着（见轴B）。 B轴的使用寿命无明显影响，由于其连续使用。3.4.带状重去皮明亮的区域出现的形式与一个非常粗糙的表面圆周方向上工作轴面向，如图9所示。删除层厚度约0.1毫米和0.9毫米之间。它被广泛接受，带是典型的表面损伤，高铬钢工作轴时，他们使用更长的运行时间后，在相同的关键立场和位置。然而，案件发生在第一遍后运动时间短滚动轴。带起源发生交替交替热负荷超过疲劳的表面材料的剪切强度时，组合中的摩擦力。据推测，表面裂缝内主要炽裂发展和传播剪从轴，直到炽裂地区的深度。当轧轴表面局部恶化，峰值剪切力是诱导和领导到周围轴筒去皮带的发展速度非常快，导致轧轴磨损。图8.剥离工作轴的焊接图9.带工作轴图9展出的情况轴使用寿命上有重大影响力和轧轴磨损，这表明，轧轴表面粗糙度的降低在短期公里冷轧带钢长度显着（见图7，轴C）。因此，这一缺陷显着提高了轧轴磨损。4.结论本文3种在冷轧厂工作轴表面缺陷进行了调查。它的结论是讲一些组件达到在表面的大值，这可能会导致工作轴裂纹，降低使用寿命的结果。在此期间，冶金缺陷，如不当编写的微观结构，提高轧轴表面剥落材料的风险。地带焊接轧机操作不正确造成的。提高工作轴温度控制和喂养条状，可避免此类事件。捆扎是第三次在这项研究中遇到的轧轴表面损伤。据认为，更好的轧轴冷却与润滑，可减少损坏的风险，并提高工作轴使用寿命。致谢第一作者想感谢Wollongong大学大学研究生奖（UPA）的当前工作的支持。笔者也想感谢T. Silver博士的协助下，完成了这篇文章。参考文献1 P. Montmitonnet, E. Massoni, M. Vacance, G. Sola, P. Gratacos, Modelling for geometrical control in cold and hot rolling, Ironmaking Steelmaking 20 (20133) 254260. 2 J. Shi, D.L.S. McElwainand, T.A.M. Langlands, A comparison of methods to estimate the roll torque in thin strip rolling, Int. J. Mech. Sci. 43 (2014) 611630. 3 E.N. Dvorkin, M.A. Cavaliere, M.B. Goldschmit, Finite element models in the steel industry. Part I: Simulation of flat product manufacturing processes, Comput. Struct. 81 (2014) 559573. 4 Z.Y. Jiang, A.K. Tieu, X.M. Zhang, C. Lu, W.H. Sun, Finite element simulation of cold rolling of thin strip, J. Mater. Proc. Technol. 140 (2014) 542547. 5 R. Col.rez, I. Sandoval, J.C. Morales, L.A. Leduc, Damage in as, J. Ramhot rolling work rolls, Wear 230 (2011) 5660. 6 S. Iwadoh, H. Kuwamoto, S. Sonoda, Investigation about the mechanism of work roll wear at the cold rolling, J. Iron Steel Inst. Jpn. 75 (11) (2013) 20592066 (in Japanese). 7 N. Koshizuka, T. Kimura, M. Ohori, S. Ueda, H. Wanaka, Influences of microstructure on the wear resistance of high C-5Cr-V steels for work rolls in cold rolling mills, J. Iron Steel Inst. Jpn. 75 (3) (2015) 509516 (in Japanese). 8 J.J. Robinson, G. van Steden, F. ter Lingen, Effect of back-up roll wear on operation and strip shape of a CVC cold mill, Iron Steel Eng. 73 (6) (2016) 1519. 9 X.M. Zhang, Z.Y. Jiang, A.K. Tieu, X.H. Liu, G.D. Wang, Numerical modelling of the thermal deformation of CVC roll in hot strip rolling, J. Mater. Process. Technol. 130131 (2014) 219223. 10 D.-F. Chang, Thermal stresses in work rolls during the rolling of metal strip, J. Mater. Process. Technol. 94 (1) (2013) 4551. 11 S.-E. Lundberg, Evaluation of deterioration mechanisms and roll life of different roll materials, Steel Res. 64 (12) (2014) 597603. 12 C.R.F. Azevedo, J. Belotti Neto, Failure analysis of forged and induction hardened steel cold work rolls, Eng. Fail. Anal. 11 (6) (2014) 951 966. 13 G. Zhang, H. Xiso, C. Wang, Three-dimensional model for strip hot rolling, J. Iron Steel Res. Int. 13 (1) (2014) 2326. 14 C. Vergne, C. Boher, R. Gras, C. Levaillant, Influence of oxides on friction in hot rolling: experimental investigations and tribological modelling, Wear 260 (9-10) (2016) 957975. 15 H.R. Le, M.P.F. Sutcliffe, Rolling of thin strip and foil: application of a tribological model for “mixed” lubrication, ASME Tribol. Div. Trib. 43 (2015) 18. 16 A.K. Ray, K.K. Mishra, G. Das, P.N. Chaudhary, Life of rolls in a cold rolling mill in a steel plantoperation versus manufacture, Eng. Fail. Anal. 7 (2016) 5567.附录：外文原文Analysis of premature failure of work rolls in a cold strip plantHongchun Li, Zhengyi Jiang, Kiet , Tieu , Weihua SunSchool of Mechanical, Materials and Mechatronic Engineering, University of Wollongong, Wollongong, NSW 2522, Australia Technology Centre, Jinan Iron and Steel Ltd., Jinan 250101, PR China Received 12 September 2006; received in revised form 15 January 2007; accepted 18 January 2007 Available online 23 May 2007 Abstract In this paper, premature failures of several work rolls on a cold strip mill were investigated. In order to study the work roll surface feature and failure mechanism, the chemical compositions, microstructures and the hardness of roll materials were examined. The stresses in the spalled area of the work roll have been calculated, and the stress states identified. The causes for the roll wear and damage have been identified in the study. The surface images of the work rolls have been studied, and the characteristics of wear have also been characterised for the damaged rolls. It has been found that the operating factors and metallurgical defects affected the roll service life in cold strip rolling. 2007 Elsevier B.V. All rights reserved. Keywords: Wear;Work roll; Cold rolling; Stress distribution 1. Introduction At present, the cold rolled strip is produced on a tandem cold strip mill or a reversing cold strip mill where the work rolls are flattened 1 to a non-circular deformed shape 2. Based on the control models applied to the cold strip rolling, a good strip shape, profile and flatness 3,4 was obtained. In a cold rolling mill, the work rolls play the dominant role, making the strip deformation to achieve the desired shape, profile and dimensions. However, the work rolls operate under extremely arduous conditions, and one of the most important segments in operating cost of a cold mill is relevant to work rolls 5. The effects of the material, deformation, thermal crown, oxide scale and strip surface roughness, etc., on the wear of work roll 614 have been investigated, and a tribological model for mixed lubrication was developed 15. The wear of work rolls affects the rolled strip quality and the work roll service life significantly. In strip rolling process, work rolls are subject to high cyclic loading and high levels of abrasion. The deformation resistance of rolled materials is extremely high in cold steel rolling compared with that of hot rolling. The roll surface in the roll bite is subjected to high pressure that is greater than 10,000 MPa and further shear stress generated by friction 16 at the roll/strip interface. The premature failure of a work roll increases not only the cost of the rolling but also the down time of the mill, affecting the productivity significantly. The causes for premature failure of the forged alloy steel work rolls can be the combined effects of operating techniques and the roll metallurgical factors. Operating factors include the choice of rolling parameters such as the rolling load, lubrication, rolling speed, and the experience of operators. Work roll quality includes the presence of nonmetallic inclusions, casting defects and phase transformations 16. In this paper, the authors investigated the premature failures of work rolls on a cold strip mill. The chemical compositions, microstructures and the hardness of roll materials were examined using the collected spalled samples, and tensile tests were conducted. The stress states in the spalled area have also been determined to find the causes of the roll wear and spall damage. The surface images of the work rolls have been studied, and the characteristics of wear have been identified for the damaged rolls. It has been found that both metallurgical defects and operation parameters affected the roll service life during the cold strip rolling. 2. Rolling process and parameters Fig. 1. A 2-stand tandem cold strip mill. (1) Coiling #2, (2) tension meter, (3) laser velometer, (4) thickness gauge, (5) stand #2, (6) stand #1, (7) coiling machine #1 and (8) uncoiling machine. Fig. 1 schematically outlines the 2-stand compact cold strip rolling mills. Hot rolled strip was the initial feedstock for this 4-high cold mill. The hot rolled coil is about 1.55.0 mm in thickness, 9001680 mm in width and 35 tonnes in weight. The oxide scale on the hot strip was removed by pickling before rolling. The maximum pickling speed is 60 m/min and the temperature of acid bath is about 7085 .C. The pickling process does not affect the subsequent results. The AGC hydraulic control, thickness on-line control, and the automatic speed measurement were adopted in the rolling process. Quakeroln 680-2-BPD was used as a lubricant. Work rolls were made of forged alloy steel containing approximately 4% Cr with hardness from HSC 83 to 85. CVC profile was employed in the work rolls. Tables 1 and 2 show the parameters of the rolling and the work rolls. 3. Results and discussion 3.1. Work roll sampling The samples from a spalled work roll during its campaign were obtained, and they were cut and prepared for observation using the scanning electron microscope and optical microscope. Surface images of the defects were taken from the four different used rolls, which were marked by metal welding, banding and spalling during their campaign. All of the work rolls were used in different stands. Roll surface roughness, Ra, was measured from the work roll before and after being installed into the rolling mill. 3.2. Spall Fig. 2 (a and b) shows the defective portion of work rolls that were spalled on work rolls A and D. In the case of roll D, the spall seems to be a curve which is about 18 mm in length on the roll surface. However, the crack has no depth according to ultrasonic test. Nevertheless, the damage on roll D is possibly at the first stage of roll A.Table 1 Rolling parameters Roll Stand Diameter (mm)Rolled strip (mm)Reduction (%)Roll separating force (kN)Rolling speed (m/min)Rolled length (km)A14491.3512403419,8908674.515B24480.8515003519,93296013.64C14491.1124028.517,6524985.139D24490.61124028.217,52867911.304Table 2 Work roll parameters Roll Chemical composition (wt%)Roughness (m)Hardness (HSC)CMnNiSiCrMoBefore workingAfter workingA0.810.360.270.403.970.510.80.72983-85B0.820.32C0.830.55D0.870.47Fig. 2. Spalling of work rolls. (a) Spalled roll A and (b) spalled roll D. Typical size of the spalled area has been measured in the case of roll A. The spalled area is the maximum of 1430 mm in length, 353 mm in circumference and 85 mm in depth. The roll prematurely failed after 4.515 km strip rolling service that is less than the rolling service length of roll D. Microstructure of the roll material was examined by an optical microscope, as shown in Fig. 3. It can be seen that there is a 75 mm of depth of hardening zone in the work roll, so the area of the microstructure taken was with a distance from the roll surface to the centre of the work roll A. Fig. 3(a) is a region close to the surface, (b) approximately 75 mm in depth from the surface, and (c) about 85 mm in depth from the surface. It can be seen that the size of grain varies from 11.5 to 20 m. What is more, coarse grain was found 75 mm beneath the roll surface, which is less than the guaranteed minimum hardening depth of 85 mm. Fig. 3. Microstructure of the material of work roll. (a) A region close to the surface, (b) approximately 75 mm in depth from the surface and (c) about 85 mm in depth from the surface. Fig. 4. Crack on the roll A.Tensile tests were carried out on an Instron testing machine with flat specimens. The samples were cut from the large spalled pieces of the roll A. Results obtained from the Instron testing machine indicate that the tensile and yield strengths are below the manufacturers requirements. Fig. 4 shows the crack on the work roll A. The normal stress and shear stress of work roll A were calculated by Hertzian analysis. The calculated normal stress and shear stress 17 developed as a result of contact with the steel strip are shown in Figs. 5 and 6. It can be seen in Fig. 5 that some of the components of stresses (sxx = r) and (szz = z) reach a large value at the surface. Both rolls A and D are new rolls. Worn profile of either the work roll or the back up roll may not be the actual factor contributing to the roll damage. However, high local loads at leading edges or doubling of the rolled thickness due to folding strip may exceed the roll surface shear strength. It is likely that one or more pressure cracks is formed in an area of local overload near the surface. The cracks are oriented parallel to the roll axis but propagate in a non-radial direction (Fig. 2(b). Due to the reversing rolling feature of the rolling mill, cracks may progressively propagate (Fig. 4). Due to the inner improper microstructure (Fig. 3(b), crack propagation develops within the working surface of the roll. As a result, a large surface spall occurred. This can reduce the work roll service life significantly (see Fig. 7, the rolled strip kilometer length for roll A was short before the work roll was damaged). Fig. 5. Normal stresses developed as result of contact with the rolled strip.Fig. 6. Shear stresses developed as result of contact with the rolled strip.Fig. 7. Relationship between the length of rolled strip before roll failure andsurface roughness.3.3. Strip welding Fig. 8 shows the metal welding on the roll surface of the work roll B after the third pass of rolling, serving on the second stand of the mill. The damage was located at the edge of the rolled strip, and its area is about 650 mm in width and 707 mm in circumference. Incorrect roll profile or poor strip shape can result in high specific rolling pressure which in turn leads to a high roll surface temperature at the local area. Consequently increasing the plastic deformation of the roll surface in the form of indentations, or even spalling, is caused in these overloaded areas where the severe heat development adds fire cracks or bruises. After removing the banding part due to strip welding on the roll surface, the work roll can be used continuously. However, the wear of the work roll is significant for this case, as shown in Fig. 7 the roll surface roughness reduces dramatically (see roll B) compared to other cases. The service life of the roll B was not obviously affected due to its continuous usage. 3.4. Banding Heavily peeled bright areas appear on the work roll C oriented in the circumferential direction in the form of bands with a very rough surface, as shown in Fig. 9. The removed layer has a thickne