（机械工程专业论文）翻引钢机械手的设计与研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文在系统分析了液压翻引钢机械手的发展与现状的基础上，针对鞍山钢铁集团公 司型钢厂原翻钢机存在的主要问题进行了分析和研究，研制出一种适合该生产线作业的 结构简单，制造容易，投资少，生产周期短，动作灵活，适应性强，技术先进，各参数 易于调节和控制，维护检修方便和操作简单等特点的液压式翻引钢机械手。 本文就如何设计液压式翻引钢机械手进行了论述，其中对液压式翻引钢机械手的工 作原理、主体结构、液压系统及控制系统进行了详细的论述，对主要的性能参数进行了 分析计算，并对液压系统的动态特性进行了分析。在机械结构方面主要是对原有夹持器 进行了改进，改进后的平行平滑动式直夹持器不但开口度大，而且可以调节，在工作过 程中，夹紧辊和翻转辊绕同一定点同向回转互不干扰，而且有足够的夹紧力和翻转力矩。 原有机械式翻钢机的取代使得整套翻钢设备结构紧凑，重量变轻，且液压系统易于实现 自动化，其与自动控制部分组成的电液压系统，使液压式翻引钢机械手的优点得到了充 分的发挥。 利用改进后的液压式翻引钢机械手基本上克服了旧设备的夹持翻转不可靠，适应性 差、功能少、耗能大等不足之处，不但如此，还大大减少了设备维护量，降低了工人劳 动强度，使得轧件一次性翻转效率提高；实现了对圆钢的翻转，使轧件进入孔型的角度 偏差小，可相应减少轧件的扭转、脱方、错牙等现象，从而提高产品的质量。 关键词：翻引钢机；机械手；夹持器；液压系统；p l c 翻引钢机械手的设计与研究 t h ed e s i g na n ds t u d i e so f t i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o r a b s t f a c t o nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea c t u a l i t yo fh y d r a u l i ct i l t i n ga n dl e a d i n g m a n i p u l a t o r , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e sf o rt h em a i np r o b l e m st h a te x i s to nt h eo r i g i n a l t i l t i n gg e a ro fs e c t i o ns t e e lw o r k s ，a u s h a ni r o na n ds t e e lc o m p a n y , d e v e l o p sah y d r a u l i c t i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o rt h a td o e ss u i tt h eo p e r a t i o no f t h ep r o d u c t i o nl i n e i t ss t r u c t u r e i ss i m p l e ，i t sm a n u f a c t u r ee a s y , i t sp r o d u c t i o nc y c l es h o r t , i t sa c t i o na g i l e ，i t sa d a p t a b i l i t y s t r o n g ，i t st e c h n i q u ea d v a n c e d , t h ea d j u s t m e n ta n dt h ec o n t r o lo fi t sp a r a m e t e r se a s y , i t s m a i n t e n a n c ec o n v e n i e n t ，a n di t so p e r a t i o ns i m p l e t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o wt od e s i g nt h eh y d r a u l i ct i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o r , t h e r e i n t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t h em a j o rs t r u c t u r e ，t h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h e h y d r a u l i ct i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o ra r ea n a l y z e di nd e t a i l ，t h em a i np e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d , a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cs y s t e mi sa n a l y z e d i n m e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h eo l dc l a m p e ri si m p r o v e d t h eo p e nw i d t ho ft h ei m p r o v e dp a r a l l e l s m o o t h a c t i n gs t r a i g h tc a m p e ri sn o to n l yl a r g eb u ta l s oa d j u s t e d d u r i n gw o r k , t h ec l a m pr o l l a n dt h et i l t i n gr o l lt u r na r o u n daf i x e dp o i n ta l o n gt h es a m ed i r e c t i o na n dd o n ti n t e r f e r ee a c h o t h e r , a n dh a v ee n o u g hc l a m pf o r c ea n de n o u g ht i l t i n gm o m e n t 啊1 er e p l a c eo ft h eo l d m e c h a n i c a lt i l t i n gm i l lm a k e st h es t r u c t u r eo f t h ec o m p l e t et i l t i n ge q u i p m e n tb ec o m p a c t ，t h e w e i g h tl i g h t ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mp r o n et or e a l i z ea u t o m a t i o n c o m p o s e do ft h eh y d r a u l i c s y s t e ma n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，t h ee l e c t r o - h y d r a n l i cs y s t e me x e r t sf u l l yt h em e r i t s o f t h eh y d r a u l i ct i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o r f r o mt h et i m et h a tt h ee q u i p m e n tt e s t e dr u n , t h ei m p r o v e dh y d r a u l i ct i l t i n ga n dl e a d i n g m a n i p u l a t o ro v e r c o m eb a s i c a l l yt h ed i s a d v a n t a g e so ft h e o l de q u i p m e n t ，s u c ha s t h e u n c e r t a i n t yo fc l a m p e rt i l t i n g ，t h eb a da d a p t a b i l i t y , t h el o we f f i c i e n c ya n dt h el a r g ee n e r g y c o n s u m p t i o n ，a l s oc u tl a r g e l yd o w nt h ea m o u n to fe q u i l c i m e n tm a i n t e n a n c e ，a n dr e d u c e dt h e l a b o ri n t e n s i t yo fw o r k e r i tm a d et h es u c c e s sr a t i oo ft i l t i n gs t o c ko n et i m eb ee n h a n c e d , r e a l i z e dt h et i l t i n go fr o u n ds t e e l ，m a d et h ea n g l ed e v i a t i o n , w h i c hs t o c kc o m e si n t op a s s ，b e s m a l l ，r e d u c e ds t o c k sp h e n o m e n a ，s u c ha st h et o r s i o n ，t h eo f f - s q u a r e , t h es t a g g e r , a n ds oo n , a n df i n a l l yi m p r o v e d 也ep r o d u c tq u a l i t y k e y w o r d s ：t i l t i n ga n dl e a d i n gm i l l ；h o l d e r ；m a n i p u l a t o r ；h y d r a u l i cs y s t e m ；p l c i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：趁 日期： 似硝i ) 、j 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全都或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 鄂繇曼毖 二丛年幽日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究意义和来源 在型钢轧制时，一般都要对轧件进行横移和翻转。我国大中型型钢生产所用的翻移 钢成套设备有水压式、机械夹钳式和液压式三种基本类型“。采用水压式翻引钢设备， 则每架轧钢机需配两台翻钢机和四台引钢机，翻钢机采用固定开口翻转轧件，不能适应 产品规格变化的要求；机械夹钳式因夹不紧轧件不能实现翻钢，要工人用撬杠辅助翻钢 哪；液压翻钢机采用剪刀形翻钢头，在夹小尺寸断面轧件时，夹紧辊与翻转辊顶端靠拢 后其根部有间隙，出现轧件翻转时打滑现象；我国七十年代引进的夹头回转式液压翻移 钢机，整机重量2 4 吨，翻转时产生巨大惯性，工作速度慢，年产量仅为轧钢机生产能 力的5 0 左右；国外有一种小车式液压翻钢机，液压站安装在小车上，油温高，系统工 作不稳定，夹持器夹持范围小“。 上述的翻移钢设备整机技术水平低，夹持韶转不可靠，轧件有时不能一次进入翻钢 头，翻转轧件较困难，延长了翻钢的时间；轧制不同规格的产品时，必须更换翻钢头， 适应性差，造成了与轧机生产能力的不匹配，是制约大中型型钢生产的主要因素之一慨”。 为了改变这一现状，本文针对鞍山钢铁公司型钢厂的翻钢机存在的问题，研制了新型的 液压翻引钢机械手。由于瞬息万变的市场形势及竞争的日益加剧，使得质量成为企业生 存和发展的关键。使用新型的翻钢机可以提高产品的质量，增强企业竞争能力，提高企 业经济效益。不仅如此，新设备的使用还减轻了职工工作量，改善了工作环境，这些对 企业同样有着重要意义。企业要想在市场上站得住脚，并能得到发展，关键还在于能否 向市场提供价廉物美、适销对路的产品。但是钢铁企业作为一种传统行业，其产品单一， 这样就要不断改进生产技术，提高产品质量、降低产品成本，开发新产品、改进老产品。 简言之，新设备的使用既提高了企业的竞争能力，又提高了企业的经济效益。 1 2 国内外发展情况 轧钢机械在钢铁行业是主要的设备，而翻钢机作为冶金行业轧钢生产的一种辅助设 备是必不可少的，其发展情况大致如下：我国大中型轧钢厂翻引钢设备就驱动形式主要 有三种类型：水压式、机械夹钳式及液压驱动式嘲。其中大致的几种翻钢机有： ( 1 ) 钢坯万能翻钢机。这种翻钢机既能翻转断面为不同形状和规格尺寸的钢坯，又 能满足钢坯横移的工艺要求，同时翻转效果好，结构简单、成本低、易操作和维修方便 脚 翻引钢机械手的设计与研究 ( 2 ) 初轧机用的菱形坯翻钢机。该翻钢机的翻钢机构由翻钢体、摆动轴、斜楔、双 出轴液压缸和接近开关等组成。它直接装在推床上，翻钢体为一整体铸件，翻钢体与摆 动轴用斜楔联接，用接近开关作限位开关，可现任意角度菱形坯的翻转。它是一种简单、 实用、可靠的菱形坯翻钢机。 ( 3 ) 螺旋翻钢装置。这种翻钢机为一种螺旋翻钢装置，涉及一种轧钢导卫装置，特 别适用于扁形轧件翻钢。 如图卜1 所示，它是由圆柱形旋转体( 1 ) 、固定在旋转体( 1 ) 上的螺旋套( 2 ) 和挡盘 ( 4 ) 组成，螺旋套( 2 ) 上带有2 6 圈螺旋( 3 ) 。这种翻钢装置能在较小的空间情况下，使 小断面扁形轧件在螺旋( 3 ) 的作用下由水平状态变成直立状态。另外，这种装置安装、 维修方便，翻钢率高，使用寿命长“1 。 图1 - 1 螺旋翻钢装置 f i g 1 1 t h es p i r a lt i l t i n ge q u i p m e n t ( 4 ) 气动翻钢机气动翻钢机由气缸、拨爪、出钢挡板、滑钢板、冷却水套、辅助挡 板和拉杆组成嘲。它通过拨爪将钢锭( 坯) 拨至滑板滑下，利用辅助挡板使其自然翻立在 辊道上。因而，具有结构简单、制造容易、造价低、操作方便、耗能少的特点，适用于 轧钢厂毛轧翻钢。 ( 5 ) 菱形坯翻钢机菱形坯翻钢机采用翻钢板式结构，直接装设在推床上，结构简单， 同时翻钢机构距离轧辊比较近，便于菱形坯对准孔型，这种翻钢机运行是正常的咖。 ( 6 ) 八角轮翻钢机这种翻钢机用在初轧厂火焰清理台上，它可以连续翻钢，结构简 单，操作方便。在现场使用中，尽管对翻钢机的行走牵引机构进行了几次改造，但仍保 持了八角轮翻钢机的结构特点。它翻钢稳定可靠，性能良好，解除了笨重的人工翻钢， 提高了生产效率哪。国外，苏联在这方面一直处于国际比较先进的地位。苏联在翻钢机 分类方面划分的和我国有些不同，它是按翻转方向来划分的，大致也有三种类型：轴向 转动轧件的机械、水平旋转轧件的机械、垂直旋转轧件的机械铘。 轴向转动轧件的机械可分为： ( 1 ) 开坯轧机的翻钢机开坯机的翻钢机可以分成： ( a ) 初轧机的钩式翻钢机( 图卜2 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( b ) 大型开坯机的翻钢机 ( c ) 带有消失杆的和带有附加圆锥辊子的开坯轧机翻钢机 ( d ) 开坯轧机的杠杆翻钢机钩式翻钢机一般装在推床板上面，如图卜3 所示，它用 来把钢锭绕其本身轴转9 0 。钩式翻钢机的驱动或放在推床推板上或固定在地基上。在 大部份老构造中采用第一种布置法，但它有缺点，即电动机受到振动；这种布置法的优 点是驱动装置比较简单。大型开坯机的翻钢机是带有分度转动装置的机构，转动角度比 较精确。 ( 2 ) 型钢轧机的翻钢机这种翻钢机可分为： ( a ) 钢轨钢梁轧机的辊式翻钢机 ( b ) 翻钢套管 ( c ) 有摆动槽的翻钢机 ( d ) 偏心式和杠杆式翻钢机 ( e ) 三重轧机自动翻钢装置 ( f ) 连续钢坯轧机和型钢轧机的翻转螺旋导板钢轨钢梁轧机的辊式翻钢机用来将轧 件翻4 5 。、9 0 。和1 8 0 。其工作零件是一些辊子，装在滑块上，可以在辊道辊子之间 沿导板移动。这些运动用来完成夹紧和移动轧件。翻钢套管一般用在三列式纵列布置的 轧机( 越野式，如图i - 4 所示) 和布棋式轧机上。它们放在工作机座前某一距离( 3 6 米) 处，轧件进入套管时套管转动，把轧件翻转成所需要的角度。 图1 - 2 第一架苏联初轧机钩式翻钢机简图 f i g 1 2 t h es k e t c ho ft h ef i r s ts o v i e th o o kt i l tm e c h a n i s mo fb l o o m i n gm i l l ( 3 ) 偏心和杠杆式翻钢机别拉特斯基工厂的杠杆式翻钢机，它由拉杆和杠杆组成， 杠杆之一由放在辊道下的轴驱动，当轴转动时，角杆之边也转动。用这来翻转轧件。以 前这种翻钢机应用很广，主要用来翻钢坯，钢锭和各种断面的轧件。图1 - 5 为杠杆式翻 钢机，它是由苏联设计的。从图上可看出翻钢机的工作零件是一马蹄块，由二个液压缸 翻引钢机械手的设计与研究 通过杠杆带动，杠杆互相相连，并在其中放一转动横梁。由于杠杆及横梁和蹄块活动相 连，因而得到一平行移动的机构。当横梁转动时其垂直平行边( 杠杆) 垂直移动的同时或 靠近或分开，通过滚子支托在液压缸的柱塞上。横梁中部支托在轴承上，它可以和柱一 起由中间液压缸带动同时移动至所需要的高度为止。用专门的驱动使翻钢机可以在辊道 辊子间沿导板移动。 图卜3 传动装置放在推床导板上的钩式翻钢机 f i g 1 3t h eh o o kt i l tm e c h a n i s mw h i c hd r i v i n gd e v i c ei s 。put o nt h em a n i p u l a t o rs l i d eb e 鲫 图卜4 苏联某一冶金工厂越野式轧机上用的翻钢套管 f i g 1 - 4t h et i l t i n gs l e e v eo nt h eo f f - r o a dm i l lo fs o m es o v i e tm e t a l l u r g i cp l a n t 5 ( 4 ) 钢板轧机的翻钢机在厚板和装甲板轧机上应用强大的翻钢机来翻转很重的轧 件，翻钢机装在引入辊道上，由两块大的钢板组成，钢板在不工作时在辊道的铺板问。 板由液压缸通过杠杆系统来驱动。钢板轧机的翻钢机主要用来检查钢板和在剪切机上剪 切划线用。 ( 5 ) 钢板轧机钢卷翻钢机 ( 6 ) 钢管轧机的翻钢机 - 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 7 ) 炉子翻钢机炉子翻钢机一般是带钩子的杆子或端上是叉子。在很多情况下用人 工通过炉子的观察孔( 侧口) 来翻钢，杆子挂在炉子上部的链子上。 综观以上翻钢机的发展，目前国内主要采用的还是液压式翻钢机。而液压传动具有 下述极其明显的特点： ( 1 ) 从结构上看，其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率都有很大的力矩惯量 比，在传递相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、结构紧凑、布局灵活、 传递的功率大。 ( 2 ) 从工作性能上看，速度、扭矩、功率均可无级调节，动作响应性快，能迅速转 向和变速，调速范围宽，调速范围可达1 0 0 ：1 到2 0 0 0 ：1 ；动作快速性好，控制、调节比 较简单，操纵比较方便、省力，便于与电气控制相配合，便于实现自动化。 ( 3 ) 从使用维护上看，元件的自润滑性好，易实现过载保护与保压，安全可靠；元 件易于实现系列化、标准化、通用化，便于设计、制造和使用维修。 ( 4 ) 所有采用液压技术的设备安全可靠。 ( 5 ) 液压技术的可塑性和可变性很强，可以增加柔性生产的柔度，很容易对生产程 序进行改变和调整，液压元件相对说来制造成本也不高，适应性比较强。 ( 6 ) 液压易与微机控制等新技术相结合，构成的“机一电一液一光”一体化已成为 世界发展的潮流，便于实现数字化。“光液”相结合的液压件已经出现，红外线操纵光 导纤维传输控制的液压挖掘机已经问世。 但是液压传动也存在以下几方面的缺点： ( i ) 液压传动因有相对运动表面不可避免地存在泄漏，同时油液不是绝对不可压缩 的，加上油管等弹性变形，液压传动不能得到严格的传动比，因而不能用于如加工螺纹 齿轮等机床的内联传动链中。 ( 2 ) 油液流动过程中存在沿程损失、局部损失和泄漏损失，传动效率较低，不适宜 远距离传动。 ( 3 ) 在高温和低温条件下，采用液压传动有一定的困难。 ( 4 ) 为防止漏油以及为满足某些性能上的要求，液压元件制造精度要求高，给使用 与维修保护带来一定困难。 ( 5 ) 发生故障不易检查，特别是液压技术不太普及的单位，这一矛盾往往阻碍着液 压技术的进一步推广应用。液压设备维修需要依赖经验，培训液压技术人员的时间较长。 针对以上的优缺点，本文进行了大量的研究和实验，总结了一些针对各种故障所采 用的解决方案，如下： ( 1 ) 手臂回转部分 翻引钢机械手的设计与研究 ( a ) 手臂不能回转主要原因有油泵无油液输出；溢流阀有故障，系统压力上不去； 电磁铁存在故障使得电路有故障不能通电；节流阀开口太小甚至未打开；回转油缸的活 塞因污物卡住；这些都能导致手臂不能回转。 ( b ) 回转速度慢油泵输出的流量太小；单向节流阀的开度调节太小或者阀芯卡死在 小开度位置；手臂回转油缸因活塞密封破坏，发生内泄漏严重。 ( 2 ) 手臂上下部分 ( a ) 手臂不能上升或下降主要原因有油泵无油液输出；溢流阀有故障，系统压力上 不去；电磁铁未正常通电；油缸的活塞卡死或油缸别劲；单向顺序阀的调节压力过高， 背压力大，压力油推不动使活塞下降等。 ( b ) 手臂上下速度慢油泵输出流量太小，贮能器又不能起补油作用；单向节流阀开 度调节太小或阀芯卡死在小开度位置；油缸活塞密封破坏，内泄漏严重等。 ( c ) 手臂自由下落量大油缸内泄漏严重；单向顺序阀的调节压力过低或阀芯的内泄 漏量大，可适当调节压力。 ( 3 ) 手臂伸缩部分这一部分的故障主要是不能伸缩，或只伸不缩，或只缩不伸。产 生这一故障的原因有：电磁铁未通电：伸缩油缸活塞卡住或别劲；溢流阀故障，系统压 力上不去；油泵未能上油等。 ( 4 ) 手腕转动部分 图卜5 杠杆式翻钢机 f i g 1 5t h el e v e rt i l tm e c h a n i s m 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( a ) 不能转动或只能单方向转动 ( b ) 转动时，起动和停止有冲击 ( 5 ) 手指松夹部分 ( a ) 工件夹紧不牢靠或不能夹紧 ( b ) 不松开工件 1 3 本文的研究内容 鞍钢型钢厂原有翻引钢系统存在的主要问题是：翻钢机开1 ：3 度不可调，夹不紧轧件， 轧件有时不能一次进入翻钢头而不能翻转轧件，延长了翻钢时间，也由于其开口度不可 调，轧制不同规格的产品时必须更换翻钢头，引料辊只能夹住轧件起导向作用，不能使 轧件翻转，其结构也比较复杂，维修量大，由于翻钢机夹不紧轧件，引料辊又不能使轧 件翻转，使精轧机翻钢引钢设备庞大，复杂，造成备品备件量大，故障点多。针对上述 情况，在研究了国内外有关资料的基础上( 表1 - 1 ) ，拟出了如下的设计指导思想： ( 1 ) 翻引钢机械手必须一机多能。具有夹持、翻转、引钢、升降、轧件导向及靠钢 等功能，同一台机械手取代原一台翻钢机及两台引料辊装置。 ( 2 ) 适应性强。机械手的夹持范围在8 0 “1 6 0 r 皿，1 7 0 2 8 0 m 范围以内，可满足各种 规格型钢的夹持翻转而不需要更换夹头。 ( 3 ) 翻转件、夹紧辊能转动且运动速度快，使轧件进入轧机前在运动中也可夹住轧 件翻转，以提高工作效率，保证轧制温度。 ( 4 ) 电气( 含计算机) 及液压系统控制必须可靠、安全、便于维护操作。 ( 5 ) 投资少、安装方便。不改变原机前机后的基础设施。 经在实验室和生产现场的多次试验，研制的翻引钢机械手具有以下特点： ( 1 ) 机械手的夹持和翻转部份采用平行平滑动形式，这与原来的剪刀形( 夹钳式) 夹 头相比，夹持力和翻转力矩大，结构紧凑，防止了轧件断面形状的变化而造成夹持角度 变化翻转时轧件不到位的误动作。 ( 2 ) 采用液压传动作为机械手工作的动力装置。液压控制元件采用可靠性高、密封 性好的二通插装阀，各控制回路均有备用的或轮流工作。机械手的夹持、翻转等动作速 度达到0 6 m s ，是资料所及最高的运动速度。在考虑系统的缓冲方面，采用了缓冲液压 缸，增大了液压缸进出口管径等效果很好。 ( 3 ) 翻引钢机械手采用日本三菱可编程控制器( p l c ) 为核心的双机电控系统，与液压 系统相配合，使控制方式灵活，实现了机、电、液控制的协调和配合。 翻引钢机械手的设计与研究 ( 4 ) 由于电气和液压采用双机控制系统，组态十分灵活。在任何情况下只要有一台 p l c 和一套液压系统无故障就可保证控制系统正常运行，即使一种组合方式出现故障切 表i - i 翻引钢机械手与国内外翻引钢机的综合比较( 一台套) t a b l e l 一1t h ec o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no f t h et i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o ra n do t h e r t i l t i n ga n dl e a d i n gm e c h a n i s ma th o m ea n da b r o a d 静痨 水缸j t = 一i l 挂建 赣睢式l 一一 一 垂嚣 垃期 冲痒 设簧璋怔c 雄) 髓钰赞啡 2 6 0 。 7 s ( 1 7 年竹，l ，髀堆析，一，2 朋i f 朴) t 万疤佴7 年 印， 铲i l 砧书h v l l om 2 l 】一4 ，3 7 ( 寓酥山“ 珊能 山 轻咖艘当村咖轻咖事 斑特嚣麓嗣建硒斑孵刀式叶蔫辨月斌平行平辨秘 芹l ，玎碉锋 币可能乖可能焉口币币玎蔫 坪一 珂稿，辨口走 戒鬻糖转 玎| i 矗性 币珂船币可靠敞玎靠辘可靠诃冀碍籀 羁l 赶怿 算 轻好一一虹缸虹 擘嚣玎碉摊 卣碉+ 币玎铡可调 对祷+ 暂一 可一奇艇 w 嗣币可羁建蒜 謦帆缸杓薹错帑绚难轻复魏篮龋簖节新般 搬，舢喇 钎匕 怔蛳 艟性恒聪 虫袖讯护i l 堆懈雄锫姊| 抖肆嘲难軎赫 蠢矗矗蔷1 掌 彩多少轾步多少 姆 i i 镗：薛括术 虹舡舡担韭 断 水卜p l c 瓤喘嘲 换到另一种组合方式运行的切换时间不超过1 0 秒种，从而大大提高了系统工作的可靠 性。 ( 5 ) 采用p l c 工业计算机控制实现软联接，极大方便了系统的调试和操作。经反复 调试，夹持与翻转之间的时间间隙设定为0 2 o 3 秒，机械手翻转轧件到位后自动松 大连理工大学专业学位硕士学位论文 开轧件距离的最佳值为8 m m 1 2 m 左右，这样具有最好的轧件咬入条件和最快的响应速 度。 ( 6 ) 采用“乐泰”高温润滑莉解决了机械手在高温下的受熟膨胀变形而造成间隙减 小，加剧零件间的磨擦甚至“卡死”夹头的现象，使其在高温有良好的润滑性。 ( 7 ) 翻引钢机械手集机械、液压、电气及计算机控制于一体，打破了传统的轧件夹 持翻转方法，解决了高温条件下，型钢轧制时的夹持、翻转、升降、平移导向及靠钢等 综合功能的要求。用一台机械手可取代原一台翻钢及两台引料辊装置，实现了一机多能。 翻引钢机械手的设计与研究 2 液压翻引钢机械手机械部分的设计 2 1 机械结构及运动 翻引钢机械手由执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成。液压翻引钢机械手结 构见图2 - i 。执行系统是机械手完成握持工件并进行翻转的部分，它又包括以下几个部 分“”： 穆倦 图2 1 翻钢机械手的结构图 f i g 2 - i t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f t h et i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o r ( 1 ) 手部机械手中直接与工件或工具接触，完成握持工件或工具的部件。有些机械 手直接将工具( 如焊枪、喷枪、容器等) 装置于机械手的前端，而不设置手部。 ( 2 ) 腕部机械手中联接手部与臂部，主要用来确定手部工作时的位置，并扩大臂部 动作范围的部件。一些简易的机械手，也有不设手腕部件，将手部直接装在手臂部件的 端部。 ( 3 ) 臂部机械手中支承腕部和手部，用来实现较大范围运动的部件。 ( 4 ) 机身机械手中用来支承手臂等部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。 2 i 1 翻引钢机械手的运动 翻引钢机械手的运动拟分为机械手的活动度、机械手的运动范围和机械手的各种运 动形式来叙述。 a 、机械手的活动度 机械手手部所握持的工件在空间的位置，是由臂部、腕部以及整机等各自独立运动 的合成来确定的，如图2 - 2 所示。手部相对于机身( 或其他参照物) 位置的每个独立变化 大连理工大学专业学位硕士学位论文 的参数，我们称之为机械手的活动度( 也有称为能动度、自由度或运动轴的) 。它是对机 械手进行运动和受力分析时的原始数据。机械手的每一个活动度，都相应要配有一个原 动件( 如油缸、气缸或电动机等驱动装置) 。当各原动件按一定的规律运动时，机械手各 运动部件就随之作完全确定的运动。活动度数和原动件数必须相等，只有这样才能使机 械手具有运动的确定性。这种专用翻引钢机械手动作较简单，活动度较少。对于通用机 械手来说，活动度越多，就越能接近于人手的动作机能，通用性就越好，因此有些通用 机械手的活动度超过六个。但活动度数愈多，结构愈复杂，而且对整个结构在重量轻、 体积小和效率高等方面的要求也愈高。这是机械手设计中的一个矛盾。目前一般的通用 机械手的活动度( 除手部夹紧动作外) 大多在五个左右，这已能适合于多种场合的作业 在设计机械手时，首先要考虑的一个问题是，机械手要有几个移动和转动的活动度，以 及各个活动度在腕部、臂部或整机等处如何配置，才能使之更有效地实现机械手的动作 要求。这些问题下面还要进一步讨论。 b 、机械手的运动范围 机械手的运动范围，是指机械手在平面或空间的运动图形( 轨迹的形状) 及其大小， 是机械手的主要技术参数之一“。机械手所具有的活动度的数目及组合不同，则其运动 图形也不同“”。而活动度的变化范围( 即直线运动的距离和回转角度的大小) 决定着运动 图形的大小。一般情况下，臂部的活动度主要是用以基本上确定手部以及工件( 或工 具) 在空间的运动范围和位置，因此臂部的运动也称作机械手的主运动，而腕部的活动 度则主要是用来调整手部以及工件( 或2 1 2 具) 在空间的方位。由表可见，臂部具有一个活 动度时，运动图形仅为一直线或圆弧。具有二个活动度时，便形成平面图形或圆柱面。 具有三个活动度时运动范围则从面扩大到体，成为长方体或回转体( 包括圆柱体和球 体) 。 c 、机械手的各种运动型式 如上所述，活动度的组合不同，机械手的运动图形也是不相同的，基本上可归纳为 下列四种运动型式。 ( 1 ) 直移型这种运动型式的机械手，其臂部只具有沿直角坐标轴线作直线移动的活 动度，即臂部只是作伸缩、升降和平移等运动，它的运动范围的图形可以是一条直线、 一个矩形平面或一个长方体汹1 。这种型式的机械手结构简单，运动直观性强，便于实现 一定的精度要求，但其占据的空间位置大，相应的工作范围较小，因此大多采用悬挂式 结构，适于在机床成行排列的生产线上作上下料和工位间传送工件之用。 翻引钢机械手的设计与研究 f 面1 r 苟1 一r 丁1 氆，辩 图2 - 2 翻引钢机械手的运动图 f i g 2 - 2 t h em o t i o nd i a g t s mo ft h et i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o r 其活动度的不同，可以是一圆弧曲线、一扇形平面、一圆柱面和一空心圆柱体范围。 其特征轮廓为圆，特征运动为回转，因此为方便起见，称之为回转型。”。回转型与直移 型机械手相比，保持了运动直观性较强的优点，同时所占空间更小，结构更紧凑，工作 范围更广，是目前应用较多的一种型式。但是，这类机械手受升降结构限制，一般不能 提取地面上的工件。 ( 3 ) 俯仰型这种运动型式的机械手，其臂部除了具有水平回转这个活动度外，还具 有臂部俯仰这一活动度。这两个活动度与臂部伸缩活动度组合成一个完整的俯仰型机械 手。它的运动范围图形为一空心圆球，特征运动为俯仰，为方便起见称俯仰型。通常将 只具有臂部俯仰而无臂部回转活动度的机械手，称为俯仰型，因为其结构与俯仰型接近 嘲。俯仰型机械手与回转型相比，在占有同样大小空间的情况下，可扩大工作范围；能 将臂部伸向地面，完成从地面提取工件的任务。其不足之处是运动直观性差；结构较复 杂；臂部有两个回转运动，它们引起的臂部的端部位置误差会随着臂部伸长而放大。 ( 4 ) 屈伸型这种运动型式的机械手，臂部有大臂和小臂两部分，除了大臂具有水平 回转和俯仰活动度外，小臂相对大臂还有一俯仰运动。从形态上看，小臂相对大臂作屈 大连理工大学专业学位硕士学位论文 伸运动，根据此特征称之为屈伸型，它的运动范围图形为球体嘲。它具有与人体上肢更 类似的结构，可以在以臂部最大伸展长度为半径的球体范围内提取工件，灵活性很大； 与其他类型相比，占有空间最小，工作范围最大，而且可以绕过障碍物提取工件；但其 运动直观性更差，臂部前端位置是由几个转角确定的，因此要达到较高的位置精度时， 需要较复杂的设计与制造。当然，机械手的运动型式除了上述四种基本型式外，还可以 有由这些基本运动组合而成的复合型式吼叫。我们的液压式翻引钢机械手就是一种复合 式的，它的主要功能是翻转工件，即臂部的伸缩、手部的旋转和整个设备的水平移动。 2 1 2 平行平滑动式直夹持器的设计 机械手的手部是用来直接握持工件的部分。由于被握持的工件的形状、大小、轻重、 材料性能和表面状况的不同，所以手部的结构也是多种多样的。根据我们的需要，就采 用最常见的夹钳式的手部，它的动作与钢丝钳或台虎钳相似。平行平滑动式直夹持器的 设计如图2 - 3 所示。由夹紧辊l 、夹紧杠杆2 、翻转辊5 、翻转杠杆4 、翻转耳轴6 等部 分组成( 3 为夹紧用的液压缸活塞杆，7 为翻转用液压缸活塞杆) ，并装在内箱体上。当 夹持轧件时，由液压缸驱动夹紧杠杆，带动夹紧辊沿翻转杠杆上的导向槽滑动，直至夹 紧轧件。此时夹紧辊运动轨迹为直线。翻转轧件时，由翻转液压缸带动翻转杠杆和翻转 辊绕着装在内箱上的耳轴旋转，夹紧辊由于夹紧液压缸的作用继续保持夹紧轧件，同时 也绕耳轴旋转，此时夹紧辊运动轨迹为弧线。在工作过程中，夹持器开口度大且可调； 夹紧辊具有直线和弧线的复合轨迹；夹紧辊和翻转辊绕同一定点同向回转互不干扰，而 且有足够的夹紧力和翻转力矩。 图2 - 3 夹持器结构图 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fh o l d e r 夹钳式手部的组成夹钳式手部一般由以下几部分组成： 翻引钢机械手的设计与研究 ( d 手指它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开 与闭合来实现的。一般情况下，机械手手部只有两个手指。少数为三指或多指。结构形 式常取决于被夹持工件的形状和特性【l “。 ( 2 ) 传动机构它是向手指传递运动和力，以实现夹紧和松开动作的机构嘲。 ( 3 ) 驱动装置它是向传动机构提供动力的装置，按驱动方式的不同有液压、气动、 电动和机械之分啪。】。此外，尚有连接与支承元件，将上述有关部分连成一个整体。 夹钳式手部按手指的开闭动作和结构的不同，可以分为回转型手部和平移型手部 “”。如果手部的手指是两个杠杆，并在传动机构的带动下绕支点回转，来实现手指的开 闭动作，则具有这种手指的手部称为回转型手部。如果两个手指在传动机构的带动下， 作相对的平行移动以实现开闭动作，则具有这种手指的手部称为平移型手部。液压翻钢 机械手手部属于后一类型( 如图2 - 4 ) ，两个手指绕同一支点a 回转，但在实现夹持工件 的开闭动作时两个手指是平行移动的。夹钳式手部适应性较强，所以在生产中应用最多 “”。其中回转型手部一般都具有结构简单、动作灵活、制造容易等优点，故在生产上应 用又比平移型手部多溉删。 图2 - 4 中铰链a 是摆动架与升降框架之间的铰链，铰链b 使夹紧架、摆动架、翻转 杆相绞，铰链c 使夹紧架、夹紧杆相绞，铰链d 使夹紧缸和升降框架相绞，铰链e 使升 降框架和馥转框架相绞。 图2 - 4 液压翻引钢机械手 f i g 2 - 4t h eh y d r a u l i ct i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o r 夹钳式手部设计注意事项： ( 1 ) 手指应具有一定的开闭范围夹钳式手部的手指开闭范围就是指从张开到闭合 ( 夹紧) 过程中每个手指位置的变动量汹3 “。对于回转型手部的开闭范围，可用手指的开 闭角( 手指从张开到闭合绕支点所转过的角度) 和手指的夹紧端长度来表示；对于平移型 大连理工大学专业学位硕士学位论文 手部的开闭范围，可用手指从张开到闭合的直线移动距离来表示。显然，为了让手指闭 合时能夹紧工件，张开时能顺利地接近工件，而不和其他设备等相碰，手指必须具有一 定的开闭范围。范围大小直接与工件和手指的形状、尺寸及手部接近工件的路线等有关， 同时还要注意经过路线的周围环境。手指的开闭范围，应根据实际情况进行分析后加以 确定。一般说，如果工作环境允许，采用较大的开闭范围，可降低对工件的尺寸公差、 位置精度的要求，且有利于手部顺利地夹持工件，但会增大驱动装置的行程和结构尺寸， 增加手指开闭时间，所以手指开闭范围亦不宜设计得过大矧。 ( 2 ) 应具有适当的夹紧力和驱动力为了使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不 脱落，就要求手指在夹紧工件时应有足够的夹紧力，而对手部的驱动装置来说，应具有 足够的驱动力。应当指出，在保证一定的夹紧力条件下，采用不同的传动机构，所需驱 动力的大小是不同的。多大的夹紧力才能把工件夹牢，主要由工件的重量和提取工件时 手部相对于工件的方位情况来确定。同一重量的圆柱体工件，作水平或垂直安放，手部 夹持它的方位不同，所需夹紧力的大小不同，需要依靠手指与工件间的摩擦力来确保工 件不致脱落。不论那种情况，工件愈重，则所需的夹紧力就愈大除此之外，考虑夹紧 力时，还应注意到工件在运动过程中由于运动状态的改变所产生的惯性力的影响，特别 在运动速度变化较大的情况下尤应如此，以免在惯性力作用下，因夹紧力不足而松动或 甩脱。当然，过大的夹紧力也是没有必要的， ( 3 ) 应保证工件在手指内的夹持精度手部夹持工件后，应保证每个被夹持的工件。 在手指内都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的情况更为重要，如曲拐、凸轮轴 一类的复杂工件，对在机床上安装的位置有严格要求，因此机械手的手部，在夹持工件 后应保持有相对的位置精度。为此，应根据工件的形状和位置要求，选用相应的手指形 状和手部结构，并采用必要的措施，以保证工件在手指内的相对位置。 ( 4 ) 要求结构紧凑、重量轻、效率高手部处于腕部和臂部的最前端，运动状态多变， 其结构、重量和动力负荷直接影响到腕部和臂部的结构、重量和运转性能，因此在手部 设计时，必须力求结构紧凑、重量轻、效率高。此外，翻引钢机械手的手指为平面指， 主要取决于翻转工件的形状。手指表面的光滑程度，对避免所翻转轧件表面受到损伤非 常重要。手指材料的选用，对机械手的使用效果有很大影响。因为液压翻钢机工况也属 于高温作业，所以它的手指材料应选用耐热钢。 2 2 液压翻引钢机械手的工作原理 液压翻引钢机械手的工作原理如图2 5 所示。图2 5 ( a ) 为夹持器开口打开，准备夹 持轧件；图2 - 5 ( b ) 为夹紧缸有杆腔进油，夹紧辊夹紧轧件；图2 5 ( c ) 为翻转缸有杆腔 翻引钢机械手的设计与研究 进油，使夹持器绕支点转动以翻转轧件( 这时夹紧缸有杆腔继续进油，在翻转过程中仍 夹紧轧件) ；图2 - 5 ( d ) 为轧件翻转到位，通过横移缸使轧件对准轧机孔型，便于轧件咬 入和轧制。夹紧辊和翻转辊均可绕辊轴转动，使得机械手在轧件进入轧机前的运动中可 以夹住轧件并翻转。液 图2 - 5 液压翻引钢机械手的工作原理图 f i g 2 - 5 t h ef u n c t i o n a ld i a g r a mo ft h eh y d r a u l i ct i l t i n ga n dl e a d i n gm a n i p u l a t o r 压式翻引钢机械手具体的工作过程如图2 2 所示。翻钢机布置在轧制线的下面( 图 2 2 a ) ，轧件正常轧制时翻钢机并不工作。当轧件在一个方向上轧制结束之后，需要翻 转的时候，翻钢机升降油缸无杆腔进油使内箱上升，同时翻转缸无杆腔进油使夹持架翻 转( 图2 - 2 b ) ，达到夹持架的翻转辊和夹紧辊与工件平行的位置，然后横移液压缸无杆腔 进油使整个翻移钢机械手向靠近工件的方向运动( 图2 - 2 c ) 。当翻引钢机械手完全靠近工 件之后，即