并联机构锻造操作机结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985学号密级某某大学学士学位论文并联机构锻造操作机结构设计院（系）名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师某某某教授某某某某某大学2017年6月买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985并联机构锻造操作机结构设计某某某某某某某某大学买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985学号密级并联机构锻造操作机结构设计THEDESIGNOFTHESTRUCTUREOFTHEFORGINGMANIPULATOROFPARALLELMECHANISM学生姓名所在学院机电工程学院所在专业机械设计制造及其自动化指导教师职称教授所在单位大学论文提交日期2017年6月论文答辩日期2017年6月学位授予单位某某某某大学买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985摘要锻造操作机结构复杂，集合了机械、液压和电控三大技术，是具有多个自由度的重载机器人，能夹持运送大型锻件。本文设计了一款小型并联机构摆移式锻造操作机，主要工作内容如下（1）根据设计要求和功能需求，进行功能分解，对多种设计方案进行分析比较，确定了总体设计方案，创新设计了一款前侧移缸下置的摆移式锻造操作机。（2）对主运动机构进行了运动学理论分析计算，用复数矢量法完成了位置正反解分析计算，并用ADAMS软件完成了正逆运动学的仿真验证。（3）基于螺旋理论分析了空间并联机构的自由度性质问题，并用ADAMS软件进行了分析验证。（4）对锻造操作机的结构进行了详细设计和相关计算，完成了各个驱动液压缸的计算和选型。并用ADAMS软件仿真分析了夹钳机构的动态夹紧过程及优化了各杆件的尺寸。（5）对关键零部件进行了校核计算，包括轴、轴承、键、螺栓组等的强度校核。（6）用PRO/E软件完成了锻造操作机的三维建模和运动仿真分析，完成了整机布局图、二维装配图及重要零部件的二维工程图的绘制。关键词锻造操作机；并联机构；主运动机构；夹钳机构；运动学分析；仿真验证买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985ABSTRACTFORGINGMANIPULATOR,WITHTHECOMPLEXSTRUCTURE,ISTHEOVERLOADEDROBOTWITHMULTIPLEDEGREESOFFREEDOM,WHICHCOLLECTSTHEMACHINERY,HYDRAULICANDELECTRICCONTROLTECHNOLOGYITCANTRANSPORTHEAVYFORGEDPIECESASMALLSCALEFORGINGMANIPULATORWITHPARALLELMECHANISMWILLBESTUDIEDINTHISPAPERTHEMAINRESEARCHCONTENTSAREASFOLLOWS1ACCORDINGTOTHEACTUALFUNCTIONALREQUIREMENTS,THEFUNCTIONOFFORGINGMANIPULATORHASBEENDECOMPOSEDBYCOMPARINGANDANALYZINGVARIOUSSCHEMES,THEOVERALLPRINCIPALDESIGNOFFORGINGMANIPULATORHASBEENCOMPLETEDANEWPENDULUMMOVETYPEFORGINGMANIPULATORWITHTHEFORWARDMOVINGHYDRAULICCYLINDERINSTALLEDLOWERHASBEENCREATIVELYDESIGNED2THEKINEMATICSANALYSISANDCALCULATIONOFTHETHEMAINMOVEMENTMECHANISMHASBEENCOMPLETEDBASEDONTHEPLURALVECTORMETHOD,THEANALYSISANDCALCULATIONOFTHEFORWARDANDINVERSEPOSITIONSOLUTIONHASBEENCOMPLETEDTHEFORWARDANDINVERSEKINEMATICSSIMULATIONWEREDONEWITHADAMSSOFTWARE3BASEDONTHESCREWTHEORY,THISPAPERANALYZEDTHEDEGREEOFFREEDOMOFTHESPATIALPARALLELMECHANISMANDVERIFIEDTHISPROBLEMBYMEANSOFADAMS4THEDETAILEDSTRUCTUREDESIGNANDRELEVANTCALCULATIONOFFORGINGMANIPULATORHASBEENCOMPLETED,INCLUDINGTHECALCULATIONANDSELECTIONOFTHEDRIVINGHYDRAULICCYLINDERTHISPAPERUSEDADAMSTOSIMULATETHEDYNAMICCLAMPINGPROCESSOFCLAMPMECHANISMANDOPTIMIZETHESIZEOFEACHBAR5THEKEYPARTS,INCLUDINGSHAFT,BEARING,KEYANDBOLTGROUP,HASBEENCHECKED6IHAVEMODELEDTHEFORGINGMANIPULATORANDSIMULATEDTHEWORKINGPROCESSOFFORGINGMANIPULATORBYMEANSOFPRO/EALSO,IHAVECOMPLETEDTHEOVERALLLAYOUTDRAWING,ASSEMBLYDRAWINGANDTHEIMPORTANTPARTSOFTWODIMENSIONALENGINEERINGGRAPHICSKEYWORDSFORGINGMANIPULATORPARALLELMECHANISMMAINMOTIONMECHANISMCLAMPINGMECHANISMKINEMATICANALYSISSIMULATIONVERIFICATION买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985I目录第1章绪论111课题研究的目的和意义112国内外锻造操作机的发展概况2121国外锻造操作机的发展概况2122国内锻造操作机的发展概况313设计任务书和主要工作内容4131设计任务书4132主要工作内容5第2章并联机构锻造操作机总体方案设计721锻造操作机的功能介绍及分解722并联机构锻造操作机的方案分析823并联机构锻造操作机总体方案的确定1124本课题对环境与社会可持续发展的影响1325本章小结14第3章锻造操作机主运动机构分析1531主运动机构运动学分析15311主运动机构位置正解分析15312主运动机构位置反解分析17313主运动机构速度分析18314主运动机构刚度分析1932主运动机构输入输出特性分析2033本章小结22第4章并联机构分析及整机机构分析2341螺旋理论2342操作机自由度要求2443操作机机构分析25431升降机构分析26432二分支并联机构分析27买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985II433基于螺旋理论的二分支并联机构自由度计算29434基于ADAMS的并联机构自由度验证3044锻造操作机机构确定3145本章小结33第5章操作机的详细结构设计3451夹钳机构设计34511夹钳机构的尺寸确定34512夹钳结构设计35513钳口夹紧力的计算36514夹紧缸的尺寸确定37515钳杆回转缸的计算与选择3852主运动机构及摆移机构尺寸的确定40521前提升臂及提升液压缸的尺寸确定41522同步连杆、前悬挂杆与提升臂尺寸的确定43523俯仰缸尺寸的确定43525水平缓冲缸尺寸的确定4553大车行驶系统设计4654本章小结47第6章基于ADAMS的操作机仿真分析4861基于ADAMS的夹钳机构分析优化计算48611杠杆比的理论计算48612基于ADAMS的杠杆比计算49613夹钳机构夹紧动态仿真分析51614基于ADAMS的夹钳机构参数优化5462基于ADAMS的正运动学仿真验证57621升降运动仿真验证58622俯仰运动仿真验证60623侧移运动仿真分析62624侧摆运动仿真分析6363基于ADAMS的逆运动学仿真验证65631升降运动仿真验证65买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985III632俯仰运动仿真验证66633侧移运动仿真分析6864本章小结69第7章重要零部件的校核计算6971车轮低速轴的强度校核计算7072轴承的校核计算7373键的校核7474液压马达连接螺栓的强度校核7475本章小结75第8章并联机构锻造操作机的三维建模与运动仿真7681三维建模主要内容76811锻造操作机整机三维建模76812夹钳机构三维建模79813大车行驶机构三维建模7982本章小结79结论80参考文献82致谢86附录A87买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985I买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709850第1章绪论11课题研究的目的和意义由于科技的快速进步和国民经济的迅速发展，我国对大型化重型化产品的需求不断提高，特别是对于大型自由锻件的需求，在数量、规格以及质量方面都提出了新的更高要求。这对整个锻造行业来说，既是巨大的机遇也是相当大的考验，而显然，仅仅凭借传统的锻造工艺远远无法满足生产需求。锻件能被精确地锻造出来离不开锻造操作机的功劳，操作机实际是一种重型机械手，可以完成人力无法做到的动作，与自由锻造压机配合，可以提高锻件质量，同时起到增效减本的作用1。大型锻造行业在我国的地位与日俱增，它可以衡量一个国家的工业发展水平，关系着我国的国家安全，体现了我国的综合实力。但与发达国家相比，我国的锻造整体生产水不论是在装备上还是在工业水平上都存在着相当大的差距，其中一个重要原因就是我国的锻造操作机水平达不到世界先进水平。锻造操作机结构复杂，集合了机械、液压和电控三大技术，是具有多个自由度的重载机器人2。只有提高我国的锻造操作机的设计水平，锻造工业才能迎来新面貌，锻造水平才会逐步提高。至今，锻造操作机的发展历史只有短短的几十年。锻造操作机刚开始只有平面内三个自由度，即只能进行升降、俯仰和缓冲功能，并且夹持的锻件都比较小型。但随着科技水平的提高，对工艺水平要求不断提高，从而对操作机的功能要求不断拓展，要求其能更灵活地夹持更大型的锻件，平面内的三个自由度已经远远不能满足生产需要，故衍生出了空间机构，并且多用空间并联机构来满足操作机的高刚度、高负重比特点，使操作机功能多样化，多了侧移和侧摆功能3。基于以上种种原因，深入研究设计并联机构锻造操作机是非常有意义的。本课题旨在了解了并联机构锻造操作机的基本原理、特点和国内外最新研究进展的基础上，提出多种设计方案，考虑设计产品对环境和社会可持续发展的影响，综合比较选择好各个原理解后，设计一款基于并联机构原理的锻造操作机，阐明其工作原理和特点，并利用三维建模软件PRO/E进行模型的绘制、装配关系分析和仿真分析，同时用ADAMS软件进行优化分析。这些工作量的完成不仅要求设计者熟练掌握机械原理、机械设计等方面的专业知识，更要求设计者要活学活用理论知识，广泛地查阅相关文献，学习别人的精妙之处，多加思考、总结，并将理论与实践相结合，从而完成一款小型并联机构锻造操作机的设计与创新。通过对本课题的研究，将大学所学的各类知买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709851识融会贯通，查缺补漏，形成一个整体的系统，学会设计研究的方法与思路，这将是本课题最基本的目的和意义。12国内外锻造操作机的发展概况锻造操作机在20世纪60年代初相继出现，最早出现在美国和前苏联，随后的二、三十年锻造操作机迅速发展，并在德国、英国和日本等国得到很好的发展，被大量投入生产和使用，形成系列化产品，此时的锻造操作机生产行业已初步形成了规模体系4。最原始的锻造操作机是纯机械传动的，在60、70开始出现纯液压传动和混合传动两种新模式，使得操作机的整体结构更加紧凑、操作更加灵活、功能更多样，三种形式的操作机如下图11所示5。随着科技日新月异的变化以及经济建设的需要，现今社会对大型锻件的需求更甚、对其质量要求也更高，这就必然导致锻造操作机的地位越来越高，对其的研究设计也越来越多。A机械式B液压式C混合式图11三类锻造操作机121国外锻造操作机的发展概况最早在国外出现的的锻造操作机能与锻锤配合完成锻压过程，是一种靠机械传动完成直移动作的操作机。20世纪40年代开始广泛采用回转型操作机和依靠压缩空气实现夹紧功能的混合型操作机。1905年，西得海佐客力制造商生产了第一台用在水压机上的液压传动有轨锻造操作机。而进入21世纪后，越来越多的公司开始致力于锻造操作机的研究制造，主要有德国的DDS公司、GLAMA制造商、WEPUKO公司、SMSMEER制造商、捷克的ZDAS机械有限公司以及韩国的HBEPRESS制造商等，其中，德国DDS公司的制造水平尤其高超，其已成功设计生产了世界上最大的重载锻造操作机，最大夹持力达2500KN，最大转动力矩达，除此之外，DDS公司在设750KNM计研发结构紧凑、操纵灵便的的中小型有轨和无轨锻造操作机上具有无可比拟的优势，有轨和无轨式锻造操作机如下图12所示。此外，日本三菱长琦公司具有先进的生产技买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709852术，其生产的锻造操作机具有优良的控制系统4。（A）有轨式锻造操作机（B）无轨式锻造操作图12有轨、无轨锻造操作机122国内锻造操作机的发展概况锻造操作机在20世纪60年代才初步进入我国的工业生产基地，落后了国外将近20年，至今这由于时间迟滞造成的操作机制造水平的差距还没有弥补上。1970年前后我国的锻造操作机研发才刚起步，那时研制的操作机结构简单，功能有限。随着我国经济实力的增强，1980年左右我国已经具备了全机械传动和液压传动的有轨式锻造操作机的自主研发能力，不久后又成功研制了液压传动无轨式锻造操作机。直到90年代，我国锻造操作机的研究制造水平才具备追赶国外先进水平的希望6。为了弥补与国外先进水平的差距，尽快达到锻造操作机从设计到制造都能我国自主完成的目标，我国鼓励更多的学者着手研究锻造操作机，同时将大量的时间和金钱投入到锻造领域中7。上海交通大学的高锋教授提出了集的机器人构型原理，以此FG为基础总结了很多运动单元的和运算及交运算法则；燕山大学的丁华峰教授基于平面拓扑理论归纳了一批符合锻造需求的新型操作机主运动机构；燕山大学的赵永生教授及其学生用螺旋理论对操作机实现了创新设计；东北大学任云鹏在ADAMS中创建了锻造操作机的依靠虚拟样机模型，并对比分析了国际上广泛应用的两种主运动机构构型DDS型和SMSMEER型4，这些理论研究大大地推动了锻造操作机的发展。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985313设计任务书和主要工作内容131设计任务书本论文的任务是完成一款小型并联机构锻造操作机结构的设计，其应实现下列目标（1）锻造操作机能够实现锻件夹紧功能，并且可以调整锻件的位姿，同时起到运送锻件功能；（2）锻造操作机具有较高的响应速度和精度；（3）锻造操作机具有较好的稳定性和良好的减震效果；（4）锻造操作机应满足经济性、环保性、安全性和可靠性等要求。查阅了生产的各种锻造操作机的功能参数后，拟定了本文将要设计的并联机构锻造操作机的设计任务书及主要设计参数表，分别如下表11和12所示8。表11并联机构锻造操作机的设计任务书序号设计要求1功能主要功能夹持锻件辅助功能移动运送锻件2适应性夹持对象圆柱形锻件环境多灰尘，多噪声，温度O04能源液压能，压力825MPA3夹持能力锻件重量2T之内，直径范围364性能足够的精度和响应速度，具体见表125可靠度日维护期间不发生故障，月检修期间不发生失效6使用寿命主要零部件使用寿命要求达到20年7人机环境工程操纵方便，维护、检修方便，控制简单，操作灵活，造型美观实用，污染小，噪声小8安全性操作简单，不易发生误操作，夹持可靠9经济性研发和使用费用低，并且效率高表12并联机构锻造操作机主要设计参数表序号项目单位参数1最大载重量KN202最大负载力矩KNM503夹持范围MM3604夹钳伸出量MM10005夹钳旋转速度R/MIN18买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098546升降行程MM407升降速度MM/S908旋转定位精度19钳口松夹速度MM/S5010倾斜角度811侧移行程MM2012侧摆角度513水平缓冲行程MM14大车行走速度MM/S415大车运动精度MM1016总重量T约1017系统压力MPA10132主要工作内容（1）锻造操作机总体方案的确定广泛查阅各种相关资料，充分了解了国内外关于锻造操作机研究的最新进展后，采用多种方案比较和评价的方法确定并联机构锻造操作机的总体设计方案。（2）对总体方案可行性的理论分析与ADAMS的验证分析由于锻造操作机属于重载型多自由度机械手，对锻造操作机的主运动机构进行运动学分析，进行位置正解和和反解计算，并基于螺旋理论完成空间并联机构的自由度及原理的理论分析，用ADAMS软件进行仿真验证，确定总体方案的可行性。（3）主要参数的确定与优化根据所设定的锻造操作机的功能参数，反推出并联机构锻造操作机各个结构的具体参数，主要包括锻造操作机总体的结构尺寸、钳杆机构的尺寸、行驶系统的尺寸以及驱动部分液压缸、液压马达的尺寸等，并用ADAMS软件对重要尺寸参数进行优化。（4）锻造操作机结构的设计根据所确定的总体方案，对锻造操作机每一部分进行详细的结构设计，主要包括夹钳机构的设计，平面主运动机构（包括提升、缓冲、俯仰机构）的设计，空间并联机构的设计和行驶系统（大车行走机构）的设计。（5）锻造操作机主要零部件的选择与校核1）选择标准件，包括密封圈、滚动轴承、键等；2）各类液压缸的校型和计算；买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098553）轴承强度的校核与寿命的计算；4）螺栓组强度和使用寿命的相关校核；5）危险轴的强度校核计算。（6）锻造操作机的三维建模与仿真建立并联机构锻造操作机的三维模型。通过建立三维模型，形象直观地表示出锻造操作机的结构与连接关系，进行装配关系分析和运动仿真，解决零件间的干涉问题。利用ADAMS软件完成并联机构锻造操作机的运动学仿真，从而验证理论计算的正确性。（7）锻造操作机的工程图绘制使用绘图软件绘制锻造操作机的总体装配图、夹钳机构的部件图、大车行驶系统的部件图和相关零件的零件图，图纸要符合机械制图的规范和相关标准。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709851第2章并联机构锻造操作机总体方案设计21锻造操作机的功能介绍及分解（1）并联机构锻造操作机的功能介绍基于机械系统设计的思想，依据设计任务书，按照信息流、物料流和能量流的组成方式，抽象出设计任务简图8，如下图21所示。灰尘温度湿度锻造操作机物料（锻件）物料（送入锻造压机的锻件）能量（驱动）能量（夹持力和速度等）信号信号振动热量噪声图21锻造操作机的设计任务对锻造操作机的功能进行细化，组合成锻造操作机的功能树，如下图22所示。本论文主要设计主功能和支承连接部分。图22锻造操作机功能树（2）并联机构锻造操作机的功能分解根据功能树所列功能，寻找可能的功能载体，同一种功能会有不一样的实现方案，买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709852将各个功能的不同方案进行组合能形成多种设计方案，查阅相关文献并分析总结后，得到的操作机功能载体形态学矩阵如下表21所示。由表21，理论上有种方案。432486表21并联机构锻造操作机的形态学矩阵功能解分功能1234A夹取短杠杆式长杠杆式压杆式滑槽式B夹钳旋转回转液压缸回转气缸电机减速器C机体形式直移式回转式摆移式D驱动功能液压驱动电机驱动混合驱动E运输有轨式无轨式F缓冲弹簧液压缸电磁装置气缸根据学过的形态学矩阵能够排列组合出很多种方案。联想到相容性以及优化配置原则这两个方面，把所有的功能载体有机的结合在一起，从这些当中选出四个原理解答方案8，分别是方案一A1B1C2D1E1F2方案二A2B1C3D2E2F1方案三A3B3C3D2E1F2方案四A3B1C3D1E1F222并联机构锻造操作机的方案分析查阅了大量资料和分析了现有的广泛生产的操作机机型后，分析比较了各种功能解的优缺点，制定出最合理的设计方案。（1）夹取功能解的确定如上表21所示，现今操作机夹钳夹紧机构主要存在四种结构形式短杠杆式结构、长杠杆式结构、压杆式结构和滑槽式结构911，如下图23。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709853（A）短杠杆式（B）长杠杆式（C）压杠式（D）滑槽式图23四种常用夹持机构形式（A）短杠杆式结构其优点是滑块行程很小，结构组件数量少，结构很紧凑，但其所需的油压比较大。（B）长杠杆式结构其优点是结构省力，需要的油压相对较小，但其钳臂尺寸很大，组件多，拉杆行程长。（C）压杆式结构其尺寸适中，组件适量，所需油压介于前两种结构之间，其具有前两种结构都不具备的优点，即夹紧工件时易自锁，使夹持变得更加稳定和可靠9。（D）滑块斜槽式结构其优点是制造维修方便，但其效率较低。比较总结上述四种结构方案，易知小吨位操作机适合用短杠杆式夹紧机构，中小型吨位的适合用压杆式结构，大吨位的适合用长杠杆式结构。由于本论文设计的操作机是2吨位的，属于小吨位操作机，选用压杆式夹紧机构较好，其结构相对比较简单，零件较少，整体尺寸较小。就夹取功能来说，方案三和方案四比前两种更好。（2）夹钳旋转功能解的确定由上表21所示，夹钳旋转功能可由回转液压缸、气缸和电机带动减速器三种模式实现12，各自特点如下所述1）回转液压缸虽然其响应速度和精度不如机械式的，但其承重大，适合大型锻件的夹持旋转，且其不需减速装置就可实现无极调速，组件少，结构尺寸较小，造价买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709854相对低廉。2）回转气缸其造价便宜，介质空气容易获取，污染很小，处理方便，但其功率小，不适宜带动旋转大型锻件，且其工作平稳性和响应性方面较液压缸差很多。3）电机减速器其响应速度较快、精度较高，但其组件多，承重小，造价昂贵。比较上述三种模式的优缺点，结合自己要设计的操作机的特点，由于夹持的工件属于大型件，考虑成本、尺寸等因素，选择回转液压缸实现夹钳旋转功能更合理，故就夹钳旋转功能来讲，方案一、方案二和方案四优于方案三。（3）操作机机体形式的选择操作机有直移式、摆移式和回转式三种形式。1）直移式操作机只能实现机身的前后移动，其整机刚性好，能承受较大载荷，但其运动受到极大的限制，锻造工艺性较差。2）回转式锻造操作机可以实现水平面内360度回转。其锻造工艺性较好，用途广泛，但其转台结构设计复杂，对中性较差，刚性不够好。3）摆移式操作机既可以实现机身的前后移动、升降和俯仰运动，还可以实现水平面内的左右摆动和平行移动。其对中性好，锻造工艺性好，操作范围大，多采用并联机构以提高整机的刚度，用途广泛，但其结构复杂，设计难，控制也较复杂。由于本论文设计的锻造操作机要实现升降、俯仰、侧移和侧摆等功能，故机体结构形式选择摆移式更合理。由于方案一不能满足本文设计的操作机的功能要求，故舍去。（4）操作机驱动功能解的确定按照操作机的驱动系统来分，操作机可分为机械式、液压式和混合式三种形式。机械式操作机其制造、设计、安装和维修方便，但由于有减速装置，故其结构复杂、尺寸较大、灵活性不够。液压式锻造操作机不需减速装置就可以实现无极调速，组件少，结构尺寸较小，稳定性好，便于操纵，但其制造困难，加工和安装精度要求高。混合式操作机的性能介于机械式和液压式两者之间。（5）操作机运输功能解的确定操作机的运输方式有有轨运输和无轨运输两类。1）有轨运输的特点其对中性好，可以有效避免偏载现象，且其控制系统可以不安放在操作机上，从而提高操作机的安全性和可靠性。但其工作地点有一定的限制，买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709855一般只能服务于一台固定的锻造压机。2）无轨式运输的特点其工作地点不受限制，不再固定于与一台锻造压机配合锻压工作，特别方便灵活。但其对中性不好，容易偏载，故应用并不是很广泛。本论文所设计的操作机主要功能是夹送料作用，故对对中性要求较高，且可以在厂房内铺设多条轨道以解决操作机工作地点受到限制的问题，从而提高操作机的灵活性，故选择有轨式运输更合理，符合实际。方案三是无轨式的，达不到本文的设计功能要求，故排除方案三。（6）缓冲方案解的确定锻造操作机夹持的锻件多为大型锻件，且锻压时锻锤的快速锻打会产生巨大的冲击力，引起噪声和振动，影响锻件的制造精度，故设置缓冲装置是必不可少的13。由表21所示，缓冲装置大致分为弹簧、液压缸和电磁缓冲装置三大类。各自的优缺点如下1）机械缓冲装置主要利用弹簧吸收冲击载荷，其使用广泛，安装维修简单，但弹簧的承载能力较小，所需尺寸很大，很难满足操作机要求。2）液压缓冲装置其体积较小，大型操作机多采用这种类型，但其结构较复杂，制造、安装和维修复杂，还需要设计液压系统。3）电磁缓冲装置其体积小，缓冲性能较好，但造价较昂贵，且需要额外的电源设备，会增加操作机的体积及重量。根据上述三种缓冲装置的结构特点，结合前文所述，本文设计的操作机选择全液压式的比较合理，故选用液压缓冲装置，其体积小，缓冲能力强，适合锻造操作机这样的大型设备，且其与驱动源一致，故维修保养会更方便。若只考虑缓冲问题，方案四是液压缓冲装置，而方案二不是，故方案四优于方案二。23并联机构锻造操作机总体方案的确定综合上述六点，依据设计参数要求，对四种方案各分功能进行分析比较，最终发现方案四最合理，故定下的操作机总体方案为A3B1C3D1E1F2。确定了总体方案后，参考现在国际上通用的一款DDS型锻造操作机，其机构构型简图如下图24所示，其前悬挂杆通过转动副与前横梁相连，前横梁又通过转动副与前侧移缸活塞杆相连，并单独安装了与夹钳相连的水平侧向缓冲缸，整个前悬挂部分相当于都连在前侧移缸活塞杆上，导致其需要承受的弯矩很大，对其强度要求高，重量也就相应变大，操作机的整体横向尺寸也相应变大14。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709856图24典型DDS型锻造操作机机构简图基于以上原因，本文设计一种前侧移缸下置的新型操作机，其机构简图如下图25所示。与前述的典型DDS型操作机相比，其前侧移缸下置到夹钳前部，可以起到侧向缓冲作用，故该结构不需额外增加侧向缓冲装置，且缩小了整机横向尺寸，降低了整机质量，提高了整体刚度，但其前悬挂杆承受载荷较大，对其刚度要求较高，前提升臂和前悬挂杆的铰接球副和处支反力较大，对其承受能力要求较高。1G2图25前侧移缸下置新型操作机机构简图将上述的新形操作机机构简图抽象简化得到其原理简图，如下图26所示。操作机的夹紧缸实现钳口的夹紧松开动作，回转液压马达实现钳口的旋转，升降缸和俯仰缸实现夹钳的升降俯仰运动，液压马达驱动车轮在导轨上行走。同时设计了由缓冲缸实现的水平缓冲机构，以提高锻造精度和增加整体稳定性。水平缓冲机构、升降与俯仰机构共同组成连杆机构，悬挂于机架上，实现升降与俯仰联动。机体尾部是操作系统和液压系统，其同时能够起到配重箱的作用，保证锻造操作机重心在机体中部附近，这两部分不作为设计的重点。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098571工件2夹钳机构3钳口夹紧缸4前侧移缸5钳杆旋转缸6前悬挂杆7前提升臂8同步连杆9提升缸10俯仰缸11后提升臂12缓冲缸13液压系统14操作系统15大车行驶系统16导轨图26并联机构锻造操作机原理简图24本课题对环境与社会可持续发展的影响由于科技的快速进步，当今世界对大型化重型化产品的需求不断提高，特别是对于大型自由锻件的需求，在数量、规格以及质量方面都提出了新的更高要求。而锻造操作机作为一种重型机械手，可以完成人力无法做到的动作，与自由锻造压机配合，可以提高锻件质量，减轻劳动强度，增加生产效率，降低生产成本，有利于社会的可持续发展。锻造操作机是用来夹持锻件从而配合水压机或锻锤完成送料、旋转、调头等功能的辅助锻压设备，能够完成坯料成型的各种工序。本文从以下几点考虑操作机对环境的影响，为后文操作机的详细结构设计打下基础。（1）降低噪声设计一款全液压式操作机，其与混合式相比，没有了中间的一系列传动装置，也就没有了机械传动件间的摩擦、振动和冲击，其噪声会更小，优化了工人的工作环境。（2）减少能源损耗本文的操作机零部件大多选择标准件，由于标准件是系列化生产，故可节约大量的资源，减少污染，降低碳排放，尽可能地减少对环境的影响，有利于社会的可持续发展。其次，本文的零件设计在满足功能要求的前提下，尽可能地节约材料，比如机架买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709858上切掉多余材料，形成框架式结构，从而节约大量材料，减少能源损耗，降低碳排放。（3）提高经济性本文的操作机是全液压式的，与混合式相比，其使用时只需提供液压源，运转费用低，维修保养会更简单、便宜。由于本文设计的操作机的前侧移缸既充当了驱动源，又充当了缓冲装置，故降低了操作机的造价。且操作机零部件的选择上将一直向标准件看齐，可以极大地降低成本，提高操作机的经济性。（4）提高安全性本文设计的操作机的操纵系统与操作机主机是分离的，故提高了工人操作的环境安全性。25本章小结本章主要对并联机构锻造操作机的原理方案进行了分析设计，基于机械系统设计的思想，对某些结构进行了功能分解，通过比较分析评价各个功能解的优缺点，确定了合适的结构方案。通过改进国际上典型通用的一种DDS型锻造操作机机构构型，最终确定了本论文将要设计的并联机构锻造操作机的整体方案，这也为后文详细设计各个部分结构做了准备。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709859第3章锻造操作机主运动机构分析31主运动机构运动学分析目前广泛使用的摆移式锻造操作机结构复杂，其由两部分组成，一部分为平面机构（主运动机构），能完成升降和俯仰运动；另一部分为空间机构（摆移机构），能完成水平缓冲、侧移和侧摆运动4。故对操作机主运动机构进行运动学分析具有重大意义，主运动机构的运动学分析即将夹钳处希望实现的运动路线转化为各个关节处的期望位移、速度及加速度15。由于运动学分析的基础是位置正反解分析，即计算得到机构的输入、输出位置关系，故先进行位置正反解分析。311主运动机构位置正解分析锻造操作机的主运动机构简图如下图31所示。图31锻造操作机主运动机构简图机构尺寸设计时，应保证同步连杆BD始终处于水平状态；初始位置时，保持水平状态的构件有前提升臂DEFG、后提升臂ABC及夹钳PJ，保持竖直状态且长度一样的构件为前悬挂杆GK和俯仰缸CJ4。如图所示，在前提升臂与机架铰点点处创建固定坐标系，、31DEFGEXEY轴正方向的选取如图所示。Y31其中提升缸FM的输入量；1D俯仰缸JC的输入量；2买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098510缓冲缸HI的输入量；3D、各个对应液压缸的原始长度。123机构的输出量为夹钳末端P点的位姿，用（，）来表示。各个矢量幅角PXY参数如下表所示。表矢量幅角参数31矢量GKLHILCJL，EGLACFMLELKPLEMLAELHL幅角123456123操作机的位置正解分析即知道三个驱动缸的输入量的前提下，求解夹钳123,D末端P点的位姿（，）。如图所示，可建立如下矢量闭环，即PXY1（31）EFMEHIGHACJKGEAEPLLLLL利用复数矢量法，（31）中代入各符号向量，得到矢量方程（32），即（32）561324341424113IIIMEFIIIIGIEHIIIIIIACJKGEAEPEPDELLELLDLLELXYLEE方程组（32）中有四个矢量方程，但包含、九个未知数，从图31中得出如下几何关系23456P，故该机构可以得到封闭解。对图31主运动机构分析，有，46ACEGL。对式（32）中的第一个等式两边乘以各自的共轭复数，即20（33）56611IIIIEMEFEFDELLEL代入欧拉公式，整理得到COSNIXX（34）221511ARMEDL将式（34）根据余弦公式展开，即（35）1516COSCSCOSINIINEMFEDLL将（35）两式相除，化简得买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098511（36）1516SINSIARCTCOCEMDL将式（32）中第二个式子与联立求解，得4645（37）11122CSSKRARNN其中21343COGIEHEGHKDLLL43OSSINIIEMLNL把式（37）代入式（32）中的第二个等式，根据欧拉公式展开，得（38）1432SISINSIARCTOCCOGIEGEHLLL将，代入式（32）中第三个等式，化简整理得ACEGL0（39）22SSKMRARMNN其中221COJGAEKGAEKDLLL1COSINJKGMLN根据欧拉公式展开（32）中第三个式子，得（310）13SINSIARCTOCJKKGAELLL整理式（32）中第四个式子，可得到锻造操作机主运动机构位置正解，即4122SSOSINIINCOCPGEKGKPXLLLYMARARMNN312主运动机构位置反解分析操作机主运动机构的位置反解分析是在知道夹钳末端P点位姿（，）的PXY前提下，计算得到三个驱动缸的输入量、和。如图31所示，建立的封闭矢量1D23环与位置正解的式31一样，解答步骤同位置正解时的分析过程，故不再赘述，最终得到摆移式锻造操作机主运动机构的位置反解结果，即21612212314343COS2COS2COSCOSEMFEFJKGAJKGJKAEGKAEIEHIEIHGEHDLLLLLDLLLD买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098512该位置反解为封闭解，而封闭解具有计算速度快、效率高、便于实时控制的特点，故情况理想16。313主运动机构速度分析由于利用雅可比矩阵可以建立起夹钳末端P点坐标中的速度与各关节速度间的关系15，故先求锻造操作机主运动机构的雅可比矩阵。对式（32）两边求一阶导数，得（311）556221433414411300IIIEFIIIIGIEGIIIIIIACJKKGGEIPGEKDEDLELELDLLEXYLEL1PEL方程组（311）中有四个矢量方程，但包含、1、九个未知数，从图31中得出如下几何关系23456PXY，故，方程组可以得到封闭解。解得该机构的速度反解，即4646（34114141222332SINCOSSIN,COINCO,SISICOS,KPPGKGKEGILXYLLLLDD121144455511COINININSS,CSIINCO,JKKGPPKEGEGLLLXYLLDD6655123341322COSINS,ICOSCOSIN,COIINSI,SFEFJKGKEGILLLDLLSINSIGL12）将上述速度反解式（312）简化表示，即买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098513（313）1121323123,PDJXY该矩阵为雅可比矩阵的逆矩阵，中的每一个参数均不是0，故其不能构成对0J0角矩阵，即任何一个驱动缸的输入均影响夹钳末端位姿的变化，即该主运动机构是完全耦合的。其中561114SINCOSCEGL25611314ISINSNECKPGJLL31241342334SICONSIINSINSKPJKJLJL21241114321422414ICOSICOSNISIIINSSINIGKIKPIGKPLJLLL1I314主运动机构刚度分析主运动机构的末端会在外力作用下产生形变，而形变的大小由机构的刚度以及作用力的大小决定，故主运动机构的动态特性及承受负载时的定位精度会受到机构刚度的影响。主运动机构的刚度矩阵可由前述的雅克比矩阵逆矩阵求逆得到。整理矢QJ0J量方程（313），易求得主运动机构输出与输入的关系，即（314）112323123,PDXYQ（315）110233,QJQ买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098514用MATLAB软件易求得主运动机构的雅可比矩阵，由于数据过于庞大，详见论文QJ后的附录A中的公式（A1），其中（A1）中的各个参数所代表的实际含义见附录A中的表A1。32主运动机构输入输出特性分析用MATLAB软件对主运动机构的位置正反解进行求解分析并画出相应图像，求解程序见附录A，其中操作机各杆件实际尺寸参数大小及各参数在MATLAB中对应的符号见附录表A1所示。位置正反解的仿真结果分别如下图32和33所示。（A）提升缸输入（B）俯仰缸输入买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098515（C）缓冲缸输入图32位置正解输入输出仿真结果由图32（A）看出，当提升缸单独输入时，倾角一直保持不变，钳口处的P点的横纵坐标都发生明显变化，大致趋势是随着D1的增大而逐渐减小，但D1增大到一定程度时，横坐标X有随D1增大而增大的趋势。由图32（B）看出，当俯仰缸单独输入时，钳口处的P点的横纵坐标及倾角都发生明显变化，其中横坐标X和倾角都随着D1的变大而逐渐变小，且近似呈线性变化，而P点的纵坐标Y随着D2的变大逐渐变小。由图32（C）看出，当缓冲缸单独输入时，钳口处的P点的横坐标X随着D1的增大而增大，且近似呈线性变化，而P点的纵坐标Y随着D2的增大先增大后减小，在时达到最大值，而倾角一直保持不变。D31M（A）末端X坐标变化引起的输入变化买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098516（B）末端Y坐标变化引起的输入变化（C）末端角度变化引起的输入变化图33位置反解输出输入仿真结果由图33（A）看出，当钳口处的P点的横坐标X单独变化时，不影响俯仰缸的长度，而提升缸和缓冲缸的长度均有变化，且X变化对缓冲缸的长度变化影响最大。由图33（B）看出，当钳口处的P点的纵坐标Y单独变化时，不影响俯仰缸的长度，而提升缸和缓冲缸的长度均受到X的影响，提升缸的长度D1先随Y的增大而逐渐增大，且近似呈线性变化，缓冲缸D3随Y的变化比较小，提升缸的长度变化最明显。由图33（C）看出，当钳口处的倾角单独变化时，提升缸、俯仰缸和缓冲缸的长度均发生明显变化，俯仰缸D2和提升缸D2的长度变化很明显，二者变化方向相反且近似呈线性变化，缓冲缸也稍有变化。33本章小结本章主要对锻造操作机主运动机构进行了运动学的理论计算研究，涵盖位置正解、位置反解、速度和刚度分析四个部分，用复数矢量法得到了位置正反解结果，并用MATLAB仿真得到了位置正反解结果，即主运动机构输入输出的关系曲线图。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098517第4章并联机构分析及整机机构分析由于分析操作机机构时离不开对其自由度的分析求解，还涉及到并联机构的自由度性质分析，而目前广泛使用的方法是螺旋理论3，故本文将基于螺旋理论分析锻造操作机的并联机构和整机自由度问题，从而完成并联机构和整机的机构设计，并为后文对操作机进行运动学分析打下基础。41螺旋理论（1）螺旋理论简介根据螺旋理论，用旋量表示空间的一个矢量，该旋量0,SLMNPQR在空间对应有一条确定的轴线，为确定这条直线，将分解为垂直和平行于S的两个0S分量HS和16，如图41所示，该旋量用式（41）表示。0SH（41）00SHSRH式中S螺旋轴线的单位方向矢量；直线的线距；0从参考坐标系原点到轴线上任一点的矢径；RH螺旋的节距，；0SH螺旋的轴线方程。RS图41旋量分解示意图三维空间里的刚体的运动形式不外乎是绕某根轴的转动或是沿那根轴的移动或是二者的组合，概括起来即为螺旋运动，表示刚体瞬时运动的螺旋称为运动螺旋；同理，三维空间里的刚体的受力形式不外乎是某个力或力偶或二者的组合，用来表示该力和力偶的螺旋称为力螺旋；为了说明物体整体的或全局上的的受力或运动情况时，就用力螺旋或运动螺旋；其中，力偶或移动副P用旋量来描述，力线矢或转动副R用0S旋量来描述，其他运动副则可表示为移动副或转动副的组合，如圆柱副（C）,SR可由一个转动副和与其同轴线的移动副得到，球副（S）可看作由三个轴线相交却不共买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098518面的转动副组合得到17。定义两旋量的互易积（42）000012121SS若式（42）互易积为0，称这两螺旋互为反螺旋，如果其中一个螺旋表示了机械系统的约束反力，则另一个螺旋代表机械系统能够许可的运动，反之则相反，故分析清楚物体的运动螺旋和反螺旋则可分析清楚物体的运动情况、约束情况和自由度情况17。在螺旋理论中，如果系统是一个开链机器人或者是开链机构，末端刚体的运动用所有构件的运动叠加来表示，当每个运动描述为运动螺旋时，末端的运动即为诛螺旋的线性组合，即决定刚体运动的所有运动螺旋所组成的集合就是螺旋系16。（2）基于螺旋理论的机构自由度计算本文采用修正的KUTZBACHGRUBLER公式计算自由度，即（43）1GIMDNF式中M机构的自由度；D机构的阶数；G运动副数目；第I个运动副的相对自由度数；IF多环并联机构附加的冗余约束；机构的局部自由度。其中，表示机构的公共约束数。6D其中，机构的局部自由度不影响机构输出件的自由度，是多计算的，比如一个两端用球铰连接的杆件，其能够绕本身轴线旋转，但这个转动自由度实际上并不影响机构的输出，故其属于局部自由度，计算时应该减掉；而机构的公共约束可这样定义当机构所有的运动副均以运动螺旋表示，它们构成一个螺旋系，如果能找到