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兰州理工大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 堆垛机械手是冶金行j i k 普遍使用的，用于2 0 k g 铝锭连续铸造机组中的专用 设备。本文研究的对象是应用于铝锭铸造过程中的堆垛机械手，结合实际工况环 境，分析了原有堆垛机工作中影响生产效率的因素，提出了改进的方案，通过虚 拟技术和传统经验理论设计相结合，利用二维和三维工程设计软件a u t o c a d 、 p 毋曙f w p p ，对改进的堆垛机械手进行了虚拟设计和运动学和振动分析，验证设 计的合理性，进而优化了结构，提高生产效率。 本课题以应用研究为侧重点，重点预知和掌握已设计完成的机械手结构的可 行性、合理性。主要做了如下几方面工作： 1 ) 研究现有堆垛机各工序的工作效率。分析各工序的工作效率并找出最主 要影响效率的i _ 序。 ，2 ) 对上述最主要影响效率的t 序，分析其影响效率的原因并提出新的解决 方案，理论上论证其是否可行。 3 ) 提出高效堆垛机新的总体设计方案，并进行方案论证，使其效率达到 2 2 t 1 。 4 ) 对新方案和其中关键部件进行结构设计，使其满足使用要求。 5 ) 关键部件的运动进行数学理沦建模，并进行机械系统动力学分析。以便 后序利用分析取得的数据，进行该部件中重要零件的优化设计。 6 ) 利用胁胁p 胁p 押建立新设计的关键部件三维模型并虚拟装配，检查其 设计在装配工艺、空间运动上是否正确，并将错误改正，减少产品开发 周期，节约成本。 关键词：堆垛机械手a u t o c a d p m 但h g 加p 即 虚拟装配 兰州理工大学工程硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i n g o tm a n i p u l a t o rw h i c hi st h ed e d i c a t e dd e v i c eu s e df i o r2 0 k ga 1 u m i n i u mi n g o t c o n t i n u o u s l yc a s t i n gm a c h i n e so f t h em e t a l l u 唱yi n d u s t uo b j e c to f 1 i sp a p e ri s i n g o tm a c l l i n e r yw h i c hi sa p p l i e dt ot h ec o u r s eo fa l u m i n i u mi n g o tc o n t i n u o u s l v c a s t j n gm a c h i n e s t h ed e f i c i e n c vo fm ep r o d u c t i o nr a t em a c l l i n eo r i g i n a l l yi nt h e 、v o r ki sa n a l y z e db yc o m b i n i gt h ea c t u a li n d u s t r i a la n dm i n i n g se n v i r o n m e n t t h e p r o p o s e i st o i m p m v es c h e m e ， c o m b i t l i n g f i c t i f i o u s t e c h n o l o g y a n d们d i t i o n a l e x p e r i e n c et h e o r y a m o c a d a n d p r o e n g i n e e r a r eu s e dt o d e s i g n t h ei n g o t m a l l i p u l a t o lt h e r e i n t o ，m er e a lm o t i o ns t a t eo f t l l es i m u l a t i o no r g 删z a t i o ni ss i m u l a t e d a tt h es a m et i m e ，也er a t i o n a l i t yo fd e s i g ni sv e r i n e d ，a tl a s t ，s t r u c t u r ew i l lb e o p t i m i z e d a p p l i c a t i o ns t u d yi sm ee m p h a s i sp o i n to ft h i ss u b _ j e c t t h ef e a s i b i l i t va n d r a t i o n a l i t vo f t h es t m c r u r eo f t h em 龇l i d u l a t o rw i l lb ef b r e s e e na n dm a s t e r e d h e r ei st h e f o l l o w i n gw o r km a i n l y f i r s t ，w ee x p l o r ct h ea v a i l a b i l i t yo fe v e r yp r o c e s so fe x i s t i n gi n g o tm a n i p u l a t o l a n a l y z i n gt h ea v a i l a b i l i t yo fe v e r yp r o c e s sa n di i n d i n gt h em a i np m c e s sf o ra n o c t i n g 1 ee m c i e n c y s e c o n d ，t h m u g ha n a l y z i n gt h er e a s o nt 、o ra f i b c t i n gt h ee 伍c i e n cy ，w ep u tf o n v a r da n e wm e t h o d ，a n dd e m o n s 仃a t ew h e t h e rhf e a s i b l eo rn o ti nt h e o r v t h i r d ，w ec o m el i pw i t han e wt o t a id e s i g np r o g r a mo fi n g o tm a n i p u l a t o rw i t hh i g h a v a i l a b i n t hd e m o n s t r a t et h ep r o 譬r a ma n dm a k et h ee m c i e r 他vu pt o2 2t o n sp e rh o u r f o u r t h ，w ep r o c e e ds t r u c t u r a id e s i g nf o rt 上1 en e wp r 0 2 r a ma n ds o m ek e yp a r t sa n d m a k et h e ms a t i s f yt 1 1 eo p e r “n gr e q u i r e m e n t f i n h ，p r o c e e d i n gm o d e lb u i l d i n gb ym a t h e m a t i ct l l e o r yf o rt h em o v e m e n to fk e v p a r t s ，a n dd y n a m i ca n a l y s i sf o rm e c h a n i c a ls v s t e m ，i no r d e rt ou s et i l ea n a l y z i n gd a t ai n l a t e ra n do p t i m m nd e s i g nt h ei m p o r t a l l tp a r t s a tl a s t ，w eu s ep r o i k g i n e e rt ob u i l d3 dm o d e lf o rk e yp a r t so fn e wd e s i9 1 1a 1 1 dt o p r o c e e dv i n u a la s s e m b l y ，c h e c ko u tw h e t h e rt h ed e s i g nr i g h to rn o to na s s e m b l yp r o c e s s a n ds p a c em o t i o n ，a n dc o e c t i n gm ee r r o ri st os h o r t e n 山ed e v e l o p m e n tc y c l eo f 帅c l u c ta n ds a v ec o s t k e y w o r d s ：i n g o tm a n i p u l a t o r a u t o c a d p r o e n g i n e e rv i r t u a l a s s e m b l y i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名 日期：巧年j - 月勋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：伽存，月弘日 日期：沙忤户月v 1 日 i i 兰州理工大学工程硕士学位论文 第一章：绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 1 1 1 课题的来源 课题的来源于省科技攻关项目“新型高效铝锭连续铸造机组的研制”， 属其子项目。 1 1 2 研究课题的目的和意义 2 0 0 3 年度，我国具有大小电解铝厂1 5 6 家，电解铝产量达7 6 0 万n 屯，大部 需要通过铝锭连续生产线浇铸成铝锭，若按国产1 6 饥连续铸造机组的生产能 力每条铝锭连铸生产线的年生，。能力约为5 万吨，目前铝锭连铸生产线的 总需求量大约为1 5 0 台，而实际上真正在役的国产1 6 “h 连续铸造机组有6 0 7 0 台，其余为4 5 汕的小型半连续铸造机组，这些小型半连续铸造机组迫切地 需要在尽可能短的时问内被高效连续铸造生产线替代。目前我国电解铝年产量 己超壹千万吨，铝加工年广量5 0 0 万吨以上，而且还在逐年不断的增加。因此， 铝锭连续铸造生产线的需方市场很广阔。 铝锭堆垛是铝锭铸造生产的重要环节之一，堆垛机械是铝锭铸造机组中关 键设备之一。由于国内铸造机的技术水平长期滞留在国外8 0 年代水平，从生 产效率和质量上均不能很好的满足目前国内用户和市场的需要。所以对其中超 过半数生产能力的企业进行系统的技术改造，使其机械化水平得到普遍的提 高，将是一个效益巨大的举措，也是提升我国铝工业机械化水平的有效途径。 由于国外的高速堆垛机价格昂贵、维护保养不便等原因，不适合我国的国情。 因此，设计运用成本大概4 0 万元左右的专用铝锭堆垛机，通过完善它的功能， 提高效率和可靠性，努力向国外的堆垛机靠近是必要的。 为此，研究设计一种生产效率达到2 0 t ，h 以上的铝锭连续铸造生产线，不 仅提高我蓬l 铝行业设备自我设计和制造能力，而且能提高现有国产铝锭连续浇 铸机技术性能和增强产品在国际市场上的竞争力。 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 1 2 国内外堆垛机械手的现状 1 2 1 机械手应用简况 在现代工业发展中，生产过程的机械化、自动化已成为突出主题。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。专用机床是大批量生产自动化的有效方法；程控机床、数控机 床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产的重要方法。但除切 削加工外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待进一步实现机械化。具 有关资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有7 5 是小批量生产：金属加工 生产批量中有四分之三在5 0 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件 生产的3 0 。从这里可看出，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。 据美国和f 1 本的统计，各工种使用机械手的比重大致如下表i 一1 所示： 日本 美国 使川领域比重( )使t l = j 领域比重( ) 机床卸二 件6 2压铸3 0 。 机床上f 料 5 8 冲床上下料 2 0 运输带搬运3 9装配1 5 压力机上下料2 7加热炉装炉、出炉5 装配 2 0注塑机模具搬运5 包装 2 0 机床上下料 2 0 铸造机巴下料1 2 喷漆 压铸 9 焊接 8 塑料加工 7 表1 一1 日本、美国机械手使用领域及比重 据介绍，日本曾就机械手在什么环境下使用作了调查，从7 6 个工厂调查 的工业机械手使用环境列表于1 2 。由以下调查表可见，目前使用工业机械手 代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪音、工作空间狭小等 不适合人工作业的环境。同时可以看到，高温和搬运重物这二项所占比例也较 兰州理工大学工程硕士学位论文 方面 高。 表l 一2 工业机械手使用环境调查表 使用环境使用厂数所占百分比 危险作业 3 24 2 1 多粉尘 3 0 3 9 5 高温作业 3 03 9 5 噪音 2 93 8 1 工作空间狭小 2 53 2 9 搬运重物 2 12 7 6 臭味 1 013 2 有毒气体 81 0 5 【高温度 81 05 高空作业 4 53 高压f 作业 22 6 放射性 11 3 机械手在工业生产中的应用，几乎遍及各行各业。归纳起来，大致有如下几个 1 、组合单机实现自动化 生产上出现的许多高效专用加工设备，如果工作的装卸等辅助作业继续由 人工操作，不仪会增加工人的劳动强度，同时亦不能充分发挥专用设备的效能， 这样必然会影响劳动生产率的提高。若采用机械手代替人工上下料，则可改变 上述不相适应的情况，实现单机自动化生产，并为实现多机床看管提供了条件。 2 、组成自动生产线 在单机自动化的基础上，若采用机械手自动装卸和输送工件，可使一些单 机连续成自动生产线。目前在轴类和盘类工件的生产线上，采用机械手来实现 自动化生产尤为广泛。 3 、高温作业自动化 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 在高温环境下作业( 如热处理、铸造和锻造) ，工人的劳动强度大，劳动 条件差，采用机械手操作，更具有现实意义。 4 、操作工具 用机械手并在其上安装专用工装夹具，在高温、粉尘及有害气体环境下 进行自动化操作，可以使人脱离恶劣的劳动条件，并减轻劳动强度，提高劳动 生产率和保证产品质量。例如利用机械手握持喷抢，可以代替人工进行自动喷 漆或自动喷丸清砂，可使工人从有害气体或粉尘环境下解放出来。 5 、进行特殊作业 在现代科学技术中，原子能的应用，海底资源的开发、星际探索等等都已 为人们所熟悉。但放射性辐射，或海底、宇宙等环境，常常是人体不能接触或 难以接近的，若采用遥控机械手代替人们进行这种作业，既能完成这些特殊作 业，又能长时间地安全地进行工作，成为人类向新的自然领域进军的一种先进 手段。 总之，机械手的应用在工、l k 生产中是多方面的，为了使机械手能发挥它的 更多的作用，还应注意发展其他的辅助设备与之配合。随着机械手技术的进一 步提高，它的适应性将会更强，应用丽也将更广。 1 2 2 机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展，如今早已进入了以通用机械手为标志的时 代。由于通用机械手的应用和发展，从而促进了智能机器人的研制。智能机器 人的涉及的知识内容不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应 用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算机技术、无线电技术、仿生学和 假肢等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都 十分重视。几斗年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修 改，品种在不断的增加、应用领域也在不断的扩大。 l 、根据部分统计，机械手应用的大致情况见下表 表】一3 机械手应用状况表 兰州理工大学工程硕士学位论文 标形 占百分 6 07 02 04 坐标形式中1 式 数代表直角坐 标式2 一代表 圆柱坐标式3 一代表球坐标 式4 一代表极 坐标式 不同抓取方 1234 抓呶方式中 的抓 1 一代表机械式手指 取方 a 占百分 5 42 81 26 2 一代表真空吸盘式手指 数 3 一代表电子吸盘式手指 4 一代表其它形式手指 不同驱动方 123 4 驱动方式中；l 一代 的驱 式 表液压驱动 动方 风 占百分 5 04 09i 2 代表气压驱动 数3 代表电力驱动 4 代表机械驱动 不同臂力( 公 1 0 的传斤) o 1 ， ， j)1o 送重 5o0 0 0 占百分 ，2 32 3 92 5 933 数 手臂自由度 l2 3 456 7 8 的自数 由度 数目 占百分 1 l2 03 k2 l1 0 数 不同 线速度 1 0 0 5 0 0 1 0 的线f 毫米 5 0 01 00 0 速度秒) o o 占百分 2 65 22 2 数 不同角速度 4 44 5 9 0 1 8 0 的角 ( 度，秒) 8 91 7 9 速度 占百分 1 0 1 35 4 2 3 数 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 不同 定位精 一+ + 5 o o 的定度( 毫 o 0 90 1o 5 1 o o 五3 0 0 、 位精米) 0 o 9 99 94 9 9 4 9 占百分 71 72 34 463 数 2 机械手的发展趋势 1 ) 研制有更多自由度的机械手。 2 ) 研制能自动编制和自动改变程序的机械手。 3 ) 研制具有一定“感触”和智力的智能机器人。这种机器人具有各利t 传 感装置，并配备有计算机根据仿生学理论，用计算机充当其“大脑”，使它能“思 考”、能“分析”、能“记忆”。用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器或其 他光敏元件作为“跟睛”，在其“视野”的范围内能看周听筒和声敏元件等做 “耳朵”能“听”，用扬声器等做“嘴”能说话进行“应答”。用热电偶和电 阻应变仪等作“触觉”能“感触”。用滚轮或双足式的行走机构作“脚”来实 现自动位移。这样的智能机器人，可以由人用特殊的语言对其下达命令、布 置任务，受令后的智能机器人即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地 “分析”和“判断”并自编或自变程序的进行工作，能够白找物体的方位， 自调握力的大小、自找传递路线以避开长碍物。 1 1 3 电解铝行业铝锭堆垛机的现状和特点 目前我国铝行业使用的铝锭连续铸造机组主要有三类，分别为国产4 5 t h 的小型半连续铸造机组、国产1 6 t h 全自动连续铸造机组和进口高效全自动连续 铸造机组( 2 0 0 5 年我国山西河津铝厂进口了三条瑞士高兹公司的连铸线) 。 上述三类堆垛机的特点如下：4 5 讹半自动铝锭堆剁机成本较低，但效率低， 可靠性差，最高产量6 讹，随着经济的发展和生产率的提高，4 5 讹的小型半连续 铸造机组已经开始淘汰；1 6 仙的铝锭连续铸造机是我国引进日本2 0 世纪8 0 年代 生产的机型，专门用于普通重熔用铝锭连续铸造的自动化生产线，经过近十年的广 泛应用及改进，在我国铝锭生产企业得到较广泛运用。1 6 讹的锚锭连续铸造机上 的全自动铝锭堆垛机效率较高，堆垛最高效率达1 6 t m ( 实际生产中为1 2 1 4 讹) ， 6 兰州理工大学工程硕士学位论文 自动化程度较半自动堆垛机高，操作方便，但成本相比半自动略高。而国外的铝锭 连续铸造机组( 主要是澳大利亚澳迪体公司o d t e d g i l l e e r i n gp t ) l t d 和瑞士高 兹公司) 的设计生产能力达2 8 讹( 实际生产中是2 0 仙) ；其中高兹公司的铝锭堆垛 机采用两个机器人实现，其成本高( 国产1 6 t l 的铝锭堆垛机每台售价为不到2 0 万 元，瑞士高兹公司生产的2 8 们1 铝锭连续铸造机中堆垛机两个机器人带夹具约 为3 0 0 万元，套) ，是国产1 6 t ， l 的全自动铝锭堆垛机的1 0 倍以上。 随着我国铝行业的快速发展，国内对铝锭连续铸造机组的生产效率要求越来越 高，而制约铸造机组生产效率最主要的是堆垛机的效率，因此，研究高效堆垛机是 具有一定经济和社会意义。 1 3 本文的主要工作内容 本文主要研究内容是： 1 ) 研究原有1 6 曲铸造机中堆垛机各工序的：l ：作效率。堆垛机主要有拉锭、搭 锭、小车夹具下降、夹具夹紧、小车夹具上升、小车移位、小车夹具下降、 夹具张开、小车夹具回位等工序。分析各工序的工作效率并找出最主要影响 效率的工序。对上述最主要影响效率的工序，分析其影响效率的原因并提出 新的解决方案，理论上论证其是否可行。 2 ) 提出高效堆垛机新的总体设计方案，并进行方案论证，使其效率达到2 2 仉1 。 3 ) 对新方案、新方案中关键部件进行结构设计，使其满足使用要求。 4 ) 将关键部件的运动进行数学理论建模，并进行机械系统动力学分析。以 便后序利用分析取得的数据，进行该部件中重要零件的优化设计。 5 ) 利用p m 仍h 譬f h 卯r 建立新设计的关键部件三维模型并虚拟装配，检查其 设计在装配工艺、空间运动上是否正确，以便将设计错误改正。 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 第二章堆垛机( 械手) 的总体方案设计 2 1 目前国内堆垛机械手的工作装置原理及操纵性概述 目前国内2 0 k g 铝锭生产线中堆垛机( 械手) 主要有半自动铝锭堆垛、全自动 铝锭堆垛( 国产1 6 讹的铝锭生产线) 、进口外国的机器人堆垛叁种，下面就前两 种做重点介绍。 2 1 1 半自动铝锭堆垛 半自动铝锭堆垛( 国产6 t ，h 的铝锭连续铸造机) 生产流程如图2 1 所示。 图2 一l 半自动铝锭堆垛作业流水线 l _ 液态铝2 浇铸模3 输送链条14 输送链条25 冷却槽6 铝锭7 推档缸8 整齐缸9 提升 缸1 0 推进缸1 1 升降缸1 2 夹具 混合好的液态铝( 6 8 0 0 c 7 2 0 0 c ) 被均匀的浇铸到铝锭模中自然冷却到5 0 0 0 c 成型，脱模后被倒扣在有冷却水的水槽中强制冷却。铝锭的半自动堆垛原理过程 是： l 、冷却槽中的输送链条将铝锭输送到冷却槽中的最左端。 2 、提升气缸工作将铝锭从冷却槽中提起。 3 、根据堆垛要求，将第。层的全部四块，其余1 0 层的第二块和第四块铝锭翻 转1 8 0 0 ，然后推挡气缸工作将挡块上推，使铝锭在放置到工作台面以前翻转1 8 0 0 。 4 、整齐气缸工作将台面上的铝锭对齐、排列。 5 、夹取气缸工作将工作台上排列好的每一层铝锭夹取( 第一层四块，其余层 兰州理工大学工程硕士学位论文 五块) 。 6 、旋转气缸工作根据堆垛要求奇数层在堆垛前旋转9 0 0 ( 偶数层则不旋转) ， 铝锭堆垛，然后复位。 这种6 t m 的半自动堆垛机虽然成本低，但堆垛效率低，可靠性差，必须有人工 辅助才能完成，堆垛效率低，最高产量6 讹，无法满足大生产需要。 2 1 2 全自动铝锭堆垛 全自动铝锭堆垛生产流程如图2 2 示。 234 图2 - 21 6 讹全自动铝锭堆垛作业流水线 1 铸造机2 冷却运输机3 堆剁机4 成品运输机 其工作过程是： 1 、却运输机在油缸的作用下将冷却到5 0 0 c 以下的铝锭间歇运至尾部轨道上。 2 、引装置在气缸的作用下上升，将冷却运输机轨道上的铝锭托起，然后在油缸的作 用下将己托起的铝锭拉入翻转机，牵引装置下降前进等待下一。次工作。 3 、翻转机在夹紧气缸和翻转气缸的作用下按堆垛要求，将第一层全部四块和其余l o 层的第二块和第四块铝锭翻转1 8 0 0 。 4 、整列装置将工作台面的铝锭排列整齐。 5 、夹取装置从工作台上将排列好的铝锭( 第一层4 块。其余十层5 块) 夹取，根据 堆垛要求，夹取前先压紧每层铝锭，夹取后奇数层在堆垛前旋转9 0 0 ( 偶数层则不 转) ，再将铝锭放在垛上，然后复位。 成品运输机最后将堆好的铝锭垛运走，然后捆扎由叉车运入仓库。这种全自动堆 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 垛机，效率高，可达1 6 m 。自动化程度高，操作方便 2 1 3 进口外国的铝锭堆垛机简介 国外生产铝锭连续铸造机的厂家主要有澳大利亚的o d t 公司和瑞士的高兹公司， 前者产品中铝锭堆垛用的为专用堆垛机械手，后者用两个通用机器人，通过专用夹具 夹持铝锭来堆垛。这两公司所生产的铝锭连续铸造机的生产率都很高，达到2 5 t h 以 上。其共同的特点是生产率高、可靠性好、价值昂贵、计算机全程控制无人操作，维 修不方便。 2 2 目前国产1 6 t h 堆垛机( 械手) 的特点与工作参数 图2 3 目前国产1 6 曲堆垛机c a d 图 堆垛机是电解铝、铝厂冶炼车间用于将铝锭堆放成规定形态的机械设备，是2 0 k g 铝锭连续铸造机组中关键设各之一。该设备采用液、气传动形式。机架为型材焊接 结构件，全程p l c 控制，作业率高，适用于在各种工矿下作业。图2 3 为兰州理工 大学机电工程学院研制的1 6 t h 的2 0 k g 铝锭连续铸造机组中堆垛机( 械手) 的c a d 图。 液压系统中采用外接液压站，液压元件中阀选用进口美国p c a k ，各种油、气 兰州理工大学工程硕士学位论文 缸均为国产优质产品；p l c 选用进口a b 、西门子等公司，以保证满足液压、气动 系统工作需要。 2 2 1 国产堆垛机( 械手) 主要技术参数 堆剁能力 1 产品技术条件 ( 1 ) 产品重量 普通铝锭 ( 2 ) 铝锭块、垛形尺寸 1 6t h 2 0 1 5 k 铝锭块尺寸：8 0 5 1 8 4 8 5 ( 氏宽高) m m 每垛1 1 层，共5 4 块，第一层4 块，第二层至十一层为5 块。 铝锭垛尺寸：8 0 5 8 0 5 9 3 5 ( 长宽高) 每垛重量： ( 3 ) 压缩空气 管网压力： 使用压力： 空气耗量： ( 4 ) 液压站参数 压力： 功率： 泵输出流量 o 7m p a o 5m p a 7 5m h 8m p a 2 2 k w 1 4 0 升分 2 2 2 、国产堆垛机( 械手) 工作装置结构简介 堆垛机是一个将冷却运输机送来的铝锭按照事先规定好的程序运动进行堆垛的 自动化装置。它可分为牵引、翻转、整列，夹具小车堆垛、机架等部份。 ( 1 ) 牵引装置： 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设汁研究 这是一个能从冷却运输机的尾部导轨上将铝锭拉入翻转装置而同时又将翻 装置中的铝锭推移到整列运输机上的装置，这一动作是由升降气缸和牵引油缸 带动托架来完成的。 升降气缸 巾8 0 1 1 5 牵引油缸 ( 2 ) 翻转装置 按照堆垛的要求对铝锭进行翻转1 8 0 。的装置。翻转动作是用两个央紧气缸 将铝锭的两端沿轴向夹紧，然后用翻转气缸将其翻转1 8 0 。、下一块翻转时再用 气缸反转1 8 0 。复位。雄垛时第一层全数翻转，其中第1 、3 块正转，第2 、4 块 反转。第二至十一层中第2 、4 翻转( 其中第2 块正转，第4 块反转) ，第1 、3 、 5 不翻转。 夹紧气缸： 中8 0 6 3 旋转气缸： 中8 0 9 0 0 ( 3 ) 整列机 2 个 2 个 这是一个对一排铝锭进行整列和排列的装置。利用缓冲架挡住每一层中的 第一块。由导向升降机构推动每排铝锭前进，在推动过程中自动靠紧，并且 因装在导向升降机构上搭锭装置的作用使第二层至十一层中因排列需要而翻转 的铝锭与未翻转的铝锭相互扣紧。 搭锭气缸： 巾5 0 1 0 0 1 个 ( 4 ) 堆垛装置 这是一个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的 装置。这一装置又大致可分为夹具、旋转、移动小车等部份。 a 夹具 这是能把一排铝锭( 4 块或5 块) 在两个气缸的作用下，由两块夹板将 其两端牢牢的夹住。气缸的夹紧和放松由电磁换向阀控制。 开闭夹具气缸： 巾8 0 4 02 个 b 旋转装置( 9 0 0 ) 兰州理工大学工程硕士学位论文 已经夹取铝锭且正在前进的夹具，凡遇第1 、3 、5 等奇数层时需旋转 9 0 。进行堆放，夹具后退时复位。凡2 、4 、6 等偶数层时不需旋转，夹具的 旋转动作是由气缸的伸缩来完成的，而决定夹具旋转是由层数计数器控制的。 旋转气缸 巾8 0 2 5 0 c 移动小车 气动夹具被安装在可移动的小车上，夹具的上升和下降是靠一个下腔进油 ( 上腔进油进气) 的油( 气) 缸来完成的，夹具上面设有两根平行的导向柱， 导向柱的作用除在升降时导向之外，尚使台车移动时夹具不致产生前后摆动。 此外，央具和旋转装置所用的气管和电缆都是从这两根空心导向柱穿过的。台 车的前进和后退是在油缸的作用下完成的，前进和后退的终了均有一段减速行 程，使其速度逐渐减小到零。这动作是油压系统的减速阀来完成的。 夹具升降用油气缸 小车移动油缸： 中5 0 1 2 0 0 2 2 3 国产堆垛机( 械手) 工作原理与动作顺序 l 堆垛机的工作原理 堆垛机结构比较复杂，主要由牵引装置、翻转装置、整列装置、堆垛装置四部分 组成，各部分功能如下。 1 ) 牵引装置是从冷却运输机的尾部导轨上将铝锭拉入翻转装置而同时又将翻 转装置中的铝锭拉到整列运输机上的装置，这一动作是由升降气缸和牵引液压 缸来完成的。 2 ) 翻转装置是按照堆垛的要求对第一层全部四块铝锭和第2 层至第1 1 层5 块 铝锭间隔进行翻转1 8 0 。的装置。翻转动作是由两个夹紧气缸将铝锭的两端沿轴 向夹紧，然后又由两个翻转气缸将其翻转1 8 0 。完成，下一次翻转时仍由翻转气 缸反转1 8 0 0 复位。 3 ) 整列装置是对每层铝锭进行整列和排列的装置。由牵引机构拉动每一排铝 锭前进，在拉动过程中自动靠紧，并且因装在搭锭机构的作用下使第二层至十 一层中因排列需要而翻转的铝锭与未翻转的铝锭相互扣紧。 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 4 ) 堆垛装置是将经过整列的铝锭用夹具夹住移放到成品运输机上进行堆垛的 装置，由夹具装置、旋转装置、堆垛小车等部分构成。 5 ) 夹具装置是能把每层铝锭在两个气缸的作用下，通过两块夹板将其两端牢 牢地夹住，在上面又有气缸压紧的一个气动夹具。气缸的夹紧和放松由电磁换 向阀控制。( 两块夹板和一块固定压板与夹具主体之间都有绝缘板相隔。因为 夹板与压板上均有电气的接地线。用以控制夹具的到位) 。 6 ) 旋转装置是夹具把已经夹取的奇数层铝锭在夹具前进的同时旋转9 0 0 后进 行堆放，最终使相邻两层铝锭横竖方向交叉。堆垛小车后退时夹具复位。夹具 的旋转动作是由气缸来完成的。 7 ) 堆垛小车是使夹具装置沿轨道前后移动的装置。夹具的上升和下降是靠一 个油气缸来完成的。堆垛小车的前进利后退是在油缸的作用下完成的。 2 、 国产堆垛机( 械手) 动作顺序 由于构成堆垛机的装置比较多，要完成的功能也比较多，相互的协渊和配合就 显得十分重要。具体的动作顺序见图2 。4 。 图2 - 4堆垛机动作顺序图 2 2 4目前国内、外生产的堆垛机( 械手) 相比较的特点 1 国内、外2 0 k g 连续铸造机中堆垛机( 械手) 相比较存在的差距： 1 ) 生j 。率低。我国国内生产的2 0 k g 铝锭连续铸造机中堆垛机( 械手) 设 计能力为1 6 c h ，实际在工作中为1 4 t 1 1 ，远低于国外产品( 国外为2 0 t 1 1 以上， 1 4 兰州理工大学工程硕士学位论文 其中瑞士高兹公司生产的为2 8 讹，澳大利亚o d t 公司生产的达到3 0 讹) ； 2 ) 可靠性相比国外的要低。在国内生产2 0 k g 铝锭连续铸造机的厂家有许 多，但最著名的有三家，分别为兰州理工大学机电工程学院、沈阳汇丰机械 有限公司、贵阳奥特机电技术发展有限公司。最高的可靠性才9 6 9 8 ，正因 为如此，国产的堆垛机( 械手) 必须在此处有人值守操作。而国外的堆垛机 械手全为无人操作，计算机控制，可靠性达9 9 9 以上。 3 ) 工作环境恶劣，工作噪声、振动很大。堆垛机械手中夹具小车的前进和 后退过程中对机架造成很大的震动；翻转机在对每层偶数块的翻转( 用于铝 锭的锭形搭接) 过程中振动和冲击大。 2 国内、外2 0 k g 连续铸造机中堆垛机( 械手) 相比较优点 国产的2 0 k g 连续铸造机中堆垛机( 械手) 主要有两种，分别是6 讹和1 6 t h 的，前者结构简单、维修方便、生产率低、可靠性差，但成本最低，由于生 产率太低的关系近几年己被后者所取代。后者生产率处于中等，可靠性接近 9 5 9 8 ，每台造价不到2 0 万人民币。虽比6 t h 的堆垛机成本高，但远低于 进口国外2 0 k g 连续铸造机中堆垛机( 械手) 造价，以山西省河津县进r | 瑞 士高兹公司的产品为例，每条生产线为人民币1 3 0 0 万元，其中堆垛机用了两 个机器人加上各自专用夹具，其价值达到人民币3 0 0 万以上，价格昂贵又不 易维修，目前在国内还不能推广应用。 2 2 5 影响国产堆垛机( 械手) 工作效率的因素分析 由前可知，堆垛机( 械手) 是将铝锭按一定的规律码成特殊形状垛形的机器。 目前1 6 t m 的堆垛机是由牵引钩拉进铝锭、翻转机对每层的偶数决进行翻转，夹 具小车夹走每层铝锭并堆成垛形。由生产率计算得知，当生产率为1 6 讹时，每 块铝锭在每个工步上为4 5 秒，当生产率为2 2 怕时，为3 2 秒。以下为堆垛机各 个工序时间表。 1 堆垛机动作时间顺序表： = = = 堡坠堑塑丝堡塑i 鱼量竺查塞皇耋篁童丝墼堡茎堡窒 燃删目臌 ( 靴# ) 图2 、5 原1 6 饥堆垛机械手动作时问顺序表 从2 - 5 图中可知，在整个堆垛机( 械手) 一个工作循环过程中( 即块铝锭从 冷却运输机到成品运输机上) ，影响摄大的为牵引钩和夹具小车的运动，其中牵引钩 的个循环工序( 升、进、降、出) 用的时间为45 秒：夹具夹取每层铝锭移位一 个二i ：序为2 2 5 秒( 除第一层4 块处，其余各层为5 块) ，平均到每块为4 5 秒：夹紧 与翻转时间最短，平均每块还不到1 5 秽。 堆辕札前作时阔膜序表 艄：马皂堂塑兰嬲瞧篓# * 暂鞯：牡l 至i ；十喇脚瑞# 目转键蟊糟t 已眚敢拱日耜懒默具不目转 一 3 揣靴断靴目依屉巍懒面勰，镕一船5 机菇卜目j 1 与# + ( 单位：秒) 图2 - 6 生产率达到2 2 讹后堆垛机动作时间顺序表 当生产率提高到2 2 坍1 后，引锭钩的拉锭进和出分别由提高前的2 2 5 秒减到1 6 秒，夹具小车的速度也由提速前的2 2 5 秒个循环变为1 6 秒。如图2 6 所示。 2 ) 影响堆垛机( 械手) 效率的因素： 兰州理工大学工程硕士学位论文 堆垛机械手和生产效率主要取决于油缸活塞的前进和后退速度( 牵引钩的拉锭进 退、夹具小车的进退和上下速度均为油缸作伸缩运动来进行) ，气缸活塞的伸缩速度， 电子开关控制阀的响应滞后时间，磁感应开关响应滞后时间，p l c 程序控制滞后时 间等等。 2 3 高效堆垛机( 械手) 的总体方案设计 2 3 1 瑞士高兹公司的铝锭连续铸造机组中堆垛机械手的效率分析 在我国山西河津县某电解铝厂，进口了三条瑞士高兹公司设计的铝锭连续铸造 机组，其堆垛工序用了通用两个机器人，通过专用底座错开放置在冷却运输机两边 ( 一边一个且错开) ，机器人的机械手上安装了专用夹具( 请见下图2 ，7 ) ，用于夹持 铝锭，一次可夹两块。以铝锭垛的第二层铝锭为例，其工作方式是：当检测机构发 现冷却运输机输送链上有铝锭时，机器手上的夹具夹持两块铝锭并将其放到铝锭垛 位上的1 、3 位上，回位后再夹持两块铝锭并在空中移动过程中翻转( 每层的偶数块 需要翻转1 8 0 0 ) 并将其放到铝锭垛位上2 、4 位上，最后只夹持一块放到第5 号位， 这样层就堆放完成。 图2 7l j j 西河津铝厂进口的高兹公司连续铸造机组中堆垛机械手 左图：堆垛用的通用机器a 右图：在通用机器人上安装的专用夹具 从上可计算出，每块铝锭从冷却运输机到成品运输机上所需的时问( 即在堆垛 工序上所用的时间) 是：按理论生产率2 8 吨j 、时计算为5 2 秒；机器人每夹持次 铝锭到位后的工步所需时间为8 6 7 秒。 2 3 2 高效堆垛机( 械手) 设计方案 根据前面所述，要提高堆垛机( 械手) 的生产效率，使其达到2 2 讹的生产效率 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 有以下几种方案。 1 、对原有的1 6 讹堆垛机械手影响生产效率进行分析，理论计算出该机能够提高的 最高速度和生产率。 2 、重新设计一种低成本，高效率的堆垛机械手，使之与前工序的冷却运输机和后工 序的成品运输机相对接。 3 、学习澳大利亚o d t 公司，采用特殊的专用堆垛机械手。 4 、与瑞士高兹公司一样，设两个通用机器人，带专用夹具来堆垛。 下面以前两种为主分别商讨。 2 3 3 对现有1 6 t h 堆垛机( 械手) 提速设计方案 2 33 1 现有16 t h 堆垛机( 械手) 改进设计方案1 1 、目前该堆垛机的总体布局为图2 8 所示。 图2 _ 81 6 t ，h 铝锭堆垛机总体布局 1 冷却运输机2 堆垛机牵引钩3 摊垛机小车牵引油缸( 行程1 2 0 0 m m ) 4 翻转装置5 堆垛机夹具6 堆垛机 夹具上下牵引汕气缸( 行程1 1 5 0 m m ) 7 堆垛机小车8 已堆垛好铝锭垛9 成品运输机 2 、1 6 讹堆垛机运动速度分折 1 6 t 1 1 堆垛机主要由牵引排列装置、翻转装置、夹取装置、堆垛平台四部分组成。 堆垛机机工作时动作顺序如图2 4 所示，当生产率是1 4 4 讹时( 现我国的1 6 t 1 1 铝锭连续铸造机实际产量均在此值以下) ，其中牵引钩的一个循环工序( 于| 、进、降、 出) 用的时间为5 秒( 其可以在3 5 秒之内完成) ；夹具夹取每层铝锭移位一个工序 为2 5 秒( 除第一层4 块处，其余各层为5 块) ，平均到每块为5 秒；夹紧与翻转时 兰州理工大学工程硕士学位论文 间最短，平均合计每块还不到2 秒。 约束铝锭堆垛机堆垛速度最主要是夹具夹取每层铝锭移动：堆垛机夹具与堆垛 机小车的两种运动。从图2 8 中明显的看出上述运动轨迹可简化为图2 9 ( 小车进退 即图2 9 中由b 到c 和返回，夹具在两位置的升降即图2 9 中a b 段和c d 段的运动) 。小车与夹具的一个行程为由a 到d 、再由d 返回a 。 b 图2 9 堆垛机夹具运动轨迹简图 其中，a b 距离为4 5 0 m m ，b c 距离为1 1 7 0 n l m ，c d 距离为1 1 5 0 m m 。 堆垛机夹具上下牵引油气缸( 行程1 1 5 0 m m ) 是上升用液压、下降靠自重和压缩空 气，即图2 9 中由a 到b 和由d 到c 为液压，相反运动靠气压和目重。b c 段用液 压做动力。 堆垛机央具上下及前后运动时速度v 与时间t 的关系均为如图2 1 0 所示： 图2 1 0 堆垛机夹具运动速度v 与时间t 关系图 图2 1 0 中，夹具从静止开始匀加速，到时间t 1 后为匀速运动，到时问t 2 后做 匀减速运动。 3 、16 妇堆垛机提高生产效率分析 要提高1 6 讹堆垛机生产效率，从上面运动速度分析可知，关键是提高堆垛机夹 具夹取每层铝锭移位工序的生产率。在尽量少改变现有设备的情况下，有叁种方式 新型高效堆垛机的总体方案与关键部件的设计研究 可以做到 加快夹具的上下和前后移动速度，使该工序行程时间缩短。可以从加大其 加速度( 或减速度) 、提高其最终行进速度( 即图2 1 0 中v t ) 等方法得到。、 减短夹具的上下和前后移动距离，也使该工序行程时间缩短。 上述两种方法的结合，即缩短行程又加快速度。 但是方法在现实中改变不大，原因主要有以下几点： a 夹具的上升和前后移动是靠液压缸驱动的，要加快速度，必须即要加大液压 泵的流量、压力及驱动电机的功率( 目前液压泵驱动电机为2 2 k w ，工作压力为 8 m p a ) ，还要减小液压同路中压力损失。而加大驱动电机和增大工作压力都不现实， 这样一来，原设计的液压系统就不能满足要求，必须重新没计，用多泵多电机或大 电机大流量泵，增加成本。 b 由于堆垛机机架是悬臂梁式结构( 由于操作和检修丁艺要求，无法做成珩架 式) ，当提高夹具的运动加( 减) 速度时，机架将发_ ：抖动( 尤其是在机架卜- 顶部) 。 4 、改进后的堆垛机设计： 由上分析得知，小车与夹具的一个行程为由a 到d 、再由d 返回a 。由于铝锭 垛的高度与宽度限制，b c 与c d 的距离无法改变，只有a b 长度可以缩短，经计算， a b 长度由改进前的4 5 0 蚴缩短为】5 0 i 砌( 标准单层铝锭厚为8 5 m m ) 时，完全能 够满足工艺工序要求，此时若按生产率1 4 ，4 讹( 即每块铝锭占用5 秒) 时的小车夹 具速度计算，比改进前少5 秒以上( 原小车夹具工作一个行程需用2 5 秒，现由于来 回少行走了6 0 0 r m ，只要不到2 1 秒就够了) ，生产率可达1 7 t ，1 1 。具体结构如下图 2 1 1 所示： 其特点是： 将成品运输机安装地平位置下降3 0 0 m m ，