锻造操作机上架回旋机构设计说明书

1、第一章 引言1.1 本课题的意义锻造操作机是锻造车间实现锻造自动化的关键设备，用于夹持锻件配合压机完成锻造工艺动作。在大锻件生产中，锻造操作机更是必不可少的设备。锻造操作机在20世纪60年代初就已问世，近二、三十年更是得到了迅速的发展。最早是在美国、前苏联，而后在德国、英国、日本等国发展起来，并成为系列化产品进入工业生产。最初的操作机多为全机械传动，随着科学技术的发展，到60、70年代出现了混合传动和全液压传动、结构紧凑、操作灵活的锻造操作机。它与压机配合使用，提高了生产效率及最大锻件质量。80年代以后，随着大型装备制造的快速发展，对大锻件生产又提出了更高的要求，促进了锻造操作机技术的发展，主

2、要表现在对锻造操作机的需求量不断增加，对锻造操作机的最大锻件质量要求大大提高，引起了各国对锻造操作机在锻造生产作用的重视。我国锻造操作机起步于70年代，开始只能由一些锻造厂自己制造有轨锻造操作机，这些操作机结构简单，钳子的张合夹紧靠与吊钳分离开的电动方头扳手来完成，因而夹紧锻件不方便，只能用于钢锭开坯、拨料。随着国民经济的发展，80年代开始研制出全机械传动和少数液压传动有轨操作机。随后，小型液压传动有轨操作机得到发展，并出现了液压传动无轨操作机。90年代初期我国自行设计制造的100kN锻造操作机主要技术性能已达到世界80年代水平，该台锻造操作机于1992年5月在太原试制成功。近年来，核电、造船

3、、化工、国防等领域的大型锻件精确高效制造迫切需要重载锻造操作机。重载锻造操作机发展水平的落后制约了我国的大装备制造能力，部分大型装备的关键构件完全依赖进口。重载锻造操作机直接影响国家重大工程的实施和国民经济的发展，开展重载锻造操作机的研究具有重要战略意义。1.2 锻造操作机的国内外发展现状大型锻造操作机属于当前世界最大的多自由度重载机器人，属于机、电、液高度一体化的复杂装备，它是万吨锻造压机的重要配套设备，也是国家经济建设急需的重大机械装备之一。并且，大型锻件制造业是装备制造业的基础行业，是关系到国家安全和国家经济命脉的战略性行业，其发展水平是衡量国家综合国力的重要标志。通过深入开展大型锻造操

4、作机的研究工作，将逐步实现大型锻造操作机的国产化，对提升我国大型装备及关键零部件的自主设计和制造能力、满足国家经济建设的需求结束我国不能设计大型锻造操作机的历史都具有重要的社会意义和经济效益。一、大型锻造操作机的发展历史锻造操作机最早出现在美国和原苏联，而后在日本、英国、奥地利等国发展起来，并成为系列化产品进入工业性生产。最初的操作机多为全机械传动，60、70年代出现了混合传动和全液压传动、结构紧凑、操作灵活的锻造操作机。到了80年代，各国对锻造操作机的设计、制造、技术改造方面又有了更高的要求，不断改进结构及生产工艺，促进了锻压技术的发展。特别是锻造操作机的需求量不断增加，引起了国内外大、中型

5、企业对锻造操作机在生产中作用的重视。90年代中期，国外大型锻造操作机技术已经成熟，大型操作机与30000kN自由锻造水压机联动操作，不断提高了水压机生产能力。我国锻造操作机起步于60年代，开始只能由某些工厂自己制造有轨操作机。90年代初期，我国自行设计制造的100kN锻造操作机于1992年5月在太原试制成功，其主要技术性能已达到世界80年代水平，能替代同类进口产品。至今，我国自主研发投产的全液压锻造操作机最大夹持能力也只有500kN。世界上装备的万吨级自由锻造压机近30台，最大的模锻水压机载荷能力高达7.5万吨，最大的六自由度锻造操作机操作力矩达7500kNm，最大承载能力高达2500kN。目

6、前，我国已具备了万吨级锻压装备的设计与制造能力，如中国一重自主设计、自主制造的世界上最先进的150MN自由锻造水压机，2006年末已经投产使用，但与之配套的大型锻造操作机仍在研发当中。二、大型锻造操作机的研究现状国内外大型锻造操作机的研究现状锻造操作机作为进行锻造工艺的重要设备，众多国外公司对其进行了系统化研究，目前，德国DDS公司、韩国HBE PRESS公司以及捷克ZDAS公司的锻造操作机的制造水平处在世界前列。其中，德国DDS公司和WEPUKO公司是世界著名的锻造操作机专业研发、制造企业，在重型锻造操作机研制领域具有70多年的历史。此外，日本三菱长琦生产的操作机因拥有高速、高精度的机械手及

7、控制系统而著称。国内锻造操作机的研究起步较晚，在一些技术方面与国外相比还有一定的差距。与万吨压机配套的大型锻造操作机全部采用进口设备，自主开发的大型锻造操作机至今尚未问世，如中国一重与上海交大联合开发的1600kN锻造操作机和北方重工自主开发的2000kN锻造操作机的整机水平还有待于进一步验证。我国与大型锻造操作机相关的研究项目为解决我国重大装备制造中一批关键技术和共性技术问题，实现重大装备及其成套技术的自主研发，科技部在“十一五”国家科技支撑计划中设立了“大型铸锻件制造关键技术及装备研制”项目，在重点完成的工作中明确提出“150MN自由锻造水压机及配套设备关键技术研究”和“165MN自由锻造

8、油压机及配套设备关键技术研究”。第一个课题主要开展大型自由锻造水压机整机设计、模态分析、预应力框架结构整体振动及疲劳分析，开展快换机构设计和控制系统设计研究，研制配套操作机；第二个课题自主开展大型自由锻造油压机整机设计、快换机构设计、控制系统设计技术研究和关键部件研制，攻克多功能操作机设计技术、驱动和控制系统设计技术研究和关键结构件制造技术等，掌握核心技术，开展压机与操作机及辅助装备联动协调控制技术研究等。上述两个课题，对掌握大型操作机核心技术、攻破我国重大技术装备的生产瓶颈、提高特大型自由锻件的制造技术水平与制造能力起着关键性的作用。2006年，上海交通大学、浙江大学、中南大学清华大学、大连

9、理工大学、华中科技大学共同承担了国家科技部“973”计划中“巨型重载操作装备的基础科学问题”项目，围绕“多自由度重载操作机构构型与操作性能的映射规律”“重载操作装备的界面行为与失效机理”“重载操作装备的多源能量传递规律与动态控制”三个基础科学问题，开展了7个课题研究，包括大型构件制造操作运动轨迹建模、重载装备多自由度操作性能度量与机构设计原理、低速非连续工况下重载装备界面行为与力学特征、大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略、大流量电液伺服系统的介质流动规律、重载大惯量装备的快速协调控制和巨型重载操作装备的性能仿真与优化等。从基础研究的角度，揭示了巨型重载操作装备的操作灵活性、力承载能力

10、、刚度等性能与机构构型的映射规律。此课题为我国巨型重载操作装备的研究提供了理论基础，同时，也为配套操作机的研究提供了进一步的可行性。三、大型锻造操作机的技术特征大型锻造操作机和万吨锻造压机是配合在一起联合工作的，工作过程中操作机保持着频繁的重复动作，对其性能的要求为动作速度高、空行程时间短、精整时定位准确，以达到快速锻造，并得到尺寸精确的锻件。与加工装备相比，大型操作机的特点是载荷大、惯量大、自由度多、操控能力强。大型锻造操作机的主要技术特征:一是在重载操作条件下，操作机构件的分布式柔性变形直接影响末端执行器的操作精度。因此，在装备的机构设计中，既要保证操作装备在整个工作空间中具有理想的刚度特

11、性，又要通过运动学设计对结构变形在装备运动链中的传递特性进行控制。此外，锻造操作机长期在非连续工作条件下进行操作，其动力学性能在空载和负载操作情况下存在显著差别。二是大型锻造操作机制造成本高，设计与制造周期长，通常采用单台制造模式。重载操作机通常很难通过物理样机实验对其操作性能进行分析和验证，因此，计算机数值模拟是锻造操作机设计、性能评估与优化的重要支撑技术。第二章 锻造操作机简介锻造操作机（manipulator for forging ）用于夹持钢锭或坯料进行锻造操作及辅助操作的机械设备。 所谓，“10吨操作机”，是指该操作机可夹持的钢锭最大重量为十吨。2.1 基本含义用以夹持锻坯配合水压机或锻锤完成送进、转动、调头等主要动作的辅助锻压机械。锻造操作机有助于改善劳动条件，提高生产效率。根据需要，操作机也可用于装炉、出炉，并可实现遥控和与主机联动。操作机结构分有轨和无轨两种，其传动方式有机械式、液压式和混合式等。此外，还有专门用于某些辅助工序的操作机，如装取料操作机和工具操作机等。为了配合操作机的工作，有时 图2-1 锻造操作机还配置锻坯回转台，以方便锻坯的调头。在模锻和大件冲压中，机械手的应用已日益普遍，这样的机械手实际上是一种自动的锻造操作机。 主要用于750kg空气锤、1000-2000kg电液锤、模锻锤或其它相应吨位的锻锤，是我国锻造行业最先进的设备之一。