【文章內(nèi)容簡介】 在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的 費工的工業(yè)部門，機械手的應(yīng)用情況決不能說是很好的。雖然這些工業(yè)部門 工時不足的問題 很 尖銳，但采用機械手只限于一 小 部分 工 序。其原因之一是， 工業(yè)機械手的性能還不能滿足 這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小。另外經(jīng)濟性 問題當然也很重要，采用機械手 來 節(jié)約人力從經(jīng)濟上看不一定總是合算的 。 然而，利用機械手或類似機械設(shè)備節(jié)省人力和 實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術(shù)方面和 價格方面存在的問題獲得解決，機械手的應(yīng)用必將會飛躍發(fā)展。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 8 第二章 環(huán)型加熱爐及 出料機械手 環(huán)型加熱爐 隨著鋼鐵工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)高速、高精度連續(xù)軋機及快鍛、精鍛設(shè)備的要求， 環(huán)型 加熱爐得到了較快發(fā)展。 環(huán)型加熱爐是工業(yè)爐中爐型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機械化程度和裝備水平較高的一種，一般適用于無縫鋼管穿孔前的加熱 。根據(jù)加熱管坯尺寸的不同，環(huán)型加熱爐的直徑也有所不同，但基本結(jié)構(gòu)均無很大的差異。環(huán)型加熱爐適合于加熱異型鋼坯，坯料間隔布置，三面受熱，加熱時間短，溫度均勻；可根據(jù)要求改變爐內(nèi)布料、改變加熱溫度。環(huán)型加熱爐適合大批量生 產(chǎn) 的要求，有利于實現(xiàn)機械化和自動化。 環(huán)型加熱爐的結(jié)構(gòu) 環(huán)型 加熱爐是借爐底的 旋轉(zhuǎn)，使放置在爐底上的 管坯 由裝料口移到出料口的一種爐型。爐子用側(cè)進料、側(cè)出料的方式，并且用側(cè)燒嘴加熱。 環(huán)型加熱爐由轉(zhuǎn)動爐底和固定爐墻、爐頂組成。整個環(huán)型加熱爐看起來為一個立體圓環(huán)。沿爐子圓周方向可分為幾個段，如預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段、均熱段、清渣段等。段與段之間用隔墻隔開，有些段采用水冷隔墻。爐底和爐墻之間的環(huán)逢采用水封以防止熱量和煙氣散出。 清渣段：沒有坯料，供清渣用。 預(yù)熱段：不安燒嘴，只靠爐內(nèi)煙氣對管坯加熱，起到節(jié)能降耗的作用。 一加熱段：開始安裝燒嘴，是供熱的主要段，也是提高產(chǎn)量的主要段。 二加 熱段：是供熱的主要段，也是提高質(zhì)量的主要段。 均熱段：在這段里最大限度地消除管坯表面和中心的溫度差，提高管坯的加熱質(zhì)量。 環(huán) 型 加熱爐結(jié)構(gòu)上沒有明顯的分段，主要靠燒嘴的配置和供熱強度來控制溫度制內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 9 度 。 各段的長度并不固定，例如爐子在低負荷下工作時，就可以關(guān)閉一部分加熱段的燒嘴，預(yù)熱段就相對延長。 為了使爐子各段的溫度更符合加熱工藝的要求，環(huán)型加熱爐都設(shè)有水冷梁支托的吊掛式隔墻。隔墻的數(shù)目和位置不一定，一般設(shè)有三道隔墻： (1)在加熱段和預(yù)熱段之間設(shè)一道隔墻，減少加熱段向預(yù)熱段的熱輻射； (2)在均熱段和出料口之間設(shè)一 道隔墻，防止因出料口經(jīng)常開啟而降低均熱段的溫度，還防止均熱段熱氣直接進入排煙道； (3)在裝料口與出料口之間也有一道隔墻 (有時有兩道 )，以避免裝料口吸入冷風，對出料口的熱 管坯 造成不良影響，也防止均熱段熱氣短路，直接進入排煙道。隔墻距離爐底的間隔高度，應(yīng)保證加熱最大直徑的 管坯 時能自由通過，還考慮到氧化鐵皮在爐底上的堆積，故間隔高度一般約為 140mm。 環(huán)型加熱爐一般由混合煤氣、天然氣等可燃氣體供熱，各段供熱可以單獨進行控制。燒嘴均安裝在內(nèi)外環(huán)墻上。爐底一般由若干電機驅(qū)動，目前均實現(xiàn)變頻調(diào)速控制。另外，裝料和卸料 由電機或馬達等驅(qū)動的小車完成。 環(huán)型加熱爐的優(yōu)缺點 環(huán) 型 加熱爐具有以下的優(yōu)點： (1)爐子的轉(zhuǎn)速和 管坯 之間的間隔距離可以準確地控制，各段的溫度可以根據(jù)需要通過調(diào)整供熱量及利用中間 煙道 實行控制。爐子的產(chǎn)量、熱工制度等都有較大的靈活性。 (2)由于 管坯 之間有間隙，三面受熱，溫度均勻，沒有水管黑印，加熱質(zhì)量好。 (3)可以加熱推送式 爐 和步進式爐所不能加熱的異型 管坯 。 (4)和斜底爐相比，加熱圓坯時不需要翻料，沿爐長沒有高度差，漏人的空氣少，甚至可以采取微正壓操作，燒損 率 比 推 送式連續(xù)加熱爐減少 ％ ～ 2％。 (5)爐子可以排空，避免停軋時 管坯 在爐內(nèi)長期停留，便于更換 管坯 規(guī)格。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 10 (6)由于幾乎沒有什么水冷件，熱耗比較低。 環(huán)型 加熱爐的缺點： (1)機械設(shè)備復(fù)雜， 占 地面積大，投資費用高。 (2)管坯 之間有間隙 ， 爐底面積利用率低，爐底強度只及推送式爐的一半左右 。 (3)裝料門和出料門相距很近，送料與出料的區(qū)域很窄，操作不方便。 環(huán)型加熱爐的工作過程 環(huán)型加熱爐的管坯料為圓柱狀，一般沿徑向布置。正常工作時爐底按一定 速度旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動一個料位便停一下，在停止轉(zhuǎn)動的時間內(nèi)完成向一個料位裝料并從出料口卸下一根坯料給軋鋼機。然后， 爐 底繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，如此連續(xù)不斷地運行。在爐底旋轉(zhuǎn)一周后，坯料剛好經(jīng)過預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段、均熱段完成對坯料的均勻加熱最后被送出加熱爐。而燃料和助燃空氣則經(jīng)各段燒嘴噴入爐膛燃燒，廢氣經(jīng)煙道排除煙囪。 出料 機械手 出料 機械手是生產(chǎn)制造中的一個重要部分，針對加熱爐有一個出料門和一個上料門。有的加熱爐僅有一個門，集出料和上料于一體。 出料 機械手位于出料門前側(cè)或上側(cè)，將 管坯 夾取出爐的一個裝置，然后將 管坯 放于爐前的軌道，傳送至加工裝置。 出料 機械手是針對專項 管坯 加工設(shè)備進行的專門設(shè)計，應(yīng)用到力學、熱學、摩擦學以及傳感器等 多方面的知識。本次設(shè)計是針對包鋼集團無縫鋼管廠小無縫的 φ35mm 加熱爐進行的設(shè)計。 出料 機械手中用到的液壓缸和傳動部件用的是國內(nèi)標準系列產(chǎn)品。液壓缸的選取全選自江蘇無錫液壓缸廠，控制精度難度中下級別，而對于天津大無縫的 出料 機械手中所用到的是德國力士樂公司用到的液壓缸，控制精度相對比較高，其控制基于 ST— 200PLC 控制，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，但其設(shè)計也是針對加熱內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 11 爐出料機進行的專項設(shè)計。 設(shè)計專題部分 本次設(shè)計是針對包鋼集團無縫鋼管廠 φ 35m加熱爐出料進行的專項設(shè)計。 φ 35m加熱爐是包鋼集團無縫鋼管廠生產(chǎn)工藝流 程中的一個重要設(shè)備，無縫鋼管廠主要生產(chǎn)工藝路線：管坯鋸 — 管坯加熱 — 穿孔機 — 連軋機 — 脫管機 — 再加熱爐 — 定徑機 — 冷床 — 管排鋸 — 矯直機 — 探傷 — 倒棱 — 熱處理 — 包裝發(fā)行，管坯鋸斷以后，再將斷坯送入至加熱爐，即裝料，然后在加熱爐里加熱至合適溫度，使得管坯 在 比較適合穿孔的溫度下出料 ，本次設(shè)計就是針對其出料結(jié)構(gòu)進行的一個專項設(shè)計。 本次設(shè)計主要是根據(jù)設(shè)計給定的參數(shù)，利用我們所學專業(yè)知識以及制圖知識，設(shè)計出合理的夾料出料裝置，完成主要部件框架的組合設(shè)計以及部分零件的強度校核，最后對部分零件進行壽命預(yù)算，最后畫出裝配圖及零件圖 。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 12 第三章 出料機械手的方案確定 可選方案 方案一 出料機械手要想完成從加熱爐中夾取出 管坯 的任務(wù)，必須存在水平面內(nèi)的直線運動、豎直面內(nèi)的升降運動以及旋轉(zhuǎn)運動，所以有必要設(shè)計一個支撐機械手完成上述動作的機架。該機架設(shè)有 一 正對爐門并高于爐門的長直軌道 來支撐行走小車。水平軌道長度大于小車行程，約 46m（小車水平行程約 ,回轉(zhuǎn)加熱爐直徑為 35m,小車允許運行的有效行程為 10m） 行走 小車動力源選用一個電動機，經(jīng)減 速器減速后，輸入到行走小車主動輪，從而驅(qū)動行走小車完成水平面內(nèi) 直線運動的動作 ，在行走 小車的終了軌道上設(shè)置一限動橫梁，并在小車減速器輸出端設(shè)置一緩沖裝置來保證行走小車停止時的迅速可靠。 行走 小車 夾料桿 的 升降運動主要是通過一個 用電液伺服閥的 同步回路 （如圖 所示） 驅(qū)動兩個液壓缸同步伸縮 以及滑輪同步機構(gòu) （如圖 所示） 來 實現(xiàn)的 ，兩液圖 使用電液伺服閥 的同步回路 1— 換向閥 2— 電液伺服閥 4— 位移傳感器 5— 伺服放大器 6— 溢流閥 圖 夾料桿旋轉(zhuǎn)運動控制圖 1— 滑輪 2— 徑向距離控制用導(dǎo)圈 3— 夾料桿一4— 夾料桿二 5— 液壓缸 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 13 壓缸分別 與一滑輪同步機構(gòu)相連來 支承夾料桿前后兩個支點使夾料桿做升降運動，液壓缸 以及滑輪機構(gòu) 的同步性可保證夾料桿始終處于水平 。 夾料桿的旋轉(zhuǎn)運動是由一個液壓缸配合夾料桿上中間部位的兩個特殊凸耳來 實現(xiàn) 的 ， 通過液壓缸的伸縮來使兩個夾料桿實現(xiàn)正反轉(zhuǎn) （ 如圖 所示 ） 。 該方案控制的夾料動作反應(yīng)快速準確，特別是選用的同步的回路同步精度很高，伺服閥與換向閥要求有相同的流量，規(guī)格尺寸必須選擇很大 ， 價格也相當昂貴 ，特別是行走下車車體上要同時固定五個大行程液壓缸 ，因此，行走小車在體積和材料剛度的選用方面都有特殊的要求，但是其無論在效率還是在壽命方面的性能都比較好。 方案二 方案二與方案 一驅(qū)動小車的動力源有所不同 ， 小車 水平驅(qū)動是靠一個液壓馬達驅(qū)動減速器 ， 經(jīng)減速器調(diào)速后減速，輸出到行走小車主動輪， 驅(qū)動 小車在水平軌道上前進后退 ，此處選擇液壓馬達驅(qū)動可使整個機構(gòu)的動力源一致 。 行走小車夾料 桿的升降驅(qū)動是由一個液壓缸和一個特殊的同步擺桿機構(gòu)共同來控制（如圖 所示）， A、 B 和 C 三點均固定在車體上，該機構(gòu)雖然可以實現(xiàn)夾料桿升降方面的同步性，但是 D、 E 兩點做的是圓周運動， F 點也是圓周運動，也就是說， D、E 兩點在做上下運動時也要在水平方向上做前后運動，因此就必須存在一個補償運動，所以對此還專門設(shè)計了一個吊掛擺動裝置，來補償其水平垂直方向的微動。吊掛擺動裝置的驅(qū)動也是靠一個重型液壓缸來實現(xiàn)的。 圖 夾料桿旋轉(zhuǎn)運動控制圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 14 圖 同步擺桿機構(gòu) 1— 液壓缸 2 、 4— 曲柄 3— 連桿 夾料桿 的旋轉(zhuǎn)運動是通過一個液壓缸配合夾料桿上的凸耳來實現(xiàn)的（如圖 所示）， 液壓缸的 伸縮 運動和夾料桿上的特殊凸耳共同作用 驅(qū)動 夾料桿反向旋轉(zhuǎn)。吊掛擺動裝置在徑向控制其徑向距離和補償其水平方向的微動。 機架安置在 環(huán)型 加熱爐前 ， 夾料桿水平前行時，就近似一個懸臂梁，這就要求機架相對地基能過承受懸臂夾料桿傾反力矩的影響 ，因此， 其固定必須采用有效可靠的措施。 該方案對于夾料 桿 運動控制較好，設(shè)備的制造，除液壓馬達和液壓缸之外，都可以從本廠直接獲取坯料并進行加工。對于完成一些控制精度不高，生產(chǎn)效 率一般的生產(chǎn)廠區(qū)比較實效。 圖 夾料桿旋轉(zhuǎn)運動控制圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 15 方案三 該方案的設(shè)計與前兩個方案不同的地方是行走 小 車運行于地面的水平軌道上。升降驅(qū)動用方案一的鏈式同步液壓缸回路實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運動也按方案一的方法控制。這種方案省去了機架的材料和費用，但是它卻占據(jù)了廠區(qū)大量的面積。一般來說廠區(qū)的面積是比較有限的，該方案只適合于某些專門的加熱爐出料而不從事其他流水作業(yè)的廠區(qū)。 技術(shù) — 經(jīng)濟評價法擇優(yōu) 技術(shù) — 經(jīng)濟評價法的依據(jù)是相對價：其中包括方案的技術(shù)價和經(jīng)濟價，該法被定為德國工程師協(xié)會規(guī)范 VDI— 22225。 技術(shù)評價 通過技術(shù)分析驗證所采用的技術(shù)原理的 正確性，預(yù)測設(shè)計方案的性能，并確定詳細設(shè)計細節(jié)，技術(shù)評價通過方案的技術(shù)價 Wt 進行分析： Wt=??n1i maxii P/gP (3— 1) 式中： Pi— 第 i 個技術(shù)評價指標的評分值 ； gi—— 第 i 個技術(shù)評價指標的加權(quán)系數(shù) ； Pmax—— 最高分值（本次設(shè)計評價中的高分值選用五分制） 。 注： Wt 表示方案在技術(shù)上合適，必須改進。 表 3— 1 設(shè)計方案技術(shù)評價 評價 目標 加權(quán)系數(shù) gi 方案一 方案二 方案三 P1i P1igi P2i P2igi P3i P3igi 剛度 3 4 精度 4 3 1 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 16 加工 4 4 4 裝配 3 4 4 使用 5 4 Pmax ? P1igi= ? P2igi= ? P3igi= Wt=?iP gi/Pmax Wt1= Wt2= Wt3= 經(jīng)濟評價 經(jīng)濟評價的目的是求方案的經(jīng)濟價 We,也就是理想成本與實際制造成本的比值。 We=Hi/H (3— 2) 表 設(shè)計方案的經(jīng)濟評價 評價目標 方案一 方案二 方案三 生產(chǎn)成本 理想成本 a 經(jīng)濟價 We=Hi/H We1= We1= We1= 注：一般取 We≤ 意味著實際成本高于允許生產(chǎn)成本，在經(jīng)濟 上不合格。 式中： H— 實際制造成本，包括材料費用，工資費用和一般管理費用等。進行經(jīng)濟評價時， H 是理論值； Hi— 理想的制造成本。 技術(shù) — 經(jīng)濟綜合評價 總價值： Wo= We Wt (3— 3) 三種方案的相對價 : W1= We1 Wt1 = = W1= We2 Wt2 = = W1= We3 Wt3 = = 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書 17 圖中的 OS 表示開發(fā)線，方案越靠近開發(fā)線，說明方案的技術(shù)經(jīng)濟的綜合性越好 ，但是必須位于開發(fā)線的需用區(qū)域內(nèi)。 評價決策結(jié)果：準備采用方案二來進行本