大型锻造操作机的进展

大型锻造操作机的进展

作者：锻造操作机

点击率：508 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，（锻造操作机：）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。

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7500kN·m，最大承载能力高达2500kN。目前，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、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。

四、大型锻造操作机结构形式

目前，应用于生产的大型锻造操作机均为轨道式，采用全液压驱动。主要有两种结构形式，图1为平行连杆式锻造操作机结构形式，它由2个提升缸、2个倾斜缸、2个摆移缸和2个缓冲缸构成。图2为摆动杠杆式锻造操作机结构形式，它由4个提升缸、2个缓冲缸、2个摆移缸构成。

结合大型锻造操作机结构特点，通过对以上两种典型的锻造操作机结构进行机构运动学仿真分析可知，两种结构均能实现锻造操作机钳杆水平升降、俯仰、左右侧移、侧摆和钳头旋转等基本功能。其优缺点比较如表1所示。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7500kN·m，最大承载能力高达2500kN。目前，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