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轉發(fā)自：機床與液壓

作者：丁錦宏

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇南通 ２２６０００）

摘要： 在分析送料機械手的運行周期基礎上， 提出了一種具有行程倍增機構的機械手結構設計方案， 并通過(guò)編碼器檢測沖床滑塊的安全高度， 采用時(shí)序圖法， 對沖床與機械手的協(xié)調運行與安全性控制進(jìn)行了研究，

實(shí)際應用結果表明： 采用該結構的機械手能縮短手臂運行時(shí)間， 滿(mǎn)足沖床連續運行的要求， 并避免了碰撞事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞： 沖壓； 連續運行； 協(xié)調； 安全中圖分類(lèi)號： ＴＧ５１９?? １

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｓｔａｍｐｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｆｅｅｄｉｎｇ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ

ＤＩＮＧ Ｊｉｎｈｏｎｇ

^{Ａｂｓｔｒａｃｔ}： Ｏ（ｎＪｉｔｈａｅｎｇｂｓａｕｓｉｓＣｏｏｆｌｌａｅｎｇａｅｌｙｚｏｉｎｆｇＥｔｈｎｅｇｉｏｎｐｅｅｅｒａｒｔｉｉｎｏｇｎ ｃａｙｎｃｄｌｅ Ｔｏｆｅｃｔｈｈｅｎｆｏｅｌｅｏｄｇｉｎｙｇ，ｍＮａｎａｉｎｐｔｕｏｌａｎｔｇｏｒ．ＪｉＡａｎｄｇｅｓｓｕｉｇｎ２ｓ２ｃ６ｈ０ｅ０ｍ０ｅ，ｏｆ Ｃｍｈａｎｉｎｉｐａｕ）ｌａｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈｓｔｒｏｋｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｐｕｎｃｈ ｓｌｉｐ ｗａｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｅｎｃｏｄｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄｓａｆｅｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｕｎｃｈ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｉｍｉｎｇ ｇｒａｐｈ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｎ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｍ， ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｎｃｈ， ａｎｄａｖｏｉｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｓｔａｍｐｉｎｇ； Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ； Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ； Ｓａｆｅｔｙ

前言

沖床是由電動(dòng)機帶動(dòng)曲柄運轉， 使滑塊做直線(xiàn)運動(dòng)， 對材料施以壓力， 進(jìn)行沖孔、 成形、 落料、拉伸等， 從而得到所要求的形狀。

 隨著(zhù)機電一體化技術(shù)、 智能控制技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展， 用于沖床加工的自動(dòng)上下料機械手已得到廣泛應用。 

目前研究較多的是根據不同沖壓機床， 設計相應的機械手， 如數控轉塔沖床上下料機械手^［１］ 、 多工位沖床機械手^［２］等， 通過(guò)機械手實(shí)現沖壓件的取放操作。

 另一方面， 在機械手的控制方法上也有研究， 如采用通信總線(xiàn)代替脈沖實(shí)現對伺服驅動(dòng)單元的閉環(huán)控制^［３］ ， 以達到提高控制精度的目的。

 這些研究的重點(diǎn)是機械手本身的動(dòng)作、 性能及其控制方式， 沒(méi)有考慮沖床的運行周期， 因而沖床運行時(shí)需要停頓。

文中針對 ＪＤ２１?１６０ 沖床， 以沖床連續運行為目標，在深入分析沖床與機械手的運動(dòng)規律基礎上， 對機械手的結構、 機械手與沖床之間的協(xié)調性加以研究。 

ＪＤ２１?１６０ 沖床為一種開(kāi)式曲柄壓力機床， 沖床的滑塊行程為 １６０ ｍｍ， 滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ，某企業(yè)用來(lái)進(jìn)行拉伸加工， 加工件厚度為 ３ ｍｍ， 邊長(cháng)為 １８０ ｍｍ， 質(zhì)量為 ３ ｋｇ， 模具長(cháng)度為 ２００ ｍｍ。

為實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn)， 現對該沖床配備機械手， 進(jìn)行自動(dòng)送料。 兩者需要協(xié)調運行， 使沖床連續沖壓。

為敘述方便， 將模具與滑塊視為一個(gè)整體， 仍稱(chēng)為滑塊。

１　 安全高度與安全時(shí)間計算

機械手需要在滑塊回退到安全高度之上時(shí)， 才能將手臂伸到?jīng)_床內， 完成送料動(dòng)作。

（１） 安全高度的確定

根據沖床技術(shù)參數與模具高度， 確定沖床安全高^度為 ９０ ｍｍ。

（２） 安全高度內的時(shí)間計算滑塊的運動(dòng)原理如圖 １ 所示。 其數學(xué)模型為ｓ ＝ （Ｒ＋Ｌ） －（Ｒｃｏｓα＋ Ｌ２ ＋（Ｒｓｉｎα） ２ （１）

式中： ｓ 為滑塊距下死點(diǎn)行程； Ｒ 為曲柄半徑； Ｌ 為連桿長(cháng)度； α 為曲柄旋轉角度。

由式 （ １） 求解 α 角度值比較困難， 現依據式（１） 求出若干個(gè)離散點(diǎn)值， 如表 １ 所示， 采用作圖法求出安全高度內的時(shí)間值。

滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即沖床運行周期為１?? ７１ ｓ， 滑塊行程為 １６０ ｍｍ。 利用表 １ 的離散點(diǎn)進(jìn)行擬合， 可得出曲柄運行角度 α 與行程 ｓ 的關(guān)系曲線(xiàn)圖 α－ｓ、 時(shí)間與行程 ｓ 的關(guān)系曲線(xiàn)圖 ｔ－ｓ， 兩個(gè)曲線(xiàn)圖合二為一， 如圖 ２ 所示。

由于安全高度為 ９０ ｍｍ， 由圖 ２ 可計算出滑塊在安全高度以上的時(shí)間為 ０?? ８７ ｓ。

２　 手臂行程的確定與機械手方案

根據沖床工作臺及物料尺寸等因素， 確定物料臺到?jīng)_床工作臺中心之間的距離， 即手臂行程為７００ ｍｍ。

機械手結構如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機械手結構示意

該機械手由手臂、 手臂驅動(dòng)機構 （ 圖中未畫(huà)出）、 吸盤(pán)和氣缸等組成^［４］ 。

手臂由驅動(dòng)機構使其伸縮運行。

 為使沖床連續運行， 則機械手運行周期需要和沖床運行周期相一致，故需要對其驅動(dòng)機構進(jìn)行詳細分析。

吸盤(pán)作為拾取器來(lái)取放物料。 根據物料的質(zhì)量和尺寸， 確定使用單個(gè)吸盤(pán)， 安全系數取 ４， 選用型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側面進(jìn)氣， 總高度為 ５９ ｍｍ， 吸盤(pán)直徑為 ?４３ ｍｍ。 

由于拾取器總高度必須小于沖床的安全高度為 ９０ ｍｍ， 因而吸盤(pán)不能直接與氣缸活塞相聯(lián)接， 因而采用圖 ３ 中的聯(lián)接方式。

氣缸帶動(dòng)吸盤(pán)做上下運動(dòng)。

 根據吸取物料的質(zhì)量， 同時(shí)考慮穩定性和氣缸長(cháng)度等限制， 選取雙活塞桿氣缸 ＭＧＰＭ１２?Ｄ?Ｍ９， 行程為 １２ ｍｍ， 可安裝磁性開(kāi)關(guān)。

３　 機械手節拍分析與驅動(dòng)元件確定

機械手以縮回位置為原點(diǎn)， 需要完成以下 ８ 個(gè)動(dòng)作： 下降、 吸料、 上升、 伸出、 下降、 放料、 上升、縮回等。

吸盤(pán)吸著(zhù)力的形成需要時(shí)間為 ０?? １５ ｓ， 為了增強可靠性， 該時(shí)間增加到 ０?? ２ ｓ。 吸盤(pán)放料需要時(shí)間為０?? １ ｓ_［５］ 。

氣缸的動(dòng)作時(shí)間與氣路、 電磁閥動(dòng)作時(shí)間等有著(zhù)復雜的關(guān)系， 計算較為復雜， 按照氣缸的標準使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進(jìn)行估算， 取氣缸運行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運行時(shí)間分別為 ０?? ０２ ｓ。

在機械手設計時(shí)， 考慮使用氣缸和伺服電機兩種方案驅動(dòng)機械手的運行。

若使用氣缸驅動(dòng)手臂伸縮， 則伸出與縮回時(shí)間均^為 ７００ ／ ５００ ＝ １?? ４ ｓ。

若使用伺服電機帶動(dòng)滾珠絲桿， 驅動(dòng)手臂伸縮，則在該機械手負載的情況下， 一般選擇絲桿螺距

５、 電機轉速 ｓ ＝ ３ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ。 伸出與縮回時(shí)間均為

７ｐ０ｓ０×６０ ＝ ５×７３０００００×６０ ＝ ２?? ８ ｓ。

通過(guò)以上計算可見(jiàn)， 使用氣缸驅動(dòng)手臂時(shí)， 機械手總運行時(shí)間為 ３?? １８ ｓ， 已經(jīng)大大超過(guò)沖床運行周期１?? ７１ ｓ， 需要沖床在運轉中等待， 不符合設計要求。

使用伺服電機驅動(dòng)手臂時(shí)， 機械手總運行時(shí)間更長(cháng)，在此不適合使用。 

因此， 確定使用氣缸作為驅動(dòng)元件， 其不足之處在于氣缸無(wú)法在行程的中間任意位置停留， 不能實(shí)現預送料。

４　 傳動(dòng)機構的設計

圖 ４　 驅動(dòng)機構

根據上述計算， 如果使用氣缸直接驅動(dòng)手臂的伸縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時(shí)， 這樣的機械結構滿(mǎn)足不了沖床連續運行的節拍要求。 

為縮短手臂伸縮時(shí)間通過(guò)齒條 ２ 帶動(dòng)手臂沿導軌 １ 做伸縮運動(dòng)。

設手臂伸出距離為 Ｌ_１， 氣缸伸出距離為 Ｌ_２， 齒輪 １ 和齒輪 ２ 的齒數分別為 Ｚ_１ 和 Ｚ_２， 則 Ｌ_１ ＝ Ｌ_２ ·æç１＋ＺＺ２_１öø÷ è在設計中， 取 Ｚ_２ ＝ ２·Ｚ_１， 則 Ｌ_１ ＝ ３Ｌ_２。

５　 機械手節拍計算與協(xié)調性研究

由于機械手臂伸出距離 Ｌ_１ ＝ ７００ ｍｍ， 則氣缸伸出距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 按照氣缸運行速度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計算， 氣缸伸出時(shí)間 ｔ１ ＝ ０?? ４７ ｓ。

機械手完成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下降、 放松、 上升、 縮回的運行時(shí)間為

^ｔ ＝ ０?? ０２ ＋ ０?? ２ ＋ ０?? ０２ ＋ ０?? ４７ ＋ ０?? ０２ ＋ ０?? １ ＋ ０?? ０２ ＋０?? ４７ ＝ １?? ３２ ｓ

此運行時(shí)間小于沖床運行周期 １?? ７１ ｓ， 可與沖床相配合使用。

（１） 機械手運行周期

現將機械手運行周期分為 ３ 個(gè)階段： 取料階段、等待階段和送料階段， ３ 個(gè)階段的運行過(guò)程為取料階段、 等待階段和送料階段 ３ 個(gè)階段構成機械手的運行周期。

機械手以縮回的位置為初始狀態(tài)。