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轉(zhuǎn)發(fā)自：機(jī)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(jī)械手的運(yùn)行周期基礎(chǔ)上， 提出了一種具有行程倍增機(jī)構(gòu)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案， 并通過(guò)編碼器檢測(cè)沖床滑塊的安全高度， 采用時(shí)序圖法， 對(duì)沖床與機(jī)械手的協(xié)調(diào)運(yùn)行與安全性控制進(jìn)行了研究， 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明： 采用該結(jié)構(gòu)的機(jī)械手能縮短手臂運(yùn)行時(shí)間， 滿足沖床連續(xù)運(yùn)行的要求， 并避免了碰撞事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞： 沖壓； 連續(xù)運(yùn)行； 協(xié)調(diào)； 安全中圖分類(lèi)號(hào)： ＴＧ５１９?? １

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｓｔａｍｐｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｆｅｅｄｉｎｇ ＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＤＩＮＧ 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(jī)帶動(dòng)曲柄運(yùn)轉(zhuǎn)， 使滑塊做直線運(yùn)動(dòng)， 對(duì)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。 

隨著機(jī)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(jī)械手已得到廣泛應(yīng)用。 

目前研究較多的是根據(jù)不同沖壓機(jī)床， 設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械手， 如數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上下料機(jī)械手^［１］ 、 多工位沖床機(jī)械手^［２］等， 通過(guò)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)沖壓件的取放操作。

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

這些研究的重點(diǎn)是機(jī)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(yùn)行周期， 因而沖床運(yùn)行時(shí)需要停頓。

文中針對(duì) ＪＤ２１?１６０ 沖床， 以沖床連續(xù)運(yùn)行為目標(biāo)，在深入分析沖床與機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上， 對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、 機(jī)械手與沖床之間的協(xié)調(diào)性加以研究。

ＪＤ２１?１６０ 沖床為一種開(kāi)式曲柄壓力機(jī)床， 沖床的滑塊行程為 １６０ ｍｍ， 滑塊行程次數(shù)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(zhǎng)為 １８０ ｍｍ， 質(zhì)量為 ３ ｋｇ， 模具長(zhǎng)度為 ２００ ｍｍ。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)， 現(xiàn)對(duì)該沖床配備機(jī)械手， 進(jìn)行自動(dòng)送料。 兩者需要協(xié)調(diào)運(yùn)行， 使沖床連續(xù)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(jì)算

機(jī)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(nèi)， 完成送料動(dòng)作。

（１） 安全高度的確定

根據(jù)沖床技術(shù)參數(shù)與模具高度， 確定沖床安全高度為 ９０ ｍｍ。

（２） 安全高度內(nèi)的時(shí)間計(jì)算

滑塊的運(yùn)動(dòng)原理如圖 １ 所示。 其數(shù)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(zhǎng)度； α 為曲柄旋轉(zhuǎn)角度。

ＪＤ２１?１６０ 沖床曲柄半徑為 ８０ ｍｍ， 連桿長(zhǎng)度為２４０ ｍｍ。

由式 （ １） 求解 α 角度值比困難， 現(xiàn)依據(jù)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(nèi)的時(shí)間值。

滑塊行程次數(shù)為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即沖床運(yùn)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(yùn)行角度 α 與行程 ｓ 的關(guān)系曲線圖 α－ｓ、 時(shí)間與行程 ｓ 的關(guān)系曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個(gè)曲線圖合二為一， 如圖 ２ 所示。

圖 １　 滑塊運(yùn)動(dòng)原理

表 １　 滑塊行程值

１１３?? ５ １３０?? ２２ １４３?? ３２ １５２?? ６４ １５８?? １８ １６０

圖 ２　 曲柄旋轉(zhuǎn)角度、 時(shí)間與滑塊行程關(guān)系

由于安全高度為 ９０ ｍｍ， 由圖 ２ 可計(jì)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(jī)械手方案

根據(jù)沖床工作臺(tái)及物料尺寸等因素， 確定物料臺(tái)到?jīng)_床工作臺(tái)中心之間的距離， 即手臂行程為

７００ ｍｍ。

機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意

該機(jī)械手由手臂、 手臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （ 圖中未畫(huà)出）、 吸盤(pán)和氣缸等組成^［４］ 。

手臂由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使其伸縮運(yùn)行。 為使沖床連續(xù)運(yùn)行， 則機(jī)械手運(yùn)行周期需要和沖床運(yùn)行周期相一致，故需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。

吸盤(pán)作為拾取器來(lái)取放物料。 

根據(jù)物料的質(zhì)量和尺寸， 確定使用單個(gè)吸盤(pán)， 安全系數(shù)取 ４， 選用型號(hào)為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側(cè)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(yùn)動(dòng)。 

根據(jù)吸取物料的質(zhì)量， 同時(shí)考慮穩(wěn)定性和氣缸長(zhǎng)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(jī)械手節(jié)拍分析與驅(qū)動(dòng)元件確定

機(jī)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)吸著力的形成需要時(shí)間為 ０?? １５ ｓ， 為了增強(qiáng)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)間等有著復(fù)雜的關(guān)系， 計(jì)算較為復(fù)雜， 按照氣缸的標(biāo)準(zhǔn)使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進(jìn)行估算， 取氣缸運(yùn)行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運(yùn)行時(shí)間分別為 ０?? ０２ ｓ。

在機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)， 考慮使用氣缸和伺服電機(jī)兩種方案驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)行。

若使用氣缸驅(qū)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(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿， 驅(qū)動(dòng)手臂伸縮，則在該機(jī)械手負(fù)載的情況下， 一般選擇絲桿螺距 ｐ ＝

５、 電機(jī)轉(zhuǎn)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(jì)算可見(jiàn)， 使用氣缸驅(qū)動(dòng)手臂時(shí)， 機(jī)械手總運(yùn)行時(shí)間為 ３?? １８ ｓ， 已經(jīng)大大超過(guò)沖床運(yùn)行周期１?? ７１ ｓ， 需要沖床在運(yùn)轉(zhuǎn)中等待， 不符合設(shè)計(jì)要求。

使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂時(shí)， 機(jī)械手總運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，在此不適合使用。 

因此， 確定使用氣缸作為驅(qū)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(xiàn)預(yù)送料。

４　 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖 ４　 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)上述計(jì)算， 如果使用氣缸直接驅(qū)動(dòng)手臂的伸縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時(shí)， 這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足不了沖床連續(xù)運(yùn)行的節(jié)拍要求。 

為縮短手臂伸縮時(shí)間， 設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖 ４ 所示 （ 俯視圖未畫(huà)出手臂） ［６］ 。

該機(jī)構(gòu)中， 齒輪座在驅(qū)動(dòng)氣缸的作用下， 沿導(dǎo)軌２ 運(yùn)動(dòng)， 使齒輪 １ 和齒輪 ２ 做同步旋轉(zhuǎn)。

由齒輪 ２ 通過(guò)齒條 ２ 帶動(dòng)手臂沿導(dǎo)軌 １ 做伸縮運(yùn)動(dòng)。

設(shè)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(shù)分別為 Ｚ_１ 和 Ｚ_２， 則 Ｌ_１ ＝ Ｌ_２ ·æç１＋ＺＺ２_１öø÷ è

在設(shè)計(jì)中， 取 Ｚ_２ ＝ ２·Ｚ_１， 則 Ｌ_１ ＝ ３Ｌ_２。

５　 機(jī)械手節(jié)拍計(jì)算與協(xié)調(diào)性研究

由于機(jī)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(yùn)行速度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計(jì)算， 氣缸伸出時(shí)間 ｔ１ ＝ ０?? ４７ ｓ。

機(jī)械手完成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下降、 放松、 上升、 縮回的運(yùn)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(yùn)行時(shí)間小于沖床運(yùn)行周期 １?? ７１ ｓ， 可與沖床相配合使用。

（１） 機(jī)械手運(yùn)行周期

現(xiàn)將機(jī)械手運(yùn)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(yùn)行過(guò)程為

取料階段、 等待階段和送料階段 ３ 個(gè)階段構(gòu)成機(jī)械手的運(yùn)行周期。

機(jī)械手以縮回的位置為初始狀態(tài)。

運(yùn)行協(xié)調(diào)與運(yùn)行節(jié)拍計(jì)算沖床與機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行的方法為： 

（１） 沖床與機(jī)械手同時(shí)工作， 沖床連續(xù)運(yùn)行； 

（２） 機(jī)械手從第二個(gè)運(yùn)行周期開(kāi)始， 其運(yùn)行周期與沖床運(yùn)行周期相同； 

（３） 當(dāng)滑塊回退到安全高度時(shí)， 機(jī)械手開(kāi)始伸出送料， 這是協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵， 不但清除了沖床與機(jī)械手在節(jié)拍上的時(shí)間計(jì)算與運(yùn)行誤差， 而且保證了安全性； 

（４） 送料階段和取料階段是連續(xù)完成的。

沖床與機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)間關(guān)系如圖 ５ 所示。

圖 ５　 機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)間

由圖 ５ 可見(jiàn)： （１） 機(jī)械手第一個(gè)運(yùn)行周期的周期時(shí)間短， 第二個(gè)以后的運(yùn)行周期時(shí)間相同， 為沖床運(yùn)行周期， 即 １?? ７１ ｓ； 

（２） 機(jī)械手在第二個(gè)以后的運(yùn)行周期內(nèi)， 起始時(shí)間超前于沖床運(yùn)行周期的開(kāi)始時(shí)間。 機(jī)械＋ ０?? ２ ＋ ０?? ０２ ＝０?? ２４ ｓ；

機(jī)械手送料階段時(shí)間 ｔ３ ＝ ０?? ４７＋０?? ０２＋０?? １＋０?? ０２＋０?? ４７ ＝ １?? ０８ ｓ；

由圖 ５ 可以算出， 滑塊回退到安全高度的時(shí)間為

第 １９ 期 丁錦宏： 連續(xù)沖壓自動(dòng)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ·^１?。?sup>３　·　

０?? ４２ ｓ， 完成取料所需時(shí)間為 ０?? ２４ ｓ， 則第一個(gè)周期內(nèi)的等待時(shí)間為 ０?? ４２－ｔ１ ＝ ０?? ４２－０?? ２４ ＝ ０?? １８ ｓ；

機(jī)械手第一個(gè)周期的總時(shí)間 ＝ ０?? ２４＋０?? １８＋１?? ０８ ＝１?? ５０ ｓ。

（ｂ） 機(jī)械手第二個(gè)周期的節(jié)拍計(jì)算

機(jī)械手運(yùn)行周期的總時(shí)間 ＝ 沖床運(yùn)行周期 ＝１?? ７１ ｓ；

機(jī)械手取料階段的時(shí)間、 送料階段的時(shí)間與第一個(gè)周期相同；

第二個(gè)周期內(nèi)的等待時(shí)間 ＝ 沖床運(yùn)行周期－取料^時(shí)間－^{送料時(shí)間} ＝ １?? ７１ － ０?? ２４ － １?? ０８ ＝ ０?? ３９ ｓ。 ^{第二個(gè)}

周期以后的各個(gè)周期與此相同。

（３） 滑塊下降到安全高度時(shí)手臂縮回距離的

計(jì)算

滑塊在安全高度以上的時(shí)間為 ０?? ８７ ｓ， 送料階段完成伸出、 下降、 放松、 上升的動(dòng)作時(shí)間為 ０?? ４７ ＋０?? ０２＋０?? １＋０?? ０２ ＝ ０?? ６１ ｓ， 則機(jī)械手有 ０?? ２６ ｓ 的時(shí)間處于縮回狀態(tài)， 此時(shí)間段內(nèi)的縮回距離為 ５００ ·

０?? ２６ ＝ １３０ ｍｍ。

在水平方向上， 模具與吸盤(pán)邊緣不發(fā)生碰撞時(shí)，機(jī)械手應(yīng)縮回的距離 Ｘ 的最小值為

Ｘ ＝ 模具２長(zhǎng)度＋吸盤(pán)２直徑 ＝ ２２００＋４２３ ＝ １２１?? ５ ｍｍ，

由于縮回距離大于 Ｘ， 即機(jī)械手已經(jīng)回退到安全區(qū)域以外， 不會(huì)使模具與機(jī)械手相碰撞。

按照以上節(jié)拍， 沖床與機(jī)械手能相互協(xié)調(diào)， 使沖床按照 ３５ 次 ／ ｍｉｎ 的頻率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

６　 安全性設(shè)計(jì)

為確保沖床在工作工程中滑塊不會(huì)撞擊到機(jī)械手， 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)， 當(dāng)滑塊回退到安全高度時(shí)機(jī)械手開(kāi)始伸出； 

當(dāng)滑塊從最高點(diǎn)向下運(yùn)行到安全高度時(shí)， 檢測(cè)機(jī)械手是否已經(jīng)縮回到模具邊緣以外， 如果沒(méi)有， 則沖床停止工作。（１） 安全高度檢測(cè)

通過(guò)檢測(cè)曲柄運(yùn)行角度 α 值， 從而確定滑塊是否到達(dá)安全高度。

在曲柄軸上安裝一個(gè)編碼器， 由曲柄軸帶動(dòng)編碼器軸旋轉(zhuǎn)， 并使曲柄與編碼器的傳動(dòng)比為 １ ∶ １， 編碼器的線數(shù)為 １ ２００。 選用三菱 ＦＸ３ｕ 型 ＰＬＣ 作為控制元件_［７_］ 。 

ＰＬＣ 通過(guò)輸入端子接收編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)， 由 ＰＬＣ 內(nèi)部計(jì)數(shù)器 Ｃ２５１ 進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。 當(dāng)滑塊在下死點(diǎn)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)， 曲柄旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位， 重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。

編碼器發(fā)出的脈沖數(shù) ｎ 與曲柄旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)行角度 α 之間的關(guān)系為ｎ ＝ １ ２００ ３α６０

當(dāng)滑塊回退到安全高度時(shí)， α ＝ ８７?? ８２°， 編碼器發(fā)出的脈沖數(shù) ｎ１ ＝ ２９３；

當(dāng)滑塊向下運(yùn)行到安全高度時(shí)， α ＝ ２７２?? １８°， 編碼器發(fā)出的脈沖數(shù) ｎ_２ ＝ ９０７。