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轉發自：機床與液壓

作者：丁錦宏

（江蘇（sū）工程職業技術（shù）學院， 江蘇南（nán）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， 並通過編碼器檢（jiǎn）測衝床滑塊的安全高度， 采用時序圖法， 對衝床與機械手的協調運行與安全性控製進行了研究，

實際應用結（jié）果表明： 采（cǎi）用該結構的機械手能縮短手臂運行時間， 滿足衝（chōng）床連續運行的要求， 並避免了碰（pèng）撞事故的發生。

關鍵（jiàn）詞： 衝壓； 連續運行； 協調； 安全中圖分類號： 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

衝床是由電動機帶動曲柄運（yùn）轉， 使滑塊做直線運動， 對材料（liào）施以壓力， 進行衝孔、 成（chéng）形、 落料（liào）、拉伸等， 從而得到所要求的形狀。

 隨著機電一體化技術、 智能控製技術等技術的發展， 用於衝床加工的自動上（shàng）下料機械手已得到廣泛應用。 

目前研究較多的是根據不同衝壓機床， 設計相應的機械手， 如數（shù）控轉塔衝床上下料機械手^［１］ 、 多工位衝床機械手^［２］等， 通過（guò）機械手實現衝壓件的取（qǔ）放操作。

 另一方麵， 在機械手的（de）控製方（fāng）法上也有研究， 如采用通信總線代（dài）替（tì）脈衝實現對伺服驅動單元的閉環控製^［３］ ， 以達到提（tí）高控製精度的目的。

 這些研究的（de）重點是機械手本身的動作、 性能（néng）及其控（kòng）製方式， 沒有考慮衝床的運行周期， 因而衝床運行時需要停（tíng）頓。

文中針對 ＪＤ２１⁃１６０ 衝床， 以衝床連續運行為目標，在（zài）深入分析衝床與機械手的運動規律基礎上， 對機械手的（de）結構、 機械手與衝床之間的協調性加以（yǐ）研究。 

ＪＤ２１⁃１６０ 衝床為一種開式曲柄壓力（lì）機床， 衝床的滑塊行程為 １６０ ｍｍ， 滑塊行程（chéng）次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ，某企業用來進行拉伸加（jiā）工， 加工件厚度為 ３ ｍｍ， 邊長為 １８０ ｍｍ， 質量為 ３ ｋｇ， 模具長度為（wéi） ２００ ｍｍ。

為實現自動化生產， 現對該衝床（chuáng）配備機械手， 進行自動送（sòng）料。 兩者需要協調運行， 使衝床連續衝（chōng）壓。

為敘述方便， 將（jiāng）模具與（yǔ）滑塊視（shì）為一（yī）個整體， 仍稱為滑塊（kuài）。

１　 安全高度與安全時間計（jì）算

機械手需要在滑塊回退到安（ān）全高度之上時， 才能將手臂伸（shēn）到衝床內， 完成送料動作。

（１） 安全高度的（de）確定

根據（jù）衝床技術參數與模具高度， 確定衝床安全高（gāo）^度為 ９０ ｍｍ。

（２） 安全（quán）高度內的時間計算滑塊（kuài）的（de）運（yùn）動原理（lǐ）如圖 １ 所示。 其數學模型為（wéi）ｓ ＝ （Ｒ＋Ｌ） －（Ｒｃｏｓα＋ Ｌ２ ＋（Ｒｓｉｎα） ２ （１）

式中： ｓ 為滑塊距下死點行程； Ｒ 為曲（qǔ）柄半徑； Ｌ 為連杆長度； α 為曲柄旋轉角度。

由式 （ １） 求解 α 角度（dù）值比較困難， 現依據式（shì）（１） 求出若幹個離散點值， 如（rú）表 １ 所示， 采用作圖法（fǎ）求出安（ān）全高度內的時間值。

滑塊（kuài）行程（chéng）次（cì）數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即衝床運行周期為１􀆰 ７１ ｓ， 滑塊行程為 １６０ ｍｍ。 利用表 １ 的離散點進行（háng）擬合， 可得出曲柄運行（háng）角（jiǎo）度 α 與行程 ｓ 的關係曲線圖 α－ｓ、 時間與行程 ｓ 的關係曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個曲線圖（tú）合二為一， 如圖 ２ 所示。

由於安全高度為 ９０ ｍｍ， 由（yóu）圖 ２ 可（kě）計（jì）算出滑（huá）塊在（zài）安全高度（dù）以上的時間為 ０􀆰 ８７ ｓ。

２　 手臂行程的（de）確定與機（jī）械（xiè）手方案

根據衝床工作台及（jí）物料尺寸等因素， 確定物料台（tái）到衝床工作台中心之間的距離， 即手臂行程（chéng）為７００ ｍｍ。

機械手結構如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機械手結（jié）構示意

該機（jī）械手由手臂、 手臂驅動機構 （ 圖中未畫（huà）出）、 吸盤和（hé）氣缸等（děng）組成^［４］ 。

手臂（bì）由（yóu）驅動機（jī）構使其伸縮運行。

 為使衝床連續運行， 則機械手運行周期（qī）需要和衝床（chuáng）運行周期相一致（zhì），故需（xū）要對其驅動機構進行詳細分析（xī）。

吸盤作為拾取器來取放物料。 根據物料的質量和尺寸， 確定使用（yòng）單個吸盤， 安全係數取 ４， 選（xuǎn）用（yòng）型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側麵進氣， 總高度為（wéi） ５９ ｍｍ， 吸（xī）盤直徑為 ϕ４３ ｍｍ。 

由於拾取器總高度必須小（xiǎo）於衝床的安全高度為 ９０ ｍｍ， 因（yīn）而吸盤不能直（zhí）接與氣缸活塞相聯接， 因而（ér）采（cǎi）用圖 ３ 中的聯接方式。

氣缸帶動吸盤做上下運動。

 根據吸取物料的質量， 同時考慮（lǜ）穩（wěn）定性和氣缸（gāng）長度等限製， 選（xuǎn）取雙活塞杆氣缸 ＭＧＰＭ１２⁃Ｄ⁃Ｍ９， 行程為 １２ ｍｍ， 可安裝（zhuāng）磁性（xìng）開關。

３　 機械（xiè）手節拍分析與（yǔ）驅動元件確定

機械手以縮回位置為原點， 需（xū）要完成（chéng）以下 ８ 個動作： 下降、 吸料（liào）、 上升、 伸（shēn）出、 下降、 放料、 上升、縮回等。

吸盤吸著力的形成需要（yào）時（shí）間為 ０􀆰 １５ ｓ， 為了增強可靠性， 該（gāi）時間增（zēng）加到 ０􀆰 ２ ｓ。 吸盤放料需要（yào）時間為０􀆰 １ ｓ_［５］ 。

氣（qì）缸的動作時間與氣路、 電磁閥動作（zuò）時間等有著複雜（zá）的關係， 計算較為複雜， 按照氣缸的標準使用（yòng）速度為（wéi） ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估算， 取氣缸（gāng）運行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下（xià）降和上升運行時間分（fèn）別為 ０􀆰 ０２ ｓ。

在機械手設（shè）計時， 考慮使用氣缸和（hé）伺服電機兩種方案驅動機械手的運行。

若使用（yòng）氣缸驅動手臂伸縮， 則伸出與縮回時間均^{為（wéi）} ７００ ／ ５００ ＝ １􀆰 ４ ｓ。

若使用伺服（fú）電機帶動滾珠絲杆（gǎn）， 驅動手臂伸縮，則（zé）在該機械手負載的情況下， 一（yī）般選擇絲杆螺距

５、 電（diàn）機轉速 ｓ ＝ ３ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ。 伸出（chū）與縮回時間均為

７ｐ０ｓ０×６０ ＝ ５×７３０００００×６０ ＝ ２􀆰 ８ ｓ。

通過以上計算可見， 使用氣（qì）缸驅動手臂時， 機械手總運行時間為 ３􀆰 １８ ｓ， 已經大大超過衝床運行周期１􀆰 ７１ ｓ， 需要衝床在（zài）運轉中等（děng）待， 不符合設計（jì）要求。

使（shǐ）用伺服電機驅動手臂（bì）時（shí）， 機械手總運行時間更長，在此不適合使用。 

因此， 確定使用氣缸作為驅動元件， 其不足之處在於氣缸無法在行（háng）程的中（zhōng）間任意位置停留， 不能實現預（yù）送料。

４　 傳動機構的設計

圖 ４　 驅動機構

根據上述計算， 如果使用氣缸直接驅動手臂的伸縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時， 這樣的（de）機械結構滿足（zú）不了衝床連續運行的節拍要求。 

為（wéi）縮短手臂伸（shēn）縮時（shí）間通過齒條 ２ 帶動手臂沿導軌 １ 做伸（shēn）縮運動。

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

５　 機械手節拍計算與協調性研（yán）究

由於機械手臂伸出（chū）距離 Ｌ_１ ＝ ７００ ｍｍ， 則氣缸伸出距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 按照氣（qì）缸運（yùn）行速度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計（jì）算， 氣缸伸出時間 ｔ１ ＝ ０􀆰 ４７ ｓ。

機械手完成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下降、 放鬆、 上升、 縮回的運行時間（jiān）為

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

此運行時間小於衝床運行周期（qī） １􀆰 ７１ ｓ， 可與衝床相配合使用。

（１） 機械手運行周期

現將機械手運行周期分為 ３ 個階段： 取料階段、等待階段和（hé）送（sòng）料階段（duàn）， ３ 個階段的（de）運行過程為取料階段、 等待階段和送料階段 ３ 個階段構成機械手的運行周期。

機械手以縮回的位置（zhì）為初始狀態。