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轉發自：機床與液壓

作者：丁錦宏（hóng）

（江蘇工程職（zhí）業技術學院， 江蘇南通（tōng） 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（bìng）通過編碼器檢（jiǎn）測衝床滑塊的安全（quán）高度（dù）， 采（cǎi）用時序圖法， 對衝床（chuáng）與機械（xiè）手的協（xié）調運行與安全性控製進行了研究（jiū）， 實際應用結果表明： 采用該結構的（de）機械手能縮短手（shǒu）臂運行時間（jiān）， 滿足衝床連續運行的要求， 並避免了碰撞事故的發生。

關鍵詞（cí）： 衝壓； 連續運行； 協調； 安全中圖分類號： ＴＧ５１９􀆰 １

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｓｔａｍｐｉｎｇ ＡｕｔｏｍａｔｉｃＦｅｅｄｉｎｇ 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

衝床是由電動（dòng）機帶動曲柄運轉， 使滑塊做（zuò）直線運動， 對材料施以壓力， 進行衝孔、 成形、 落料、拉伸等（děng）， 從而得到所要求（qiú）的形狀。 

隨著機電一體化技術、 智能（néng）控製技術等技術的發展， 用於（yú）衝床加（jiā）工（gōng）的自動上下（xià）料機械手已得到廣泛應用。 

目前研究較多（duō）的是根據不同衝壓機床， 設計相應的機械手， 如數控轉塔（tǎ）衝床上下料機械手［１］ 、 多（duō）工位衝床機（jī）械手［２］等（děng）， 通過機械手實現衝壓件的取放操作。 

另一方麵， 在機械手的控（kòng）製方法上也有研究， 如（rú）采用通信總線代替脈衝實現對伺服（fú）驅動單元的閉環控製［３］ ， 以達到提高控製精度的目的。 

這些研究的重點是機械手本身的動作（zuò）、 性（xìng）能（néng）及（jí）其控製方式， 沒有考慮衝床的運行周期， 因而衝（chōng）床運行時需要停（tíng）頓。

文中針對 ＪＤ２１⁃１６０ 衝床， 以衝床（chuáng）連續運行為目標，在深入分析衝床與（yǔ）機械手的運動規律基礎上， 對機械手的結構、 機械手與衝床之間的協調性（xìng）加以研究。 

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

為實現自動化生產（chǎn）， 現對該衝床配備機械手， 進行自動送（sòng）料。

兩者需要（yào）協調運行， 使衝床連續衝（chōng）壓。

為敘述方便， 將（jiāng）模具與滑塊視為一個整體， 仍稱為滑塊。

１　 安全（quán）高度與安全時間計算

機械手需要在滑（huá）塊回退（tuì）到安全高度之上時， 才能將手臂伸到衝床內， 完成送料動作。

（１） 安全高度（dù）的確定

根據衝床技術（shù）參（cān）數與模具高度， 確定衝床安全高度為 ９０ ｍｍ。

（２） 安全高（gāo）度內的時間計算

滑塊的運動原理如圖 １ 所示。 其數學模型為ｓ ＝ （Ｒ＋Ｌ） －（Ｒｃｏｓα＋ Ｌ２ ＋（Ｒｓｉｎα） ２ （１）

式中（zhōng）： ｓ 為滑塊距下死（sǐ）點行程； Ｒ 為（wéi）曲柄半徑； Ｌ 為連杆（gǎn）長度； α 為（wéi）曲柄旋轉（zhuǎn）角度。

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

滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即衝床運行周（zhōu）期（qī）為（wéi）１􀆰 ７１ ｓ， 滑塊行程（chéng）為 １６０ ｍｍ。 

利用表（biǎo） １ 的離散點進行擬合， 可得出曲柄運行角度 α 與行程（chéng） ｓ 的關係曲線圖 α－ｓ、 時間與行程 ｓ 的關係曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個曲線圖合二為一， 如圖（tú） ２ 所示。

由於安全高度為 ９０ ｍｍ， 由（yóu）圖 ２ 可計（jì）算出滑塊在安全高度以上（shàng）的時間為 ０􀆰 ８７ ｓ。

２　 手臂行程的確定與機械手方案（àn）

根據衝床工作台及物料（liào）尺寸等因素， 確（què）定物料台到衝床工作台中心之間的距離， 即手臂行程為７００ ｍｍ。

該機械手由手臂、 手臂驅動（dòng）機構 （ 圖中未（wèi）畫出）、 吸盤和氣缸等（děng）組成^［４］ 。

手臂由驅動機構使其（qí）伸縮運行。 為使（shǐ）衝床連續運行， 則（zé）機械（xiè）手運行周期需要和衝床運行周期相一致，故需要對其驅（qū）動機構進（jìn）行詳細分析。

吸盤作為拾取器來取放物料。 

根據物料（liào）的質量和尺寸， 確定使用單（dān）個吸盤， 安全係數（shù）取 ４， 選用型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側（cè）麵進氣， 總高度（dù）為（wéi） ５９ ｍｍ， 吸盤直徑為 ϕ４３ ｍｍ。

由於拾取器總高度必須小於衝床的安全高度為 ９０ ｍｍ， 因而吸盤不能直接與氣缸活塞相聯接， 因而采用圖 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， 同時考慮穩定性和氣缸長度等限製， 選取雙活塞杆氣（qì）缸（gāng） ＭＧＰＭ１２⁃Ｄ⁃Ｍ９， 行程為（wéi） １２ ｍｍ， 可安（ān）裝磁性開關。

３　 機械手節拍分析與驅動（dòng）元件確定（dìng）

機械手以縮（suō）回位置為原點， 需要（yào）完成以下（xià） ８ 個動作： 下（xià）降、 吸料、 上升、 伸出、 下降、 放料、 上升、縮回等（děng）。

吸盤吸著力的形成需（xū）要時間為 ０􀆰 １５ ｓ， 為了增強可靠性， 該時間增加到（dào） ０􀆰 ２ ｓ。 吸盤放料需要時間為（wéi）０􀆰 １ ｓ_［５］ 。

氣缸的動作時間與氣路、 電磁閥動作時間等有著（zhe）複雜的（de）關係， 計算較為複雜， 按照氣缸的標（biāo）準使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估算， 取氣缸運行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和（hé）上（shàng）升運行時間分別為 ０􀆰 ０２ ｓ。在機械手設計時， 考（kǎo）慮使（shǐ）用（yòng）氣缸和伺服電機兩種方案驅動機械手的運行。

若使（shǐ）用伺（sì）服電機帶動滾（gǔn）珠絲杆， 驅動手臂伸縮，則在該機械手負載的情況下， 一般選擇絲杆螺距

５、 電機轉速 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（yòng）氣缸驅動手臂時， 機械手總運行時間為 ３􀆰 １８ ｓ， 已經大大（dà）超過衝床（chuáng）運行周（zhōu）期１􀆰 ７１ ｓ， 需要衝床在運轉中等待， 不符合設計要求。

使用伺（sì）服電機驅動手（shǒu）臂時， 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（zài）於氣缸無（wú）法（fǎ）在行程的中間任意位置停留， 不能實現預送料（liào）。

根據上述計（jì）算（suàn）， 如果使用（yòng）氣（qì）缸直接驅動手臂的伸縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時（shí）， 這樣（yàng）的機械結構滿足不（bú）了衝床連續運行的節拍要求。 為縮短手臂（bì）伸縮時間，機械手節拍計算與協調性研究

由於機械手臂伸出距離 Ｌ_１ ＝ ７００ ｍｍ， 則氣缸伸出距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 按照（zhào）氣缸運行速度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計算， 氣缸伸出時間 ｔ１ ＝ ０􀆰 ４７ ｓ。

機（jī）械手完（wán）成下降、 吸取（qǔ）、 上升、 伸（shēn）出、 下降（jiàng）、 放鬆、 上升、 縮回的運行（háng）時間為

^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（jiān）小於衝床運行周期 １􀆰 ７１ ｓ， 可與衝（chōng）床相配合使用。

（１） 機械手運行周期

現將機（jī）械手運（yùn）行周期分為 ３ 個階（jiē）段： 取料階段、等待階段和送料階段， ３ 個階（jiē）段的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（shǒu）的（de）運行周期。

手以縮回的位置為初始狀態。