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轉發自：機床與液（yè）壓

作者：丁錦宏

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

摘要： 在分析送（sòng）料機械手的（de）運行（háng）周期基礎上， 提出了一（yī）種具有行程倍增機構的機（jī）械手結構設計方案， 並通過編碼器檢測衝床滑塊（kuài）的安全高度， 采用時序圖法（fǎ）， 對衝床與機械手的協調運行與安全性控製進（jìn）行（háng）了研究， 實際應用（yòng）結果表明： 采用該結構的機械手（shǒu）能縮短手臂運行時間， 滿足衝床連續運行的要求（qiú）， 並避免了（le）碰撞事故（gù）的發生。

關鍵詞： 衝壓； 連續運（yùn）行； 協調； 安全中圖分類

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．

前言

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

隨著機電一（yī）體化技術、 智（zhì）能控（kòng）製技術等技術的發展， 用於衝（chōng）床加工的自動（dòng）上下料機械手已得到（dào）廣泛應用。

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

另一（yī）方麵， 在機械手的控製方（fāng）法上也有研究， 如采用（yòng）通信總線（xiàn）代替脈衝實現對伺服（fú）驅動單元的（de）閉環控製^［３］ ， 以達到提高控製（zhì）精度的目的。 

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

文（wén）中針（zhēn）對 ＪＤ２１⁃１６０ 衝床， 以衝床連續運行為目標，在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研究。

ＪＤ２１⁃１６０ 衝床為一種（zhǒng）開式（shì）曲柄壓力機床， 衝床的滑（huá）塊行程為 １６０ ｍｍ， 滑（huá）塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ，某（mǒu）企業用來進行拉伸加工， 加工件（jiàn）厚度為 ３ ｍｍ， 邊（biān）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， 現對該衝床配備機械手， 進行自（zì）動送料（liào）。 

兩者需要協調運行， 使衝（chōng）床（chuáng）連續衝壓。

為敘述方便， 將模具與滑塊視為一個整體， 仍稱為（wéi）滑塊。

１　 安全高度與安全時間計算

機械手需（xū）要在滑塊回退到安全高度之上（shàng）時， 才能將手（shǒu）臂伸到衝床內， 完成送料動作。

（１） 安全高度的確定

根據衝床技（jì）術參數與模具高度（dù）， 確定衝床安全（quán）高度為（wéi） ９０ ｍｍ。

（２） 安全高度內的時間計（jì）算

滑（huá）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： ｓ 為滑塊距下死點行程； Ｒ 為曲柄半徑； Ｌ 為連（lián）杆長度； α 為曲柄旋轉角度。蘇錦工宏程（職１９業６４技—術），學（xué）男院，自碩然士（shì）科，學研研究究（jiū）員基級金高項級目工（gōng）（程Ｇ師ＹＫ，Ｙ研／ ２究０１方６ ／ 向５）為機電一體化技術。 

Ｅ－ｍａｉｌ： ＤＪＨＮＴ＠ １２６􀆰 ＣＯＭ。

由式 （ １） 求解 α 角度值比較困難， 現（xiàn）依（yī）據（jù）式（１） 求出若（ruò）幹個離散（sàn）點值， 如表 １ 所示， 采（cǎi）用（yòng）作圖

法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）期為１􀆰 ７１ ｓ， 滑塊行程為 １６０ ｍｍ。 

利用表（biǎo） １ 的離散點進行擬合， 可得（dé）出曲柄運行角度 α 與（yǔ）行程 ｓ 的關係曲線（xiàn）圖 α－ｓ、 時間與行程 ｓ 的關係曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個曲線圖合（hé）二為（wéi）一， 如圖 ２ 所示。

圖 １　 滑塊（kuài）運動原理圖 ２　 曲柄旋轉角度、 時間與滑塊行程關係

由於安全高度為 ９０ ｍｍ， 由圖 ２ 可計算出滑（huá）塊在安全高度以上的（de）時間為 ０􀆰 ８７ ｓ。

２　 手臂行程（chéng）的確定（dìng）與機械手方案

根據衝床工作台（tái）及物（wù）料尺寸等因素， 確定物（wù）料台到（dào）衝床工（gōng）作台中心之間的距離， 即手臂行程為

７００ ｍｍ。

機械手結（jié）構如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機（jī）械手結構（gòu）示意

該機械手（shǒu）由手臂、 手臂驅動機構 （ 圖中未畫出）、 吸盤和氣缸等組成^［４］ 。

手臂（bì）由驅（qū）動機構使其伸縮（suō）運行（háng）。 為使衝（chōng）床連（lián）續運行（háng）， 則機械手運行周期需要和衝床運（yùn）行周期相一致，故需要對其驅動機（jī）構（gòu）進行詳細分（fèn）析。

吸盤作為拾取器來取（qǔ）放物料（liào）。 根據（jù）物（wù）料的質量和尺寸， 確定（dìng）使用單個吸盤（pán）， 安全係數取（qǔ） ４， 選用型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側麵進氣， 總（zǒng）高度為（wéi） ５９ ｍｍ， 吸盤直（zhí）徑為 ϕ４３ ｍｍ。 

由於拾取器總高度必須小於衝床的安全高度（dù）為 ９０ ｍｍ， 因而吸盤不能直接（jiē）與氣缸活塞相聯接， 因而（ér）采（cǎi）用圖 ３ 中的聯接（jiē）方式。

氣缸帶動吸盤做上下運動。 根據吸取（qǔ）物料的質量， 同時考慮穩定性（xìng）和氣缸長度等限製， 選取雙活塞杆氣缸 ＭＧＰＭ１２⁃Ｄ⁃Ｍ９， 行程為 １２ ｍｍ， 可安（ān）裝磁性開關。

３　 機械手節拍分析與（yǔ）驅動元件確定

機械手以縮回位置為（wéi）原點， 需要完成以下 ８ 個動作： 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（xíng）成需要時間為（wéi） ０􀆰 １５ ｓ， 為了增強（qiáng）可靠性， 該時間增加到 ０􀆰 ２ ｓ。

 吸（xī）盤放料（liào）需要時間（jiān）為０􀆰 １ ｓ_［５］ 。

氣缸的動作時間（jiān）與氣（qì）路、 電磁閥動（dòng）作時間等有著複雜的關係， 計算較為複雜， 按照氣缸的標準使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估（gū）算， 取（qǔ）氣缸運行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運行時間分別為 ０􀆰 ０２ ｓ。

在機械手設計時， 考慮使用氣缸和伺服電（diàn）機兩（liǎng）種方案驅動機械手的運行。

若使用氣缸驅動手臂伸縮， 則伸出與縮回時間均（jun1）^為 ７００ ／ ５００ ＝ １􀆰 ４ ｓ。

若使用伺服（fú）電機帶動（dòng）滾珠絲杆， 驅動（dòng）手臂伸縮，則在該機械手負載的情況下， 一般選（xuǎn）擇絲杆螺距 ｐ ＝

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， 使用氣缸驅動手臂時， 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（chōng）床在（zài）運轉中等待， 不符合設計（jì）要（yào）求。

使用伺服電機驅動手臂時， 機械手總運行時間更長，在此不適（shì）合（hé）使用。

因此， 確（què）定使用氣缸作為驅動元件， 其（qí）不足（zú）之處在於氣缸無法在行程的中間任意（yì）位置（zhì）停留， 不能實（shí）現預送料。

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（bì）的伸縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時， 這樣的機械結構滿足不（bú）了（le）衝（chōng）床連續運行的節拍要求。 

為縮短手臂伸縮時間， 設（shè）計（jì）傳動機構（gòu）如圖 ４ 所示 （ 俯（fǔ）視圖未畫出手臂） ［６］ 。

該機構中， 齒輪座在驅動氣缸的作用下， 沿導軌２ 運動， 使齒輪（lún） １ 和齒（chǐ）輪 ２ 做同步旋轉（zhuǎn）。 

由（yóu）齒輪 ２ 通過齒條 ２ 帶動手臂沿（yán）導軌 １ 做伸（shēn）縮運（yùn）動。

設手臂伸出（chū）距（jù）離為 Ｌ_１， 氣缸伸（shēn）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（zé） Ｌ_１ ＝ ３Ｌ_２。

５　 機（jī）械手節拍計算與協調性研究

由於機械手臂伸（shēn）出距離 Ｌ_１ ＝ ７００ ｍｍ， 則（zé）氣缸伸出距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 

按照氣（qì）缸（gāng）運行速度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計算， 氣缸（gāng）伸出（chū）時間 ｔ１ ＝ ０􀆰 ４７ ｓ。

機（jī）械手完成（chéng）下降、 吸取、 上升、 伸出、 下（xià）降、 放鬆、 上升、 縮回的（de）運行時（shí）間為（wéi）

^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（yú）衝床運行周期 １􀆰 ７１ ｓ， 可與衝床相配合使用。