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轉發（fā）自：機床與液壓

 

作者（zhě）：丁錦宏

 

（江蘇工程職業技術學院， 江蘇南通 ２２６０００）

 

利用表 １ 的離散點進行擬（nǐ）合， 可得出曲柄運行角度 α 與行程 ｓ 的關係（xì）曲線圖 α－ｓ、 時間與行程（chéng） ｓ 的關（guān）係曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個曲線（xiàn）圖合二為一， 如（rú）圖 ２ 所示（shì）。

圖 １　 滑塊運動原理圖 ２　 曲柄旋（xuán）轉（zhuǎn）角（jiǎo）度、 時間與（yǔ）滑塊行程關係

 

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

２　 手臂行程的確定與機械手（shǒu）方案

根據衝床工作（zuò）台及物料（liào）尺寸等因素， 確定物料台到衝床工作（zuò）台（tái）中（zhōng）心之（zhī）間的距離， 即手臂行程為

７００ ｍｍ。

 

機械（xiè）手結構如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機械手結構示意

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

 

手臂由驅動（dòng）機構（gòu）使（shǐ）其伸縮運行（háng）。 為使衝床連續運行， 則機械手（shǒu）運行周期（qī）需（xū）要和衝床運行周期相一致，故需要對其（qí）驅動機構進行詳細分析。

 

吸盤作為拾取器來取放物料。 根據（jù）物料的質量和尺寸（cùn）， 確定使用單個吸盤， 安全係（xì）數取 ４， 選用型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側麵進氣， 總高度為 ５９ ｍｍ， 吸盤直徑（jìng）為 ϕ４３ ｍｍ。 

 

由於拾取器總高度必須小於衝床的安全高度為（wéi） ９０ ｍｍ， 因而（ér）吸盤不能直（zhí）接與氣（qì）缸活塞相聯接， 因而（ér）采（cǎi）用（yòng）圖 ３ 中的聯接方式。

 

氣缸帶動吸盤做上下運動。 根（gēn）據吸取物料的質量， 同時考慮穩定性和氣缸長（zhǎng）度等限製， 選（xuǎn）取雙活塞杆氣缸 ＭＧＰＭ１２⁃Ｄ⁃Ｍ９， 行程為 １２ ｍｍ， 可安裝磁性開關。

３　 機械手節拍分析與（yǔ）驅動元（yuán）件確定

 

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

 

吸盤吸著力的形成（chéng）需要時間（jiān）為 ０􀆰 １５ ｓ， 為了增強可靠性， 該時（shí）間增（zēng）加到 ０􀆰 ２ ｓ。

 

 吸盤放料需要時間為０􀆰 １ ｓ_［５］ 。

 

氣缸（gāng）的動作（zuò）時間與氣路、 電磁（cí）閥動作時間等有著複雜（zá）的關係， 計算較為複雜（zá）， 按照氣缸的標準（zhǔn）使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估（gū）算， 取氣缸運行速度 ５００ｍｍ ／

ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運行時間分別為 ０􀆰 ０２ ｓ。

 

在機（jī）械手設計時， 考慮使用氣缸（gāng）和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（shēn）縮， 則伸出與縮回時（shí）間均^為 ７００ ／ ５００ ＝ １􀆰 ４ ｓ。

 

若（ruò）使用伺服電機帶動滾珠絲杆， 驅動（dòng）手臂伸縮，則在該（gāi）機械手負載的情況下， 一（yī）般選擇（zé）絲杆螺距 ｐ ＝

 

５、 電機轉速 ｓ ＝ ３ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ。 伸出與縮回時間均為

７ｐ０ｓ０×６０ ＝ ５×７３０００００×６０ ＝ ２􀆰 ８ ｓ。

 

通過以上（shàng）計算可見， 使用氣缸驅動手臂時， 機（jī）械手總（zǒng）運行時間（jiān）為 ３􀆰 １８ ｓ， 已經大大超過衝床運行周期１􀆰 ７１ ｓ， 需要衝床在運轉中等待， 不符合設計要求（qiú）。

使用伺服電機驅動手（shǒu）臂時（shí）， 機械手總運行時間更（gèng）長，在此不適合使用。

 

因此， 確定使用氣缸作為驅動元（yuán）件， 其不足之處在於氣缸無法在行程的中間任意位置（zhì）停留， 不能實現預送料。

４　 傳動機構的設計

圖 ４　 驅動機構

 

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

 

為縮短手臂伸縮時間， 設計傳動機構如圖 ４ 所示 （ 俯（fǔ）視（shì）圖未畫出手臂） ［６］ 。

 

該機構中， 齒輪座在驅動氣缸（gāng）的作用下， 沿導軌（guǐ）２ 運（yùn）動， 使齒輪 １ 和齒輪 ２ 做同步旋轉。 

 

由（yóu）齒輪 ２ 通過齒條 ２ 帶動手臂沿導軌（guǐ） １ 做伸縮運動。

 

設手（shǒu）臂伸出（chū）距離為 Ｌ_１， 氣缸伸出距離為 Ｌ_２， 齒輪 １ 和齒輪（lún） ２ 的齒數分別為 Ｚ_１ 和（hé） 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調性研究

由於機械（xiè）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（gāng）伸出時（shí）間 ｔ１ ＝ ０􀆰 ４７ ｓ。

機械手完成（chéng）下降、 吸取、 上升、 伸出、 下降、 放鬆、 上升、 縮回的運行時間為

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

０􀆰 ４７ ＝ １􀆰 ３２ ｓ

 

此（cǐ）運行時（shí）間小（xiǎo）於衝（chōng）床運行周期 １􀆰 ７１ ｓ， 可與衝床相配合（hé）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、等待階段和送料階段（duàn）， ３ 個階段的運行過程為

 

取料階段、 等待（dài）階段和送料階段 ３ 個階段構成機械手的運（yùn）行周期。

 

機械手以縮回的位置為初始狀態。

（２） 運行協調與（yǔ）運行節拍計算衝床與機械手協調運行的方法為： 

（１） 衝床與機械（xiè）手同時（shí）工作， 衝床連續運行； 

（２） 機（jī）械手從第二個運行周期開始， 其運行周期與衝（chōng）床運行周期相同；

 

（３） 當滑塊回退到安全高（gāo）度時， 機械手開始（shǐ）伸出送料， 這是協調運行的關鍵， 不但清除了衝床與機械（xiè）手在節拍上的時間計算與運（yùn）行誤差， 而且保證了安全性（xìng）；

 

（４） 送（sòng）料階段和取料階段（duàn）是連續完（wán）成的。

 

衝（chōng）床與機械手協（xié）調（diào）運行（háng）時間關係（xì）如圖 ５ 所示。

圖 ５　 機械手協調運行時間

 

由圖 ５ 可見：

 （１） 機械手第一個運行周期的周期時間短， 第二個以後的運行周期時間（jiān）相同， 為衝床運行（háng）周期， 即 １􀆰 ７１ ｓ； 

 

（２） 機（jī）械（xiè）手在第二個以後（hòu）的運行周期內， 起始時間超前於衝床運行周期的開始時間。 機械

手取料階段的時間ｔ１＝０􀆰０２＋ ０􀆰 ２ ＋ ０􀆰 ０２ ＝０􀆰 ２４ ｓ；

機械手送（sòng）料階段時間 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（ān）全高度（dù）的時間為

０􀆰 ４２ ｓ， 完（wán）成取料所需時（shí）間為 ０􀆰 ２４ ｓ， 則第（dì）一個周（zhōu）期內（nèi）的等待（dài）時間為（wéi） ０􀆰 ４２－^ｔ_１ ＝ ０􀆰 ４２－０􀆰 ２４ ＝ ０􀆰 １８ ｓ；

 

機械手（shǒu）第一個周期的總時間 ＝ ０􀆰 ２４＋０􀆰 １８＋１􀆰 ０８ ＝１􀆰 ５０ ｓ。

（ｂ） 機械手第二個周（zhōu）期的節拍計算

機械手運行（háng）周期的總時間 ＝ 衝床運行周期 ＝１􀆰 ７１ ｓ；

 

機械手取料階段（duàn）的時間、 送料階段（duàn）的（de）時間與第一個周期相同；

 

第二個周期內的等待時間 ＝ 衝床運行周（zhōu）期－取料時間－送料時（shí）間（jiān） ＝ １􀆰 ７１ － ０􀆰 ２４ － １􀆰 ０８ ＝ ０􀆰 ３９ ｓ。 

 

第二個（gè）周期以後的各個周期與此（cǐ）相（xiàng）同。

 

（３） 滑塊下降（jiàng）到安全高度（dù）時手臂縮回距離（lí）的計（jì）算

滑塊在安全高度以上的時間為 ０􀆰 ８７ ｓ， 送料階段完成伸出、 下降、 放鬆、 上（shàng）升的動（dòng）作時間為 ０􀆰 ４７ ＋０􀆰 ０２＋０􀆰 １＋０􀆰 ０２ ＝ ０􀆰 ６１ ｓ， 則機械手有 ０􀆰 ２６ ｓ 的時間處於縮回狀態（tài）， 此時間段內的縮回距離為 ５００ ·０􀆰 ２６ ＝ １３０ ｍｍ。

 

在水平方向上， 模具（jù）與（yǔ）吸盤（pán）邊緣不發生碰撞時（shí），機械手應縮回（huí）的距離 Ｘ 的（de）最小值為

Ｘ ＝ 模（mó）具２長度＋吸盤２直徑 ＝ ２２００＋４２３ ＝ １２１􀆰 ５ ｍｍ，

 

由於縮回距離大於 Ｘ， 即（jí）機械手已經回（huí）退到安全區域以（yǐ）外， 不會使模具與機械手相碰撞。

 

按照以上節拍， 衝床與機械手能相互協調， 使衝床（chuáng）按照 ３５ 次 ／ ｍｉｎ 的頻率連續運轉（zhuǎn）。

 

６　 安全性（xìng）設（shè）計

 

為確保衝床在工作工程中滑塊不會撞擊到機械手， 在設計控製係統時， 當滑塊回退到安全高度時機械手開始伸（shēn）出（chū）； 

 

當滑塊從最高點向下運行到安全高度時， 檢測機械手是否已（yǐ）經縮回到（dào）模具邊緣以外， 如果沒有， 則衝床停止工作。

 

（１） 安全高度檢測

通過（guò）檢測曲柄運行角度 α 值， 從而確定滑塊是否到達安全高度。

 

在曲柄軸上安裝一個編碼器， 由曲柄（bǐng）軸（zhóu）帶動（dòng）編碼器軸旋轉（zhuǎn）， 並使曲柄與編碼（mǎ）器的傳動比為 １ ∶ １， 編（biān）碼器的線數為 １ ２００。 

 

選用三菱 ＦＸ３ｕ 型 ＰＬＣ 作為控製元件_［７_］ 。

 

ＰＬＣ 通過輸入端子接_收編碼器（qì）發出的脈衝信號， 由 ＰＬＣ 內部計（jì）數器 Ｃ２５１ 進行脈衝計數。 

 

當滑塊在下死點時開始計數， 曲柄旋轉軸旋轉一周時（shí）計數器複位， 重新開始計數。

 

編碼器發出（chū）的脈衝數 ｎ 與曲柄旋轉軸（zhóu）的運行角度（dù） α 之間的關係為ｎ ＝ １ ２００ ３α６０

 

當滑（huá）塊回退到安全高度時， α ＝ ８７􀆰 ８２°， 編（biān）碼器發出的脈衝數（shù） ｎ１ ＝ ２９３；

 

當滑塊向（xiàng）下運行到安（ān）全高度時， α ＝ ２７２􀆰 １８°， 編碼器發出（chū）的脈衝數 ｎ_２ ＝ ９０７。

 

安全性的控製流程如（rú）圖 ６ 所示。

圖（tú） ６　 安全性（xìng）控製（zhì）流程

 

（２） 機械手縮回位置檢（jiǎn）測

當滑塊從上死點下降到安全高（gāo）度時， 需要檢測機械手縮回位置， 確定吸（xī）盤（pán）邊緣是否已經回退到滑塊邊緣以外， 其（qí）方法如下：

 

在（zài）機械手安裝時， 將機械手置（zhì）於伸出到位位（wèi）置。將圖 ４ 中（zhōng）的感應（yīng）塊安裝（zhuāng）在手臂側麵的 Ｔ 型槽內， 在（zài） Ｔ型槽內前後移動感應塊， 使其在接近開關（guān）前方１２１􀆰 ５ ～ １３０ ｍｍ 範圍內 （ 水平距離）， 然後將感應塊固定。 

 

在機（jī）械手手臂縮回到 １２１􀆰 ５ ｍｍ 以（yǐ）上距離時，感（gǎn）應塊經（jīng）過（guò）接近開關上方， 接近開關（guān）發出脈（mò）衝信號，由 ＰＬＣ 記（jì）憶該信號。 如該信號為 １， 表明機（jī）械手已回退到安（ān）全位置， 衝床可繼續運行。

 

７　 結束語

ＪＤ２１⁃１６０ 衝（chōng）床配備機械手後（hòu）， 使兩者相互協調（diào），在工作節拍上進行有機銜接， 實現了衝（chōng）床 ３５ 次 ／ ｍｉｎ衝壓的高（gāo）頻率連續運行。

 

通過結構設計， 使機械手倍速（sù）運（yùn）行（háng）， 滿足（zú）節拍要求。

 

 同時， 在衝床曲軸上加裝編碼器， 通過檢測曲軸旋（xuán）轉角度， 檢測滑塊回（huí）退高度，確保安全性。 

 

實踐表明， 該設計（jì）方法（fǎ）具有實際（jì）應用（yòng）價值（zhí）。

 

參考文獻：

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