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轉發自：機床與液壓

作者：丁錦宏

（江（jiāng）蘇工程（chéng）職業技術學院， 江蘇南通 ２２６０００）

手臂由驅動（dòng）機構使其伸縮運行（háng）。 為使衝床連（lián）續運行， 則機（jī）械手運行周期（qī）需要和衝床運行周期（qī）相一（yī）致，故（gù）需要對其（qí）驅動機構進行詳（xiáng）細分析。

吸盤作為拾取器來取（qǔ）放物料。 根據物料的質量和尺（chǐ）寸， 確定使用單（dān）個吸盤（pán）， 安全係數取 ４， 選用（yòng）型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側麵進氣（qì）， 總高（gāo）度為 ５９ ｍｍ， 吸盤直徑為 ϕ４３ ｍｍ。 由於拾取器（qì）總（zǒng）高度必須（xū）小於衝床的安全高度為 ９０ ｍｍ， 因而吸盤不能直接與氣缸（gāng）活塞相聯接， 因而采用圖 ３ 中的聯（lián）接方式（shì）。

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

３　 機械手節拍分析與驅動元件確定

機械手以縮（suō）回位置（zhì）為原點， 需要完成以下 ８ 個動作（zuò）： 下降、 吸料、 上升、 伸出、 下降、 放料（liào）、 上升、縮回等。

吸盤吸著力的形成需要時間為 ０􀆰 １５ ｓ， 為（wéi）了增強可靠（kào）性， 該時間增加到 ０􀆰 ２ ｓ。 吸（xī）盤放料需要時間為氣缸（gāng）的動作時間與（yǔ）氣路、 電磁閥動作時間等有著複雜的關（guān）係， 計算較為複（fù）雜， 按照氣缸的標準使用速度（dù）為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行（háng）估算（suàn）， 取氣缸運行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下（xià）降和上升運行時間分（fèn）別（bié）為 ０􀆰 ０２ ｓ。

在機械手設計時（shí）， 考慮使用氣缸和（hé）伺服（fú）電機（jī）兩種方案驅動機械手的運行。

若（ruò）使（shǐ）用氣缸驅動手臂伸縮（suō）， 則伸出與縮（suō）回時間均為 ７００ ／ ５００ ＝ １􀆰 ４ ｓ。

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

５、 電機轉（zhuǎn）速 ｓ ＝ ３ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ。 伸出（chū）與縮回時間均為（wéi）

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（dà）大超過衝（chōng）床運行周期（qī）１􀆰 ７１ ｓ， 需要衝床在運轉中等待， 不符合設計要求。

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

因此， 確定（dìng）使用（yòng）氣缸作為驅動元件， 其不足之處在於氣缸（gāng）無法在行程的中間任意位置停留， 不能（néng）實現預送料。

４　 傳動機構（gòu）的設（shè）計

圖 ４　 驅動機構

根據上述計算， 如果使用氣缸直接驅動（dòng）手臂的伸縮， 即手臂行（háng）程 ＝ 氣缸（gāng）行程時， 這樣的機械結構滿足不了衝床（chuáng）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（tú） ４ 所示 （ 俯視圖未畫出手臂） ［６］ 。

該機構中， 齒輪（lún）座在驅動氣缸的作用下， 沿導軌２ 運動， 使齒輪 １ 和齒輪 ２ 做同步旋轉。 由齒輪 ２ 通過（guò）齒條 ２ 帶（dài）動手臂沿（yán）導（dǎo）軌 １ 做伸縮運動（dòng）。

設手臂伸出距離為（wéi） Ｌ１， 氣缸伸出距離為 Ｌ２， 齒輪（lún） １ 和齒輪 ２ 的齒（chǐ）數分別為 Ｚ１ 和 Ｚ２， 則 Ｌ１ ＝ Ｌ２ ·

在設計（jì）中， 取 Ｚ２ ＝ ２·Ｚ１， 則 Ｌ１ ＝ ３Ｌ２。

５　 機械手節拍計算與協調性研究

由於機械手臂伸出距離 Ｌ１ ＝ ７００ ｍｍ， 則氣缸伸出（chū）距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 按照（zhào）氣缸運行速度（dù） ５００ ｍｍ ／ ｓ計算， 氣缸伸出時間 ｔ１ ＝ ０􀆰 ４７ ｓ。

機械手（shǒu）完成下降、 吸（xī）取、 上升、 伸出、 下降、 放鬆（sōng）、 上升、 縮回的運行時間為

此運行時間小於衝床（chuáng）運行周期 １􀆰 ７１ ｓ， 可與衝（chōng）床相配合使用。

（１） 機械手（shǒu）運行周期

現（xiàn）將機械手運行周期（qī）分（fèn）為 ３ 個階段： 取（qǔ）料（liào）階段、等待（dài）階段和（hé）送料階段， ３ 個（gè）階段的運行過程為（wéi）

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（huí）的位置為初始狀（zhuàng）態。

（２） 運行協調與運行節拍計算衝床與機械（xiè）手協調運行（háng）的方法為： （１） 衝床（chuáng）與機械手同（tóng）時工作， 衝床連續運行； （２） 機械手從第二個運行周期開始， 其運行周期與衝床運行周期相同； （３） 當滑塊回退到安全高（gāo）度時， 機械手開始伸出送（sòng）料， 這是協（xié）調運（yùn）行的關鍵（jiàn）， 不但清除了衝床與機械手在節拍上的時間計算與（yǔ）運行誤（wù）差（chà）， 而且保證了安全性； （４） 送料階段（duàn）和取料階段是連（lián）續完成的。

衝床與機械手協調運行時間關係如圖 ５ 所示。

圖 ５　 機械手協調（diào）運行時（shí）間

由圖 ５ 可見： （１） 機械手第一個運行周期的周期時間短（duǎn）， 第（dì）二個以後的（de）運行周期時間相同（tóng）， 為衝床運行周期， 即（jí） １􀆰 ７１ ｓ； （２） 機械手在第二個以後的運行周期內， 起始時間超前於（yú）衝床運行周期的開始時間（jiān）。 機械(（ａ）)手取料階段的時間ｔ１＝０􀆰０２(機械手第一個周期的節拍（pāi）計算) ＋ ０􀆰 ２ ＋ ０􀆰 ０２ ＝０􀆰 ２４ ｓ；

機械手送料階段時間 ｔ３ ＝ ０􀆰 ４７＋０􀆰 ０２＋０􀆰 １＋０􀆰 ０２＋０􀆰 ４７ ＝ １􀆰 ０８ ｓ；

由圖 ５ 可以算出， 滑塊回退到安全高度的時間為

０􀆰 ４２ ｓ， 完成取料所需時間為 ０􀆰 ２４ ｓ， 則第一個周期內（nèi）的（de）等待時間為 ０􀆰 ４２－ｔ１ ＝ 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） 機械手第二個周期的節拍計算

機械（xiè）手運行周期的總時間 ＝ 衝床運行周期 ＝１􀆰 ７１ ｓ；

機械手取料階段的（de）時間、 送料階段的（de）時間與第一（yī）個周期相同；

第二個周期內的等待時間 ＝ 衝床運行周期－取料時間－送（sòng）料時間 ＝ １􀆰 ７１ － ０􀆰 ２４ － １􀆰 ０８ ＝ ０􀆰 ３９ ｓ。 第二個周期以後的各個周期與此相同（tóng）。

（３） 滑塊下降到安全高度時手臂縮（suō）回（huí）距離（lí）的計算

滑塊在安全高（gāo）度以上的（de）時間為 ０􀆰 ８７ ｓ， 送料階段完成伸出、 下降、 放鬆、 上升的動作時間為 ０􀆰 ４７ ＋０􀆰 ０２＋０􀆰 １＋０􀆰 ０２ ＝ ０􀆰 ６１ ｓ， 則機械手有 ０􀆰 ２６ ｓ 的（de）時間處於縮回狀態， 此時間段內的縮回距（jù）離（lí）為（wéi） ５００ ·０􀆰 ２６ ＝ １３０ ｍｍ。

在水平方向上， 模具與吸盤邊緣不發生碰撞時，機械手（shǒu）應縮回的距離 Ｘ 的最小（xiǎo）值為

Ｘ ＝ 模具（jù）２長度＋吸盤２直徑 ＝ ２２００＋４２３ ＝ １２１􀆰 ５ ｍｍ，

由於縮回距離大於 Ｘ， 即機械手已經回退（tuì）到安全區域以外， 不會使模具與機械手相碰撞。

按照以上節拍， 衝床與機（jī）械手（shǒu）能相互協調， 使衝床按照 ３５ 次 ／ ｍｉｎ 的頻率連（lián）續（xù）運轉。

６　 安全性設（shè）計

為確保（bǎo）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（kuài）回退到安全高度時機械手開始伸出； 當滑塊從最高點向下運行到安全高度時， 檢測機械手是否已經縮回到模具邊緣以外， 如果沒有， 則衝床停止工作。（１） 安全高度檢（jiǎn）測（cè）

通過檢測曲柄運行角度 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（gè）編碼器， 由曲柄軸帶動編碼器（qì）軸旋轉， 並使曲柄與編碼器的傳動比為 １ ∶ １， 編碼器的線數為（wéi） １ ２００。 

選（xuǎn）用三菱 ＦＸ３ｕ 型 ＰＬＣ 作（zuò）為控製元件（jiàn）［７］ 。 ＰＬＣ 通過輸入端子接收編碼器發出的脈衝信號， 由 ＰＬＣ 內部計數器 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計數器複位， 重新開始（shǐ）計數。

編碼（mǎ）器發出的脈衝數 ｎ 與（yǔ）曲柄旋轉軸的運行角度 α 之間的關係為ｎ ＝ １ ２００ ３α６０

當滑塊回（huí）退到安全高度時（shí）， α ＝ ８７􀆰 ８２°， 編碼（mǎ）器發出的脈衝數 ｎ１ ＝ ２９３；

當（dāng）滑（huá）塊向（xiàng）下運行到安全高度時， α ＝ ２７２􀆰 １８°， 編（biān）碼器發出的脈衝數 ｎ２ ＝ ９０７。

安全（quán）性的控製流程如圖 ６ 所示。

圖 ６　 安全性（xìng）控製流程（chéng）

（２） 機械手縮回位置檢測

當滑塊從上死點（diǎn）下降到安全（quán）高度時， 需（xū）要檢測（cè）機械手縮回位置， 確定吸盤邊緣是否已經回退到滑塊邊緣以外， 其方法如下：

在（zài）機械手安裝（zhuāng）時， 將機械手置於伸（shēn）出到位位置。將圖 ４ 中的感應塊安（ān）裝在手臂側麵的 Ｔ 型槽內， 在 Ｔ型槽內前（qián）後移動感應塊（kuài）， 使其在接近開（kāi）關前方１２１􀆰 ５ ～ １３０ ｍｍ 範圍內 （ 水平距離）， 然（rán）後將感應塊固定。 

在機（jī）械手手臂縮回（huí）到 １２１􀆰 ５ ｍｍ 以上距離時，感應塊經過接近開關上方， 接（jiē）近開關發出脈衝信號，由 ＰＬＣ 記憶該信號。 如該信號為 １， 表明機械手已回

退到安全位置， 衝床可繼續運行。

７　 結束語

ＪＤ２１⁃１６０ 衝床配備機械手後， 使兩者相互協調，在工作節拍上進行（háng）有機（jī）銜接， 實現了衝床 ３５ 次 ／ ｍｉｎ衝壓（yā）的（de）高頻率連續運行。 通過結構（gòu）設計， 使機械手倍速運行， 滿足節拍要求。 

同（tóng）時， 在衝床（chuáng）曲軸上加裝編碼器， 通過檢測曲（qǔ）軸旋轉角度， 檢測滑塊回（huí）退高度，確保安全性。 實踐表明（míng）， 該設計方法具有實際（jì）應用價值（zhí）。

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