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轉（zhuǎn）發自（zì）：機床與液壓

作（zuò）者：丁錦宏

（江蘇工程職業技術學院， 江蘇（sū）南通 ２２６０００）

摘要： 在分析（xī）送料機械手的運行周（zhōu）期基礎上， 提出了一種具有行程倍增機構的機（jī）械手結構設計方案， 並（bìng）通過編碼器檢測衝床（chuáng）滑塊的安全高度， 采用（yòng）時序圖法， 對衝床與機械手的協調運（yùn）行與安（ān）全性控（kòng）製進行了研究， 實際應用結果表明： 采用該結構的機械手能縮短手臂運行時間， 滿足衝床（chuáng）連續運行的要求， 並避免了（le）碰撞（zhuàng）事（shì）故的發生。

關鍵詞： 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 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

衝床是由電動機帶動曲柄運轉， 使滑塊做直線運動， 對材料（liào）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（zhuàng）。 

隨著機電一（yī）體化技術、 智能控製技術等技（jì）術的發展（zhǎn）， 用於衝床（chuáng）加工的自動上下料（liào）機械手已得到（dào）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， 如數控轉塔衝床上下料（liào）機械手^［１］ 、 多工（gōng）位衝床機械手^［２］等（děng）， 通（tōng）過機械手實（shí）現衝壓件的取放操作。

 另（lìng）一方麵， 在機械手的控製方法上也有研究， 如采用通（tōng）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（mù）的（de）。 

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， 因而衝（chōng）床運行時需要停頓。

文中針對 ＪＤ２１⁃１６０ 衝（chōng）床， 以衝床連續（xù）運行為目標，在深入分析衝（chōng）床（chuáng）與機械手的運動（dòng）規（guī）律基礎上（shàng）， 對機械手的結構、 機械手與衝床之間的協調性加以研究。

ＪＤ２１⁃１６０ 衝床為（wéi）一種開式曲柄壓力機床， 衝床的滑塊行程為 １６０ ｍｍ， 滑塊行（háng）程次數為 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（zhì）量（liàng）為 ３ ｋｇ， 模具長度為 ２００ ｍｍ。

為實現自動化生產， 現對該衝床配備機（jī）械手， 進行自動（dòng）送料。 兩者需要協調運行， 使衝床連續衝壓。

為敘述方便， 將模具與滑（huá）塊視（shì）為一個整體， 仍稱為滑塊。

１　 安全高度與安全時間（jiān）計算

機（jī）械手需要在滑塊（kuài）回退到安全高度之上時， 才（cái）能將手臂伸到衝床內， 完成送料動作。

（１） 安全高度的確定

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

（２） 安全高度（dù）內（nèi）的時間計算

滑塊的運動原理如圖 １ 所示（shì）。 其數學（xué）模型為

ｓ ＝ （Ｒ＋Ｌ） －（Ｒｃｏｓα＋ Ｌ２ ＋（Ｒｓｉｎα） ２ （１）

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

ＪＤ２１⁃１６０ 衝床曲柄半徑為（wéi） ８０ ｍｍ， 連杆長度為２４０ ｍｍ。

由式 （ １） 求解 α 角度值比困難， 現（xiàn）依據式（１） 求出（chū）若幹個離散點值， 如表 １ 所示， 采用作圖法求出安全高度內（nèi）的時間值。

滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即衝（chōng）床運行（háng）周期（qī）為１􀆰 ７１ ｓ， 滑塊行程為 １６０ ｍｍ。 利用表 １ 的（de）離散點進行擬（nǐ）合（hé）， 可得（dé）出曲（qǔ）柄運行角度 α 與行程 ｓ 的關係曲線圖 α－ｓ、 時間與行程（chéng） ｓ 的（de）關係曲線圖 ｔ－ｓ， 兩（liǎng）個曲（qǔ）線圖合二為一， 如圖 ２ 所示。

圖（tú） １　 滑塊運動原理（lǐ）

表 １　 滑塊行程值

１１３􀆰 ５ １３０􀆰 ２２ １４３􀆰 ３２ １５２􀆰 ６４ １５８􀆰 １８ １６０

圖（tú） ２　 曲柄旋轉角度、 時間與（yǔ）滑塊行程關係

由於安全（quán）高（gāo）度為 ９０ ｍｍ， 由圖 ２ 可計算出滑塊在（zài）安全高度以（yǐ）上的時間為（wéi） ０􀆰 ８７ ｓ。

２　 手臂行程的確定與機械手方（fāng）案

根（gēn）據衝床工（gōng）作台及物料（liào）尺寸等因素（sù）， 確定物料台到衝床工作台中心（xīn）之間的距離， 即手臂行程為

７００ ｍｍ。

機械（xiè）手結構（gòu）如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機械手結構示意（yì）

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

手臂（bì）由驅（qū）動機構（gòu）使其伸（shēn）縮運行。 為使衝床連續運行， 則機械手運行周期需要和衝床運行周期相一致，故（gù）需要對其驅動機構進行詳細分析。

吸盤作為拾（shí）取器來取（qǔ）放物料。 

根據物料的質（zhì）量（liàng）和尺寸， 確定使用單個吸盤， 安全係數取 ４， 選用型（xíng）號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側麵進氣， 總高度（dù）為 ５９ ｍｍ， 吸（xī）盤直徑為 ϕ４３ ｍｍ。 

由於拾取器總高度必須小於衝床的（de）安全高度為 ９０ ｍｍ， 因（yīn）而吸（xī）盤不能直接與氣（qì）缸活塞相聯接（jiē）， 因而采（cǎi）用圖 ３ 中的聯接（jiē）方式。

氣缸帶動（dòng）吸盤做上下運動。 

根（gēn）據吸取物（wù）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（wéi） １２ ｍｍ， 可安裝磁（cí）性開關。

３　 機械手節拍（pāi）分析與驅動元件確定（dìng）

機械手以縮（suō）回位置為原點， 需（xū）要（yào）完成以下 ８ 個動作： 下（xià）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， 為了增強可靠性（xìng）， 該時間增加到 ０􀆰 ２ ｓ。 

吸盤放料需要時間為０􀆰 １ ｓ_［５］ 。

氣缸的動作時間與氣路、 電磁閥動作時間等有著複雜（zá）的關係， 計算較為複雜， 按照氣缸（gāng）的標準（zhǔn）使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估算， 取氣缸運行速（sù）度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運行時間分別（bié）為 ０􀆰 ０２ ｓ。

在機械手設計時， 考慮使用氣（qì）缸（gāng）和伺服電機兩種方案驅動機械手（shǒu）的（de）運行。

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

若使用伺服電機帶（dài）動滾珠絲（sī）杆， 驅動手臂伸縮，則在該機械手（shǒu）負載的情況下， 一般選擇絲杆螺距 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（qū）動（dòng）手（shǒu）臂時， 機械手總運行時間為 ３􀆰 １８ ｓ， 已經大大超（chāo）過衝床運行周期１􀆰 ７１ ｓ， 需要衝（chōng）床在運轉（zhuǎn）中等待（dài）， 不符合設計要求。

使用伺服電機驅動手臂時， 機械手（shǒu）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件， 其不足之（zhī）處（chù）在於氣缸無法在行程的中間任意位置停留， 不能實現預送料。

４　 傳動機構的設計

圖 ４　 驅動機（jī）構

根據上述計算， 如果使用氣缸直接驅動手（shǒu）臂的伸（shēn）縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時（shí）， 這樣的機（jī）械結構滿足不（bú）了衝床連續運行的節拍要（yào）求（qiú）。 

為縮短手臂伸縮（suō）時間， 設計傳動機構如（rú）圖 ４ 所示 （ 俯視圖未畫出手臂） ［６］ 。

該機構中， 齒輪座在（zài）驅動（dòng）氣缸的作用下， 沿導軌２ 運動， 使齒輪 １ 和齒（chǐ）輪 ２ 做同（tóng）步旋轉。

由（yóu）齒輪（lún） ２ 通過齒條 ２ 帶（dài）動手臂沿導軌 １ 做伸縮運（yùn）動。

設手臂（bì）伸出距離（lí）為（wéi） Ｌ_１， 氣缸伸出距離為 Ｌ_２， 齒輪 １ 和齒輪 ２ 的（de）齒（chǐ）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　 機械手節（jiē）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。 

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

機械手完成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下（xià）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

此運行時間小於衝床運行周期 １􀆰 ７１ ｓ， 可與衝床相配合使用。

（１） 機械手運行周期

現將（jiāng）機械手運行周期分為 ３ 個階段： 取料階段、等待階段和送料（liào）階段， ３ 個階段的運行過（guò）程為

取料階段（duàn）、 等待階段和送料階段 ３ 個階段構成機械手的（de）運行周期。

機械手以縮回的位置為初始狀態。

運（yùn）行（háng）協調與運行節拍計算（suàn）衝床與機械手（shǒu）協調運行的方法為： 

（１） 衝床與機械（xiè）手同時工作， 衝床連續（xù）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（yùn）行周期相同； 

（３） 當滑塊回退到安全高度時， 機械手開（kāi）始伸出送（sòng）料， 這是協調運行的關鍵， 不但清除了衝床與機（jī）械手在（zài）節拍上的（de）時間計算與運行誤差， 而且保證了安全性（xìng）； 

（４） 送料階段和取料階段（duàn）是連續完成的。

衝床與機械手（shǒu）協調運行時間關係如圖 ５ 所（suǒ）示。

圖 ５　 機械手（shǒu）協（xié）調運行時（shí）間

由（yóu）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（yùn）行周期時間相（xiàng）同， 為衝床運行周期， 即 １􀆰 ７１ ｓ； 

（２） 機械手在第二個以後的運（yùn）行周期內， 起始時間超前於衝床運行周期的開始時間。 機械＋ ０􀆰 ２ ＋ ０􀆰 ０２ ＝０􀆰 ２４ ｓ；

機械手（shǒu）送料階（jiē）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

第 １９ 期 丁錦宏： 連（lián）續衝壓自動送料機械（xiè）手的設計與應用 ·^１　０^３　·　

０􀆰 ４２ ｓ， 完（wán）成取料所需時間為 ０􀆰 ２４ ｓ， 則第一個周期內的等待時間為 ０􀆰 ４２－ｔ１ ＝ ０􀆰 ４２－０􀆰 ２４ ＝ ０􀆰 １８ ｓ；

機械手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（de）節拍計算（suàn）

機械手運（yùn）行（háng）周期（qī）的總（zǒng）時間 ＝ 衝床運行周期 ＝１􀆰 ７１ ｓ；

機械手取料（liào）階段的時間、 送料階段的時間與（yǔ）第一個周期相同；

第二個周期內的等待（dài）時間 ＝ 衝床運行周期－取（qǔ）料^時間－^{送料時間（jiān）} ＝ １􀆰 ７１ － ０􀆰 ２４ － １􀆰 ０８ ＝ ０􀆰 ３９ ｓ。 ^第二個

周期以後的各個周（zhōu）期與此相同。

（３） 滑塊下降到安全高度時手臂縮回（huí）距（jù）離的

計算

滑塊在安全高度以上的時間為 ０􀆰 ８７ ｓ， 送料階段完（wán）成伸出、 下降、 放鬆、 上升的動作時間為（wéi） ０􀆰 ４７ ＋０􀆰 ０２＋０􀆰 １＋０􀆰 ０２ ＝ ０􀆰 ６１ ｓ， 則機械手有 ０􀆰 ２６ ｓ 的時（shí）間處於（yú）縮回狀態， 此時間段內的縮回距離為 ５００ ·

０􀆰 ２６ ＝ １３０ ｍｍ。

在水平方向上， 模具與吸（xī）盤邊緣不發生碰撞時，機械手應（yīng）縮回的距離 Ｘ 的最小值為

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

由於縮回距離大於 Ｘ， 即機械手已（yǐ）經回退到安全區域以外， 不會（huì）使模具與（yǔ）機械手相碰撞。

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

６　 安全性設計（jì）

為確保衝床在工作工程中滑（huá）塊不會（huì）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出； 

當滑塊從最高點（diǎn）向下運行到安全高度時， 檢（jiǎn）測機（jī）械手是否（fǒu）已經縮回到模具邊緣以外， 如果沒有（yǒu）， 則衝床停止工作。（１） 安全高度檢測

通過檢測曲柄（bǐng）運行角度 α 值， 從而確定滑塊（kuài）是否到達（dá）安全高度。

在（zài）曲柄軸上安裝一（yī）個編碼器， 由曲柄軸帶動編碼器軸旋轉， 並使曲柄與編碼器（qì）的傳動比為 １ ∶ １， 編碼器的線數為 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（mǎ）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（xuán）轉（zhuǎn）一周時計數器複位（wèi）， 重新開（kāi）始計（jì）數。

編碼器發出的脈衝數 ｎ 與曲柄旋轉軸的運行角（jiǎo）度 α 之間（jiān）的（de）關係為（wéi）ｎ ＝ １ ２００ ３α６０

當滑塊回退到安（ān）全（quán）高度時， α ＝ ８７􀆰 ８２°， 編（biān）碼器發出的脈衝數 ｎ１ ＝ ２９３；

當滑塊向下運行到安全高度時， α ＝ ２７２􀆰 １８°， 編（biān）碼器發出的脈（mò）衝數 ｎ_２ ＝ ９０７。