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轉（zhuǎn）發自：機床與液壓

作（zuò）者：丁錦宏

（江蘇工（gōng）程職業技術（shù）學（xué）院， 江蘇南通 ２２６０００）

摘要： 在分析送料機械手的（de）運行周期基礎（chǔ）上， 提出了一種具有行（háng）程倍增機構的（de）機械手結構設計方案， 並通過編碼器檢測衝床滑塊的安全高度， 采用時序圖法， 對衝床與機（jī）械手的協調運行與安全性控製進行了研究， 實際應用結果表（biǎo）明： 采用該結構的機械手能縮短手臂運行時間（jiān）， 滿足衝床連（lián）續運（yùn）行的要求， 並避免了碰撞事故的發生。

關鍵詞： 衝壓； 連續運（yùn）行（háng）； 協調； 安全中（zhōng）圖分類號： ＴＧ５１９􀆰 １

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．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｓｔａｍｐｉｎｇ； Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ； Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ； Ｓａｆｅｔｙ

前言

衝（chōng）床是由電動機帶動曲柄運轉， 使滑塊做直線運動， 對材料施以壓力， 進行衝孔、 成形、 落料、拉伸等， 從而（ér）得到所（suǒ）要求的形（xíng）狀。 

隨著機電一體化技術、 智能控製技術等技（jì）術的發展， 用於衝床（chuáng）加工的自動上下料機械手已得到廣泛（fàn）應用。

 目前研究較多的是根據不同衝壓機床， 設計相應（yīng）的機械手， 如數（shù）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（guò）機械（xiè）手實現衝壓（yā）件的（de）取放操作。

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

這些研究的（de）重點是機械手本身的動作、 性能及其控製（zhì）方式， 沒有考慮衝床（chuáng）的運行周期， 因（yīn）而衝床運行時需要停頓。文中針對 ＪＤ２１⁃１６０ 衝床， 以（yǐ）衝床連續（xù）運行為目標，在深入分（fèn）析衝床與機械手的運動規律（lǜ）基礎上， 對機械手的結構、 機械手與衝床之間（jiān）的協調性加（jiā）以研究。 

ＪＤ２１⁃１６０ 衝床為一種（zhǒng）開式曲柄壓力機床， 衝床的滑塊行（háng）程（chéng）為 １６０ ｍｍ， 滑塊行程（chéng）次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ，某企（qǐ）業用來進行拉伸（shēn）加工， 加工（gōng）件（jiàn）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， 現對該衝床配備機械手， 進行自動送料。 

兩者需要協調運行， 使衝（chōng）床連續衝壓。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（dù）與安全（quán）時間計算

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

（１） 安全高度的確定

根據衝床（chuáng）技術參數與模具高度， 確定衝床安全高度為 ９０ ｍｍ。

（２） 安全高度內的時間計算

滑塊的運動（dòng）原理如圖 １ 所示。 其數學模型為（wéi）

ｓ ＝ （Ｒ＋Ｌ） －（Ｒｃｏｓα＋ Ｌ２ ＋（Ｒｓｉｎα） ２ （１）

式（shì）中： ｓ 為滑塊（kuài）距下死點行程（chéng）； Ｒ 為曲柄（bǐng）半（bàn）徑（jìng）； Ｌ 為連杆長度； α 為曲柄旋轉角度。

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

由式 （ １） 求解 α 角度值比（bǐ）較困難， 現依據式（１） 求出若幹（gàn）個離散點值， 如表 １ 所示， 采用作圖

法求出安全高度內的時間值。

滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即衝（chōng）床（chuáng）運（yùn）行周期（qī）為１􀆰 ７１ ｓ， 滑（huá）塊行程為 １６０ ｍｍ。 

利用（yòng）表 １ 的離散點進行擬合， 可得出曲柄運（yùn）行角度（dù） α 與行程 ｓ 的關係曲（qǔ）線圖 α－ｓ、 時間與行程 ｓ 的（de）關（guān）係曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個（gè）曲線（xiàn）圖合二為一， 如圖 ２ 所示。

圖 １　 滑塊運（yùn）動原理（lǐ）

α ０ π ／ １２ ２π ／ １２ ３π ／ １２ ４π ／ １２ ５π ／ １２ ６π ／ １２

ｓ ０ ３􀆰 ６２ １４􀆰 ０８ ３０􀆰 ２ ５０􀆰 ２２ ７２􀆰 ０６ ９３􀆰 ７３

α ７π ／ １２ ８π ／ １２ ９π ／ １２ １０π ／ １２ １１π ／ １２ １２π ／ １２

ｓ

表 １　 滑塊行程值（zhí）

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

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 可計算出滑塊在安全高度以上的時間為 ０􀆰 ８７ ｓ。

２　 手臂行程的確定與機械（xiè）手方案

根據衝（chōng）床工作台（tái）及（jí）物料尺寸等因素， 確定物料台到（dào）衝床工作台中心之間的距離， 即手臂行程為７００ ｍｍ。

機械手結構如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機械手結構示意

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

手臂由驅動機構（gòu）使其伸縮（suō）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（háng）周期相一致，故需要（yào）對其驅動（dòng）機（jī）構進行詳（xiáng）細分析。

吸盤作為拾取器來取放物料。 根據物料的質量和尺寸， 確定使用單個吸盤， 安（ān）全係數（shù）取 ４， 選用型（xíng）號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側麵進氣， 總高度為 ５９ ｍｍ， 吸盤直徑為 ϕ４３ ｍｍ。 

由於拾取器（qì）總高度必須小於衝（chōng）床（chuáng）的（de）安全高度為 ９０ ｍｍ， 因（yīn）而吸盤不能直接（jiē）與（yǔ）氣缸活塞相聯接， 因而采用圖 ３ 中的聯（lián）接方式。

氣缸帶動吸盤做上下（xià）運動。 根據吸取（qǔ）物料（liào）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

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

吸盤吸著力的形成需要時間（jiān）為 ０􀆰 １５ ｓ， 為了增強可靠性， 該（gāi）時（shí）間增加到 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（zuò）時間等有著（zhe）複（fù）雜的關係， 計算較為複雜（zá）， 按照（zhào）氣缸的標準使用速（sù）度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估算， 取氣缸運行（háng）速（sù）度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運行（háng）時間分別為 ０􀆰 ０２ ｓ。

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

若使用氣缸驅動（dòng）手臂伸縮， 則伸出與縮回時間（jiān）均為 ７００ ／ ５００ ＝ １􀆰 ４ ｓ。

若使用伺服電機帶動滾珠絲杆， 驅動手臂伸縮，則在該（gāi）機械手負載的情況下， 一般選擇絲杆（gǎn）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（jiàn）， 使用氣缸驅動手臂時， 機械手總運行時間為 ３􀆰 １８ ｓ， 已（yǐ）經大大超（chāo）過（guò）衝床（chuáng）運行周期１􀆰 ７１ ｓ， 需要衝床在（zài）運轉中（zhōng）等待， 不符合設計要求（qiú）。

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

 因此（cǐ）， 確定（dìng）使用氣缸作為驅動元件（jiàn）， 其不足之處在於氣缸（gāng）無法在行程的中（zhōng）間任意位置停留， 不能實現預（yù）送料。

４　 傳動機（jī）構的設計

圖 ４　 驅動機構

根據上述計算， 如果使用氣缸（gāng）直接驅動手臂（bì）的伸縮， 即手臂行（háng）程 ＝ 氣缸（gāng）行程時， 這樣的機械結構滿足（zú）不了衝床（chuáng）連續運行（háng）的節拍要求。 

為縮短手（shǒu）臂（bì）伸縮時間， 設計傳（chuán）動機構如圖 ４ 所示 （ 俯視圖（tú）未畫（huà）出手臂） ［６］ 。

該機構中， 齒輪座在驅（qū）動氣缸的作用下， 沿導軌２ 運動（dòng）， 使齒輪 １ 和（hé）齒輪 ２ 做同步旋轉。

 由齒輪 ２ 通過齒（chǐ）條 ２ 帶動手臂沿導軌 １ 做伸縮運動。

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

æç１＋ＺＺ２１öø÷ è

在設計中， 取（qǔ） Ｚ２ ＝ ２·Ｚ１， 則 Ｌ１ ＝ ３Ｌ２。

５　 機械手（shǒu）節拍計算與協（xié）調性研究（jiū）

由於機械手臂伸出距離 Ｌ１ ＝ ７００ ｍｍ， 則氣（qì）缸（gāng）伸出距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 

按照氣缸運行速（sù）度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計算， 氣缸（gāng）伸出（chū）時間 ｔ１ ＝ ０􀆰 ４７ ｓ。

機械手完成下降、 吸（xī）取、 上升、 伸出、 下降、 放（fàng）鬆、 上（shàng）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）運行時間小於（yú）衝床運行（háng）周期 １􀆰 ７１ ｓ， 可與衝床相（xiàng）配合使用。

（１） 機械手（shǒu）運行周（zhōu）期

現將機械手運行周期分為 ３ 個階段： 取料階段、等（děng）待階段和（hé）送料階（jiē）段（duàn）， ３ 個（gè）階（jiē）段的運（yùn）行過程為

取料階段、 等待階段和送料階段 ３ 個階段構（gòu）成機械手的運行周期。

機械手以縮回的位置為初始狀態。

（２） 運行（háng）協調與運行節拍計算衝床與機械手協調運行的方（fāng）法為（wéi）： 

（１） 衝（chōng）床與機械手同時工作， 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（xiàng）同； 

（３） 當滑塊回退到安全高度時， 機械手開始伸出送料（liào）， 這是協調運行的關（guān）鍵， 不但清除了衝（chōng）床（chuáng）與機械手在節拍上的時間計算與運行誤差， 而且保證了安全性； 

（４） 送料階段和取料階段是連續完成的。

衝床與機械手協調運行時間關係如圖 ５ 所示。

圖 ５　 機械手協調運行時間

由圖 ５ 可見： （１） 機械手第一個運行周期（qī）的周期時間短， 第（dì）二個以後的運行周期時間（jiān）相同， 為衝床運行周（zhōu）期（qī）， 即 １􀆰 ７１ ｓ； 

（２） 機械手在第二個以後的運行周期內， 起始時間超前於衝床（chuáng）運行周期的開始時間。 機械(（ａ）)手取料階段的時間（jiān）ｔ１＝０􀆰０２(機械手第一個周（zhōu）期的節拍計算（suàn）) ＋ ０􀆰 ２ ＋ ０􀆰 ０２ ＝０􀆰 ２４ ｓ；

機械手送料（liào）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（kuài）回退到安全高度的（de）時間為０􀆰 ４２ ｓ， 完成取料所需時間為 ０􀆰 ２４ ｓ， 則第一個（gè）周（zhōu）期內的等待時間為 ０􀆰 ４２－ｔ１ ＝ ０􀆰 ４２－０􀆰 ２４ ＝ ０􀆰 １８ ｓ；

機械（xiè）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節拍計算（suàn）

機械手運行（háng）周期的總時間 ＝ 衝床運行周（zhōu）期 ＝１􀆰 ７１ ｓ；

機械手（shǒu）取料階段的時間、 送（sòng）料階段的時間與第一個周期相同；

第二個周期內的等待時間 ＝ 衝床（chuáng）運（yùn）行周期－取料時間－送料時間（jiān） ＝ １􀆰 ７１ － ０􀆰 ２４ － １􀆰 ０８ ＝ ０􀆰 ３９ ｓ。 第二個

周期以後的各（gè）個周期與此相（xiàng）同。

（３） 滑塊下降（jiàng）到安全高度時手臂縮回距離的

計算

滑塊在安全高度（dù）以上的時間為 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（xiè）手有 ０􀆰 ２６ ｓ 的時間處於縮回狀態（tài）， 此時間段內的縮（suō）回（huí）距離為 ５００ ·０􀆰 ２６ ＝ １３０ ｍｍ。

在水平（píng）方向上， 模具與吸盤邊緣不發生碰撞時，機械手應縮回的距離 Ｘ 的最小值（zhí）為

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

由於縮（suō）回距離大於 Ｘ， 即機械手已經（jīng）回退到安（ān）全區域以外， 不會使模具（jù）與機械手相碰撞。

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

６　 安全性設計

為確保衝床（chuáng）在（zài）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（tuì）到安全高度（dù）時機械手開始伸出； 當滑塊從最高點向下（xià）運行到安全（quán）高度（dù）時（shí）， 檢測機（jī）械手是否已經縮回到（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

通過檢測曲柄運（yùn）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， 由曲柄軸帶動編碼器軸旋轉， 並使曲（qǔ）柄與編碼器的傳動比為 １ ∶ １， 編碼器的線數為 １ ２００。 

選用三（sān）菱 ＦＸ３ｕ 型 ＰＬＣ 作為控製元件［７］ 。 ＰＬＣ 通過輸入端子接收（shōu）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（xià）死點時開始（shǐ）計數， 曲柄旋轉軸（zhóu）旋轉一周時計（jì）數器複位（wèi）， 重新（xīn）開始計數。

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

當滑塊回退到安全高度時， α ＝ ８７􀆰 ８２°， 編（biān）碼器發出的（de）脈（mò）衝數 ｎ１ ＝ ２９３；

當滑塊向下運行到安全高度時， α ＝ ２７２􀆰 １８°， 編碼器發（fā）出的脈衝數 ｎ２ ＝ ９０７。

安全性的控製流程如圖 ６ 所示。

圖 ６　 安（ān）全性控製流程

（２） 機械手縮回位（wèi）置檢測

當滑塊從（cóng）上死點下降到安全高度時， 需要檢測機械手縮回位置， 確定吸盤邊緣是否已經回退到滑塊邊緣以外， 其方法如下：

在機械手安裝時， 將機械手置於伸出到位位置。

將圖 ４ 中的感應塊安裝（zhuāng）在手臂側（cè）麵的 Ｔ 型槽內， 在 Ｔ型槽內前後移動感應塊， 使其在接近開關前方１２１􀆰 ５ ～ １３０ ｍｍ 範（fàn）圍內 （ 水平距離）， 然後將感應塊固定。 

在機械手手臂（bì）縮回到 １２１􀆰 ５ ｍｍ 以上（shàng）距離時，感應塊經（jīng）過（guò）接近開關上方， 接近開關發出脈衝信號，由 ＰＬＣ 記憶該信號。