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轉發自：機床與液（yè）壓

作者：丁錦宏

（江蘇工（gōng）程職業技術學院， 江蘇南（nán）通 ２２６０００）

摘要： 在分析送料機械手的運（yùn）行（háng）周期基礎上， 提出了一（yī）種具有行（háng）程倍增機構的機械手（shǒu）結構（gòu）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， 對衝床與機械手的協調運行與安全性控製進行了研究， 實際應用結（jié）果表明： 采用該結構的機械手（shǒu）能縮短手臂運行時間， 滿足（zú）衝床連續運行的要求， 並避免了碰撞事故的發生（shēng）。

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 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

衝床是由電動機帶動曲柄運轉， 使滑塊（kuài）做直線運動， 對材料施（shī）以壓力， 進行衝孔、 成形、 落料、拉伸等， 從而得到所要求的（de）形狀。 

隨著機電一體化（huà）技術、 智能控製技術（shù）等技術的發展， 用於衝床加工的自動上下料（liào）機械手（shǒu）已得（dé）到廣泛應（yīng）用。 

目前研究較多的是（shì）根據不（bú）同衝壓機床， 設計相應的機械手， 如數控轉塔衝（chōng）床上下料機（jī）械手［１］ 、 多工位衝床機械手［２］等， 通過機械手實（shí）現（xiàn）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（yòng）通信總線代替脈衝實現對伺服驅動單元的閉環控（kòng）製［３］ ， 以達到提高控製精度的目（mù）的。 

這些研究的重（chóng）點是機械手本身的動（dòng）作、 性能及其控製方式， 沒有考慮衝床（chuáng）的運行周期， 因而衝床運行時需（xū）要停（tíng）頓。

文中針對 ＪＤ２１⁃１６０ 衝床， 以衝床連續運行為目標，在深入分析衝（chōng）床（chuáng）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（wéi）一種開式曲柄壓力機床（chuáng）， 衝床的滑塊行程為 １６０ ｍｍ， 滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ，某（mǒu）企（qǐ）業用來進行拉伸加工， 加工件厚度為 ３ ｍｍ， 邊長為（wéi） １８０ ｍｍ， 質量為 ３ ｋｇ， 模具長度為 ２００ ｍｍ。

為實現自動化生產， 現對（duì）該衝床配備機（jī）械手， 進行自動送料（liào）。 兩者需要協調運行， 使衝（chōng）床連續衝壓。為敘述方便， 將模具（jù）與滑塊（kuài）視為一個整體， 仍稱為滑塊。

１　 安全高度與安（ān）全時間計算（suàn）

機械手需要在滑塊回退到安全（quán）高度（dù）之上時， 才能將手（shǒu）臂伸到衝床內， 完（wán）成送料動（dòng）作。

（１） 安全（quán）高度的確定

根據衝床技術參數與模具高度（dù）， 確定衝床安全高度為 ９０ ｍｍ。

（２） 安全高度內的時（shí）間計算

滑塊的運動原理如圖 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 為連杆長度（dù）； α 為曲（qǔ）柄旋轉角度。

ＪＤ２１⁃１６０ 衝床曲柄半徑為 ８０ ｍｍ， 連杆長度為２４０ ｍｍ。

由（yóu）式 （ １） 求解 α 角度值比較困難， 現依據式（１） 求出若（ruò）幹個離（lí）散點值， 如表 １ 所（suǒ）示， 采用作圖法求出安全高度內的時間（jiān）值。

滑塊行程次數為 ３５ 次（cì） ／ ｍｉｎ， 即（jí）衝床運行周期為１􀆰 ７１ ｓ， 滑塊行程為 １６０ ｍｍ。 利用表 １ 的離散點進行擬合（hé）， 可得出曲柄運行角度 α 與行程 ｓ 的關係曲線圖 α－ｓ、 時間（jiān）與行程 ｓ 的關（guān）係曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個曲線圖合二為一， 如圖 ２ 所示。

圖（tú） １　 滑塊運動原理

表 １　 滑塊行程（chéng）值

圖 ２　 曲柄旋轉角（jiǎo）度、 時間與滑塊（kuài）行程關係

由於（yú）安（ān）全高度為 ９０ ｍｍ， 由圖 ２ 可計算出滑塊在（zài）安全高度以上的時間（jiān）為 ０􀆰 ８７ ｓ。

２　 手臂行程的確定與機械手方案

根據（jù）衝床工作台及物料尺寸等因素（sù）， 確定物料台到衝床工作台中心之間的（de）距離， 即手臂行程為７００ ｍｍ。

機械手結（jié）構（gòu）如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機械手結構示意（yì）

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

手臂由驅動機構使其伸縮運行。 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，故需要對其驅動機構進行詳細（xì）分析。

吸盤作為拾取（qǔ）器來取放物料。 根據物料的質量和尺寸， 確定（dìng）使用單個吸（xī）盤， 安全係數取 ４， 選用型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側麵進氣， 總高度為 ５９ ｍｍ， 吸盤直徑為 ϕ４３ ｍｍ。 由於拾（shí）取器總高（gāo）度必須小於衝床的安全高度為 ９０ ｍｍ， 因而吸盤（pán）不（bú）能直接與氣缸活塞相聯接， 因而采用圖 ３ 中的聯接方式。

氣缸帶動吸（xī）盤做上下運動。 根據（jù）吸取物料的質量， 同時考慮穩定性和氣缸長度等限製， 選取雙活（huó）塞杆氣（qì）缸 ＭＧＰＭ１２⁃Ｄ⁃Ｍ９， 行程為 １２ ｍｍ， 可安裝磁性開關（guān）。

３　 機械手（shǒu）節拍分析與驅動元件確定

機械手以縮回位置為原點（diǎn）， 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（xī）盤吸著力的形成需（xū）要時間為 ０􀆰 １５ ｓ， 為了（le）增強可靠性， 該時間增加到 ０􀆰 ２ ｓ。 吸盤放料需要時間為氣缸（gāng）的動作時間與氣路、 電磁（cí）閥動作時間等（děng）有著複雜（zá）的關係， 計算較為複雜， 按照氣缸（gāng）的標準使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估算， 取氣缸運行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運行時間分（fèn）別為 ０􀆰 ０２ ｓ。

在機械手設計時， 考慮使用（yòng）氣缸和（hé）伺（sì）服電機兩種（zhǒng）方案驅動機械手的運行。

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

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

５、 電機（jī）轉速 ｓ ＝ ３ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ。 伸出與縮回時間均為

通過以上計算可見， 使用氣缸驅動（dòng）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（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（shǒu）臂時， 機械手總運行時間更長，在此不適（shì）合（hé）使（shǐ）用。 

因此， 確定使用氣缸作（zuò）為驅動元件， 其不（bú）足之處在於氣缸無法在行（háng）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（dòng）機構

根據上述計算， 如（rú）果使用氣缸直接（jiē）驅動手臂的伸縮（suō）， 即手（shǒu）臂行程 ＝ 氣缸行（háng）程時（shí）， 這樣的機械結構滿足不了衝床連（lián）續運行的（de）節拍（pāi）要求。 

為縮短手臂伸縮時間， 設計傳（chuán）動機（jī）構如圖 ４ 所示 （ 俯視圖未畫出手臂） ［６］ 。

該（gāi）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（tóng）步旋轉。 由齒輪 ２ 通過齒條（tiáo） ２ 帶動（dòng）手臂沿導軌（guǐ） １ 做伸縮運動。

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

在設計中， 取 Ｚ２ ＝ ２·Ｚ１， 則 Ｌ１ ＝ ３Ｌ２。

５　 機（jī）械手節（jiē）拍計算與協調性研究

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

機械手完（wán）成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下（xià）降、 放鬆（sōng）、 上升、 縮回的運行（háng）時間為

此運行時間小（xiǎo）於衝床運行周期 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， ３ 個階段的運行過程為

取料階段、 等待階段和送料階段 ３ 個階段構成機（jī）械手的運行周期。

機（jī）械手以縮回的（de）位置為初始狀（zhuàng）態（tài）。

（２） 運行協調與運行節拍計（jì）算衝床與機械手協調運行的方法為： （１） 衝（chōng）床與機械手（shǒu）同時工作（zuò）， 衝（chōng）床連續運行； （２） 機械手從（cóng）第（dì）二個運行周期開始， 其運行周期與（yǔ）衝床運行周期相同； （３） 當滑塊（kuài）回退到（dào）安全高度時， 機械手開始伸出送料， 這是協調運行（háng）的關鍵， 不但清除了衝床（chuáng）與機械手在節拍上的時間計算與運行誤差， 而且保（bǎo）證（zhèng）了安全性； （４） 送料階（jiē）段和取料（liào）階段是連續完成的。

衝床（chuáng）與機械手協調運行時間（jiān）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的周期時間短， 第二個以後的運行周期時（shí）間（jiān）相同， 為衝床運行周期， 即 １􀆰 ７１ ｓ； （２） 機械手在第二個以（yǐ）後的運行（háng）周期內， 起始時間超前於衝床運行周期的開始時間。 機械（xiè）(（ａ）)手取（qǔ）料階段的時間ｔ１＝０􀆰０２(機械手第一個周期的節拍計算（suàn）) ＋ ０􀆰 ２ ＋ ０􀆰 ０２ ＝０􀆰 ２４ ｓ；

機械手（shǒu）送料階段時間 ｔ３ ＝ ０􀆰 ４７＋０􀆰 ０２＋０􀆰 １＋０􀆰 ０２＋０􀆰 ４７ ＝ １