機(jī)械手在鍛壓生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

黃銀花，趙仕奇

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003)

機(jī)械手在鍛壓生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

黃銀花，趙仕奇

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003)

為了提高我國(guó)鍛壓生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減少加工過(guò)程對(duì)操作人員的危害，實(shí)現(xiàn)綠色鍛壓，有必要根據(jù)我國(guó)鍛壓行業(yè)的現(xiàn)狀，應(yīng)用鍛壓機(jī)械手代替人工完成鍛壓生產(chǎn)過(guò)程中的上料、翻轉(zhuǎn)、下料等危險(xiǎn)性高、簡(jiǎn)單重復(fù)性、勞動(dòng)強(qiáng)度高的工作，以提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品一致性。在分析鍛壓生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析鍛壓過(guò)程中人工操作的動(dòng)作流程，提出鍛壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及運(yùn)動(dòng)方案，并闡述其應(yīng)用的意義。

機(jī)械手;鍛壓生產(chǎn);應(yīng)用研究

從世界制造業(yè)及鍛壓行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，綠色制造、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是一種必然的趨勢(shì)，現(xiàn)有鍛壓廠家均需要提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度，降低生產(chǎn)過(guò)程對(duì)工人的健康危害，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量［1－2］。雖然我國(guó)是鍛壓大國(guó)，但卻不是鍛壓強(qiáng)國(guó)，鍛壓設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)化程度也很低，多數(shù)鍛壓設(shè)備處于手工運(yùn)料或半手工送料的落后狀態(tài)。生產(chǎn)過(guò)程中，一般都是由工人用鉗子將燒到1 000多攝氏度的坯料夾到鍛壓設(shè)備上，鍛壓過(guò)程中用鉗子翻轉(zhuǎn)工件，完成后再由人工用鉗子將工件取出，加工過(guò)程中反復(fù)夾取鋼鐵工件，勞動(dòng)強(qiáng)度大。高溫以及重型的壓力設(shè)備對(duì)操作工人時(shí)刻構(gòu)成了嚴(yán)重的安全威脅。在國(guó)外，類似的自動(dòng)化加工設(shè)備已經(jīng)很多，如日本、美國(guó)、德國(guó)等都早已有類似的機(jī)器人系統(tǒng)及多種配有機(jī)器人的生產(chǎn)線長(zhǎng)期工作于鍛壓生產(chǎn)線上［3－4］。

目前，鍛壓生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制;改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度［5－6］。隨著自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手應(yīng)用將更加普遍。現(xiàn)有的鍛壓機(jī)械手系統(tǒng)，一般都是和鍛壓機(jī)結(jié)合在一起，配置柔性較差。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)械手系統(tǒng)售價(jià)約60萬(wàn)人民幣，國(guó)外所生產(chǎn)的系統(tǒng)售價(jià)更高。無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)的鍛壓機(jī)械手系統(tǒng)，成本都較高，一般企業(yè)難以承受［7］，所以研發(fā)新型機(jī)械手在低投入下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛壓送料至關(guān)重要。

1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案

鍛壓機(jī)械手是面向鍛壓自動(dòng)化生產(chǎn)而開(kāi)發(fā)的工業(yè)自動(dòng)化裝置，是一項(xiàng)復(fù)雜的機(jī)電一體化工程項(xiàng)目［8－9］。研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容包括:

(1)鍛壓機(jī)械手本體研究開(kāi)發(fā)

機(jī)械手本體是系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行單元，也是系統(tǒng)的核心。根據(jù)對(duì)鍛壓過(guò)程中人工操作的動(dòng)作流程分析，確定鍛壓機(jī)械手需要的動(dòng)作方式及自由度數(shù)目，設(shè)計(jì)出鍛壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)特定的已有鍛壓設(shè)備，確定各軸需要的運(yùn)動(dòng)范圍，進(jìn)行實(shí)際的范圍簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)械手模型樣機(jī)的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)機(jī)械手控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

以工業(yè)PC機(jī)為平臺(tái)，以現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)為核心，開(kāi)發(fā)一套控制系統(tǒng)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器動(dòng)態(tài)控制各執(zhí)行元件，從而控制機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)的軌跡運(yùn)動(dòng)。

(3)機(jī)械手控制軟件開(kāi)發(fā)

設(shè)計(jì)一套界面友好、交互性強(qiáng)的鍛壓機(jī)械手控制軟件，軟件以Windos操作系統(tǒng)為平臺(tái)，便于人機(jī)交互。通過(guò)軟件，完成機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，控制機(jī)械手按照一定路徑完成操作任務(wù)。

(4)研究試驗(yàn)方法及技術(shù)路線

鍛壓生產(chǎn)中機(jī)械手應(yīng)用的解決方案如圖1所示。

圖1 機(jī)械手研制具體實(shí)施方案

對(duì)特定工件的鍛壓過(guò)程進(jìn)行分析，確定采用圖2所示的機(jī)械手為鍛壓機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)特定鍛壓設(shè)備的外形尺寸、操作尺寸、工件負(fù)載進(jìn)行機(jī)械手模型樣機(jī)具體外形尺寸及詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理劃分鍛壓過(guò)程動(dòng)作及流程，設(shè)置一些關(guān)鍵工藝參數(shù)，從而保證系統(tǒng)的柔性。

圖2 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)精度如表1所示。

表1 機(jī)械手樣機(jī)本體各軸運(yùn)動(dòng)精度

2 鍛壓生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手工作原理

鍛壓機(jī)械手通過(guò)手爪開(kāi)合機(jī)構(gòu)拉動(dòng)手爪機(jī)構(gòu)，使手爪能夠開(kāi)合自如，同時(shí)手爪端部為V型槽結(jié)構(gòu)，可使抓取的工件自動(dòng)定心;手爪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可帶著手爪和手爪伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行90°轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工件能在鍛壓的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn);手爪伸縮機(jī)構(gòu)可使手爪順利達(dá)到抓取位置抓取工件，并能順利地將工件放在鍛模上;手爪升降機(jī)構(gòu)能保證手爪將工件從放置位置拿起，并在鍛壓位置放下，在工件的搬運(yùn)過(guò)程中防止與其他機(jī)構(gòu)相碰;控制系統(tǒng)采用電氣伺服與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的混合驅(qū)動(dòng)方式，具有質(zhì)量輕、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

3 鍛壓生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方案

(1)取件

物料傳感器檢測(cè)到鍛件;從初始位置開(kāi)始，垂直氣缸向上動(dòng)作到頂端，上位磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥恢復(fù)中位;橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，向右運(yùn)動(dòng)，到右端限位光電開(kāi)關(guān)變化，控制橫向移動(dòng)的伺服電機(jī)停止;水平氣缸收縮，后端磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥保持線圈通電狀態(tài);垂直氣缸向下運(yùn)動(dòng)到中位磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥恢復(fù)中位;電磁閥線圈斷電狀態(tài)，水平氣缸推出，前端磁性開(kāi)關(guān)接通，物品爪夾住鍛件。

(2)鍛件工序

物料傳感器檢測(cè)空氣錘頭，錘頭抬起，傳感器接收到信號(hào)，鍛件才能被挪動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng);踏板電機(jī)啟動(dòng)，上限位光電開(kāi)關(guān)變化，向下運(yùn)動(dòng)到控制鍛錘輕打位置;鍛錘落下，抬起 (周期3次/s)，一次0.43 s;鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)從鍛錘開(kāi)始下落的0.19 s(鍛打一刻的0.017 s后)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)90°，零位光電開(kāi)關(guān)變化，經(jīng)歷時(shí)間0.33 s;鍛錘第二次鍛打，后旋轉(zhuǎn)鍛件45°;之后重復(fù)前3步的過(guò)程若干次，直至預(yù)計(jì)直徑變?yōu)?4 mm;踏板電機(jī)啟動(dòng)，向下運(yùn)動(dòng)到控制鍛錘重打位置;重復(fù)鍛錘落下，抬起;鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)，從鍛錘開(kāi)始下落的0.18 s(鍛打一刻的0.017 s后)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)90°經(jīng)歷時(shí)間0.33 s;鍛錘第二次鍛打，后旋轉(zhuǎn)鍛件45°;之后重復(fù)前兩步的過(guò)程若干次，直至垂直氣缸下位磁性開(kāi)關(guān)接通，預(yù)計(jì)直徑變?yōu)?7 mm;踏板電機(jī)啟動(dòng)，向上運(yùn)動(dòng)到控制鍛錘懸空位置。

(3)扔鍛件

垂直氣缸向上動(dòng)作，到頂端，上位磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥恢復(fù)中位;橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，向左運(yùn)動(dòng)，左端限位光電開(kāi)關(guān)變化，控制橫向移動(dòng)的伺服電機(jī)停止;垂直氣缸向下運(yùn)動(dòng)到中位磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥恢復(fù)中位;鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，零位光電開(kāi)關(guān)變化，鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止;水平氣缸收縮，后端磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥保持線圈通電狀態(tài)，物品爪張開(kāi)，鍛件掉落;垂直氣缸向上動(dòng)作到頂端，上位磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥恢復(fù)中位;橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，右端限位光電開(kāi)關(guān)變化，向左運(yùn)動(dòng)到鍛位一，控制橫向移動(dòng)的伺服電機(jī)停止;垂直氣缸向下運(yùn)動(dòng)到中位磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥恢復(fù)中位;鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，零位光電開(kāi)關(guān)變化，鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止;水平氣缸收縮，后端磁性開(kāi)關(guān)接通，電磁閥保持線圈通電狀態(tài)，物品爪張開(kāi)，鍛件掉落。如圖3為鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)給圖，圖4為步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給圖。

圖3 鍛件旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)給圖

圖4 鍛件步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給圖

4 結(jié)論

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鑄造、焊接、裝配、機(jī)加工、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手因其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。該項(xiàng)目的成功研究，可以為后續(xù)的深入研究、推廣打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，只要再進(jìn)行現(xiàn)有鍛壓設(shè)備鍛壓動(dòng)作與機(jī)械手動(dòng)作協(xié)調(diào)研究后，投資25萬(wàn)元即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛壓。同時(shí)也可以在極端制造生產(chǎn)環(huán)境下推廣應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

【1】夏鯤，徐濤，李靜鋒，等.工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用研究［J］.廣西輕工業(yè)，2008(8):63 －64.

【2】戴振華，朱春波.PLC控制的氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)壓套機(jī)械手［J］.機(jī)床與液壓，1999(2):69－70.

【3】CRAIG John J.Introduction to Robotics:Mechanics and Control［M］.3rd Ed.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

【4】徐剛，魯潔.從 CIMT2007看鍛壓機(jī)床的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42(2):2 －9.

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【8】耿躍峰，夏政偉.四自由度搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(2):42 －44.

【9】ANGELES Jorge.Fundamentals of Robotic Mechanical Systems:Theory，Methods and Algorithms［M］.New York:Spriger-Verlag New York Inc，2003:13－129.

App lication of the Manipulator in Forging Production

HUANG Yinhua，ZHAO Shiqi
(Huaian College of Information Technology，Huaian Jiangsu 223003，China)

In order to improve the automation level of forging in our country，reduce harm to operators，realize green forging，it is necessary to combine the currentsituation of forging industry in our country，applying forgingmanipulator to replace themanual forging process for the production of feed，turning，cutting and other high risk，high labor intensity，simple repetitive work.This will improve the production automation level and product consistency，increase productivity.Based on the analysis of the present situation of forging production，the artificial action process of forgingwas analyzed.The structure，working principle and motion scheme of the applied forgingmanipulator were put forward，and the significance of its application was expounded.

Manipulator;Forging production;Application research

TP249

A

1001－3881(2013)8－031－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.012

2012－03－14

淮安市科技支撐計(jì)劃(工業(yè))資助項(xiàng)目 (HAG2010006);江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心開(kāi)發(fā)課題(SZKT2011-005)

黃銀花 (1978—)，女，博士，講師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)、智能車(chē)輛。E－mail:ahua_09@126.com。