基于軸承環坯的自動鍛壓系統的設計與研究國家科技支撐計劃(2015BAH47F02)

范崎峰 楊 林 郭忠峰

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

我國是一個鍛壓大國，大多數企業的鍛壓生產用人工完成取料、放料、工件制坯與成型，生產車間溫度高鐵銹氧化物飛濺，生產設備老化落后，生產用的工具一部分是操作工人自己設計的，生產過程中隨意性強，影響產品質量與生產效率低。由于操作工人勞動強度大，危險性高，加上工作環境相對復雜，導致該工種的操作人員越來越少。而現有的鍛壓機器人結構單一，功能簡單，無法滿足市場要求。近幾年來，我國不斷涌現自動化工業機器人生產線，許多企業紛紛尋求利用工業機器人代替人工進行工業生產，因此此類自動化生產線已經被越來越多的企業認可[1-2]。為了解決上述問題，降低加工生產中對操作人員的傷害，實現綠色鍛壓、健康鍛壓，有必要根據我國鍛壓行業的目前狀況，將自動鍛壓系統應用到鍛壓生產過程中，用其替代人工完成危險性高、勞動強度大的工作，進而提高生產自動化程度，提高生產率，提高產品一致性[3]。

1 系統設計

1.1 系統組成

如圖1所示，自動鍛壓系統主要由工業機器人(包括機器人和控制柜)、系統控制臺[4](包括倍福PC機和人機界面)、載物臺、噴涂裝置、560 kg空氣錘。倍福PC機作為控制系統的中心大腦，可以通過與網橋的連接實現遠程通信，從而對元器件進行監查與管理。觸摸板作為人機交互的媒介，操作人員可以通過觸摸板對系統進行監控、對基本參數進行設置、機器人動作預演與路徑規劃。工業機器人與560 kg空氣錘和模具庫銜接配合，機器人主體負責完成軸承環坯的上下料、模具的夾取。模具庫配合機器手工作，其中存放改裝后的模具。當系統運行時，為防止機器人運行失誤造成操作人員受傷，需要在工業機器人周圍設置必要的防護欄。

1.2 控制系統

圖2為控制系統的結構示意圖。本系統以倍福PC機作為控制核心，接收并處理載物臺、模具庫、工業機器人、發送的信號，并且協調各設備間的運作，從而完成工作任務。倍福PC機通過I/O接口與各設備間進行相互間的通訊[4]。PC機外接的觸摸屏是人機間的交互的第一媒介，操作人員可以通過觸摸屏上設定好界面來觀察和了解系統的運行情況，設定有關參數以及控制系統的起停、急停。

1.3 系統的工作流程

圖3為系統的工作流程簡圖。其主要流程為：將切割加熱后的坯料放到指定的載物臺位置上，取料機械手自動抓取工件并放在空氣錘鍛壓臺上，再由取料機械手、機械手A、機械手B與空氣錘四者協同配合將軸承環坯鍛壓成型，最后由取料機械手將環坯取出，放到載物臺的指定位置，再由操作人員取走鍛壓好的環坯。在此過程中，取料機械手主要負責取、放料與鍛壓過程中環坯的移動、翻轉。機械手A與機械手B主要負責鍛壓過程中的模具、定高墊鐵等工具的夾取，收回。在灑粉裝置內，將對機械手A夾取上下模進行霧冷與噴涂潤滑劑處理。

2 機器人的結構與控制系統的設計

2.1 機器人總體結構設計

本文研究的機器人結構是平面關節型，機械手結構如圖4、5所示，有4個自由度，即立柱旋轉、大臂的升降、小臂旋轉、手腕擺動。其中取料機械手需要增加一個手腕處旋轉自由度，即手部旋轉。其中第一、三、四的自由度的旋轉關節相互平行，以實現末端工件的移動和準確定位[5]，第二自由度為機器人大臂提供升降，最后第五自由度的電動機控制為工件提供旋轉。操作機械手采用可快速更換機械手，根據工件需要安裝具有不同功能的手爪，手爪的規格依據模具和所需工件的規格而定。

為達到預期目標，設計出符合如下技術參數要求的機器人：

(1)類型：類SCARA圓柱型機器人(比SCARA機器人更能負重)。

(2)負載：工件20 kg+模具80 kg。

(3)各部件主要參數如表1。

該機器人中，受力的主要部件有取件手柄、底座、大臂以及小臂，底座需要承受所有的重量，取件手柄和大小臂則懸臂設置，材料使用應該滿足扭矩以及強度，在此基礎之上選擇較輕的材質[6],同時要注意降低成本，保證合理性與安全性[7]。綜合考慮后決定采用7075航空鑄鋁，該材質強度高，不易受應力影響。為降低自重，考慮將大小臂做成空心形狀，在強度范圍內盡量減少壁厚。為加強取件手柄的強度，將取件手柄作為實心的。選用較厚的底座，以加強其承載能力。

表1 各部件主要參數

立柱旋轉大臂升降小臂旋轉手腕擺動手腕旋轉運動范圍±120°600mm±120°±120°±120°速度720°/s20mm/s360°/s360°/s720°/s

軸承環鍛壓機器人采用模塊化的方法進行設計，分別對電動機、帶輪等進行設計計算[8],各模塊之間既保持相互獨立又可以相互關聯。所有部件均采用高度密集部件，實現裝配結構的簡易化[9]。

相關傳動鏈[10]:

立柱旋轉：伺服電動機→減速器→聯軸器→立柱驅動軸→立柱。

大臂升降：伺服電動機→減速器→聯軸器→絲杠→絲母→絲母座→大臂。

小臂旋轉：伺服電動機→減速器→脹緊套→小臂。

手腕擺動：伺服電動機→減速器→軸套→H型同步帶→手腕擺動軸→手腕。

手腕旋轉：伺服電動機→聯軸器→取件手柄→手爪。

2.2 各個關節的具體設計方案

2.2.1 立柱的旋轉

圖6為第一自由度結構。該自由度由伺服電動機提供動力，經過減速器、聯軸器使立柱驅動軸旋轉，從而帶動立柱旋轉。為方便電動機和減速器的安裝，將底座分為兩部分，采用45鋼作為底座材料。

2.2.2 大臂的升降

如圖7為第二自由度結構。該自由度由伺服電動機提供動力，經減速器、聯軸器驅動絲杠旋轉，絲母不轉而將絲杠的旋轉運動轉換成上下移動，并經絲母座帶動大臂實現其升降的功能。整體立柱部分用外罩將其罩住，隔絕空氣中的灰塵，同時降低安全事故，提升美觀度。

2.2.3 小臂的旋轉

如圖8為第三自由度結構。該自由度在伺服電動機的直接驅動下，經減速器、脹緊套與擺動軸，使小臂旋轉。該傳動直接簡便，傳動效率高。

2.2.4 手腕的擺動

圖9為第四自由度結構。該自由度以伺服電動機為驅動裝置。為防止氣錘碰撞到伺服電動機，在符合設計要求以及傳動最優的情況下采用帶輪傳動，伺服電動機通過鍵與軸套相連，從而帶動H型同步帶，使手腕擺動軸旋轉，帶動手腕擺動。

2.2.5 手腕的旋轉

圖10為第五自由度結構。該自由度在伺服電動機的直接驅動下，用聯軸器帶動取件手柄旋轉，從而帶動手爪翻動旋轉。

2.3 機器人控制程序設計

該系統采用三臺柱形機器手協調工作，氣錘與機械手可以聯動從而實現全自動工作，也可以在操作人員的控制下實現人機調試，進行自動運行、單步運行。根據周玉林等人的研究采用“時間等分 - 動作匹配”法可以消除壓機的等待時間，實現自動化生產線中壓機與機器人的動作協調，進而提高生產效率[11]。

為保證在惡劣的環境條件下系統能夠穩定、可靠地運行，采用倍福PLC作為控制系統的控制核心。系統主要由觸摸屏、可編程控制器及其位置控制模塊、伺服驅動、伺服電動機組成。該控制系統的硬件總體結構模塊圖如圖11所示。其中觸摸屏用于人機交互的媒介。在系統運行時，操作人員不僅可以通過其來了解系統的實時工作狀態，還可以通過其向所控制的設備發送相關的指令。同時為滿足系統復雜的控制流程及其高精度要求，機械手系統的主控單元選用高性能可編程邏輯控制器，同時擴展了1個脈沖定位模塊。位置控制模塊用于伺服系統的定位控制。觸摸屏與PLC之間通過串行接口進行通信。

3 相關部件工藝工裝設計與改進

為了簡化固定式夾持機械手的數量，將模具及其工裝的夾持接口盡量統一成一個標準。上模與下模墊用操作機械手A的同一個機械手爪，定高墊鐵和落底片沖頭用操作機械手A的另外的同一個機械手爪。每套模具對應相應的機械手。

3.1 機械手結構方案分析比較與結構設計

方案一，機械手與手柄連接處設置成快速更換裝置，設計不同類型的機械手。方案二，機械手與手柄直接連接，將模具夾持口處統一標準，減少機械手數量。從以上兩個方案來說，綜合多種因素，方案二更為合適。機械手固定尺寸從而將模具盡可能統一標準，可減少機械手數量，也會使機械手結構更加簡單，操作方便，過程中不需快速更換，只需要一套機械手就可加工完成。用螺栓直接連接機械手與手柄。考慮機械手在旋轉，移動過程中會有離心力，將左側手臂較長端稱為A端，右側手臂較短端稱為B端，結構如圖12所示，考慮離心力問題可在每個手爪邊緣加凸臺，可防止模具在運行過程中被甩出。機械手抓取部件采用雙工位設計，部件兩側都放置模具，當一側的模具被沖壓完成后，另一側的模具會被迅速轉過來，以備再次沖壓。這種結構簡單可以有效提高設備近一倍的工作效率。

3.2 外模與上下模的設計改進

企業原來使用的外、上、下模尺寸如圖13a～c所示，改進后如圖13d～f所示。

外模分析：由于外模外部尺寸較大，相對較重，將機械手夾持口開在整體尺寸的偏上方，可以使外模重心偏下，從而保證在運送過程中機械手夾持外模能平穩。原來外模的夾持口邊緣都是倒角，由于夾持外模的操作機械手B沒有夾持動作，只是將外模抬起。所以將夾持口上邊緣改成直角防止機械手與外模發生打滑。

上模分析：機械手夾持口處和上述外模有著相同的弊端，夾持口邊緣都是倒角，因為夾持上模的操作機械手A沒有夾持動作，只是將上模抬起，所以將上模夾持口上邊緣改成直角防止機械手與上模夾持口發生打滑。

下模分析：為了使夾持口統一標準，方便操作機械手A夾持，將下模墊夾持口直徑減小到適尺寸。因為下模墊放在工作臺相應的槽中，考慮槽深和操作機械手A的厚度，所以將下圓柱高度加長。

3. 3 落料漏盤、落底片沖頭與定高墊鐵與噴涂裝置的設計和改進

落料漏盤用來盛裝廢料，由操作機械手B夾持，結構如圖14a、b所示。落底片沖頭的上端蓋用來被操作機械手A夾持托起，下方是沖刀。落底片沖頭的高度要考慮落料漏盤的深度和軸承環高度，避免發生碰撞，結構如圖14c、d所示。定高墊鐵用來確定軸承環的高度，為使夾持口盡可能統一標準，它的結構如圖14e、f所示。噴涂裝置用來給模具內添加鎂粉，防止鍛件與模具粘合。鎂粉經旋轉外殼下部的孔由旋轉升降柱驅動到篩板上，最后落回箱體底部，結構如圖14g、h所示。

4 結語

科技總是在不斷進步，以人工智能為核心的工業4.0勢必將滲透各個領域，將工業機器人技術應用到工業生產中，是現在眾多企業一直不懈追求的。本文以解決軸承環鍛壓生產中存在的問題為目標，研發出一整套自動鍛壓系統。該系統設計來源于校企合作項目，并經過了企業專業人員討論認證，目前已在制造當中。該系統的設計實施，對未來我國鍛壓生產自動化發展提供借鑒，對實現綠色鍛壓，推進工業轉型發展具有重要意義。

[1]駱敏舟,方健,趙江海. 工業機器人的技術發展及其應用[J]. 機械制造與自動化,2015,44(1):1-4.

[2]梁一新,劉凱. 促進我國工業機器人產業化的戰略思考[J]. 現代產業經濟,2013(6):28-32.

[3]黃銀花,趙仕奇. 機械手在鍛壓生產中的應用研究[J]. 機床與液壓,2013,41(8):31-33.

[4]崔寧,李軍利,唐春華,等. 一種基于工業機器人的膠墊自動粘貼系統的研究與開發[J]. 制造技術與機床,2017(6):101-104.

[5]王健強,程汀. SCARA機器人結構設計及軌跡規劃算法[J]. 合肥工業大學學報：自然科學版,2008(7):1026-1028.

[6] Wei Wang,Shilin Wu,Peihua Zhu,et al. Design and experimental study of a new thrown robot based on flexible structure[J]. Industrial Robot，2015,42(5)：441-449.

[7] 毛燕,徐曉宇,高峰. SCARA機器人的結構動態設計與改進[J]. 機械,2007(7):56-58.

[8] 張紅. SCARA機器人小臂結構特性分析[D].天津：天津大學,2008.

[9] 林恒，談士力，陳凱，等.基于模塊化的SCARA機器人結構設計與優化[J].工業控制計算機，2015，28(3)：47-48.

[10] 許果，王俊峰，何嶺松，等.一種基于SCARA機器人結構設計[J].機械工程師，2005(4)：65-66.

[11]周玉林,張志強,侯雨雷,等. 沖壓線機器人與壓機動作協調方法[J]. 制造技術與機床,2013(1):77-80.