沖壓生產上下料工段用機械手的研制

葉繼新，楊 彬

（1.梧州職業學院，廣西 梧州543002；2.天津博諾智創機器人技術有限公司，天津 300353）

0 引言

在沖（擠）壓設備運行的生產循環中有四個典型工序：備料、上料、沖（擠）壓、卸（下）料，上下料工段包括上料、卸（下）料兩個工序。由于該工段既是生產效率控制性工段（占用時間長），也是最容易發生人身傷殘事故的危險工段。不言而喻，致力于在上下料工段采用機械手代替人工，以提高生產率和有效杜絕人身傷殘事故安全事故發生，是相關企業廣泛關注和夢寐以求的。

1 冷沖壓工藝改造方案

1.1 傳統的冷沖壓工藝

冷沖壓加工概括起來有成形工序和分離工序兩大類。

（1）成形工序。是指坯料產生塑性變形但并沒有發生破裂，由此獲得所預期的產品，產品的形狀和尺寸是預先設定的。拉延、彎曲、翻邊、整形是成形工序的四個工藝過程。

（2）分離工序。是指板料按預先設定的輪廓線破裂性分離而獲得預期的產品（沖壓件），這個產品的形狀、尺寸和切斷面質量是預先設定的。落料、沖孔、切角和修邊是分離工序的四個工藝過程。

落料和沖孔是冷沖壓工藝中最簡單的工藝過程。兩工藝過程很相像，都是使材料沿封閉曲線相互分離。不同的是落料工藝獲得的產品為封閉曲線以內的部分，沖孔工藝獲得的產品為封閉曲線以外的部分。以下以落料工藝過程為例，說明傳統冷沖壓工藝自動化改造的的基本原理。

傳統的冷沖壓設備如圖1所示[1]。其動力源自電動機1，并通過帶傳動2傳遞到齒輪13、齒輪12，及離合器11的主動部分，與曲軸4固定聯接的離合器11的從動部分，接受動力后傳給曲柄連桿滑塊機構4、5、6，對外產生沖擊力。

圖1 曲柄連桿滑塊式沖壓機原理簡圖

在工作臺8上安裝有凹模9，在滑塊6上固定安裝有凸模10。落料工藝過程：

a）人工用手把工件（毛坯）放置于凹模之上、凸模之下，踩下控制開關，電磁力使離合器11結合、曲軸隨之轉動，曲柄通過連桿5帶動滑塊6往下運動，固定安裝在滑塊6上的凸模10隨之往下運動，完成沖壓動作后，凸模10隨曲柄連桿動滑塊機構往上運動；

b）在滑塊往上運動即將到達最頂上位置時，行程開關被觸動，隨即向離合器11發出分離電信號，離合器11分離而切斷動力，曲軸停止轉動；

c）人工用手取出成品并入庫；

d）人工用手卸下廢料并棄于廢料庫。

至此，完成一個落料工藝過程。

應該注意到，上述傳統的沖壓工藝不但生產效率低，而且其中“人工用手送料和取出成品”的過程非常危險，沖壓機傷人事件時有發生。

1.2 冷沖壓加工的自動化改造方案

在沖（擠）壓設備運行的生產循環中，考慮采用一臺機械手代替“人工用手送料和取出成品”的過程（簡稱人工上下料），并配備自動備料裝置。改造的總體原理如圖2所示。除增加機械手外，還考慮對原沖壓機進行一系列改造，以提高自動化程度：

（1）工作臺驅動改造。對原沖壓機工作臺的X和Y兩個水平移動方向的驅動改用伺服電機驅動；

（2）物料臺移位監控改造。因為對物料臺的鉛錘方向的移位驅動計劃采用步進電機驅動，為保證物料臺的位置精度，對其實行實時監控；

（3）物料狀況檢控改造。對物料臺上的物料狀況實行實時檢控，以確保物料臺上的物料充足。

圖2 總體示意圖

2 生產工藝路線設計

（1）沖壓準備階段。把坯料加到備料臺上；物料檢測裝置確認有坯料備料臺上，就下達真空抽氣指令，電機隨即啟動驅動真空泵抽氣。

（2）初次沖壓階段。停留在原始位置的上料機械臂A爪運行至取料位置，吸取備料臺上坯料；物料感應器檢測到“有”信號（確認取到物料）后，進入運行上料程序，運行到沖壓機床模具放坯料處，放下坯料，并返回取料位置待命；同時，沖壓電器行程開關被觸動，機床實施沖壓，完成沖壓動作。此階段僅上料機械臂A單獨工作。

（3）正常沖壓階段。①上料機械臂A返回至取料位置；②下料機械臂B與上述步驟同步，也啟動運行至模具處（沖壓機床邊）；③上料機械臂A吸取坯料；④下料機械臂B與上述第③步驟同步，吸取成品；⑤上料機械臂A爪在確認取到物料后，運行到模具處（沖壓機床邊）；⑥機械臂B爪與上述第⑤步驟同步，運行至成品堆放處；⑦上料機械臂A爪放下坯料；⑧下料機械臂B爪與上述第⑦步驟同步，也放下成品；⑨上料機械臂A爪返回運行至取料位置，觸動沖壓電器行程開關，機床完成沖壓動作；與此同時，下料機械臂B爪也返回運行至沖壓機床模具處待命。此階段為雙臂聯合工作。

（4）正常循環工作階段。重復上述第（3）階段，實施正常循環工作，實現安全自動的無人操作生產。

3 機械臂執行機構設計

3.1 機械臂驅動裝置設計

機械臂除了兩個方向的水平直線運動之外，還有鉛錘方向的上下運動。這里確定采用滾珠絲桿傳動，以提高傳動效率和定位精度，同時采用雙螺母法消除傳動間隙。鉛錘方向和水平方向的驅動裝置基本相同，機械臂左右水平方向驅動裝置的總體構成如圖3所示。

圖3 機械臂左右方向驅動裝置布置圖

采用撓性聯軸器直接把伺服電機的動力傳遞給滾珠絲杠；滾珠絲杠兩端的軸承支座固定在上下鉛垂移動工作臺上，這樣一來，整套驅動裝置就可以隨上下鉛垂移動工作臺實現上下運動；滾珠螺母與機械臂的固定聯接件是一塊安裝板，實現對機械臂水平移動的驅動。滾珠直線導軌實現機械臂的導向。上下鉛錘移動工作臺的驅動裝置與左右水平移動的基本相同，不再贅述。

因為沖壓機床的工件幾乎是板料類的，所以機械臂采用真空吸盤結構獲取物料。

3.2 其他關鍵問題及解決措施

（1）數控化補料裝置。補料裝置為提高自動化程度采用了數字化控制。另外，考慮到備料裝置的位置控制精度要求比較低，決定采用步進電機驅動的開環控制模式，以降低成本。升降式自動補料的位置控制通過接近開關實現，當上料機械臂A爪取走一片坯料后，接近開關隨即給中央控制器發出補料信號，驅動器接到中央控制器發出的補料指令后，隨即發送驅動脈沖給步進電機，絲桿螺母傳動裝置在步進電機驅動下通過備料臺使料座提升實現補料動作。

（2）避免空車運行。在試機過程中，發現有時候因各種原因，如人工沒有來得及給料座補料等，出現空運行現象。上料機械臂A爪沒有取到物料，系統仍然進行上料/放料、及下料機械臂B爪取物/下料、雙機械臂返回循環工作各自初始位置以及機床沖壓等一系動作。這一系列空運行動作，必然大大降低生產效率。此外，真空系統故障或爪子漏氣等原因，也會出現取不到坯料/成品的情況，同樣會造成空運行。為解決此類問題，增設了物料有無檢測裝置，確保系統必須在確認取得物料后，相關機械臂才能進行下一步動作，這樣一來避免了空車運行，生產率提高了。

4 補料裝置設計

前已述及，補料裝置采用的控制方式為開環控制。如圖4所示，給出了補料裝置的組成及工作原理，控制系統原理如圖4b所示[2]。備料臺與滾珠螺母固定聯接，可隨滾珠螺母作上下鉛垂移動；備料臺機架也是與驅動滾珠絲桿軸承座采用固定聯接，采用步進電機驅動滾珠絲桿，在備料位上是否有坯料，是通過物料有無傳感器（接近開關）檢測確認的，由此實現升降式自動補料。只要料座中有一片坯料被機械臂A爪取走，接近開關就隨即發出補料信號給中央控制器，驅動器就會收到來自中央控制器發出的補料指令，驅動器隨即就給步進電機發出驅動脈沖，驅動步進電機帶動絲桿轉動，使螺母帶動料座往上移動一個料位，實現自動補料。

圖4 補料裝置

5 結束語

為提高吸著面的吸引力，以便提高企業產品品質并適應市場需求，機械手前端采用新型真空吸盤取物；為提升定位精度，采用伺服系統對導軌進行定位控制；為提高安全保護準確度，行程保護摒棄機械式限位開關，取而代之的是非接觸式開關；為操作方便，要求基本達到傻瓜式控制（對機械電氣控制模塊），采用了人機交換系統。

本設計在廣西梧州市恒聲電子科技有限公司的五金沖壓車間里進行了試運行，試制了10 000件音箱端蓋，產品合格率提高到了98%，產品生產效率提高20%，生產周期縮短25%。通過機械手取代人工作業，降低了以前人工操作的危險性和人員的勞動強度。