沖床物料機(jī)械手設(shè)計(jì)應(yīng)用

朱 浩

（鹽城機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224000）

在沖床運(yùn)行的過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄運(yùn)行，滑塊在直線(xiàn)方向上發(fā)生位移，材料受壓，完成充孔、成形、落料等工序，得到特定的形狀。隨著機(jī)電一體化技術(shù)、智能控制技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，用于沖床加工的自動(dòng)上下料機(jī)械手已得到廣泛應(yīng)用。很多學(xué)者都結(jié)合具體型號(hào)的沖壓機(jī)床，進(jìn)行機(jī)械手方面的設(shè)計(jì)，由此誕生了多工位沖床機(jī)械手等，機(jī)械手的主要作用是沖壓件的取放。還有學(xué)者對(duì)機(jī)械手的控制進(jìn)行研究，以通信總線(xiàn)取代脈沖，從而對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元予以閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)更高的控制精度。整體而言，學(xué)者們對(duì)機(jī)械手的研究，主要集中在動(dòng)作、性能和控制方式等方面，忽視了沖床的連續(xù)運(yùn)行，所以其在工作過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。本文為實(shí)現(xiàn)沖床的連續(xù)運(yùn)行，對(duì)沖床和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及協(xié)調(diào)性進(jìn)行了研究。文中的機(jī)床為開(kāi)式曲柄壓力機(jī)床，其滑塊行程和次數(shù)分別是160mm和35spm，某企業(yè)利用該機(jī)床完成拉伸作業(yè)，加工件厚度是3mm、邊長(zhǎng)180mm、質(zhì)量3kg，模具長(zhǎng)200mm。為了提高加工效率，需要設(shè)計(jì)并使用配套機(jī)械手，提高送料的自動(dòng)化程度。機(jī)械手和機(jī)床的良好配合，能夠使設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

1 安全高度與安全時(shí)間計(jì)算

在滑塊抵達(dá)安全高度后，機(jī)械手才可以執(zhí)行伸入和送料操作。

（1）安全高度的確定。基于沖床技術(shù)參數(shù)和模具高度，計(jì)算出安全高度為90mm。

（2）安全高度內(nèi)的時(shí)間計(jì)算。滑塊的運(yùn)動(dòng)原理為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖1所示。圖中：s表示滑塊距下死點(diǎn)行程；R表示曲柄半徑；L表示連桿長(zhǎng)度；α表示曲柄旋轉(zhuǎn)角度。

已知沖床曲柄半徑為80mm，連桿長(zhǎng)度為240 mm。

根據(jù)式（1）求解α角度的過(guò)程比較復(fù)雜，在這里根據(jù)式（1）計(jì)算出幾個(gè)離散點(diǎn)值，詳見(jiàn)下表1，通過(guò)作圖法計(jì)算出安全高度內(nèi)的時(shí)間值。

滑塊行程次數(shù)是35spm，所以沖床運(yùn)行周期為1.71s，滑塊行程為160 mm。基于表1的離散點(diǎn)予以擬合，由此確定曲柄運(yùn)行角度α與行程s的關(guān)系曲線(xiàn)圖α-s、時(shí)間與行程s的關(guān)系曲線(xiàn)圖t-s，將兩圖整合在一起，如圖2所示。

考慮到安全高度為90mm，根據(jù)圖2進(jìn)行計(jì)算，從而確定滑塊在安全高度以上的持續(xù)時(shí)間是0.87s。

2 手臂行程的確定與機(jī)械手方案

基于沖床工作臺(tái)和物料尺寸等方面的因素，確定物料臺(tái)和沖床工作臺(tái)中心的距離，也就是手臂行程為700mm。機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從硬件構(gòu)造上看，它包括了手臂、手臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖中未畫(huà)出）、吸盤(pán)和氣缸等。

在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，手臂伸縮運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)裝置整體連續(xù)運(yùn)行的目的，機(jī)械手和沖床的運(yùn)行周期必須是相同的，所以在這里必須對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)展開(kāi)分析。

吸盤(pán)起著拾取器的作用，結(jié)合物料重量、體積來(lái)看，只需使用單個(gè)吸盤(pán)，安全系數(shù)取4，側(cè)面進(jìn)氣，總高度為59mm，吸盤(pán)直徑為43mm。考慮到拾取器總高度不得超過(guò)沖床的安全高度，所以排除吸盤(pán)和氣缸活塞直接相連的方案，最終應(yīng)用圖3描述的方式實(shí)現(xiàn)二者的連接。

在氣缸的驅(qū)動(dòng)下，吸盤(pán)在豎直方向上運(yùn)動(dòng)。結(jié)合物料重量，穩(wěn)定性要求以及氣缸長(zhǎng)度等方面的因素，選擇雙活塞桿氣缸，行程為12mm，同時(shí)配備磁性開(kāi)關(guān)。

3 機(jī)械手節(jié)拍分析與驅(qū)動(dòng)元件確定

機(jī)械手的縮回位置為原點(diǎn)，在一個(gè)周期中執(zhí)行8個(gè)動(dòng)作：下降、吸料、上升、伸出、下降、放料、上升、縮回等。

吸盤(pán)至少要0.15s才能產(chǎn)生吸著力，在這里確定為0.2s，保障吸附的牢固性。吸盤(pán)放料時(shí)間為0.1s。

氣缸的動(dòng)作時(shí)間和氣路、電磁閥動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系十分復(fù)雜，計(jì)算工作量非常大，根據(jù)氣缸標(biāo)準(zhǔn)基于50～500mm/s速度展開(kāi)估算，取氣缸運(yùn)行速度500mm/s，此時(shí)能夠確定，氣缸升降單程所需的時(shí)間是0.02s。

如果用氣缸驅(qū)動(dòng)手臂伸縮，則伸縮單程時(shí)間為700/500=1.4s。

如果用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮，則在負(fù)載運(yùn)行狀況下，通常將參數(shù)設(shè)定為絲桿螺距p=5、電機(jī)轉(zhuǎn)速v=3000r/min。伸縮的單程時(shí)間是：

由此可見(jiàn)，以氣缸驅(qū)動(dòng)手臂的情況下，機(jī)械手一個(gè)周期為3.18s，比沖床運(yùn)行周期1.71s更長(zhǎng)，這意味著沖床必須停止運(yùn)行一段時(shí)間，這和預(yù)期的設(shè)計(jì)是不相符的。采用第二種驅(qū)動(dòng)方案，機(jī)械手運(yùn)行周期更長(zhǎng)，同樣也得不到設(shè)計(jì)要求。所以，最終選擇氣缸驅(qū)動(dòng)方案，它的主要缺陷是氣缸不能在行程中的任何一點(diǎn)停留，無(wú)法完成預(yù)送料。

4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算可知，應(yīng)用氣缸直接驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，手臂行程=氣缸行程，但在這一方案下，沖床無(wú)法連續(xù)運(yùn)行。為提高手臂伸縮效率，在這里需要用到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在圖4所示的機(jī)構(gòu)中，氣缸驅(qū)動(dòng)齒輪順著導(dǎo)軌2運(yùn)動(dòng)，齒輪1、2因此同步旋轉(zhuǎn)。由齒輪2利用齒條2驅(qū)動(dòng)手臂在導(dǎo)軌1上來(lái)回的伸縮。

設(shè)手臂伸出距離為L(zhǎng)1，氣缸伸出距離為L(zhǎng)2，齒輪1、2的齒數(shù)用 Z1和Z2表示，那么

在設(shè)計(jì)中，有 Z2=2Z1，那么 L1=3L2。

5 機(jī)械手節(jié)拍計(jì)算與協(xié)調(diào)性研究

考慮到機(jī)械手臂伸展距離L1，所以氣缸伸展距離L2=700/3mm。氣缸運(yùn)行速度500mm/s，所以伸展時(shí)間t1=0.47s。

機(jī)械手執(zhí)行下降、吸取、上升、伸出、下降、放松、上升、縮回一系列動(dòng)作所需的時(shí)間為

t=0.02+0.2+0.02+0.47+0.02+0.1+0.02+0.47=1.32s

由此計(jì)算出的周期1.32s比沖床運(yùn)行周期更短，能夠滿(mǎn)足沖床連續(xù)運(yùn)行的要求。

5.1 機(jī)械手運(yùn)行周期

機(jī)械手的一個(gè)周期包括3個(gè)環(huán)節(jié)，即取料、等待和送料，3個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行過(guò)程為取料、等待和送料3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成機(jī)械手的運(yùn)行周期。

以其縮回的位置為初始位置。

5.2 運(yùn)行協(xié)調(diào)和運(yùn)行節(jié)拍計(jì)算

為了達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)行的目的，必須做到：①?zèng)_床與機(jī)械手同時(shí)運(yùn)行，沖床連續(xù)運(yùn)行；②機(jī)械手完成首個(gè)運(yùn)行周期后，其和沖床的運(yùn)行周期是一致的；③當(dāng)滑塊抵達(dá)安全高度位置時(shí)，機(jī)械手執(zhí)行送料動(dòng)作，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，能夠避免二者的節(jié)拍時(shí)間計(jì)算與運(yùn)行出現(xiàn)誤差，有效消除碰撞隱患；④送料、取料環(huán)節(jié)連續(xù)進(jìn)行。

對(duì)沖床與機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)間關(guān)系進(jìn)行分析可知：①機(jī)械手的首個(gè)運(yùn)行周期比較短，完成這一個(gè)周期后，其運(yùn)行周期和沖床是一致的，也就是1.71s；②完成第一個(gè)周期后，在后續(xù)的周期中，機(jī)械手的起始時(shí)間比沖床每個(gè)周期更為提前。

5.2.1 機(jī)械手第一個(gè)周期節(jié)拍計(jì)算

取料環(huán)節(jié)耗時(shí)t1=0.02+0.2+0.02=0.24s；

送料環(huán)節(jié)耗時(shí)t3=0.47+0.02+0.1+0.02+0.47=1.08s；

對(duì)圖5進(jìn)行分析可知，滑塊回退到安全高度耗時(shí)0.42s，取料環(huán)節(jié)耗時(shí)0.24s，那么第一個(gè)周期包含的等待時(shí)間是0042-t1=0.42-0.24=0.18s；

首個(gè)周期耗時(shí)T=0.24+0.14+1.08=1.50s。

5.2.2 機(jī)械手第二個(gè)周期節(jié)拍計(jì)算

機(jī)械手運(yùn)行周期總時(shí)間=沖床運(yùn)行周期1.71s；

取料和送料環(huán)節(jié)的耗時(shí)與首個(gè)周期是一致的；

第二個(gè)周期內(nèi)：

等待時(shí)間=沖床運(yùn)行-周期取料時(shí)間-送料時(shí)間1.71-0.24-1.08=0.39s。除了首個(gè)周期之外，剩下的每個(gè)周期耗時(shí)均一致。

5.2.3 滑塊下降到安全高度時(shí)手臂縮回距離的計(jì)算

滑塊在安全高度以上耗時(shí)為0.87s，送料環(huán)節(jié)執(zhí)行伸出、下降、放松、上升等操作的總耗時(shí)為0.47+0.02+0.1+0.02=0.61s，所以機(jī)械手必須在0.26s內(nèi)完成縮回操作，在此期間的距離是500×0.26=130mm。

在水平方向上，模具和吸盤(pán)邊緣并未出現(xiàn)碰撞的情況下，機(jī)械手縮回的距離X不得低于：

縮回距離超過(guò)X，也就是機(jī)械手處在危險(xiǎn)區(qū)域之外，避免了與模具發(fā)生碰撞。根據(jù)上述節(jié)拍，沖床與機(jī)械手可以協(xié)調(diào)運(yùn)行，沖床能夠基于35次/min的頻率連續(xù)運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

為沖床安裝機(jī)械手后，二者能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，在工作節(jié)拍上實(shí)現(xiàn)良好的銜接，達(dá)成了沖床沖壓連續(xù)運(yùn)行的目的。合理的設(shè)計(jì)確保機(jī)械手倍速運(yùn)行，滿(mǎn)足節(jié)拍要求。除此之外，為沖床曲軸配備編碼器，采集曲軸旋轉(zhuǎn)角度以及滑塊回退高度信息，有助于消除碰撞隱患。事實(shí)證明，本文的設(shè)計(jì)是完全可行的，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。