板材沖壓自動送料與上料一體化系統設計

重慶機電職業技術大學電氣與電子學院 張 華 楊 川 陳 華

沖壓加工是機械加工中的一種常見的成型制造方法，和其他成型技術比較，沖壓成型方式擁有生產效率高、速度快、材料利用率高、環保節能等優點，尤其是汽車行業得到廣泛的應用。沖壓過程的自動化，是提高沖壓生產率，保證安全生產的重要方式。沖壓自動化改善了勞動條件，減輕工人的體力勞動；提高了勞動生產效率；提高了沖床的利用率，從而節約了電力，降低了成本；保證了生產安全，用機械代替了人工，使操作者雙手脫離開沖床工作危險區；降低了工時的消耗，延長了沖模的使用壽命，減少了坯件堆放面積。本文主要針對企業需求，設計板材沖壓數控送料與上料工作站。

企業生產的異形板零件厚度3至6mm不等。現有工藝為人工將大塊鋼板放置到沖床中，多次沖壓，加工多個所需的異形板類零件。目前人工沖壓生產的安全性，產品的質量，生產的效率，人工的勞動強度，均無法滿足企業的需求。企業提出在原有沖壓設備工藝的基礎上進行沖壓自動化改造。要求加工效率大于人工，一個人工可以操作加工多臺改造后得工作站。

1 工作站總體設計

工作站總體組成如圖1所示，由沖床，產品落料滑道，零件成品倉，板材廢料倉，數控送料機，板材上料機械手組成。工作過程為，上料機械手從板材料倉中抓取板材放入數控送料機中，送料機抓手組夾緊板材，將板材送入沖床內，進行逐個沖壓，沖壓加工完成的零件通過滑道劃入零件成品倉內，板料沖壓完成后，送料機將板材廢料放入板材廢料倉內，送料機回到板材上料位置，以此工作循環。

圖1 工作站總體組成

2 數控送料機的設計

2.1 送料機總體設計

數控送料機由左抓手組，右抓手組，X軸滑臺，底座，Y軸滑臺組成。X，Y軸滑臺均由伺服電機驅動，采用絲桿加雙導軌的傳動方式，左右抓手由氣缸驅動。左右抓手用于分別夾緊原料板。X，Y滑臺帶動加工板材在平面內定位運動，將加工板材精確的送到沖壓位置。

2.2 X軸伺服電機參數

X軸滑臺采用絲桿傳動，傳動安裝方式為水平。根據設計的要求，傳動的相關參數如表1所示。通過參數計算出電機的最高轉速，負荷轉矩計算，啟動轉矩，啟動必須轉矩。

表1 絲桿模組傳動參數

必須轉矩計：

必須轉TM=(TL+TS)*S=2.23Nm。

根據計算的結果對伺服電機選型在滿足功能要求安全保障的前提下，從企業熟悉程度，經濟性角度考慮。選臺達公司伺服電機，ECMA低慣量交流伺服電機ECMA-C10807ES，配置驅動器C10807ES。輸出扭矩為2.39Nm，功率為0.75kw。

2.3 X軸滑臺結構設計

X軸滑臺結構由左抓手組，支架，Y軸絲桿，Y軸伺服電機，導軌，右抓手組組成。主要作用驅動抓手組帶動加工板材Y向定位移動。由伺服電機驅動，使用絲桿加雙圓導軌的方式傳動。Y軸伺服電機的計算與X軸相同。

2.4 抓手組設計

抓手組由左右抓手組組成，伸縮氣缸，滑塊，導軌，夾手1號，夾手1號氣缸，夾手2號，由于在沖壓的過程中，抓手組夾持的部位會和沖壓位置發送干涉。故采用左右抓手組的設計方式，當加工左邊部分時，由右抓手組夾持，左抓手組縮回避開干涉位置，伸縮氣缸的作用即帶動抓手組前后伸縮。加工右邊相反。

夾手夾持結構左抓手組為夾緊狀態，右抓手組為打開狀態。通過夾手氣缸開合帶動夾手對加工板材夾持。

2.5 氣動系統設計

數控送料機氣動系統如圖2所示。選擇原則，在滿足功能需求的前提下，盡量少設計非標機構，選擇成品的常用件氣缸，再考慮經濟性和成本。左右抓手組氣缸1號和2號，選用方形單作用氣缸，安裝方便，控制簡單，參考亞德客公司產品為ACQ系列氣缸。電磁閥選二位三通單電控彈簧復位。伸縮氣缸選用標準圓形氣缸，參照亞德客公司產品SC系列氣缸。電磁閥選用二為五通單電控彈簧復位。

圖2 數控送料機氣動系統

3 上料機械手結構設計

3.1 總體結構設計

上料機械手總體結構由原料板料倉，機架，X軸模組1，Y軸模組，5X軸模組2，Z軸模組，抓手吸盤。上料機械手主要將原料板料倉中的加工板材準確送入到數控送料機的上料位置。

3.2 X軸龍門控制

X軸采用龍門結構設計形式，由于龍門跨度較大，采用雙伺服電機控制。龍門控制，重點在控制模組的兩軸必需等速移動，若兩軸間的移動有太大的差異量，則會造成機構的損壞。伺服系統選用臺達ASDA-A2系列。他所提供的內建龍門（Gantry）控制功能，可以實現雙軸同步。控制器將自行作同步的追隨，當位置偏差量超過設定的容許值時，則會發出異常警告，停止系統的運作。

4 系統總體控制構架

總控系統將數控送料機與上料機械手使用獨立的PLC進行控制。兩個系統使用PLC的硬件IO口進行通訊。兩個設備具有獨立觸摸屏，這樣使得設備的調試，維修使用更為簡單便利。使用數控送料機與沖床通訊，通訊方式為硬件IO通訊。

結束語：本文針對沖壓加工企業提出的需求，設計異形板類零件沖壓加工的自動化工作站。工作站從板材的上料，到多次板材送料加工，異形板類零的下料存放，板材廢料存放均實現了自動化。工作站可減少人工，降低人工勞動強度，提高操作的安全性，并提高沖壓的效率，降低成本。工作站結構方案可推廣應用到其他的板料加工。