板材沖壓自動送料與上料一體化系統(tǒng)設(shè)計

重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣與電子學(xué)院 張 華 楊 川 陳 華

沖壓加工是機(jī)械加工中的一種常見的成型制造方法，和其他成型技術(shù)比較，沖壓成型方式擁有生產(chǎn)效率高、速度快、材料利用率高、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，尤其是汽車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。沖壓過程的自動化，是提高沖壓生產(chǎn)率，保證安全生產(chǎn)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(chǎn)效率；提高了沖床的利用率，從而節(jié)約了電力，降低了成本；保證了生產(chǎn)安全，用機(jī)械代替了人工，使操作者雙手脫離開沖床工作危險區(qū)；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(yè)需求，設(shè)計板材沖壓數(shù)控送料與上料工作站。

企業(yè)生產(chǎn)的異形板零件厚度3至6mm不等。現(xiàn)有工藝為人工將大塊鋼板放置到?jīng)_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(chǎn)的安全性，產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)的效率，人工的勞動強(qiáng)度，均無法滿足企業(yè)的需求。企業(yè)提出在原有沖壓設(shè)備工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shè)計

工作站總體組成如圖1所示，由沖床，產(chǎn)品落料滑道，零件成品倉，板材廢料倉，數(shù)控送料機(jī)，板材上料機(jī)械手組成。工作過程為，上料機(jī)械手從板材料倉中抓取板材放入數(shù)控送料機(jī)中，送料機(jī)抓手組夾緊板材，將板材送入沖床內(nèi)，進(jìn)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(nèi)，板料沖壓完成后，送料機(jī)將板材廢料放入板材廢料倉內(nèi)，送料機(jī)回到板材上料位置，以此工作循環(huán)。

圖1 工作站總體組成

2 數(shù)控送料機(jī)的設(shè)計

2.1 送料機(jī)總體設(shè)計

數(shù)控送料機(jī)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(jī)驅(qū)動，采用絲桿加雙導(dǎo)軌的傳動方式，左右抓手由氣缸驅(qū)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(nèi)定位運(yùn)動，將加工板材精確的送到?jīng)_壓位置。

2.2 X軸伺服電機(jī)參數(shù)

X軸滑臺采用絲桿傳動，傳動安裝方式為水平。根據(jù)設(shè)計的要求，傳動的相關(guān)參數(shù)如表1所示。通過參數(shù)計算出電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計算，啟動轉(zhuǎn)矩，啟動必須轉(zhuǎn)矩。

表1 絲桿模組傳動參數(shù)

必須轉(zhuǎn)矩計：

必須轉(zhuǎn)TM=(TL+TS)*S=2.23Nm。

根據(jù)計算的結(jié)果對伺服電機(jī)選型在滿足功能要求安全保障的前提下，從企業(yè)熟悉程度，經(jīng)濟(jì)性角度考慮。選臺達(dá)公司伺服電機(jī)，ECMA低慣量交流伺服電機(jī)ECMA-C10807ES，配置驅(qū)動器C10807ES。輸出扭矩為2.39Nm，功率為0.75kw。

2.3 X軸滑臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

X軸滑臺結(jié)構(gòu)由左抓手組，支架，Y軸絲桿，Y軸伺服電機(jī)，導(dǎo)軌，右抓手組組成。主要作用驅(qū)動抓手組帶動加工板材Y向定位移動。由伺服電機(jī)驅(qū)動，使用絲桿加雙圓導(dǎo)軌的方式傳動。Y軸伺服電機(jī)的計算與X軸相同。

2.4 抓手組設(shè)計

抓手組由左右抓手組組成，伸縮氣缸，滑塊，導(dǎo)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(fā)送干涉。故采用左右抓手組的設(shè)計方式，當(dāng)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(jié)構(gòu)左抓手組為夾緊狀態(tài)，右抓手組為打開狀態(tài)。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(tǒng)設(shè)計

數(shù)控送料機(jī)氣動系統(tǒng)如圖2所示。選擇原則，在滿足功能需求的前提下，盡量少設(shè)計非標(biāo)機(jī)構(gòu)，選擇成品的常用件氣缸，再考慮經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品為ACQ系列氣缸。電磁閥選二位三通單電控彈簧復(fù)位。伸縮氣缸選用標(biāo)準(zhǔn)圓形氣缸，參照亞德客公司產(chǎn)品SC系列氣缸。電磁閥選用二為五通單電控彈簧復(fù)位。

圖2 數(shù)控送料機(jī)氣動系統(tǒng)

3 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

上料機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)由原料板料倉，機(jī)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(jī)械手主要將原料板料倉中的加工板材準(zhǔn)確送入到數(shù)控送料機(jī)的上料位置。

3.2 X軸龍門控制

X軸采用龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，由于龍門跨度較大，采用雙伺服電機(jī)控制。龍門控制，重點(diǎn)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(jī)構(gòu)的損壞。伺服系統(tǒng)選用臺達(dá)ASDA-A2系列。他所提供的內(nèi)建龍門（Gantry）控制功能，可以實(shí)現(xiàn)雙軸同步。控制器將自行作同步的追隨，當(dāng)位置偏差量超過設(shè)定的容許值時，則會發(fā)出異常警告，停止系統(tǒng)的運(yùn)作。

4 系統(tǒng)總體控制構(gòu)架

總控系統(tǒng)將數(shù)控送料機(jī)與上料機(jī)械手使用獨(dú)立的PLC進(jìn)行控制。兩個系統(tǒng)使用PLC的硬件IO口進(jìn)行通訊。兩個設(shè)備具有獨(dú)立觸摸屏，這樣使得設(shè)備的調(diào)試，維修使用更為簡單便利。使用數(shù)控送料機(jī)與沖床通訊，通訊方式為硬件IO通訊。

結(jié)束語：本文針對沖壓加工企業(yè)提出的需求，設(shè)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(shí)現(xiàn)了自動化。工作站可減少人工，降低人工勞動強(qiáng)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(jié)構(gòu)方案可推廣應(yīng)用到其他的板料加工。