朱 浩

（鹽城機電高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 鹽城 224000）

在沖床運行的過程中，電機驅(qū)動曲柄運行，滑塊在直線方向上發(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上下料機械手已得到廣泛應用。很多學者都結(jié)合具體型號的沖壓機床，進行機械手方面的設(shè)計，由此誕生了多工位沖床機械手等，機械手的主要作用是沖壓件的取放。還有學者對機械手的控制進行研究，以通信總線取代脈沖，從而對伺服驅(qū)動單元予以閉環(huán)控制，以實現(xiàn)更高的控制精度。整體而言，學者們對機械手的研究，主要集中在動作、性能和控制方式等方面，忽視了沖床的連續(xù)運行，所以其在工作過程中時常出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。本文為實現(xiàn)沖床的連續(xù)運行，對沖床和機械手的運動規(guī)律及協(xié)調(diào)性進行了研究。文中的機床為開式曲柄壓力機床，其滑塊行程和次數(shù)分別是160mm和35spm，某企業(yè)利用該機床完成拉伸作業(yè)，加工件厚度是3mm、邊長180mm、質(zhì)量3kg，模具長200mm。為了提高加工效率，需要設(shè)計并使用配套機械手，提高送料的自動化程度。機械手和機床的良好配合，能夠使設(shè)備實現(xiàn)連續(xù)運行。

1 安全高度與安全時間計算

在滑塊抵達安全高度后，機械手才可以執(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，計算出安全高度為90mm。

（2）安全高度內(nèi)的時間計算?；瑝K的運動原理為曲柄滑塊機構(gòu)，如圖1所示。圖中：s表示滑塊距下死點行程；R表示曲柄半徑；L表示連桿長度；α表示曲柄旋轉(zhuǎn)角度。

已知沖床曲柄半徑為80mm，連桿長度為240 mm。

根據(jù)式（1）求解α角度的過程比較復雜，在這里根據(jù)式（1）計算出幾個離散點值，詳見下表1，通過作圖法計算出安全高度內(nèi)的時間值。

滑塊行程次數(shù)是35spm，所以沖床運行周期為1.71s，滑塊行程為160 mm?；诒?的離散點予以擬合，由此確定曲柄運行角度α與行程s的關(guān)系曲線圖α-s、時間與行程s的關(guān)系曲線圖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進行計算，從而確定滑塊在安全高度以上的持續(xù)時間是0.87s。

2 手臂行程的確定與機械手方案

基于沖床工作臺和物料尺寸等方面的因素，確定物料臺和沖床工作臺中心的距離，也就是手臂行程為700mm。機械手結(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)動機構(gòu)（圖中未畫出）、吸盤和氣缸等。

在驅(qū)動機構(gòu)的作用下，手臂伸縮運行。要實現(xiàn)裝置整體連續(xù)運行的目的，機械手和沖床的運行周期必須是相同的，所以在這里必須對驅(qū)動機構(gòu)展開分析。

吸盤起著拾取器的作用，結(jié)合物料重量、體積來看，只需使用單個吸盤，安全系數(shù)取4，側(cè)面進氣，總高度為59mm，吸盤直徑為43mm?？紤]到拾取器總高度不得超過沖床的安全高度，所以排除吸盤和氣缸活塞直接相連的方案，最終應用圖3描述的方式實現(xiàn)二者的連接。

在氣缸的驅(qū)動下，吸盤在豎直方向上運動。結(jié)合物料重量，穩(wěn)定性要求以及氣缸長度等方面的因素，選擇雙活塞桿氣缸，行程為12mm，同時配備磁性開關(guān)。

3 機械手節(jié)拍分析與驅(qū)動元件確定

機械手的縮回位置為原點，在一個周期中執(zhí)行8個動作：下降、吸料、上升、伸出、下降、放料、上升、縮回等。

吸盤至少要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。吸盤放料時間為0.1s。

氣缸的動作時間和氣路、電磁閥動作時間的關(guān)系十分復雜，計算工作量非常大，根據(jù)氣缸標準基于50～500mm/s速度展開估算，取氣缸運行速度500mm/s，此時能夠確定，氣缸升降單程所需的時間是0.02s。

如果用氣缸驅(qū)動手臂伸縮，則伸縮單程時間為700/500=1.4s。

如果用伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿，實現(xiàn)手臂的伸縮，則在負載運行狀況下，通常將參數(shù)設(shè)定為絲桿螺距p=5、電機轉(zhuǎn)速v=3000r/min。伸縮的單程時間是：

由此可見，以氣缸驅(qū)動手臂的情況下，機械手一個周期為3.18s，比沖床運行周期1.71s更長，這意味著沖床必須停止運行一段時間，這和預期的設(shè)計是不相符的。采用第二種驅(qū)動方案，機械手運行周期更長，同樣也得不到設(shè)計要求。所以，最終選擇氣缸驅(qū)動方案，它的主要缺陷是氣缸不能在行程中的任何一點停留，無法完成預送料。

4 傳動機構(gòu)的設(shè)計

通過計算可知，應用氣缸直接驅(qū)動方案時，手臂行程=氣缸行程，但在這一方案下，沖床無法連續(xù)運行。為提高手臂伸縮效率，在這里需要用到傳動機構(gòu)，在圖4所示的機構(gòu)中，氣缸驅(qū)動齒輪順著導軌2運動，齒輪1、2因此同步旋轉(zhuǎn)。由齒輪2利用齒條2驅(qū)動手臂在導軌1上來回的伸縮。

設(shè)手臂伸出距離為L1，氣缸伸出距離為L2，齒輪1、2的齒數(shù)用 Z1和Z2表示，那么

在設(shè)計中，有 Z2=2Z1，那么 L1=3L2。

5 機械手節(jié)拍計算與協(xié)調(diào)性研究

考慮到機械手臂伸展距離L1，所以氣缸伸展距離L2=700/3mm。氣缸運行速度500mm/s，所以伸展時間t1=0.47s。

機械手執(zhí)行下降、吸取、上升、伸出、下降、放松、上升、縮回一系列動作所需的時間為

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

由此計算出的周期1.32s比沖床運行周期更短，能夠滿足沖床連續(xù)運行的要求。

5.1 機械手運行周期

機械手的一個周期包括3個環(huán)節(jié)，即取料、等待和送料，3個環(huán)節(jié)的運行過程為取料、等待和送料3個環(huán)節(jié)構(gòu)成機械手的運行周期。

以其縮回的位置為初始位置。

5.2 運行協(xié)調(diào)和運行節(jié)拍計算

為了達到協(xié)調(diào)運行的目的，必須做到：①沖床與機械手同時運行，沖床連續(xù)運行；②機械手完成首個運行周期后，其和沖床的運行周期是一致的；③當滑塊抵達安全高度位置時，機械手執(zhí)行送料動作，這一點非常關(guān)鍵，能夠避免二者的節(jié)拍時間計算與運行出現(xiàn)誤差，有效消除碰撞隱患；④送料、取料環(huán)節(jié)連續(xù)進行。

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

5.2.1 機械手第一個周期節(jié)拍計算

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

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

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

首個周期耗時T=0.24+0.14+1.08=1.50s。

5.2.2 機械手第二個周期節(jié)拍計算

機械手運行周期總時間=沖床運行周期1.71s；

取料和送料環(huán)節(jié)的耗時與首個周期是一致的；

第二個周期內(nèi)：

等待時間=沖床運行-周期取料時間-送料時間1.71-0.24-1.08=0.39s。除了首個周期之外，剩下的每個周期耗時均一致。

5.2.3 滑塊下降到安全高度時手臂縮回距離的計算

滑塊在安全高度以上耗時為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為0.47+0.02+0.1+0.02=0.61s，所以機械手必須在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，模具和吸盤邊緣并未出現(xiàn)碰撞的情況下，機械手縮回的距離X不得低于：

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

6 結(jié)束語

為沖床安裝機械手后，二者能夠協(xié)調(diào)運行，在工作節(jié)拍上實現(xiàn)良好的銜接，達成了沖床沖壓連續(xù)運行的目的。合理的設(shè)計確保機械手倍速運行，滿足節(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。事實證明，本文的設(shè)計是完全可行的，具有較強的實用性。