冲床物料机械手设计应用

2020-09-04朱浩

锻压装备与制造技术 2020年4期

朱浩

（盐城机电高等职业技术学校，江苏盐城 224000）

在冲床运行的过程中，电机驱动曲柄运行，滑块在直线方向上发生位移，材料受压，完成充孔、成形、落料等工序，得到特定的形状。随着机电一体化技术、智能控制技术等技术的发展，用于冲床加工的自动上下料机械手已得到广泛应用。很多学者都结合具体型号的冲压机床，进行机械手方面的设计，由此诞生了多工位冲床机械手等，机械手的主要作用是冲压件的取放。还有学者对机械手的控制进行研究，以通信总线取代脉冲，从而对伺服驱动单元予以闭环控制，以实现更高的控制精度。整体而言，学者们对机械手的研究，主要集中在动作、性能和控制方式等方面，忽视了冲床的连续运行，所以其在工作过程中时常出现停顿现象。本文为实现冲床的连续运行，对冲床和机械手的运动规律及协调性进行了研究。文中的机床为开式曲柄压力机床，其滑块行程和次数分别是160mm和35spm，某企业利用该机床完成拉伸作业，加工件厚度是3mm、边长180mm、质量3kg，模具长200mm。为了提高加工效率，需要设计并使用配套机械手，提高送料的自动化程度。机械手和机床的良好配合，能够使设备实现连续运行。

1 安全高度与安全时间计算

在滑块抵达安全高度后，机械手才可以执行伸入和送料操作。

（1）安全高度的确定。基于冲床技术参数和模具高度，计算出安全高度为90mm。

（2）安全高度内的时间计算。滑块的运动原理为曲柄滑块机构，如图1所示。图中：s表示滑块距下死点行程；R表示曲柄半径；L表示连杆长度；α表示曲柄旋转角度。

已知冲床曲柄半径为80mm，连杆长度为240 mm。

根据式（1）求解α角度的过程比较复杂，在这里根据式（1）计算出几个离散点值，详见下表1，通过作图法计算出安全高度内的时间值。

滑块行程次数是35spm，所以冲床运行周期为1.71s，滑块行程为160 mm。基于表1的离散点予以拟合，由此确定曲柄运行角度α与行程s的关系曲线图α-s、时间与行程s的关系曲线图t-s，将两图整合在一起，如图2所示。

考虑到安全高度为90mm，根据图2进行计算，从而确定滑块在安全高度以上的持续时间是0.87s。

2 手臂行程的确定与机械手方案

基于冲床工作台和物料尺寸等方面的因素，确定物料台和冲床工作台中心的距离，也就是手臂行程为700mm。机械手结构如图3所示。

从硬件构造上看，它包括了手臂、手臂驱动机构（图中未画出）、吸盘和气缸等。

在驱动机构的作用下，手臂伸缩运行。要实现装置整体连续运行的目的，机械手和冲床的运行周期必须是相同的，所以在这里必须对驱动机构展开分析。

吸盘起着拾取器的作用，结合物料重量、体积来看，只需使用单个吸盘，安全系数取4，侧面进气，总高度为59mm，吸盘直径为43mm。考虑到拾取器总高度不得超过冲床的安全高度，所以排除吸盘和气缸活塞直接相连的方案，最终应用图3描述的方式实现二者的连接。

在气缸的驱动下，吸盘在竖直方向上运动。结合物料重量，稳定性要求以及气缸长度等方面的因素，选择双活塞杆气缸，行程为12mm，同时配备磁性开关。

3 机械手节拍分析与驱动元件确定

机械手的缩回位置为原点，在一个周期中执行8个动作：下降、吸料、上升、伸出、下降、放料、上升、缩回等。

吸盘至少要0.15s才能产生吸着力，在这里确定为0.2s，保障吸附的牢固性。吸盘放料时间为0.1s。

气缸的动作时间和气路、电磁阀动作时间的关系十分复杂，计算工作量非常大，根据气缸标准基于50～500mm/s速度展开估算，取气缸运行速度500mm/s，此时能够确定，气缸升降单程所需的时间是0.02s。

如果用气缸驱动手臂伸缩，则伸缩单程时间为700/500=1.4s。

如果用伺服电机驱动滚珠丝杆，实现手臂的伸缩，则在负载运行状况下，通常将参数设定为丝杆螺距p=5、电机转速v=3000r/min。伸缩的单程时间是：

由此可见，以气缸驱动手臂的情况下，机械手一个周期为3.18s，比冲床运行周期1.71s更长，这意味着冲床必须停止运行一段时间，这和预期的设计是不相符的。采用第二种驱动方案，机械手运行周期更长，同样也得不到设计要求。所以，最终选择气缸驱动方案，它的主要缺陷是气缸不能在行程中的任何一点停留，无法完成预送料。