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轉發自：機床與液壓

 

作者：丁錦宏

 

（江蘇工程職業技術學院， 江蘇南通 ２２６０００）

 

利用表 １ 的離散點進行擬合， 可得出曲柄運行角度 α 與行程 ｓ 的關系曲線圖 α－ｓ、 時間與行程 ｓ 的關系曲線圖 ｔ－ｓ， 兩個曲線圖合二為一， 如圖 ２ 所示。

圖 １　 滑塊運動原理圖 ２　 曲柄旋轉角度、 時間與滑塊行程關系

 

由于安全高度為 ９０ ｍｍ， 由圖 ２ 可計算出滑塊在安全高度以上的時間為 ０?? ８７ ｓ。

２　 手臂行程的確定與機械手方案

根據沖床工作臺及物料尺寸等因素， 確定物料臺到沖床工作臺中心之間的距離， 即手臂行程為

７００ ｍｍ。

 

機械手結構如圖 ３ 所示。

圖 ３　 機械手結構示意

該機械手由手臂、 手臂驅動機構 （ 圖中未畫出）、 吸盤和氣缸等組成^［４］ 。

 

手臂由驅動機構使其伸縮運行。 為使沖床連續運行， 則機械手運行周期需要和沖床運行周期相一致，故需要對其驅動機構進行詳細分析。

 

吸盤作為拾取器來取放物料。 根據物料的質量和尺寸， 確定使用單個吸盤， 安全系數取 ４， 選用型號為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側面進氣， 總高度為 ５９ ｍｍ， 吸盤直徑為 ?４３ ｍｍ。 

 

由于拾取器總高度必須小于沖床的安全高度為 ９０ ｍｍ， 因而吸盤不能直接與氣缸活塞相聯接， 因而采用圖 ３ 中的聯接方式。

 

氣缸帶動吸盤做上下運動。 根據吸取物料的質量， 同時考慮穩定性和氣缸長度等限制， 選取雙活塞桿氣缸 ＭＧＰＭ１２?Ｄ?Ｍ９， 行程為 １２ ｍｍ， 可安裝磁性開關。

３　 機械手節拍分析與驅動元件確定

 

機械手以縮回位置為原點， 需要完成以下 ８ 個動作： 下降、 吸料、 上升、 伸出、 下降、 放料、 上升、縮回等。

 

吸盤吸著力的形成需要時間為 ０?? １５ ｓ， 為了增強可靠性， 該時間增加到 ０?? ２ ｓ。

 

 吸盤放料需要時間為０?? １ ｓ_［５］ 。

 

氣缸的動作時間與氣路、 電磁閥動作時間等有著復雜的關系， 計算較為復雜， 按照氣缸的標準使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進行估算， 取氣缸運行速度 ５００ｍｍ ／

ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運行時間分別為 ０?? ０２ ｓ。

 

在機械手設計時， 考慮使用氣缸和伺服電機兩種方案驅動機械手的運行。

 

若使用氣缸驅動手臂伸縮， 則伸出與縮回時間均^為 ７００ ／ ５００ ＝ １?? ４ ｓ。

 

若使用伺服電機帶動滾珠絲桿， 驅動手臂伸縮，則在該機械手負載的情況下， 一般選擇絲桿螺距 ｐ ＝

 

５、 電機轉速 ｓ ＝ ３ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ。 伸出與縮回時間均為

７ｐ０ｓ０×６０ ＝ ５×７３０００００×６０ ＝ ２?? ８ ｓ。

 

通過以上計算可見， 使用氣缸驅動手臂時， 機械手總運行時間為 ３?? １８ ｓ， 已經大大超過沖床運行周期１?? ７１ ｓ， 需要沖床在運轉中等待， 不符合設計要求。

使用伺服電機驅動手臂時， 機械手總運行時間更長，在此不適合使用。

 

因此， 確定使用氣缸作為驅動元件， 其不足之處在于氣缸無法在行程的中間任意位置停留， 不能實現預送料。

４　 傳動機構的設計

圖 ４　 驅動機構

 

根據上述計算， 如果使用氣缸直接驅動手臂的伸縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時， 這樣的機械結構滿足不了沖床連續運行的節拍要求。 

 

為縮短手臂伸縮時間， 設計傳動機構如圖 ４ 所示 （ 俯視圖未畫出手臂） ［６］ 。

 

該機構中， 齒輪座在驅動氣缸的作用下， 沿導軌２ 運動， 使齒輪 １ 和齒輪 ２ 做同步旋轉。 

 

由齒輪 ２ 通過齒條 ２ 帶動手臂沿導軌 １ 做伸縮運動。

 

設手臂伸出距離為 Ｌ_１， 氣缸伸出距離為 Ｌ_２， 齒輪 １ 和齒輪 ２ 的齒數分別為 Ｚ_１ 和 Ｚ_２， 則 Ｌ_１ ＝ Ｌ_２ ·æç１＋ＺＺ２_１öø÷ è

在設計中， 取 Ｚ_２ ＝ ２·Ｚ_１， 則 Ｌ_１ ＝ ３Ｌ_２。

 

５　 機械手節拍計算與協調性研究

由于機械手臂伸出距離 Ｌ_１ ＝ ７００ ｍｍ， 則氣缸伸出距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 

 

按照氣缸運行速度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計算， 氣缸伸出時間 ｔ１ ＝ ０?? ４７ ｓ。

機械手完成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下降、 放松、 上升、 縮回的運行時間為

^ｔ ＝ ０?? ０２ ＋ ０?? ２ ＋ ０?? ０２ ＋ ０?? ４７ ＋ ０?? ０２ ＋ ０?? １ ＋ ０?? ０２ ＋

０?? ４７ ＝ １?? ３２ ｓ

 

此運行時間小于沖床運行周期 １?? ７１ ｓ， 可與沖床相配合使用。

（１） 機械手運行周期

現將機械手運行周期分為 ３ 個階段： 取料階段、等待階段和送料階段， ３ 個階段的運行過程為

 

取料階段、 等待階段和送料階段 ３ 個階段構成機械手的運行周期。

 

機械手以縮回的位置為初始狀態。

（２） 運行協調與運行節拍計算沖床與機械手協調運行的方法為： 

（１） 沖床與機械手同時工作， 沖床連續運行； 

（２） 機械手從第二個運行周期開始， 其運行周期與沖床運行周期相同；

 

（３） 當滑塊回退到安全高度時， 機械手開始伸出送料， 這是協調運行的關鍵， 不但清除了沖床與機械手在節拍上的時間計算與運行誤差， 而且保證了安全性；

 

（４） 送料階段和取料階段是連續完成的。

 

沖床與機械手協調運行時間關系如圖 ５ 所示。

圖 ５　 機械手協調運行時間

 

由圖 ５ 可見：

 （１） 機械手第一個運行周期的周期時間短， 第二個以后的運行周期時間相同， 為沖床運行周期， 即 １?? ７１ ｓ； 

 

（２） 機械手在第二個以后的運行周期內， 起始時間超前于沖床運行周期的開始時間。 機械

手取料階段的時間ｔ１＝０??０２＋ ０?? ２ ＋ ０?? ０２ ＝０?? ２４ ｓ；

機械手送料階段時間 ｔ３ ＝ ０?? ４７＋０?? ０２＋０?? １＋０?? ０２＋

０?? ４７ ＝ １?? ０８ ｓ；

 

由圖 ５ 可以算出， 滑塊回退到安全高度的時間為

０?? ４２ ｓ， 完成取料所需時間為 ０?? ２４ ｓ， 則第一個周期內的等待時間為 ０?? ４２－^ｔ_１ ＝ ０?? ４２－０?? ２４ ＝ ０?? １８ ｓ；

 

機械手第一個周期的總時間 ＝ ０?? ２４＋０?? １８＋１?? ０８ ＝１?? ５０ ｓ。

（ｂ） 機械手第二個周期的節拍計算

機械手運行周期的總時間 ＝ 沖床運行周期 ＝１?? ７１ ｓ；

 

機械手取料階段的時間、 送料階段的時間與第一個周期相同；

 

第二個周期內的等待時間 ＝ 沖床運行周期－取料時間－送料時間 ＝ １?? ７１ － ０?? ２４ － １?? ０８ ＝ ０?? ３９ ｓ。 

 

第二個周期以后的各個周期與此相同。

 

（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的時間為 ０?? ８７ ｓ， 送料階段完成伸出、 下降、 放松、 上升的動作時間為 ０?? ４７ ＋０?? ０２＋０?? １＋０?? ０２ ＝ ０?? ６１ ｓ， 則機械手有 ０?? ２６ ｓ 的時間處于縮回狀態， 此時間段內的縮回距離為 ５００ ·０?? ２６ ＝ １３０ ｍｍ。

 

在水平方向上， 模具與吸盤邊緣不發生碰撞時，機械手應縮回的距離 Ｘ 的最小值為

Ｘ ＝ 模具２長度＋吸盤２直徑 ＝ ２２００＋４２３ ＝ １２１?? ５ ｍｍ，

 

由于縮回距離大于 Ｘ， 即機械手已經回退到安全區域以外， 不會使模具與機械手相碰撞。

 

按照以上節拍， 沖床與機械手能相互協調， 使沖床按照 ３５ 次 ／ ｍｉｎ 的頻率連續運轉。

 

６　 安全性設計

 

為確保沖床在工作工程中滑塊不會撞擊到機械手， 在設計控制系統時， 當滑塊回退到安全高度時機械手開始伸出； 

 

當滑塊從最高點向下運行到安全高度時， 檢測機械手是否已經縮回到模具邊緣以外， 如果沒有， 則沖床停止工作。

 

（１） 安全高度檢測

通過檢測曲柄運行角度 α 值， 從而確定滑塊是否到達安全高度。

 

在曲柄軸上安裝一個編碼器， 由曲柄軸帶動編碼器軸旋轉， 并使曲柄與編碼器的傳動比為 １ ∶ １， 編碼器的線數為 １ ２００。 

 

選用三菱 ＦＸ３ｕ 型 ＰＬＣ 作為控制元件_［７_］ 。

 

ＰＬＣ 通過輸入端子接_收編碼器發出的脈沖信號， 由 ＰＬＣ 內部計數器 Ｃ２５１ 進行脈沖計數。 

 

當滑塊在下死點時開始計數， 曲柄旋轉軸旋轉一周時計數器復位， 重新開始計數。

 

編碼器發出的脈沖數 ｎ 與曲柄旋轉軸的運行角度 α 之間的關系為ｎ ＝ １ ２００ ３α６０

 

當滑塊回退到安全高度時， α ＝ ８７?? ８２°， 編碼器發出的脈沖數 ｎ１ ＝ ２９３；

 

當滑塊向下運行到安全高度時， α ＝ ２７２?? １８°， 編碼器發出的脈沖數 ｎ_２ ＝ ９０７。

 

安全性的控制流程如圖 ６ 所示。

圖 ６　 安全性控制流程

 

（２） 機械手縮回位置檢測

當滑塊從上死點下降到安全高度時， 需要檢測機械手縮回位置， 確定吸盤邊緣是否已經回退到滑塊邊緣以外， 其方法如下：

 

在機械手安裝時， 將機械手置于伸出到位位置。將圖 ４ 中的感應塊安裝在手臂側面的 Ｔ 型槽內， 在 Ｔ型槽內前后移動感應塊， 使其在接近開關前方１２１?? ５ ～ １３０ ｍｍ 范圍內 （ 水平距離）， 然后將感應塊固定。 

 

在機械手手臂縮回到 １２１?? ５ ｍｍ 以上距離時，感應塊經過接近開關上方， 接近開關發出脈沖信號，由 ＰＬＣ 記憶該信號。 如該信號為 １， 表明機械手已回退到安全位置， 沖床可繼續運行。

 

７　 結束語

ＪＤ２１?１６０ 沖床配備機械手后， 使兩者相互協調，在工作節拍上進行有機銜接， 實現了沖床 ３５ 次 ／ ｍｉｎ沖壓的高頻率連續運行。

 

通過結構設計， 使機械手倍速運行， 滿足節拍要求。

 

 同時， 在沖床曲軸上加裝編碼器， 通過檢測曲軸旋轉角度， 檢測滑塊回退高度，確保安全性。 

 

實踐表明， 該設計方法具有實際應用價值。

 

參考文獻：

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