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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）

摘要： 在分析送料機械手的運行周期基礎上， 提出了一種具有行程倍增機構的機械手結構設計方案， 并通過編碼器檢測沖床滑塊的安全高度， 采用時序圖法， 對沖床與機械手的協調運行與安全性控制進行了研究， 實際應用結果表明： 采用該結構的機械手能縮短手臂運行時間， 滿足沖床連續運行的要求， 并避免了碰撞事故的發生。

關鍵詞： 沖壓； 連續運行； 協調； 安全中圖分類號： ＴＧ５１９?? １

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｓｔａｍｐｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｆｅｅｄｉｎｇ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ

ＤＩＮＧ Ｊｉｎｈｏｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｏ（ｎＪｉｔｈａｅｎｇｂｓａｕｓｉｓＣｏｏｆｌｌａｅｎｇａｅｌｙｚｏｉｎｆｇＥｔｈｎｅｇｉｏｎｐｅｅｅｒａｒｔｉｉｎｏｇｎ ｃａｙｎｃｄｌｅ Ｔｏｆｅｃｔｈｈｅｎｆｏｅｌｅｏｄｇｉｎｙｇ，ｍＮａｎａｉｎｐｔｕｏｌａｎｔｇｏｒ．ＪｉＡａｎｄｇｅｓｓｕｉｇｎ２ｓ２ｃ６ｈ０ｅ０ｍ０ｅ，ｏｆ Ｃｍｈａｎｉｎｉｐａｕ）ｌａｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈｓｔｒｏｋｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｐｕｎｃｈ ｓｌｉｐ ｗａｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｅｎｃｏｄｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄｓａｆｅｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｕｎｃｈ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｉｍｉｎｇ ｇｒａｐｈ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｎ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｍ， ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｎｃｈ， ａｎｄａｖｏｉｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｓｔａｍｐｉｎｇ； Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ； Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ； Ｓａｆｅｔｙ

前言

沖床是由電動機帶動曲柄運轉， 使滑塊做直線運動， 對材料施以壓力， 進行沖孔、 成形、 落料、拉伸等， 從而得到所要求的形狀。 

隨著機電一體化技術、 智能控制技術等技術的發展， 用于沖床加工的自動上下料機械手已得到廣泛應用。

 目前研究較多的是根據不同沖壓機床， 設計相應的機械手， 如數控轉塔沖床上下料機械手［１］ 、 多工位沖床機械手［２］等， 通過機械手實現沖壓件的取放操作。

 另一方面， 在機械手的控制方法上也有研究， 如采用通信總線代替脈沖實現對伺服驅動單元的閉環控制［３］ ， 以達到提高控制精度的目的。 

這些研究的重點是機械手本身的動作、 性能及其控制方式， 沒有考慮沖床的運行周期， 因而沖床運行時需要停頓。文中針對 ＪＤ２１?１６０ 沖床， 以沖床連續運行為目標，在深入分析沖床與機械手的運動規律基礎上， 對機械手的結構、 機械手與沖床之間的協調性加以研究。 

ＪＤ２１?１６０ 沖床為一種開式曲柄壓力機床， 沖床的滑塊行程為 １６０ ｍｍ， 滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ，某企業用來進行拉伸加工， 加工件厚度為 ３ ｍｍ， 邊長為 １８０ ｍｍ， 質量為 ３ ｋｇ， 模具長度為 ２００ ｍｍ。

為實現自動化生產， 現對該沖床配備機械手， 進行自動送料。 

兩者需要協調運行， 使沖床連續沖壓。為敘述方便， 將模具與滑塊視為一個整體， 仍稱為滑塊。

１　 安全高度與安全時間計算

機械手需要在滑塊回退到安全高度之上時， 才能將手臂伸到沖床內， 完成送料動作。

（１） 安全高度的確定

根據沖床技術參數與模具高度， 確定沖床安全高度為 ９０ ｍｍ。

（２） 安全高度內的時間計算

滑塊的運動原理如圖 １ 所示。 其數學模型為

ｓ ＝ （Ｒ＋Ｌ） －（Ｒｃｏｓα＋ Ｌ２ ＋（Ｒｓｉｎα） ２ （１）

式中： ｓ 為滑塊距下死點行程； Ｒ 為曲柄半徑； Ｌ 為連桿長度； α 為曲柄旋轉角度。

ＪＤ２１?１６０ 沖床曲柄半徑為 ８０ ｍｍ， 連桿長度為２４０ ｍｍ。

由式 （ １） 求解 α 角度值比較困難， 現依據式（１） 求出若干個離散點值， 如表 １ 所示， 采用作圖

法求出安全高度內的時間值。

滑塊行程次數為 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即沖床運行周期為１?? ７１ ｓ， 滑塊行程為 １６０ ｍｍ。 

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

α ０ π ／ １２ ２π ／ １２ ３π ／ １２ ４π ／ １２ ５π ／ １２ ６π ／ １２

ｓ ０ ３?? ６２ １４?? ０８ ３０?? ２ ５０?? ２２ ７２?? ０６ ９３?? ７３

α ７π ／ １２ ８π ／ １２ ９π ／ １２ １０π ／ １２ １１π ／ １２ １２π ／ １２

ｓ

表 １　 滑塊行程值

１１３?? ５ １３０?? ２２ １４３?? ３２ １５２?? ６４ １５８?? １８ １６０

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 Ｌ１， 氣缸伸出距離為 Ｌ２， 齒輪 １ 和齒輪 ２ 的齒數分別為 Ｚ１ 和 Ｚ２， 則 Ｌ１ ＝ Ｌ２ ·

æç１＋ＺＺ２１öø÷ è

在設計中， 取 Ｚ２ ＝ ２·Ｚ１， 則 Ｌ１ ＝ ３Ｌ２。

５　 機械手節拍計算與協調性研究

由于機械手臂伸出距離 Ｌ１ ＝ 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(（ａ）)手取料階段的時間ｔ１＝０??０２(機械手第一個周期的節拍計算) ＋ 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－ｔ１ ＝ 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 ｎ２ ＝ 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。