冲床物料机械手设计应用

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。

4 传动机构的设计

通过计算可知，应用气缸直接驱动方案时，手臂行程=气缸行程，但在这一方案下，冲床无法连续运行。为提高手臂伸缩效率，在这里需要用到传动机构，在图4所示的机构中，气缸驱动齿轮顺着导轨2运动，齿轮1、2因此同步旋转。由齿轮2利用齿条2驱动手臂在导轨1上来回的伸缩。

设手臂伸出距离为L1，气缸伸出距离为L2，齿轮1、2的齿数用 Z1和Z2表示，那么

在设计中，有 Z2=2Z1，那么 L1=3L2。

5 机械手节拍计算与协调性研究

考虑到机械手臂伸展距离L1，所以气缸伸展距离L2=700/3mm。气缸运行速度500mm/s，所以伸展时间t1=0.47s。

机械手执行下降、吸取、上升、伸出、下降、放松、上升、缩回一系列动作所需的时间为

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

由此计算出的周期1.32s比冲床运行周期更短，能够满足冲床连续运行的要求。

5.1 机械手运行周期

机械手的一个周期包括3个环节，即取料、等待和送料，3个环节的运行过程为取料、等待和送料3个环节构成机械手的运行周期。

以其缩回的位置为初始位置。

5.2 运行协调和运行节拍计算

为了达到协调运行的目的，必须做到：①冲床与机械手同时运行，冲床连续运行；②机械手完成首个运行周期后，其和冲床的运行周期是一致的；③当滑块抵达安全高度位置时，机械手执行送料动作，这一点非常关键，能够避免二者的节拍时间计算与运行出现误差，有效消除碰撞隐患；④送料、取料环节连续进行。

对冲床与机械手协调运行时间关系进行分析可知：①机械手的首个运行周期比较短，完成这一个周期后，其运行周期和冲床是一致的，也就是1.71s；②完成第一个周期后，在后续的周期中，机械手的起始时间比冲床每个周期更为提前。

5.2.1 机械手第一个周期节拍计算

取料环节耗时t1=0.02+0.2+0.02=0.24s；

送料环节耗时t3=0.47+0.02+0.1+0.02+0.47=1.08s；

对图5进行分析可知，滑块回退到安全高度耗时0.42s，取料环节耗时0.24s，那么第一个周期包含的等待时间是0042-t1=0.42-0.24=0.18s；

首个周期耗时T=0.24+0.14+1.08=1.50s。

5.2.2 机械手第二个周期节拍计算

机械手运行周期总时间=冲床运行周期1.71s；

取料和送料环节的耗时与首个周期是一致的；

第二个周期内：

等待时间=冲床运行-周期取料时间-送料时间1.71-0.24-1.08=0.39s。除了首个周期之外，剩下的每个周期耗时均一致。

5.2.3 滑块下降到安全高度时手臂缩回距离的计算

滑块在安全高度以上耗时为0.87s，送料环节执行伸出、下降、放松、上升等操作的总耗时为0.47+0.02+0.1+0.02=0.61s，所以机械手必须在0.26s内完成缩回操作，在此期间的距离是500×0.26=130mm。

在水平方向上，模具和吸盘边缘并未出现碰撞的情况下，机械手缩回的距离X不得低于：

缩回距离超过X，也就是机械手处在危险区域之外，避免了与模具发生碰撞。根据上述节拍，冲床与机械手可以协调运行，冲床能够基于35次/min的频率连续运行。

6 结束语

为冲床安装机械手后，二者能够协调运行，在工作节拍上实现良好的衔接，达成了冲床冲压连续运行的目的。合理的设计确保机械手倍速运行，满足节拍要求。除此之外，为冲床曲轴配备编码器，采集曲轴旋转角度以及滑块回退高度信息，有助于消除碰撞隐患。事实证明，本文的设计是完全可行的，具有较强的实用性。