连续冲压自动送料机械手的设计与应用(二)

连续冲压自动送料机械手的设计与应用(二)

Sep 15, 2022

根据物料的质量和尺寸, 确定使用单个吸盘, 安全系数取 4, 选用型号为 ZPX40HB, 侧面进气, 总高度为 59 mm, 吸盘直径为 ϕ43 mm。 

由于拾取器总高度必须小于冲床的安全高度为 90 mm, 因而吸盘不能直接与气缸活塞相联接, 因而采用图 3 中的联接方式。

气缸带动吸盘做上下运动。 

根据吸取物料的质量, 同时考虑稳定性和气缸长度等限制, 选取双活塞杆气缸 MGPM12⁃D⁃M9, 行程为 12 mm, 可安装磁性开关。

3  机械手节拍分析与驱动元件确定

机械手以缩回位置为原点, 需要完成以下 8 个动作: 下降、 吸料、 上升、 伸出、 下降、 放料、 上升、缩回等。

吸盘吸着力的形成需要时间为 0􀆰 15 s, 为了增强可靠性, 该时间增加到 0􀆰 2 s。 

吸盘放料需要时间为0􀆰 1 s[5] 

气缸的动作时间与气路、 电磁阀动作时间等有着复杂的关系, 计算较为复杂, 按照气缸的标准使用速度为 50 ~ 500 mm / s 进行估算, 取气缸运行速度 500mm / s, 由此, 气缸下降和上升运行时间分别为 0􀆰 02 s。

在机械手设计时, 考虑使用气缸和伺服电机两种方案驱动机械手的运行。

若使用气缸驱动手臂伸缩, 则伸出与缩回时间均为 700 / 500 = 1􀆰 4 s。

若使用伺服电机带动滚珠丝杆, 驱动手臂伸缩,则在该机械手负载的情况下, 一般选择丝杆螺距 p =

5、 电机转速 s = 3 000 r / min。 伸出与缩回时间均为

×60 = 5×00×60 = 2􀆰 8 s。

通过以上计算可见, 使用气缸驱动手臂时, 机械手总运行时间为 3􀆰 18 s, 已经大大超过冲床运行周期1􀆰 71 s, 需要冲床在运转中等待, 不符合设计要求。

使用伺服电机驱动手臂时, 机械手总运行时间更长,在此不适合使用。 

因此, 确定使用气缸作为驱动元件, 其不足之处在于气缸无法在行程的中间任意位置停留, 不能实现预送料。

4  传动机构的设计

图 4  驱动机构

根据上述计算, 如果使用气缸直接驱动手臂的伸缩, 即手臂行程 = 气缸行程时, 这样的机械结构满足不了冲床连续运行的节拍要求。 

为缩短手臂伸缩时间, 设计传动机构如图 4 所示 ( 俯视图未画出手臂) [6] 。

该机构中, 齿轮座在驱动气缸的作用下, 沿导轨2 运动, 使齿轮 1 和齿轮 2 做同步旋转。

由齿轮 2 通过齿条 2 带动手臂沿导轨 1 做伸缩运动。

设手臂伸出距离为 L, 气缸伸出距离为 L, 齿轮 1 和齿轮 2 的齿数分别为 Z1 和 Z, 则 L1 = L2 ·æç1+ZZ2öø÷ è

在设计中, 取 Z2 = 2·Z, 则 L1 = 3L

5  机械手节拍计算与协调性研究

由于机械手臂伸出距离 L1 = 700 mm, 则气缸伸出距离 L2 = 700 / 3 mm。 

按照气缸运行速度 500 mm / s计算, 气缸伸出时间 t1 = 0􀆰 47 s。

机械手完成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下降、 放松、 上升、 缩回的运行时间为

t = 0􀆰 02 + 0􀆰 2 + 0􀆰 02 + 0􀆰 47 + 0􀆰 02 + 0􀆰 1 + 0􀆰 02 +0􀆰 47 = 1􀆰 32 s

此运行时间小于冲床运行周期 1􀆰 71 s, 可与冲床相配合使用。

(1) 机械手运行周期

现将机械手运行周期分为 3 个阶段: 取料阶段、等待阶段和送料阶段, 3 个阶段的运行过程为

取料阶段、 等待阶段和送料阶段 3 个阶段构成机械手的运行周期。

机械手以缩回的位置为初始状态。

运行协调与运行节拍计算冲床与机械手协调运行的方法为: 

(1) 冲床与机械手同时工作, 冲床连续运行; 

(2) 机械手从第二个运行周期开始, 其运行周期与冲床运行周期相同; 

(3) 当滑块回退到安全高度时, 机械手开始伸出送料, 这是协调运行的关键, 不但清除了冲床与机械手在节拍上的时间计算与运行误差, 而且保证了安全性; 

(4) 送料阶段和取料阶段是连续完成的。

冲床与机械手协调运行时间关系如图 5 所示。

图 5  机械手协调运行时间

由图 5 可见: (1) 机械手第一个运行周期的周期时间短, 第二个以后的运行周期时间相同, 为冲床运行周期, 即 1􀆰 71 s; 

(2) 机械手在第二个以后的运行周期内, 起始时间超前于冲床运行周期的开始时间。 机械+ 0􀆰 2 + 0􀆰 02 =0􀆰 24 s;

机械手送料阶段时间 t3 = 0􀆰 47+0􀆰 02+0􀆰 1+0􀆰 02+0􀆰 47 = 1􀆰 08 s;

由图 5 可以算出, 滑块回退到安全高度的时间为

第 19 期 丁锦宏: 连续冲压自动送料机械手的设计与应用 · 0 · 

0􀆰 42 s, 完成取料所需时间为 0􀆰 24 s, 则第一个周期内的等待时间为 0􀆰 42-t1 = 0􀆰 42-0􀆰 24 = 0􀆰 18 s;

机械手第一个周期的总时间 = 0􀆰 24+0􀆰 18+1􀆰 08 =1􀆰 50 s。

(b) 机械手第二个周期的节拍计算

机械手运行周期的总时间 = 冲床运行周期 =1􀆰 71 s;

机械手取料阶段的时间、 送料阶段的时间与第一个周期相同;

第二个周期内的等待时间 = 冲床运行周期-取料时间送料时间 = 1􀆰 71 - 0􀆰 24 - 1􀆰 08 = 0􀆰 39 s。 第二个

周期以后的各个周期与此相同。

(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的时间为 0􀆰 87 s, 送料阶段完成伸出、 下降、 放松、 上升的动作时间为 0􀆰 47 +0􀆰 02+0􀆰 1+0􀆰 02 = 0􀆰 61 s, 则机械手有 0􀆰 26 s 的时间处于缩回状态, 此时间段内的缩回距离为 500 ·

0􀆰 26 = 130 mm。

在水平方向上, 模具与吸盘边缘不发生碰撞时,机械手应缩回的距离 X 的最小值为

X = 模具2长度+吸盘2直径 = 003 = 121􀆰 5 mm,

由于缩回距离大于 X, 即机械手已经回退到安全区域以外, 不会使模具与机械手相碰撞。

按照以上节拍, 冲床与机械手能相互协调, 使冲床按照 35 次 / min 的频率连续运转。

6  安全性设计

为确保冲床在工作工程中滑块不会撞击到机械手, 在设计控制系统时, 当滑块回退到安全高度时机械手开始伸出; 

当滑块从最高点向下运行到安全高度时, 检测机械手是否已经缩回到模具边缘以外, 如果没有, 则冲床停止工作。(1) 安全高度检测

通过检测曲柄运行角度 α 值, 从而确定滑块是否到达安全高度。

在曲柄轴上安装一个编码器, 由曲柄轴带动编码器轴旋转, 并使曲柄与编码器的传动比为 1 ∶ 1, 编码器的线数为1200。

选用三菱 FX3u 型 PLC 作为控制元件] 。 

PLC 通过输入端子接收编码器发出的脉冲信号, 由 PLC 内部计数器 C251 进行脉冲计数。 当滑块在下死点时开始计数, 曲柄旋转轴旋转一周时计数器复位, 重新开始计数。

编码器发出的脉冲数 n 与曲柄旋转轴的运行角度 α 之间的关系为n = 1 200 3α60

当滑块回退到安全高度时, α = 87􀆰 82°, 编码器发出的脉冲数 n1 = 293;

当滑块向下运行到安全高度时, α = 272􀆰 18°, 编码器发出的脉冲数 n2 = 907。

安全性的控制流程如图 6 所示。

图 6  安全性控制流程

(2) 机械手缩回位置检测

当滑块从上死点下降到安全高度时, 需要检测机械手缩回位置, 确定吸盘边缘是否已经回退到滑块边缘以外, 其方法如下:

在机械手安装时, 将机械手置于伸出到位位置。

将图 4 中的感应块安装在手臂侧面的 T 型槽内, 在 T型槽内前后移动感应块, 使其在接近开关前方121􀆰 5 ~ 130 mm 范围内 ( 水平距离), 然后将感应块固定。 

在机械手手臂缩回到 121􀆰 5 mm 以上距离时,感应块经过接近开关上方, 接近开关发出脉冲信号,由 PLC 记忆该信号。 

如该信号为 1, 表明机械手已回退到安全位置, 冲床可继续运行。

7结束语

JD21⁃160 冲床配备机械手后, 使两者相互协调,在工作节拍上进行有机衔接, 实现了冲床 35 次 / min冲压的高频率连续运行。 

通过结构设计, 使机械手倍速运行, 满足节拍要求。

 同时, 在冲床曲轴上加装编码器, 通过检测曲轴旋转角度, 检测滑块回退高度,确保安全性。 实践表明, 该设计方法具有实际应用价值。

参考文献:

[1] 柳光涛,钟佩思,刘大志,等.数控转塔冲床上下料助力机械手设计与分析[ J].机床与液压,2014,42(3):12-15.

LIU G T,ZHONG P S,LIU D Z,et al.Design and Analysisfor Loading / Unloading Manipulator of NC Turret Punch

Press[J].Machine Tool & Hydraulics,2014,42(3):12-15.

[2] 张海英,范进桢,沈鑫刚,等.一种多工位冲床机械手的研制[J].制造业自动化,2014,36(2):109-11.

ZHANG H Y, FAN J Z, SHEN X G, et al. Design andApplication of a New Multiple⁃stage Manipulator Based onthe Punch [ J]. Manufacturing Automation,2014,36 ( 2):109-111.系统建模与仿真 [ J]. 工程设计学报,2015 ( 4):330 -335.

YANG Q M,KONG L Q,LI J,et al.Modeling and Simulation of Synchronous Speed Control System about Electrichydraulic Proportional Motor[ J]. Chinese Journal of Engineering Design,2015(4):330-335.

[5] 鲁植雄,龚佳慧,鲁杨,等.拖拉机线控液压转向系统的双通道 PID 控制仿真与试验[ J].农业工程学报,2016,32(6):101-105.

LU Z X,GONG J H,LU Y,et al. Simulation and Experiment of Dual Channel PID Control for Hydraulic Steer⁃ByWire System of Tractor [ J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering, 2016, 32 ( 6): 101 -105.

[6] 杨前明,王伟,胡开文,等.内嵌式溢油回收机电液阀控马达速度变结构控制[ J].山东科技大学学报( 自然科学版),2017,36(2):115-120.

YANG Q M,WANG W,HU K W,et al.Variable StructureControl of Electro⁃hydraulic Valve⁃controlled Motor Speedfor Embedded Oil Spill Recovery Equipment[J].Journal ofShandong University of Science and Technology ( Natural

Science),2017,36(2):115-120.

[7] 张华,郑加强,徐幼林.概念喷雾机底盘双侧液压马达自抗扰同步控制研究 [ J]. 中国农业大学学报,2017,22

(6):135-140.

ZHANG H,ZHENG J Q,XU Y L. Study of Auto Disturbance Rejection Synchronous Control for Bilateral HydraulicMotor of Concept Sprayer Chassis [ J]. Journal of China

Agricultural University,2017,22(6):135-140.

[8] 闫九祥,王亚丽,陈铁,等.光伏板清扫机器人电液比例位置控制系统仿真分析[J].机床与液压,2018,46(9):10-16.

YAN J X,WANG Y L,CHEN T,et al.Simulation Analysisfor Electro⁃hydraulic Proportion Position Control System ofPhotovoltaic Panels Cleaning Robot [ J]. Machine Tool &

Hydraulics,2018,46(9):10-16.

[9] WONOHADIDJOJO D M,KOTHAPALLI G,MOHAMMEDY H.Position Control of Electro⁃Hydraulic Actuator Systemusing Fuzzy Logic Controller Optimized by Particle SwarmOptimization[ J]. International Journal of Automation andComputing,2013,10(3):181-193.

[10] 刘晓峰.覆带起重机起升系统双马达同步控制技术研究[D].长春:吉林大学,2012.

[11] 吴振顺.液压控制系统析[M].北京:高等教育出版社,2008:203-237.