免责声明：本文援引自网络或其他媒体，与扬锻官网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。

转发自：机床与液压

作者：丁锦宏

（江苏工程职业技术学院， 江苏南通 ２２６０００）

手臂由驱动机构使其伸缩运行。 为使冲床连续运行， 则机械手运行周期需要和冲床运行周期相一致，故需要对其驱动机构进行详细分析。

吸盘作为拾取器来取放物料。 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

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 Ｌ１， 气缸伸出距离为 Ｌ２， 齿轮 １ 和齿轮 ２ 的齿数分别为 Ｚ１ 和 Ｚ２， 则 Ｌ１ ＝ Ｌ２ ·

在设计中， 取 Ｚ２ ＝ ２·Ｚ１， 则 Ｌ１ ＝ ３Ｌ２。

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

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。

（２） 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(（ａ）)手取料阶段的时间ｔ１＝０􀆰０２(机械手第一个周期的节拍计算) ＋ 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

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 ＝ ２２００＋４２３ ＝ 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 １ ２００。 

选用三菱 ＦＸ３ｕ 型 ＰＬＣ 作为控制元件［７］ 。 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．