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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）

摘要： 在分析送料机械手的运行周期基础上， 提出了一种具有行程倍增机构的机械手结构设计方案， 并通过编码器检测冲床滑块的安全高度， 采用时序图法， 对冲床与机械手的协调运行与安全性控制进行了研究， 实际应用结果表明： 采用该结构的机械手能缩短手臂运行时间， 满足冲床连续运行的要求， 并避免了碰撞事故的发生。

关键词： 冲压； 连续运行； 协调； 安全中图分类号： ＴＧ５１９􀆰 １

Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｓｔａｍｐｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｆｅｅｄｉｎｇ ＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＤＩＮＧ 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

冲床是由电动机带动曲柄运转， 使滑块做直线运动， 对材料施以压力， 进行冲孔、 成形、 落料、拉伸等， 从而得到所要求的形状。 

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。 

目前研究较多的是根据不同冲压机床， 设计相应的机械手， 如数控转塔冲床上下料机械手^［１］ 、 多工位冲床机械手^［２］等， 通过机械手实现冲压件的取放操作。

 另一方面， 在机械手的控制方法上也有研究， 如采用通信总线代替脉冲实现对伺服驱动单元的闭环控制^［３］ ， 以达到提高控制精度的目的。 

这些研究的重点是机械手本身的动作、 性能及其控制方式， 没有考虑冲床的运行周期， 因而冲床运行时需要停顿。

文中针对 ＪＤ２１⁃１６０ 冲床， 以冲床连续运行为目标，在深入分析冲床与机械手的运动规律基础上， 对机械手的结构、 机械手与冲床之间的协调性加以研究。

ＪＤ２１⁃１６０ 冲床为一种开式曲柄压力机床， 冲床的滑块行程为 １６０ ｍｍ， 滑块行程次数为 ３５ 次 ／ ｍｉｎ，某企业用来进行拉伸加工， 加工件厚度为 ３ ｍｍ， 边长为 １８０ ｍｍ， 质量为 ３ ｋｇ， 模具长度为 ２００ ｍｍ。

为实现自动化生产， 现对该冲床配备机械手， 进行自动送料。 两者需要协调运行， 使冲床连续冲压。

为叙述方便， 将模具与滑块视为一个整体， 仍称为滑块。

１　 安全高度与安全时间计算

机械手需要在滑块回退到安全高度之上时， 才能将手臂伸到冲床内， 完成送料动作。

（１） 安全高度的确定

根据冲床技术参数与模具高度， 确定冲床安全高度为 ９０ ｍｍ。

（２） 安全高度内的时间计算

滑块的运动原理如图 １ 所示。 其数学模型为

ｓ ＝ （Ｒ＋Ｌ） －（Ｒｃｏｓα＋ Ｌ２ ＋（Ｒｓｉｎα） ２ （１）

式中： ｓ 为滑块距下死点行程； Ｒ 为曲柄半径； Ｌ 为连杆长度； α 为曲柄旋转角度。

ＪＤ２１⁃１６０ 冲床曲柄半径为 ８０ ｍｍ， 连杆长度为２４０ ｍｍ。

由式 （ １） 求解 α 角度值比困难， 现依据式（１） 求出若干个离散点值， 如表 １ 所示， 采用作图法求出安全高度内的时间值。

滑块行程次数为 ３５ 次 ／ ｍｉｎ， 即冲床运行周期为１􀆰 ７１ ｓ， 滑块行程为 １６０ ｍｍ。 利用表 １ 的离散点进行拟合， 可得出曲柄运行角度 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， 两个曲线图合二为一， 如图 ２ 所示。

图 １　 滑块运动原理

表 １　 滑块行程值

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

图 ２　 曲柄旋转角度、 时间与滑块行程关系

由于安全高度为 ９０ ｍｍ， 由图 ２ 可计算出滑块在安全高度以上的时间为 ０􀆰 ８７ ｓ。

２　 手臂行程的确定与机械手方案

根据冲床工作台及物料尺寸等因素， 确定物料台到冲床工作台中心之间的距离， 即手臂行程为

７００ ｍｍ。

机械手结构如图 ３ 所示。

图 ３　 机械手结构示意

该机械手由手臂、 手臂驱动机构 （ 图中未画出）、 吸盘和气缸等组成^［４］ 。

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

７ｐ０ｓ０×６０ ＝ ５×７３０００００×６０ ＝ 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_１， 气缸伸出距离为 Ｌ_２， 齿轮 １ 和齿轮 ２ 的齿数分别为 Ｚ_１ 和 Ｚ_２， 则 Ｌ_１ ＝ Ｌ_２ ·æç１＋ＺＺ２_１öø÷ è

在设计中， 取 Ｚ_２ ＝ ２·Ｚ_１， 则 Ｌ_１ ＝ ３Ｌ_２。

５　 机械手节拍计算与协调性研究

由于机械手臂伸出距离 Ｌ_１ ＝ 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 ·^１　０^３　·　

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 ｎ_２ ＝ ９０７。