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根據(jù)物料的質(zhì)量和尺寸， 確定使用單個(gè)吸盤， 安全系數(shù)取 ４， 選用型號(hào)為 ＺＰＸ４０ＨＢ， 側(cè)面進(jìn)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(lián)接， 因而采用圖 ３ 中的聯(lián)接方式。

氣缸帶動(dòng)吸盤做上下運(yùn)動(dòng)。 

根據(jù)吸取物料的質(zhì)量， 同時(shí)考慮穩(wěn)定性和氣缸長(zhǎng)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(guān)。

３　 機(jī)械手節(jié)拍分析與驅(qū)動(dòng)元件確定

機(jī)械手以縮回位置為原點(diǎn)， 需要完成以下 ８ 個(gè)動(dòng)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(shí)間為 ０?? １５ ｓ， 為了增強(qiáng)可靠性， 該時(shí)間增加到 ０?? ２ ｓ。 

吸盤放料需要時(shí)間為０?? １ ｓ_［５］ 。

氣缸的動(dòng)作時(shí)間與氣路、 電磁閥動(dòng)作時(shí)間等有著復(fù)雜的關(guān)系， 計(jì)算較為復(fù)雜， 按照氣缸的標(biāo)準(zhǔn)使用速度為 ５０ ～ ５００ ｍｍ ／ ｓ 進(jìn)行估算， 取氣缸運(yùn)行速度 ５００ｍｍ ／ ｓ， 由此， 氣缸下降和上升運(yùn)行時(shí)間分別為 ０?? ０２ ｓ。

在機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)， 考慮使用氣缸和伺服電機(jī)兩種方案驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)行。

若使用氣缸驅(qū)動(dòng)手臂伸縮， 則伸出與縮回時(shí)間均^為 ７００ ／ ５００ ＝ １?? ４ ｓ。

若使用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿， 驅(qū)動(dòng)手臂伸縮，則在該機(jī)械手負(fù)載的情況下， 一般選擇絲桿螺距 ｐ ＝

５、 電機(jī)轉(zhuǎn)速 ｓ ＝ ３ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ。 伸出與縮回時(shí)間均為

７ｐ０ｓ０×６０ ＝ ５×７３０００００×６０ ＝ ２?? ８ ｓ。

通過(guò)以上計(jì)算可見(jiàn)， 使用氣缸驅(qū)動(dòng)手臂時(shí)， 機(jī)械手總運(yùn)行時(shí)間為 ３?? １８ ｓ， 已經(jīng)大大超過(guò)沖床運(yùn)行周期１?? ７１ ｓ， 需要沖床在運(yùn)轉(zhuǎn)中等待， 不符合設(shè)計(jì)要求。

使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂時(shí)， 機(jī)械手總運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，在此不適合使用。 

因此， 確定使用氣缸作為驅(qū)動(dòng)元件， 其不足之處在于氣缸無(wú)法在行程的中間任意位置停留， 不能實(shí)現(xiàn)預(yù)送料。

４　 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖 ４　 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)上述計(jì)算， 如果使用氣缸直接驅(qū)動(dòng)手臂的伸縮， 即手臂行程 ＝ 氣缸行程時(shí)， 這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足不了沖床連續(xù)運(yùn)行的節(jié)拍要求。 

為縮短手臂伸縮時(shí)間， 設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖 ４ 所示 （ 俯視圖未畫出手臂） ［６］ 。

該機(jī)構(gòu)中， 齒輪座在驅(qū)動(dòng)氣缸的作用下， 沿導(dǎo)軌２ 運(yùn)動(dòng)， 使齒輪 １ 和齒輪 ２ 做同步旋轉(zhuǎn)。

由齒輪 ２ 通過(guò)齒條 ２ 帶動(dòng)手臂沿導(dǎo)軌 １ 做伸縮運(yùn)動(dòng)。

設(shè)手臂伸出距離為 Ｌ_１， 氣缸伸出距離為 Ｌ_２， 齒輪 １ 和齒輪 ２ 的齒數(shù)分別為 Ｚ_１ 和 Ｚ_２， 則 Ｌ_１ ＝ Ｌ_２ ·æç１＋ＺＺ２_１öø÷ è

在設(shè)計(jì)中， 取 Ｚ_２ ＝ ２·Ｚ_１， 則 Ｌ_１ ＝ ３Ｌ_２。

５　 機(jī)械手節(jié)拍計(jì)算與協(xié)調(diào)性研究

由于機(jī)械手臂伸出距離 Ｌ_１ ＝ ７００ ｍｍ， 則氣缸伸出距離 Ｌ２ ＝ ７００ ／ ３ ｍｍ。 

按照氣缸運(yùn)行速度 ５００ ｍｍ ／ ｓ計(jì)算， 氣缸伸出時(shí)間 ｔ１ ＝ ０?? ４７ ｓ。

機(jī)械手完成下降、 吸取、 上升、 伸出、 下降、 放松、 上升、 縮回的運(yùn)行時(shí)間為

^ｔ ＝ ０?? ０２ ＋ ０?? ２ ＋ ０?? ０２ ＋ ０?? ４７ ＋ ０?? ０２ ＋ ０?? １ ＋ ０?? ０２ ＋０?? ４７ ＝ １?? ３２ ｓ

此運(yùn)行時(shí)間小于沖床運(yùn)行周期 １?? ７１ ｓ， 可與沖床相配合使用。

（１） 機(jī)械手運(yùn)行周期

現(xiàn)將機(jī)械手運(yùn)行周期分為 ３ 個(gè)階段： 取料階段、等待階段和送料階段， ３ 個(gè)階段的運(yùn)行過(guò)程為

取料階段、 等待階段和送料階段 ３ 個(gè)階段構(gòu)成機(jī)械手的運(yùn)行周期。

機(jī)械手以縮回的位置為初始狀態(tài)。

運(yùn)行協(xié)調(diào)與運(yùn)行節(jié)拍計(jì)算沖床與機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行的方法為： 

（１） 沖床與機(jī)械手同時(shí)工作， 沖床連續(xù)運(yùn)行； 

（２） 機(jī)械手從第二個(gè)運(yùn)行周期開始， 其運(yùn)行周期與沖床運(yùn)行周期相同； 

（３） 當(dāng)滑塊回退到安全高度時(shí)， 機(jī)械手開始伸出送料， 這是協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵， 不但清除了沖床與機(jī)械手在節(jié)拍上的時(shí)間計(jì)算與運(yùn)行誤差， 而且保證了安全性； 

（４） 送料階段和取料階段是連續(xù)完成的。

沖床與機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)間關(guān)系如圖 ５ 所示。

圖 ５　 機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)間

由圖 ５ 可見(jiàn)： （１） 機(jī)械手第一個(gè)運(yùn)行周期的周期時(shí)間短， 第二個(gè)以后的運(yùn)行周期時(shí)間相同， 為沖床運(yùn)行周期， 即 １?? ７１ ｓ； 

（２） 機(jī)械手在第二個(gè)以后的運(yùn)行周期內(nèi)， 起始時(shí)間超前于沖床運(yùn)行周期的開始時(shí)間。 機(jī)械＋ ０?? ２ ＋ ０?? ０２ ＝０?? ２４ ｓ；

機(jī)械手送料階段時(shí)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(shí)間為

第 １９ 期 丁錦宏： 連續(xù)沖壓自動(dòng)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ·^１　０^３　·　

０?? ４２ ｓ， 完成取料所需時(shí)間為 ０?? ２４ ｓ， 則第一個(gè)周期內(nèi)的等待時(shí)間為 ０?? ４２－ｔ１ ＝ ０?? ４２－０?? ２４ ＝ ０?? １８ ｓ；

機(jī)械手第一個(gè)周期的總時(shí)間 ＝ ０?? ２４＋０?? １８＋１?? ０８ ＝１?? ５０ ｓ。

（ｂ） 機(jī)械手第二個(gè)周期的節(jié)拍計(jì)算

機(jī)械手運(yùn)行周期的總時(shí)間 ＝ 沖床運(yùn)行周期 ＝１?? ７１ ｓ；

機(jī)械手取料階段的時(shí)間、 送料階段的時(shí)間與第一個(gè)周期相同；

第二個(gè)周期內(nèi)的等待時(shí)間 ＝ 沖床運(yùn)行周期－取料^時(shí)間－^{送料時(shí)間} ＝ １?? ７１ － ０?? ２４ － １?? ０８ ＝ ０?? ３９ ｓ。 ^{第二個(gè)}

周期以后的各個(gè)周期與此相同。

（３） 滑塊下降到安全高度時(shí)手臂縮回距離的

計(jì)算

滑塊在安全高度以上的時(shí)間為 ０?? ８７ ｓ， 送料階段完成伸出、 下降、 放松、 上升的動(dòng)作時(shí)間為 ０?? ４７ ＋０?? ０２＋０?? １＋０?? ０２ ＝ ０?? ６１ ｓ， 則機(jī)械手有 ０?? ２６ ｓ 的時(shí)間處于縮回狀態(tài)， 此時(shí)間段內(nèi)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(fā)生碰撞時(shí)，機(jī)械手應(yīng)縮回的距離 Ｘ 的最小值為

Ｘ ＝ 模具２長(zhǎng)度＋吸盤２直徑 ＝ ２２００＋４２３ ＝ １２１?? ５ ｍｍ，

由于縮回距離大于 Ｘ， 即機(jī)械手已經(jīng)回退到安全區(qū)域以外， 不會(huì)使模具與機(jī)械手相碰撞。

按照以上節(jié)拍， 沖床與機(jī)械手能相互協(xié)調(diào)， 使沖床按照 ３５ 次 ／ ｍｉｎ 的頻率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

６　 安全性設(shè)計(jì)

為確保沖床在工作工程中滑塊不會(huì)撞擊到機(jī)械手， 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)， 當(dāng)滑塊回退到安全高度時(shí)機(jī)械手開始伸出； 

當(dāng)滑塊從最高點(diǎn)向下運(yùn)行到安全高度時(shí)， 檢測(cè)機(jī)械手是否已經(jīng)縮回到模具邊緣以外， 如果沒(méi)有， 則沖床停止工作。（１） 安全高度檢測(cè)

通過(guò)檢測(cè)曲柄運(yùn)行角度 α 值， 從而確定滑塊是否到達(dá)安全高度。

在曲柄軸上安裝一個(gè)編碼器， 由曲柄軸帶動(dòng)編碼器軸旋轉(zhuǎn)， 并使曲柄與編碼器的傳動(dòng)比為 １ ∶ １， 編碼器的線數(shù)為1200。

選用三菱 ＦＸ３ｕ 型 ＰＬＣ 作為控制元件_［７_］ 。 

ＰＬＣ 通過(guò)輸入端子接收編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)， 由 ＰＬＣ 內(nèi)部計(jì)數(shù)器 Ｃ２５１ 進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。 當(dāng)滑塊在下死點(diǎn)時(shí)開始計(jì)數(shù)， 曲柄旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位， 重新開始計(jì)數(shù)。

編碼器發(fā)出的脈沖數(shù) ｎ 與曲柄旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)行角度 α 之間的關(guān)系為ｎ ＝ １ ２００ ３α６０

當(dāng)滑塊回退到安全高度時(shí)， α ＝ ８７?? ８２°， 編碼器發(fā)出的脈沖數(shù) ｎ１ ＝ ２９３；

當(dāng)滑塊向下運(yùn)行到安全高度時(shí)， α ＝ ２７２?? １８°， 編碼器發(fā)出的脈沖數(shù) ｎ_２ ＝ 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(jī)械手縮回位置檢測(cè)

當(dāng)滑塊從上死點(diǎn)下降到安全高度時(shí)， 需要檢測(cè)機(jī)械手縮回位置， 確定吸盤邊緣是否已經(jīng)回退到滑塊邊緣以外， 其方法如下：

在機(jī)械手安裝時(shí)， 將機(jī)械手置于伸出到位位置。

將圖 ４ 中的感應(yīng)塊安裝在手臂側(cè)面的 Ｔ 型槽內(nèi)， 在 Ｔ型槽內(nèi)前后移動(dòng)感應(yīng)塊， 使其在接近開關(guān)前方１２１?? ５ ～ １３０ ｍｍ 范圍內(nèi) （ 水平距離）， 然后將感應(yīng)塊固定。 

在機(jī)械手手臂縮回到 １２１?? ５ ｍｍ 以上距離時(shí)，感應(yīng)塊經(jīng)過(guò)接近開關(guān)上方， 接近開關(guān)發(fā)出脈沖信號(hào)，由 ＰＬＣ 記憶該信號(hào)。 

如該信號(hào)為 １， 表明機(jī)械手已回退到安全位置， 沖床可繼續(xù)運(yùn)行。

７結(jié)束語(yǔ)

ＪＤ２１?１６０ 沖床配備機(jī)械手后， 使兩者相互協(xié)調(diào)，在工作節(jié)拍上進(jìn)行有機(jī)銜接， 實(shí)現(xiàn)了沖床 ３５ 次 ／ ｍｉｎ沖壓的高頻率連續(xù)運(yùn)行。 

通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 使機(jī)械手倍速運(yùn)行， 滿足節(jié)拍要求。

 同時(shí)， 在沖床曲軸上加裝編碼器， 通過(guò)檢測(cè)曲軸旋轉(zhuǎn)角度， 檢測(cè)滑塊回退高度，確保安全性。 實(shí)踐表明， 該設(shè)計(jì)方法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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