高速連續(xù)沖壓線物流輸送系統(tǒng)的研制

□ 龍秀兵 □ 孫 濤 □ 蘇建良 □ 張海洪 □ 林 恒 □ 陳 凱

上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院 上海 200072

沖壓加工是完成金屬塑性成形的一種重要手段，它是最基本、最傳統(tǒng)、最重要的金屬加工方法之一［1］。相對于其它機械加工方法，沖壓制品具有質(zhì)量穩(wěn)定、互換性好、可直接使用、能源消耗低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點［2］，這些優(yōu)點使沖壓加工在很多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

沖壓工藝及沖壓制品的重要性促使人們加大了對沖壓裝備的研究，沖壓自動化成為當(dāng)前沖壓加工的發(fā)展方向［3－4］。 然而，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在沖壓生產(chǎn)中，僅有不足10%的時間用于對工件進行沖壓加工，其余時間均用于工件搬運與等待搬運中［5－6］，因此，物流系統(tǒng)直接決定了整條沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。常見的幾種沖壓物流系統(tǒng)，如快速橫桿式輸送系統(tǒng)（Speed BAR）［7］、沖壓機器人系統(tǒng)（Robot）［8］等，為了避免傳送裝置進出沖床時的相互干涉，必須設(shè)定沖床等待時間即在上死點停止，待傳送結(jié)束后沖床重新啟動，進行下一周期沖壓。這種非連續(xù)式?jīng)_壓方式嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性同樣限制了工件的高速輸送。受某汽車公司委托，筆者研制一種高速連續(xù)沖壓線物流輸送系統(tǒng)，以實現(xiàn)該公司40沖/min的節(jié)拍要求。

1 高速連續(xù)沖壓原理

沖床沖壓運動方式可用曲柄滑塊機構(gòu)表示，即由曲柄的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動滑塊上下運動。為簡化分析，假設(shè)沖床滑塊連續(xù)運動方程為標(biāo)準(zhǔn)三角函數(shù) （非標(biāo)準(zhǔn)三角函數(shù)同理），取滑塊上死點為初相位，下死點為坐標(biāo)原點，建立沖床滑塊連續(xù)運動方程：

式中：y為滑塊上升高度，mm；A為沖床行程，mm；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，rad；T 為沖壓周期，s；t為連續(xù)沖壓時間，s。

▲圖1 高速連續(xù)沖壓原理

▲圖2 系統(tǒng)總體布局

▲圖3 物流系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)

根據(jù)40沖/min的節(jié)拍要求，可得T為1.5 s；查所選某型號沖床手冊，得行程A為200 mm。

由式（1）繪出圖1所示高速連續(xù)沖壓原理圖，左圓表示曲柄運動軌跡（α表示可利用的沖壓角），右圖表示滑塊位置-轉(zhuǎn)角曲線。為實現(xiàn)沖床連續(xù)沖壓，引入“搶跑”的概念：即當(dāng)滑塊上升至一定高度后，機械手便進入模具內(nèi)搬運工件，當(dāng)滑塊再次下降至危險高度時，機械手完成工件搬運并完全退出。如圖1所示，P點為機械手進入點，Q點為機械手退出點，為確保絕對安全，當(dāng)機械手進入時，需保證上模具下底面高于機械手頂面，當(dāng)機械手退出時，需保證上模具下底面距離機械手頂面的距離大于沖床剎車距離。因此，MP、NQ的高度與模具、機械手的設(shè)計有關(guān)，優(yōu)化模具與機械手的設(shè)計，在沖壓周期不變的情況下，可增大有效輸送時間MN。

2 物流系統(tǒng)方案

物流系統(tǒng)由上料、輸送、下料三部分組成，其中輸送部分又分為機械手輸送和磁輪輸送。系統(tǒng)總體布局如圖2所示，共包括9臺沖床，每臺沖床之間通過磁輪輸送部件。

▲圖4 機械手運動周期

物流系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，將機械手集成安裝于沖床內(nèi)，有效節(jié)省了空間，整線美觀緊湊；沖床之間通過磁輪輸送部件，既保證了高速傳輸?shù)倪B續(xù)性，又允許沖床之間非同步運動，極大增加了系統(tǒng)的柔性。根據(jù)沖壓工件的形狀與工藝特點，本系統(tǒng)采用2D機械手實現(xiàn)工件的輸送，前后運動通過伺服電機-聯(lián)軸器-滾珠絲杠驅(qū)動，左右運動通過伺服電機-減速器-齒輪齒條驅(qū)動。前后運動實現(xiàn)機械手進出模具，左右運動實現(xiàn)將工件從一個工位通過橋架平移至下一工位，其合成運動如圖4所示。本設(shè)計中，左右運動軸上設(shè)有兩個撥料爪，前一撥料爪將模具內(nèi)的工件撥出模具進入下一工位，后一撥料爪同時將上一工位等待的料片撥入。與常用的空間運動方式相比，2D機械手的平面運動方式節(jié)省了多個動作，輸送效率極大提高。

3 運動分析計算

由于沖床處于高速連續(xù)運動，機械手必須在沖床滑塊上升至安全高度及再次下降到危險高度期間完成工件的輸送，否則輸送失敗。更嚴(yán)重的是，如果機械手不能及時退出，模具直接沖壓在機械手上，將造成嚴(yán)重的安全事故。因此，對機械手進行精確的運動分析十分必要。

由圖3所示的結(jié)構(gòu)圖可知，2D機械手一個周期的運動可分為前進、撥料、后退、復(fù)位4個動作，如圖4所示。S與T分別表示每段運動的距離與時間，其中S1為前后運動距離，與上模具寬度有關(guān)，本研究區(qū)間為80～100 mm。S2為左右運動距離，與工件長度有關(guān)，本研究取650 mm。T1至T4為一個周期總時間，根據(jù)本研究40沖/min的節(jié)拍要求，周期T為1.5 s，所以T1至T4總時間為1.5 s。因為T4為模具外的運動，由圖1可知，NE段機械手必須位于模具外，此段時間正好用于機械手的復(fù)位，MN段機械手完成前進、撥料和后退動作。綜合考慮前后、左右運動距離及負(fù)載，初步取T1、T3最大值為 0.25 s，T2、T4最大值為 0.5 s。

完成機械手運動分析后，需要對其運動時間及載荷進行精確的計算，這與電機、減速器等標(biāo)準(zhǔn)件的選型有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)件的選型是一個復(fù)雜的過程，需要考慮眾多的因素，需反復(fù)校核，具體過程可查閱相關(guān)文獻，不再贅述。需要說明的是，由于本系統(tǒng)為高速運動系統(tǒng)，對響應(yīng)特性要求極高，時間需精確至毫秒級，因此，在一般系統(tǒng)中不作考慮的電機啟動與制動時間，將是決定本系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

系統(tǒng)響應(yīng)特性可用電機角加速度表示。設(shè)：電機額定角加速度為 α額，rad/s2； 實際角加速度為 α實，rad/s2；額定轉(zhuǎn)矩為 T額，N·m；瞬時最大轉(zhuǎn)矩為 Tmax，N·m；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為 J電機，kg·mm2；負(fù)載折算至電機軸的等效轉(zhuǎn)動慣量為J負(fù)載，kg·mm2。則，當(dāng)電機以額定轉(zhuǎn)矩啟動時：

當(dāng)電機以瞬時最大轉(zhuǎn)矩啟動時：

由式（4）、式（6）可知，電機實際啟動角加速度 α實與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J電機及負(fù)載折算至電機軸的等效轉(zhuǎn)動慣量J負(fù)載有關(guān)，通常，在高速系統(tǒng)中，要求負(fù)載慣量小于或等于電機轉(zhuǎn)子慣量。本系統(tǒng)中，機械手兩軸均為直線運動，其負(fù)載慣量為：

式中：JL為負(fù)載慣量，kg·mm2；m 為所有被驅(qū)動的直線運動部件的質(zhì)量總和，kg；i為減速比；A為主動件轉(zhuǎn)一圈負(fù)載的行程，mm；對滾珠絲杠驅(qū)動軸而言，A為絲杠導(dǎo)程；對齒輪齒條驅(qū)動軸而言，A為主動齒輪轉(zhuǎn)動一圈齒條移動的距離。

4 結(jié)論

鑒于傳統(tǒng)斷續(xù)沖壓生產(chǎn)中存在物流輸送時間長、能量消耗高的問題，本文創(chuàng)造性地提出了高速連續(xù)沖壓的概念，從理論上證明了高速連續(xù)沖壓的可行性，并成功研制了高速連續(xù)沖壓線物流輸送系統(tǒng)，節(jié)拍達到40沖/min，效率較傳統(tǒng)斷續(xù)沖壓方式提高2～3倍，且沖床高速連續(xù)運轉(zhuǎn)，無需頻繁制動與啟動，能量消耗低，既解決了實際生產(chǎn)中的效率問題，同時，通過對高速沖壓線物流系統(tǒng)的研究，也為我國高速自動化沖壓技術(shù)的發(fā)展提供了一定的理論和技術(shù)參考。

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［5］ 林正英.虛擬沖壓線系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2008.

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［8］ 王明.工業(yè)機器人在沖壓自動線中的應(yīng)用［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.