一種厚料液壓精沖自動(dòng)上下料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

潘小華，蘆 俊，陳 侖，談淵智，張 欣

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214153；2.無錫微研精密沖壓件股份有限公司，江蘇無錫 214072）

0 引言

現(xiàn)代沖壓技術(shù)的迅速發(fā)展使得其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，采用厚板沖壓技術(shù)制造各種機(jī)電與家電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)零件，不僅能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗，而且能減輕產(chǎn)品重量，提高零件壽命，降低生產(chǎn)成本。在批量生產(chǎn)汽車、拖拉機(jī)、摩托車、農(nóng)機(jī)、工程與建筑機(jī)械、儀器儀表、各種家電以及五金件等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，厚度在4～20 mm 之間的平板零件和立體形零件可采用厚板沖壓工藝制造，取代鑄、鍛、粉冶及切削加工，不僅能獲取極好的經(jīng)濟(jì)效益，而且還將獲得包括節(jié)能、環(huán)保等在內(nèi)的顯著的綜合社會(huì)效益。因此，厚板沖壓技術(shù)作為現(xiàn)代沖壓技術(shù)的主要發(fā)展方向與新興領(lǐng)域越來越引人注目[1-3]。

針對(duì)目前精沖行業(yè)中普遍由人工執(zhí)行毛坯厚板上下料的現(xiàn)狀，與某精密件沖壓公司合作，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于仿人手機(jī)器人進(jìn)料的厚料精沖自動(dòng)化上下料生產(chǎn)線。

1 總體方案設(shè)計(jì)及工作流程

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的精沖生產(chǎn)狀況如圖1 所示，主要是由人工將板材毛坯逐步送入液壓機(jī)模具中，依次沖壓出成品件，并自動(dòng)排出廢料。

圖1 液壓機(jī)厚料沖壓

在現(xiàn)有沖壓方式基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了仿人手進(jìn)料的厚料精沖自動(dòng)化上下料生產(chǎn)線，主要由仿人手上料裝置、仿人手下料裝置、拆垛裝置、對(duì)中裝置、涂油裝置、液壓機(jī)、廢料排除裝置、成品排出裝置以及廢板收集裝置等組成。整機(jī)工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整機(jī)工作結(jié)構(gòu)

1.2 工作流程

仿人手上料裝置抓取拆垛裝置中的一片厚料板件并將其置于對(duì)中裝置中，對(duì)中裝置完成厚料板件的對(duì)中。仿人手上料裝置抓取對(duì)中裝置中已對(duì)中的一片厚料板件，以設(shè)定的步距向前推送厚料板件，進(jìn)入液壓機(jī)，涂油裝置對(duì)厚料板件進(jìn)行涂油潤滑。潤滑后的厚料板件進(jìn)入液壓機(jī)的上、下模具之間進(jìn)行沖壓。經(jīng)沖壓過的廢板由仿人手下料裝置移送至廢板收集裝置，沖壓產(chǎn)生的廢料由廢料排除裝置從液壓機(jī)中排除并收集在廢料排除裝置的廢料盒中，沖壓得到的成品由成品排出裝置從液壓機(jī)中排出并收集在成品排出裝置的成品盒中。

1.3 生產(chǎn)流程

圖3所示為整個(gè)厚料沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)的生產(chǎn)流程。

圖3 厚料沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)流程

2 各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作流程

2.1 仿人手上料、下料裝置

仿人手上料裝置與仿人手下料裝置結(jié)構(gòu)相同，主要由配置了六維力傳感器的端拾器、工業(yè)機(jī)器人以及雙料檢測裝置等組成。該仿人手上料、下料裝置能夠模仿人手的動(dòng)作，具備自動(dòng)上下料、雙料檢測、自動(dòng)進(jìn)給以及板料在沖壓過程中工業(yè)機(jī)器人末端的端拾器跟隨模具同步上下移動(dòng)等功能。

仿人手上料裝置與仿人手下料裝置對(duì)稱布置于液壓機(jī)的兩側(cè)。圖4所示為仿人手上料、下料裝置結(jié)構(gòu)。

圖4 仿人手上料、下料裝置結(jié)構(gòu)

2.1.1 端拾器

端拾器是機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用于抓取板件[4]，完成相關(guān)動(dòng)作。由于所抓取的板件為厚料件，負(fù)載較重，故采用吸附力更強(qiáng)、更穩(wěn)定的電磁吸盤來抓取板料。電磁吸盤布置在采用高強(qiáng)度合金制成的支架上，采用2個(gè)電磁吸盤，對(duì)稱布置在高強(qiáng)度合金支架上，在高強(qiáng)度合金支架兩側(cè)安裝有可翻轉(zhuǎn)的板料夾持機(jī)構(gòu)。在端拾器與工業(yè)機(jī)器人末端之間安裝有六維力傳感器，通過檢測負(fù)載大小判斷板件是否吸附到位，此外每完成一次工件沖壓，機(jī)器人端拾器夾持板料向液壓機(jī)方向進(jìn)料一個(gè)步距，從而達(dá)到模仿人工沖壓板料生產(chǎn)動(dòng)作工藝的目的。

2.1.2 工業(yè)機(jī)器人選型

在該自動(dòng)化上下料沖壓生產(chǎn)線中，工業(yè)機(jī)器人主要完成板料的拆垛、液壓機(jī)的自動(dòng)上下料、板件傳送翻轉(zhuǎn)等工作，機(jī)器人通過控制系統(tǒng)保持與液壓機(jī)的隨動(dòng)、連鎖及其他協(xié)調(diào)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、氣動(dòng)系統(tǒng)等的監(jiān)視及安全保護(hù)[5]。

該量產(chǎn)板料的規(guī)格：厚度為8.5 mm，長度為1 500 mm，寬度為150 mm，質(zhì)量為30 kg。據(jù)此沖壓板料的重量和尺寸規(guī)格，選用FANUC型號(hào)為：M-710iC/50 的6 自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，其可承受50 kg 負(fù)載、工作半徑達(dá)2 m，適用于較重工件及夾具的搬運(yùn)應(yīng)用。

2.1.3 雙料檢測裝置

為了防止機(jī)器人抓取雙料，在機(jī)器人端拾器上設(shè)計(jì)安裝了雙料檢測裝置進(jìn)行雙料檢測。該雙料檢測裝置主要由連接部分、傳感器、彈簧及電磁吸盤部分組成。機(jī)器人抓取工件后，在彈簧的調(diào)節(jié)作用下，電磁吸盤將板料緊緊吸附，確保傳感器垂直且貼緊板料。傳感器采用超聲波傳感器[6]，通過超聲波檢測抓取板料的厚度，與預(yù)先設(shè)置的板料厚度相比，檢測是否為雙料，并將判斷結(jié)果送入機(jī)器人控制器。

2.2 拆垛裝置

拆垛裝置包括拆垛小車地軌、可移動(dòng)的拆垛小車、用于檢測拆垛小車厚料板件存量的首板檢測傳感器及用于磁力分離厚料板件的磁力分張器。拆垛小車地軌安裝在液壓裝置的前側(cè)，磁力分張器設(shè)于拆垛小車地軌的兩側(cè)，拆垛小車可沿拆垛小車地軌移動(dòng)，拆垛小車上設(shè)有為其提供動(dòng)力的拆垛小車電機(jī)，首板檢測傳感器設(shè)于拆垛小車的車身上。

為確保能連續(xù)生產(chǎn)，設(shè)計(jì)采用2 臺(tái)獨(dú)立的拆垛裝置，左右對(duì)稱布置于仿人手上料裝置的兩側(cè)，交替使用。圖5所示為拆垛裝置結(jié)構(gòu)。

圖5 拆垛裝置結(jié)構(gòu)

2.3 對(duì)中裝置

通常在進(jìn)行板料沖壓生產(chǎn)時(shí)，板料放入模具內(nèi)的位置精度須達(dá)到±2 mm，而板料料垛的堆垛精度只能達(dá)到±5 mm。為了保證仿人手上料裝置在抓、放板料時(shí)的速度與精確度，并能夠?qū)辶蠝?zhǔn)確地放置于液壓機(jī)模具中，并保證一定的定位精度，設(shè)計(jì)了一套重力對(duì)中裝置對(duì)板料進(jìn)行對(duì)中定位。該對(duì)中裝置包括一對(duì)中臺(tái)主體，對(duì)中臺(tái)主體設(shè)有與厚料板件相適配的矩形臺(tái)面，矩形臺(tái)面用于承接依靠自身重力下落的厚料板件；矩形臺(tái)面向其自身的一個(gè)角傾斜，矩形臺(tái)面的最低角上設(shè)有可以阻擋厚料板件下落時(shí)產(chǎn)生偏移的阻擋部；矩形臺(tái)面的上表面裝有若干滾珠，方便厚料板件在滾珠上滑動(dòng)落下[7-8]。重力對(duì)中裝置有若干個(gè)區(qū)域可以通過移動(dòng)式插銷調(diào)整，使對(duì)中裝置可以適應(yīng)不同的板料尺寸。

2.4 自動(dòng)涂油裝置

在金屬板料沖壓加工過程中，模具與板料之間處于有一定壓力存在的接觸狀態(tài)，高溫接觸區(qū)域極易在加工的過程中產(chǎn)生，因此為了使接觸區(qū)溫度降低、提高沖壓產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)產(chǎn)品的防銹性能，需要在沖壓的過程中使用潤滑油將板料充分潤滑[9]。

該涂油裝置包括支撐板、涂油噴嘴、噴嘴支架、涂油輥筒、油盒及油泵。支撐板水平設(shè)于液壓裝置的進(jìn)料端且沿進(jìn)料端向液壓裝置的前側(cè)延伸，涂油噴嘴安裝在支撐板上且位于支撐板的上方，涂油噴嘴的噴嘴口朝向支撐板，涂油噴嘴與支撐板之間設(shè)有供厚料板件通過的間隙，支撐板的底部橫設(shè)有油盒，油盒中設(shè)有涂油滾筒，涂油滾筒的至少部分滾筒表面露出支撐板的上表面，油泵的進(jìn)口與油盒連通，油泵的出口通過管道與涂油噴嘴連通。圖6所示為涂油裝置結(jié)構(gòu)。

圖6 涂油裝置結(jié)構(gòu)

2.5 液壓機(jī)

液壓機(jī)設(shè)有上模座及下模座，上模座設(shè)有上模，下模座設(shè)有下模，上模與下模在合模時(shí)能夠完成厚料板件的沖裁，上模與下模在分離時(shí)上下模之間產(chǎn)生可使厚料板件通過的間距。液壓機(jī)設(shè)有用于觸發(fā)沖裁信號(hào)的液壓傳感器及用于觸發(fā)涂油信號(hào)的涂油傳感器。圖7所示為液壓裝置沖壓結(jié)構(gòu)。

圖7 液壓裝置結(jié)構(gòu)

2.6 廢料排除裝置

每當(dāng)板料完成一次沖壓后，就會(huì)在下模板的表面留下沖壓后的廢料，若不及時(shí)取出或取得不干凈，則在進(jìn)行下次沖壓時(shí)就會(huì)對(duì)模具造成損壞，故設(shè)計(jì)一套廢料排除裝置，及時(shí)將廢料排除干凈。

該廢料排除裝置主要由排廢料支架、廢料取放裝置、廢料稱重裝置及廢料收集裝置組成。

排廢料支架設(shè)于液壓裝置的一側(cè)且靠近液壓裝置；廢料取放裝置主要由排廢料氣缸及與排廢料氣缸的活塞桿相連的廢料拾取爪組成，廢料拾取爪可隨排廢料氣缸活塞桿的伸縮做直線運(yùn)動(dòng)從而拾取液壓裝置沖壓產(chǎn)生的廢料并將拾取的廢料排至廢料稱重裝置；廢料稱重裝置主要由廢料入盒氣缸、廢料稱重平臺(tái)及廢料稱重傳感器組成；廢料稱重平臺(tái)與廢料入盒氣缸的活塞桿相連且可隨廢料入盒氣缸活塞桿的伸縮做直線運(yùn)動(dòng)，廢料稱重平臺(tái)能夠接收排廢料裝置拾取落下的廢料；廢料稱重傳感器設(shè)于廢料稱重平臺(tái)上，用于檢測落入廢料稱重平臺(tái)上的廢料的重量；廢料收集裝置包括廢料擋板及廢料收集盒；廢料擋板垂直設(shè)于廢料稱重平臺(tái)的上方，其下端與廢料稱重平臺(tái)的上表面間隙不大于廢料最小厚度，廢料收集盒位于廢料稱重平臺(tái)的下方用于接收由廢料擋板擋落的廢料稱重平臺(tái)上的廢料。圖8所示為廢料排除裝置結(jié)構(gòu)。

圖8 廢料排除裝置結(jié)構(gòu)圖

2.7 成品取放裝置

每當(dāng)板料完成一次沖壓后，會(huì)在模具的上模板表面留下沖壓后的成品，需要及時(shí)取出。

該成品排出裝置主要由排成品支架、成品取放裝置、成品檢測裝置及成品收集裝置組成。

排成品支架設(shè)于液壓裝置的另一側(cè)且靠近液壓裝置；成品取放裝置主要由取成品氣缸及與取成品氣缸的活塞桿相連的成品拾取框組成，成品拾取框可隨取成品氣缸活塞桿的伸縮做直線運(yùn)動(dòng)從而拾取液壓裝置沖壓得到的成品并將拾取的成品排落至成品檢測裝置；成品檢測裝置主要由成品檢測框架及設(shè)于成品檢測框架上的成品檢測傳感器組成；成品檢測框架設(shè)于成品拾取框的下方能使成品拾取框中掉落的成品從其框架內(nèi)通過，成品檢測傳感器用于檢測通過成品檢測框架中的成品。圖9所示為成品取放裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖9 成品取放裝置結(jié)構(gòu)圖

2.8 廢板收集裝置

廢板收集裝置，主要用來收集完成沖壓后的廢料板件，該套裝置對(duì)稱布置于仿人手下料裝置的兩側(cè)。

該廢板收集裝置主要由堆垛小車地軌、可移動(dòng)的堆垛小車、用于檢測堆垛小車上料板存量的首板檢測傳感器組成；堆垛小車地軌安裝在液壓裝置的后側(cè)，堆垛小車可沿堆垛小車地軌移動(dòng)，首板檢測傳感器設(shè)于堆垛小車的車身上，堆垛小車上設(shè)有為其提供動(dòng)力的堆垛小車電機(jī)。圖10所示為廢板收集裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖10 廢板收集裝置結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

該生產(chǎn)線原理簡單、設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)清晰、操作方便、安全可靠，可適應(yīng)8～12 mm厚板料的沖壓生產(chǎn)，生產(chǎn)線基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。在減少工人的前提下，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度與生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于本生產(chǎn)線采用了工業(yè)機(jī)器人，故柔性化程度高，打破了傳統(tǒng)沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)品單一、更換產(chǎn)線周期長、成本高的壁壘。本生產(chǎn)線只需更換一套端拾器就可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品線的更換，具備更高的靈活性和柔性，為企業(yè)節(jié)省大量時(shí)間和成本。