自動沖壓上下料機器人及專用抓取機構(gòu)設計

袁秀坤

四川工程職業(yè)技術(shù)學院交通工程系，四川 德陽 618000

工業(yè)機器人是現(xiàn)代制造業(yè)追求高效率、高質(zhì)量、高安全性及減輕工人勞動強度等的重要產(chǎn)物，主要包含多空間多自由度、直角坐標及平面關節(jié)型機器人，是集眾多前沿科學技術(shù)于一體的自動化設備之一[1-4]。由于工業(yè)機器人在從事簡單重復、危險系數(shù)較高的工作中具有獨特的優(yōu)勢，在諸如汽車、電子、食品、化工等行業(yè)中得到了普遍應用[5-6]。傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線由于前期投入小而被廣泛采用，但是由于其采用的是手動操作及人工上下料，使得沖壓生產(chǎn)線加工效率及品質(zhì)較低，工人勞動強度大，且存在特別大的安全隱患，無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，故采用先進的、自動化程度高、安全系數(shù)高且可靠性高的現(xiàn)代沖壓生產(chǎn)線已成為發(fā)展必然[7]。工業(yè)機器人沖壓生產(chǎn)線由于具有柔性大、加工效率高、零件品質(zhì)好等優(yōu)點，是實現(xiàn)高效、高速、高質(zhì)量沖壓制造的解決方案之一[8]。自動化送料設備是自動化沖壓生產(chǎn)線的核心，是多套沖壓加工工序能連續(xù)沖壓的根本保障。目前，大中型沖壓設備的生產(chǎn)節(jié)奏在10～30次/min內(nèi)，要求定位精度在±0.5mm。文章針對重慶某企業(yè)沖壓生產(chǎn)線自動化改造，對上下料工藝及裝備做了詳細設計與闡述，為相關設計提供參考。

1 自動化沖壓生產(chǎn)線方案設計

傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線幾乎都采用人工操作及人工上下料，存在效率低、安全隱患大、勞動強度大等缺點，已不適應現(xiàn)代自動化、智能化發(fā)展需要。全自動沖壓生產(chǎn)線由于具有高效、高質(zhì)、高可靠性及高自動化程度而被越來越多的企業(yè)所青睞，也是“中國制造2025”打造全面智能化生產(chǎn)的必然選擇[9]。重慶某企業(yè)沖壓生產(chǎn)線模型如圖1所示，由圖示生產(chǎn)線可知，板料的上料需要依靠人工加相應的吊裝裝備完成，在沖床2完成沖壓工序后，同樣需要人工輔助吊裝裝備下料并將其運送至下一個沖壓機床，如此循環(huán)直至完成整個零件的沖壓成型加工。此生產(chǎn)線屬于傳統(tǒng)生產(chǎn)線，需進行改造升級，滿足高柔性、高效率、高可靠性生產(chǎn)需要。

圖1 傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線

文章以5600T沖壓機床生產(chǎn)線為例，在分析現(xiàn)有設備、場地、產(chǎn)品等的基礎上，設計了如圖2、圖3所示的全自動生產(chǎn)工藝方案。由圖2方案可知，將設備按橫排排列安裝，工件由機床兩側(cè)面進出，文章涉及加工的工件共有三道沖壓工序，即需橫排安裝3臺沖壓機床，每臺沖壓機床側(cè)方各設置1臺機器人，用于工件的上下料，工件由上下料小車進行貨物搬運及移位；由圖3方案可知，工件由機床側(cè)面進，后方出，即3臺機床按 “L”型排列，每臺沖壓機床側(cè)方及后方各設置1臺機器人，用于工件的上下料，工件由上下料小車進行貨物搬運及移位?？紤]到車間場地和設備集中管理等因素，最終確定工件側(cè)進直出的工藝方案，機床按如圖4所示的“L”型排列進行安裝。

圖2 工件側(cè)進側(cè)出方案

圖3 工件側(cè)進直出方案

圖4 沖壓加工工藝方案

2 上下料機器人結(jié)構(gòu)設計

2.1 上下料機器人組成及工作流程

上下料機器人主要由本體、執(zhí)行機構(gòu)、抓取機構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成。上下料機器人的工作流程為入模、取/放料、出模。下料時，模具開模信號傳感器檢測到信號，使下料機器人抓取機構(gòu)從初始位置運動至沖壓機床模具內(nèi)，再將工件緩慢下降一小段距離，夾緊工件，抓取機構(gòu)上升并移出模具，沖壓機床檢測到出模信號，同時等待新的工件入模對其進行沖壓；上料時，模具開模信號傳感器檢測到信號，使上料機器人抓取機構(gòu)從初始位置運動至沖壓機床模具內(nèi)，抓取機構(gòu)下降一小段距離，將工件放置好并松開，抓取機構(gòu)上升并移出模具，沖壓機床檢測到出模信號，完成工件的沖壓。

2.2 上下料機器人結(jié)構(gòu)設計

由前述確定的沖壓工藝方案，在綜合考慮上下料便捷和工作空間、行程等因素的基礎上，設計了如圖5所示的上下料機器人結(jié)構(gòu)。

圖5 上下料機器人結(jié)構(gòu)

上下料機器人由于在X軸方向上有較大行程要求，故設置了兩根直線軸，即X1軸與X2軸；由于上下料時需要將工件進行上下移動以滿足放/取料及避開干涉，故設置了一根垂向直線軸，即Z軸。Z軸方向要帶著機器人執(zhí)行機構(gòu)及工件上下料，需要較大的垂向力，故采用減速機加齒輪齒條的傳動方式；X軸方向所需水平力較小，故采用電機加小傳動比直角減速機驅(qū)動滾珠絲杠螺母副的傳動方式；X軸及Z軸均采用直線導軌滑塊進行導向。

上下料機器人具體工作過程如下：沖壓機床開模，上料機器人驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)將抓取機構(gòu)由初始位置移動至上料小車上方，通過吸盤或夾持機構(gòu)抓取工件，然后通過執(zhí)行機構(gòu)將工件運送至模具內(nèi)，機器人執(zhí)行機構(gòu)整體下移，松開工件，抓取機構(gòu)退出模具至初始位置，沖壓機床完成工件的加工。完成加工后，下料機器人將加工后的工件取出模具，如此循環(huán)，完成工件的沖壓加工。

3 專用抓取機構(gòu)設計

在沖壓加工時，會遇到不同材料、不同尺寸、不同重量的工件，即上下料機器人需要運送不同的工件，針對不同尺寸及重量的工件，文章設計了兩種可互換的物料抓取機構(gòu)，如圖6、圖7所示。由圖6可知，由于薄壁板材質(zhì)量較輕，故采用氣壓吸盤式抓取機構(gòu)對物料進行上下料；當工件較厚，板材質(zhì)量較重時，采用圖7的抓取機構(gòu)，利用此機構(gòu)抓取工件時，利用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠機構(gòu)，帶動滑臺左右移動調(diào)節(jié)抓手之間的距離，以滿足不同尺寸工件需要，利用氣缸桿與物料鉤等組成的連桿機構(gòu)，對工件進行松開與夾緊。

圖6 氣壓吸盤式抓取機構(gòu)

圖7 連桿式抓取機構(gòu)

4 結(jié)束語

文章通過分析傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線工藝的不足，引出了自動化沖壓生產(chǎn)線的優(yōu)勢，對某企業(yè)5600T沖壓生產(chǎn)線的工藝方案做了設計，在考慮實際情況的基礎上確定了“L”側(cè)進直出的工藝方案；在確定生產(chǎn)線工藝方案的基礎上，對上下料機器人的結(jié)構(gòu)、工作流程和工作原理等做了詳細設計與闡述，實現(xiàn)了上下料工藝過程的自動化；針對不同材料、不同尺寸、不同重量的工件的上下料抓取機構(gòu)做了詳細設計。文章設計的上下料機器人符合現(xiàn)代制造業(yè)對高效率、高質(zhì)量、高安全度的生產(chǎn)需要，有進一步推廣的價值。