全自動小型沖壓工作站的設(shè)計與開發(fā)

吳軍　宋曉華

【摘 要】根據(jù)全自動小型沖壓設(shè)備功能需求，設(shè)計了一套符合產(chǎn)品加工需求的智能沖壓裝置。其主要硬件機(jī)構(gòu)為機(jī)器人送料機(jī)構(gòu)、上下料機(jī)構(gòu)、換模機(jī)構(gòu)、沖壓機(jī)構(gòu)等；軟件設(shè)計為：控制系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)/人機(jī)交互系統(tǒng)。該裝置的研制與開發(fā)將提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和精度，并極大降低操作人員的勞動強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】全自動；沖壓；PLC；人機(jī)交互

0 引言

隨著當(dāng)今社會的進(jìn)步與發(fā)展，我國已步入經(jīng)濟(jì)及工業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵期，其中工業(yè)4.0和先進(jìn)裝備智能制造已確立為國家的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。沖壓制造是我國的傳統(tǒng)制造行業(yè)，對該行業(yè)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行智能制造升級已成為該領(lǐng)域較為迫切的目標(biāo)和任務(wù)。

本文主要設(shè)計了一款能自動檢測物料，并通過坐標(biāo)式機(jī)械手實現(xiàn)了自動上料、沖壓、下料于一體的小型自動沖壓工作站，提升了物料加工精度和效率，降低了工作人員的勞動強(qiáng)度。

1 總體設(shè)計方案

本工作站總體功能為：（1）倉儲物料檢測；（2）自動上下料；（3）機(jī)器人送料及加工定位；（4）自動沖壓；（5）自動快速換模（6）在線運行監(jiān)控及故障檢測。其主要硬件機(jī)構(gòu)為機(jī)器人送料機(jī)構(gòu)、上下料機(jī)構(gòu)、換模機(jī)構(gòu)、沖壓機(jī)構(gòu)等；軟件設(shè)計為：控制系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)/人機(jī)交互系統(tǒng)。其主要設(shè)計技術(shù)路線如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 送料機(jī)構(gòu)

坐標(biāo)式機(jī)械手送料機(jī)構(gòu)承擔(dān)著取料、送料、加工定位的功能。一般采取坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。機(jī)器人送料機(jī)構(gòu)的動力源為伺服電機(jī)，其運動軌跡均依靠控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)送指令來實現(xiàn)。機(jī)器人送料機(jī)構(gòu)的夾持物料機(jī)構(gòu)則由緊湊型氣缸和夾手板組成，夾持機(jī)構(gòu)固定在Y軸前端，隨十字滑臺X＼Y＼Z軸向移動。

2.2 上、下料機(jī)構(gòu)

本裝置設(shè)計的上、下料機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)鈑金件加工前的自動上料，加工完成后的自動下料功能，并自帶下料倉儲。上、下料機(jī)構(gòu)通過其上方的光電傳感器檢測料倉是否有料，如有料則驅(qū)動變頻器工作，通過交流電機(jī)將機(jī)構(gòu)整體移向工件，并利用負(fù)壓裝置（見圖3）將鈑金件吸附在上、下料機(jī)構(gòu)。工件加工完成后，該機(jī)構(gòu)可自動定位至下料位置，將物料放置落料倉儲單元中。

2.3 換模裝置

快速換模有三種方式可以實現(xiàn)。第一種是直線模架庫，這種模架庫的特點是占用體積小，但是可換模數(shù)量較少。第二種是轉(zhuǎn)塔模架庫，這種模架庫占用體積較大，可換模數(shù)量多。第三種是多模架沖壓頭，這種成本高，工藝和實現(xiàn)難度大。考慮到本產(chǎn)品的特點和后期制造成本，本裝置將采用轉(zhuǎn)塔式模架庫或直線模架庫。

2.4 沖壓機(jī)構(gòu)

沖壓機(jī)構(gòu)可分為電動沖壓和氣動沖壓兩種。電動沖壓一般與曲柄滑桿機(jī)構(gòu)配合使用，氣動沖壓一般采用液壓缸沖壓。考慮本工件的強(qiáng)度和加工要求，本裝置擬采用氣液增壓缸作為沖壓機(jī)構(gòu)的動力源，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍要求，通過PLC控制系統(tǒng)向沖壓機(jī)構(gòu)發(fā)送相關(guān)電信號用以實現(xiàn)沖壓工序。如圖5所示為沖壓機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件：氣液增壓缸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制裝置采用西門子S1200可編程控制器。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，本系統(tǒng)將會利用西門子博圖V13軟件進(jìn)行相關(guān)硬件的組態(tài)設(shè)計。將各個模塊組態(tài)，完成系統(tǒng)集成設(shè)置。具體見圖6。

同時，針對本工作站設(shè)計人機(jī)交互功能，通過觸摸系統(tǒng)實現(xiàn)操作人員與設(shè)備的交互。觸摸系統(tǒng)實時顯示設(shè)備的整體操作界面，并針對各個模塊可實現(xiàn)實時報警功能。人機(jī)交互系統(tǒng)軟件系統(tǒng)將采用EasyBulider Pro完成。本工作站的人機(jī)交互界面如圖7所示。

4 結(jié)論

根據(jù)設(shè)備的功能需求，本沖壓工作站設(shè)計了（1）坐標(biāo)式送料機(jī)構(gòu)（2）上、下料機(jī)構(gòu)（3）換模裝置（4）沖壓機(jī)構(gòu)。本工作站采用西門子S1200可編程自動控制器進(jìn)行控制，并利用博圖V13和EasyBulider Pro等相關(guān)軟件設(shè)計了本工作站的控制系統(tǒng)和人機(jī)交互/在線監(jiān)測系統(tǒng)。

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