自動沖壓上下料機器人及專用抓取機構設計

袁秀坤

四川工程職業技術學院交通工程系，四川 德陽 618000

工業機器人是現代制造業追求高效率、高質量、高安全性及減輕工人勞動強度等的重要產物，主要包含多空間多自由度、直角坐標及平面關節型機器人，是集眾多前沿科學技術于一體的自動化設備之一[1-4]。由于工業機器人在從事簡單重復、危險系數較高的工作中具有獨特的優勢，在諸如汽車、電子、食品、化工等行業中得到了普遍應用[5-6]。傳統沖壓生產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，使得沖壓生產線加工效率及品質較低，工人勞動強度大，且存在特別大的安全隱患，無法滿足現代化生產的需要，故采用先進的、自動化程度高、安全系數高且可靠性高的現代沖壓生產線已成為發展必然[7]。工業機器人沖壓生產線由于具有柔性大、加工效率高、零件品質好等優點，是實現高效、高速、高質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線的核心，是多套沖壓加工工序能連續沖壓的根本保障。目前，大中型沖壓設備的生產節奏在10～30次/min內，要求定位精度在±0.5mm。文章針對重慶某企業沖壓生產線自動化改造，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 自動化沖壓生產線方案設計

傳統沖壓生產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，已不適應現代自動化、智能化發展需要。全自動沖壓生產線由于具有高效、高質、高可靠性及高自動化程度而被越來越多的企業所青睞，也是“中國制造2025”打造全面智能化生產的必然選擇[9]。重慶某企業沖壓生產線模型如圖1所示，由圖示生產線可知，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，如此循環直至完成整個零件的沖壓成型加工。此生產線屬于傳統生產線，需進行改造升級，滿足高柔性、高效率、高可靠性生產需要。

圖1 傳統沖壓生產線

文章以5600T沖壓機床生產線為例，在分析現有設備、場地、產品等的基礎上，設計了如圖2、圖3所示的全自動生產工藝方案。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，工件由機床側面進，后方出，即3臺機床按 “L”型排列，每臺沖壓機床側方及后方各設置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。考慮到車間場地和設備集中管理等因素，最終確定工件側進直出的工藝方案，機床按如圖4所示的“L”型排列進行安裝。

圖2 工件側進側出方案

圖3 工件側進直出方案

圖4 沖壓加工工藝方案

2 上下料機器人結構設計

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、執行機構、抓取機構、控制系統等組成。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從初始位置運動至沖壓機床模具內，再將工件緩慢下降一小段距離，夾緊工件，抓取機構上升并移出模具，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從初始位置運動至沖壓機床模具內，抓取機構下降一小段距離，將工件放置好并松開，抓取機構上升并移出模具，沖壓機床檢測到出模信號，完成工件的沖壓。

2.2 上下料機器人結構設計

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構。

圖5 上下料機器人結構

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行機構及工件上下料，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，上料機器人驅動執行機構將抓取機構由初始位置移動至上料小車上方，通過吸盤或夾持機構抓取工件，然后通過執行機構將工件運送至模具內，機器人執行機構整體下移，松開工件，抓取機構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，完成工件的沖壓加工。

3 專用抓取機構設計

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，如圖6、圖7所示。由圖6可知，由于薄壁板材質量較輕，故采用氣壓吸盤式抓取機構對物料進行上下料；當工件較厚，板材質量較重時，采用圖7的抓取機構，利用此機構抓取工件時，利用伺服電機驅動滾珠絲杠機構，帶動滑臺左右移動調節抓手之間的距離，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，對工件進行松開與夾緊。

圖6 氣壓吸盤式抓取機構

圖7 連桿式抓取機構

4 結束語

文章通過分析傳統沖壓生產線工藝的不足，引出了自動化沖壓生產線的優勢，對某企業5600T沖壓生產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”側進直出的工藝方案；在確定生產線工藝方案的基礎上，對上下料機器人的結構、工作流程和工作原理等做了詳細設計與闡述，實現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做了詳細設計。文章設計的上下料機器人符合現代制造業對高效率、高質量、高安全度的生產需要，有進一步推廣的價值。