一種刮板式分張裝置在自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用

吉方靖，王 銳，孔 堯

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中，前工序通常是碼垛堆，所以金屬板材分張裝置必不可少。若上料過程中出現(xiàn)取雙料或多料的情況，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)線停止運(yùn)作。因此，穩(wěn)定可靠的分張裝置可有效提高分張成功率，提高產(chǎn)線生產(chǎn)效率。

1 研究背景

冷沖壓作業(yè)中板料的分離，特別是汽車沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線，多采用機(jī)械手對(duì)板材進(jìn)行分離。機(jī)械手抓料代替人工上料，板料被機(jī)械手吸盤吸起放入下一道工序。由于板料在運(yùn)輸和存放過程中容易氧化，因此板料在出廠前須涂防銹油。而涂有防銹油的板料在疊放時(shí)板料間會(huì)產(chǎn)生粘性及真空，不利于板料的分離，導(dǎo)致機(jī)械手的吸盤無法準(zhǔn)確吸取單片板料，造成自動(dòng)化生產(chǎn)線無法正常工作，降低工作效率，失去自動(dòng)化上下料生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)。因此在抓取板料時(shí)，需要分張裝置對(duì)板料進(jìn)行分張。目前的板料分張方式主要有磁力分張、氣動(dòng)分張、機(jī)械分張三種類型。

1.1 磁力分張與氣動(dòng)分張

磁力分張只適用于薄板或者面積小的磁性材料。它的工作原理是利用強(qiáng)力磁鐵的磁化作用，使得同一側(cè)的鋼板同極磁化。根據(jù)同性相斥的原理，板材之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，在排斥力的作用下板材之間會(huì)形成一定間隙，此時(shí)機(jī)械手吸盤就可以實(shí)現(xiàn)單張板料的抓取。

氣動(dòng)分張通常采用氣刀法。它的工作原理是壓縮空氣進(jìn)入風(fēng)刀高壓腔，氣流通過噴嘴后在氣刀長(zhǎng)度方向形成一張均衡的具有強(qiáng)沖擊力的氣流薄片，對(duì)著板材中間吹氣，將板材分離。此方法能源消耗較大，且分離效果不穩(wěn)定。

1.2 機(jī)械分張

機(jī)械分張是適用性最廣的分張方法，它不受材料磁性和板厚的限制，可適用于大多數(shù)板材的分張。其原理是利用齒形板對(duì)料垛進(jìn)行勾取，將料垛的最上層板料分離出來，再由機(jī)械手吸盤抓取走。

此分張方式更節(jié)能、耗氣量更低。在材料多樣化的生產(chǎn)環(huán)境中更具優(yōu)勢(shì)。

2 設(shè)備與應(yīng)用

2.1 活動(dòng)刮板式分張裝置

本公司基于機(jī)械分張?jiān)恚O(shè)計(jì)出一款操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、通用性強(qiáng)的機(jī)械式板料分張裝置。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，刮板式板料分張裝置由拉伸彈簧（6）、折彎支架（4）、連接墊板（3）、導(dǎo)向氣缸（2）、氣缸安裝支座（1）、刮板（8）、銷軸（7）、彈簧連接軸（5）、限位塊（9）、單向節(jié)流閥（10）、接近開關(guān)（11）以及其他連接緊固件組成。

圖1 刮板式板料分張裝置結(jié)構(gòu)圖

其中，導(dǎo)向氣缸（2）通過緊固件裝配在氣缸安裝支座（1）上，連接墊板（3）與導(dǎo)向氣缸（2）活塞桿連接板連接，折彎支架（4）固定在連接墊板（3）上，刮板（8）在銷軸（7）的連接配合下，與折彎支架（4）相連，兩個(gè)彈簧連接軸（5）通過螺栓緊固件分別固定在折彎支架和刮板上，拉伸彈簧兩端安裝在彈簧連接軸（5）上，整個(gè)板料分張裝置通過氣缸安裝支座（1）裝配在上料抓手上。

2.3 工作原理

此分張裝置配合吸盤機(jī)械手、扳邊裝置一起工作。首先，機(jī)械手吸盤吸附在板料上，并緩慢抬升少量高度；接著，分張裝置的導(dǎo)向氣缸開始工作，活塞桿作收縮運(yùn)動(dòng)，折彎支架與刮板隨著活塞桿運(yùn)行到堆垛板料側(cè)邊的上端位置；此時(shí)氣缸上的接近開關(guān)給出監(jiān)測(cè)信號(hào)，扳邊裝置開始對(duì)板料進(jìn)行扳邊的動(dòng)作；刮板在與板料進(jìn)行碰撞和接觸后，會(huì)在彈簧拉力和板料作用力的作用下自動(dòng)調(diào)整至與板料邊部接觸，且刮板與板料側(cè)邊作相互運(yùn)動(dòng)。因刮板前端接觸面是密集鋸齒面，板料側(cè)邊與鋸齒面相碰撞，可以破壞板料間的粘性，使之分開，完成板料分張工作。

如圖2 所示，此分張裝置具體工作過程為：吸盤機(jī)械手吸附板料上升一段高度后，導(dǎo)向氣缸2 左端單向節(jié)流閥10 進(jìn)氣控制導(dǎo)向氣缸2 活塞桿收縮運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)折彎支架4、刮板8 移動(dòng)至板料邊部上端，接近開關(guān)11 給出監(jiān)測(cè)信號(hào)，扳邊裝置對(duì)板料進(jìn)行扳邊，板料與刮板8 碰撞接觸后，刮板8 角度位置在拉伸彈簧6 拉力、板料對(duì)刮板8 作用力的作用下自動(dòng)調(diào)整，調(diào)整至板料邊部與刮板8 接觸后，此時(shí)刮板8角度位置基本固定，扳邊裝置繼續(xù)對(duì)板料進(jìn)行扳邊，此時(shí)板料邊部與刮板8 間接觸并存在相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，刮板8 與板料的接觸曲面設(shè)計(jì)為密集鋸齒面，板料邊部運(yùn)動(dòng)過鋸齒面后，板料邊部與鋸齒的連續(xù)碰撞振動(dòng)破壞板料間的粘性，下端板料在自身重力的作用下脫離上端板料，完成板料分張，導(dǎo)向氣缸2 右端單向節(jié)流閥10 進(jìn)氣，控制導(dǎo)向氣缸2 活塞桿伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)折彎支架4、刮板8 遠(yuǎn)離板料，板料分張工序完成。

圖2 板料分張裝置工作過程示意圖

2.4 相關(guān)計(jì)算分析

以下介紹本發(fā)明專利涉及的相關(guān)計(jì)算。

如圖3 所示為刮板8 受力示意圖，所受作用力有：拉伸彈簧6 的拉力RF，板料對(duì)其作用力RE，自身的重力RS，銷軸7 對(duì)其作用力RA。結(jié)合圖3，以點(diǎn)A為基準(zhǔn)創(chuàng)建xy 坐標(biāo)系，刮板8 的力學(xué)平衡方程可表示為

圖3 刮板的受力圖

式中：xF、xS、xE、yF、yS、yE為點(diǎn)F、S、E 在xy 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

式中：θF、θA、θE為各作用力矢量方向相對(duì)于x 軸正方向的角度。

拉伸彈簧6 的拉力大小RF及方向θF、板料對(duì)刮板8 的作用力方向 可通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析獲得，對(duì)圖2分張裝置示意圖的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的機(jī)構(gòu)示意圖如圖4 所示，刮板8 簡(jiǎn)化為繞固定點(diǎn)A 轉(zhuǎn)動(dòng)，刮板8 與板料接觸面為圓形結(jié)構(gòu)，其圓心為D，刮板8與拉伸彈簧支柱5 連接點(diǎn)為F，折彎?rùn)C(jī)構(gòu)4 與拉伸彈簧支柱連接點(diǎn)位B，點(diǎn)A 位于折彎支架4 上，其位置可隨彎支架4 左右、垂直方向移動(dòng)，點(diǎn)B、點(diǎn)F 是腰孔配合，可小范圍調(diào)動(dòng)，桿BF 為拉伸彈簧6，其長(zhǎng)度隨刮板8 角度位置變化，板料由機(jī)械手固定端為C，板料端部為E。

結(jié)合圖4，l1為板料邊部相對(duì)固定端距離，可小范圍隨機(jī)變動(dòng)變動(dòng)，l2為刮板8 端部圓心距中心轉(zhuǎn)軸的距離，其值固定不變，l3、l5為拉伸彈簧支柱5與銷軸7 間距離，裝配位置可小范圍變化，裝配完成后、值也將固定，為拉伸彈簧長(zhǎng)度，隨刮板8 角度位置變化。以點(diǎn)C 位基準(zhǔn)，創(chuàng)建 坐標(biāo)系，點(diǎn)E 的運(yùn)動(dòng)曲線與扳邊裝置有關(guān)，在此不再對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說明，將板料邊部E 的位置方程表示為式（3）所示。

圖4 簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型

定義xy 坐標(biāo)系與mn 坐標(biāo)系間的變換方程為T，T 與兩坐標(biāo)系間的相對(duì)位置有關(guān)，則板料邊部點(diǎn)E在xy坐標(biāo)系中的方程可表示為式（4）

點(diǎn)E 運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的斜率即為板料對(duì)刮板8 的作用力方向，兩坐標(biāo)系間不存在旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)E 的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線在xy 坐標(biāo)系中的斜率可表示為式（5）。

點(diǎn)E 對(duì)應(yīng)的角度函數(shù)可表示為式（6），并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行邊界條件約束。

板料邊部與刮板8 接觸過程中，刮板8 的角度位置可通過圓心D 位置求得，圓心D 求解協(xié)調(diào)方程可表示為式（7）

結(jié)合xE、yE即可求得xD、yD，定義夾角∠SAD 為θSD，夾角∠FAD 為θFD，則重心點(diǎn)S 相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的角位移函數(shù)可表示為式（8），點(diǎn)F 相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的角位移函數(shù)可表示為式（9）。

AF長(zhǎng)度、角度均已獲得，點(diǎn)F 的坐標(biāo)方程（xFyF）可表示為（l3cosθFl3sinθF），點(diǎn)B 的坐標(biāo)（xByB）在裝配固定后已知，拉伸彈簧6 的角度函數(shù)可表示為式（10）。

拉伸彈簧6 初始長(zhǎng)度定義為l40，剛度定義為K，則拉伸彈簧6 工作過程中的提供的拉伸力變化可表示為式（11）。

將式（6）、式（8）、式（9）、式（10）、式（11）代入式（1）的平衡方程組，式（1）方程組的未知數(shù)包括RAx、RAy、RE，式（1）三個(gè)平衡方程三個(gè)未知數(shù)，對(duì)其求解即可獲得刮板對(duì)板料邊部的作用力。

折彎支架3 的裝配位置調(diào)節(jié)即為式（4）中的兩坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換矩陣T 調(diào)節(jié)；拉伸彈簧支柱5的裝配位置調(diào)整即為AB、AF長(zhǎng)度調(diào)節(jié)；結(jié)合上述計(jì)算公式可以看出，改變以上參數(shù)可調(diào)節(jié)板料邊部與刮板8 間的作用力。

3 總結(jié)

本裝置很好地解決了不同材質(zhì)、不同板厚板料，所需的分張力大小不同的問題。同時(shí)此裝置已應(yīng)用于公司沖床多個(gè)型號(hào)上料裝置中，市場(chǎng)反饋效果很好。

經(jīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)際工作驗(yàn)證，本裝置的分張功能可靠穩(wěn)定，靈活性高，成本低通用性強(qiáng)。

經(jīng)實(shí)踐，本裝置在實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)線中有著幾個(gè)非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：①通用性強(qiáng)，對(duì)于磁性板料與非磁性板料，以及薄板與厚板，都可以進(jìn)行分張；②穩(wěn)定性高，通過刮板與板料側(cè)邊連續(xù)碰撞振動(dòng)的方法進(jìn)行分張，原理簡(jiǎn)單實(shí)用；③在拉伸彈簧的作用下，刮板與板料側(cè)邊的相互作用力可調(diào)節(jié)，刮板的使用壽命更長(zhǎng)，且此結(jié)構(gòu)更換刮板也很方便。