冲床自动送料机械手论文课题简介

冲床自动控制机械手设计
1.课题背景
近几年，我国冲压加工技术发展很快，在机械加工中占的比重不断增加，冲压产业已经进入结构调整向深度发展时期，手工送料的冲压加工生产由于存在效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，已逐步被自动送料机构所取代。

依靠低劳动力成本的时代已经结束，由劳动密集型升级到技术密集型，实现冲压的自动化高效生产才是冲压行业未来发展的必然趋势。

发达工业国家面向汽车、电器、电子等行业，一方面，为了发展出更为高效和高集成度的冲压自动化线，利用档次高数量少的冲压设备来生产复杂制件，例如，１台宽台面多工位冲床价格竟高达６０００万人民币，非常昂贵；另一方面，在冲压生产线上大量配置多自由度的工业搬运机器人，这在汽车的大型覆盖件生产线已经上很普及，但用于一般企业的冲压生产来说，价格也是十分昂贵并且效率不高。

由此导致第３种新兴的方式：利用快速搬运机械手自动上下料，进而实现多台压力机的联线自动化生产，高效并节省人工，本项目就属于此种，它尤其适用于我国冲压生产企业使用中低档设备进行大批量生产的实际状况。

2.本课题的研究价值
近些年，我国冲压技术发展很快，在机械加工中占的比重不断增加，冲压产业已经进入结构调整箱深度发展的时期，手工送料的冲压加工生产攒在效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，已经逐步被自动送料机所取代。

当前国内冲压行业面对企业转型和技术升级，一方面对自动化生产有着迫切的需要，另一方面，希望充分利用企业现有冲压设备的巨大存量资产，以升级改造后的设备替代和减少购置新设备，起到事半功倍的效果。

因此应用信息化技术对现有冲压设备进行改造，配合快速送料机械手使之升级为自动化冲压生产线，称为目前条件下冲压行业企业实现技术升级的最佳选择。

因此本论文冲床自动送料机械手设计有着重要的前景和意义。

同时，也可以培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识；培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法；培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力；培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。

3.课题研究的相关背景
自动冲压生产线中常用的送料机械手主要有以下几种形式：
1、传统冲压生产线。

早期的冲压自动生产线，由数台单动机械压力机组成，两者之间装有机械手，设置一个工位，可带工件翻转装备，采用人工或机械的上下料方式，组成机械化或半机械化流水生产线。

在我国，90%的现存生产线属于这一阶段的产品。

2、柔性自动化送料机构。

适用于大批量且工步数不变的固定化生产的生产，不适于多种小批量的产品生产。

3、多自由度送料机器人。

机器人和穿梭小车式自动化输送系统是自动冲压
生产线中最常见的结构形式。

目前，国内自动冲压生产线无论是国产还是进口，其自动化输送系统都是基于此种形这种机器人稳定性高，但价格昂贵、速度较慢。

4、快速送料机械手。

近十年来，冲压生产线的机械手快速送料系统（图３）逐渐在发达工业国家中小型企业得到应用，此类机械手送料系统既具有较快的送料速度，又易于与不同冲压设备耦合组成冲压生产线，适用面宽，但是价格昂贵，维修不方便，中国一般企业难以接受。

由以上四种自动冲压生产线的弊端，设计一种符合中国生产实际，且价格便宜，维修方便的冲床自动送料机械手有着广泛的市场。

4.本课题研究内容及解决手段
目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化的方向发展，主要研究内容集中在以下几个方面：
(1)根据设计要求及原始数据，进行机械手抓取机构设计；
(2)进行液压系统原理设计，并画草图；
(3)进行机座机身的结构设计；
(4)研究机械手的定位及平稳性；
(5)研究机械手的控制方式。

5.控制系统组成及方案比较
在设计中通过分析冲床的工作方式可以发现：冲头带动模具的动作是垂直于地面的，而钢板在模具上的移动则是水平方向的。

因此，所设计的数控送料系统应该是一套“平面两坐标点位数字控制单元”。

即：冲床的冲压原理不变，不同的是利用控制部分控制冲头的往复运动，即上冲模往复动作的起停和被加工金属板料的规则X、Y 向进给送料运动，并能使这两个动作协调，即实现冲压与送料动作的同步控制。

由于数控送料系统采用的是自动化操作模式，其控制部分应该由计算机构成。

该计算机可以是单板机、可以是单片机、可以是工业控制微型计算机，也可以是PLC 可编程序逻辑控制器。

这几种控制计算机各有优缺点。

单板机是将CPU、一定容量的ROM和RAM、输入/输出端口以及一些辅助电路分别制作成集成电路芯片，并将它们配置在一块印刷电路板上，用电缆线和外部设备直接联接起来。

例如TP-801 是以八位微处理器Z-80 为核心组装的8 位单板机，SDK-86 是以十六位微处理器Intel8086 为核心组装的16位单板机。

它可以完成简单的数据处理和编辑功能。

使用单板机作系统的控制核心的优点是价格便宜，性能稳定性相对较高，但其功能有限，无法实现比较复杂的控制算法。

并且系统一旦构成，很难按实际需要作进一步的功能扩展。

再有就是其技术也相对落后，基本上目前国内和国外数控系统中已经很少有人选用单板机作为主要控制部件了。

单片机是在一块集成电路芯片上装有CPU、RAM、ROM和I/O接口电路，使其成为具备一般微型计算机的基本功能的微处理芯片。

以此芯片为核心，配以A/D转换芯片、D/A转换芯片、并行接口芯片、串行接口芯片等，构成一个可扩展功能的，具有较强通用性的控制系统。

单片机系统的优点是集成度高、体积小、重量轻、能耗低、价格便宜、使用方便[31]。

但是限于国内电子元件质量通常无法达到设计要求，因而其可靠性、稳定性和抗干扰能力都大受影响，若全部采用进口元器件，系统成本将大大提高。

再有一个需要考虑的实际情况是单片机系统的开
发周期往往较长，硬件调试和软件编程以及整个控制系统的软硬件调试视具体情况而定均需要较长的一段时间。

工业控制微型计算机是将工业级微型计算机、ROM、RAM、I/O 扩展电路、工业级微机电源等组装在不同的印刷电路板上，然后组装在一个机箱内，再配以键盘、显示器、硬盘、软盘驱动器、打印机等外围设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的工业控制微型计算机系统。

工业控制微型计算机系统性能很好、系统的可靠性和抗干扰能力也都很高，并且有着丰富的软件资源可供利用，但系统的价格十分昂贵。

PLC可编程序逻辑控制器是专门在工业环境中使用的数字操作的电子系统。

它使用可编程存储器储存程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化系统。

由于它具备程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、能耗低，特别是易于编程、使用操作方便、价格相对便宜等特点被许多机电一体化系统所采用。

通过充分考虑以上四种控制计算机的特点，PLC是一台专用数字控制计算机，适合本厂的工作环境和生产实际需要。

图2-4 为PLC的硬件结构图。

PLC通过输入/输出接口与被控制对象相连接。

控制系统的具体要求通过专用编程器或上位计算机写入到存储器中，然后执行此程序，完成控制任务。

当系统或被控制对象改变时，只需变化相应的输入输出接口与被控制对象的连线，重新编程，即可形成一个新的控制系统。

在数控送料系统中，系统的可靠性主要取决于PLC及接口电路等，本数控送料系统的控制系统选用的是德国西门子公司生产的SIMATIC S7-200 型(CPU224 DC/DC/DC)PLC，具有高可靠性、强抗干扰能力、编程安装使用简单、性能价格比高等特点[35]。

结合PLC的这些特点，以及考虑到PLC具有位置控制及脉冲输出指令，且本数控送料系统所有动作均为单轴运动，因此本控制系统采用PLC为主控制器及机床外用控制线路，实现二个进给运动的数字控制，并具有手动调整功能。

6.液压驱动送料机的原理
油泵向料管供油,推动活塞杆（推料杆）将棒料推入主轴。

工作时棒料处于料管的液压油内，当棒料旋转时，在油液的阻尼反作应力下，棒料就会从料管内浮起，当转数快时棒料就会自动悬浮在料管中央的转动。

大大的减少少棒料与送料管壁的碰撞与磨擦。

工作时振动与噪音非常小，特别适用高转速，长棒料，精密工件加工。

送料机可以配套于各类加工机床使用，配合加工机床完成自动送料工作，棒料自动送完后，机床自动处于等待加料状态，并通过警示装置告知操作人员加料。

最大送料长度：≤3米，送料器长度：3900mm. 适用棒料直3-42mm。

冲床自动送料机本质上说是一种上下料机械手，是现代科学技术发展在工业上的应用。

在传统冲床设备基础上，采用机械手与输送机构配合为主要装置，再配合采用自动卸料安全保护，设计了具有较大应用价值和推广意义的自动送料机。

送料机实际应用表明：选择合理的交流伺服系统能够满足控制系统响应速度快、速度精度高、鲁棒性强的要求，实际应用位置控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累积误差。

该控制系统可应用于高精度开口系列冷弯型钢产品的生产中，特别是类似货架立柱的产品，即对冷弯型钢立、侧面具有孔位高精度要求的在线预冲孔的冷弯成型生产线上。

交流伺服系统应用于货架冷弯成型生产线上确实能达到较高的位置控制精度；且在线预冲孔模式与液压停剪模式均可独立运用，如货架横梁生产过程就无
在线预冲孔模式等。

冲床自动送料机实质上即机械手，能自动上料和卸料，提高生产效率，保证产品质量，改善工作劳动强度，确保人身安全。

在冷挤压加工行业中有较大的应用前景。

7.液压驱动系统设计
液压控制室机械手的一种主要的控制形式。

机械手的运动速度和操作室根据油的流量与压力来确定，因而只要控制油的流量和压力，就可以控制机械手的运动速度和操作力，油压压力一般在5—140公斤/厘米范围内，最大臂力可达160公斤以上。

主要优点：
(1)液压执行元件(马达和油缸)结构紧凑，重量轻，功率小。

(2)可通过液压油带走大量热能，保证机械的正常运行，并由于液压油的润滑作用，可延长元件的使用寿命。

(3)液压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。

只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。

(4)响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。

其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。

(5)液压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐振动等。

缺点:
(1)液压控制需要一套液压系统，不像电力容易获得，而且价格较贵。

(2)油温有上限，并难以保持不漏，比较脏，易于使阀和执行元件堵塞。

(3)控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便。

8.手部抓取缸
图1 手部抓取缸液压原理图
(1)手部抓取缸液压原理图见图6-1。

(2)泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q =1300ml/s。

因此，需装图1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。

选取采用：
YF-B10B溢流阀
2FRM5-20/102调速阀
23E1-10B二位二通阀
9.总体系统图
图2 总体系统图
(1)总体系统图见图2。

(2)工作过程:
小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松
(3)电磁铁动作顺序表:
表1总体系统图
元件
动作
1DT2DT 3DT 4DT 5DT
小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂收缩手部放松卸荷-
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