研究了沖壓機(jī)械手的模塊化技術(shù)，解決了五金及金屬制品行業(yè)沖壓過程中生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大的問題，重點(diǎn)解決了五金及金屬制品行業(yè)沖壓過程中手工作業(yè)生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題。本項(xiàng)目將采用光學(xué)機(jī)電一體化技術(shù)、模塊化研究技術(shù)、快速連接技術(shù)、諧波技術(shù)等技術(shù)，提高機(jī)械手的靈活性，簡(jiǎn)化安裝和維護(hù)，降低成本，提高工件的傳遞速度。
1 機(jī)械手工作流程及結(jié)構(gòu)分析
1.1 工作流程分析
通過分析研究各種沖床的上下料模式及運(yùn)行要求，采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、協(xié)調(diào)作業(yè)技術(shù)，完成沖壓機(jī)械手的工作流程化分析，如圖1所示。
圖1 沖壓機(jī)械手的工作流程圖
1.2 結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)沖壓機(jī)械手的功能劃分和需求分析，為了滿足產(chǎn)品的功能和性能，提高整個(gè)模塊化系統(tǒng)的靈活性，沖壓機(jī)械手可分為圖2、繪圖模塊1抓取工件，并通過推送模塊2、旋轉(zhuǎn)模塊3和提升模塊4將工件送到指定位置，由此可以看出沖壓機(jī)械手主要由進(jìn)給模塊、推送模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和提升模塊組成。
圖2 沖壓機(jī)械手模塊組成
1.取料模塊 2.推送模塊 3.旋轉(zhuǎn)模塊 4.升降模塊
取料模塊：根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)要求，整合各種取放料技術(shù)，如真空吸盤、機(jī)械爪、電磁吸盤等，其取料的重量從數(shù)克到數(shù)千克不等；
推送模塊：在沖壓機(jī)械手完成取料動(dòng)作后，執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)的作用，與旋轉(zhuǎn)模塊、升降模塊配合，實(shí)現(xiàn)避開障礙，按照一定路線運(yùn)動(dòng)的功能；
旋轉(zhuǎn)模塊：旋轉(zhuǎn)模塊主要實(shí)現(xiàn)將工件及推送模塊一同繞一定的中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)；
升降模塊：升降模塊是將以上3個(gè)模塊同時(shí)升降動(dòng)作。
這四個(gè)模塊的組合滿足了現(xiàn)有大多數(shù)沖床的需要，并根據(jù)實(shí)際使用，主要是在更換生產(chǎn)工件的末端來(lái)取代進(jìn)給模塊的末端，因此如何快速更換不同的進(jìn)給模塊，縮短設(shè)備的調(diào)試時(shí)間是主要的研究重點(diǎn)。為此，進(jìn)行了快速連接夾具模塊和物料采集模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
2 快接夾具模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
根據(jù)沖壓機(jī)械手模塊化的要求，研究開發(fā)了采用真空吸技術(shù)的快速組合夾具模塊，它可以同時(shí)滿足氣路與電路的連接要求。同時(shí)可以快速定位夾緊，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手末端取料模塊的快速裝夾，大大提高了取料模塊的更換時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。
模塊拼接是這一設(shè)計(jì)的一個(gè)重要和獨(dú)特的部分。該夾具主要由兩部分組成，分為兩部分：男性頭和母頭，機(jī)械手端固定安裝頭，取料夾具的另一端安裝主頭部分，并將相應(yīng)的頭與母頭牢固地鎖在一起，實(shí)現(xiàn)快速更換的功能。因此，可以將一種快速夾具頭與多個(gè)母頭連接起來(lái)，有效地提高了生產(chǎn)工件沖頭更換的效率，縮短了調(diào)試時(shí)間。
快接夾具設(shè)計(jì)為方形的結(jié)構(gòu)，由耐磨金屬板材通過精密加工成型，設(shè)計(jì)圖如圖3所示。夾具公頭中間設(shè)計(jì)有圓柱造型2與母頭的通孔4相配合，并與導(dǎo)柱11和導(dǎo)套6配合完成公頭和母頭快接夾具的定位，氣管接口3通過通斷氣來(lái)實(shí)現(xiàn)公頭與母頭夾具的鎖緊與松開。接頭10與空軸9為相通設(shè)計(jì)，配合接頭8與孔7實(shí)現(xiàn)氣路的貫通。連接器1與5配合實(shí)現(xiàn)電路之間的連接。因此這種設(shè)計(jì)的快接夾具可以有效實(shí)現(xiàn)氣路與電路的連接，縮短取料模塊夾具的更換時(shí)間，提高工作效率。
圖3 快接夾具模塊設(shè)計(jì)圖
1.連接器 2.圓柱 3.氣管接口 4.通孔 5.連接器 6.導(dǎo)套 7.孔 8.接頭 9.空軸 10.接頭 11.導(dǎo)柱
3 沖壓機(jī)械手的末端取料模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
經(jīng)過對(duì)沖壓機(jī)械手的模塊化分解，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求選擇合適的功能模塊，需要考慮的因素有負(fù)載、尺寸大小、精度、速度等，其中取料模塊的選擇，可根據(jù)工件產(chǎn)品的形狀特點(diǎn)，取料模塊可采用真空吸盤、機(jī)械爪、電磁吸盤等不同的形式模塊。
3.1 真空吸盤的選擇
真空吸盤，首先，真空吸盤通過噴嘴連接到真空設(shè)備上，然后與工件表面接觸，啟動(dòng)真空設(shè)備吸收，從而產(chǎn)生吸盤內(nèi)的負(fù)壓，使工件被牢固地吸出，然后工件才能移動(dòng)。當(dāng)工件移動(dòng)到目的地時(shí)，真空吸盤被平滑地充氣到真空吸盤中，使真空吸盤從負(fù)壓變?yōu)榱銐毫蛭⒄龤鈮海婵瘴P與工件分離，從而完成提升和輸送任務(wù)。
圖4 真空吸盤工作原理圖
真空吸盤吸附性能不僅僅受吸盤的材料品種影響，還有吸盤的結(jié)構(gòu)形狀與工件表面的貼合程度。比較常見的機(jī)械手真空吸盤有以下幾種。
第一、扁平形狀真空吸盤。這種類型的吸盤材料可以用多種材料，主要用于搬運(yùn)吸附一些工件表面比較光滑的產(chǎn)品。
第二、短波紋管型吸盤。它的吸附性能相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，而且緩沖性能好，對(duì)于細(xì)小工件的損壞的可能性比較小。方便吸附小型工件，同時(shí)波紋管可做較小距離的行程移動(dòng)。
第三、長(zhǎng)波紋管型吸盤。它的性能與用途場(chǎng)合等都與短波紋管型真空吸盤差不多，唯一比較大的區(qū)別是長(zhǎng)波紋管型吸盤在水平方向的高度差比較大，還可以做長(zhǎng)距離的搬運(yùn)工序。
圖5 吸盤種類
真空吸盤夾具的應(yīng)用方案如圖6和圖7所示。
圖6 真空吸盤夾具方案1
圖7 真空吸盤夾具方案2
3.2 機(jī)械爪的選擇
機(jī)械爪，利用氣動(dòng)元件與爪類零件配合工作，根據(jù)氣動(dòng)反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，可以縮短輔助生產(chǎn)時(shí)間，提高效率；機(jī)械爪對(duì)氣動(dòng)元件的精度要求不高，適合制造，氣動(dòng)元件的使用容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。氣動(dòng)元件以壓縮空氣為動(dòng)力源，通過氣缸將氣體壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，完成夾具定位、夾緊等多種動(dòng)作。如圖8、圖9所示。
圖8 機(jī)械爪夾具方案1
3.3 電磁吸盤的選擇
電磁吸盤是利用了電磁原理：使內(nèi)部線圈通電產(chǎn)生磁力，經(jīng)過導(dǎo)磁面板，將接觸在面板表面的工件緊緊吸??；線圈斷電，磁力消失實(shí)現(xiàn)退磁，卸下工件。如圖10、圖11所示。
圖9 機(jī)械爪夾具方案2
選用電磁吸盤進(jìn)行取放料的操作時(shí)，工件必須是能受磁吸的材料，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)需要分析工件的重量及吸盤的吸力及數(shù)量等。
圖10 圓柱形電磁吸盤
圖11 方形電磁吸盤
電磁吸盤夾具的應(yīng)用方案如圖12、圖13所示。
圖12 電磁吸盤夾具方案1
圖13 電磁吸盤夾具方案2
4 結(jié)束語(yǔ)
通過對(duì)沖壓機(jī)械手模塊化技術(shù)的研究，解決了五金及金屬制品行業(yè)沖壓加工中手工操作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題。采用機(jī)電一體化技術(shù)和模塊化技術(shù)，對(duì)沖床機(jī)械手的端部進(jìn)給模塊和快速連接夾具進(jìn)行了研究和開發(fā)，提高了機(jī)械手的靈活性，簡(jiǎn)化了安裝和維護(hù)，提高了工作效率，降低了成本。
