湯世松，仲太生，詹俊勇

（江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州225127）

0 引言

沖壓生產(chǎn)中，有人工上下料和自動(dòng)化上下料兩種方式。由于人工成本上升，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，自動(dòng)送料機(jī)有廣泛的市場(chǎng)需求。沖壓生產(chǎn)的手工送料已逐步由自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)所取代，從而進(jìn)一步滿足沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化，大幅度提高生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)質(zhì)量等的要求[2]。事實(shí)證明，基于三菱SSCNTE總線的伺服送料系統(tǒng)極大地提高了工廠的勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1 伺服送料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的與任務(wù)

本系統(tǒng)是以揚(yáng)力公司3臺(tái)JM31-160壓力機(jī)為主機(jī)而設(shè)計(jì)開發(fā)的一條樣本自動(dòng)生產(chǎn)線。通過該樣本線的總體布局、兩軸機(jī)械手設(shè)計(jì)、拆垛單元設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)等組成模塊設(shè)計(jì)，以及如磁性分張、對(duì)中測(cè)厚、高速傳送、協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)的解決，以掌握金屬板材沖壓成形設(shè)備成套聯(lián)線的核心技術(shù)。

本系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)包括：①高速動(dòng)態(tài)特性的兩軸機(jī)械手設(shè)計(jì)；②雙料臺(tái)拆垛單元設(shè)計(jì)；③控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線通用性好，占用資金少，完全可以滿足中高檔汽車生產(chǎn)所需要的高質(zhì)量零件的需求[3]。目前研制的單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍可以達(dá)到13SPM。

1.2 X軸傳動(dòng)系統(tǒng)

兩軸機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)身、X軸傳動(dòng)系統(tǒng)、Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)組成部分，其最大外圍尺寸為 600mm×950mm×2540mm（長(zhǎng)×寬×高）。機(jī)械手本體即X軸傳動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)作左右傳送，Y軸傳動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)作上下舉升。

X軸傳動(dòng)系統(tǒng)是用于驅(qū)動(dòng)兩手臂實(shí)現(xiàn)在左右方向的板料高速傳送，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及傳動(dòng)方式、導(dǎo)向形式、功率需求、電機(jī)以及相關(guān)元件的選配。

1.2.1 X軸傳動(dòng)方式及其導(dǎo)向

X軸傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式為電機(jī)+減速器+齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。電機(jī)為三菱3.5kW（HC-RP353）伺服電機(jī)；減速器為1∶5采用湖北行星公司產(chǎn)品；齒輪齒條模數(shù)m=3mm，齒輪齒數(shù)z=32，齒寬B=30mm；齒條長(zhǎng)1900mm，寬30mm。伺服電機(jī)與減速器直接連接，減速器通過法蘭安裝在X軸傳動(dòng)系統(tǒng)支座上；齒輪安裝在減速器輸出軸端，齒條安裝在由兩個(gè)50×50鋼質(zhì)方管焊接的芯桿上，芯桿兩端安裝吸料手臂。這樣，由伺服電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)芯桿左右移動(dòng)完成板料傳送作業(yè)。

圖1 X軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

X軸傳動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)向是采用滾輪—導(dǎo)軌導(dǎo)向方式，滾輪安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)支座兩側(cè)壁上，導(dǎo)軌安裝在芯桿的兩側(cè)。每部機(jī)械手安排45個(gè)滾輪，前側(cè)為23只，后側(cè)為22只。

1.2.2 X軸伺服電機(jī)功率計(jì)算

X軸運(yùn)動(dòng)部件包括芯桿、齒條、導(dǎo)軌以及左右兩個(gè)吸料手臂，共計(jì)質(zhì)量為92kg。X軸伺服電機(jī)在作業(yè)過程中的功耗主要為克服慣性力和摩擦力做功，其中慣性力功率消耗相對(duì)較大。

若以最大加速度為1g、最大運(yùn)行速度為120m/min，以k=1.5安全系數(shù)作為運(yùn)動(dòng)摩擦副功率消耗（包括導(dǎo)軌滾輪、齒輪齒條、減速器齒輪和軸承），則：

取系統(tǒng)傳動(dòng)效率η=0.9、安全系數(shù)k=1.5，則X軸伺服電機(jī)所需功率：

考慮一定的功率裕量，現(xiàn)取X軸伺服電機(jī)功率為3.5kW。

根據(jù)下式進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)[4]：

式中，i為傳動(dòng)比i=1∶5；d為齒輪分度圓直徑，d=m×z=3×32=96；η=0.9。有：

現(xiàn)三菱HC-RP 3.5kW伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩M額=11.1Nm，最大轉(zhuǎn)矩Mmax=27.9Nm：

可見，所選電機(jī)滿足轉(zhuǎn)矩要求。

1.3 Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)

Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)的部件，并支撐著整個(gè)X軸部件的重量。

1.3.1 Y軸傳動(dòng)方式及其導(dǎo)向

Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式為電機(jī)+滾珠絲桿螺母副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。電機(jī)為三菱2.0kW（HF-SP202B）抱閘伺服電機(jī)；滾珠絲桿螺母副為臺(tái)灣上銀公司產(chǎn)品，直徑為?40，螺距 25mm。伺服電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)安裝在機(jī)身頂部；滾珠絲桿為一端固定一端自由的安裝結(jié)構(gòu)，固定端采用三軸承支撐結(jié)構(gòu)，軸頸尺寸為?30，其中下面兩個(gè)軸承為背對(duì)背角接觸軸承。

Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)向是采用臺(tái)灣上銀30mm線軌。在Y軸滑臺(tái)上方設(shè)置有兩只平衡氣缸，用于平衡Y軸運(yùn)動(dòng)部件重力。這樣，Y軸伺服電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)著與滾珠螺母連接的滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，滑臺(tái)下方通過4只螺栓與X軸部件連接。

1.3.2 Y軸伺服電機(jī)功率計(jì)算

圖2 Y軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

以Y軸最大行程為100mm，最大加速度為0.5g，計(jì)算Y軸可實(shí)現(xiàn)的最大運(yùn)行速度，再以k=1.5安全系數(shù)作為運(yùn)動(dòng)摩擦副功率消耗（包括絲桿螺母副、線軌和軸承），則：

注：這里主要考慮動(dòng)載荷，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重力由平衡氣缸得到平衡。

取傳動(dòng)效率η=0.9、安全系數(shù)k=1.5，則Y軸伺服電機(jī)所需功率：

考慮一定的功率裕量，現(xiàn)取Y軸伺服電機(jī)功率為2kW。

由于Y軸為直接驅(qū)動(dòng)，則Y軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算：

式中：MY電機(jī)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩，kgf·mm；F 為軸向負(fù)載，N，因Y軸運(yùn)動(dòng)部件的重力已由氣缸平衡，這里僅取最大慣性力F=1587N；L為絲杠導(dǎo)程，L=25mm；η絲桿為滾珠絲杠效率，η絲桿=0.94。

現(xiàn)三菱HF-SP 2.0kW伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩M額=9.55Nm，最大轉(zhuǎn)矩Mmax=28.6Nm：

可見，所選電機(jī)滿足轉(zhuǎn)矩要求。

1.4 控制系統(tǒng)三菱運(yùn)動(dòng)控制器Q173DCPU

系統(tǒng)控制對(duì)象包括4部?jī)奢S機(jī)械手、1個(gè)雙料垛拆垛單元以及3臺(tái)壓力機(jī)。系統(tǒng)主控單元為三菱Q系列PLC[5]（Q03UDECPU），配置有三菱GT系列MPI觸摸屏（GT1675-VNBA）、運(yùn)動(dòng)控制器（Q173DCPU）、輸入模塊QX42、輸出模塊QY42P等[6]?？刂葡到y(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由三菱MR-J3-500B和MR-J3-200B伺服放大器、HC-RP353和HC-LP202B伺服電機(jī)構(gòu)成。

主控單元PLC與觸摸屏通信采用以太網(wǎng)；運(yùn)動(dòng)控制與伺服驅(qū)動(dòng)器的通信是通過三菱高速現(xiàn)場(chǎng)總線SSCNET實(shí)現(xiàn)；主控單元與操作面板、壓力機(jī)以及其他開關(guān)量控制均直接通過輸入輸出模塊的I/O接口完成。伺服送料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

送料系統(tǒng)的程序編寫是以MT-Developer和GX-Developer為軟件，MT-Developer使用SV22操作系統(tǒng)，采用運(yùn)動(dòng)控制與邏輯控制相結(jié)合地控制模式。復(fù)雜的伺服控制由Q Motion CPU處理，其他的機(jī)械控制，信息控制由QPLC CPU處理，這樣的處理方式可以將負(fù)荷分散化，實(shí)現(xiàn)高效高速的復(fù)雜應(yīng)用。具體地講是系統(tǒng)通過PLC程序的SFCS指令執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制器SFCS程序的啟動(dòng)請(qǐng)求，這樣即可對(duì)多個(gè)伺服馬達(dá)執(zhí)行定位控制。如圖4所示是送料系統(tǒng)總控程序流程圖[7]。

圖3 伺服送料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

送料生產(chǎn)線動(dòng)作前，先要調(diào)整所有的機(jī)械位置回到初始原點(diǎn)，這樣避免機(jī)械手與壓力機(jī)的干涉。機(jī)械手可以手動(dòng)調(diào)整，回原點(diǎn)。整機(jī)聯(lián)線調(diào)試時(shí)，可以先選擇手動(dòng)模式，分別單次運(yùn)行拆垛單元、機(jī)械手，看運(yùn)行是否正常，有無干涉，仔細(xì)檢查動(dòng)作情況，再選擇自動(dòng)模式。圖5為機(jī)械手單次程序流程圖。

機(jī)械手有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，控制機(jī)構(gòu)將分別對(duì)X軸、Y軸兩方向進(jìn)行動(dòng)作控制。每個(gè)軸的兩端都裝有限位開關(guān)，起硬限位保護(hù)作用，到限位觸點(diǎn)時(shí)電機(jī)停止動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)中，壓力機(jī)與送料生產(chǎn)線是處于互鎖狀態(tài)，壓力機(jī)動(dòng)作，生產(chǎn)線禁止動(dòng)作，生產(chǎn)線動(dòng)作，壓力機(jī)必須處于上死點(diǎn)，以保證安全。當(dāng)兩者只要有一個(gè)處于報(bào)警狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該立即停止，防止事故發(fā)生。

3 結(jié)束語

圖4 送料系統(tǒng)總控程序流程圖

圖5 機(jī)械手單次程序流程圖

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一條伺服送料自動(dòng)生產(chǎn)線，以3臺(tái)JM31－160為工作主機(jī)，配套拆垛單元、機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)料件沖壓自動(dòng)化，大大提高生產(chǎn)率，為客戶創(chuàng)造效益。通過該生產(chǎn)線的樣機(jī)試制，先后解決了控制系統(tǒng)的故障報(bào)警、機(jī)械原點(diǎn)回歸、聯(lián)線動(dòng)作的穩(wěn)定性等一系列技術(shù)難題，為下一步優(yōu)化方案，并再次設(shè)計(jì)高性價(jià)比的產(chǎn)品提供了依據(jù)。通過本設(shè)計(jì)，公司掌握了金屬板材沖壓成形設(shè)備成套聯(lián)線的核心技術(shù)。

[1]劉 川，宋四全，李 勇.國(guó)內(nèi)沖壓自動(dòng)化線成套技術(shù)及裝備供應(yīng)能力研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2004，3：8-12.

[2]南雷英，戚春曉，孫友松.沖壓生產(chǎn)自動(dòng)送料技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展概況[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（2）.

[3]徐 剛，魯 潔，黃才元.金屬板材沖壓成形技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，39（4）.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5]程子華，劉小明.PLC原理與編程實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[6]三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司.運(yùn)動(dòng)控制器使用手冊(cè)SFC編程手冊(cè)[J].三菱電機(jī).

[7]胡云堂.基于PLC的柔性生產(chǎn)線送料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，（3）.