潘小華，蘆 俊，陳 侖，談淵智，張 欣

（1.江蘇信息職業(yè)技術學院，江蘇無錫 214153；2.無錫微研精密沖壓件股份有限公司，江蘇無錫 214072）

0 引言

現(xiàn)代沖壓技術的迅速發(fā)展使得其應用范圍不斷擴大，采用厚板沖壓技術制造各種機電與家電產(chǎn)品的結構零件，不僅能實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低消耗，而且能減輕產(chǎn)品重量，提高零件壽命，降低生產(chǎn)成本。在批量生產(chǎn)汽車、拖拉機、摩托車、農(nóng)機、工程與建筑機械、儀器儀表、各種家電以及五金件等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，厚度在4～20 mm 之間的平板零件和立體形零件可采用厚板沖壓工藝制造，取代鑄、鍛、粉冶及切削加工，不僅能獲取極好的經(jīng)濟效益，而且還將獲得包括節(jié)能、環(huán)保等在內(nèi)的顯著的綜合社會效益。因此，厚板沖壓技術作為現(xiàn)代沖壓技術的主要發(fā)展方向與新興領域越來越引人注目[1-3]。

針對目前精沖行業(yè)中普遍由人工執(zhí)行毛坯厚板上下料的現(xiàn)狀，與某精密件沖壓公司合作，設計研發(fā)了基于仿人手機器人進料的厚料精沖自動化上下料生產(chǎn)線。

1 總體方案設計及工作流程

1.1 總體方案設計

現(xiàn)有的精沖生產(chǎn)狀況如圖1 所示，主要是由人工將板材毛坯逐步送入液壓機模具中，依次沖壓出成品件，并自動排出廢料。

圖1 液壓機厚料沖壓

在現(xiàn)有沖壓方式基礎上，設計了仿人手進料的厚料精沖自動化上下料生產(chǎn)線，主要由仿人手上料裝置、仿人手下料裝置、拆垛裝置、對中裝置、涂油裝置、液壓機、廢料排除裝置、成品排出裝置以及廢板收集裝置等組成。整機工作結構如圖2所示。

圖2 整機工作結構

1.2 工作流程

仿人手上料裝置抓取拆垛裝置中的一片厚料板件并將其置于對中裝置中，對中裝置完成厚料板件的對中。仿人手上料裝置抓取對中裝置中已對中的一片厚料板件，以設定的步距向前推送厚料板件，進入液壓機，涂油裝置對厚料板件進行涂油潤滑。潤滑后的厚料板件進入液壓機的上、下模具之間進行沖壓。經(jīng)沖壓過的廢板由仿人手下料裝置移送至廢板收集裝置，沖壓產(chǎn)生的廢料由廢料排除裝置從液壓機中排除并收集在廢料排除裝置的廢料盒中，沖壓得到的成品由成品排出裝置從液壓機中排出并收集在成品排出裝置的成品盒中。

1.3 生產(chǎn)流程

圖3所示為整個厚料沖壓自動化生產(chǎn)的生產(chǎn)流程。

圖3 厚料沖壓自動化生產(chǎn)流程

2 各機構的設計及工作流程

2.1 仿人手上料、下料裝置

仿人手上料裝置與仿人手下料裝置結構相同，主要由配置了六維力傳感器的端拾器、工業(yè)機器人以及雙料檢測裝置等組成。該仿人手上料、下料裝置能夠模仿人手的動作，具備自動上下料、雙料檢測、自動進給以及板料在沖壓過程中工業(yè)機器人末端的端拾器跟隨模具同步上下移動等功能。

仿人手上料裝置與仿人手下料裝置對稱布置于液壓機的兩側。圖4所示為仿人手上料、下料裝置結構。

圖4 仿人手上料、下料裝置結構

2.1.1 端拾器

端拾器是機器人的末端執(zhí)行機構，主要用于抓取板件[4]，完成相關動作。由于所抓取的板件為厚料件，負載較重，故采用吸附力更強、更穩(wěn)定的電磁吸盤來抓取板料。電磁吸盤布置在采用高強度合金制成的支架上，采用2個電磁吸盤，對稱布置在高強度合金支架上，在高強度合金支架兩側安裝有可翻轉的板料夾持機構。在端拾器與工業(yè)機器人末端之間安裝有六維力傳感器，通過檢測負載大小判斷板件是否吸附到位，此外每完成一次工件沖壓，機器人端拾器夾持板料向液壓機方向進料一個步距，從而達到模仿人工沖壓板料生產(chǎn)動作工藝的目的。

2.1.2 工業(yè)機器人選型

在該自動化上下料沖壓生產(chǎn)線中，工業(yè)機器人主要完成板料的拆垛、液壓機的自動上下料、板件傳送翻轉等工作，機器人通過控制系統(tǒng)保持與液壓機的隨動、連鎖及其他協(xié)調動作，實現(xiàn)機器人的運動控制、氣動系統(tǒng)等的監(jiān)視及安全保護[5]。

該量產(chǎn)板料的規(guī)格：厚度為8.5 mm，長度為1 500 mm，寬度為150 mm，質量為30 kg。據(jù)此沖壓板料的重量和尺寸規(guī)格，選用FANUC型號為：M-710iC/50 的6 自由度關節(jié)型工業(yè)機器人，其可承受50 kg 負載、工作半徑達2 m，適用于較重工件及夾具的搬運應用。

2.1.3 雙料檢測裝置

為了防止機器人抓取雙料，在機器人端拾器上設計安裝了雙料檢測裝置進行雙料檢測。該雙料檢測裝置主要由連接部分、傳感器、彈簧及電磁吸盤部分組成。機器人抓取工件后，在彈簧的調節(jié)作用下，電磁吸盤將板料緊緊吸附，確保傳感器垂直且貼緊板料。傳感器采用超聲波傳感器[6]，通過超聲波檢測抓取板料的厚度，與預先設置的板料厚度相比，檢測是否為雙料，并將判斷結果送入機器人控制器。

2.2 拆垛裝置

拆垛裝置包括拆垛小車地軌、可移動的拆垛小車、用于檢測拆垛小車厚料板件存量的首板檢測傳感器及用于磁力分離厚料板件的磁力分張器。拆垛小車地軌安裝在液壓裝置的前側，磁力分張器設于拆垛小車地軌的兩側，拆垛小車可沿拆垛小車地軌移動，拆垛小車上設有為其提供動力的拆垛小車電機，首板檢測傳感器設于拆垛小車的車身上。

為確保能連續(xù)生產(chǎn)，設計采用2 臺獨立的拆垛裝置，左右對稱布置于仿人手上料裝置的兩側，交替使用。圖5所示為拆垛裝置結構。

圖5 拆垛裝置結構

2.3 對中裝置

通常在進行板料沖壓生產(chǎn)時，板料放入模具內(nèi)的位置精度須達到±2 mm，而板料料垛的堆垛精度只能達到±5 mm。為了保證仿人手上料裝置在抓、放板料時的速度與精確度，并能夠將板料準確地放置于液壓機模具中，并保證一定的定位精度，設計了一套重力對中裝置對板料進行對中定位。該對中裝置包括一對中臺主體，對中臺主體設有與厚料板件相適配的矩形臺面，矩形臺面用于承接依靠自身重力下落的厚料板件；矩形臺面向其自身的一個角傾斜，矩形臺面的最低角上設有可以阻擋厚料板件下落時產(chǎn)生偏移的阻擋部；矩形臺面的上表面裝有若干滾珠，方便厚料板件在滾珠上滑動落下[7-8]。重力對中裝置有若干個區(qū)域可以通過移動式插銷調整，使對中裝置可以適應不同的板料尺寸。

2.4 自動涂油裝置

在金屬板料沖壓加工過程中，模具與板料之間處于有一定壓力存在的接觸狀態(tài)，高溫接觸區(qū)域極易在加工的過程中產(chǎn)生，因此為了使接觸區(qū)溫度降低、提高沖壓產(chǎn)品質量、增強產(chǎn)品的防銹性能，需要在沖壓的過程中使用潤滑油將板料充分潤滑[9]。

該涂油裝置包括支撐板、涂油噴嘴、噴嘴支架、涂油輥筒、油盒及油泵。支撐板水平設于液壓裝置的進料端且沿進料端向液壓裝置的前側延伸，涂油噴嘴安裝在支撐板上且位于支撐板的上方，涂油噴嘴的噴嘴口朝向支撐板，涂油噴嘴與支撐板之間設有供厚料板件通過的間隙，支撐板的底部橫設有油盒，油盒中設有涂油滾筒，涂油滾筒的至少部分滾筒表面露出支撐板的上表面，油泵的進口與油盒連通，油泵的出口通過管道與涂油噴嘴連通。圖6所示為涂油裝置結構。

圖6 涂油裝置結構

2.5 液壓機

液壓機設有上模座及下模座，上模座設有上模，下模座設有下模，上模與下模在合模時能夠完成厚料板件的沖裁，上模與下模在分離時上下模之間產(chǎn)生可使厚料板件通過的間距。液壓機設有用于觸發(fā)沖裁信號的液壓傳感器及用于觸發(fā)涂油信號的涂油傳感器。圖7所示為液壓裝置沖壓結構。

圖7 液壓裝置結構

2.6 廢料排除裝置

每當板料完成一次沖壓后，就會在下模板的表面留下沖壓后的廢料，若不及時取出或取得不干凈，則在進行下次沖壓時就會對模具造成損壞，故設計一套廢料排除裝置，及時將廢料排除干凈。

該廢料排除裝置主要由排廢料支架、廢料取放裝置、廢料稱重裝置及廢料收集裝置組成。

排廢料支架設于液壓裝置的一側且靠近液壓裝置；廢料取放裝置主要由排廢料氣缸及與排廢料氣缸的活塞桿相連的廢料拾取爪組成，廢料拾取爪可隨排廢料氣缸活塞桿的伸縮做直線運動從而拾取液壓裝置沖壓產(chǎn)生的廢料并將拾取的廢料排至廢料稱重裝置；廢料稱重裝置主要由廢料入盒氣缸、廢料稱重平臺及廢料稱重傳感器組成；廢料稱重平臺與廢料入盒氣缸的活塞桿相連且可隨廢料入盒氣缸活塞桿的伸縮做直線運動，廢料稱重平臺能夠接收排廢料裝置拾取落下的廢料；廢料稱重傳感器設于廢料稱重平臺上，用于檢測落入廢料稱重平臺上的廢料的重量；廢料收集裝置包括廢料擋板及廢料收集盒；廢料擋板垂直設于廢料稱重平臺的上方，其下端與廢料稱重平臺的上表面間隙不大于廢料最小厚度，廢料收集盒位于廢料稱重平臺的下方用于接收由廢料擋板擋落的廢料稱重平臺上的廢料。圖8所示為廢料排除裝置結構。

圖8 廢料排除裝置結構圖

2.7 成品取放裝置

每當板料完成一次沖壓后，會在模具的上模板表面留下沖壓后的成品，需要及時取出。

該成品排出裝置主要由排成品支架、成品取放裝置、成品檢測裝置及成品收集裝置組成。

排成品支架設于液壓裝置的另一側且靠近液壓裝置；成品取放裝置主要由取成品氣缸及與取成品氣缸的活塞桿相連的成品拾取框組成，成品拾取框可隨取成品氣缸活塞桿的伸縮做直線運動從而拾取液壓裝置沖壓得到的成品并將拾取的成品排落至成品檢測裝置；成品檢測裝置主要由成品檢測框架及設于成品檢測框架上的成品檢測傳感器組成；成品檢測框架設于成品拾取框的下方能使成品拾取框中掉落的成品從其框架內(nèi)通過，成品檢測傳感器用于檢測通過成品檢測框架中的成品。圖9所示為成品取放裝置結構圖。

圖9 成品取放裝置結構圖

2.8 廢板收集裝置

廢板收集裝置，主要用來收集完成沖壓后的廢料板件，該套裝置對稱布置于仿人手下料裝置的兩側。

該廢板收集裝置主要由堆垛小車地軌、可移動的堆垛小車、用于檢測堆垛小車上料板存量的首板檢測傳感器組成；堆垛小車地軌安裝在液壓裝置的后側，堆垛小車可沿堆垛小車地軌移動，首板檢測傳感器設于堆垛小車的車身上，堆垛小車上設有為其提供動力的堆垛小車電機。圖10所示為廢板收集裝置結構圖。

圖10 廢板收集裝置結構圖

3 結束語

該生產(chǎn)線原理簡單、設計合理、結構清晰、操作方便、安全可靠，可適應8～12 mm厚板料的沖壓生產(chǎn)，生產(chǎn)線基本實現(xiàn)了全自動化。在減少工人的前提下，降低了工人的勞動強度與生產(chǎn)風險，同時由于本生產(chǎn)線采用了工業(yè)機器人，故柔性化程度高，打破了傳統(tǒng)沖壓自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品單一、更換產(chǎn)線周期長、成本高的壁壘。本生產(chǎn)線只需更換一套端拾器就可實現(xiàn)產(chǎn)品線的更換，具備更高的靈活性和柔性，為企業(yè)節(jié)省大量時間和成本。