机械手在锻压生产中的应用研究

２０１３年４月　机床与液压　Ａｐｒ．２０１３　第４１卷第８期　ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｖ０１．４１　Ｎｏ．８　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．０８．０１２　机械手在锻压生产中的应用研究　黄银花，赵仕奇　（淮安信息职业技术学院，江苏淮安２２３００３）　摘要：为了提高我国锻压生产的自动化水平，减少加工过程对操作人员的危害，实现绿色锻压，有必要根据我国锻压　行业的现状，应用锻压机械手代替人工完成锻压生产过程中的上料、翻转、下料等危险性高、简单重复性、劳动强度高的　工作，以提高生产自动化程度，提高生产率，提高产品一致性。在分析锻压生产现状的基础上，分析锻压过程中人工操作　的动作流程，提出锻压机械手的结构形式、工作原理及运动方案，并阐述其应用的意义。　关键词：机械手；锻压生产；应用研究　中图分类号：ＴＰ２４９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１３）８—０３１—３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｉｎ　Ｆｏｒｇｉｎｇ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ＨＵＡＮＧ　Ｙｉｎｈｕａ．ＺＨＡＯ　Ｓｈｉｑｉ　（Ｈｕａｉａｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉａｎ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２３００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ｒｅｄｕｃｅ　ｈａｒｍ　ｔｏ　ｏｐｅｒａｔｏｒｓ，ｒｅａｌｉｚｅ　ｇｒｅｅｎ　ｆｏｒｇｉｎｇ，ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｉｎｄｕｓｔｙｒ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｙｒ，印ｐｌｙｉｎｇ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｔｈｅ　ｍａｎｕａｌ　ｆｏｒｇ—　ｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｅｅｄ，ｔｕｒｎｉｎｇ，ｃｕｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｈｉｇｈ　ｒｉｓｋ，ｈｉｇｈ　ｌａｂｏｒ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｓｉｍｐｌｅ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｗｏｒｋ．Ｔｈｉｓ　ｗｉｌｌ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ，ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　０ｆ　ｆ０ｒｇｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ａｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；Ｆｏｒｇｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　从世界制造业及锻压行业的发展趋势来看，绿色　是降低成本和提高精度　。随着自动化的发展，机　制造、生产过程自动化是一种必然的趋势，现有锻压　械手应用将更加普遍。现有的锻压机械手系统，一般　厂家均需要提高生产过程自动化程度，降低生产过程　都是和锻压机结合在一起，配置柔性较差。国内生产　对工人的健康危害，提高生产效率及产品质量　。　的机械手系统售价约６Ｏ万人民币，国外所生产的系　虽然我国是锻压大国，但却不是锻压强国，锻压设备　统售价更高。无论国内还是国外企业生产的锻压机械　的机械化、自动化程度也很低，多数锻压设备处于手　手系统，成本都较高，一般企业难以承受　，所以研　工运料或半手工送料的落后状态。生产过程中，一般　发新型机械手在低投入下实现自动化锻压送料至关　都是由工人用钳子将烧到１　０００多摄氏度的坯料夹到　重要。　锻压设备上，锻压过程中用钳子翻转工件，完成后再　１　机械手的总体设计方案　由人工用钳子将工件取出，加工过程中反复夹取钢铁　锻压机械手是面向锻压自动化生产而开发的工业　工件，劳动强度大。高温以及重型的压力设备对操作　自动化装置，是一项复杂的机电一体化工程项　工人时刻构成了严重的安全威胁。在国外，类似的自　目　。研究开发内容包括：　动化加工设备已经很多，如Ｅｔ本、美国、德国等都早　（１）锻压机械手本体研究开发　已有类似的机器人系统及多种配有机器人的生产线长　机械手本体是系统的任务执行单元，也是系统的　期工作于锻压生产线上　。　核心。根据对锻压过程中人工操作的动作流程分析，　目前，锻压生产中应用的工业机械手大部分还属　确定锻压机械手需要的动作方式及自由度数目，设计　于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要　出锻压机械手的结构形式。根据特定的已有锻压设　收稿日期：２０１２—０３—１４　基金项目：淮安市科技支撑计划（工业）资助项目（ＨＡＧ２０１０００６）；江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心开发　课题（ＳＺＫＴ２０１１－００５）　作者简介：黄银花（１９７８一），女，博士，讲师，研究方向为先进制造技术、智能车辆。Ｅ—ｍａｉｌ：ａｈｕａ一０９＠１２６．ｅｏｍ。　・３２・　机床与液压　表１　机械手样机本体各轴运动精度　第４１卷　备，确定各轴需要的运动范围，进行实际的范围简　化，在此基础上，进行机械手模型样机的整体机构　设计。　（２）机械手控制系统开发　以工业Ｐｃ机为平台，以现代运动控制技术为核　心，开发一套控制系统。通过运动控制器动态控制各　执行元件，从而控制机械手按运动的轨迹运动。　（３）机械手控制软件开发　设计一套界面友好、交互性强的锻压机械手控制　软件，软件以Ｗｉｎｄｏｓ操作系统为平台，便于人机交　互。通过软件，完成机械手运动轨迹规划，控制机械　手按照一定路径完成操作任务。　（４）研究试验方法及技术路线　２锻压生产中应用的机械手工作原理　锻压机械手通过手爪开合机构拉动手爪机构，使　手爪能够开合自如，同时手爪端部为Ｖ型槽结构，　可使抓取的工件自动定心；手爪转动机构可带着手爪　和手爪伸缩机构进行９０。转动，从而使工件能在锻压　的过程中实现翻转；手爪伸缩机构可使手爪顺利达到　抓取位置抓取工件，并能顺利地将工件放在锻模上；　手爪升降机构能保证手爪将工件从放置位置拿起，并　在锻压位置放下，在工件的搬运过程中防止与其他机　构相碰；控制系统采用电气伺服与气动驱动的混合驱　动方式，具有质量轻、响应快的特点。　锻压生产中机械手应用的解决方案如图１所　示。　针对锻压设备参数进行方案论证　３锻压生产中应用的机械手运动方案　ｌ　Ｉ　希雨　Ｆ＿１　Ｉ整体的样机加工ｌ　ｆ　ｌ　（１）取件　物料传感器检测到锻件；从初始位置开始，垂直　气缸向上动作到顶端，上位磁性开关接通，电磁阀恢　复中位；横向移动机构启动，向右运动，到右端限位　光电开关变化，控制横向移动的伺服电机停止；水平　气缸收缩，后端磁性开关接通，电磁阀保持线圈通电　状态；垂直气缸向下运动到中位磁性开关接通，电磁　．　阀恢复中位；电磁阀线圈断电状态，水平气缸推出，　深入研究推广　前端磁性开关接通，物品爪夹住锻件。　（２）锻件工序　图１机械手研制具体实施方案　．对特定工件的锻压过程进行分析，确定采用图２　物料传感器检测空气锤头，锤头抬起，传感器接　收到信号，锻件才能被挪动和转动；踏板电机启动，　上限位光电开关变化，向下运动到控制锻锤轻打位　置；锻锤落下，抬起（周期３次／ｓ），一次０．４３　ｓ；　锻件旋转电机从锻锤开始下落的０．１９　Ｓ（锻打一刻的　所示的机械手为锻压机械手基本结构形式，根据特定　锻压设备的外形尺寸、操作尺寸、工件负载进行机械　手模型样机具体外形尺寸及详细结构设计。合理划分　锻压过程动作及流程，设置一些关键工艺参数，从而　保证系统的柔性。　０．０１７　Ｓ后）开始旋转９０。，零位光电开关变化，经　历时间０．３３　Ｓ；锻锤第二次锻打，后旋转锻件４５。；　之后重复前３步的过程若干次，直至预计直径变为　４４　ｍｍ；踏板电机启动，向下运动到控制锻锤重打位　置；重复锻锤落下，抬起；锻件旋转电机，从锻锤开　始下落的０．１８　Ｓ（锻打一刻的０．０１７　Ｓ后）开始旋转　９０。经历时间０．３３　Ｓ；锻锤第二次锻打，后旋转锻件　４５。；之后重复前两步的过程若干次，直至垂直气缸　下位磁性开关接通，预计直径变为３７　ｍｍ；踏板电机　启动，向上运动到控制锻锤悬空位置。　（３）扔锻件　图２机械手本体结构　垂直气缸向上动作，到顶端，上位磁性开关接　通，电磁阀恢复中位；横向移动机构启动，向左运　机械手各运动轴实现精度如表１所示。　第８期　黄银花等：机械手在锻压生产中的应用研究　・３３・　动，左端限位光电开关变化，控制横向移动的伺服　电机停止；垂直气缸向下运动到中位磁性开关接通，　电磁阀恢复中位；锻件旋转电机旋转，零位光电开关　变化，锻件旋转电机停止；水平气缸收缩，后端磁性　开关接通，电磁阀保持线圈通电状态，物品爪张开，　锻件掉落；垂直气缸向上动作到顶端，上位磁性开关　４结论　随着工业自动化的发展，机械手逐渐成为一门新　兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛应用于　锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加工、喷漆、热　处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危　接通，电磁阀恢复中位；横向移动机构启动，右端限　位光电开关变化，向左运动到锻位一，控制横向移动　险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手因　其显著的优点而受到特别重视。该项目的成功研究，　可以为后续的深入研究、推广打下坚实基础，只要再　的伺服电机停止；垂直气缸向下运动到中位磁性开关　进行现有锻压设备锻压动作与机械手动作协调研究　接通，电磁阀恢复中位；锻件旋转电机旋转，零位光　后，投资２５万元即可实现自动化锻压。同时也可以　电开关变化，锻件旋转电机停止；水平气缸收缩，后　在极端制造生产环境下推广应用，推动相关行业绿色　端磁性开关接通，电磁阀保持线圈通电状态，物品爪　可持续发展。　张开，锻件掉落。如图３为锻件旋转电机进给图，图　参考文献：　４为步进电机进给图。　【１】夏鲲，徐涛，李静锋，等．工业机器人的发展与应用研究　脉冲／（Ｐ・ｓ　１　［Ｊ］．广西轻工业，２００８（８）：６３—６４．　２　８５８　【２】戴振华，朱春波．ＰＬＣ控制的气动翻转压套机械手［Ｊ］．　机床与液压，１９９９（２）：６９—７０．　【３】ＣＲＡＩＧ　Ｊｏｈｎ　Ｊ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ：Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｍ］．３ｒｄ　Ｅｄ．北京：机械工业出版社，２００５．　０．３３　０．２２　时间／ｓ　时间／ｓ　【４】徐刚，鲁洁．从ＣＩＭＴ２００７看锻压机床的现状与发展　（ａ）旋转电机进给９０。　（ｂ）旋转电机进给４５。　［Ｊ］．锻压装备与制造技术，２００７，４２（２）：２—９．　图３锻件旋转电机进给图　【５】朱梅．具有五自由度及张合气爪的液压机械手［Ｊ］．机　床与液压，２００６（１）：９６—９７．　：　【６】鲁洁．第九届中国国际机床工具展览会（ＣＩＭＥＳ２００８）锻　压展品专题报道［Ｊ］．锻压装备与制造技术，２００８，４３　（５）：２—４．　【７】臧华东．机电一体化技术培训系统的研发［Ｊ］．宿州教　育学院学报，２００９（１２）：１４８—１４９．　【８】耿跃峰，夏政伟．四自由度搬运机械手液压系统设计　Ｏ．７２　０．３３　时间／ｓ　时间／ｓ　［Ｊ］．机床与液压，２０１２，４０（２）：４２—４４．　（ａ）步进电机进给　（ｂ）步进电机返回　【９】ＡＮＧＥＬＥＳ　Ｊｏｒｇｅ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔｉｃ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓ－　ｔｅｍｓ：Ｔｈｅｏｒｙ，Ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　图４锻件步进电机进给图　Ｓｐｒｉｇｅｒ—Ｖｅｒｌａｇ　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　Ｉｎｃ，２００３：１３—１２９．　新技术可显著提高太阳能电池效率　加拿大科学家开发出一种可显著改善太阳能电池效能的新技术，该技术可在近红外光谱区提高３５％的太阳能转　换效率，总体转换效率（全光谱）由此增加１１％，从而使量子点光伏成为替代现有太阳能电池技术的极佳候选者。　相关论文发表在《纳米快报》上。　量子点光伏电池可提供低成本、大面积太阳能电力，但该器件在太阳光谱的红外段效率不高，而红外段占据了到　达地球的太阳能的一半。加拿大多伦多大学工程学教授泰德・萨金特及其研究小组提出：通过频谱调谐、溶液处理的　等离子纳米粒子，对光的传播和吸收可提供前所未有的控制能力。　胶态量子点具有两大优势。首先是更廉价，因为它们降低了每瓦电力产生的成本，但更主要的优势在于，只需简　单改变量子点的大小，就能改变吸收光谱。大小容易改变且可调谐是等离子材料的属性：通过改变等离子粒子的大　小，研究人员就能将这两种重要纳米粒子的吸收和散射光谱重叠起来。　萨金特研究小组通过将金纳米壳直接嵌入量子点吸收膜提高了太阳能电池的效率，他们下一步将寻找利用更廉价　的金属来达成相同的目标。美国加州大学纳米系统研究所所长保罗・维斯认为，该项研究的重要性在于展示了通过调　节纳米粒子特性以提高太阳能电池效率的潜力。　（来源：中国科技网）