陈浩齐

（江门职业技术学院 机电技术系，广东 江门 529090）

异形薄片类钣金自动冲压成型设备的设计

陈浩齐

（江门职业技术学院 机电技术系，广东 江门 529090）

针对异形薄片钣金冲压目前依然普遍采用手工操作的状况，以36码旱地溜冰鞋防护铝片的冲制为例，对设备进行了自动化改造尝试. 即，在传统冲压设备上添置若干专门机构及控制系统，将其升级为简易型自动冲压设备：一是采用活动储料仓、靠模侧推分离技术，解决异形薄片工件在装卸料过程中棘手的分离、抓取以及运送难题；二是基于PLC逻辑控制平台开发了冲床与各机械手互联工作的安全协议，全程监控工作过程中可能出现的安全问题. 实物样机调试验证的结果表明：本技术方案能够取代当下某异形薄片工件完全依赖人手装卸料和手动操控冲裁的工作模式，不仅大大消除了生产过程中的安全隐患，生产效率也大为提高，产量由传统人工操作时的5 000件/人/班提高至现在的28 800件/人/班.

异形薄片钣金；自动冲压设备；机械手；控制系统

金属冲压是工业生产中普遍使用的一种成型加工方法[1-2]. 随着技术革新的不断发展，近年来各种简易型自动化冲压设备逐渐进入到冲压行业，然而，这些设备目前普遍只能冲制那些形状规整并且易于堆叠与分离的产品. 对于那些厚度较薄、表面平整光滑且外形又不太规则的异形薄片工件，由于堆叠时互相挤压而在片与片之间产生的真空致使利用常规的分离手段（如真空吸取、电磁吸取等）难以对其进行有效的逐片分离，给工件的分离、抓取以及运送带来了很大的困难，并且采用传统的简易型自动冲压设备很难对其进行有效冲制. 目前，这类工件的冲制主要依赖人工的操作方式来完成，由此产生两个突出问题：1）生产效率较低，企业负担加重；2）安全事故频发，基于人手操作完成的冲裁料进给与装卸过程，存在着很大的安全隐患，严重危及到劳动者的身体健康. 鉴于此，研发能减少人工操作工序并能高效完成异形薄片类工件自动冲压的设备成为了当下企业迫切需要解决的课题. 在此背景下，本文以旱地溜冰鞋防护铝片的冲压生产为研究对象，设计开发了面向异形薄片类金属板件的自动化冲压成型设备.

1 机械部分的设计

1.1 总体机械方案

本文的冲制目标工件为“36码旱地溜冰鞋防护铝片”，该工件的坯料形状和需要冲制的孔洞及隆起构造如图1-a所示，其中坯料的形制由前面的工序完成，当前工序为冲制该坯料上用于安装的若干孔洞以及用于加强刚度及服务造型需要的隆起构造. 不难看出，这是一个典型的异形工件坯料，它的厚度只有1.5 mm，属于薄片工件. 针对该工件的结构特点，本文将冲制设备的机械部分分解成储料仓、靠模分离机构、送料机械手和取品机械手等模块. 整个设备的总体设计方案如图1-c所示，其工作原理是：打开储料仓，把异形金属钣金薄片放入左右两个储料仓；生产工作时，靠模气缸推动靠模把料堆最底部的异形薄片工件推至活动工作台中部中转工作台的模腔之内，送料机械手将中转工作台模腔中已经成为单片坯料的工件吸取后再送入冲床进行冲制，冲压成型后的工件由取料机械手取走并送至成品堆叠处进行堆叠，至此完成一个冲制节拍.

图1 旱地溜冰鞋防护铝片及其自动冲制设备总体设计方案示意图

1.2 各分机构的设计

1.2.1 储料仓

储料仓用于异形薄片钣金件的堆叠、分离和提升. 本案设计了两个储料仓，由它们轮流为冲压设备供料，籍此大幅提高生产效率. 储料仓由前后侧板、前后调整手柄、左右侧板、左右调整丝杆等机构组成. 为保证送料入模的精度，左右调整丝杆机构两端的螺纹互为反向螺纹，当旋转调整手柄时，它带动左右侧板向心同步移动，保证钣金毛坯件的中心位置不变，并始终与模具中心线平齐.同时，前后左右的侧板均可以调整，以适应不同的异形薄片工件冲制. 由此可见，本案储料仓的设计具有调整简单、适应性强和可靠准确的特点.

1.2.2 靠模分料机构

靠模分料机构用于堆叠料片的分离. 由于薄片钣金坯件在开料工序中表面沾结了切削液或油，堆叠后互相挤压又在片与片之间产生了真空，使得从垂直于料片表面方向进行逐件拾起分离难于成功（会粘连出随机的若干件料片）. 本案采用靠模侧推法分离薄片，即利用靠模把薄片推出储料仓并输送到机构中部的定位中转平台上. 如图2所示，靠模分料机构由活动靠模、推料气缸等组成，靠模可根据加工坯件的形状拆卸更换，结构简单、使用方便.

1.2.3 中转平台

中转平台承接从储料仓分离出来的异形薄片钣金，并将其提升送到送料机械手的待机位置. 其表面由前模板、后模板组成，两块模板组合于中转平台中间，并形成与待加工薄板材料外形尺寸一致的凹模. 此凹模中心与冲压设备中的模具中心一致，从而保证送料入模的精度. 为了避免薄片分离后位置不确定，当左储料仓分离出料时，前模突起起到挡料定位的作用；同理右储料仓分离出料时，后模突起并对料片进行挡料定位. 当被分离的薄片钣金落入中转平台后，安装在其下方的提升气缸上升，把料送到送料机械手待机位置.

1.2.4 送料机械手和取品机械手

送料机械手把分离后的异形薄片钣金送入冲压设备的模区内，冲压成型后，取品机械手将其从模区取出. 二者机构上大致相同，均使用气缸驱动来实现两轴轴向方向的运动. 如图3所示，机械手由手臂安装座、手臂、手臂夹具、上下前后气缸、直线导轨等组成. 其中手臂、前后气缸、手臂前后上下缓冲器、活动拖链等机构集成于手臂的安装基座上，结构比较紧凑. 手臂前后方向均使用直线导轨进行导向，能较好地保证手臂前后运动的稳定性与准确性. 由于在手臂的前后上下均设置了“位置及行程”调节装置，因此该装置能与不同吨位的冲压设备适配，可用于大多数吨位的冲压设备（包括气动、齿轮、油压等类型的冲床）.

图2 靠模分离结构示意图

图3 送料机械手结构图

2 控制系统的设计

传统的液压冲床一般没有配置控制系统，只有简单的逻辑电路对其进行控制及保护，因此在送料机构送料、取品时存在较大的安全隐患[4-7]. 为了保证其他设备与冲压设备联机工作时的安全性、降低安全风险，本文提出一种冲床与机械手互联的安全工作控制协议.

安全协议设定的基本原则：1）把冲压设备工作范围定义为“模区”，其他区域定义为“模外”；2）机械手必须在冲压设备输出“开模到位”信号才能够进入模腔工作，同时该信号必须保持，否则机械手将视为危险而马上返回原点并发出报警、切断液压冲床的合模油阀；3）机械手运行到“模外”，发出“合模安全”信号后液压冲床才能合模；4）一旦机械手或液压冲床存在工作报警，将禁止合模动作，直到警报解除. 本协议解决了一般冲压设备“无脑”控制的缺陷，增强了冲压设备与机械手联机工作时的安全性与协调性，极大地提高了设备的可靠性和安全性.

本文的控制系统基于PLC逻辑控制平台进行开发，其中控制系统通过触摸屏响应外部各种控制指令，各类传感器、磁性开关等控制信号作为PLC的输入信号并用于控制气动系统和电机，气动系统响应各个控制指令并驱动对应的气缸或者电机，据此实现各机构的一系列关联动作. 冲压设备联机工作安全控制协议的具体逻辑流程如图4所示，图5是完成一个生产节拍时分配给各工序的时间与顺序.

综合图4和图5，本文开发的控制系统具有如下特点：1）具有良好的人机控制界面，可以编辑运动加工程序、控制和显示机器运行状态等，人机互动性好；2）具有示教功能，可以简单快速编写机器运行程序；3）具有实时安全监测、保护、报警等功能，可以保护各机械手与冲压设备联机工作时的安全性；4）作为用于车间现场的生产设备，控制系统软件的实时性强、可靠性高、操作简便直观；5）为便于调试与使用，系统提供了各机构的手动控制功能.

图4 控制系统工作逻辑工作流程

图5 各动作时序图

3 样机调试及结果

3.1 调试前的准备

1）检验机械动作

打开电源、气压开关，将设备总气压调至0.5 MPa；控制系统调至手动模式，单独手动操作设备各项动作，检查动作的完成情况.

2）检验设备信号

手动模式下操作设备，检查各动作检测信号是否正常，特别注意机械手与冲压设备互联的安全互锁信号是否正常.

3）单循环运行测试

完成以上检验后，进入动作教导模式编写运行动作程序，选择单循环模式进行运行测试，检验设备的动作连贯性和信号逻辑性.

4）全自动循环运行测试

设备调至全自动循环运行模式连续工作，测试在不同的工作条件下设备的连续运行能力. 以80T液压冲床生产36码旱地溜冰鞋防护铝片为例，设备的调试运行条件如表1所示.

表1 试运行条件

3.2 调试操作过程

打开设备电源，让设备回原点；堆叠待加工的钣金材料于储料仓，并调节活动仓至夹紧材料状态；调节送料、取品机械手手臂的行程；将手控器调至“单循环”状态执行一次程序，根据执行情况调整各动作时间. 检查工作区域状况，排除干扰情况；开动“自动”模式，进入自动工作状态. 调试操作流程如图6所示.

图6 调试操作流程简图

3.3 调试结果

以80T液压冲床工作8 h生产36码旱地溜冰鞋防护铝片为例，设备的调试结果如表2所示. 由表2可以看出：在正常的生产环境下，与手工操作相比，本案大大提高了生产效率和生产安全.

表2 调试结果

4 结论

针对冲压成型设备在异形薄片类钣金工件装卸料过程中移位和拾取的难题，本文以36码旱地溜冰鞋防护铝片的冲制为例，将冲制设备的机械部分设计成储料仓、靠模分离机构、送料机械手和取品机械手等功能机构进行协同工作；另外，为了保证冲压设备与相关辅助装置之间联机工作时的安全性，提出了一种基于PLC逻辑控制平台的冲床与机械手互联安全工作控制协议. 实践表明，本文设计的简易型自动冲压设备，其机械部分装配及调试简单、工作运行可靠；其控制系统采用开放式可编程技术，可存储多种产品信息，互换性较强. 特别地，本设备能适应多种型号的异形不规则薄片类钣金的冲压成型，并且可与各种气动、齿轮、油压型冲床进行联机扩展，既可单机操作也可多机连线操作，且对设备的吨位无特殊要求. 本文的技改工作可以实现多种规格异形薄片工件的柔性化快捷生产，大幅提高了生产效率并极大减少了安全事故，对当下微小型企业机器换人过程中的设备改造有一定的启迪意义.

[1] 李文彬，王玲军，南庆季. 多工序冲压生产的自动化[J]. 锻压装备与制造技术，2006(4): 26-28.

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[责任编辑：熊玉涛]

Research on the Automatic Press Forming Equipment for Irregular Sheet Metal Tabs

CHEN Hao-qi
(Department of Electromechanical Technology, Jiangmen Polytechnic, Jiangmen 529090, China)

In the light of the fact that manual operation is still widely adopted in the irregular thin sheet metal stamping, this study takes the stamping of the protective aluminum sheet of roller skates as an example and makes an attempt at the automation of the equipment. Some special components and control systems are added to the traditional stamping equipment to upgrade it to simple automatic stamping equipment. One approach is to adopt the active storage bin and the profiling side push separation technology to solve the tricky problem of separation, grab and conveying; another approach is to develop a safety protocol regarding the punch press and mechanical arms based on the PLC logic control to monitor the security problems that may arise in the process of monitoring. Real test results show that the technical scheme can replace the current working mode in which the processing of irregular thin sheet workpieces depends entirely on manual handling of materials and manual manipulation of the blanking. The new scheme can not only substantially reduce safety accidents in the production process, but also can improve production efficiency, thus increasing the overall outputper man shift from 5,000 to 28,800 pieces.

special shaped sheet metal; automatic stamping equipment; manipulators; control systems

TP23

A

1006-7302（2017）01-0034-06

2016-10-13

江门市基础理论与研究科技计划项目（21040080086184）

陈浩齐（1984—），男，广东广州人，讲师，硕士，研究方向为机电一体化.