一种红冲机械手冲压高度补偿装置.pdf

本发明公开了一种红冲机械手冲压高度补偿装置，现有的冲压加工中，都要求夹持装置始终稳固夹持工件，防止冲压过程对工件的位置和姿态造成影响，这样不可避免的会造成冲压过程前后，机械臂的末端会随着工件的形变而向下位移，当机械臂与其安装面之间是刚性连接时，这样程度的位移会对机械臂整体或机械臂部分部件造成形变，最终会对机械臂的稳定性和机械寿命造成极大的影响。本发明包括冲压高度补偿机械装置和电气控制系统；所述高度补偿机械装置，包括框架、滑动块、电磁铁、固定柱、固定螺丝、弹簧、指型气缸；本发明实现冲压过程中的高度补偿，降低冲压过程对机械臂的影响，可以提高夹持机构以及整个红冲加工系统的稳定性和使用寿命。

权利要求书
1.  一种红冲机械手冲压高度补偿装置，包括冲压高度补偿机械装置和电气控制系统；所述高度补偿机械装置，包括框架、滑动块、电磁铁、固定柱、固定螺丝、弹簧、指型气缸；所述的电气控制系统由PLC实现；
所述框架安装在机械臂末端，两者通过紧固螺丝进行连接；框架由上、下底板和中间隔板构成，中间隔板令框架整体成不对称的工字型结构，框架中间隔板上设有贯通的方孔结构；框架较长端内用于安装与夹持滑动块相关的装置，较短端内用于安装电磁铁；电磁铁的一端插入在中间隔板的方孔结构中，与隔板之间采用紧固螺丝进行连接；框架较长端上下各有三个螺孔，用于安装三个固定柱，三个固定柱的两端采用螺纹结构，与框架之间紧固连接；滑动块上有三个通孔，孔径大于固定柱的直径，通孔与固定柱之间的间隙保证固定柱和滑块顺滑滑动，且间隙带来的水平方向偏差不影响工件加工；将三个固定柱穿过滑动块的通孔后，在固定柱上下端各放入弹簧，之后将固定柱旋紧在框架上；指型气缸安装在滑动块上，两者之间采用螺丝进行固定连接；电磁铁的控制输入端与电气控制系统相连接；指型气缸的控制输入端与电气控制系统相连接。

2.  根据权利要求1所述的一种红冲机械手冲压高度补偿装置，其特征在于：上下两个弹簧在不受力情况下的长度加上滑动块的长度之和，大于上下底板之间的距离。

说明书一种红冲机械手冲压高度补偿装置
技术领域
本发明属于红冲自动化控制技术领域，具体涉及一种红冲机械手冲压高度补偿装置。
背景技术
随着红冲加工自动化程度的不断提高，整套的红冲加工流水线系统正在逐渐替代传统的人工红冲加工。现有较为成熟的红冲加工流水线由送料机构、加热机构、冲压机构、抓取搬运机构和收料机构组成，在PLC控制下完成整个加工时序。其中抓取搬运机构大部分由三轴机械手构成，实现在三维空间的运动，并在端部安装夹持装置用来夹持并移动工件。在大部分的冲压加工中，都要求夹持装置始终稳固夹持工件，防止冲压过程对工件的位置和姿态造成影响，最终影响工件加工质量。这样不可避免的会造成冲压过程前后，机械臂的末端会随着工件的形变而向下位移，当机械臂与其安装面之间是刚性连接时，这样程度的位移会对机械臂整体或机械臂部分部件造成形变，当这种形变反复出现时，会对机械臂的稳定性和机械寿命造成极大的影响。针对这一问题，我们提出一种红冲机械手冲压高度补偿装置，通过设计机械结构和相应的电气控制方案，实现冲压过程中的高度补偿，将此过程对机械臂的影响降到最低，从而提高夹持机构乃至整个红冲加工系统的稳定性和使用寿命。针对不同规格的红冲工件，提出算法预估机械臂末端的形变位移大小，并对相应的机械结构进行调整，提升这一补偿机构的通用性。
发明内容
本发明针对现有红冲机械手的不足，设计一种红冲机械手冲压高度补偿装置。
本发明一种红冲机械手冲压高度补偿装置，包括冲压高度补偿机械装置和电气控制系统；所述高度补偿机械装置，包括框架、滑动块、电磁铁、固定柱、固定螺丝、弹簧、指型气缸；所述的电气控制系统由PLC实现。
所述框架安装在机械臂末端，两者通过紧固螺丝进行连接。框架由上、下底板和中间隔板构成，中间隔板令框架整体成不对称的工字型结构，框架中 间隔板上设有贯通的方孔结构；框架较长端内用于安装与夹持滑动块相关的装置，较短端内用于安装电磁铁。电磁铁的一端插入在中间隔板的方孔结构中，与隔板之间采用紧固螺丝进行连接。框架较长端上下各有三个螺孔，用于安装三个固定柱，三个固定柱的两端采用螺纹结构，与框架之间紧固连接。滑动块上有三个通孔，孔径大于固定柱的直径，通孔与固定柱之间的间隙保证固定柱和滑块顺滑滑动，且间隙带来的水平方向偏差不影响工件加工；将三个固定柱穿过滑动块的通孔后，在固定柱上下端各放入弹簧，之后将固定柱旋紧在框架上。指型气缸安装在滑动块上，两者之间采用螺丝进行固定连接。电磁铁的控制输入端与电气控制系统相连接。指型气缸的控制输入端与电气控制系统相连接。
上下两个弹簧在不受力情况下的长度加上滑动块的长度之和，大于上下底板之间的距离。
本发明有益效果如下：
本发明专利通过设计机械结构和相应的电气控制方案，实现冲压过程中的高度补偿，降低冲压过程对机械臂的影响，可以提高夹持机构以及整个红冲加工系统的稳定性和使用寿命。
附图说明：
图1为本发明整体安装的侧上方视图；
图2为本发明整体安装的主视图；
图3为机械手末端侧视图；
图4-1为框架侧上方视图；
图4-2为框架左视图；
图5-1为固定柱的主视图；
图5-2为固定柱的侧上方视图；
图6-1为滑动块的侧上方视图；
图6-2为滑动块的俯视图；
图7-1为指型气缸的侧上方视图；
图7-2为指型气缸的主视图；
图7-3为指型气缸的俯视图；
图8-1为电磁铁的侧上方视图；
图8-2为电磁铁的左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1、图2所示，机械手末端(图3)与框架(图4-1、图4-2)之间采用紧固螺丝3-1，3-2，3-3，3-4进行连接，具体的安装机构根据红冲机械手末端结构的不同而特殊设计。框架整体成不对称的工字型结构，框架中部有贯通的方孔结构4-1，方孔结构的形状和大小根据所采用的电磁铁型号的不同可进行适当调整。框架较短端4-2的空间用于安装电磁铁，框架较长端4-3的空间用于安装固定柱和为滑动块运动提供空间。框架较长端上下各有三个螺纹孔4-4～4-9用于安装固定柱(图5-1、图5-2)。三个固定柱的上下两端均需要配置螺纹5-1，5-2，与框架上的螺纹孔紧密配合4-4～4-9。如图6-1、图6-2所示，滑动块上有三个通孔6-1，6-2，6-3，三个通孔的大小相同，孔径大于固定柱的直径，通孔与固定柱之间的间隙保证固定柱和滑块顺滑滑动，且间隙带来的水平方向偏差不影响工件加工；另滑动块有两个螺纹孔6-4，6-5用来与指型气缸进行连接。将固定柱插入滑动块之后，分别在固定柱的上下端套上弹簧，在三个固定柱上共需要套六个弹簧，这六个弹簧的型号大小根据所加工的器件型号不同而不同，具体的参数计算算法将在下面进行详述，但须满足的基本要求为：弹簧的孔径略大于固定柱的直径，上下两个弹簧在不受力情况下的长度加上滑动块的长度之和，大于上下底板之间的距离。将固定柱、弹簧和滑动块三者的位置关系安排好之后，将固定柱安装在框架上，当弹簧的长度满足上述要求的情况时，滑动块受到上下两组弹簧方向相反的力作用，可以在竖直方向上滑动，而在水平方向上的位移空间很小。如图7-1、图7-2、图7-3所示，指型气缸上留有与滑动块相连接的螺丝孔7-1，7-2，指型气缸和滑动块之间使用螺丝紧固连接。
除了机械连接之外，另有两处电气连接，如图8-1、图8-2所示，分别是电磁铁线圈端8-1和指型气缸与电气控制系统(PLC)之间的电气连接。电磁铁的控制需要两端口的电气输入，当通电时电磁铁动作产生磁力，吸附铁磁性物质，当断电时电磁铁不动作，两端口的输入通过导线与电气控制系统相连接；指型气缸的输入至少需要两个信号输入，即夹持和放开两个动作，因此至少连接两根导线至电气控制系统。
本发明工作过程如下：
为提高本发明专利针对不同型号工件的通用性，提出一种运动幅度调整算法。根据不同工件的不同尺寸和加工要求，设计一种计算缓冲机械装置的滑动块及弹簧配置方法。
冲压过程中工件的高度和横截面积均发生变化，其中横截面积的变化会造成指型气缸的夹持距离发生变化，该变化由指型气缸中气体的压缩进行自动补偿；另外高度的变化由本发明设计的缓冲装置进行补偿。
由红冲加工的要求可知，指型气缸的夹持位置普遍采用工件的中点，即指型气缸竖直方向的中点和工件竖直方向的中点相重合。冲压过程中工件高度发生变化，由于指型气缸始终保持夹紧状态，两者之间中点对齐的关系保持不变，因此缓冲装置滑动块的位移距离为工件压缩长度的一半。
根据滑动块的位移距离设计弹簧的各项参数。由于弹簧的压缩形变主要发生在冲压过程中，而冲压过程中竖直方向的力极大，完全可以忽略弹簧在竖直方向上的力，弹簧的作用仅为在非冲压状态下恢复至初始位置，且恢复过程不应产生明显的抖动，另外非冲压情况下有电磁铁辅助保持滑动块位置，因此弹簧的弹性系数应选择中等或偏小，不宜过大。
规定在滑动块仅受重力和两个弹簧推力的情况下，上下两个弹簧的长度为初始长度。规定指型气缸在夹持和空间移动的过程中，电磁铁始终保持动作吸附状态，滑动块与框架之间不发生相对运动，此阶段定义为阶段一；在冲压的过程中，电磁铁处于释放状态，滑动块可以随着冲压的过程与框架之间产生相对运动，此阶段定义为阶段二。
规定在阶段一，弹簧保持初始长度，电磁铁的吸附起到辅助保持的作用。规定在阶段二，滑动块随着冲压与框架之间产生相对运动，离开初始位置，上方弹簧由初始长度拉伸一段位移，下方弹簧由初始长度压缩一段位移，该位移即是通过上述算法计算出的滑动块位移距离。
由此可知，须根据加工工件的大小提前设计上下两个弹簧的长度，保证下方弹簧的可压缩距离大于滑动块位移距离，并适当留有裕量。
整体的控制时序流程
本发明专利为传统的红冲机械手末端设计缓冲机械结构，配合相应的电气控制机构实现缓冲功能。红冲机械手在冲压的过程中实现两个功能，分别是夹持工件进行空间位置移动和在冲压的过程中加持工件以维持工件姿态，由 于两种情况下对缓冲机构要求不同，需要针对不同的情况施加不同的控制。其具体的控制时序流程如下。
1、红冲机械手从送料装置上夹取工件时，指型气缸由松开转为夹紧状态，电磁铁保持动作吸附状态；
2、红冲机械手需要经过xyz三轴运动将工件移动至指定冲压位置，移动过程为先完成xy方向(水平方向)的位移，之后再完成z方向(竖直方向)的位移。在空间移动过程中，指型气缸保持夹紧状态，电磁铁保持动作吸附状态
3、在移动到指定位置(放置在冲压模具上)后，电磁铁断电转为释放状态，指型气缸仍保持夹紧状态；
4、冲床动作向下进行冲压，整个冲压过程中电磁铁和指型气缸的状态保持不变；
5、冲压完成后指型气缸由夹紧状态转为松开状态，此时滑动块受上下两个弹簧的作用力恢复到初始位置，之后电磁铁由释放状态转为动作吸附状态。
6、红冲机械手经过xyz三轴运动至送料装置处，进入下一个加工周期。