一種刮板式分張裝置在自動化設(shè)備中的應(yīng)用

吉方靖，王 銳，孔 堯

（江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200）

在沖壓自動化生產(chǎn)線中，前工序通常是碼垛堆，所以金屬板材分張裝置必不可少。若上料過程中出現(xiàn)取雙料或多料的情況，則會導(dǎo)致產(chǎn)線停止運作。因此，穩(wěn)定可靠的分張裝置可有效提高分張成功率，提高產(chǎn)線生產(chǎn)效率。

1 研究背景

冷沖壓作業(yè)中板料的分離，特別是汽車沖壓自動化生產(chǎn)線，多采用機械手對板材進行分離。機械手抓料代替人工上料，板料被機械手吸盤吸起放入下一道工序。由于板料在運輸和存放過程中容易氧化，因此板料在出廠前須涂防銹油。而涂有防銹油的板料在疊放時板料間會產(chǎn)生粘性及真空，不利于板料的分離，導(dǎo)致機械手的吸盤無法準確吸取單片板料，造成自動化生產(chǎn)線無法正常工作，降低工作效率，失去自動化上下料生產(chǎn)線的優(yōu)勢。因此在抓取板料時，需要分張裝置對板料進行分張。目前的板料分張方式主要有磁力分張、氣動分張、機械分張三種類型。

1.1 磁力分張與氣動分張

磁力分張只適用于薄板或者面積小的磁性材料。它的工作原理是利用強力磁鐵的磁化作用，使得同一側(cè)的鋼板同極磁化。根據(jù)同性相斥的原理，板材之間會產(chǎn)生排斥力，在排斥力的作用下板材之間會形成一定間隙，此時機械手吸盤就可以實現(xiàn)單張板料的抓取。

氣動分張通常采用氣刀法。它的工作原理是壓縮空氣進入風(fēng)刀高壓腔，氣流通過噴嘴后在氣刀長度方向形成一張均衡的具有強沖擊力的氣流薄片，對著板材中間吹氣，將板材分離。此方法能源消耗較大，且分離效果不穩(wěn)定。

1.2 機械分張

機械分張是適用性最廣的分張方法，它不受材料磁性和板厚的限制，可適用于大多數(shù)板材的分張。其原理是利用齒形板對料垛進行勾取，將料垛的最上層板料分離出來，再由機械手吸盤抓取走。

此分張方式更節(jié)能、耗氣量更低。在材料多樣化的生產(chǎn)環(huán)境中更具優(yōu)勢。

2 設(shè)備與應(yīng)用

2.1 活動刮板式分張裝置

本公司基于機械分張原理，設(shè)計出一款操作簡單、穩(wěn)定性高、通用性強的機械式板料分張裝置。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，刮板式板料分張裝置由拉伸彈簧（6）、折彎支架（4）、連接墊板（3）、導(dǎo)向氣缸（2）、氣缸安裝支座（1）、刮板（8）、銷軸（7）、彈簧連接軸（5）、限位塊（9）、單向節(jié)流閥（10）、接近開關(guān)（11）以及其他連接緊固件組成。

圖1 刮板式板料分張裝置結(jié)構(gòu)圖

其中，導(dǎo)向氣缸（2）通過緊固件裝配在氣缸安裝支座（1）上，連接墊板（3）與導(dǎo)向氣缸（2）活塞桿連接板連接，折彎支架（4）固定在連接墊板（3）上，刮板（8）在銷軸（7）的連接配合下，與折彎支架（4）相連，兩個彈簧連接軸（5）通過螺栓緊固件分別固定在折彎支架和刮板上，拉伸彈簧兩端安裝在彈簧連接軸（5）上，整個板料分張裝置通過氣缸安裝支座（1）裝配在上料抓手上。

2.3 工作原理

此分張裝置配合吸盤機械手、扳邊裝置一起工作。首先，機械手吸盤吸附在板料上，并緩慢抬升少量高度；接著，分張裝置的導(dǎo)向氣缸開始工作，活塞桿作收縮運動，折彎支架與刮板隨著活塞桿運行到堆垛板料側(cè)邊的上端位置；此時氣缸上的接近開關(guān)給出監(jiān)測信號，扳邊裝置開始對板料進行扳邊的動作；刮板在與板料進行碰撞和接觸后，會在彈簧拉力和板料作用力的作用下自動調(diào)整至與板料邊部接觸，且刮板與板料側(cè)邊作相互運動。因刮板前端接觸面是密集鋸齒面，板料側(cè)邊與鋸齒面相碰撞，可以破壞板料間的粘性，使之分開，完成板料分張工作。

如圖2 所示，此分張裝置具體工作過程為：吸盤機械手吸附板料上升一段高度后，導(dǎo)向氣缸2 左端單向節(jié)流閥10 進氣控制導(dǎo)向氣缸2 活塞桿收縮運動，帶動折彎支架4、刮板8 移動至板料邊部上端，接近開關(guān)11 給出監(jiān)測信號，扳邊裝置對板料進行扳邊，板料與刮板8 碰撞接觸后，刮板8 角度位置在拉伸彈簧6 拉力、板料對刮板8 作用力的作用下自動調(diào)整，調(diào)整至板料邊部與刮板8 接觸后，此時刮板8角度位置基本固定，扳邊裝置繼續(xù)對板料進行扳邊，此時板料邊部與刮板8 間接觸并存在相互運動關(guān)系，刮板8 與板料的接觸曲面設(shè)計為密集鋸齒面，板料邊部運動過鋸齒面后，板料邊部與鋸齒的連續(xù)碰撞振動破壞板料間的粘性，下端板料在自身重力的作用下脫離上端板料，完成板料分張，導(dǎo)向氣缸2 右端單向節(jié)流閥10 進氣，控制導(dǎo)向氣缸2 活塞桿伸長運動，帶動折彎支架4、刮板8 遠離板料，板料分張工序完成。

圖2 板料分張裝置工作過程示意圖

2.4 相關(guān)計算分析

以下介紹本發(fā)明專利涉及的相關(guān)計算。

如圖3 所示為刮板8 受力示意圖，所受作用力有：拉伸彈簧6 的拉力RF，板料對其作用力RE，自身的重力RS，銷軸7 對其作用力RA。結(jié)合圖3，以點A為基準創(chuàng)建xy 坐標系，刮板8 的力學(xué)平衡方程可表示為

圖3 刮板的受力圖

式中：xF、xS、xE、yF、yS、yE為點F、S、E 在xy 坐標系中的坐標值。

式中：θF、θA、θE為各作用力矢量方向相對于x 軸正方向的角度。

拉伸彈簧6 的拉力大小RF及方向θF、板料對刮板8 的作用力方向 可通過運動學(xué)分析獲得，對圖2分張裝置示意圖的數(shù)學(xué)模型簡化，簡化后的機構(gòu)示意圖如圖4 所示，刮板8 簡化為繞固定點A 轉(zhuǎn)動，刮板8 與板料接觸面為圓形結(jié)構(gòu)，其圓心為D，刮板8與拉伸彈簧支柱5 連接點為F，折彎機構(gòu)4 與拉伸彈簧支柱連接點位B，點A 位于折彎支架4 上，其位置可隨彎支架4 左右、垂直方向移動，點B、點F 是腰孔配合，可小范圍調(diào)動，桿BF 為拉伸彈簧6，其長度隨刮板8 角度位置變化，板料由機械手固定端為C，板料端部為E。

結(jié)合圖4，l1為板料邊部相對固定端距離，可小范圍隨機變動變動，l2為刮板8 端部圓心距中心轉(zhuǎn)軸的距離，其值固定不變，l3、l5為拉伸彈簧支柱5與銷軸7 間距離，裝配位置可小范圍變化，裝配完成后、值也將固定，為拉伸彈簧長度，隨刮板8 角度位置變化。以點C 位基準，創(chuàng)建 坐標系，點E 的運動曲線與扳邊裝置有關(guān)，在此不再對其進行詳細說明，將板料邊部E 的位置方程表示為式（3）所示。

圖4 簡化數(shù)學(xué)模型

定義xy 坐標系與mn 坐標系間的變換方程為T，T 與兩坐標系間的相對位置有關(guān)，則板料邊部點E在xy坐標系中的方程可表示為式（4）

點E 運動軌跡曲線的斜率即為板料對刮板8 的作用力方向，兩坐標系間不存在旋轉(zhuǎn)，點E 的運動軌跡曲線在xy 坐標系中的斜率可表示為式（5）。

點E 對應(yīng)的角度函數(shù)可表示為式（6），并結(jié)合實際情況進行邊界條件約束。

板料邊部與刮板8 接觸過程中，刮板8 的角度位置可通過圓心D 位置求得，圓心D 求解協(xié)調(diào)方程可表示為式（7）

結(jié)合xE、yE即可求得xD、yD，定義夾角∠SAD 為θSD，夾角∠FAD 為θFD，則重心點S 相對于轉(zhuǎn)軸的角位移函數(shù)可表示為式（8），點F 相對于轉(zhuǎn)軸的角位移函數(shù)可表示為式（9）。

AF長度、角度均已獲得，點F 的坐標方程（xFyF）可表示為（l3cosθFl3sinθF），點B 的坐標（xByB）在裝配固定后已知，拉伸彈簧6 的角度函數(shù)可表示為式（10）。

拉伸彈簧6 初始長度定義為l40，剛度定義為K，則拉伸彈簧6 工作過程中的提供的拉伸力變化可表示為式（11）。

將式（6）、式（8）、式（9）、式（10）、式（11）代入式（1）的平衡方程組，式（1）方程組的未知數(shù)包括RAx、RAy、RE，式（1）三個平衡方程三個未知數(shù)，對其求解即可獲得刮板對板料邊部的作用力。

折彎支架3 的裝配位置調(diào)節(jié)即為式（4）中的兩坐標系間的坐標變換矩陣T 調(diào)節(jié)；拉伸彈簧支柱5的裝配位置調(diào)整即為AB、AF長度調(diào)節(jié)；結(jié)合上述計算公式可以看出，改變以上參數(shù)可調(diào)節(jié)板料邊部與刮板8 間的作用力。

3 總結(jié)

本裝置很好地解決了不同材質(zhì)、不同板厚板料，所需的分張力大小不同的問題。同時此裝置已應(yīng)用于公司沖床多個型號上料裝置中，市場反饋效果很好。

經(jīng)自動化生產(chǎn)線的實際工作驗證，本裝置的分張功能可靠穩(wěn)定，靈活性高，成本低通用性強。

經(jīng)實踐，本裝置在實際自動化生產(chǎn)線中有著幾個非常明顯的優(yōu)點：①通用性強，對于磁性板料與非磁性板料，以及薄板與厚板，都可以進行分張；②穩(wěn)定性高，通過刮板與板料側(cè)邊連續(xù)碰撞振動的方法進行分張，原理簡單實用；③在拉伸彈簧的作用下，刮板與板料側(cè)邊的相互作用力可調(diào)節(jié)，刮板的使用壽命更長，且此結(jié)構(gòu)更換刮板也很方便。