从世界制造业和锻造工业的发展趋势来看，绿色制造和生产过程自动化是必然趋势。现有锻件制造企业需要提高生产过程自动化程度，减少生产过程对工人的健康危害，提高生产效率和产品质量。我国虽然是一个锻造大国，但不是一个锻造强国，锻造设备的机械化和自动化程度也很低，大多数锻造设备处于手工运输或半手工喂料落后的状态。在生产过程中，烧到1000℃以上的毛坯一般由钳子工人夹紧在锻造设备上，在锻造过程中用钳子翻转工件，然后用手动钳子取出工件，在加工过程中反复夹紧钢铁工件，劳动强度高。高温高压设备在任何时候都对操作人员构成严重的安全威胁。在国外，已经有很多类似的自动加工设备，如日本、美国、德国等类似的机器人系统，各种生产线上的机器人一直在锻压生产线上工作很长时间。

目前，用于锻造生产的工业机械手大多属于第一代，主要依靠工人进行控制，改进方向主要是降低成本，提高精度。随着自动化的发展，机械手的应用将越来越普遍。现有的锻压机械手系统一般与锻压机相结合，结构灵活性差。我国生产的机械手系统价格在五六十万元，国外生产的机械手系统价格更高。无论是由国内外企业生产的锻压机械手系统，成本都很高，一般企业都难以承担，因此开发一种新型的机械手，实现低投入下的锻压自动给料具有十分重要的意义。

1 机械手的总体设计方案

锻压机械手是面向锻压自动化生产而开发的工业自动化装置，是一项复杂的机电一体化工程项目。研究开发内容包括:

(1)锻压机械手本体研究开发

机械手本体是系统的任务执行单元，也是系统的核心。根据对锻压过程中人工操作的动作流程分析，确定锻压机械手需要的动作方式及自由度数目，设计出锻压机械手的结构形式。根据特定的已有锻压设备，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

锻压生产中机械手应用的解决方案如图1所示。

对特定工件的锻压过程进行分析，确定采用图2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。

机械手各运动轴实现精度如表1所示。

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。

3 锻压生产中应用的机械手运动方案

(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，前端磁性开关接通，物品爪夹住锻件。

(2)锻件工序

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

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。如图3为锻件旋转电机进给图，图4为步进电机进给图。

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，并得到了迅速的发展?；凳止惴河τ糜诙驮?、冲压、铸造、焊接、装配、加工、油漆、热处理等行业。特别是在恶劣的工作环境中，如体积大、温度高、有毒、危险、放射性、多粉尘等，机械手因其显著的优点而受到人们的特别关注。该项目的成功研究为后续的深入研究和推广奠定了坚实的基础。只要对现有锻造设备锻造动作与机械手动作协调研究，投资二十多万元即可实现自动锻造。同时，也可以在极端的制造环境中推广应用，促进相关产业的绿色可持续发展。

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