從世界制造業和鍛造工業的發展趨勢來看，綠色制造和生產過程自動化是必然趨勢。現有鍛件制造企業需要提高生產過程自動化程度，減少生產過程對工人的健康危害，提高生產效率和產品質量。我國雖然是一個鍛造大國，但不是一個鍛造強國，鍛造設備的機械化和自動化程度也很低，大多數鍛造設備處于手工運輸或半手工喂料落后的狀態。在生產過程中，燒到1000℃以上的毛坯一般由鉗子工人夾緊在鍛造設備上，在鍛造過程中用鉗子翻轉工件，然后用手動鉗子取出工件，在加工過程中反復夾緊鋼鐵工件，勞動強度高。高溫高壓設備在任何時候都對操作人員構成嚴重的安全威脅。在國外，已經有很多類似的自動加工設備，如日本、美國、德國等類似的機器人系統，各種生產線上的機器人一直在鍛壓生產線上工作很長時間。

目前，用于鍛造生產的工業機械手大多屬于第一代，主要依靠工人進行控制，改進方向主要是降低成本，提高精度。隨著自動化的發展，機械手的應用將越來越普遍。現有的鍛壓機械手系統一般與鍛壓機相結合，結構靈活性差。我國生產的機械手系統價格在五六十萬元，國外生產的機械手系統價格更高。無論是由國內外企業生產的鍛壓機械手系統，成本都很高，一般企業都難以承擔，因此開發一種新型的機械手，實現低投入下的鍛壓自動給料具有十分重要的意義。

1 機械手的總體設計方案

鍛壓機械手是面向鍛壓自動化生產而開發的工業自動化裝置，是一項復雜的機電一體化工程項目。研究開發內容包括:

(1)鍛壓機械手本體研究開發

機械手本體是系統的任務執行單元，也是系統的核心。根據對鍛壓過程中人工操作的動作流程分析，確定鍛壓機械手需要的動作方式及自由度數目，設計出鍛壓機械手的結構形式。根據特定的已有鍛壓設備，確定各軸需要的運動范圍，進行實際的范圍簡化，在此基礎上，進行機械手模型樣機的整體機構設計。

(2)機械手控制系統開發

以工業PC機為平臺，以現代運動控制技術為核心，開發一套控制系統。通過運動控制器動態控制各執行元件，從而控制機械手按運動的軌跡運動。

(3)機械手控制軟件開發

設計一套界面友好、交互性強的鍛壓機械手控制軟件，軟件以Windos操作系統為平臺，便于人機交互。通過軟件，完成機械手運動軌跡規劃，控制機械手按照一定路徑完成操作任務。

(4)研究試驗方法及技術路線

鍛壓生產中機械手應用的解決方案如圖1所示。

對特定工件的鍛壓過程進行分析，確定采用圖2所示的機械手為鍛壓機械手基本結構形式，根據特定鍛壓設備的外形尺寸、操作尺寸、工件負載進行機械手模型樣機具體外形尺寸及詳細結構設計。合理劃分鍛壓過程動作及流程，設置一些關鍵工藝參數，從而保證系統的柔性。

機械手各運動軸實現精度如表1所示。

2 鍛壓生產中應用的機械手工作原理

鍛壓機械手通過手爪開合機構拉動手爪機構，使手爪能夠開合自如，同時手爪端部為V型槽結構，可使抓取的工件自動定心;手爪轉動機構可帶著手爪和手爪伸縮機構進行90°轉動，從而使工件能在鍛壓的過程中實現翻轉;手爪伸縮機構可使手爪順利達到抓取位置抓取工件，并能順利地將工件放在鍛模上;手爪升降機構能保證手爪將工件從放置位置拿起，并在鍛壓位置放下，在工件的搬運過程中防止與其他機構相碰;控制系統采用電氣伺服與氣動驅動的混合驅動方式，具有質量輕、響應快的特點。

3 鍛壓生產中應用的機械手運動方案

(1)取件

物料傳感器檢測到鍛件;從初始位置開始，垂直氣缸向上動作到頂端，上位磁性開關接通，電磁閥恢復中位;橫向移動機構啟動，向右運動，到右端限位光電開關變化，控制橫向移動的伺服電機停止;水平氣缸收縮，后端磁性開關接通，電磁閥保持線圈通電狀態;垂直氣缸向下運動到中位磁性開關接通，電磁閥恢復中位;電磁閥線圈斷電狀態，水平氣缸推出，前端磁性開關接通，物品爪夾住鍛件。

(2)鍛件工序

物料傳感器檢測空氣錘頭，錘頭抬起，傳感器接收到信號，鍛件才能被挪動和轉動;踏板電機啟動，上限位光電開關變化，向下運動到控制鍛錘輕打位置;鍛錘落下，抬起 (周期3次/s)，一次0.43 s;鍛件旋轉電機從鍛錘開始下落的0.19 s(鍛打一刻的0.017 s后)開始旋轉90°，零位光電開關變化，經歷時間0.33 s;鍛錘第二次鍛打，后旋轉鍛件45°;之后重復前3步的過程若干次，直至預計直徑變為44 mm;踏板電機啟動，向下運動到控制鍛錘重打位置;重復鍛錘落下，抬起;鍛件旋轉電機，從鍛錘開始下落的0.18 s(鍛打一刻的0.017 s后)開始旋轉90°經歷時間0.33 s;鍛錘第二次鍛打，后旋轉鍛件45°;之后重復前兩步的過程若干次，直至垂直氣缸下位磁性開關接通，預計直徑變為37 mm;踏板電機啟動，向上運動到控制鍛錘懸空位置。

(3)扔鍛件

垂直氣缸向上動作，到頂端，上位磁性開關接通，電磁閥恢復中位;橫向移動機構啟動，向左運動，左端限位光電開關變化，控制橫向移動的伺服電機停止;垂直氣缸向下運動到中位磁性開關接通，電磁閥恢復中位;鍛件旋轉電機旋轉，零位光電開關變化，鍛件旋轉電機停止;水平氣缸收縮，后端磁性開關接通，電磁閥保持線圈通電狀態，物品爪張開，鍛件掉落;垂直氣缸向上動作到頂端，上位磁性開關接通，電磁閥恢復中位;橫向移動機構啟動，右端限位光電開關變化，向左運動到鍛位一，控制橫向移動的伺服電機停止;垂直氣缸向下運動到中位磁性開關接通，電磁閥恢復中位;鍛件旋轉電機旋轉，零位光電開關變化，鍛件旋轉電機停止;水平氣缸收縮，后端磁性開關接通，電磁閥保持線圈通電狀態，物品爪張開，鍛件掉落。如圖3為鍛件旋轉電機進給圖，圖4為步進電機進給圖。

4 結論

隨著工業自動化的發展，機械手逐漸成為一門新興的學科，并得到了迅速的發展。機械手廣泛應用于鍛造、沖壓、鑄造、焊接、裝配、加工、油漆、熱處理等行業。特別是在惡劣的工作環境中，如體積大、溫度高、有毒、危險、放射性、多粉塵等，機械手因其顯著的優點而受到人們的特別關注。該項目的成功研究為后續的深入研究和推廣奠定了堅實的基礎。只要對現有鍛造設備鍛造動作與機械手動作協調研究，投資二十多萬元即可實現自動鍛造。同時，也可以在極端的制造環境中推廣應用，促進相關產業的綠色可持續發展。

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