金屬鈑金機(jī)器人自動(dòng)化折彎技術(shù)的研究

■ 楊晟

目前在工業(yè)制造領(lǐng)域中，金屬鈑金成形應(yīng)用較多的工藝包括裁切下料、激光切割下料、沖裁落料、拉深成形、折彎?rùn)C(jī)折彎、鉚接及焊接等。在當(dāng)今生產(chǎn)制造業(yè)領(lǐng)域，鈑金折彎成形已滲入到諸多行業(yè)，如汽車、家電、電氣、廚具、電子及消費(fèi)品等，在金屬鈑金折彎成形過程中，傳統(tǒng)作業(yè)時(shí)每臺(tái)折彎?rùn)C(jī)均需要配備一名操作者。由于各行各業(yè)對(duì)產(chǎn)品的品種要求繁多、數(shù)量巨大，且折彎?rùn)C(jī)屬于危險(xiǎn)類別較高的生產(chǎn)設(shè)備，安全隱患也比較大，此道生產(chǎn)工序愈發(fā)成為一項(xiàng)繁重危險(xiǎn)度較高的體力工作，所以用機(jī)器人替代人工作業(yè)也逐漸成為必然發(fā)展趨勢(shì)。

1. 金屬鈑金折彎成形過程中相關(guān)尺寸說明

（1）金屬鈑金折彎所需5個(gè)相關(guān)尺寸（見圖1） 鈑金厚度尺寸t、折彎?rùn)C(jī)上刀口頂尖處R角半徑r、折彎?rùn)C(jī)下刀口凹槽深度尺寸d、折彎?rùn)C(jī)下刀口的上開口最大尺寸b、折彎?rùn)C(jī)下刀口的上開口處R角半徑r′。

圖 1

圖 3

（2）金屬鈑金在折彎成形過程中5個(gè)階段（根據(jù)鈑金下平面壓入下刀口凹槽時(shí)的深度值dp） 0＜dp＜r+t(見圖2)、dp=r+t(見圖3)、 r+t＜dp＜r+t+r(見圖4)、dp=r+t+r′(見圖5)、dp＞r+t+r′ (見圖6)。

圖 2

圖 4

（3）機(jī)器人折彎動(dòng)作算法原理 在折彎?rùn)C(jī)折壓金屬鈑金時(shí)，上刀口下降至不同深度范圍時(shí)，機(jī)器人動(dòng)作位置參考點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)幾何關(guān)系式也不同。機(jī)器人折彎工作時(shí)始終在監(jiān)控刀口下降的位移位置，根據(jù)上刀口壓入下刀口凹槽內(nèi)的不同深度值選擇對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，將鈑金成形過程中參考位置點(diǎn)發(fā)生的位移偏移量計(jì)算出來，并再次賦值給新的參考位置點(diǎn)，并隨即向新的參考位置點(diǎn)移動(dòng)達(dá)到跟隨的效果，至到機(jī)器人監(jiān)測(cè)到上刀口壓入深度值大于等于預(yù)先設(shè)定的下刀口凹槽深度尺寸為止，一個(gè)完整的折彎動(dòng)作結(jié)束。

“動(dòng)態(tài)工具坐標(biāo)系+位于R角上的動(dòng)態(tài)作業(yè)點(diǎn)”理論學(xué)說（見圖7）。

如圖7中P0點(diǎn)為機(jī)器人作業(yè)開始時(shí)的初始點(diǎn)，機(jī)器人作業(yè)過程中始終有一個(gè)動(dòng)態(tài)作業(yè)點(diǎn)P′，始終位于下刀口的肩部R角上(即圖中的r′圓角上)。機(jī)器人的作業(yè)點(diǎn)P′自P0點(diǎn)為起點(diǎn)開始，始終在r′圓角上移動(dòng)，直到走到r′圓角的另一端點(diǎn)P為運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)，此時(shí)也恰好達(dá)到折彎要求的最大深度。

機(jī)器人折彎過程中，陷入下刀口凹槽的鈑金會(huì)逐漸延長(zhǎng)，機(jī)器人在移動(dòng)過程中，同時(shí)還要向凹槽內(nèi)的鈑金長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償，通過動(dòng)態(tài)工具坐標(biāo)系變幻，工具坐標(biāo)系的參考點(diǎn)隨著金屬鈑金折彎過程壓入下刀口凹槽越深，則工具坐標(biāo)系偏移值越大，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在原本跟隨移動(dòng)過程中向下刀口凹槽內(nèi)不斷地補(bǔ)償更多的鈑金物料。

“動(dòng)態(tài)工具坐標(biāo)系+位于R角上的動(dòng)態(tài)作業(yè)點(diǎn)”保證了機(jī)器人作業(yè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也保證了鈑金折彎時(shí)延展所需要的物料補(bǔ)償。

2. 具體應(yīng)用

（1）電液伺服數(shù)控折彎?rùn)C(jī) 可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定及精確調(diào)整折彎工作速度的折彎?rùn)C(jī)，以保證金屬鈑金在折彎過程中勻速穩(wěn)定，避免發(fā)生速度突變導(dǎo)致機(jī)器人無法在短時(shí)間內(nèi)急速跟隨的現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)于不能將折彎?rùn)C(jī)自身的刀口行程值通信給機(jī)器人的情況，則需要在折彎?rùn)C(jī)上刀口（即活動(dòng)刀口）安裝精密絲桿與編碼器傳動(dòng)裝置，通過編碼器將刀口行程值持續(xù)通信給機(jī)器人。

圖 5

圖 6

圖 7

（2）工業(yè)機(jī)器人 目前主流的工業(yè)機(jī)器人，除了四大家族以外，意大利柯瑪、日本川崎重工等廠家也提供帶有折彎跟隨功能的機(jī)器人（機(jī)器人本體內(nèi)需安裝有與編碼器通信協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的專用板卡或模塊），配合真空吸盤式抓手，可在機(jī)器人的控制器內(nèi)為不同規(guī)格的產(chǎn)品預(yù)先錄入產(chǎn)品編號(hào)及相應(yīng)的尺寸參數(shù)，機(jī)器人即可準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)多種規(guī)格的產(chǎn)品折彎作業(yè)。

（3）應(yīng)用過程中需特別注意的技術(shù)參數(shù) 折彎?rùn)C(jī)在折彎作業(yè)時(shí)工進(jìn)速度(即金屬鈑金開始發(fā)生折彎變形時(shí)折彎?rùn)C(jī)的工作速度)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，建議設(shè)定在25mm/s以下，否則會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度滯后于金屬鈑金的移動(dòng)速度，從而導(dǎo)致金屬鈑金從吸盤抓手上脫料。若機(jī)器人6軸法蘭中心距離折彎?rùn)C(jī)刀口中心尺寸較遠(yuǎn)時(shí)（通常大于300mm），則建議繼續(xù)降低折彎?rùn)C(jī)作業(yè)時(shí)的工進(jìn)速度。

3. 折彎?rùn)C(jī)器人國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀與不足

目前我國(guó)包括廈門ABB開關(guān)有限公司、東莞嘉利公司等大型的電氣柜、家電的生產(chǎn)制造企業(yè)已將機(jī)器人折彎應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中，但仍有更多的金屬鈑金制造企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)或正在籌劃這一環(huán)節(jié)的自動(dòng)化應(yīng)用方案。很多企業(yè)還屬于中小企業(yè)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格不固定、產(chǎn)量偏少且不穩(wěn)定，則折彎?rùn)C(jī)需要經(jīng)常更換及調(diào)整上下模刀口導(dǎo)致基準(zhǔn)位置發(fā)生變化，機(jī)器人就需要反復(fù)校準(zhǔn)，使得機(jī)器人作業(yè)的優(yōu)勢(shì)不能充分體現(xiàn)，最終機(jī)器人自動(dòng)化折彎系統(tǒng)在中小企業(yè)范圍內(nèi)未得到廣泛推行實(shí)施。

4. 結(jié)語

機(jī)器人自動(dòng)折彎僅作為機(jī)器人在制造業(yè)中高端智能化的其中一個(gè)環(huán)節(jié)，隨著中國(guó)制造2025及全球工業(yè)化4.0的全面推進(jìn)，未來對(duì)機(jī)器人提出智能化要求的領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛，且每個(gè)領(lǐng)域內(nèi)均會(huì)有其獨(dú)特的技術(shù)要求，逐步充實(shí)著工業(yè)機(jī)器人的擬人化作業(yè)功能。配合完善的3D視覺設(shè)備、力矩傳感器等外部輸入元件，未來每臺(tái)工業(yè)機(jī)器人都將變成一臺(tái)半人化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)的將不僅僅是無人化工廠，甚至是具備一定程度自主協(xié)調(diào)能力的設(shè)備，更進(jìn)一步保障了生產(chǎn)線產(chǎn)品的多元化、隨機(jī)化的生產(chǎn)要求。