機器人自動換模方案研究

文／冷志斌，孔堯，魏雪梅，吉方靖，王金榮·江蘇亞威機床股份有限公司

導 語

隨著折彎自動化行業(yè)的蓬勃發(fā)展，高效的換模及模具庫位管理已經(jīng)成為制約產(chǎn)線效率的重要因素。本文結合WILA自動換模系統(tǒng)及機械手，提出了一種新的模具快速精確更換方法。利用WILA的ACT、TIPS功能和折彎分析軟件生成的準確的模具工位及編號需求，給到機械手完成模具的更換。

折彎機的主要作用是將金屬板材折彎成具有一定形狀的工件，通過更換模具和多次折彎得到較為復雜的截面形狀，是金屬板材加工中不可缺少的設備，被廣泛應用于各種金屬板材加工行業(yè)，如飛機、船舶、汽車、電子設備、儀器儀表和醫(yī)療器械等行業(yè)。隨著這些行業(yè)的不斷發(fā)展，所需的折彎工件日趨復雜且數(shù)量龐大，這也對折彎機技術提出了新的需求，即更好的折彎工藝和更高的折彎效率，以應對不斷發(fā)展的行業(yè)需求，同時工件的種類越復雜，所需要的模具種類就越多，如何對眾多的模具進行管理就顯得尤為重要。因此，折彎機的自動換模技術以及軌跡算法的研究具有重要意義。

目前市面上主流的自動折彎方案是通過機械手和折彎機的組合或者是手動快夾和模具的組合。這種組合方式適用于大批量的生產(chǎn)，模具更換的頻次少，模具裝夾完成后，機械手夾持金屬板件進行加工。但當產(chǎn)品為小批量多批次時，模具更換頻繁，人工更換模具的方式耗時耗力，不能滿足高效、高質(zhì)的需求。我們采用的方式是折彎機加機械手加WILA自動換模系統(tǒng)。新增的WILA 自動換模系統(tǒng)以及機械手完成模具的快速更換。

WILA 自動換模系統(tǒng)

核心技術

WILA 自動換模技術主要由兩個核心技術組成：ATC（自動換模技術）和TIPS（模具識別與定位系統(tǒng)）。ATC 自動換模技術如圖1 所示，模具上帶有ATC 接口，可以和滿足要求的機械臂進行配合使用，機械臂通過ATC 接口抓取模具進行操作。第二個核心技術是TIPS，即模具識別與定位系統(tǒng)，如圖2 所示。TIPS 由多個部分組成，如TIPS 識別標簽、帶有TIPS 的夾緊系統(tǒng)、控制器以及PC。TIPS 系統(tǒng)通過識別標簽對不同的模具進行識別，通過控制器控制夾緊系統(tǒng)對模具的夾持，機械臂通過TIPS 系統(tǒng)知道期望的模具后，通過ATC 接口抓取模具進行操作。

圖1 ATC 技術

圖2 TIPS 技術

通信流程

WILA 設備數(shù)據(jù)采集采用的是PC 機作為中間的傳輸系統(tǒng)，與機械臂和WILA 工具進行數(shù)據(jù)溝通，通信采用三種數(shù)據(jù)：數(shù)字I/0、數(shù)值寄存器以及位置寄存器。

通信流程如圖3 所示，機器人向PC 機發(fā)送開始信號，PC 機采集WILA 設備的信息，如果設備準備就緒（供電、線纜、溫度、電壓等都無問題），PC 機向機器人反饋一個OK 的信號（記錄在數(shù)值寄存器內(nèi)）；如果有問題發(fā)生，將人工干預對其進行處理；如果沒有問題機器人將繼續(xù)發(fā)送一個位置檢測信號，PC 機向折彎機發(fā)送檢測信號，獲取數(shù)據(jù)完成之后，告訴機器人開始發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)完成之后，再繼續(xù)發(fā)送一個數(shù)據(jù)發(fā)送完成信號，由機器人進行讀取。

圖3 通信流程

自動換模操作

坐標系的選擇

折彎機與模具庫坐標系原點的選擇均位于設備左側如圖4、圖5所示的位置，坐標系依據(jù)右手法則。

圖4 折彎機坐標系

圖5 模具庫坐標系

抓取點反饋數(shù)據(jù)

在抓取過程中，折彎機與模具庫上模具我們以BIU 模具為例，折彎機與模具庫下模具我們以OZU模具為例。

折彎機上夾具：針對折彎機上夾具，參考坐標系原點相對于夾具底部平面距離37mm，相對于前端參考平面10mm，相對于左側平面0mm，如圖6 所示。折彎模具抓取點反饋回來的數(shù)據(jù)為（ID,X,Y,Z），其中BIU-012 模具X 值為-8.5mm，Y 值為-33.5mm，如圖6 中的left horn 的Z 值為TIPS 檢測到的值加8.8mm。若為right horn 則TIPS 檢測到的值減8.8mm，若無horn 則Z 值為TIPS 檢測到的值。

圖6 折彎機上夾具

折彎機下夾具：針對折彎機下夾具，參考坐標系原點相對于夾具底部平面距離20.5mm，相對于前端參考平面6.5mm，相對于左側平面0mm，如圖7所示。折彎模具抓取點反饋回來的數(shù)據(jù)為（ID,X,Y,Z），其 中OZU 模 具X 值 為0，Y 值 為30mm，Z 值 為TIPS 檢測到的值。

圖7 折彎機下夾具

模具庫上夾具：針對模具庫上夾具，夾具參考坐標系原點位于左側，坐標原點相對于底部平面的距離為37mm，相對于前參考平面的距離為10mm，相對與左側平面0mm，如圖8 所示。折彎模具抓取點反饋回來的數(shù)據(jù)為（ID,X,Y,Z），其中BIU-012 模具X 值為-8.5mm，Y 值為-33.5mm，圖8 中的left horn 的Z 值為TIPS 檢測到的值加8.8mm。若為right horn 則TIPS 檢測到的值減8.8mm，若無horn 則Z 值為TIPS 檢測到的值。

圖8 模具庫上夾具

模具庫下夾具：針對模具庫下夾具，夾具參考坐標系原點位于左側，坐標原點相對于底部平面的距離為22.5mm，相對于前參考平面的距離為6.5mm，相對于左側平面的距離為0mm，如圖9 所示。折彎模具抓取點反饋回來的數(shù)據(jù)為（ID,X,Y,Z），其中OZU 模具X 值為0，Y 值為30mm，Z 值為TIPS 檢測到的值。

圖9 模具庫下夾具

自動換模軌跡計算

模具取放規(guī)則

根據(jù)優(yōu)先不干涉的原則，機器人先從折彎機上將不需要的模具取出，放入模具庫；然后將需要移動的模具在折彎機上進行移位；最后從模具庫取出需要的模具放置在折彎機上。每次執(zhí)行完以后必須和PC 機進行位置信息確認，保證模具放置精準。

模具需求信息采樣

在PC 機上安裝折彎工件分析軟件，得出模具需求信息，如圖10 所示。工控機通過WILA 設備問詢系統(tǒng)得到當前4 段模具庫實際狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)比對，根據(jù)模具取放規(guī)則，自動計算出全部模具ID 放置位置。

圖10 分析軟件得出的模具需求

簡要描述軌跡算法

折彎模具的位置信息如圖11 所示，（x.offset,y.offset, z.offset）位置數(shù)據(jù)為折彎模具換模抓手抓取點，相對于圖11 預定好參考坐標系的距離值。我們系統(tǒng)中總共有4 個柔性夾具，分別為折彎機上夾具、折彎機下夾具、模具庫上夾具、模具庫下夾具。

圖11 折彎模具的位置信息

結束語

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，原來的人工換模必然會慢慢轉向先進高效的自動換模技術，本文所采用的自動換模技術，采用ATC 和TIPS 技術實現(xiàn)了模具的精準識別和快速更換，時間和人力成本大大降低。有效提升機器人在折彎產(chǎn)業(yè)自動化領域應用方面的技術水平，助力鈑金制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。