金屬板料機器人折彎單元的設(shè)計選型

申家雷，李振光

（瑞鐵機床（蘇州）股份有限公司，江蘇 太倉 215000）

0 引言

鈑金工件的特點是材質(zhì)、厚度、結(jié)構(gòu)以及工藝等均具有豐富多樣性，鈑金折彎作業(yè)時往往需要一個或多個操作工一邊抬板，一邊操作折彎機腳踏進行折彎加工，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致折彎工序成為制約鈑金加工企業(yè)產(chǎn)能提升的瓶頸工序。人工抬板，長時間重復(fù)勞動易產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致抬板不到位，影響工件成形角度精度，導(dǎo)致產(chǎn)品精度不穩(wěn)定甚至報廢。同時，板料折彎機作為特種加工設(shè)備，在折彎大型復(fù)雜工件時危險系數(shù)高，存在安全隱患。近年來，機器人自動折彎技術(shù)發(fā)展迅速，在電梯門板、高低壓開關(guān)柜、文件柜、櫥柜等細分領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，得到客戶認可。這些領(lǐng)域的鈑金工件品種相對固化單一、成形工藝簡單、生產(chǎn)批量大，易于實現(xiàn)自動化折彎和應(yīng)用復(fù)制。與此同時，一些細分行業(yè)應(yīng)用項目的可復(fù)制性低，往往一個新的項目需要設(shè)計人員從分析鈑金工件開始一切從頭再來——設(shè)計轉(zhuǎn)化效率低下，不僅加大了項目落地難度，同時降低了市場競爭力。本文在分析總結(jié)多項不同細分行業(yè)實際案例經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對金屬板料機器人自動折彎單元的設(shè)計選型進行分析總結(jié)，對折彎單元的設(shè)計要點進行了梳理。

1 自動折彎關(guān)鍵技術(shù)

1.1 折彎自動跟隨技術(shù)

工業(yè)機器人自動跟隨折彎軟件，能夠自動創(chuàng)建機器人TP 程序，用于實現(xiàn)折彎時機器人的跟隨動作，具有如下技術(shù)特點：①輸入折彎工藝參數(shù)及機器人參數(shù)信息，自動生成TP 程序，用于機器人跟隨折彎；②可啟用夾緊點調(diào)整功能，對機器人及折彎機動作進行時序上的調(diào)整，保證機器人及折彎機的同步性；③可啟用同步舉升功能，用于折彎后機器人與折彎機同步舉升，以保證機器人抓取著鈑金件無干涉地退出折彎機。

1.2 鈑金自動尋邊技術(shù)

在機器人折彎應(yīng)用中，鈑金折彎的尺寸質(zhì)量主要依靠后擋指的定位，每道折彎工藝都需精確定位，確保折彎尺寸精度，不放大累積誤差，保證批量化產(chǎn)品的折彎質(zhì)量。

使用鈑金自動尋邊軟件，通過擋指傳感器獲取的位置數(shù)據(jù)，自動計算出當(dāng)前機器人需要調(diào)整的姿態(tài)并控制機器人完成姿態(tài)調(diào)整，以保證鈑金與后擋指相對位置的準(zhǔn)確和恒定，從而保證折彎成形的一致性。如圖1 所示。

圖1 自動尋邊及調(diào)整示意圖

2 工藝動作流程

金屬板材機器人自動折彎一般需經(jīng)過以下幾個工藝動作流程：①機器人從原料處抓取板料；②機器人將抓取的板料放置在定位臺上進行工件精確定位后再二次抓取工件；③機器人將板料送至折彎機上下模中間并放平至下模上，再通過折彎機后擋指進行板料折彎尺寸校正定位；④折彎機滑板下壓進行板料折彎成形，此時機器人跟隨折彎動作；⑤機器人根據(jù)板料折彎工藝需要，完成工件的翻面/換位工序后，重復(fù)折彎及其他工藝工序直至完成折彎作業(yè)；⑥機器人將工件碼垛至成品堆垛處。

3 單元配置和功能

折彎單元配置及其功能如表1 所示。單元工位排布示意圖如圖2 所示。

圖2 單元工位排布示意圖

表1 折彎單元配置及功能

4 設(shè)計選型總體原則

折彎單元的設(shè)計要遵循一定原則。

（1）整體性原則。整體規(guī)劃機器人折彎單元，以客戶需求為第一要素，以完成產(chǎn)品自動折彎為目標(biāo)，從全局考慮設(shè)計方案，明確折彎單元的各個功能部件。

（2）功能性（模塊化）原則。即將各功能部件相對獨立分開，模塊化分別設(shè)計。再根據(jù)各功能模塊之間的相互關(guān)系進行關(guān)聯(lián)交叉整合，統(tǒng)籌優(yōu)化細節(jié)設(shè)計。在功能模塊設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)盡可能采用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的通用化的模塊，減少設(shè)計周期，降本增效。

（3）優(yōu)化設(shè)計原則。當(dāng)整個單元設(shè)計基本達到設(shè)計指標(biāo)要求時，可能因項目約束條件、元器件選型或功能配合間相互影響，各功能模塊之間的相互配合還存在一定的缺陷或弊端。需要在現(xiàn)有約束條件下，進行功能模塊的優(yōu)化設(shè)計調(diào)整，以達到整個單元的優(yōu)化。

（4）可靠性和穩(wěn)定性原則。機器人自動折彎的特點是取料、折彎和碼垛全過程的自動化作業(yè)。單元設(shè)計方案的可靠性和穩(wěn)定性是實現(xiàn)自動化的先決條件。在單元設(shè)計時應(yīng)遵循如下具體原則：①在滿足系統(tǒng)性能和功能指標(biāo)要求的前提下盡可能的簡化各功能的結(jié)構(gòu)；②盡可能選取已經(jīng)成熟的功能模塊結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)件；③對功能模塊和具體設(shè)計結(jié)構(gòu)中易出現(xiàn)問題或故障的的薄弱環(huán)節(jié)，要主動采取保障措施和改進措施。

（5）性價比原則。在設(shè)計時要充分考慮單元的性價比，既要縮短開發(fā)設(shè)計周期，保證性能穩(wěn)定可靠，同時又要盡可能降低成本，以成熟的機構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)元器件代替非標(biāo)設(shè)計。

（6）安全性原則。機器人作業(yè)必須遵循安全第一的準(zhǔn)則和規(guī)范，單元設(shè)計必須滿足安全指定的安全標(biāo)準(zhǔn)。

5 設(shè)計選型方法步驟

遵循上述設(shè)計選型原則，以客戶需求和產(chǎn)品為設(shè)計輸入，從分析產(chǎn)品自動折彎工藝過程入手，總結(jié)了機器人折彎單元的設(shè)計選型步驟如下。

（1）所需折彎工件的分析及數(shù)據(jù)結(jié)果處理，通常按鈑金材質(zhì)、外形尺寸、重量、厚度和折彎工藝進行統(tǒng)計及分類歸納。

（2）根據(jù)所得數(shù)據(jù)，初步進行執(zhí)行機器人的型號選型，進行數(shù)控折彎機的噸位和長度選型，初步確定折彎機機型和配置。

（3）進行工件折彎工藝的詳細分析，分析每個工件的自動折彎工藝步序（此處可以借助鈑金三維設(shè)計軟件、折彎自動編程軟件等工具進行），并對數(shù)據(jù)進行總結(jié)歸納處理。

（4）進行折彎機選型的確認，如涉及使用已有折彎機進行自動化折彎改造的，需要進行已有折彎機的設(shè)備參數(shù)確認，并對折彎機的可靠性作進一步認證。

（5）進行機器人選型的確認（包括機器人第七軸的配置選用情況）。

（6）根據(jù)功能模塊的劃分，項目需求，進行其余各功能部件的設(shè)計選型。

（7）單元系統(tǒng)布局。整合折彎機、機器人及各個功能部件進行單元布局系統(tǒng)搭建規(guī)劃；包括人機系統(tǒng)的配置，折彎產(chǎn)品的物流路線，電、液、氣系統(tǒng)走線，操作箱、電器柜的位置以及維護修理和安全設(shè)施配置等內(nèi)容。

（8）系統(tǒng)校核。采用三維設(shè)計模擬，仿真軟件等工具對產(chǎn)品自動折彎工藝過程進行模擬，從而對各功能部件及折彎機設(shè)計參數(shù)進行檢驗校核和優(yōu)化調(diào)整。

（9）控制系統(tǒng)設(shè)計。應(yīng)當(dāng)包括選定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控制類型與追加性能。確定系統(tǒng)工作順序與方法及互鎖等安全設(shè)計；液壓、氣動、電氣、電子設(shè)備及備用設(shè)備的試驗；電氣控制線路設(shè)計；機器人線路及整個系統(tǒng)線路的設(shè)計等內(nèi)容。

（10）完成單元設(shè)計選型，進行項目實施設(shè)計。此項設(shè)計包括編寫工作系統(tǒng)的說明書、機器人詳細性能和規(guī)格的說明書、接收檢查文本、標(biāo)準(zhǔn)件說明書、繪制工程制圖、編寫圖紙清單等內(nèi)容。

6 設(shè)計選型要點分析

6.1 鈑金自動折彎的工藝分析

在鈑金自動折彎工藝分析時，要注重三個方面的問題。

（1）工件的可抓取性。調(diào)整工藝順序保證工件可被抓取且盡可能增大可抓取范圍，這樣才能有效保證工件在抓手上的狀態(tài)穩(wěn)定，從而保證自動折彎的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）如何有效保證工件的精度。因為機器人自動折彎過程中，折彎尺寸的精度是由后擋指定位傳感器的定位校正來保證的，所以分析工件自動折彎工藝時，需要考慮每一步序都能精準(zhǔn)可靠地使用后擋指進行定位校正。以下兩種具體情況，尤其需要考慮：①連續(xù)鈍角折彎，能夠由內(nèi)往外折彎的，按由內(nèi)往外的順序進行；②反扣折彎遇到成形尺寸L 與模具中心到模具側(cè)邊距離L1相近時，需注意校核，必須考慮到后擋指校正時的動作范圍，一般要求成形尺寸L 比L1大2mm 以上。

（3）盡可能提升效率，減少不必要的翻面、換位等工序。

自動折彎工藝分析時需要確認的有：①折彎具體順序；②需要翻面和換位的工序位置和次數(shù)；③所需折彎模具上、下模的分段情況；④無法使用后擋指定位的工序。

6.2 模具選型設(shè)計

除正常的單邊、多邊順序折彎外，常見的鈑金折彎成形工藝還有：盒型收邊，Z 字型折邊，翻面折彎，搭邊扣邊成形，斷差成形，壓實邊，雙折邊等等。

自動折彎應(yīng)用中常見的特殊折彎模具類型及應(yīng)用工藝場景如表2 所示。

表2 常見特殊折彎模具及應(yīng)用

在模具設(shè)計選型時，需要結(jié)合自動折彎工藝進行驗證分析。通常情況下，下模優(yōu)先選用單V 模具，在板材幅面較大時，也可選用經(jīng)濟型相對較好的雙V 下模。

6.3 折彎機選型及配置參數(shù)確定

折彎機的選型以折彎能力、模具參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合折彎工藝需求，確定相關(guān)配置參數(shù)。通過工件最大折彎噸位、工件每米折彎噸位和所需模具分段總長確定折彎機基礎(chǔ)機型，即折彎機的噸位和工作臺長度。通過模具設(shè)計參數(shù)確認折彎機開啟高度，確認后擋料軸數(shù)，確認數(shù)控系統(tǒng)軸數(shù)及數(shù)控系統(tǒng)型號。再根據(jù)所確定的參數(shù)，確認所選機型的其他配置及參數(shù)是否基本滿足自動折彎的功能指標(biāo)。一般在有模具分段情況下，優(yōu)選后擋料增加Z1、Z2軸（控制兩個擋指分別左右移動）。后擋指需要使用帶傳感器結(jié)構(gòu)型式。

6.4 機器人選型

機器人選型時，需根據(jù)最大工件板材厚度、尺寸、重量等參數(shù)，對機器人臂展及負載能力進行初選，表3為大量案例總結(jié)的常用機器人快速選型經(jīng)驗，可供參考。

表3 常用機器人選型

在抓手工裝外形結(jié)構(gòu)初步設(shè)計完成后估算抓手工裝及工件的負載綜合慣量，對比機器人負載曲線和慣量曲線，進行機器人選型的校核確認，負載應(yīng)不超過負載曲線允許值。

6.5 第七軸的設(shè)計選型

機器人第七軸的作用是擴展機器人運動范圍，以及進行單元的柔性擴展。機器人七軸優(yōu)選可以聯(lián)動作業(yè)，實現(xiàn)大幅面工件的跟隨折彎動作。機器人第七軸一般由伺服電機驅(qū)動，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，行星減速器加齒輪齒條傳動，具有高速度，高精度，高穩(wěn)定性的特點。

機器人第七軸設(shè)計選型時一般考慮的因素及相關(guān)參考參數(shù)如表4 所示。

表4 第七軸設(shè)計選型參考表

在選型設(shè)計時應(yīng)遵循模塊化設(shè)計的原則，通用型的原則，避免重復(fù)設(shè)計。

6.6 抓手工裝設(shè)計

抓手工裝作為板料搬運執(zhí)行機構(gòu)，其設(shè)計選型的結(jié)果直接影響到單元的性能和可靠性。抓手工裝一般由法蘭連接件，抓手框架結(jié)構(gòu)，真空發(fā)生單元，真空吸盤，磁性吸盤等組成。吸盤通常采用分組控制，必要時配氣路止回閥，防止真空系統(tǒng)泄漏量過大，影響真空吸附能力和效果。

抓手工裝設(shè)計時，一要根據(jù)板材的尺寸、工藝（單邊折彎、兩邊折彎或者四邊折彎）、材質(zhì)、表面狀態(tài)和是否具有導(dǎo)磁性等對抓手的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，一般選用質(zhì)量輕、強度高的鋁型材作為結(jié)構(gòu)搭建，非磁性材料還需要考慮在抓手上安裝機械分張機構(gòu)；二要選擇合適的吸盤。如表5 所示為常用吸盤的應(yīng)用選型表。由于折彎動作工藝復(fù)雜，吸盤需要吸附工件進行各種（水平、豎直、翻轉(zhuǎn)、擺動）運動，對吸盤吸附能力要求非常高，同時要求吸盤具有防滑及防變形的能力。不同的板料特性對吸盤的選取要求也有所不同。

表5 常用吸盤應(yīng)用選型

抓手設(shè)計時，同時需要考慮抓手的兼容性，在不影響整體性能指標(biāo)的前提下盡量做到一個抓手可以兼容多個工件，減少抓手使用數(shù)量。

6.7 翻面架設(shè)計選型

翻面架用于工件換位或翻面時使用，可以實現(xiàn)換位折彎，翻面折彎，以及正反碼垛等功能動作時的放板需求。翻面架一般由結(jié)構(gòu)支架和多組安裝支架以及安裝支架上的多組吸盤組成。抓手可以在安裝支架之間的空檔中實現(xiàn)翻面抓取工件。

翻面架通常設(shè)計有水平和豎直兩種結(jié)構(gòu)，同時有固定式（手動可調(diào)整）和自適應(yīng)移動式兩種調(diào)整方式。在設(shè)計選用時，當(dāng)機器人采用固定安裝時，豎直翻面架更能有效適應(yīng)機器人活動范圍，應(yīng)優(yōu)選選用。水平翻面架一般搭配機器人第七軸使用。固定式和自適應(yīng)移動式根據(jù)具體功能指標(biāo)選用，一般情況下考慮經(jīng)濟性和可靠性采用固定式，著重考慮節(jié)拍和生產(chǎn)效率時選用移動式。

6.8 重力對中臺的設(shè)計

重力對中臺一般包含一組直角靠柵、臺面以及定位檢測傳感器。其作用是進行板料的二次精確定位：機器人將板料距離直角靠柵一定距離放置在重力臺面上，板料在自重作用下滑至兩直角邊均靠住靠柵實現(xiàn)板料的精確定位。臺面一般采用鑲嵌萬向滾珠的結(jié)構(gòu)型式，減少板料滑動摩擦力和對工件表面的劃傷。重力對中臺設(shè)計選型時根據(jù)工件尺寸、板料表面平整情況確定臺面大小，傾角角度（20°以上為宜）等。板材表面有凸包成型等特征或花紋板材質(zhì)的，傾角應(yīng)酌情加大，一般角度大于45°即可實現(xiàn)可靠滑動。

6.9 上下料系統(tǒng)的設(shè)計

固定上料臺作為料垛的粗定位裝置，一般設(shè)計為L 型兩邊定位結(jié)構(gòu)，L 型兩邊設(shè)置定位靠柵及磁力分張器。磁力分張器在機器人抓取板料時能夠有效分離多張板料，避免單次抓取多張板料。當(dāng)料垛上無料時，上料臺配備的檢測傳感器能夠報警提示。

成品堆垛臺根據(jù)板料堆垛方式進行設(shè)計，常規(guī)案例中僅需通過幾組限位塊設(shè)置區(qū)域限位即可。特殊情況下，應(yīng)根據(jù)項目實際需要設(shè)計專門的堆垛工裝，如為避免堆垛壓傷而設(shè)計的層排立放式堆垛棧。

6.10 安全防護裝置設(shè)計

機器人工作范圍內(nèi)由安全圍欄、光幕防護系統(tǒng)，安全門等形成一個封閉區(qū)域。所有運動部位應(yīng)設(shè)置安全防護裝置，保證無安全隱患。單元須配有聲光三色燈提示系統(tǒng)，作為安全系統(tǒng)的輔助工具；總控系統(tǒng)能夠在機器人、折彎機等設(shè)備啟停、故障、換料、上下料以及安全報警等各種異常狀況發(fā)生時及時停機，并報警提示。單元應(yīng)具有自動、手動兩種控制方式，手動模式下運行單元中某一部分設(shè)備的開關(guān)，該部分動作，其他部分不得動作。

7 選配配置簡介

（1）抓手快換系統(tǒng)。在單元中用到多個抓手工裝的情況下，特別是自動化需求程度高時，尤其需要考慮抓手快換裝置和抓手放置架。通過使用吸盤抓手快換裝置，機器人可自動更換不同的吸盤抓手，使得機器人的應(yīng)用更加柔性；也可以減輕更換重型抓手的勞動強度。抓手快換裝置包括：安裝于機器人手臂末端法蘭盤上的主盤，多個安裝在不同吸盤抓手上的工具盤，以及用于放置不同吸盤抓手的放置架；機器人抓手更換可在數(shù)秒內(nèi)完成，大大降低停工時間，更換吸盤抓手后，直接調(diào)用程序，無需進行二次示教確認；根據(jù)機器人的負載不同，選擇相應(yīng)負載的抓手快換裝置。

（2）數(shù)控前定位系統(tǒng)。當(dāng)遇到要保證鈑金件最終成形的外形寬度尺寸，對折彎成形邊的尺寸要求不高的情況下，使用折彎機后擋指定位僅能保證成形邊的尺寸，而不能保證整個成形寬度的尺寸，此時需要數(shù)控前定位系統(tǒng)參與。數(shù)控前定位系統(tǒng)一般由兩組伺服軸驅(qū)動兩組前定位裝置（同后擋指結(jié)構(gòu)）在折彎機前方執(zhí)行前定位功能。前定位系統(tǒng)一般可由PLC 控制系統(tǒng)或折彎機數(shù)控系統(tǒng)控制。

（3）自動換模系統(tǒng)。自動換模系統(tǒng)由自動換模控制軟件、自動換模專用抓手、專用模具和模具庫組成。當(dāng)選配自動換模系統(tǒng)時，折彎單元可取代人工全自動更換折彎模具，使生產(chǎn)模式更加的自動化和智能化。

（4）激光角度檢測系統(tǒng)。激光角度檢測系統(tǒng)一般使用在厚板折彎應(yīng)用中。在機器人自動折彎過程中折彎角度數(shù)據(jù)自動檢測、記錄、修正。該系統(tǒng)的安裝位置與下模的更換無影響。通過用CMOS 相機掃描投射在板材表面上的激光的投影來測量折彎角度。激光和相機的觀察軸之間的角度確定了測量的距離，通過這些數(shù)據(jù)計算傳感器和板材之間的角度。并通過在相反方向的第二個傳感器來一起計算折彎的角度。可針對板料存在不同程度的板厚誤差、回彈不一致、軋制紋路變化等問題，通過檢測在滑塊下壓中板料的差異性及變形量，從而計算并控制滑塊下死點精確位置，并在滑塊上行釋放板料回彈后可再次測量角度是否符合要求，如不符合可再次控制滑塊下壓，并控制CNC 撓度補償系統(tǒng)進行調(diào)整，確保工作臺面與上滑塊平行。以上步驟可重復(fù)多次直至角度合格。

（5）板厚檢測系統(tǒng)。自動板厚檢測裝置，簡稱“DSTM”，是集成在后擋料擋指上的。用“D-STM”裝置測量板厚精度可達到±0.01mm，可以檢測20mm 及以下的材料厚度。整個檢測過程只需要1/10s，測量的數(shù)值會即時傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)從而數(shù)控系統(tǒng)會自動調(diào)整真實的板厚。

（6）視覺系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)對托盤上工件進行拍照，并對工件進行識別、定位，同時消除避免外界光源、煙霧等因素的干擾，引導(dǎo)搬運機器人對托盤內(nèi)的工件進行抓取。使用防護罩進行安全防護，避免外界因素對其造成損傷。加裝光源，避免外接光源環(huán)境的干擾。需要上位系統(tǒng)預(yù)先給出產(chǎn)品的種類名稱。能夠識別空托盤，缺料能提前提示報警。可以通過輪廓特征和高度特征準(zhǔn)確檢測3D 位置姿態(tài)，輸出工件的X、Y、Z、Rx、Ry 及Rz 的信息。

8 結(jié)束語

金屬板料機器人自動折彎是鈑金加工自動化、智能化的趨勢。隨著金屬板料機器人自動折彎單元的自動化、信息化和智能化水平不斷進步，其應(yīng)用推廣也會越來越快。本文通過對金屬板料機器人自動折彎單元的設(shè)計選型原則、步驟及具體配置選型作分析，為機器人自動折彎行業(yè)的技術(shù)推廣和發(fā)展提供借鑒和參考。