金屬鈑金機器人自動化折彎技術的研究

■ 楊晟

目前在工業制造領域中，金屬鈑金成形應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、折彎機折彎、鉚接及焊接等。在當今生產制造業領域，鈑金折彎成形已滲入到諸多行業，如汽車、家電、電氣、廚具、電子及消費品等，在金屬鈑金折彎成形過程中，傳統作業時每臺折彎機均需要配備一名操作者。由于各行各業對產品的品種要求繁多、數量巨大，且折彎機屬于危險類別較高的生產設備，安全隱患也比較大，此道生產工序愈發成為一項繁重危險度較高的體力工作，所以用機器人替代人工作業也逐漸成為必然發展趨勢。

1. 金屬鈑金折彎成形過程中相關尺寸說明

（1）金屬鈑金折彎所需5個相關尺寸（見圖1） 鈑金厚度尺寸t、折彎機上刀口頂尖處R角半徑r、折彎機下刀口凹槽深度尺寸d、折彎機下刀口的上開口最大尺寸b、折彎機下刀口的上開口處R角半徑r′。

圖 1

圖 3

（2）金屬鈑金在折彎成形過程中5個階段（根據鈑金下平面壓入下刀口凹槽時的深度值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）機器人折彎動作算法原理 在折彎機折壓金屬鈑金時，上刀口下降至不同深度范圍時，機器人動作位置參考點所產生的相對幾何關系式也不同。機器人折彎工作時始終在監控刀口下降的位移位置，根據上刀口壓入下刀口凹槽內的不同深度值選擇對應的幾何關系式進行計算，將鈑金成形過程中參考位置點發生的位移偏移量計算出來，并再次賦值給新的參考位置點，并隨即向新的參考位置點移動達到跟隨的效果，至到機器人監測到上刀口壓入深度值大于等于預先設定的下刀口凹槽深度尺寸為止，一個完整的折彎動作結束。

“動態工具坐標系+位于R角上的動態作業點”理論學說（見圖7）。

如圖7中P0點為機器人作業開始時的初始點，機器人作業過程中始終有一個動態作業點P′，始終位于下刀口的肩部R角上(即圖中的r′圓角上)。機器人的作業點P′自P0點為起點開始，始終在r′圓角上移動，直到走到r′圓角的另一端點P為運動終點，此時也恰好達到折彎要求的最大深度。

機器人折彎過程中，陷入下刀口凹槽的鈑金會逐漸延長，機器人在移動過程中，同時還要向凹槽內的鈑金長度進行補償，通過動態工具坐標系變幻，工具坐標系的參考點隨著金屬鈑金折彎過程壓入下刀口凹槽越深，則工具坐標系偏移值越大，實現了機器人在原本跟隨移動過程中向下刀口凹槽內不斷地補償更多的鈑金物料。

“動態工具坐標系+位于R角上的動態作業點”保證了機器人作業點的準確性，同時也保證了鈑金折彎時延展所需要的物料補償。

2. 具體應用

（1）電液伺服數控折彎機 可實現穩定及精確調整折彎工作速度的折彎機，以保證金屬鈑金在折彎過程中勻速穩定，避免發生速度突變導致機器人無法在短時間內急速跟隨的現象。同時，對于不能將折彎機自身的刀口行程值通信給機器人的情況，則需要在折彎機上刀口（即活動刀口）安裝精密絲桿與編碼器傳動裝置，通過編碼器將刀口行程值持續通信給機器人。

圖 5

圖 6

圖 7

（2）工業機器人 目前主流的工業機器人，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器人（機器人本體內需安裝有與編碼器通信協調數據的專用板卡或模塊），配合真空吸盤式抓手，可在機器人的控制器內為不同規格的產品預先錄入產品編號及相應的尺寸參數，機器人即可準確對應多種規格的產品折彎作業。

（3）應用過程中需特別注意的技術參數 折彎機在折彎作業時工進速度(即金屬鈑金開始發生折彎變形時折彎機的工作速度)，根據現場實際測試，建議設定在25mm/s以下，否則會出現機器人的運動速度滯后于金屬鈑金的移動速度，從而導致金屬鈑金從吸盤抓手上脫料。若機器人6軸法蘭中心距離折彎機刀口中心尺寸較遠時（通常大于300mm），則建議繼續降低折彎機作業時的工進速度。

3. 折彎機器人國內應用現狀與不足

目前我國包括廈門ABB開關有限公司、東莞嘉利公司等大型的電氣柜、家電的生產制造企業已將機器人折彎應用到實際的生產作業中，但仍有更多的金屬鈑金制造企業尚未實現或正在籌劃這一環節的自動化應用方案。很多企業還屬于中小企業，所生產的產品規格不固定、產量偏少且不穩定，則折彎機需要經常更換及調整上下模刀口導致基準位置發生變化，機器人就需要反復校準，使得機器人作業的優勢不能充分體現，最終機器人自動化折彎系統在中小企業范圍內未得到廣泛推行實施。

4. 結語

機器人自動折彎僅作為機器人在制造業中高端智能化的其中一個環節，隨著中國制造2025及全球工業化4.0的全面推進，未來對機器人提出智能化要求的領域將越來越廣泛，且每個領域內均會有其獨特的技術要求，逐步充實著工業機器人的擬人化作業功能。配合完善的3D視覺設備、力矩傳感器等外部輸入元件，未來每臺工業機器人都將變成一臺半人化設備，實現的將不僅僅是無人化工廠，甚至是具備一定程度自主協調能力的設備，更進一步保障了生產線產品的多元化、隨機化的生產要求。