金属板料机器人折弯单元的设计选型

2022-11-22申家雷李振光

锻压装备与制造技术 2022年5期

申家雷，李振光

（瑞铁机床（苏州）股份有限公司，江苏太仓 215000）

0 引言

钣金工件的特点是材质、厚度、结构以及工艺等均具有丰富多样性，钣金折弯作业时往往需要一个或多个操作工一边抬板，一边操作折弯机脚踏进行折弯加工，劳动强度大，生产效率低，导致折弯工序成为制约钣金加工企业产能提升的瓶颈工序。人工抬板，长时间重复劳动易产生疲劳，导致抬板不到位，影响工件成形角度精度，导致产品精度不稳定甚至报废。同时，板料折弯机作为特种加工设备，在折弯大型复杂工件时危险系数高，存在安全隐患。近年来，机器人自动折弯技术发展迅速，在电梯门板、高低压开关柜、文件柜、橱柜等细分领域得到较为广泛的应用，得到客户认可。这些领域的钣金工件品种相对固化单一、成形工艺简单、生产批量大，易于实现自动化折弯和应用复制。与此同时，一些细分行业应用项目的可复制性低，往往一个新的项目需要设计人员从分析钣金工件开始一切从头再来——设计转化效率低下，不仅加大了项目落地难度，同时降低了市场竞争力。本文在分析总结多项不同细分行业实际案例经验的基础上，对金属板料机器人自动折弯单元的设计选型进行分析总结，对折弯单元的设计要点进行了梳理。

1 自动折弯关键技术

1.1 折弯自动跟随技术

工业机器人自动跟随折弯软件，能够自动创建机器人TP 程序，用于实现折弯时机器人的跟随动作，具有如下技术特点：①输入折弯工艺参数及机器人参数信息，自动生成TP 程序，用于机器人跟随折弯；②可启用夹紧点调整功能，对机器人及折弯机动作进行时序上的调整，保证机器人及折弯机的同步性；③可启用同步举升功能，用于折弯后机器人与折弯机同步举升，以保证机器人抓取着钣金件无干涉地退出折弯机。

1.2 钣金自动寻边技术

在机器人折弯应用中，钣金折弯的尺寸质量主要依靠后挡指的定位，每道折弯工艺都需精确定位，确保折弯尺寸精度，不放大累积误差，保证批量化产品的折弯质量。

使用钣金自动寻边软件，通过挡指传感器获取的位置数据，自动计算出当前机器人需要调整的姿态并控制机器人完成姿态调整，以保证钣金与后挡指相对位置的准确和恒定，从而保证折弯成形的一致性。如图1 所示。

图1 自动寻边及调整示意图

2 工艺动作流程

金属板材机器人自动折弯一般需经过以下几个工艺动作流程：①机器人从原料处抓取板料；②机器人将抓取的板料放置在定位台上进行工件精确定位后再二次抓取工件；③机器人将板料送至折弯机上下模中间并放平至下模上，再通过折弯机后挡指进行板料折弯尺寸校正定位；④折弯机滑板下压进行板料折弯成形，此时机器人跟随折弯动作；⑤机器人根据板料折弯工艺需要，完成工件的翻面/换位工序后，重复折弯及其他工艺工序直至完成折弯作业；⑥机器人将工件码垛至成品堆垛处。

3 单元配置和功能

折弯单元配置及其功能如表1 所示。单元工位排布示意图如图2 所示。

图2 单元工位排布示意图

表1 折弯单元配置及功能

4 设计选型总体原则

折弯单元的设计要遵循一定原则。

（1）整体性原则。整体规划机器人折弯单元，以客户需求为第一要素，以完成产品自动折弯为目标，从全局考虑设计方案，明确折弯单元的各个功能部件。

（2）功能性（模块化）原则。即将各功能部件相对独立分开，模块化分别设计。再根据各功能模块之间的相互关系进行关联交叉整合，统筹优化细节设计。在功能模块设计时，应当尽可能采用已经标准化的通用化的模块，减少设计周期，降本增效。

（3）优化设计原则。当整个单元设计基本达到设计指标要求时，可能因项目约束条件、元器件选型或功能配合间相互影响，各功能模块之间的相互配合还存在一定的缺陷或弊端。需要在现有约束条件下，进行功能模块的优化设计调整，以达到整个单元的优化。

（4）可靠性和稳定性原则。机器人自动折弯的特点是取料、折弯和码垛全过程的自动化作业。单元设计方案的可靠性和稳定性是实现自动化的先决条件。在单元设计时应遵循如下具体原则：①在满足系统性能和功能指标要求的前提下尽可能的简化各功能的结构；②尽可能选取已经成熟的功能模块结构和标准件；③对功能模块和具体设计结构中易出现问题或故障的的薄弱环节，要主动采取保障措施和改进措施。

（5）性价比原则。在设计时要充分考虑单元的性价比，既要缩短开发设计周期，保证性能稳定可靠，同时又要尽可能降低成本，以成熟的机构、标准元器件代替非标设计。

（6）安全性原则。机器人作业必须遵循安全第一的准则和规范，单元设计必须满足安全指定的安全标准。

5 设计选型方法步骤

遵循上述设计选型原则，以客户需求和产品为设计输入，从分析产品自动折弯工艺过程入手，总结了机器人折弯单元的设计选型步骤如下。

（1）所需折弯工件的分析及数据结果处理，通常按钣金材质、外形尺寸、重量、厚度和折弯工艺进行统计及分类归纳。

（2）根据所得数据，初步进行执行机器人的型号选型，进行数控折弯机的吨位和长度选型，初步确定折弯机机型和配置。

（3）进行工件折弯工艺的详细分析，分析每个工件的自动折弯工艺步序（此处可以借助钣金三维设计软件、折弯自动编程软件等工具进行），并对数据进行总结归纳处理。

（4）进行折弯机选型的确认，如涉及使用已有折弯机进行自动化折弯改造的，需要进行已有折弯机的设备参数确认，并对折弯机的可靠性作进一步认证。

（5）进行机器人选型的确认（包括机器人第七轴的配置选用情况）。

（6）根据功能模块的划分，项目需求，进行其余各功能部件的设计选型。

（7）单元系统布局。整合折弯机、机器人及各个功能部件进行单元布局系统搭建规划；包括人机系统的配置，折弯产品的物流路线，电、液、气系统走线，操作箱、电器柜的位置以及维护修理和安全设施配置等内容。

（8）系统校核。采用三维设计模拟，仿真软件等工具对产品自动折弯工艺过程进行模拟，从而对各功能部件及折弯机设计参数进行检验校核和优化调整。

（9）控制系统设计。应当包括选定系统的标准控制类型与追加性能。确定系统工作顺序与方法及互锁等安全设计；液压、气动、电气、电子设备及备用设备的试验；电气控制线路设计；机器人线路及整个系统线路的设计等内容。

（10）完成单元设计选型，进行项目实施设计。此项设计包括编写工作系统的说明书、机器人详细性能和规格的说明书、接收检查文本、标准件说明书、绘制工程制图、编写图纸清单等内容。

6 设计选型要点分析

6.1 钣金自动折弯的工艺分析

在钣金自动折弯工艺分析时，要注重三个方面的问题。

（1）工件的可抓取性。调整工艺顺序保证工件可被抓取且尽可能增大可抓取范围，这样才能有效保证工件在抓手上的状态稳定，从而保证自动折弯的可靠性和稳定性。

（2）如何有效保证工件的精度。因为机器人自动折弯过程中，折弯尺寸的精度是由后挡指定位传感器的定位校正来保证的，所以分析工件自动折弯工艺时，需要考虑每一步序都能精准可靠地使用后挡指进行定位校正。以下两种具体情况，尤其需要考虑：①连续钝角折弯，能够由内往外折弯的，按由内往外的顺序进行；②反扣折弯遇到成形尺寸L 与模具中心到模具侧边距离L1相近时，需注意校核，必须考虑到后挡指校正时的动作范围，一般要求成形尺寸L 比L1大2mm 以上。

（3）尽可能提升效率，减少不必要的翻面、换位等工序。

自动折弯工艺分析时需要确认的有：①折弯具体顺序；②需要翻面和换位的工序位置和次数；③所需折弯模具上、下模的分段情况；④无法使用后挡指定位的工序。

6.2 模具选型设计

除正常的单边、多边顺序折弯外，常见的钣金折弯成形工艺还有：盒型收边，Z 字型折边，翻面折弯，搭边扣边成形，断差成形，压实边，双折边等等。

自动折弯应用中常见的特殊折弯模具类型及应用工艺场景如表2 所示。

表2 常见特殊折弯模具及应用

在模具设计选型时，需要结合自动折弯工艺进行验证分析。通常情况下，下模优先选用单V 模具，在板材幅面较大时，也可选用经济型相对较好的双V 下模。

6.3 折弯机选型及配置参数确定

折弯机的选型以折弯能力、模具参数为基础，结合折弯工艺需求，确定相关配置参数。通过工件最大折弯吨位、工件每米折弯吨位和所需模具分段总长确定折弯机基础机型，即折弯机的吨位和工作台长度。通过模具设计参数确认折弯机开启高度，确认后挡料轴数，确认数控系统轴数及数控系统型号。再根据所确定的参数，确认所选机型的其他配置及参数是否基本满足自动折弯的功能指标。一般在有模具分段情况下，优选后挡料增加Z1、Z2轴（控制两个挡指分别左右移动）。后挡指需要使用带传感器结构型式。

6.4 机器人选型

机器人选型时，需根据最大工件板材厚度、尺寸、重量等参数，对机器人臂展及负载能力进行初选，表3为大量案例总结的常用机器人快速选型经验，可供参考。

表3 常用机器人选型

在抓手工装外形结构初步设计完成后估算抓手工装及工件的负载综合惯量，对比机器人负载曲线和惯量曲线，进行机器人选型的校核确认，负载应不超过负载曲线允许值。

6.5 第七轴的设计选型

机器人第七轴的作用是扩展机器人运动范围，以及进行单元的柔性扩展。机器人七轴优选可以联动作业，实现大幅面工件的跟随折弯动作。机器人第七轴一般由伺服电机驱动，直线导轨导向，行星减速器加齿轮齿条传动，具有高速度，高精度，高稳定性的特点。

机器人第七轴设计选型时一般考虑的因素及相关参考参数如表4 所示。

表4 第七轴设计选型参考表

在选型设计时应遵循模块化设计的原则，通用型的原则，避免重复设计。

6.6 抓手工装设计

抓手工装作为板料搬运执行机构，其设计选型的结果直接影响到单元的性能和可靠性。抓手工装一般由法兰连接件，抓手框架结构，真空发生单元，真空吸盘，磁性吸盘等组成。吸盘通常采用分组控制，必要时配气路止回阀，防止真空系统泄漏量过大，影响真空吸附能力和效果。

抓手工装设计时，一要根据板材的尺寸、工艺（单边折弯、两边折弯或者四边折弯）、材质、表面状态和是否具有导磁性等对抓手的结构进行设计，一般选用质量轻、强度高的铝型材作为结构搭建，非磁性材料还需要考虑在抓手上安装机械分张机构；二要选择合适的吸盘。如表5 所示为常用吸盘的应用选型表。由于折弯动作工艺复杂，吸盘需要吸附工件进行各种（水平、竖直、翻转、摆动）运动，对吸盘吸附能力要求非常高，同时要求吸盘具有防滑及防变形的能力。不同的板料特性对吸盘的选取要求也有所不同。

表5 常用吸盘应用选型

抓手设计时，同时需要考虑抓手的兼容性，在不影响整体性能指标的前提下尽量做到一个抓手可以兼容多个工件，减少抓手使用数量。

6.7 翻面架设计选型

翻面架用于工件换位或翻面时使用，可以实现换位折弯，翻面折弯，以及正反码垛等功能动作时的放板需求。翻面架一般由结构支架和多组安装支架以及安装支架上的多组吸盘组成。抓手可以在安装支架之间的空档中实现翻面抓取工件。

翻面架通常设计有水平和竖直两种结构，同时有固定式（手动可调整）和自适应移动式两种调整方式。在设计选用时，当机器人采用固定安装时，竖直翻面架更能有效适应机器人活动范围，应优选选用。水平翻面架一般搭配机器人第七轴使用。固定式和自适应移动式根据具体功能指标选用，一般情况下考虑经济性和可靠性采用固定式，着重考虑节拍和生产效率时选用移动式。

6.8 重力对中台的设计

重力对中台一般包含一组直角靠栅、台面以及定位检测传感器。其作用是进行板料的二次精确定位：机器人将板料距离直角靠栅一定距离放置在重力台面上，板料在自重作用下滑至两直角边均靠住靠栅实现板料的精确定位。台面一般采用镶嵌万向滚珠的结构型式，减少板料滑动摩擦力和对工件表面的划伤。重力对中台设计选型时根据工件尺寸、板料表面平整情况确定台面大小，倾角角度（20°以上为宜）等。板材表面有凸包成型等特征或花纹板材质的，倾角应酌情加大，一般角度大于45°即可实现可靠滑动。

6.9 上下料系统的设计

固定上料台作为料垛的粗定位装置，一般设计为L 型两边定位结构，L 型两边设置定位靠栅及磁力分张器。磁力分张器在机器人抓取板料时能够有效分离多张板料，避免单次抓取多张板料。当料垛上无料时，上料台配备的检测传感器能够报警提示。

成品堆垛台根据板料堆垛方式进行设计，常规案例中仅需通过几组限位块设置区域限位即可。特殊情况下，应根据项目实际需要设计专门的堆垛工装，如为避免堆垛压伤而设计的层排立放式堆垛栈。

6.10 安全防护装置设计

机器人工作范围内由安全围栏、光幕防护系统，安全门等形成一个封闭区域。所有运动部位应设置安全防护装置，保证无安全隐患。单元须配有声光三色灯提示系统，作为安全系统的辅助工具；总控系统能够在机器人、折弯机等设备启停、故障、换料、上下料以及安全报警等各种异常状况发生时及时停机，并报警提示。单元应具有自动、手动两种控制方式，手动模式下运行单元中某一部分设备的开关，该部分动作，其他部分不得动作。

7 选配配置简介

（1）抓手快换系统。在单元中用到多个抓手工装的情况下，特别是自动化需求程度高时，尤其需要考虑抓手快换装置和抓手放置架。通过使用吸盘抓手快换装置，机器人可自动更换不同的吸盘抓手，使得机器人的应用更加柔性；也可以减轻更换重型抓手的劳动强度。抓手快换装置包括：安装于机器人手臂末端法兰盘上的主盘，多个安装在不同吸盘抓手上的工具盘，以及用于放置不同吸盘抓手的放置架；机器人抓手更换可在数秒内完成，大大降低停工时间，更换吸盘抓手后，直接调用程序，无需进行二次示教确认；根据机器人的负载不同，选择相应负载的抓手快换装置。

（2）数控前定位系统。当遇到要保证钣金件最终成形的外形宽度尺寸，对折弯成形边的尺寸要求不高的情况下，使用折弯机后挡指定位仅能保证成形边的尺寸，而不能保证整个成形宽度的尺寸，此时需要数控前定位系统参与。数控前定位系统一般由两组伺服轴驱动两组前定位装置（同后挡指结构）在折弯机前方执行前定位功能。前定位系统一般可由PLC 控制系统或折弯机数控系统控制。

（3）自动换模系统。自动换模系统由自动换模控制软件、自动换模专用抓手、专用模具和模具库组成。当选配自动换模系统时，折弯单元可取代人工全自动更换折弯模具，使生产模式更加的自动化和智能化。

（4）激光角度检测系统。激光角度检测系统一般使用在厚板折弯应用中。在机器人自动折弯过程中折弯角度数据自动检测、记录、修正。该系统的安装位置与下模的更换无影响。通过用CMOS 相机扫描投射在板材表面上的激光的投影来测量折弯角度。激光和相机的观察轴之间的角度确定了测量的距离，通过这些数据计算传感器和板材之间的角度。并通过在相反方向的第二个传感器来一起计算折弯的角度。可针对板料存在不同程度的板厚误差、回弹不一致、轧制纹路变化等问题，通过检测在滑块下压中板料的差异性及变形量，从而计算并控制滑块下死点精确位置，并在滑块上行释放板料回弹后可再次测量角度是否符合要求，如不符合可再次控制滑块下压，并控制CNC 挠度补偿系统进行调整，确保工作台面与上滑块平行。以上步骤可重复多次直至角度合格。

（5）板厚检测系统。自动板厚检测装置，简称“DSTM”，是集成在后挡料挡指上的。用“D-STM”装置测量板厚精度可达到±0.01mm，可以检测20mm 及以下的材料厚度。整个检测过程只需要1/10s，测量的数值会即时传输到数控系统从而数控系统会自动调整真实的板厚。

（6）视觉系统。视觉识别系统对托盘上工件进行拍照，并对工件进行识别、定位，同时消除避免外界光源、烟雾等因素的干扰，引导搬运机器人对托盘内的工件进行抓取。使用防护罩进行安全防护，避免外界因素对其造成损伤。加装光源，避免外接光源环境的干扰。需要上位系统预先给出产品的种类名称。能够识别空托盘，缺料能提前提示报警。可以通过轮廓特征和高度特征准确检测3D 位置姿态，输出工件的X、Y、Z、Rx、Ry 及Rz 的信息。