改善傳統(tǒng)鈑金加工工藝的機(jī)器人折彎單元
2019-11-14 來源：- 作者：-
一、用戶傳統(tǒng)折彎工藝現(xiàn)狀分析
無錫一家企業(yè)采用傳統(tǒng)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)成形一個(gè)典型鈑金件（見圖1），其加工制造工藝存在以下問題：
（1）工件折彎工藝復(fù)雜，人工折彎時(shí)精度難以控制，造成折彎精度較低，產(chǎn)品一致性、穩(wěn)定性差，不能保證后續(xù)的裝配精度。（2）由于鈑金零件重量大（工件重量65kg），一個(gè)工件加工時(shí)需要5個(gè)操作工來完成作業(yè)，用工成本高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度很大，而且不能連續(xù)作業(yè)。（3）由于折彎數(shù)多達(dá)9道，外觀奇特，還需要人工翻面，所以在加工中操作困難，部件穩(wěn)定性差，存在很大的危險(xiǎn)性。（4）生產(chǎn)用時(shí)多，效率低，每個(gè)工件的加工用時(shí)需要15-17min。（5）生產(chǎn)布局及工藝流程不合理，工業(yè)視覺效果差。
二、用戶鈑金加工件基礎(chǔ)技術(shù)要求及特點(diǎn)
該用戶鈑金加工件有以下技術(shù)要求及特點(diǎn)：
（1）工件材料：熱軋板。（2）工件外形尺寸較大，原材料為不規(guī)則長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度為1500mm，寬度800mm，厚度6mm。（3）工件重量達(dá)65kg。（4）工件外觀造型奇特，形狀復(fù)雜，在人工折彎成形加工過程中存在著很大困難。（5）折彎步序較多，有9道折彎步序，其中有三次翻面后的折彎步序。（6）折彎角度：90°及鈍角折彎。（7）折彎精度：較高的穩(wěn)定性和折彎角度一致性。
圖1 該用戶鈑金加工件
三、機(jī)器人折彎單元的設(shè)備選型及用戶鈑金加工件工藝分析
1.設(shè)備選型
根據(jù)用戶鈑金加工件基本技術(shù)要求及特點(diǎn)，選型如下（見圖2）：
（1）選用機(jī)器人折彎單元1套，包括上下模1套。（2）選用德國(guó)原裝KUKA 6軸機(jī)械手1套。（3）選用機(jī)械手伺服行走軌道1套。（4）配置磁性板料分離裝置1套。（5）配置預(yù)對(duì)位定位工作臺(tái)1套。（6）配置板料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2套。（7）配置磁力夾爪復(fù)合式抓手1套。（8）配置工件輸送帶1套。（9）安全防護(hù)1套。（10）折彎軟件1套。
圖2 設(shè)備選型
2.機(jī)器人吸盤及抓手設(shè)計(jì)選擇
通過對(duì)工件折彎步序、型面、重量和工件開孔的模擬分析，設(shè)計(jì)了一套具備綜合能力的抓手夾具，即磁力夾爪復(fù)合式抓手（見圖3）。
圖3 磁力夾爪復(fù)合式抓手
3.折彎?rùn)C(jī)模具選擇
通過計(jì)算機(jī)模擬分析，根據(jù)不同型面和步序的折彎要求，折彎?rùn)C(jī)模具選擇：835mm×3支，按照不同步序的折彎，將模具對(duì)應(yīng)分段為5組（見圖4）：左Ⅰ-200mm，左Ⅱ-350mm，中間-900mm，右Ⅱ-550mm，右Ⅰ-220mm。
圖4 折彎?rùn)C(jī)模具選擇（左Ⅰ，左Ⅱ，中間，右Ⅱ，右Ⅰ）
四、采用機(jī)器人折彎工藝后的主要效果
（1）成品合格率達(dá)99.9%。（2）設(shè)備可連續(xù)24h工作，保障生產(chǎn)的準(zhǔn)時(shí)性。（3）排除危險(xiǎn)，保障工件的加工穩(wěn)定性。（4）只需1名工人按照作業(yè)報(bào)警器提示來操作，機(jī)器人在備好料時(shí)可按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行無人操作，無需人工干預(yù)，只有在碼垛時(shí)在輸送帶末端接收一次工件即可，可以節(jié)省4.5名操作工，大大降低了用工成本。（5）效率顯著提高，加工一個(gè)工件只需7.4min。折彎步序示意圖見圖5。（6）提升了制造工藝水平和視覺效果。
圖5 折彎步序示意圖
五、機(jī)器人折彎模擬演示
針對(duì)用戶工件，工程師通過計(jì)算機(jī)模擬（見圖6），可以分析9道折彎步序的工況情況，包括機(jī)床主參數(shù)開啟高度、行程、喉口和工作臺(tái)的尺寸選擇以及上下模具形狀和配對(duì)組合情況，這樣對(duì)于設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用有著可行的理論基礎(chǔ)。
圖6 機(jī)器人折彎模擬演示
六、機(jī)器人折彎單元系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）多品種生產(chǎn)，產(chǎn)品切換無需首片測(cè)試，無需編程示教，在10min以內(nèi)完成產(chǎn)品型號(hào)生產(chǎn)切換。（2）無需專業(yè)技工，只需學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、善于鉆研的操作工。（3）100%保證產(chǎn)品精度。（4）世界一流品牌部件集成，確保系統(tǒng)安全可靠。（5）布局合理，外觀大氣。
七、機(jī)器人折彎單元技術(shù)特點(diǎn)
1.設(shè)計(jì)研發(fā)
在機(jī)器人折彎單元設(shè)計(jì)研發(fā)中，一是要注重用戶個(gè)性化需求和定制化的特點(diǎn)，以客戶的需求為第一要?jiǎng)?wù)，在每個(gè)技術(shù)方案的制定中與客戶進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交流；二是對(duì)客戶提供的工件加工圖紙進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析；三是對(duì)客戶的典型工件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打樣試驗(yàn)；四是對(duì)客戶的工件進(jìn)行分類分析和數(shù)據(jù)處理。
在確認(rèn)上述程序性工作完成后，再進(jìn)行技術(shù)方案的制定，在技術(shù)方案和方案圖得到客戶認(rèn)可后即可進(jìn)行全面設(shè)計(jì)。
該機(jī)器人折彎單元采用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)，在材料、結(jié)構(gòu)、傳感器、實(shí)時(shí)補(bǔ)償、隨動(dòng)、激光角度測(cè)量、自動(dòng)換模、自動(dòng)換抓手、軟件及控制、參數(shù)化編程、離線編程、生產(chǎn)管理軟件和總線控制技術(shù)等方面全部采用和選用先進(jìn)軟硬件品牌。在折彎?rùn)C(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)方面，采用了目前世界上較先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)方法，對(duì)機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，保證了機(jī)床設(shè)計(jì)的合理性、可靠性和穩(wěn)定性。
2.優(yōu)質(zhì)材料應(yīng)用
本文所述機(jī)器人折彎單元的折彎?rùn)C(jī)機(jī)架承襲意大利鈑金設(shè)備的用料特點(diǎn)，材料選用45#鋼或Q345B（見圖7），具有綜合機(jī)械性能良好、剛性好、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
圖7 機(jī)架應(yīng)用優(yōu)質(zhì)材料
3.獨(dú)特的機(jī)架結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)折彎?rùn)C(jī)一般采用焊接式機(jī)架，包括左右立柱、下橫梁（工作臺(tái)）、油箱和支撐方梁采用整體焊接結(jié)構(gòu)。而該機(jī)器人折彎單元中的折彎?rùn)C(jī)機(jī)架沒有采用焊接機(jī)架結(jié)構(gòu)，而是采用獨(dú)家的機(jī)架鉚接技術(shù)（見圖8），下橫梁（工作臺(tái)）與立柱之間采用高強(qiáng)度鋼螺栓緊固連接，這種柔性連結(jié)充分保證了機(jī)身在高強(qiáng)度載荷情況下，能較大程度降低機(jī)架應(yīng)力變形，保持機(jī)床精度的長(zhǎng)久穩(wěn)定性。
其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
（1）確保了機(jī)器無焊接應(yīng)力變形。（2）提高了機(jī)器裝配精度。（3）延長(zhǎng)了機(jī)器使用壽命。（4）大幅提高了液壓補(bǔ)償精度。
圖8 獨(dú)特的機(jī)架結(jié)構(gòu)
4.傳感器技術(shù)（精密電位計(jì)）應(yīng)用
為了保證高精度的鈑金折彎，在折彎?rùn)C(jī)的上橫梁（滑塊）和下橫梁（工作臺(tái)）安裝了傳感器，在工作狀態(tài)時(shí)將上、下橫梁的變形量，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反饋到數(shù)控系統(tǒng)（PC），數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算比對(duì)后，輸出相應(yīng)的補(bǔ)償值驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償油缸進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以獲得滿意的制件精度。
5.補(bǔ)償技術(shù)（獨(dú)家技術(shù)）
G-FLEX墻板比例型變補(bǔ)償系統(tǒng)為一項(xiàng)專利補(bǔ)償技術(shù)，無論板材厚度、長(zhǎng)度或折彎位置等折彎條件發(fā)生何種變化，都能保證每次折彎角度在全長(zhǎng)內(nèi)完全一致，消除光柵尺的測(cè)量誤差，保證機(jī)器精度。
G-CS自動(dòng)撓補(bǔ)系統(tǒng)通過閉環(huán)控制，在板厚一定的折彎情況下簡(jiǎn)化了復(fù)雜的試折彎工作過程。即使折彎工件的長(zhǎng)度不同，或者在折彎?rùn)C(jī)的不同位置，都能確保折彎出來的工件具有完全一致的角度及直線度，且無需人工干預(yù)?？蓪?shí)現(xiàn)較高折彎精度和穩(wěn)定性，完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
6.折彎隨動(dòng)技術(shù)
機(jī)器人折彎單元在折彎過程中，應(yīng)對(duì)不同大小和板厚的工件，可根據(jù)折彎?rùn)C(jī)滑塊的運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)跟隨，自動(dòng)調(diào)整。該技術(shù)由意大利LAG葛世專用機(jī)器人折彎應(yīng)用軟件包LK-RBC-Rev4.0來實(shí)現(xiàn)（見圖9）。
圖9 折彎隨動(dòng)技術(shù)
7.激光角度測(cè)量技術(shù)
AMS角度測(cè)量系統(tǒng)通過閉環(huán)的激光角度在線測(cè)量系統(tǒng)，在機(jī)器人自動(dòng)折彎過程中，其自動(dòng)應(yīng)用程序及內(nèi)置激光角度測(cè)量裝置的自動(dòng)角度測(cè)量系統(tǒng)與G-CS系統(tǒng)配合工作，保證彎曲角精度（見圖10）。其主要特點(diǎn)為：
（1）通過激光在線檢測(cè)工件回彈后的折彎角度。（2）受力檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算折彎回彈量。（3）工件根據(jù)下模寬度的不同可自動(dòng)調(diào)整進(jìn)深。（4）通過閉環(huán)的激光角度在線測(cè)量系統(tǒng)，保證折彎成品率達(dá)到99.5%以上。
圖10 激光角度測(cè)量技術(shù)
8.機(jī)器人自動(dòng)換抓手、換模技術(shù)
機(jī)器人自動(dòng)換抓手、換模是折彎?rùn)C(jī)最先進(jìn)的智能自動(dòng)化操作技術(shù)之一，該技術(shù)由自動(dòng)換模軟件、機(jī)器人和模具庫(kù)組成（見圖11）。當(dāng)選配自動(dòng)換模系統(tǒng)時(shí)，精密折彎中心就能全自動(dòng)隨機(jī)折彎小批次的不同產(chǎn)品。利用自動(dòng)更換模具的功能，折彎?rùn)C(jī)中的模具不再成為限制因素，可全程無人處理部件。機(jī)器人自動(dòng)機(jī)械裝置的抓手更換模具的速度非?？?，隨時(shí)可折彎下批部件。
圖11 機(jī)器人自動(dòng)換抓手、換模技術(shù)
9.軟件及控制
在機(jī)器人折彎單元中應(yīng)用了參數(shù)化編程、離線編程和生產(chǎn)管理軟件（見圖12），同時(shí)二次開發(fā)了折彎隨動(dòng)、自動(dòng)換模、自動(dòng)換抓手、柔性碼垛、實(shí)時(shí)補(bǔ)償、板邊尋邊、柔性翻轉(zhuǎn)技術(shù)和總線控制技術(shù)，極大地滿足了各類客戶鈑金折彎的技術(shù)和軟件需求。
圖12 軟件及控制
八、結(jié)束語(yǔ)
通過上述機(jī)器人折彎單元改善鈑金加工工藝的淺析，我們發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠顯著改善傳統(tǒng)折彎技術(shù)和工藝，可提高兩倍的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)安全無人化操作，能夠減少原來90%的用工，有助于解決用戶存在的鈑金加工瓶頸問題，充分體現(xiàn)了鈑金工業(yè)智能制造的優(yōu)勢(shì)。
（來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)（WMEM）》2019年第5期 作者：馬會(huì)元 王軍軍 嘉意機(jī)床（上海）有限公司）
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