■ 張濤
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進入21世紀以來,工業(yè)機器人已廣泛應(yīng)用在汽車、電子、金屬、化工、食品等各大領(lǐng)域,從事著諸如搬運、焊接、沖壓、裝配等工作,大幅減少了人工勞動成本,提高了生產(chǎn)效率。而隨著制造業(yè)的快速發(fā)展,鈑金件在機床、電氣、廚具及門業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多,折彎則是一種重要的鈑金成形方法。
目前,機器人折彎已引入到折彎行業(yè)中,但人工輔助的方式仍較為普遍,這就造成了折彎的一致性低、可靠性差等多種問題。機器人全自動折彎系統(tǒng),可以保證折彎工藝的一致性和可靠性,國內(nèi)外學者也進行了大量的研究工作。這樣的系統(tǒng)無需人工介入,由機器人完成取件、對中、折彎、放件等一系列動作,而折彎機的動作通過與機器人建立的通信來進行。
在折彎過程中,由于折彎機和機器人是兩套獨立的設(shè)備,僅通過PLC來交換信號,但機器人需要抓取著工件,并伴隨折彎機上模的動作來做出跟隨動作。如果動作提前或動作滯后,將會使工件發(fā)生變形從而成為廢料,并在一定程度上會損壞折彎機模具、機器人手爪,甚至機器人本體。
如何使機器人和折彎機能夠完美的配合完成折彎,是機器人行業(yè)和折彎機行業(yè)研究的重要課題。
機器人折彎系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:機器人、折彎機、重力對中臺、吸盤手爪、上下料臺等,如圖1所示。
吸盤手爪安裝在機器人手腕上,負責對工件抓和放。機器人將工件從上料臺上抓起,移動到重力對中臺上方將工件放下,再重新抓起來,保證抓取位置的一致性。然后機器人帶著工件移動到折彎機的下模上方,開始跟蹤折彎。待折彎完成后,機器人帶著工件離開折彎機,移動到下料臺并放下工件。以上是只對一道工序折彎的流程描述,實際生產(chǎn)中每個工件的折彎工序一般會有很多道,期間會進行工件的換向等操作。
除折彎工藝外,其他點位通過人工示教完成,這樣機器人執(zhí)行程序可自動完成工件取料、定位、折彎、放料,并加工出需要的產(chǎn)品。
圖1 折彎系統(tǒng)組成
本文重點探討折彎工藝中的機器人跟隨問題。
折彎工藝分為以下步驟:
機器人帶動工件至折彎機下模具上方,工件完全貼合下模具,此時機折彎機上模具位于上死點,也就是說折彎機是靜止不動的,如圖2a所示。
折彎機起動,上模具快速向下運動,且運動至變速點,此過程機器人保持不動,如圖2b所示。
折彎機上模具以慢速從變速點移動到夾緊點,此過程機器人依然保持不動,如圖2c所示。
折彎機上模具以慢速繼續(xù)往下運動,此時機器人帶動著工件做出相應(yīng)的動作,直到上模具達到下死點,折彎完成,如圖2d所示。
上述過程完成后,上模具快速往上運動到上死點,同時機器人帶著工件退出折彎機工作區(qū)域,完成該道工序的折彎。
在折彎過程中,機器人的跟隨方案一般分為兩種類型:開環(huán)和閉環(huán)。開環(huán)是根據(jù)折彎過程中的幾何模型,預(yù)測折彎機上模具位置和機器人本體姿態(tài)的關(guān)系,預(yù)先生成機器人的運動路徑,這種方式可以保證機器人的運動速度,且不受額外硬件的限制。閉環(huán)則需要額外的模塊,如編碼器、光柵尺等可以實時捕獲折彎機上模具位置,然后通過折彎幾何模型,實時計算出機器人應(yīng)該到達的位置并反饋給機器人,機器人再做出相應(yīng)的動作以匹配折彎機上模具的位置。但這種方式需要一定的成本,跟隨速度難以保證,跟隨效果可能會遭遇延遲。
本文討論的機器人跟隨方式為開環(huán),流程如圖3所示。
在開始幾何模型分析之前,首先需要對坐標系做出明確規(guī)定。機器人的工具坐標系(工具坐標系是定義工具中心點位置和工具姿勢的坐標系)的值需要盡可能準確,而用戶坐標系(用戶坐標系是用戶對每個作業(yè)空間進行定義的直角坐標系)需要建立在折彎機下模具表面,原點位于折彎機下模具槽口的中心線上,Z軸豎直向上,Y軸指向機器人所在位置。
如圖4a、圖4b所示,用戶坐標系Z軸豎直向上,Y軸指向機器人,X軸根據(jù)右手定則確定。圖4c是機器人安裝了TCP針在建立用戶坐標系的過程,此時針尖正處于折彎機下模具槽口的中心線上。
圖2 折彎工藝過程
圖3 開環(huán)方案流程
圖4 建立用戶坐標系
在圖4a、圖4b的Y軸和Z軸構(gòu)成的平面上,建立幾何模型,如圖5、圖6所示。
其中:O點為折彎機下模具的上端倒角的圓心,Rsm為其倒角半徑。O′為上模具(即刀具)的倒角圓心,Rp為其倒角半徑。2α為下模具的角度。H為下模具的上表面到最低端的深度。h為當前工件的下表面距離下模具的上表面的深度。T為折彎工件的厚度。角度a為O和O′連線與水平線的夾角。角度b為O和O′連線與工件方向的夾角。θ為工件方向與水平線的夾角,且有θ=b-a。
目的要計算出h和θ的關(guān)系,首先要計算的是O與O′連線的長度。
圖5 折彎開始前模型
圖6 折彎過程中模型
接著來計算折彎時動態(tài)點U的位置變化,如圖7所示。
圖7 折彎動態(tài)點
設(shè)中性層厚度為t。由于折彎前中性層與Z向的交點U會隨著折彎過程發(fā)生位置變化,故該交點U的坐標與折彎角度θ有關(guān)。
根據(jù)圖7中的幾何模型,V點為O′點到中性層的垂足,當θ=0時,U點與V點重合。折彎拉伸引起的U點與V點之間的距離,可近似為
考慮到原點O′的坐標也是在變化的,且初始位置將會建立在中性層上,故Uz的值需要加上Rp+t-h,因此修正Uz為:
至此,Uy、Uz和θ將構(gòu)成折彎過程中機器人姿態(tài)的三個元素。
除參數(shù)h外,其他的輸入?yún)?shù)都是已知的,故θ是關(guān)于h的函數(shù),即:
而對Uy、Uz來說,它們只和θ、h有關(guān),也就是只和h有關(guān),即:
簡而言之,當h不同時,Uy、Uz和θ就不同,機器人的姿態(tài)也就不同。
當h=0時,式中θ等于0,此時折彎機沒有動作,機器人也沒有動作。當折彎機起動后,h的值發(fā)生變化,通過上述推導可以計算出機器人的實際坐標。
例如,如當輸入?yún)?shù)如附表時,目標是將工件折成90°,可以計算出當h取不同值時,當前機器人的姿態(tài)都會發(fā)生變化。
模具及工件參數(shù)
如圖8所示,折彎機上模向下運動后,機器人的動態(tài)點(圖8中的U點)的Y坐標會發(fā)生少量的偏移,但Z坐標將會向下發(fā)生變化,同時回轉(zhuǎn)角W也在逐漸變大,直到45°停止??梢钥闯鯶和W的變化曲線并非完全的直線,也就說明Z和W相對于折彎機動作距離并不是線性關(guān)系。
為驗證此套算法應(yīng)用于鈑金折彎上的效果,采用實際機器人來進行折彎。機器人負載165kg,工件尺寸600mm×200mm×1.5mm,折彎角度為90°,其他模具和工件的參數(shù)如附表所示。
將計算出來的機器人姿態(tài)存入機器人程序中,并使用運動指令來操作機器人。使用PLC來傳輸折彎機到機器人之間的信號,以保證折彎機和機器人通信的實時性。
如圖9所示,機器人帶著工件運動至折彎位置,隨后折彎機起動。當折彎機上模到達夾緊點后,發(fā)送信號給機器人,隨后折彎機上模和機器人同時運動,完成整個折彎過程。最后,折彎機回上死點,機器人帶著折彎后的工件離開折彎機。圖10是90°折彎后的工件。
圖8 機器人姿態(tài)與折彎機動作距離的關(guān)系
從圖10可以看出,工件未發(fā)生變形,這就說明機器人和折彎機的同步效果非常一致。而通過圖11可以了解到,一旦折彎機滯后,或機器人滯后,折出來的工件都會發(fā)生變形,從而這個工件就會成為次品,影響后續(xù)生產(chǎn)。
圖9 機器人折彎跟隨試驗過程
圖10 折彎90°的效果
圖11 機器人和折彎機的同步和非同步性
針對機器人折彎中的跟隨問題,分析了折彎工藝,建立了幾何模型,并通過模型的計算推導出折彎過程中的機器人姿態(tài),將姿態(tài)存入機器人編程語言后,可實現(xiàn)機器人的跟隨折彎。最后,通過機器人與折彎機組成的整套系統(tǒng),對算法進行了驗證,結(jié)果表明機器人跟隨折彎的效果良好,成品工件能夠符合工藝需求。