關(guān)尚虎，劉軍強(qiáng)

(1.天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司，甘肅 天水 741020; 2.甘肅省制管裝備自動(dòng)化及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020)

0 引 言

隨著“中國(guó)制造2025”的全面推進(jìn)，智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)研究與應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。鈑金加工行業(yè)形成了以高檔數(shù)控剪折設(shè)備與基于機(jī)器人輔助上下料、物料立體倉(cāng)庫(kù)的集成應(yīng)用。特別是我國(guó)軌道交通、汽車、電器開關(guān)廠、電梯、廚具行業(yè)，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線與智能化水平提出了新的要求。

實(shí)現(xiàn)鈑金加工的數(shù)字化與自動(dòng)化是我國(guó)鈑金行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要，也是數(shù)控折彎?rùn)C(jī)技術(shù)提升的重要標(biāo)志。通過(guò)自主研發(fā)的鈑金機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)上下料與無(wú)人化操作，進(jìn)行機(jī)器人與數(shù)控折彎?rùn)C(jī)的系統(tǒng)集成與無(wú)縫對(duì)接，為鈑金加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間和智能制造提供基礎(chǔ)技術(shù)保障。

1 板料彎曲機(jī)理及折彎過(guò)程

1.1 板料彎曲機(jī)理

把板料彎成一定的曲率、一定的角度形成一定形狀工件的沖壓工序稱為彎曲。彎曲時(shí)板料曲率發(fā)生變化的部分稱為變形區(qū)(如圖1中ABCD的部分),對(duì)板料施加彎曲力時(shí)，板料曲率發(fā)生變化，變形區(qū)靠近曲率中心的內(nèi)側(cè)，在切向壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生壓縮變形，遠(yuǎn)離曲率中心的外側(cè)在切向拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形[1]。如圖1為板料變形區(qū)切向應(yīng)力分布如圖。

圖1 板料變形區(qū)切向應(yīng)力分布如圖 a.彈性彎曲 b.彈-塑性彎曲 c.純塑性彎曲 d.無(wú)硬化純塑性彎曲

1.2 板料彎曲過(guò)程分幾個(gè)階段進(jìn)行

第一是彈性彎曲階段，板料開始發(fā)生彈性變形；第二是彈-塑性彎曲階段，由彈性變形向塑性變形過(guò)度；第三是塑性彎曲階段，板料變形以塑性變形為主；第四純塑性變形階段，板料發(fā)生永久性塑[1]。

折彎?rùn)C(jī)是鈑金行業(yè)工件折彎成形的重要設(shè)備，其作用是將金屬板料 在冷態(tài)下彎曲成形的加工設(shè)備。它使用最簡(jiǎn)單的通用模具對(duì)板料進(jìn)行各種角度的直線彎曲。操作簡(jiǎn)單、通用性好、模具成本低、更換方便，而且滑塊只有一個(gè)基本的上、下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[2]。

2 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)工作原理及應(yīng)用

近年來(lái)由于伺服電機(jī)、雙向油泵技術(shù)進(jìn)步與成本降低，伺服泵控制折彎?rùn)C(jī)具有能耗、噪聲、污染及成本均低的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 數(shù)控折彎?rùn)C(jī)定義

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)的定義為，對(duì)滑塊和/或擋料裝置采用數(shù)控系統(tǒng)控制的液壓板料折彎?rùn)C(jī)為數(shù)控液壓板料折彎?rùn)C(jī)。以電液比例或伺服閥驅(qū)動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)、并通過(guò)位移傳感器檢測(cè)和反饋，控制折彎?rùn)C(jī)油缸同步運(yùn)動(dòng)的數(shù)控液壓板料折彎?rùn)C(jī)為電液同步數(shù)控液壓板料折彎?rùn)C(jī)[2]?？傊?，采用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)后擋料、滑塊、折彎壓力、撓度補(bǔ)償、擋料位置、折彎角度等進(jìn)行編程控制。

2.2 數(shù)控折彎?rùn)C(jī)各控制軸定義

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)數(shù)控軸的定義為，Y軸為控制滑塊上下行程的數(shù)控軸；X軸控制擋料裝置前后運(yùn)動(dòng)的數(shù)控軸；R軸控制擋料裝置上下運(yùn)動(dòng)的數(shù)控軸；Z軸控制擋料裝置擋指左右運(yùn)動(dòng)的數(shù)控軸；I軸控制下模延工作臺(tái)前后運(yùn)動(dòng)的數(shù)控軸；V軸控制工作臺(tái)撓度補(bǔ)償?shù)臄?shù)控軸[2]。如果軸數(shù)增加用數(shù)字組合表示，如滑塊控制Y1和Y2軸，后擋料X1和X2軸、R1和R2軸、Z1和Z2軸等。

2.3 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)組成

由機(jī)架、工作臺(tái)、撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、后擋料裝置、模具、滑塊、油缸、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部分組成。其中液壓系統(tǒng)由伺服電機(jī)+雙向定量泵+普通電磁閥+油缸組成。電氣系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)+伺服電機(jī)+伺服放大器+光柵尺組成滑塊閉環(huán)位置和速度控制系統(tǒng)。

圖2 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)外觀圖

2.4 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)工作原理。

折彎?rùn)C(jī)滑塊實(shí)際位置通過(guò)左、右光柵尺檢測(cè)并反饋回?cái)?shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)折彎?rùn)C(jī)各階段所需速度和壓力，給左、右伺服電機(jī)相應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩指令，控制左、右油缸同步速度、最終位置和壓力。在待機(jī)時(shí)伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)功率消耗最小與電液比例系統(tǒng)相比較、節(jié)能效果在40%以上，液壓由節(jié)約60%左右。如圖2為伺服泵控折彎?rùn)C(jī)外觀圖。

2.5 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)參數(shù)

主要參數(shù)包括公稱噸位、工作臺(tái)長(zhǎng)度、滑塊速度、整機(jī)功能等。如表1為伺服泵控折彎?rùn)C(jī)參數(shù)表。

表1 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)參數(shù)表

2.6 后擋料定位系統(tǒng)

在折彎?rùn)C(jī)過(guò)程中，板料的擋邊定位精確定位十分重要,主要依靠后擋料裝置來(lái)實(shí)現(xiàn),由于在板料連續(xù)折彎的各個(gè)工序中,要頻繁地改變定位,因此后擋料不僅要能夠精確定位,而且每次定位的改變要快速精確。

數(shù)控折彎?rùn)C(jī)后擋料定位裝置，一般采用數(shù)字式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，大導(dǎo)程精密滾珠絲杠傳動(dòng)，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向。后擋料定位裝置有前后(X1、X2)軸，左右(Z1、Z2)軸，上下(R1、R2)軸等六個(gè)數(shù)控軸，如圖3為折彎?rùn)C(jī)后擋料裝置圖。上述六個(gè)數(shù)控軸再加上控制兩個(gè)工作缸垂直位移的Y1，Y2兩個(gè)數(shù)控軸, 就是一般八軸數(shù)控。目前廣泛采用鋁合金后擋料，其特點(diǎn)是輕巧，美觀、各軸移動(dòng)速度快，除X軸采用滾珠絲杠與直線導(dǎo)軌傳動(dòng)副外，Z軸、R軸需要同步齒形帶傳動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

2.7 液壓系統(tǒng)

2.7.1液壓系統(tǒng)組成

由完全獨(dú)立的兩套液壓系統(tǒng)組成，兩套油箱、伺服電機(jī)、雙向定量泵等。如圖4為伺服泵控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)圖，以右油缸為例，左油缸同理。如圖5為伺服泵控折彎?rùn)C(jī)液壓工況圖。

圖3 數(shù)控折彎?rùn)C(jī)后擋料結(jié)構(gòu)圖1.橫梁 2.R軸傳動(dòng)伺服電機(jī) 3.擋指 4.導(dǎo)槽 5.Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 7.R軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.X軸傳動(dòng)絲杠 9.X軸伺服電機(jī) 10.Z軸伺服電機(jī)

圖4 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)(右油缸)1.滑塊 2.充液閥 3.電磁閥Y1 4.背壓閥 5.安全閥 6.電磁閥Y2 7.單向閥a 8.單向閥b 9.換向閥Y3 10.梭閥 11.雙向泵 12.伺服電機(jī)

圖5 伺服泵控折彎?rùn)C(jī)液壓工況圖

2.7.2工作原理

滑塊運(yùn)動(dòng)共分為五個(gè)沖程：①快速下行,滑塊以200 mm/s速度快速下行；②慢速工進(jìn),滑塊到快慢速切換位置后轉(zhuǎn)入小于20 mm/s的慢速工進(jìn)，在該沖程開始折制工件；③保壓，工件折制到設(shè)定的位置后開始3～5 s的保壓；④卸壓，保壓結(jié)束后液壓系統(tǒng)卸壓；⑤快速返程，卸壓完成后滑塊進(jìn)入180 mm/s快速返回[5]。

(1) 滑塊快下：電磁閥Y1、Y3通電。油缸下腔液壓油經(jīng)過(guò)閥塊B口，電磁閥Y1,單向閥a,閥塊X2口流回油箱；滑塊1在重力作用下快速下降，充液閥2打開，液壓油被吸入油缸上腔；數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)12正傳，帶動(dòng)雙向泵11正轉(zhuǎn)，液壓油經(jīng)閥塊X1口、通過(guò)換向閥Y3和閥塊A口進(jìn)入油缸上腔，活塞桿和滑塊1快速下行?；瑝K快下速度通過(guò)調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢實(shí)現(xiàn)。

(2) 滑塊工進(jìn)：Y2、Y3通電，Y1斷電。電磁閥Y2通電，充液閥1關(guān)閉。數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低，滑塊速度由快速切換到慢速下行；油缸下腔油液達(dá)到背壓閥4開啟壓力打開后流至單向閥7到油箱，實(shí)現(xiàn)滑塊的慢速下行即工進(jìn)。安全閥5保證系統(tǒng)異常壓力時(shí)的系統(tǒng)安全。

(3) 滑塊保壓：Y2、Y3通電。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)扭矩設(shè)定值與實(shí)際值的偏差給伺服電機(jī)指令，伺服電機(jī)帶動(dòng)雙向泵慢速轉(zhuǎn)動(dòng)切換到轉(zhuǎn)矩控制模式，通過(guò)電磁閥Y3對(duì)油缸上腔不斷補(bǔ)油，保持滑塊在下死點(diǎn)保壓。

(4) 卸壓：Y2、Y3通電。數(shù)控系統(tǒng)給伺服電機(jī)12負(fù)指令，伺服電機(jī)帶動(dòng)雙向泵11變速反轉(zhuǎn)，油泵電磁閥Y3從油缸上腔緩慢抽油，實(shí)現(xiàn)卸壓。

(5) 滑塊返程：Y3通電，Y1，Y2斷電。數(shù)控系統(tǒng)給伺服電機(jī)12負(fù)指令，伺服電機(jī)帶動(dòng)雙向泵11變速反轉(zhuǎn)，充液閥2打開，油缸上腔的油液通過(guò)充液閥回油箱；液壓油通過(guò)電磁球Y3進(jìn)入油缸下腔，油缸快速向上返程。返程速度通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢實(shí)現(xiàn)。

2.8 折彎?rùn)C(jī)數(shù)控系統(tǒng)

荷蘭Delem 公司折彎?rùn)C(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)，早期產(chǎn)品有DA23、DA24系列，中低檔有DA51、DA56系列，目前高檔65W、DA69W系列產(chǎn)品。DA69-W數(shù)控系統(tǒng)是一款基于實(shí)時(shí)Windows操作系統(tǒng)，三維彩色圖人機(jī)界面，數(shù)控系統(tǒng)含有自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形編程工具，自動(dòng)折彎工序計(jì)算和干涉探測(cè)。主要特點(diǎn)是三維圖形編程，角度校正傳感器接口，Windows 網(wǎng)絡(luò)功能與工廠網(wǎng)絡(luò)集成，使數(shù)控系統(tǒng)與聯(lián)在網(wǎng)絡(luò)的任何計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，存取產(chǎn)品程序。計(jì)算功能有模具安全區(qū)域、自由折彎壓力、折彎允差、工作臺(tái)撓度補(bǔ)償、展開長(zhǎng)度、強(qiáng)制折彎壓力、大圓弧計(jì)算、角度校正數(shù)據(jù)庫(kù)、多模具站設(shè)置等功能。

DA69-W數(shù)控系統(tǒng)將國(guó)際知名品牌比例閥放大器，集成在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，例如博士-力士樂(lè)、賀爾碧格公司產(chǎn)品，使用不同公司的比例閥，在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)配置中需要配置不同的KO表(KO表是根據(jù)不同公司，不同比例閥通徑、頻率等參數(shù)提前配置的控制參數(shù)集)?？刂苹瑝K的I/O信號(hào)隨機(jī)配置，同時(shí)內(nèi)置PLC編程功能，OEM用戶使用方便快捷。數(shù)控系統(tǒng)自帶滑塊運(yùn)動(dòng)分析軟件，實(shí)時(shí)采集多組曲線和折彎過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如命令信號(hào)數(shù)據(jù)、比例方向閥芯反饋信號(hào)、滑塊速度和位置反饋信號(hào)數(shù)據(jù)，顯示滑塊運(yùn)動(dòng)理論運(yùn)行軌跡曲線和實(shí)際運(yùn)行軌跡曲線，供調(diào)試人員和用戶分析使用，是非常實(shí)用的調(diào)試維修工具。

3 鈑金機(jī)器人折彎單元工作原理及應(yīng)用

3.1 折彎過(guò)程的隨動(dòng)

在板料折彎過(guò)程中，板料會(huì)隨折彎過(guò)程的進(jìn)行而逐漸翹起，如不適當(dāng)托住，會(huì)因板料的自重而導(dǎo)致折彎件變形。在折彎?rùn)C(jī)使用時(shí)，與其配套的托料裝置的同步與否，將對(duì)工件的折彎精度帶來(lái)直接的影響[6]。由操作工人托住，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不安全。比較簡(jiǎn)單的折彎隨動(dòng)采用隨動(dòng)前托架，在折彎時(shí)，隨著板料的翹起自動(dòng)托住板料，由氣缸支承前托架，能隨板料的翹起而升起，進(jìn)氣壓力應(yīng)調(diào)節(jié)到僅對(duì)板料起支承作用，而不會(huì)引起額外變形。

3.2 機(jī)器人隨動(dòng)

所有形式的機(jī)器人吸持板料跟隨折彎?rùn)C(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行隨動(dòng)折彎，涉及到機(jī)器人三軸運(yùn)動(dòng)軌跡合成，隨滑塊運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)非線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，如果跟隨運(yùn)動(dòng)軌跡誤差太大或不同步，板料折彎變形較大甚至報(bào)廢，所以折彎跟隨路徑規(guī)劃與插補(bǔ)控制是機(jī)器人與數(shù)控折彎?rùn)C(jī)系統(tǒng)集成的核心技術(shù)。

3.3 折彎單元用途

基于機(jī)器人操作的折彎單元，在高低壓電柜、電梯門板、防盜門制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用?；跈C(jī)器人技術(shù)的板料折彎單元，將數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、機(jī)器人、物料傳輸、物料分揀、物料儲(chǔ)存等機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)從板料上料、折彎、碼垛一體化全自動(dòng)生產(chǎn)。

3.4 國(guó)內(nèi)外折彎單元現(xiàn)狀

折彎單元配置通用機(jī)器人有庫(kù)卡(Kuka)、ABB、安川、埃斯頓等公司。配置的鈑金機(jī)器人有揚(yáng)州恒佳、天水鍛壓等公司。各種機(jī)器人公司開發(fā)了適合機(jī)器人折彎的工藝包和軟件包，以滿足折彎?rùn)C(jī)與機(jī)器人之間的聯(lián)動(dòng)。埃斯頓開發(fā)的折彎?rùn)C(jī)器人專用折彎?rùn)C(jī)離線編程軟件Estun Smart Robot Bending，無(wú)需人工手動(dòng)示教，只需要將折彎工件圖紙導(dǎo)入到軟件，軟件會(huì)自動(dòng)生成機(jī)器人折彎程序，解決折彎跟隨問(wèn)題?？s短編程時(shí)間，適應(yīng)多品種生產(chǎn)。折彎軟件包支持與折彎?rùn)C(jī)系統(tǒng)的I/O和Ethernet兩種通信方式，可實(shí)現(xiàn)讀取折彎?rùn)C(jī)信號(hào)、模具參數(shù)、折彎速度等參數(shù)，直接使用示教盒調(diào)用折彎?rùn)C(jī)指令，控制折彎?rùn)C(jī)啟動(dòng)。

3.5 鈑金機(jī)器人折彎單元組成

最基本的鈑金機(jī)器人折彎單元由鈑金機(jī)器人，伺服泵控折彎?rùn)C(jī)，氣動(dòng)吸盤系統(tǒng)，料臺(tái)架,重力對(duì)中臺(tái)，自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。如圖6為鈑金機(jī)器人操作的折彎單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖6 基于鈑金機(jī)器人操作的折彎單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.X軸傳動(dòng) 2.Y軸傳動(dòng) 3.Z軸傳動(dòng) 4.R1、R2軸 5.伺服泵控折彎?rùn)C(jī) 6.液壓系統(tǒng) 7.氣動(dòng)吸盤傳統(tǒng) 8.料臺(tái)架 9.重力對(duì)中臺(tái) 10.自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.6 技術(shù)特點(diǎn)

機(jī)器人升降Y軸配置有氣動(dòng)自重平衡機(jī)構(gòu)，平衡Y軸與吸盤系統(tǒng)與板料重量，使Y軸上升、下降力矩保持平衡，保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和精度；氣缸分張裝置，保證機(jī)器人在抓取鈑金件過(guò)程中一次只抓取一張，性高可靠性。X軸、Y軸、Z軸大跨距齒形帶傳動(dòng)，齒形帶固定，伺服電機(jī)與齒輪移動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、噪音小、安裝方便快捷。機(jī)器人折彎隨動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)控制算法，保證機(jī)器人隨動(dòng)軌跡和折彎軌跡同步。

3.7 鈑金機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

如表2為鈑金機(jī)器人技術(shù)參數(shù)。

表2 鈑金機(jī)器人技術(shù)參數(shù)表

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)自主研發(fā)的鈑金機(jī)器人與數(shù)控折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控折彎?rùn)C(jī)上下料與無(wú)人化操作，滿足了用戶對(duì)折彎?rùn)C(jī)無(wú)人化操作的要求，提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)，為用戶提供定制一體化解決方案，滿足了鈑金加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間和智能制造的技術(shù)要求。