陳 鵬

（廣東省電子信息高級技工學(xué)校，廣東 廣州 510450）

0 引言

目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)研制的彎曲機設(shè)備只能實現(xiàn)特定模具用板形的彎曲功能，現(xiàn)針對傳統(tǒng)鈑金彎曲的設(shè)備進行技術(shù)改造和創(chuàng)新，開發(fā)一套高精度自動彎曲機，在彎曲機上運用機器視覺識別技術(shù)實現(xiàn)鈑金加工過程中自動定位，不再依賴于鈑金加工過程中需特定的模具。某企業(yè)一系列型號尺寸的冰箱內(nèi)側(cè)薄板，均采用長方形不銹鋼板作為原材料，尺寸范圍如表1所示。

表1 冰箱內(nèi)側(cè)薄板尺寸范圍

為了能實現(xiàn)不同尺寸的鈑金彎曲，對應(yīng)生產(chǎn)不同尺寸的冰箱配件，需設(shè)計一種可調(diào)節(jié)尺寸的高精度全自動定位彎曲機。以冰箱圍板的彎曲為例，目前市場上大多數(shù)彎曲機只是對鈑金進行單邊彎曲，而冰箱圍板的4條彎曲邊的加工流程相對復(fù)雜，效率較低，在對鈑金進行彎曲的過程中，并不能精確地確定彎曲角度，且傳統(tǒng)彎曲機對鈑金彎曲時的定位主要由對應(yīng)模具實現(xiàn)，不同尺寸的鈑金彎曲需不同的模具，這種特定的模具也使彎曲流程變得復(fù)雜。因此運用計算機技術(shù)和機器視覺識別技術(shù)實現(xiàn)鈑金的自動定位，利用視覺圖像處理實現(xiàn)鈑金的精確定位彎曲，就可以實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

1 彎曲機控制流程

設(shè)計的視覺定位彎曲機是用于冰箱薄板的彎曲，鈑金的主要加工步驟有上料、定位、彎曲、下料等，具體的控制流程如圖1所示。待加工薄板上料架通過皮帶傳輸?shù)綇澢鷻C的工作臺上，通過視覺檢測系統(tǒng)檢測薄板在工作臺上的位置是否準確，如位置準確則直接彎曲薄板兩短邊，若位置不準確則需要控制機械手對冰箱薄板進行定位后再彎曲，短邊彎曲完成后通過轉(zhuǎn)位機構(gòu)將冰箱薄板旋轉(zhuǎn)90°，接著對薄板的長邊進行彎曲，彎曲步驟與短邊的彎曲一致，最后需要檢測冰箱薄板的彎曲精度是否控制在1 mm以內(nèi)。

圖1 彎曲機控制流程

2 彎曲機總體方案設(shè)計

針對冰箱薄板制件的彎曲工藝，結(jié)合圖像處理技術(shù)及薄板彎曲工序研發(fā)了基于機器視覺的自動定位彎曲機，實現(xiàn)了在機器視覺視野范圍內(nèi)薄板制件的自動定位。為了能檢驗視覺定位彎曲機的可行性與創(chuàng)新性及觀察該彎曲機在工作中所碰到的問題，需要根據(jù)視覺系統(tǒng)、機械手控制系統(tǒng)、彎曲機的設(shè)計方案一起搭建符合要求的機器視覺彎曲機。

彎曲機中鈑金的定位采用“PC機+視覺系統(tǒng)+控制執(zhí)行系統(tǒng)”的方案，采用該方案的核心是通過攝像頭采集圖像，在PC機上進行圖像處理并反饋至執(zhí)行控制系統(tǒng)中完成待加工鈑金的定位，現(xiàn)場控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)方案

3 彎曲機結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于機器視覺自動定位彎曲機包括視覺功能模塊、自動定位模塊、壓緊功能模塊、彎曲功能模塊4類功能，結(jié)構(gòu)如圖3所示。各功能模塊具有各自獨特的作用，其中視覺模塊通過機器視覺系統(tǒng)的選型，搭載在整體彎曲機的上方，通過光源視場將彎曲機加工平面整體包容，完成視覺系統(tǒng)的精確定位。自動定位系統(tǒng)模塊采用EPSON機器手臂，與視覺模塊進行數(shù)據(jù)互通及數(shù)據(jù)校準，通過視覺系統(tǒng)定位的圖片信息，在空間坐標(biāo)系中產(chǎn)生數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系，運用視覺系統(tǒng)反饋的圖像數(shù)據(jù)信息，完成機械手臂的精準移動，實現(xiàn)機械手臂抓取目標(biāo)彎曲板的自動定位功能。壓緊系統(tǒng)模塊對自動定位校準之后的加工板材進行壓緊，防止其在彎曲過程中發(fā)生加工偏差，使加工的板材不能滿足使用要求。彎曲機在設(shè)計過程中，通過添加4個壓緊氣缸，實現(xiàn)自動定位校準之后的壓緊，保證待加工件的加工精度。彎曲模塊是設(shè)計的重點，彎曲之前需要確定彎曲板4邊彎曲的長度尺寸，尺寸確定由提取的圖像進行處理，根據(jù)具體數(shù)值要求，進行圖像偏移，實現(xiàn)彎曲尺寸的控制，在彎曲方面，彎曲機構(gòu)由兩邊對稱的彎曲工作板組成，通過伺服電機控制彎曲板移動的速度，可實現(xiàn)彎曲角度從0～90°的加工，滿足設(shè)計要求。

3.1 彎曲功能模塊

圖3 彎曲機結(jié)構(gòu)

薄板的彎曲過程主要分為壓緊跟彎曲兩部分，如圖4、圖5所示。薄板定位后，氣缸活塞桿驅(qū)動T形滑塊向下運動，帶動滑動板在支架的T形槽中運動，連接板和壓板通過螺釘與滑動板連接，氣缸活塞桿運動到位后，壓板壓緊工件。彎曲功能通過兩側(cè)對稱的彎曲板連接，并運用伺服電機提供足夠的彎曲力矩，伺服電機帶動彎曲機構(gòu)，通過傳動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為彎曲板的開合運動，彎曲角度控制在0～90°，通過調(diào)節(jié)伺服電機的轉(zhuǎn)動速度可實現(xiàn)彎曲角度的控制，滿足彎曲機構(gòu)的彎曲要求。

圖4 壓緊機構(gòu)

圖5 彎曲機構(gòu)

3.2 旋轉(zhuǎn)功能模塊

薄板完成短邊彎曲后，需要通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)將薄板旋轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)薄板長邊的彎曲。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖6所示，主要分為2個部分。當(dāng)一個側(cè)面的彎曲成形完成后，由頂件機構(gòu)將工件頂起與轉(zhuǎn)位機構(gòu)的吸盤接觸，然后由吸盤吸住工件。隨后氣缸活塞桿驅(qū)動齒條作直線運動，齒條驅(qū)動與之嚙合的齒輪作旋轉(zhuǎn)運動，齒輪通過平鍵與旋轉(zhuǎn)軸連接，轉(zhuǎn)位爪也通過平鍵與旋轉(zhuǎn)軸連接。因此齒輪轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)位爪也作旋轉(zhuǎn)運動，固定于旋轉(zhuǎn)爪的吸盤帶動工件轉(zhuǎn)動一個工位。最后頂件機構(gòu)再次上升，接住工件，吸盤釋放工件，頂件機構(gòu)退回到彎曲平面位置，工件在該工位完成定位彎曲。

圖6 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

3.3 視覺功能模塊

當(dāng)工件通過傳送帶輸送到工作臺上后，需要通過相機對工件的實時圖像進行采集，通過圖像處理判斷工件的位置是否準確。設(shè)計的彎曲機關(guān)鍵部分在于自動定位是否準確，通過機器視覺系統(tǒng)產(chǎn)生的視場，判斷整個彎曲薄板在視覺面積內(nèi)，運用數(shù)據(jù)比對計算薄板以任意位置進入視場所帶來的偏差，配合機械手臂校準以消除偏差。視覺功能模塊如圖7所示。

圖7 視覺功能模塊

4 試驗驗證

在完成彎曲機機械手視覺控制系統(tǒng)平臺搭建的基礎(chǔ)上，驗證彎曲機對冰箱薄板的定位精度是否滿足生產(chǎn)要求，圖8所示為加工的彎曲樣機。

圖8 彎曲樣機

基于機器視覺的自動定位彎曲樣機，以100塊薄板工件為對象，分為5組分別進行試驗。薄板工件的長寬尺寸為600 mm×300 mm，設(shè)定單板的彎曲尺寸為50 mm，成形之后的標(biāo)準長寬尺寸為500 mm×200 mm。分別以未搭載機器視覺系統(tǒng)的傳統(tǒng)彎曲機和搭載機器視覺的自動定位彎曲機進行試驗，得出的彎曲工件成形結(jié)果如表2、表3所示。

彎曲樣機的設(shè)計精度為1 mm，在對工件進行彎曲的過程中，彎曲誤差超過1 mm視為不合格工件。由表2分析可知，整體薄板工件的數(shù)量為100個，實際平均達標(biāo)百分比為99.00%，加工達標(biāo)率高于90%，表示該設(shè)備很好地實現(xiàn)了彎曲工件的精度，滿足企業(yè)要求。

表2 搭載機器視覺系統(tǒng)的彎曲樣機5組試驗結(jié)果

表3 未搭載機器視覺系統(tǒng)的彎曲機5組試驗結(jié)果

由表3可知，經(jīng)過5組試驗，未搭載機器視覺的傳統(tǒng)彎曲機上完成的薄板工件的彎曲平均達標(biāo)率為98.00%，且分別在第1組和第4組中出現(xiàn)了1個不合格工件，單邊最大偏差分別為2.3、1.7 mm，均超過了系統(tǒng)規(guī)定的設(shè)計精度1.0 mm。

經(jīng)表2、表3分析可知，搭載機器視覺的自動定位彎曲機的彎曲達標(biāo)率較未搭載機器視覺的傳統(tǒng)彎曲機達標(biāo)率高，且在彎曲過程中，控制彎曲薄板工件的單邊最大偏差，機器視覺系統(tǒng)具有較好的抑制作用，因此搭載機器視覺的自動定位彎曲機較未搭載機器視覺的傳統(tǒng)彎曲機整體性能更佳，且成形率更高，對單邊彎曲偏差的抑制性更好。

5 結(jié)束語

結(jié)合機器視覺系統(tǒng)研發(fā)了一款高精度自動定位彎曲機，該彎曲機舍棄了傳統(tǒng)彎曲設(shè)備中需要與定位搭配的模具，實現(xiàn)了彎曲板材的自動定位功能，將彎曲機與視覺識別技術(shù)、機器人應(yīng)用結(jié)合，設(shè)計了一套多功能型的視覺識別定位彎曲系統(tǒng)，系統(tǒng)能有效地解決傳統(tǒng)彎曲機存在效率低、彎曲精度差的問題。搭載機器視覺系統(tǒng)的彎曲機相對于未搭載機器視覺系統(tǒng)的彎曲機，其優(yōu)勢在于彎曲過程的自動化和減少了人工成本，從試驗數(shù)據(jù)可知搭載機器視覺系統(tǒng)彎曲機的可靠性更高。