WMEM|改善傳統鈑金加工工藝的機器人折彎單元
WMEM|改善傳統鈑金加工工藝的機器人折彎單元
一、用戶傳統折彎工藝現狀分析
無錫一家企業采用傳統數控折彎機成形一個典型鈑金件（見圖1），其加工制造工藝存在以下問題：
（1）工件折彎工藝復雜，人工折彎時精度難以控制，造成折彎精度較低，產品一致性、穩定性差，不能保證后續的裝配精度。（2）由于鈑金零件重量大（工件重量65kg），一個工件加工時需要5個操作工來完成作業，用工成本高，工人勞動強度很大，而且不能連續作業。（3）由于折彎數多達9道，外觀奇特，還需要人工翻面，所以在加工中操作困難，部件穩定性差，存在很大的危險性。（4）生產用時多，效率低，每個工件的加工用時需要15-17min。（5）生產布局及工藝流程不合理，工業視覺效果差。
二、用戶鈑金加工件基礎技術要求及特點
該用戶鈑金加工件有以下技術要求及特點：
（1）工件材料：熱軋板。（2）工件外形尺寸較大，原材料為不規則長方形，長度為1500mm，寬度800mm，厚度6mm。（3）工件重量達65kg。（4）工件外觀造型奇特，形狀復雜，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：較高的穩定性和折彎角度一致性。
圖1 該用戶鈑金加工件
三、機器人折彎單元的設備選型及用戶鈑金加工件工藝分析
1.設備選型
根據用戶鈑金加工件基本技術要求及特點，選型如下（見圖2）：
（1）選用機器人折彎單元1套，包括上下模1套。（2）選用德國原裝KUKA 6軸機械手1套。（3）選用機械手伺服行走軌道1套。（4）配置磁性板料分離裝置1套。（5）配置預對位定位工作臺1套。（6）配置板料翻轉機構2套。（7）配置磁力夾爪復合式抓手1套。（8）配置工件輸送帶1套。（9）安全防護1套。（10）折彎軟件1套。
圖2 設備選型
2.機器人吸盤及抓手設計選擇
通過對工件折彎步序、型面、重量和工件開孔的模擬分析，設計了一套具備綜合能力的抓手夾具，即磁力夾爪復合式抓手（見圖3）。
圖3 磁力夾爪復合式抓手
3.折彎機模具選擇
通過計算機模擬分析，根據不同型面和步序的折彎要求，折彎機模具選擇：835mm×3支，按照不同步序的折彎，將模具對應分段為5組（見圖4）：左Ⅰ-200mm，左Ⅱ-350mm，中間-900mm，右Ⅱ-550mm，右Ⅰ-220mm。
圖4 折彎機模具選擇（左Ⅰ，左Ⅱ，中間，右Ⅱ，右Ⅰ）
四、采用機器人折彎工藝后的主要效果
（1）成品合格率達99.9%。（2）設備可連續24h工作，保障生產的準時性。（3）排除危險，保障工件的加工穩定性。（4）只需1名工人按照作業報警器提示來操作，機器人在備好料時可按預設程序進行無人操作，無需人工干預，只有在碼垛時在輸送帶末端接收一次工件即可，可以節省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、機器人折彎模擬演示
針對用戶工件，工程師通過計算機模擬（見圖6），可以分析9道折彎步序的工況情況，包括機床主參數開啟高度、行程、喉口和工作臺的尺寸選擇以及上下模具形狀和配對組合情況，這樣對于設計和實際應用有著可行的理論基礎。
圖6 機器人折彎模擬演示
六、機器人折彎單元系統特點
（1）多品種生產，產品切換無需首片測試，無需編程示教，在10min以內完成產品型號生產切換。（2）無需專業技工，只需學習能力強、善于鉆研的操作工。（3）100%保證產品精度。（4）世界一流品牌部件集成，確保系統安全可靠。（5）布局合理，外觀大氣。
七、機器人折彎單元技術特點
1.設計研發
在機器人折彎單元設計研發中，一是要注重用戶個性化需求和定制化的特點，以客戶的需求為第一要務，在每個技術方案的制定中與客戶進行詳細的技術交流；二是對客戶提供的工件加工圖紙進行計算機模擬分析；三是對客戶的典型工件進行現場打樣試驗；四是對客戶的工件進行分類分析和數據處理。
在確認上述程序性工作完成后，再進行技術方案的制定，在技術方案和方案圖得到客戶認可后即可進行全面設計。
該機器人折彎單元采用先進的三維設計，在材料、結構、傳感器、實時補償、隨動、激光角度測量、自動換模、自動換抓手、軟件及控制、參數化編程、離線編程、生產管理軟件和總線控制技術等方面全部采用和選用先進軟硬件品牌。在折彎機機身設計方面，采用了目前世界上較先進的設計軟件和設計方法，對機床進行結構力學分析，保證了機床設計的合理性、可靠性和穩定性。
2.優質材料應用
本文所述機器人折彎單元的折彎機機架承襲意大利鈑金設備的用料特點，材料選用45#鋼或Q345B（見圖7），具有綜合機械性能良好、剛性好、強度高、穩定性好的特點。
圖7 機架應用優質材料
3.獨特的機架結構
傳統折彎機一般采用焊接式機架，包括左右立柱、下橫梁（工作臺）、油箱和支撐方梁采用整體焊接結構。而該機器人折彎單元中的折彎機機架沒有采用焊接機架結構，而是采用獨家的機架鉚接技術（見圖8），下橫梁（工作臺）與立柱之間采用高強度鋼螺栓緊固連接，這種柔性連結充分保證了機身在高強度載荷情況下，能較大程度降低機架應力變形，保持機床精度的長久穩定性。
其結構特點：
（1）確保了機器無焊接應力變形。（2）提高了機器裝配精度。（3）延長了機器使用壽命。（4）大幅提高了液壓補償精度。
圖8 獨特的機架結構
4.傳感器技術（精密電位計）應用
為了保證高精度的鈑金折彎，在折彎機的上橫梁（滑塊）和下橫梁（工作臺）安裝了傳感器，在工作狀態時將上、下橫梁的變形量，實時準確地反饋到數控系統（PC），數控系統經過計算比對后，輸出相應的補償值驅動補償油缸進行動態補償，以獲得滿意的制件精度。
5.補償技術（獨家技術）
G-FLEX墻板比例型變補償系統為一項專利補償技術，無論板材厚度、長度或折彎位置等折彎條件發生何種變化，都能保證每次折彎角度在全長內完全一致，消除光柵尺的測量誤差，保證機器精度。
G-CS自動撓補系統通過閉環控制，在板厚一定的折彎情況下簡化了復雜的試折彎工作過程。即使折彎工件的長度不同，或者在折彎機的不同位置，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。可實現較高折彎精度和穩定性，完成實時動態補償。
6.折彎隨動技術
機器人折彎單元在折彎過程中，應對不同大小和板厚的工件，可根據折彎機滑塊的運行速度進行自動跟隨，自動調整。該技術由意大利LAG葛世專用機器人折彎應用軟件包LK-RBC-Rev4.0來實現（見圖9）。
圖9 折彎隨動技術
7.激光角度測量技術
AMS角度測量系統通過閉環的激光角度在線測量系統，在機器人自動折彎過程中，其自動應用程序及內置激光角度測量裝置的自動角度測量系統與G-CS系統配合工作，保證彎曲角精度（見圖10）。其主要特點為：
（1）通過激光在線檢測工件回彈后的折彎角度。（2）受力檢測系統自動計算折彎回彈量。（3）工件根據下模寬度的不同可自動調整進深。（4）通過閉環的激光角度在線測量系統，保證折彎成品率達到99.5%以上。
圖10 激光角度測量技術
8.機器人自動換抓手、換模技術
機器人自動換抓手、換模是折彎機最先進的智能自動化操作技術之一，該技術由自動換模軟件、機器人和模具庫組成（見圖11）。當選配自動換模系統時，精密折彎中心就能全自動隨機折彎小批次的不同產品。利用自動更換模具的功能，折彎機中的模具不再成為限制因素，可全程無人處理部件。機器人自動機械裝置的抓手更換模具的速度非常快，隨時可折彎下批部件。
圖11 機器人自動換抓手、換模技術
9.軟件及控制
在機器人折彎單元中應用了參數化編程、離線編程和生產管理軟件（見圖12），同時二次開發了折彎隨動、自動換模、自動換抓手、柔性碼垛、實時補償、板邊尋邊、柔性翻轉技術和總線控制技術，極大地滿足了各類客戶鈑金折彎的技術和軟件需求。
圖12 軟件及控制
八、結束語
通過上述機器人折彎單元改善鈑金加工工藝的淺析，我們發現該技術能夠顯著改善傳統折彎技術和工藝，可提高兩倍的生產效率，實現安全無人化操作，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，充分體現了鈑金工業智能制造的優勢。
（來源：《世界制造技術與裝備市場（WMEM）》2019年第5期 作者：馬會元 王軍軍 嘉意機床（上海）有限公司）
