用于冰箱圍板的彎曲機設計

陳 鵬

（廣東省電子信息高級技工學校，廣東 廣州 510450）

0 引言

目前國內大多數(shù)企業(yè)研制的彎曲機設備只能實現(xiàn)特定模具用板形的彎曲功能，現(xiàn)針對傳統(tǒng)鈑金彎曲的設備進行技術改造和創(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側薄板，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 冰箱內側薄板尺寸范圍

為了能實現(xiàn)不同尺寸的鈑金彎曲，對應生產(chǎn)不同尺寸的冰箱配件，需設計一種可調節(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雜。因此運用計算機技術和機器視覺識別技術實現(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位機構將冰箱薄板旋轉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。

圖1 彎曲機控制流程

2 彎曲機總體方案設計

針對冰箱薄板制件的彎曲工藝，結合圖像處理技術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 彎曲機結構設計

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，結構如圖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，在空間坐標系中產(chǎn)生數(shù)據(jù)對應關系，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，滿足設計要求。

3.1 彎曲功能模塊

圖3 彎曲機結構

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，通過傳動將旋轉運動轉化為彎曲板的開合運動，彎曲角度控制在0～90°，通過調節(jié)伺服電機的轉動速度可實現(xiàn)彎曲角度的控制，滿足彎曲機構的彎曲要求。

圖4 壓緊機構

圖5 彎曲機構

3.2 旋轉功能模塊

薄板完成短邊彎曲后，需要通過旋轉機構將薄板旋轉90°，實現(xiàn)薄板長邊的彎曲。旋轉機構如圖6所示，主要分為2個部分。當一個側面的彎曲成形完成后，由頂件機構將工件頂起與轉位機構的吸盤接觸，然后由吸盤吸住工件。隨后氣缸活塞桿驅動齒條作直線運動，齒條驅動與之嚙合的齒輪作旋轉運動，齒輪通過平鍵與旋轉軸連接，轉位爪也通過平鍵與旋轉軸連接。因此齒輪轉動時，轉位爪也作旋轉運動，固定于旋轉爪的吸盤帶動工件轉動一個工位。最后頂件機構再次上升，接住工件，吸盤釋放工件，頂件機構退回到彎曲平面位置，工件在該工位完成定位彎曲。

圖6 旋轉機構

3.3 視覺功能模塊

當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。設計的彎曲機關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，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，設定單板的彎曲尺寸為50 mm，成形之后的標準長寬尺寸為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果如表2、表3所示。

彎曲樣機的設計精度為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，實際平均達標百分比為99.00%，加工達標率高于90%，表示該設備很好地實現(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組試驗結果

表3 未搭載機器視覺系統(tǒng)的彎曲機5組試驗結果

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率較未搭載機器視覺的傳統(tǒng)彎曲機達標率高，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 結束語

結合機器視覺系統(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、機器人應用結合，設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。