用于電子產(chǎn)品鈑金折彎的多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器*

□ 任清川 □ 張慶軍 □ 周 永 □ 陳明方

1.四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川綿陽(yáng) 621000 2.四川省航電系統(tǒng)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)與制造工程實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽(yáng) 621000

1 設(shè)計(jì)背景

鈑金件具有易成型、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),在電子產(chǎn)品零件中占有40%左右的比例[1]。隨著零件整體質(zhì)量要求的提高,電子產(chǎn)品鈑金零件的加工水平、生產(chǎn)周期及數(shù)字化技術(shù)也有更高的要求。鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)是具備鈑金件自動(dòng)取送料、智能校中和折彎功能的加工一體化設(shè)備,適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)的特點(diǎn),能夠解決電子產(chǎn)品鈑金零件加工過(guò)程中存在的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、質(zhì)量控制缺乏智能化手段、良品率低、效率低等問(wèn)題。然而,目前關(guān)于電子產(chǎn)品鈑金零件專(zhuān)用末端執(zhí)行器的研究還比較少,現(xiàn)有的末端執(zhí)行器無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

針對(duì)上述問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了一種用于電子產(chǎn)品鈑金零件的新型多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器,并對(duì)鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)折彎過(guò)程中機(jī)械抓手的位姿進(jìn)行了研究,提出了位姿補(bǔ)償算法。

2 技術(shù)分析

用于鈑金零件自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的機(jī)器人末端執(zhí)行器,目前市場(chǎng)中將剛性框架配固定吸盤(pán)作為主流組合形式。這種形式在面對(duì)鈑金零件外形尺寸多樣性問(wèn)題時(shí),主要通過(guò)成組的多規(guī)格吸盤(pán)抓手來(lái)解決[2-4]。汽車(chē)、電梯等鈑金零件自動(dòng)化需求大,行業(yè)所涉及的鈑金零件尺寸較為單一,制造的吸盤(pán)抓手采用生產(chǎn)成本最優(yōu)化的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)就能滿(mǎn)足使用要求。但面對(duì)電子產(chǎn)品鈑金零件多批次、小批量生產(chǎn)特點(diǎn)時(shí),若針對(duì)零件特點(diǎn)制造相應(yīng)的各類(lèi)吸盤(pán)抓手,就會(huì)存在浪費(fèi)成本的情況。另一方面,電子產(chǎn)品鈑金零件尺寸較小,常規(guī)的吸盤(pán)抓手在抓取電子產(chǎn)品鈑金零件時(shí)存在一定的困難[5]。在折彎過(guò)程中,板料因加工熱量在材料表面產(chǎn)生的氧化層會(huì)由于變形而脫落,殘留在折彎模具中。長(zhǎng)久累積的氧化層殘屑會(huì)影響電子產(chǎn)品鈑金零件的質(zhì)量,需要在工作過(guò)程中定期清潔模具,但現(xiàn)有的機(jī)器人吸盤(pán)抓手不具有對(duì)應(yīng)的清潔能力。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有鈑金零件自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器無(wú)法滿(mǎn)足電子產(chǎn)品鈑金零件多批次、小批量快速切換的使用要求,針對(duì)這一情況,筆者設(shè)計(jì)了一種用于電子產(chǎn)品鈑金零件的多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器。這一多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器的三維模型如圖1所示。

▲圖1 柔性末端執(zhí)行器三維模型

多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器通過(guò)真空吸盤(pán)抓取板料,吸盤(pán)固定件能夠繞可調(diào)螺栓進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn),適應(yīng)不同外形尺寸的板料。根據(jù)電子產(chǎn)品鈑金零件外形調(diào)整X、Y方向拖鏈組件位置,保證抓取位置位于板料中心。多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器頂部設(shè)計(jì)有快速卸裝裝置,安裝孔的尺寸參數(shù)可根據(jù)目前市場(chǎng)中機(jī)器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)計(jì),充分考慮安裝穩(wěn)定性和可操作性,能夠?qū)崿F(xiàn)多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器的快速卸裝與切換。為清理板料折彎過(guò)程中產(chǎn)生的氧化層殘屑,多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)有專(zhuān)用模具清潔頭。模具清潔頭依賴(lài)于主機(jī)械臂及X、Y方向拖鏈組件實(shí)現(xiàn)定位和運(yùn)動(dòng),能夠清理板料在折彎過(guò)程中長(zhǎng)久累積的氧化層殘屑,保證模具的折彎精度。

整個(gè)多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的末端,在工作過(guò)程中能夠基于不同電子產(chǎn)品鈑金零件的尺寸,實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人手臂的聯(lián)動(dòng)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與功能,控制系統(tǒng)主要功能包括X和Y方向直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、吸盤(pán)固定件繞可調(diào)螺栓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、吸盤(pán)氣壓控制、機(jī)器人手臂在工作空間內(nèi)的各個(gè)位姿運(yùn)動(dòng)。各運(yùn)動(dòng)功能既能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn),也可以進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

機(jī)器人手臂與多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器的總控系統(tǒng)由工控機(jī)、可編程序控制器、控制軟件等組成,負(fù)責(zé)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示、產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控、數(shù)控加工文件和作業(yè)指導(dǎo)書(shū)傳輸、計(jì)劃調(diào)度等。其中,可編程序控制器負(fù)責(zé)機(jī)器人手臂和多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器的動(dòng)作控制、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)床與機(jī)器人等設(shè)備的生產(chǎn)協(xié)調(diào)控制等。一般而言,X、Y方向直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和吸盤(pán)固定件繞可調(diào)螺栓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)停止后,吸盤(pán)氣壓控制才開(kāi)始工作,多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器延時(shí)啟動(dòng)梯形圖如圖2所示。

▲圖2 柔性末端執(zhí)行器延時(shí)啟動(dòng)梯形圖

5 折彎變形分析

折彎前后金屬網(wǎng)格變化如圖3所示。數(shù)控折彎?rùn)C(jī)V形折彎過(guò)程中,在彎曲中心角范圍內(nèi),長(zhǎng)方形網(wǎng)格變成了扇形網(wǎng)格,板料的直邊部分除靠近圓角處網(wǎng)格略有微小變化外,其余仍保持長(zhǎng)方形網(wǎng)格。折彎前a、b間長(zhǎng)度與c、d間長(zhǎng)度相等,折彎后a、b間長(zhǎng)度減小,c、d間長(zhǎng)度增大,說(shuō)明折彎后內(nèi)緣的金屬因切向受壓而收縮,外緣的金屬因切向受拉而伸長(zhǎng)[6-7]。

▲圖3 折彎前后金屬網(wǎng)格變化

目前數(shù)控折彎?rùn)C(jī)床的加工精度已經(jīng)能夠滿(mǎn)足電子產(chǎn)品鈑金零件的折彎精度要求,但板料在折彎過(guò)程中由于拉伸或擠壓而產(chǎn)生變形,導(dǎo)致多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器在折彎結(jié)束后對(duì)板料有一定的拉扯或擠壓,會(huì)影響電子產(chǎn)品鈑金零件的折彎精度。

折彎后板料拉伸變形如圖4所示,α為成型角度,r為折彎半徑,h為板料厚度,最外層弧段長(zhǎng)l2與中性層弧段長(zhǎng)l1的差值為板料在折彎后的變形拉伸量Δl,即Δl為:

Δl=l2-l1=α(r+h)-α(r+Kh)=αh(1-K)

(1)

式中:K為中性層折彎因數(shù),由板厚及板料決定。

▲圖4 折彎后板料拉伸變形

6 位姿補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型

板料在折彎過(guò)程中產(chǎn)生拉伸變形,通過(guò)將板料的變形補(bǔ)償?shù)綑C(jī)器人位姿狀態(tài)中,消除機(jī)器人在折彎跟隨過(guò)程中對(duì)板料的拉伸或擠壓,提高折彎精度。

板料折彎前后機(jī)器人位姿補(bǔ)償如圖5所示。板料折彎前多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器的夾持位置為m0,板料折彎后,理論上多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器的夾持位置為m1,但由于存在拉伸變形,實(shí)際上夾持位置為m2。

▲圖5 板料折彎前后機(jī)器人位姿補(bǔ)償

為了彌補(bǔ)m1、m2對(duì)折彎精度的影響,必須推導(dǎo)出多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器位姿補(bǔ)償計(jì)算式,使折彎過(guò)程中多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器位置由m0直接到m2。通過(guò)式(1)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué),可以推導(dǎo)變換矩陣T為:

(2)

7 應(yīng)用效果

基于多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器建立的鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)如圖6所示,系統(tǒng)核心單元為多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器及數(shù)控折彎?rùn)C(jī),能夠間接或直接代替人工在折彎工位上進(jìn)行物料的取放、搬運(yùn)、折彎等工作[8]。

▲圖6 鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)

鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)加工工藝流程如圖7所示。為確保整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠,在正式加工前,一般要進(jìn)行兩次試加工。第一次折彎試加工時(shí),按正常速度的20%運(yùn)行,確認(rèn)動(dòng)作無(wú)錯(cuò)誤,產(chǎn)品質(zhì)量合格。第二次折彎試加工時(shí),將運(yùn)行速度調(diào)快至正常速度的50%,再次確認(rèn)動(dòng)作和產(chǎn)品質(zhì)量。試加工合格,則調(diào)整至正常速度進(jìn)行折彎,再次檢測(cè)產(chǎn)品,確認(rèn)合格后關(guān)閉護(hù)欄,啟動(dòng)全自動(dòng)模式。

▲圖7 鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)加工工藝流程

鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。單件小型電子產(chǎn)品鈑金零件的平均折彎工時(shí)由原來(lái)的0.1 h縮短至0.02 h,單件大中型電子產(chǎn)品鈑金零件的平均折彎工時(shí)由原來(lái)的0.2 h縮短至0.04 h,試彎件由原來(lái)的4～6件減少到1件。

為了驗(yàn)證多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器位姿補(bǔ)償算法的可靠性,隨機(jī)抽取相同材料的幾種電子產(chǎn)品鈑金零件1 000件,位姿補(bǔ)償前后不合格品對(duì)比如圖9所示。

▲圖8 鈑金數(shù)控折彎系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)▲圖9 位姿補(bǔ)償前后不合格品對(duì)比

由圖9可知,折彎角越小,板料越厚,越容易出現(xiàn)不合格品。在采用多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器位姿補(bǔ)償后,折彎合格品比例有很大提高。

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種用于電子產(chǎn)品鈑金折彎的多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器,能夠滿(mǎn)足電子產(chǎn)品鈑金零件多批次、小批量的生產(chǎn)模式。

針對(duì)板料在折彎過(guò)程中有一定拉伸或擠壓的問(wèn)題,提出了位姿補(bǔ)償算法。這一多功能機(jī)器人柔性末端執(zhí)行器和位姿補(bǔ)償算法對(duì)其它類(lèi)似設(shè)計(jì)或研究具有一定的參考價(jià)值。