基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字化彎管成形技術(shù)研究*

劉春梅，鄭 碩，郭文鳳，黃祖樹(shù)，孫振彪，郭訓(xùn)忠

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

隨著我國(guó)航空技術(shù)的快速發(fā)展，軍用航空器對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金、鈦合金及不銹鋼復(fù)雜整體彎曲構(gòu)件的需求日益增多，這些構(gòu)件主要用于液壓、燃油、環(huán)控、推進(jìn)等系統(tǒng)，在航空器中具有重要作用，堪稱航空器的“動(dòng)脈血管”[1–2]，如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)航空管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊化、構(gòu)件整體化以及總體輕量化，新一代軍用航空器所需的高性能彎曲構(gòu)件逐漸具有空間復(fù)雜軸線、小彎曲半徑、多曲率半徑等重要特征[3–4]。針對(duì)具有上述特征的管件成形，傳統(tǒng)技術(shù)成形過(guò)程中易與成形機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉而無(wú)法一次整體成形，不得不采用先分段成形后焊接的方法，這增加了工藝流程以及綜合成本，降低了生產(chǎn)效率與質(zhì)量。因此，為實(shí)現(xiàn)新一代軍用航空器所需的復(fù)雜彎曲構(gòu)件的快速成形，提升軍用航空器制造的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本與裝備安全風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要研究空間形狀適應(yīng)力強(qiáng)與制造效率高的復(fù)雜彎曲構(gòu)件成形技術(shù)。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的管路系統(tǒng)Fig.1 Pipeline system of aero-engine

近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人是國(guó)際塑性加工領(lǐng)域?yàn)榻档蜕a(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率與精度、實(shí)現(xiàn)智能化和數(shù)字化生產(chǎn)線的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)。目前，針對(duì)該新型管材彎曲成形技術(shù)與裝備，Wafios 公司設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)器人彎曲成形系統(tǒng)，由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管件的夾持與進(jìn)給等操作，配合外設(shè)的彎曲機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管件的彎曲成形，但該設(shè)備也僅利用了機(jī)器人的常規(guī)功能，沒(méi)能有效發(fā)揮機(jī)器人高自由度的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)于此，相比較于Wafios公司，日本Opton 公司采用將機(jī)器人與彎曲成形機(jī)構(gòu)一體化，無(wú)須外設(shè)彎曲裝置，直接由機(jī)器人進(jìn)行彎曲成形操作，二者的協(xié)同配合能夠大大提高機(jī)器人彎曲成形生產(chǎn)效率，但國(guó)外對(duì)于該技術(shù)也處于初期研發(fā)階段，核心技術(shù)尚未公開(kāi)。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)管材加工與設(shè)備制造企業(yè)仍側(cè)重于彎管自動(dòng)化工作站的研究，工業(yè)機(jī)器人也僅發(fā)揮了管材上下料等作用。對(duì)于新型的機(jī)器人彎管成形技術(shù)的研究甚少，只是一些機(jī)器人科技公司在進(jìn)行設(shè)備研發(fā)的嘗試性研究。戴智洋等[5]提出了一種機(jī)器人彎管成形工藝解析方法及成形裝置，基于繞彎成形基本原理，對(duì)管材形狀進(jìn)行工藝解析，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，進(jìn)而生成機(jī)器人彎管加工程序。劉春梅[6]和鄭碩[7]等設(shè)計(jì)了一種針對(duì)分叉支管的管件成形加工方法及成形裝置，并實(shí)現(xiàn)了彎管機(jī)器人軌跡的解析，有效解決了分叉管材彎曲成形易產(chǎn)生干涉、生產(chǎn)率低等問(wèn)題，提高了管材彎曲成形的柔性程度。

與傳統(tǒng)的彎曲方法相比，機(jī)器人彎曲成形技術(shù)具有柔性大、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品空間形狀適應(yīng)性廣等突出優(yōu)勢(shì)，且機(jī)器人彎曲裝備自由度高、響應(yīng)快、占地小，可對(duì)已成形彎管進(jìn)行局部調(diào)整校正，顯著縮短工藝流程，減少數(shù)控機(jī)床、模具等成本[8]，實(shí)現(xiàn)新一代航空器所需的復(fù)雜彎曲管件的精確快速成形，拓展管材數(shù)字化彎曲成形技術(shù)范圍。

本文將繞彎技術(shù)與六自由度串聯(lián)機(jī)器人相結(jié)合，在機(jī)器人末端法蘭上加裝彎曲執(zhí)行器，如圖2所示，通過(guò)彎曲執(zhí)行器上彎曲模與串聯(lián)機(jī)器人的多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，并研究彎管機(jī)器人成形工藝軌跡及運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制解析算法，從而實(shí)現(xiàn)了管材的連續(xù)彎曲成形?；诖罱ǖ臋C(jī)器人彎曲成形試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該過(guò)程中管件應(yīng)力及壁厚等特征開(kāi)展了分析研究。

圖2 彎管機(jī)器人示意圖Fig.2 Schematic diagram of tube bending robot

1 彎管機(jī)器人成形技術(shù)

1.1 彎管機(jī)器人成形工藝原理

彎管機(jī)器人成形工藝原理如圖3所示。彎曲機(jī)構(gòu)主要由彎曲模、管材、夾緊塊和壓料塊組成。管材前端由夾緊塊壓緊在彎曲模上，后端在彎曲模彎曲切點(diǎn)處裝有壓料塊，管材后端完全約束。當(dāng)彎曲模繞彎曲中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，管材在夾緊塊和彎曲模的夾持下繞彎曲模旋轉(zhuǎn)成形至所需角度。其中，彎曲模的半徑r為管材的彎曲半徑大小，mm；且壓料塊在彎曲過(guò)程中固定不動(dòng)，彎曲模繞彎曲中心以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，rad/s；同時(shí)利用機(jī)器人給彎曲模施加沿著管材方向的進(jìn)給移動(dòng)線速度v，mm/s。

圖3 彎管機(jī)器人成形工藝原理Fig.3 Principle of forming process of tube bending robot

1.2 彎管機(jī)器人成形工藝軌跡及運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制

彎管機(jī)器人成形工藝是一種從管端開(kāi)始沿管材軸向的柔性彎曲成形方法，該過(guò)程主要分為彎管機(jī)器人成形工藝彎曲運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制以及末端彎曲執(zhí)行器進(jìn)入過(guò)程軌跡規(guī)劃。

（1）彎管機(jī)器人成形工藝彎曲運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制。如圖4所示，基于工件坐標(biāo)系的控制點(diǎn)P1、P2、P3、P4的空間坐標(biāo)以及彎曲半徑R為定值。彎管機(jī)器人成形工藝需要對(duì)彎曲角度∠AO1B、∠CO2D、進(jìn)給距離P1A、BC、DP4以及彎曲平面A與彎曲平面B的夾角γ進(jìn)行定義。

圖4 彎管機(jī)器人成形工藝運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制解析示意圖Fig.4 Schematic diagram of motion control of robot bending process

以工件坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，設(shè)控制點(diǎn)P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2）、P3（x3，y3，z3）以及P4（x4，y4，z4），則控制點(diǎn)間的距離根據(jù)空間點(diǎn)距離計(jì)算式得出：

彎管機(jī)器人成形工藝所需的彎曲角度∠AO1B、∠CO2D為

彎管機(jī)器人成形工藝所需的進(jìn)給距離P1A、BC、DP4為

由控制點(diǎn)P1、P2、P3的點(diǎn)坐標(biāo)，可以得到平面A的方程：

式中，A1= （y2–y1） （z3–z1） – （z2–z1）（y3–y1）；B1= （z2–z1） （x3–x1） – （x2–x1） （z3–z1）；C1= （x2–x1） （y3–y1） – （y2–y1） （x3–x1）。

同理可得平面B的方程：

式中，A2= （y3–y2） （z4–z2） – （z3–z2）（y4–y2）；B2= （z3–z2） （x4–x2） – （x3–x2） （z4–z2）；C2= （x3–x2） （y4–y2） –（y3–y2） （x4–x2） 。

因此，平面A與平面B的空間夾角為

（2）末端彎曲執(zhí)行器進(jìn)入過(guò)程軌跡規(guī)劃。如圖5所示，彎管機(jī)器人在成形前需要在空間中抓住管材，控制末端彎曲執(zhí)行器從Home點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P4點(diǎn)，為了避免干涉并精準(zhǔn)抓住管材，需要對(duì)該過(guò)程的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。

圖5 末端彎曲執(zhí)行器進(jìn)入過(guò)程軌跡規(guī)劃示意圖Fig.5 Schematic diagram of trajectory planning of bending actuator

由于點(diǎn)P4（x4，y4，z4）在工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，因此這里可以到實(shí)際點(diǎn)P4（0，0，0）。設(shè)末端彎曲執(zhí)行器接近管材的安全距離為S，可以計(jì)算出各關(guān)鍵接近點(diǎn)坐標(biāo)為P43（0，–R，0），P42（S，–R，0），P41（S，0，0）。

末端彎曲執(zhí)行器接近時(shí)，一次沿直線距離從Home 點(diǎn)到達(dá)P41點(diǎn)，再沿水平運(yùn)動(dòng)到達(dá)P42，之后豎直向下到達(dá)P43，最后到達(dá)P4點(diǎn)接觸管材。

2 彎管機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及平臺(tái)搭建

為實(shí)現(xiàn)直徑為φ6～16 mm，壁厚為0.9～2 mm 的航空用Al6061 鋁合金管材的整體柔性彎曲成形，綜合考慮材料的變形力與構(gòu)件可能的成形范圍以及機(jī)器人的剛度/負(fù)載需求，彎管機(jī)器人成形平臺(tái)選取負(fù)載可達(dá)300 kg，運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)2701 mm 的KR300R2700 型號(hào)的KUKA 機(jī)器人。

末端彎曲執(zhí)行器通過(guò)彎曲模與夾緊塊的夾持與轉(zhuǎn)動(dòng)，并匹配六自由度串聯(lián)機(jī)器人的平移，從而實(shí)現(xiàn)管材的彎曲成形。本文所設(shè)計(jì)的彎管機(jī)器人成形任務(wù)分為彎曲控制點(diǎn)位精確定位和管件彎曲成形，因此將其設(shè)計(jì)為六自由度串聯(lián)機(jī)械臂與末端彎曲執(zhí)行器的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在彎曲過(guò)程中，夾緊塊始終緊貼管材，直至完成該部分彎曲。壓料機(jī)構(gòu)模塊由可移動(dòng)壓料塊組成，在彎曲過(guò)程中保持不動(dòng)。當(dāng)彎曲完成時(shí)，壓料塊沿著管材移動(dòng)至下一加工位置，繼續(xù)保持不動(dòng)，為管材提供導(dǎo)向加持作用。夾緊機(jī)構(gòu)模塊用來(lái)固定管材，防止加持過(guò)程中管材晃動(dòng)而影響成形精度。

末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括彎曲模、夾緊機(jī)構(gòu)模塊、壓料機(jī)構(gòu)模塊、彎曲驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊和主體連接機(jī)構(gòu)，其中，彎曲模、夾緊機(jī)構(gòu)模塊以及壓料機(jī)構(gòu)模塊為可快換式結(jié)構(gòu)，如圖6所示。夾緊機(jī)構(gòu)由氣缸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、夾緊塊構(gòu)成。氣缸的開(kāi)關(guān)控制著曲柄連桿機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了夾緊塊對(duì)于管件的約束與卸載功能。相較于平推結(jié)構(gòu)，采用曲柄連桿作為連接方式存在著鎖死位置，可更好地保證夾緊塊的夾持力，避免管件彎曲過(guò)程中的打滑。壓料機(jī)構(gòu)作為管材彎曲時(shí)提供壓料和導(dǎo)向作用的機(jī)構(gòu)，主要由氣缸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、壓料塊以及推進(jìn)氣缸組成。兩個(gè)氣缸開(kāi)關(guān)配合，可使壓料快處于全開(kāi)、半開(kāi)以及鎖緊狀態(tài)，保證了彎曲過(guò)程中未成形管材的直線度，可更好地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料功能的同時(shí)減小末端機(jī)構(gòu)對(duì)于管件夾持段的作用力。彎曲機(jī)構(gòu)作為末端執(zhí)行器的核心部件，由彎曲模、鑲塊、電機(jī)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，主電機(jī)功率為1.9 kW，減速比為1∶50，可為多種材料體系，尤其是高強(qiáng)度管材的彎曲提供有效的力矩，總體設(shè)計(jì)參數(shù)范圍如表1所示?；谝陨显O(shè)計(jì)最終搭建的機(jī)器人彎曲平臺(tái)如圖7所示。

表1 總體設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 General design parameters

圖6 末端彎曲執(zhí)行器設(shè)計(jì)組成Fig.6 Design composition of end bending actuator

圖7 機(jī)器人彎曲平臺(tái)搭建Fig.7 Construction of tube bending robot platform

3 機(jī)器人管材彎曲成形過(guò)程模擬與試驗(yàn)

3.1 機(jī)器人管材彎曲成形有限元模型建立

為降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和可靠性，本文基于ABAQUS/CAE有限元模擬軟件，對(duì)直徑16 mm、長(zhǎng)度400 mm 的Al6061 管件進(jìn)行機(jī)器人彎曲成形的仿真研究，探究新型機(jī)器人彎曲成形技術(shù)對(duì)彎管性能的影響。

通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)獲得了如表2所示的6061 鋁合金管材的主要材料性能參數(shù)，并導(dǎo)入有限元軟件中。本研究機(jī)器人管材彎曲成形有限元模型是基于傳統(tǒng)數(shù)控繞彎成形模型建立的 （圖8），二者的區(qū)別在于機(jī)器人彎曲過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)整個(gè)末端彎曲執(zhí)行器一起平移，則彎曲模邊界條件除了賦予旋轉(zhuǎn)速度VR1外，還需賦予沿管件軸向的平移速度V2，而為保證壓料塊的補(bǔ)料與穩(wěn)定直線度的作用，在彎曲過(guò)程中設(shè)定固定邊界U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。被夾持管件的端部同樣設(shè)定為固定邊界，網(wǎng)格劃分尺寸控制在1 mm×1 mm，并選用S4R 單類型進(jìn)行分析。其他建模關(guān)鍵技術(shù)以及回彈模型的建立均可參考傳統(tǒng)數(shù)控繞彎成形模型[9]來(lái)處理。

表2 6061 鋁合金主要材料性能參數(shù)Table 2 Main material parameters of Al6061

圖8 建立的機(jī)器人彎曲成形有限元模型Fig.8 Establishment of finite element model of robot tube bending

3.2 機(jī)器人管材彎曲成形性能研究

基于上述模型獲得了當(dāng)彎曲角度為30°～150°，彎曲回彈后管件的實(shí)際彎曲角度與目標(biāo)彎曲角度之差，并運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行擬合獲得了彎曲角與回彈角之間的關(guān)系，如圖9與式（7）所示。

圖9 有限元模型計(jì)算所得彎曲角與回彈角之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between bending angle and springback angle calculated by finite element model

式中，Δα為回彈角；α為彎曲角。

為了驗(yàn)證所擬合關(guān)系的精度，基于ABAQUS 軟件平臺(tái)建立一個(gè)雙彎90°模型。為得到回彈后90°的實(shí)際彎曲角度，通過(guò)式（7）可以計(jì)算出理論的彎曲角度應(yīng)為94.62°。因此將模型的邊界條件的彎曲角度設(shè)置為94.62°，同時(shí)將兩次都彎曲94.62°的程序編入搭建的機(jī)器人彎曲成形平臺(tái)的操作程序中，通過(guò)試驗(yàn)與有限元模擬所得的最終管材彎曲的結(jié)果如圖10 所示。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)獲得的雙彎管角度分別為91.3°與89.7°，有限元獲得雙彎管角度分別為90.4°與89.8°，最大角度偏差也小于1.5°，符合管件成形質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此該方程具有可行性，也證明了所建立的有限元模型是可靠的，且有限元分析對(duì)實(shí)際彎曲試驗(yàn)有一定的指導(dǎo)作用。

圖10 雙彎模型試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of double bending model experiment and simulation results

為進(jìn)一步研究機(jī)器人彎曲成形過(guò)程中管件的受力狀況，基于以上模型獲得如圖11 所示的Al6061 管材在機(jī)器人彎曲成形過(guò)程中的應(yīng)力分布?？梢钥闯?，在剛開(kāi)始進(jìn)行彎曲時(shí)，管材外側(cè)的拉應(yīng)力和內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力均快速增大。當(dāng)彎曲角度逐漸增加到30°的時(shí)候，已經(jīng)彎曲過(guò)的管材應(yīng)力狀態(tài)基本保持不變。隨著彎曲角度的增加，在彎曲模繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，機(jī)器人也會(huì)提供給彎曲模一個(gè)沿著管材向后運(yùn)動(dòng)的速度，這樣可以起到補(bǔ)料作用，直至彎曲結(jié)束。由于彎曲后的管材會(huì)發(fā)生部分應(yīng)力卸載，這時(shí)最大的拉應(yīng)力會(huì)一直沿著彎曲方向向后延伸，但是最大應(yīng)力值增加的幅度并不是很大，而是會(huì)形成一個(gè)較大應(yīng)力值的區(qū)域，這也說(shuō)明了模擬中機(jī)器人管材彎曲成形在很大程度上處于一種相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期。從圖9中還能看出，不同彎曲角度過(guò)程中，管材彎曲內(nèi)側(cè)所受到的壓應(yīng)力均高于管材彎曲外側(cè)所受到的拉應(yīng)力，由此可預(yù)測(cè)彎管內(nèi)側(cè)的壁厚增厚率要大于外側(cè)的壁厚減薄率。通過(guò)對(duì)于模擬結(jié)果的分析，了解機(jī)器人彎曲成形中應(yīng)力分布狀態(tài)，可以得到最大應(yīng)力值，也可判斷該種材料能否用于機(jī)器人彎曲成形。

圖11 管材不同彎曲角度的應(yīng)力分布圖Fig.11 Stress distribution diagram of bent tube under different bending angles

為了探究新型機(jī)器人彎曲成形技術(shù)對(duì)管材成形質(zhì)量的影響，結(jié)合試驗(yàn)與有限元模擬的方法，通過(guò)改變彎曲角度來(lái)分析研究Al6061 管材的最大壁厚增厚率與最大壁厚減薄率的變化規(guī)律，如圖12 所示?？梢钥闯?，隨著彎曲角度的增加，彎管的壁厚增厚率與壁厚減薄率呈線性增大分布。這是由于隨著彎曲角度的增大，整體管材的應(yīng)變量都會(huì)增大，且管材與模具之間存在摩擦阻力，從而導(dǎo)致管材壁厚增厚率和減薄率均增大。壁厚減薄率較小，而壁厚增厚率要大于壁厚減薄率約4%，這說(shuō)明機(jī)器人彎曲成形工藝中的主動(dòng)進(jìn)給補(bǔ)料功能可緩解彎管壁厚減薄現(xiàn)象，降低了彎管開(kāi)裂的趨勢(shì)，但同時(shí)管材彎曲內(nèi)側(cè)材料堆積的現(xiàn)象會(huì)比較嚴(yán)重，在實(shí)際試驗(yàn)中極有可能出現(xiàn)起皺的現(xiàn)象，并且試驗(yàn)中也取得了證實(shí)，當(dāng)彎曲角度大于90°時(shí)，起皺的缺陷會(huì)慢慢出現(xiàn)。在接下來(lái)的研究工作中，需著重開(kāi)展基于起皺缺陷的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、彎曲角度等參數(shù)的優(yōu)化研究。

圖12 試驗(yàn)和模擬結(jié)果Fig.12 Experimental and simulation results

4 結(jié)論

本文將傳統(tǒng)的管材彎曲技術(shù)和目前熱門的機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來(lái)，探索了一種機(jī)器人管材彎曲的新技術(shù)?；跈C(jī)器人管材彎曲新技術(shù)的成形原理，搭建了相應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合有限元模型與試驗(yàn)方法，研究了機(jī)器人彎曲成形過(guò)程中管件應(yīng)力及壁厚的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）提出了新技術(shù)中對(duì)彎管機(jī)器人彎曲運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制以及末端彎曲執(zhí)行器進(jìn)入過(guò)程軌跡規(guī)劃方法，并基于彎管機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了彎管機(jī)器人平臺(tái)的搭建。

（2）當(dāng)管材的彎曲角度變化時(shí)，管材與模具之間的摩擦基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，最大應(yīng)力值增大的幅度較小，且較大應(yīng)力值區(qū)域隨彎曲角度的增大而增加，壁厚的減薄率和增厚率也與彎曲角度呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)。

（3）機(jī)器人彎曲成形技術(shù)具有主動(dòng)進(jìn)給補(bǔ)料功能，可有效改善彎管壁厚減薄現(xiàn)象，但同時(shí)補(bǔ)料也易導(dǎo)致材料發(fā)生堆積，壁厚的增厚率大于減薄率，試驗(yàn)時(shí)更容易出現(xiàn)起皺的缺陷。