CN105598226B - 机器人滚边设备和方法 - Google Patents

Abstract

本文描述一种机器人滚边设备，其具有机械手及滚边设备。该设备包括框架，在操作中与工件的两个相对侧接触的第一辊子和第二辊子，以及至少一个第一驱动器，所述第一驱动器机械地耦合到所述框架以及所述两个辊子中的至少一个，并且被控制成使得通过所述两个辊子施加的并且大致沿着力的一个有效力线作用的所述反向工艺力施加到所述工件的相对侧。

Description

机器人滚边设备和方法

技术领域

本发明涉及一种基于机器人的滚边设备和方法。

背景技术

滚边是一种要求高的加工工艺，即使在机器人(基于机器人的)工业工艺的时代，也仅能通过时间和成本的高支出来可靠地实现。然而，在很多工业分支中，诸如汽车工业中，急需滚边工艺用于批量生产中的金属板材成形。特别是在稳定的滚边工艺之前的设置工作是非常耗时的。需要训练有素且经验丰富的专家来将设备调整到相关的工件条件。形状、位置和材料的公差必须通过在实践中获得的值来补偿。只有在这种情况下才能期待在该工艺结束后得到好的结果。目前仅通过使用机械手并依靠机器人位置的特性还不可能完全补偿这些影响因素。

Jens.P.Wulfsberg等人在制造科学杂志(Zeitschrift für wissenschaftlichenFabrikbetrie)2005年第三期第130-135页上的文章“力可调滚边工艺(Force-regulatedRoller Hemming)”描述了力可调的滚边工艺。在该文章中，对用于滚边的工业机器人的高要求调整进行了描述。

本发明的目的是提供一种用于滚边的改进设备和改进方法。为了建立稳定的滚边工艺而花费大量成本和时间的调节工作，以及工件位置和几何结构对滚边工艺的影响将被减少。

发明内容

该目的是通过根据权利要求1的设备或根据权利要求16的方法来实现的。从属权利要求覆盖了不同的实施例以及进一步的发展。

下文描述了一种机器人滚边设备。根据本发明的一个示例，该机器人滚边设备包括机械手和滚边设备。滚边设备包括框架，以及第一辊子和第二辊子，所述辊子在操作中与工件的两个相对侧接触。滚边设备进一步包括至少一个驱动器，驱动器以这样的方式机械地耦合到所述框架和所述两个辊子中的至少一个，并且驱动器被控制成使大致沿着力的一个有效力线的反向工艺力通过所述辊子施加到所述工件的相对侧，且其中所述两个辊子可相对于所述框架移动。因此，所述滚边设备相对于所述工件的错误放置能够通过将所述辊子相对于所述框架移动来补偿。

所述至少一个第一驱动器产生的所述反向工艺力可具有相同的强度，使得由所述驱动器产生的并通过所述辊子施加到所述工件的至少一个合成力和/或一个合成力矩接近于零。滚边设备能够以使驱动器施加的工艺力可正交于滚边设备的进给方向的方式来设计。

机械手能够被设计成沿着期望的预定轮廓移动滚边设备或工件。根据一个示例，机械手沿着工件的连接处移动滚边设备。根据另一个示例，机械手移动工件使工件在滚边设备的所述辊子之间进给。

滚边设备可包括第一和第二驱动器。在该实例中，第一驱动器在框架和第一辊子之间运行，第二驱动器在框架和第二辊子之间运行。从而两个驱动器允许两个辊子都沿着所述力的有效力线(主要垂直于机械手的工具中心点(TCP)的进给方向)移动。

根据另一个示例，所述至少一个驱动器在两个辊子之间运行，其中所述驱动器和所述两个辊子可移动地(在第一方向上)安装在框架上。所述驱动器和所述两个辊子可另外布置在安装在框架上的基底件上。驱动器和辊子可借助于弹簧或其它驱动器(例如，通过提到的基底件)等可移动地固定在框架上。

滚边设备可包括马达，其被设计成用于驱动所述辊子的至少一个。其中至少一个所述辊子可被驱动使其旋转速率与机械手的路径速度相匹配。

所述设备可包括控制单元，其被设计成控制所述至少一个驱动器使所述驱动器产生的工艺力与目标力大致对应，其中被控制(具有或没有力反馈)的工艺力主要垂直地施加于工件的各表面。

进一步地，描述了一种使用滚边设备的用于工件的机器人滚边的方法，其中滚边设备包括框架，第一辊子和第二辊子，以及至少一个第一驱动器。所述辊子在操作时与工件的两个相对侧接触，并且所述至少一个驱动器机械地耦合到框架和所述两个辊子中的至少一个。根据本发明的一个示例，该方法包括在机械手的帮助下沿着期望的轮廓移动所述工件或滚边设备，以及控制所述至少一个驱动器使主要垂直于滚边设备的进给方向被引导的并且大致沿着力的有效力线的反向工艺力通过所述两个辊子施加到所述工件的相对侧。

附图说明

参照下面的描述和附图，本发明能够得到更好的理解。该附图并不需要按照比例绘制，并且本发明并不限于其中所示的方面。相反，重点放在说明本发明的基本原理上。在附图中：

图1示出了用于在相应的基底上滚边的具有附加驱动器的机械手。

图2示出了施加到根据图1所示的设备中的辊子和工件上的力。

图3示出了被根据第一实施方案的机械手引导的滚边设备，其具有彼此相对放置用于工件滚边的两个驱动器和两个辊子。

图4示出了施加到根据图3所示的设备中的辊子和工件上的力。

图5示出了被根据第二实施方案的机械手引导的滚边设备，其具有彼此相对放置用于工件滚边的驱动器和两个辊子。

图6示出了根据其它实施方案的滚边设备，其具有彼此相对放置用于在机械手引导下的进行工件滚边的驱动器和两个辊子。

在附图中，相同的附图标记指定相同或相似的组件，每个都具有相同或相似的意义。

具体实施方式

滚边被理解为使用类似于折叠机(起源于书籍装订厂)的仪器连接两片金属或其它材料。类似于翻边，该两个材料通过形状锁定(形状配合)连接。在此该金属片不会急剧弯曲，而是使用仪器(工具)卷进彼此。其优势在于不会损坏表面并且不为材料引入缺口应力(notch stress)。这项技术最初来自于水管工，而今被用于金属片的连接部分等。除了形状锁定连接(form-locked connection)，该材料也通过摩擦(夹紧)被力锁定(force-locked)(力配合)在一起。

滚边也用于在车体构造中，其中车体部件使用机器人(机器人引导的)滚压机器进行连接。此处，可见金属片的外部边缘是在一步或几步中围绕相应的不可见的内部部件形成的。可见金属片的边缘从而弯曲在内部部件的相应边缘上以产生形状锁定连接。该连接能够在滚边工艺前通过将密封胶黏剂注入到连接处而密封。

图1示出了例如在汽车工业等的成批生产中采用的滚边工艺。在本示例中，例如要加工的工件301由在滚边工艺中边缘处被连接的(外部)金属片301b和(后来的内部)组件301a组成。金属片301b和组件301a另外可通过粘合连接。为了产生滚边连接，金属片301b的一个边缘被折叠在组件301a的相应的边缘上。为了确保金属片301b的折叠是沿着组件301b的边缘均匀地进行的，可能需要调节仪器(辊子201，也见图2)的压力F_N。然而工业机器人(所谓的机械手)常常是被位置控制(position-controlled)的，尽管有几何学上正确的路径规划，这仍然会导致由于不可避免的公差(以及引起压力波动)引起的翻边(折叠)中的缺陷。如果施加的力太小，则翻边不会紧密地闭合。如果施加的力太大，则表面会出现明显的变形。

所提到的问题(翻边缺陷)能够(至少部分地)通过例如将仪器(辊子201a，201b)用机械预张紧弹簧附接到机械手100来解决。那么在位置上的微小偏差能够通过偏转该弹簧来补偿。如果正确地选择了弹簧的特征曲线，则压力F_N将不会被显著地改变。可以采用增加的驱动器(即直线驱动器)取代弹簧来调节所述压力。

在在图1所示本示例中，辊子201被机械手100引导在工件301的连接处的上方。例如机械手100是具有臂段103、104和105的标准工业机器人。第一段103可以是可旋转的，并且可转动地安装在基底102上，基底102牢固地连接到基座101(基部)上。第二(中间)臂段104能够旋转并且连接到第一臂段103。第三臂段105可旋转地连接到第二臂段104并且将仪器(在本实例中为辊子201)携带在其所谓工具中心点(TCP)上。仪器201通常是能够旋转的并且可旋转地连接(即通过包括在第三臂段105中的双轴连接处106)到第三臂段105上。从而机械手100具有6个自由度并且可以将仪器201保持在任何给定的位置和方向(称为“姿势”)上。

在滚边工艺中，工件301被布置在基底300上，其吸收在滚边工艺中出现的力。取决于翻边连接的形状，基底300能够具有非常复杂的形状，其必须以高精确度来加工并且需要相当大的努力。此外，可能需要使用安装支架将工件301固定到基底上，而这些本身可造成对机械手100的运动的阻碍。在图2中示意性地描绘了在滚边工艺中出现的力。通过辊子201施加到工件301的力F_N、F_V被基底300吸收。压力F_N(在下文中也称为工艺力F_N、F_N’)垂直(成直角)于进给方向v施加至工件301，进给力F_V施加在进给方向v。基底300施加给工件301的各反作用力(反应力)指定为F_N’和F_V’。为了补偿工件301的形状和位置公差，辊子201，如上所述，能够通过弹簧等耦合到机械手100的TCP。然而，取决于工件301的形状，需要复杂的基底300来吸收在滚边工艺出现的力。

因为由于工艺力F_N、F_N’彼此补偿，只有(相对低的)进给力F_V需要被工件301吸收，在图3中示意性地描绘了可不使用上述复杂的基底300的示例性布置。根据图3所示的机械手100的构造基本上与前述示例(图1)相同。相应地，机械手100包括三个臂段103、104和105(包括连接处106，与图1相比)。第一段103是能够旋转的并且可旋转地安装在基底102上，基底102牢固地连接到基座101(基部)上。第二(中间)臂段104可旋转地连接到第一臂段103。第三臂段105可旋转地连接到第二臂段104并且将仪器携带在其所谓工具中心点(TCP)上的连接处106。在本实例中，仪器不是简单的辊子，而是更复杂的滚边设备200，其将在下文中进行更详细的讨论。

根据所示的实施方案，滚边设备包括第一辊子201a和第二辊子201b，其在操作时与工件301的两对侧接触。滚边设备还包括框架107，以及机械地耦合到框架107和所述两个辊子201a、201b中的至少一个上的至少一个第一驱动器202a、202b。本示例包括两个驱动器202a、202b，该两个驱动器202a、202b分别将该两个辊子201a、201b机械地耦合到框架107。所述至少一个驱动器(在本示例中为一个和/或两个驱动器202a、202b)的控制方式为，反向工艺力F_N、F_N’(压力)通过该两个辊子201a、201b分别被施加到工件301的相对侧。通过相应地控制驱动器202a、202b可调节工艺力F_N、F_N’的大小。但是，由工艺力得到的合力F_N+F_N’接近于零(因为F_N’＝-F_N)。从而工件301的公差和机械手100的路径公差在工艺力F_N、F_N’的方向上完全抵消，并且工件301和机械手100都不受反作用力作用。所述两个辊子201a、201b可通过示意性布置的两个驱动器202a、202b的“漂浮”安装在机械手100上。漂浮安装能够理解为一种安装，其在操作时使辊子201a、201b适应于工件301的不规则。不规则能够被理解为，例如工件表面的不均匀，以及形状和位置的公差。

图3的图示应仅被认为是示意图。实际上，辊子201a、201b以及工件301可以根据图3所示的布置放置，使滚边工艺的进给方向v大体上垂直于牵引平面。驱动器202a、202b可由直性驱动器实现，例如气缸或无活塞气动驱动器(所谓的波纹管气缸)。(当需要较少工艺力时)也可以考虑直接电磁驱动器(即无齿轮电驱动器)。驱动器202a、202b可被布置成在框架107和辊子201a、201b之间(例如在框架107的两个相对的悬臂上)彼此相对并且主要彼此共轴(或者至少布置成使得垂直于驱动方向v的合成力能够被抵消)。因此，由驱动器202a、202b产生的工艺力F_N和F_N’能够大致沿着力的一个共同有效力线400作用。力的有效力线400可布置成与进给方向v正交。因此，工艺力F_N和F_N’能够彼此完全抵消。为此，驱动器202a、202b可具有线性轨道(未示出)使得驱动器202a、202b能够沿着力作用线400运动。当操作时，工件301放在该两个辊子201a、201b之间，其中驱动器202a从上方将辊子201a压在工件301上(压力F_N),驱动器202b从下方将辊子201b压在工件301上(压力F_N’)。如前所述，合力F_N+F_N’为零。因为驱动器202a和202b大致沿着一条线运行，驱动器202a、202b对工件301不施加或仅施加很小的力矩。因此，工件301上的不规则不会给机械手100施加回任何显著的力矩，而且关于工件301的位置和/或几何结构的不规则的滚边工艺的精确度和鲁棒性能够得到改进。该完成的滚制翻边被附图标记302标示出。

从驱动器202a、202b的运动中解耦之后，机械手100能够产生滚边工艺所必须的驱动(进给)。机械手100沿着预定轨道移动位置受控的滚边设备，同时工艺力F_N、F_N’在驱动器202a、202b的帮助下被调节到目标值。驱动器202a、202b能够补偿工件301的形状和位置公差，以及与轨道有关的路径规划的不精确，其中滚边设备200沿着所述轨道运行。驱动器202a、202b被控制成以预定的工艺力F_N和F_N’压紧工件301，然而因为力F_N和F_N’如已经提到的一样彼此抵消，不用对辊子201a、201b相对于框架107的一致运动施加任何显著的抵抗力(至少在一定的限度内)。从而机械手100从这些补偿运动中解耦。

在图4中，再一次更详细地描绘了根据图3所示的布置在滚边工艺中施加到工件301的力。如已经提到的，所调节的工艺力F_N、F_N’具有相等的强度并且从相对的方向施加。在机械手100的帮助下，产生将滚边设备200横跨过工件301的进给力F_V。仅仅进给力F_V需要被工件301吸收(反作用力F_V’)。如上所述，工件301从期望位置(相对于框架107)的任何位置偏差d都能够被驱动器202a、202b相应的偏转补偿。在该实例中距离d标示为滚边设备200的坐标系统中工件301的实际位置与工件301的理论期望位置的偏差。该位置偏差d能够由滚边设备定位的不精确(例如，对机械手100的路径规划的不精确)引起，或者由工件301定位的不精确引起，或者由工件301的形状的偏差引起。

图5示出了滚边设备200的另一实施方案，其能够仅用单个驱动器202来运行。机械手100基本上以与前述示例相同的方式设置。不同于图3的示例，驱动器202不在框架107和辊子201a、201b之间运行，而是在辊子201a、201b之间运行。此时第一辊子201a通过悬臂207a不可动地安装在基底件108上。第二辊子201b也通过悬臂207b并借助于线性轨道安装在基底件108上，使得两个辊子201a、201b之间的距离能够调节。如前述示例，驱动器202可以是气缸，无活塞气动驱动器(即，气动肌肉或波纹管气缸)或电直驱动器。为了补偿工件301的形状和位置公差或者对机械手100的路径规划的不精确，基底件108(连同驱动器202和辊子201a、201b)可移动地(例如在线性轨道109的帮助下)安装到框架107上。如果有必要的话，滚边设备本身的重量能够借助于(主动或被动)弹簧(未示出)被补偿，以允许基底108悬挂在框架107的一个位置上。因此，如果工件301的实际位置与理论期望位置存在偏差，在工艺力F_N、F_N’中不出现误差。主动组件(即附加的直线驱动器)可取代被动弹簧而被当做弹簧使用。在这方面，功能与机械弹簧类似的组件都可被视为弹簧。在图5所示的示例中，通过辊子201a、201b施加到工件301的工艺力F_N、F_N'大致沿着力的共同有效作用力线400作用。因此，同样在该示例中，施加到工件301上的合成力和/或合成力矩接近于零。

在前述示例中，在机械手100的帮助下，沿着前述规划路径引导滚边设备200，所述前述规划路径沿着工件30的连接处。然而，这里描述的滚边设备(图3、5和6)也可以牢固地安装在基座上，在这种情况下采用机械手100通过滚边设备的辊子201a、201b来沿着工件301的连接处引导工件301，使得在辊子201a、201b的帮助下，翻边被闭合。图6中示出了这种情况。机械手100大体上以前述示例的方式组装，不同之处在于，并不是滚边设备200而是工件301(例如，在夹具的帮助下)附接到第三臂段105(包括连接处106，与图1相比较)。滚边设备200以与前述示例(图5)非常相似的方式来构造。在该示例中，驱动器在辊子201a、201b之间运行。辊子201a和301b各自通过悬臂207a和207b可移动地安装在框架107上。在驱动器202的帮助下，可影响辊子201a和201b之间的距离(以及从而影响辊子201a和201b之间作用的力)，而不会影响辊子201a、201b相对于框架107的位置。该相对位置可根据工件301的形状和位置公差、以及路径规划的不精确而变化。辊子中的一个(例如辊子201b)可以借助于弹簧被耦合到框架107。从而，在基底件108和框架107之间采用弹簧可以得到与前述示例(图5)相同的效果。

在另一个可能的实施方案中，辊子201a、201b可被主动地驱动使得其与进给运动同步旋转。以这种方式也能够使进给力与其反作用力F_V、F_V’相抵消。于是它们不再需要被机械手100和基底300吸收，而工件固定也可以一起被省去。此时辊子201a、201b的速率被调整成机械手100的TCP路径速度。这意味着辊子201a、201b的圆周速率与机械手100的TCP路径速度一致。

最后应注意辊子201a、201b可由金属(例如工具钢)制成。根据一个实施方案，运行表面(沿着辊子的圆周)可由比工件表面柔软(例如比工具钢硬度低的金属或弹性体)的材料制成或者涂有该材料。即，辊子201a、201b的运行表面的硬度低于工件表面的硬度。在辊子201a、201b中的至少一个使用“柔软”的运行表面使颗粒(例如脏的颗粒、金属碎片等等)不会被压入工件表面。

尽管描述了本发明的各种实施方案，但在本发明的范围内更多的实施方案和实现是可能的，这对于本领域的那些普通技术人员是显而易见的。因此，除了按照所附的权利要求和它们的等效物外，本发明并不被限制。就上述组件或结构(配件、装置、电路、系统等等)执行的各种功能而言，除非另有说明，用于描述这种组件的术语(包括对“装置“的引用)意在对应于任何执行所描述组件(即在功能上等效的)的特定功能的组件或结构，即使这些组件或结构在结构上不同于执行本文所示的本发明的示例性实施方案中的功能的所公开的结构。

Claims (14)

1.一种机器人滚边设备,其具有机械手（100）以及滚边设备，所述滚边设备包括：

框架（107）；

第一辊子（201a）和第二辊子（201b），其在操作时与工件（301）的两个相对侧接触，并且相对于所述框架（107）可移动地安装；

至少一个驱动器（202；202a、202b），其机械耦合到所述框架（107）以及耦合到所述两个辊子（201a、201b）中的至少一个，并且被控制成通过所述两个辊子使得大致沿着一个有效力线的反向工艺力（F_N、F_N’）施加到所述工件（301）的所述相对侧；

由于所述至少一个驱动器（202、202a、202b）产生的所述反向工艺力（F_N、F_N’）大小相同，使得由所述驱动器（202、202a、202b）通过所述辊子（201a、201b）施加到所述工件（301）的至少一个合工艺力和/或至少一个合扭矩接近于零；

所述第一辊子（201a）和第二辊子（201b）沿着有效力线移动；其中所述辊子安装至所述框架上,以配置成通过使所述辊子（201a、201b）相对于所述框架（107）移动来补偿所述滚边设备相对于所述工件（301）的不正确定位。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述机械手（100）配置成沿着预定的期望轮廓移动所述滚边设备。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述滚边设备包括第一和第二驱动器（202a、202b），

其中所述第一驱动器（202a）在所述框架（107）和所述第一辊子（201a）之间运行，而所述第二驱动器（202b）在所述框架（107）和所述第二辊子（201b）之间运行，以及

其中两个驱动器（202a、202b）都允许所述两个辊子（201a、201b）沿着力的所述有效力线（400）运动。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述至少一个驱动器（202）在所述两个辊子（201a、201b）之间运行，以及

其中所述驱动器（202）和所述两个辊子（201a、201b）可移动地布置在所述框架（107）上。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述驱动器（202）和所述两个辊子（201a、201b）布置在沿着所述框架（107）被引导的基底件（108）上。

6.根据权利要求4所述的设备，其中所述驱动器（202）和所述辊子（201a、201b）借助于弹簧或其它驱动器可移动地安装在所述框架（107）上。

7.根据权利要求1所述的设备，所述驱动器（202）包括设计成用于驱动至少一个所述辊子（201a、201b）的马达。

8.根据权利要求7所述的设备，所述第一辊子（201a）被驱动使得所述第一辊子（201a）的旋转速率被调整成所述机械手（100）的路径速度。

9.根据权利要求1所述的设备，其包括设计成用于控制所述至少一个驱动器（202）使得所述驱动器（202）产生的所述工艺力（F_N、F_N’）与目标力大小大致对应的控制单元，其中所述被控制的工艺力（F_N、F_N’）基本垂直地施加到所述工件（301）的各表面；所述被控制的工艺力（F_N、F_N’）包括被闭环控制的工艺力（F_N、F_N’）。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述机械手（100）沿着所述工件（301）的连接处移动所述滚边设备。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述机械手（100）在所述滚边设备的所述辊子（201a、201b）之间移动所述工件（301）。

12.根据权利要求1所述的设备，其中由所述驱动器（202、202a、202b）施加的所述工艺力正交于所述滚边设备的进给方向（v）。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述滚边设备的至少一个所述辊子（201a、201b）具有运行表面，所述运行表面在操作期间与工件表面接触，且其硬度低于所述工件表面的硬度。

14.一种用于在滚边设备帮助下对工件进行机器人滚边方法，所述滚边设备包括框架（107），第一辊子（201a）和第二辊子（201b），所述辊子在操作中与所述工件（301）的两个相对侧接触并且相对于所述框架（107）可移动地安装，还包括至少一个驱动器（201、202a、202b），其机械地耦合到所述框架（107）以及耦合到所述两个辊子（201a、201b）中的至少一个；方法进一步包括：

在机械手（100）的帮助下沿着期望的轮廓移动所述工件（301）或所述滚边设备，以及

控制所述至少一个驱动器（202、202a、202b）使得基本垂直于所述滚边装置的进给方向（v）所施加的并且大致沿着力的一个有效力线（400）作用的反向工艺力施加到工件（301）的相对侧；

由于所述至少一个驱动器（202、202a、202b）产生的反向工艺力（FN、FN’）大小相同，使得由所述驱动器（202、202a、202b）通过所述辊子（201a、201b）施加到所述工件（301）的至少一个合工艺力和/或至少一个合扭矩接近于零；

所述第一辊子（201a）和第二辊子（201b）沿着有效力线移动；其中所述第一辊子（201a）和第二辊子（201b）安装至所述框架（107）上,以配置成通过使所述辊子（201a、201b）相对于所述框架（107）移动来补偿所述滚边设备相对于所述工件（301）的不正确定位。