CN106625627B

CN106625627B - 一种折弯机器人

Info

Publication number: CN106625627B
Application number: CN201710069123.4A
Authority: CN
Inventors: 张敏梁; 陈宝生; 李晓华; 王师
Original assignee: Shanghai Step Electric Corp
Current assignee: Shanghai Step Electric Corp
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: CN106625627A

Abstract

本发明涉及工业自动化领域，公开了一种折弯机器人。本发明中的折弯机器人与折弯机配合使用，用于折弯待折弯钣金件，包括：基座、悬臂、大臂、前臂、腕关节和夹具；所述悬臂利用第一轴和所述基座连接，所述悬臂利用第二轴与所述大臂旋转连接，所述大臂利用第三轴与所述前臂旋转连接，所述前臂利用所述腕关节与所述夹具旋转连接；所述折弯机器人的尺寸需满足一定条件。使得本发明实施方式中的折弯机器人只需五轴即可实现折弯作业，不仅降低用于折弯作业的机器人的成本，还能在没有辅助设施的情况下更加灵活地完成作业。

Description

一种折弯机器人

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，特别涉及折弯机器人。

背景技术

钣金折弯作业需求量巨大。以电梯为例其门板长约为2200mm，宽度约为500～600mm，门板重量20kg左右，如果由人工来送料、托举、下料则劳动强度非常大。

目前已经有很多以通用六关节工业机器人来代替人工折弯的方案。一般使用负载为50kg的机器人。但本发明的发明人发现：由于通用的50kg机器人主要是用于搬运、装配、打磨等作业，其连杆参数的设计并不适用于折弯作业。一方面在某些姿态容易发生钣金件和机器人本体的干涉；另一方面在折弯不同长度的钣金件时(通常长度范围为400-2500mm)，需要调整机器人与折弯机之间的位置、距离，这就必须安装附加行走轴。附加轴的方案增加了系统的复杂度，提高了成本。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种折弯机器人，使得降低用于折弯作业的机器人的成本，且在没有辅助设施的情况下更加灵活地完成作业。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种折弯机器人，与折弯机配合使用，用于折弯待折弯钣金件，包括：基座、悬臂、大臂、前臂、腕关节和夹具；所述悬臂利用第一轴和所述基座连接，所述悬臂利用第二轴与所述大臂旋转连接，所述大臂利用第三轴与所述前臂旋转连接，所述前臂利用所述腕关节与所述夹具旋转连接；所述基座安置于安装地面上，所述夹具用于固定所述待折弯钣金件；所述折弯机器人的连杆尺寸需满足以下条件：

a3<a1；和

和

其中，所述a1为所述第二轴的旋转中心到所述安装地面的垂直距离，所述a3为所述大臂的臂长，所述a4为所述前臂臂长，所述a5为所述腕关节的旋转中心到待折弯钣金件平面的垂直距离，所述x02为所述折弯机刀口折弯中心至所述第二轴旋转中心的水平距离，所述h为所述折弯机刀口折弯中心至所述安装地面的垂直距离，所述l为所述待折弯钣金件的长度。

本发明实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：设计可以实现折弯作业的五轴机器人，折弯机器人在作业时无需改变其与折弯机之间的位置，所以无需使用辅助行走轴，使得作业更为灵活。另外，由于无需使用六轴机器人，在机器人的硬件成本上有了大幅的下降，而且在尺寸设计时可以和钣金件的长度相关，有利于为专有长度的钣金件设计专用机器人。可见，本发明实施方式使得降低用于折弯作业的机器人的成本，且在没有辅助设施的情况下更加灵活地完成作业。

作为进一步改进，所述第一轴中心至所述第二轴中心的距离a2满足：0<a2<a1。由于a2的尺寸虽然越小越好，但是限定的范围可以更好保证机器人关节间的组装。

作为进一步改进，所述大臂和所述前臂呈对勾型。对勾型的设计，使得折弯机器人在作业时，只需回收和舒展对勾型的大臂和前臂即可，进一步保证作业的灵活。

作为进一步改进，所述夹具为吸盘夹具。利用吸盘夹具可以更好地固定待折弯的钣金件。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式中的折弯机器人的结构示意图；

图2a和图2b是根据本发明第一实施方式中的折弯机器人进行钣金件的长边折弯的起始点示意图和终止点示意图；

图3a和图3b是根据本发明第一实施方式中的折弯机器人进行钣金件的短边折弯的起始点示意图和终止点示意图；

图4是根据本发明第一实施方式中的折弯机器人的参数推导的几何关系示意图。

附图中：

a1为折弯机器人J2轴旋转中心到安装地面距离；

a2为折弯机器人J2轴旋转中心到J1轴旋转中心距离；

a3为折弯机器人大臂臂长；

a4为折弯机器人前臂臂长；

a5为折弯机器人腕关节旋转中心到折弯钣金件平面的垂直距离；

h为折弯机刀口折弯中心至安装地面的垂直距离；

d01为折弯机刀口折弯中心至折弯机器人J1轴旋转中心的水平距离；

l为钣金件折弯后长度；

d25min为折弯机器人腕关节旋转中心与折弯机器人J2轴旋转中心能达到的最小距离；

d02为折弯机器人J2轴旋转中心到折弯机刀口折弯中心的距离；

R为折弯机器人腕关节旋转中心到折弯机刀口折弯中心的距离，即折弯时腕关节跟随轨迹的半径；

d`25为折弯动作结束时腕关节旋转中心至折弯机器人J2轴旋转中心的距离；

d25为折弯动作开始时腕关节旋转中心至折弯机器人J2轴旋转中心的距离；

x02为折弯机刀口折弯中心至J2轴旋转中心的水平距离；

z02为折弯机刀口折弯中心至J2轴旋转中心的垂直距离。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种折弯机器人。该折弯机器人与折弯机9(折弯刀91)配合使用，用于折弯待折弯钣金件8，其结构如图1所示，具体包括：基座1、悬臂2、大臂3、前臂4、腕关节5和夹具6。

其中，悬臂2利用第一轴和基座1连接，悬臂2利用第二轴与大臂3旋转连接，大臂3利用第三轴与前臂4旋转连接，前臂4利用腕关节5与夹具6旋转连接；基座1安置于安装地面7上，夹具6用于固定待折弯钣金件8；

折弯机器人的连杆尺寸需满足以下条件：

a3<a1； (1)

上述式(1)至(3)中，所述a1为所述第二轴(即J2关节，或称为J2轴)的旋转中心到所述安装地面7的垂直距离，所述a3为所述大臂3的臂长，所述a4为所述前臂4臂长，所述a5为所述腕关节5的旋转中心到待折弯钣金件8平面的垂直距离，所述x02为所述折弯机9的刀口92折弯中心至所述第二轴旋转中心的水平距离，所述h为所述折弯机9的刀口92折弯中心至所述安装地面7的垂直距离，所述l为所述待折弯钣金件8在折弯后的长度。

需要说明的是，本实施方式中的大臂3和所述前臂4呈对勾型，夹具6可以是吸盘夹具6。同时，第一轴(即J1关节，或称为J1轴)中心(图1中A点位置)至所述第二轴中心(图1中B点位置)的距离a2满足：0<a2<a1。

本实施方式中的折弯机器人的工作形态如图2a和图2b所示：图2a是钣金件8长边折弯起始点位置，此时夹具6固定钣金件8呈水平位置，大臂3和前臂4组成收起的对勾形状，开始折弯时，大臂3与前臂4由右下向左上推动进行折弯，抵达图2b所示的折弯终止点位置，此时大臂3和前臂4组成舒展的对勾形状，钣金件8沿长度方向向上弯折。

另外，如果钣金件8需要短边折弯，则折弯机器人的形态如图3a和图3b所示：图3a是钣金件8短边折弯起始点位置，图3b是钣金件8短边折弯终止点位置。

可见，大臂3和前臂4对勾型的设计，使得折弯机器人在作业时，只需回收和舒展对勾型的大臂3和前臂4即可，进一步保证作业的灵活。

需要说明的是，本发明的发明人根据上述折弯动作的特点，列出实现折弯作业的机器人需满足以下条件，同时利用这些条件和折弯机器人部件的几何关系进行了如下的推导，获得上述式(1)至(3)：

1、a3+关节铸件外圆的半径<a1；

2、d25min<d25；即折弯起始点位置可达；

3、d25min<d02-R；即折弯轨迹始终在可达范围内，在最小圆R之外

4、a3+a4>d`25；即折弯轨迹始终在可达范围内，在最大圆a3+a4之内

5、a3+a4>d25；即折弯终止点位置可达。

分析上述五个条件后，由图中的几何关系可知：

x02＝d01-a2； (4)

z02＝h-a1； (5)

d02²＝x02²+z02²； (6)

根据图2a和图2b可知：

以折弯机9刀口折弯中心O为坐标原点，则图2a中折弯动作起始点P坐标为(l，-a5)，机器人折弯跟随动作的上抬偏转角度θ为90°减去折弯后工件相邻面夹角的一半，即OP逆时针转动θ度到达折弯动作结束点Q，可知Q点坐标为(l·cosθ+a5·sinθ，l·sinθ-a5·cosθ)。

从而得到：

根据上述表达式可知各尺寸需满足条件，即约束条件如下：

1、a3<a1，即J2轴可以下摆至-90°；

2、即折弯起始位置可达；

3、

4、

即：

5、

即：

由上述约束条件中可见，a2、a3&a4、a1&a5可以分为3组，在3组之间没有直接的限制制约关系。

可见，a2为只影响结构外形基本不影响功能实现，暂不考虑；假设a3&a4之间在-180°～180°之间的任意姿态可达，且d25min＝|a4-a3|可见当a3&a4相等时最优。综合之前的约束条件可简化为：

a3<a1；(10)

其中，式(11)可以忽略，式(14)因右侧部分始终比式(13)的右侧部分小，所以也可以忽略，所以推导获得的约束条件为式(10)、(12)和(13)。

另外，本发明人想说明的是，在实际应用中，a5应尽可能缩小，此处暂取a5＝0，a1有且仅与h有关，可以设h-a1＝y；x02写作x，则上述约束条件变化如下：

a3＝a4<a1； (15)

其中，为便于其最大值最小值的表达计算，式(17)中的右侧部分以t代替，根据x\y的取值范围计算出t的范围后，作为a3+a4的约束条件。

同时，本发明人在设计时为使机器人在固定位置一次安装后可兼容更大范围内的待折弯钣金件8，即l的取值范围尽量大的前提下，使机器人结构紧凑精简。

按照前文的设计需求，以l取值为2500mm考虑。假定x，y的可取值范围为0<x<2000，0<y<300。

即表示图中半径为的圆形之外的部分；即表示图4中一点到固定点的距离。图4中阴影部分即为满足不等式(16)的可取值范围，可见在y→0时，t可以取得最小值，其中对应l取值范围的最大值l_max和最小值l_min，应该分别计算t_max和t_min。

将y→0、带入上式，计算得到：

设T为t_max和t_min中的较大值，则a1＝h>a3，若根据计算得到的所需a3>h可通过调整机器人与折弯机9的安装高度差，即认为增大h值来调整。

推导可知，当折弯机器人设计连杆参数满足以下条件(即式(20)至(23))时，可以满足折弯机器人在单一固定位置即可完成长度范围l的钣金件8的折弯。(其中建议取h＝a1，a3＝a4，a5＝0，若不相等需进行验证)

其中，T为中的较大值。

另外，折弯机器人到折弯机的安装距离为根据结构造型需求设定a2，对折弯功能的实现影响不大。

对折弯机器人的连杆参数计算后，还可以进行验证，举例如下：

1、假设折弯机器人前臂长a3＝615mm，大臂长a4＝900mm；

2、J2轴旋转中心到安装地面距离a1取755mm；

3、J2轴旋转中心到J1轴旋转中心距离a2取550mm；

4、折弯机器人腕关节旋转中心到折弯钣金件平面的垂直距离a5取260mm；

5、折弯机刀口距地面的高度为945mm；

6、l的取值范围为400-2500mm；

7、机器人J1轴旋转中心至折弯机的安装距离为1695±15mm。

代入前文计算的机器人设计约束条件式(20)至(23)得(单位mm)：

a1＝755>a3＝615>T/2＝559；

a4＝900>T/2＝559；

可见实际设计的折弯机器人参数满足上述约束条件，并实测能够完成开发功能需求。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：设计可以实现折弯作业的五轴机器人，折弯机器人在作业时无需改变其与折弯机之间的位置，所以无需使用辅助行走轴，使得作业更为灵活。另外，由于无需使用六轴机器人，省去了通常六关节机器人的J4关节，在机器人的硬件成本上有了大幅的下降，而且在尺寸设计时可以和钣金件的长度相关，有利于为专有长度的钣金件设计专用机器人。可见，本发明实施方式使得降低用于折弯作业的机器人的成本，且在没有辅助设施的情况下更加灵活地完成作业。

本发明第二实施方式涉及一种折弯机器人，本实施方式中的折弯机器人的待折弯钣金件的长度范围为：l∈[400，2500]，钣金件需折直角，即θ＝45°。根据上述式(1)至(3)中的约束条件计算得到本实施方式中折弯机器人的部件尺寸如下：

1、t_max＝957mm，t_min＝1118mm，T＝1118mm，a3＝a4>T/2，可取600mm；

2、折弯机高度为945mm，取a1＝h＝945mm；

3、因为结构问题a5不会完全等于0，假设取a5＝100mm；

4、考虑造型需求，取a2＝300mm；

5、机器人到折弯机的安装距离为1550mm。

可见，当折弯机器人按照以上参数设计时即可保证在实现折弯功能需求的同时，又令折弯机器人外形结构最为紧凑小巧。

本发明第三实施方式同样涉及一种折弯机器人，第三实施方式和第二实施方式大致相同，主要区别在于，第二实施方式中的钣金件尺寸范围为400至2500mm，而本实施方式中的钣金件尺寸范围为600至3200mm。

具体计算过程如下：

因此，取a1＝900>a3＝750>T/2＝702；

a4＝900>T/2＝702；

a2＝500、a5＝150；

d01＝1600+500＝2100；

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种折弯机器人，其特征在于，与折弯机配合使用，用于折弯待折弯钣金件，包括：基座、悬臂、大臂、前臂、腕关节和夹具；

所述悬臂利用第一轴和所述基座连接，所述悬臂利用第二轴与所述大臂旋转连接，所述大臂利用第三轴与所述前臂旋转连接，所述前臂利用所述腕关节与所述夹具旋转连接；所述基座安置于安装地面上，所述夹具用于固定所述待折弯钣金件；

所述折弯机器人的连杆尺寸需满足以下条件：

a3<a1；和

和

其中，所述a1为所述第二轴的旋转中心到所述安装地面的垂直距离，所述a3为所述大臂的臂长，所述a4为所述前臂的臂长，所述a5为所述腕关节的旋转中心到待折弯钣金件平面的垂直距离，所述x02为所述折弯机的刀口折弯中心至所述第二轴旋转中心的水平距离，所述h为所述折弯机刀口折弯中心至所述安装地面的垂直距离，所述l为所述待折弯钣金件折弯后的长度，所述θ为机器人折弯跟随动作的上抬偏转角度。

2.根据权利要求1所述的折弯机器人，其特征在于，所述第一轴中心至所述第二轴中心的距离a2满足：0<a2<a1。

3.根据权利要求2所述的折弯机器人，其特征在于，所述a2大于或等于500mm，且小于或等于550mm。

4.根据权利要求1所述的折弯机器人，其特征在于，所述大臂和所述前臂呈对勾型。

5.根据权利要求1所述的折弯机器人，其特征在于，所述l大于或等于400mm，且小于或等于2500mm；

所述a1为755mm，所述a3为615mm，所述a4为900mm，所述h为945mm。

6.根据权利要求5所述的折弯机器人，其特征在于，所述第一轴的旋转中心至所述折弯机的安装距离大于或等于1680mm，且小于或等于1710mm。

7.根据权利要求1所述的折弯机器人，其特征在于，所述a5为260mm。

8.根据权利要求1所述的折弯机器人，其特征在于，所述夹具为吸盘夹具。