1 引言
随着近年来国内的人口红利的逐渐消失，自动化取代传统的人工操作越来越受到关注。金属板材加工行业属于典型的劳动强度大、危险系数高、工作环境恶劣的劳动密集型产业，机器人辅助自动化折弯成为近年来行业发展的热点。
自动化折弯加工单元的典型构成如图1所示，主要由立柱、横梁、Y轴悬臂梁、Z轴悬臂梁、手腕、控制柜、示教器等部分构成。与数控折弯搭配，另外配备定位台、毛坯料台、成品料库、工装夹具等附属部件，构成自动化折弯加工单元。此折自动化折弯加工单元可以实现整个加工流程的全自动化操作，包括自动抓取待加工板料、自动折弯、自动码垛。
图1 自动化折弯加工单元
与通用机器人相同，折弯机器人主要由机器人本体、控制系统两大部分组成。其中机器人控制系统被看作是除了减速机之外的最核心的部件，其性能对机器人的整体性能具有决定性影响。机器人控制系统的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，动作时序等，其技术水平决定着机器人的技术水平。机器人控制系统的开发也被认为是机器人开发的最为基础的、底层的工作。
本文结合公司的B20型折弯机器人的开发项目，采用Beckhoff的基于PC的开放性系统平台，专门针对自动化折弯工艺，开发了折弯机器人专用控制系统。
2 硬件系统设计
机器人控制系统主要包括硬件系统和软件系统，硬件系统是实现各种运动控制和逻辑控制的物理载体，对整机的性能、扩展性以及制造成本具有决定性影响。本文开发的折弯机器人控制系统的控制器、I/O模块、Ethercat扩展模块等采用Beckhoff公司的集成式模块化产品，搭配汇川第三方的伺服驱动器和伺服驱动电机。所搭建的硬件系统结构紧凑，安装方便，成本合理。
硬件组成部分如图2所示，主要包括CX5140-0123运动控制器，2个EL1809数字量输入模块，两个EL2809数字量输出模块，一个EL3062模拟量输入模块1个EK1110型EtherCAT总线拓展模块，搭配一个Kinco SZ7ES型手持示教器、两个GT-H10型位移传感器，以及六个轴的伺服驱动器及电机组成。
图2 硬件系统构成
其中的嵌入式PC，CX5140控制器是TwinCAT NC PTP级别的控制器，支持“点——点”运动控制任务的编写，也可以安装一些插件来支持电子凸轮，飞据等功能。该控制器结构紧凑，模块化设计，采用插槽安装，便于安装。与两个EL1809数字量输入模块、两个EL2809数字输出模块、一个ErherCAT接口扩展模块EK1110顺序插装成为一体。Kinco的SZ7ES型示教器通过Profibus直接与控制器连接。HB0412型数控折弯机直接与数字输入模块EL1809、数字输出模块EL2809相连，用于I/O信号的交互。两个基恩士的GT-H10型位移传感器与一个双通道的EL3062模拟量输入模块相连接，用于对后档指位置进行实时反馈。EtherCAT接口扩展模块EK1110通过网线与X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴、C轴伺服驱动器依次串联。整个硬件系统以最便捷的方式进行连接，而且后续可以继续串联更多的伺服驱动和电机，具有更好的扩展性。
3 软件系统的设计
对本项目研发的折弯机器人而言，硬件系统与市场上通用的机器人并无本质区别，由于折弯工艺的特殊性，其区别主要体现在软件层面上，折弯机器人整个工作流程如图3所示。
其中的步骤5的折弯随动程序是整个流程的核心，需要数控折弯机与机器人间的协同工作，二者协同动作的轨迹精度及同步性对整个折弯过程具有决定性影响，具体的I/O信号及流程如图4所示。
根据上述的工作流程，在TwinCAT中采用ST语言进行相应程序的编写，并根据用户的使用习惯，开发了整套控制软件系统。软件系统的HMI界面如图 5、6、7、8 所示，主要由主界面（main）、手动模式（JOG）、示教界面（Teach）、测试（Test）、接口变量（IO）、配方（Recipe）、报警（Alarm）、文件保存（Save）等页面组成。界面清晰，友好，易于操作。界面简单，可扩展性好，可以根据客户的需求进行个性化定制。
4 随动算法的开发
图3 折弯机器人工作流程图
图4 折弯随动的控制流程图
图5 主界面，程序的入口界面
图6 JOG界面（手动模式界面）
图7 接口变量信号
图8 示教界面
机器人进行自动化折弯时，最关键也是最难实现的动作就是折弯随动动作。机器人在进行折弯随动过程中，机器人末端的夹具需要跟折弯机滑块的动作做同步的协同的动作，如果机器人的跟随轨迹失真，轻则影响折弯加工精度，重则造成设备损坏引发安全事故。因此，本节将重点对自动化折弯单元的折弯随动这一关键技术进行研究。
折弯随动过程的动作原理如图9所示，以A轴心的运动轨迹为分析对象，折弯随动过程需要折弯机和机器人的协调配合来完成，其中机器人的动作需要Y轴、Z轴、A轴三轴联动来完成。一般情况下，采用固定安装于夹具上的真空吸盘吸取板材，真空吸盘有一定的缓冲距离，可以实现跟随过程中A轴角度误差的补偿。因此，跟随运动过程中，A轴的角度的精度要求不高，根据实际使用经验10°～15°角度误差对折弯精度不会产生影响，完全在可以接受的范围内。但是，随动运动过程中对DZ、DY与DA之间的位置关系有较高要求，否则会出现轨迹失真，引起吸盘在板材表面的滑动，影响折弯精度和设备运转的可靠性。
图9 折弯随动过程原理图
随动过程的Y轴、Z轴、A轴的运动学反解过程如下：
式中：β——板材的翻转角度；
B——模具槽口宽度；
K1——板厚补偿系数：与板厚和槽口宽度相关，可以通过实验的方法获得；
D——滑块工进；
Dy——Y轴进给量；
L——夹具距离；
H——夹具高度；
Dz——Z轴进给量；
DA——A轴进给量。
根据式2、3、4求得的Y轴、Z轴、A轴运动学反解的显式解，采用Beckhoff的CX5140-0123运动控制器作为机器人的核心控制单元，并基于 TwinCAT软件开发平台，采用ST语言完成了随动算法的功能模块（function Block）开发，该功能模块的具体程序内容如下：
在TwinCAT中编写完“Bending_Following”功能模块后，编译后直接生成“Bending_Following.lib”标准库文件，在PLC程序中直接调用即可，并运用Twin-CAT NC自带的电子凸轮功能对折弯随动过程进行运动控制。
5 总结
本文采用Beckhoff的基于PC的开放性系统平台，完成了折弯机器人专用控制系统的硬件系统、软件系统、折弯随动算法的开发，并运用TwinCAT NC自带的电子凸轮功能对折弯随动过程进行运动控制，大幅提升控制系统运动控制的动态响应速度。
在实际使用中，该控制系统性能可靠，可扩展性好，界面友好易于操作，运动控制响应速度更快，动作顺滑流畅。
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