如果有人認(rèn)為，使用關(guān)節(jié)臂機(jī)器人無法完成硬質(zhì)材料的精密加工，那么 toolcraft 公司就會用事實證明他們的觀點是錯誤的。Daniel Distler 和 Andreas Bauer 使用倍福的 TwinCAT CNC 和基于 PC 的控制技術(shù)，讓機(jī)器人單元能夠精密加工包括碳化硅和灰鑄鐵實心棒在內(nèi)的零部件。

　　文/德國倍福自動化有限公司

　　toolcraft 清楚地了解加工制造業(yè)的需求，哪些工藝和技術(shù)在實踐中有效，哪些無效。因為 toolcraft 不僅使用其 60 臺 CNC 機(jī)床為客戶進(jìn)行生產(chǎn)，而且還為各個行業(yè)的企業(yè)設(shè)計、規(guī)劃和建造交鑰匙生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　toolcraft 公司成立于 1989 年，起初是一家合同制造商，后來逐步增加了各種制造服務(wù)，比如在 2005 年新增了注模和模具制造服務(wù)，以及在 2011 年新增了增材制造服務(wù)。2015 年，機(jī)器人技術(shù)成為 toolcraft 最新的技術(shù)部門。“無論我們在哪種技術(shù)領(lǐng)域開展業(yè)務(wù)，我們都希望擁有提供完整解決方案所需的專業(yè)知識?！睓C(jī)器人技術(shù)部門經(jīng)理 Daniel Distler 解釋道，他主要負(fù)責(zé)公司的銷售和人事工作。

　　其產(chǎn)品范圍包括各種簡單設(shè)備以及可集成到客戶現(xiàn)場現(xiàn)有系統(tǒng)中的復(fù)雜系統(tǒng)?！芭鋫湫录夹g(shù)的設(shè)備與最終客戶的現(xiàn)有控制系統(tǒng)之間的連接并不總是那么容易，但如果采用靈活的控制技術(shù)，就能輕松做到?！眛oolcraft 機(jī)器人技術(shù)(工程)部門經(jīng)理 Andreas Bauer 說道。

　　1 適用于各種應(yīng)用的自動化平臺

　　這就是 Andreas Bauer 和 Daniel Distler 依賴基于 PC 的控制技術(shù)的原因，例如在生產(chǎn)單元中使用七軸銑削機(jī)器人進(jìn)行 CNC 零件加工?！癟winCAT CNC 是第一款集成連接史陶比爾機(jī)器人控制器(TwinCAT Robotics uniVAL PLC，TF5130)的接口的控制器?！霸陧椖繉嵤┻^程中，這個軟件包為我們實帶來了很多便利。”Andreas Bauer 回憶道。目前，有個用戶正在使用 toolcraft 設(shè)計的加工單元用大型碳化硅和灰鑄鐵塊銑削加工晶圓生產(chǎn)底座?！霸谶@方面，toolcraft 已經(jīng)在使用我們的 TwinCAT CNC。”倍福紐倫堡分公司銷售 Alexander Klos 補充道。

　　最初，客戶仍然使用傳統(tǒng)的五軸 CNC 機(jī)床加工金屬塊。但銑削硬質(zhì)材料時會產(chǎn)生極細(xì)的粉塵，這些粉塵會滲透到每個接縫處、直線導(dǎo)軌和軸承中，短時間內(nèi)就會造成很嚴(yán)重的問題。CNC 機(jī)床很快就出現(xiàn)了磨損，需要進(jìn)行大修。“我們當(dāng)時就知道，使用 TwinCAT CNC 后，我們就可以在大到 1 立方米的加工區(qū)域內(nèi)實現(xiàn) 2/10 毫米的高精度，同時還能對史陶比爾機(jī)器人進(jìn)行密封并施加超高壓。”Daniel Distler 強調(diào)道。這些技術(shù)知識積累來自各個項目，例如，在這些項目中，機(jī)器人被完全拆解并密封，即使在水深達(dá) 20 米的情況下仍能可靠運行。

　　2 新一代數(shù)控機(jī)器人

　　機(jī)器人在零件加工中有著巨大的潛力，但應(yīng)該把重點放在哪里呢?“我們對機(jī)器人銑削的發(fā)展方向進(jìn)行了長時間的認(rèn)真思考，當(dāng)然還有如何實現(xiàn)發(fā)展?！盌aniel Distler 解釋道。我們的目標(biāo)不僅是進(jìn)一步提高加工質(zhì)量，將其提升到一個新的水平，而且還要確保用戶在創(chuàng)建加工程序時不會有任何改變。在 2018 年項目開始時，用“最佳方案”仔細(xì)檢查了加工單元的所有組件：機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)工作臺、換刀裝置、銑削主軸，當(dāng)然還有控制技術(shù)。Andreas Bauer 說道：“從我們過去八年積累的專業(yè)知識和經(jīng)驗來看，我們對各種運動學(xué)和設(shè)計的優(yōu)缺點了如指掌?！蔽覀兣c一家機(jī)器人供應(yīng)商合作，利用這些專業(yè)知識開發(fā)出了能夠提高構(gòu)件剛度、防塵/防水性能、有效載荷以及機(jī)械臂伸展范圍的運動學(xué)功能。

　　因此，目前的加工單元配置的是基于新型運動學(xué)的高端數(shù)控機(jī)器人。“除了 TwinCAT CNC 之外，toolcraft 還為其新一代數(shù)控機(jī)器人配備了倍福的伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)。”Alexander Klos 補倉道。機(jī)器人所有軸的驅(qū)動和輸出端都配備了雙軸承齒輪和編碼器。此外，還對主軸托架進(jìn)行了改裝。銑削機(jī)器人的控制系統(tǒng)基于功能強大的 CX2040 嵌入式控制器和 CP3921-1502-0010 CNC 多點觸控控制面板構(gòu)成，通過 CP-Link 4，只需一根以太網(wǎng)電纜(CAT.6A)即可連接面板與嵌入式控制器。AM8000 伺服電機(jī)和 AX8000 多軸伺服系統(tǒng)以及 TwinCAT CNC 使系統(tǒng)更加完善。新設(shè)計還包括內(nèi)置軟管，它可以簡化搬運工作。此外，它也無需單獨的機(jī)器人控制器，從而節(jié)省了控制柜空間，降低了項目的復(fù)雜性。

　　3 驅(qū)動技術(shù)的直接轉(zhuǎn)換

　　“雖然 toolcraft 一開始使用的是 TwinCAT CNC 和 TwinCAT Robotics uniVAL PLC，但很快就轉(zhuǎn)換到了另一種具有不同機(jī)械結(jié)構(gòu)、運動學(xué)以及我們的驅(qū)動和伺服驅(qū)動技術(shù)的機(jī)器人類型。”Alexander Klos 在指出基于 PC 的控制技術(shù)的開放性和靈活性這兩個重要特點時說道。例如，可以將機(jī)器人軸的驅(qū)動和輸出端編碼器輕松集成到軸控制器的軟件功能塊中。倍福能夠提供從 CNC 系統(tǒng)到伺服驅(qū)動器再到電機(jī)等各種通用型產(chǎn)品系列，toolcraft 因而可以擁有各種完全不同的優(yōu)化選項?！爸苯釉L問所有參數(shù)和過程設(shè)置在進(jìn)一步提高精度方面起到了很大的作用?！盇ndreas Bauer 說道。例如，通過輸出端編碼器和適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，進(jìn)一步補償了雖低但仍能檢測到的齒輪滯后現(xiàn)象。即使在施加較大的力時，例如在大規(guī)模銑削過程中或根據(jù)工作區(qū)域中刀具中心點 (TCP) 的位置，也能快速、精確地跟蹤軸?！皽y量和校準(zhǔn)周期的整合確保了性能的一致性?！盌aniel Distler 補充道。

　　toolcraft 還可靈活選擇反饋系統(tǒng)和使用其它技術(shù)：伺服驅(qū)動器支持多種編碼器接口，還可通過 EtherCAT 提供其它功能選項?！拔覀兎彩露紩崆翱紤]，目前正在考慮集成相機(jī)系統(tǒng)，以檢測和自動加載零件。”Andreas Bauer 說道。

　　4 后處理程序和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括在內(nèi)

　　對于制造企業(yè)來說，重要的是擁有一個從 CAD 圖紙到加工程序的有效運轉(zhuǎn)的工藝流程。Daniel Distler 說道：“我們的方法是消除用戶對機(jī)器人操作和編程的畏懼，同時提供更多的加工自由度?！被?PC 的控制技術(shù)在這方面也發(fā)揮了重要作用：后處理程序和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與數(shù)控機(jī)器人的軌跡控制同時在嵌入式控制器上運行。因此，加工程序可以像平常一樣用 G 代碼編程，并從常用的 CAD/CAM 程序生成。Daniel Distler 解釋說道：“我們希望機(jī)器人能與用戶的 CAM 軟件完美配合?！眛oolcraft 為此還提供了靈活的基于 PC 的控制平臺。

　　與五軸數(shù)控系統(tǒng)一樣，操作和軌跡規(guī)劃也通過 G 代碼進(jìn)實現(xiàn)，并在定制的 CP3921 多點觸控控制面板上實現(xiàn)可視化。

　　樣機(jī)的整個控制和監(jiān)測系統(tǒng)都在搭載 Intel? CoreTM i7 CPU 和四個處理器核的 CX2040 嵌入式控制器(左下)上運行。

　　倍福 AM8000 伺服電機(jī)以及驅(qū)動和輸出端的編碼器確保機(jī)器人的高精度運動控制。

　　數(shù)控機(jī)器人助力實現(xiàn)精密零部件加工