如果有人認(rèn)為，使用關(guān)節(jié)臂機(jī)器人無(wú)法完成硬質(zhì)材料的精密加工，那么 toolcraft 公司就會(huì)用事實(shí)證明他們的觀點(diǎn)是錯(cuò)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(shí)心棒在內(nèi)的零部件。
與五軸數(shù)控系統(tǒng)一樣，操作和軌跡規(guī)劃也通過(guò) G 代碼進(jìn)實(shí)現(xiàn)，并在定制的 CP3921 多點(diǎn)觸控控制面板上實(shí)現(xiàn)可視化。
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(shí)踐中有效，哪些無(wú)效。因?yàn)?toolcraft 不僅使用其 60 臺(tái) CNC 機(jī)床為客戶進(jìn)行生產(chǎn)，而且還為各個(gè)行業(yè)的企業(yè)設(shè)計(jì)、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(lái)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(wú)論我們?cè)谀姆N技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)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(shí)。”機(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(jiǎn)單設(shè)備以及可集成到客戶現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有系統(tǒng)中的復(fù)雜系統(tǒng)。“配備新技術(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。”toolcraft 機(jī)器人技術(shù)（工程）部門經(jīng)理 Andreas Bauer 說(shuō)道。
適用于各種應(yīng)用的自動(dòng)化平臺(tái)
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。“TwinCAT 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。“在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，這個(gè)軟件包為我們實(shí)帶來(lái)了很多便利。”Andreas Bauer 回憶道。目前，有個(gè)用戶正在使用 toolcraft 設(shè)計(jì)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。“在這方面，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(bǔ)充道。
樣機(jī)的整個(gè)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都在搭載 Intel® CoreTM i7 CPU 和四個(gè)處理器核的 CX2040 嵌入式控制器（左下）上運(yùn)行。
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(shí)會(huì)產(chǎn)生極細(xì)的粉塵，這些粉塵會(huì)滲透到每個(gè)接縫處、直線導(dǎo)軌和軸承中，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)造成很嚴(yán)重的問(wèn)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(shí)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(shí)現(xiàn) 2/10 毫米的高精度，同時(shí)還能對(duì)史陶比爾機(jī)器人進(jìn)行密封并施加超高壓。”Daniel Distler 強(qiáng)調(diào)道。這些技術(shù)知識(shí)積累來(lái)自各個(gè)項(xiàng)目，例如，在這些項(xiàng)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(yùn)行。
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(diǎn)放在哪里呢？“我們對(duì)機(jī)器人銑削的發(fā)展方向進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的認(rèn)真思考，當(dāng)然還有如何實(shí)現(xiàn)發(fā)展。”Daniel 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(gè)新的水平，而且還要確保用戶在創(chuàng)建加工程序時(shí)不會(huì)有任何改變。在 2018 年項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，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(tái)、換刀裝置、銑削主軸，當(dāng)然還有控制技術(shù)。Andreas Bauer 說(shuō)道：“從我們過(guò)去八年積累的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，我們對(duì)各種運(yùn)動(dòng)學(xué)和設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)了如指掌。”我們與一家機(jī)器人供應(yīng)商合作，利用這些專業(yè)知識(shí)開(kāi)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(yùn)動(dòng)學(xué)功能。
因此，目前的加工單元配置的是基于新型運(yùn)動(dòng)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(dòng)器和伺服電機(jī)。”Alexander Klos 補(bǔ)倉(cāng)道。機(jī)器人所有軸的驅(qū)動(dòng)和輸出端都配備了雙軸承齒輪和編碼器。此外，還對(duì)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(qiáng)大的 CX2040 嵌入式控制器和 CP3921-1502-0010 CNC 多點(diǎn)觸控控制面板構(gòu)成，通過(guò) 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(jì)還包括內(nèi)置軟管，它可以簡(jiǎn)化搬運(yùn)工作。此外，它也無(wú)需單獨(dú)的機(jī)器人控制器，從而節(jié)省了控制柜空間，降低了項(xiàng)目的復(fù)雜性。
倍福 AM8000 伺服電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)和輸出端的編碼器確保機(jī)器人的高精度運(yùn)動(dòng)控制。
驅(qū)動(dòng)技術(shù)的直接轉(zhuǎn)換
“雖然 toolcraft 一開(kāi)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(yùn)動(dòng)學(xué)以及我們的驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)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(kāi)放性和靈活性這兩個(gè)重要特點(diǎn)時(shí)說(shuō)道。例如，可以將機(jī)器人軸的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(xiàng)。“直接訪問(wèn)所有參數(shù)和過(guò)程設(shè)置在進(jìn)一步提高精度方面起到了很大的作用。”Andreas Bauer 說(shuō)道。例如，通過(guò)輸出端編碼器和適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎM(jìn)一步補(bǔ)償了雖低但仍能檢測(cè)到的齒輪滯后現(xiàn)象。即使在施加較大的力時(shí)，例如在大規(guī)模銑削過(guò)程中或根據(jù)工作區(qū)域中刀具中心點(diǎn) (TCP) 的位置，也能快速、精確地跟蹤軸。“測(cè)量和校準(zhǔn)周期的整合確保了性能的一致性。”Daniel Distler 補(bǔ)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(dòng)器支持多種編碼器接口，還可通過(guò) EtherCAT 提供其它功能選項(xiàng)。“我們凡事都會(huì)提前考慮，目前正在考慮集成相機(jī)系統(tǒng)，以檢測(cè)和自動(dòng)加載零件。”Andreas Bauer 說(shuō)道。
后處理程序和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括在內(nèi)
對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，重要的是擁有一個(gè)從 CAD 圖紙到加工程序的有效運(yùn)轉(zhuǎn)的工藝流程。Daniel Distler 說(shuō)道：“我們的方法是消除用戶對(duì)機(jī)器人操作和編程的畏懼，同時(shí)提供更多的加工自由度。”基于 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(shí)在嵌入式控制器上運(yùn)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(shuō)道：“我們希望機(jī)器人能與用戶的 CAM 軟件完美配合。”toolcraft 為此還提供了靈活的基于 PC 的控制平臺(tái)。
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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