如果有人認為，使用關(guān)節(jié)臂機器人無法完成硬質(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。
與五軸數(shù)控系統(tǒng)一樣，操作和軌跡規(guī)劃也通過 G 代碼進實現(xiàn)，并在定制的 CP3921 多點觸控控制面板上實現(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)在實踐中有效，哪些無效。因為 toolcraft 不僅使用其 60 臺 CNC 機床為客戶進行生產(chǎn)，而且還為各個行業(yè)的企業(yè)設計、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，比如在 2005 年新增了注模和模具制造服務，以及在 2011 年新增了增材制造服務。2015 年，機器人技術(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，我們都希望擁有提供完整解決方案所需的專業(yè)知識。”機器人技術(shù)部門經(jīng)理 Daniel Distler 解釋道，他主要負責公司的銷售和人事工作。
其產(chǎn)品范圍包括各種簡單設備以及可集成到客戶現(xiàn)場現(xiàn)有系統(tǒng)中的復雜系統(tǒng)。“配備新技術(shù)的設備與最終客戶的現(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 機器人技術(shù)（工程）部門經(jīng)理 Andreas Bauer 說道。
適用于各種應用的自動化平臺
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器人進行 CNC 零件加工。“TwinCAT CNC 是第一款集成連接史陶比爾機器人控制器（TwinCAT Robotics uniVAL PLC，TF5130）的接口的控制器。“在項目實施過程中，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。“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 補充道。
樣機的整個控制和監(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。
最初，客戶仍然使用傳統(tǒng)的五軸 CNC 機床加工金屬塊。但銑削硬質(zhì)材料時會產(chǎn)生極細的粉塵，這些粉塵會滲透到每個接縫處、直線導軌和軸承中，短時間內(nèi)就會造成很嚴重的問題。CNC 機床很快就出現(xiàn)了磨損，需要進行大修。“我們當時就知道，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器人進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，機器人被完全拆解并密封，即使在水深達 20 米的情況下仍能可靠運行。
新一代數(shù)控機器人
機器人在零件加工中有著巨大的潛力，但應該把重點放在哪里呢？“我們對機器人銑削的發(fā)展方向進行了長時間的認真思考，當然還有如何實現(xiàn)發(fā)展。”Daniel Distler 解釋道。我們的目標不僅是進一步提高加工質(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”仔細檢查了加工單元的所有組件：機器人、旋轉(zhuǎn)工作臺、換刀裝置、銑削主軸，當然還有控制技術(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，我們對各種運動學和設計的優(yōu)缺點了如指掌。”我們與一家機器人供應商合作，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、有效載荷以及機械臂伸展范圍的運動學功能。
因此，目前的加工單元配置的是基于新型運動學的高端數(shù)控機器人。“除了 TwinCAT CNC 之外，toolcraft 還為其新一代數(shù)控機器人配備了倍福的伺服驅(qū)動器和伺服電機。”Alexander Klos 補倉道。機器人所有軸的驅(qū)動和輸出端都配備了雙軸承齒輪和編碼器。此外，還對主軸托架進行了改裝。銑削機器人的控制系統(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 伺服電機和 AX8000 多軸伺服系統(tǒng)以及 TwinCAT CNC 使系統(tǒng)更加完善。新設計還包括內(nèi)置軟管，它可以簡化搬運工作。此外，它也無需單獨的機器人控制器，從而節(jié)省了控制柜空間，降低了項目的復雜性。
倍福 AM8000 伺服電機以及驅(qū)動和輸出端的編碼器確保機器人的高精度運動控制。
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械結(jié)構(gòu)、運動學以及我們的驅(qū)動和伺服驅(qū)動技術(shù)的機器人類型。”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。“直接訪問所有參數(shù)和過程設置在進一步提高精度方面起到了很大的作用。”Andreas Bauer 說道。例如，通過輸出端編碼器和適當?shù)目刂扑惴ǎM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。“測量和校準周期的整合確保了性能的一致性。”Daniel 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。“我們凡事都會提前考慮，目前正在考慮集成相機系統(tǒng)，以檢測和自動加載零件。”Andreas Bauer 說道。
后處理程序和坐標轉(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器人操作和編程的畏懼，同時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：后處理程序和坐標轉(zhuǎn)換與數(shù)控機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。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(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，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應用于風力發(fā)電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動型公司，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。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，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)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術(shù)基礎。
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