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TwinCAT CNC 和驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控機床加工中的應用
(時間:2024/1/10 9:44:50)

  

  如果有人認為,使用關節(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ǎM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。


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