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TwinCAT CNC 和驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床加工中的應(yīng)用
(時(shí)間:2024/1/10 9:44:50)

  

  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(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 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?cè)谀姆N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(shí)!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(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!霸陧(xiàng)目實(shí)施過程中,這個(gè)軟件包為我們實(shí)帶來了很多便利!盇ndreas 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)重的問題。CNC 機(jī)床很快就出現(xiàn)了磨損,需要進(jìn)行大修!拔覀儺(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!盌aniel Distler 強(qiáng)調(diào)道。這些技術(shù)知識(shí)積累來自各個(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 說道:“從我們過去八年積累的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來看,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!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(shí)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(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!俺 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)!盇lexander 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 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!盇lexander Klos 在指出基于 PC 的控制技術(shù)的開放性和靈活性這兩個(gè)重要特點(diǎn)時(shí)說道。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)!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。”Andreas 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(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!皽y(cè)量和校準(zhǔn)周期的整合確保了性能的一致性!盌aniel 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 EtherCAT 提供其它功能選項(xiàng)!拔覀兎彩露紩(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!盇ndreas Bauer 說道。
  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)來說,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!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(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)。


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