機(jī)器人柔性激光切割高精度低成本解決方案
2016-12-9 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：-
1. 機(jī)器人柔性激光切割在汽車行業(yè)的應(yīng)用
機(jī)器人柔性激光切割在汽車行業(yè)的應(yīng)用正變得日益普遍，這跟激光技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人精密軌跡控制技術(shù)的完善密不可分。機(jī)器人柔性激光切割以其柔性多變的解決方案形式及成本相對(duì)進(jìn)口五軸機(jī)床低很多的優(yōu)勢(shì)，使得汽車廠商開始嘗試并逐步批量購(gòu)買使用。
機(jī)器人柔性激光切割的方式多種多樣，既可以做成單機(jī)器人切割平臺(tái)，又可以組合成柔性加工生產(chǎn)線。涉及的工件主要是兩種不同類型的零部件：一種是金屬件通過(guò)擠壓或者拉延形成的3D車體結(jié)構(gòu)件和覆蓋件，包括熱成形件等；另外一種是管狀金屬結(jié)構(gòu)件，包括排氣管、交叉梁等。覆蓋件傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是通過(guò)開模具沖壓，然后再進(jìn)行沖孔模和切邊模等工序。熱成形件和管件通過(guò)昂貴的五軸激光切割機(jī)床來(lái)完成。正因?yàn)楦甙旱脑O(shè)備成本，所以只有某些合資品牌的汽車廠商才有能力采購(gòu)進(jìn)口五軸機(jī)床。而機(jī)器人激光三維切割應(yīng)用往往得不到認(rèn)可，但因涉及的因素眾多，本文希望通過(guò)供需雙方的市場(chǎng)變化來(lái)闡述機(jī)器人柔性激光切割解決方案的優(yōu)勢(shì)。
2. 汽車用戶需求的變化帶來(lái)新商機(jī)
新形勢(shì)下汽車使用需求出現(xiàn)不同的態(tài)勢(shì)，這和過(guò)去車型單一且變化少的特點(diǎn)不一樣，客戶需求多樣化和個(gè)性化使得某種車型在中國(guó)銷售過(guò)百萬(wàn)的情形將成為歷史，越來(lái)越多新車型涌現(xiàn)，而且老款車也每年都需要進(jìn)行或大或小的改進(jìn)。大部分車出現(xiàn)逐步批量縮小的趨勢(shì)。因?yàn)橛行┢噺S商無(wú)法預(yù)測(cè)和保證將來(lái)該車型的銷量和穩(wěn)定的產(chǎn)量，所以開始嘗試低成本的機(jī)器人激光柔性切割設(shè)備或生產(chǎn)線。這種趨勢(shì)從汽車備件市場(chǎng)開始，不斷地向工程機(jī)械、客車、農(nóng)用車和電動(dòng)車等領(lǐng)域拓展并普及。2013年出現(xiàn)了批量化采購(gòu)設(shè)備的成功案例，用戶嘗到甜頭、確保低風(fēng)險(xiǎn)之后，開始大批量用此取代傳統(tǒng)的開模具沖壓沖孔切邊模式。
3. 傳統(tǒng)汽車行業(yè)應(yīng)用的普通機(jī)器人在激光切割上的尷尬
我們有必要和大家探討一個(gè)問(wèn)題，為什么汽車行業(yè)使用了那么多工業(yè)機(jī)器人，而此前卻在激光切割行業(yè)遭到質(zhì)疑，答案有三個(gè)層面。一是汽車行業(yè)機(jī)器人應(yīng)用主要集中在精度要求低的點(diǎn)焊、弧焊、噴涂及搬運(yùn)等，而汽車行業(yè)激光切割應(yīng)用往往要求很高的位置精度，且對(duì)小圓等小軌跡精度有很高的要求。另一方面取決于機(jī)器人效率，一般機(jī)器人各個(gè)軸關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制速度比較慢，同時(shí)機(jī)器人手臂重量過(guò)大不適合高速運(yùn)動(dòng)。一些機(jī)器人雖然重量較輕，但剛性存在不足。第三方面是機(jī)器人剛性。剛性差的機(jī)器人抖動(dòng)厲害，機(jī)器人循跡性差，而且機(jī)器人變形厲害，無(wú)法準(zhǔn)確達(dá)到工件數(shù)模中需要切割的精確位置。
4. 史陶比爾的突破和解決方案
針對(duì)汽車行業(yè)需求，史陶比爾在激光行業(yè)推行RX160L倒裝方式龍門結(jié)構(gòu)機(jī)器人柔性切割系統(tǒng)解決方案（見圖1）。該系統(tǒng)有以下幾方面突破：
（1）大尺寸機(jī)器人具有寬幅面 采用RX160L機(jī)器人，2.05m的球型工作區(qū)域，切割臺(tái)面寬度可以達(dá)3m，超過(guò)昂貴的五軸機(jī)床工作臺(tái)寬度，一般汽車零部件尺寸都在RX160L倒裝機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)，有些大工件也可以通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而一般機(jī)器人都是非球型工作區(qū)域，所以實(shí)際切割中會(huì)遇到死角，迫使切割中斷，重新起弧切入，這讓汽車行業(yè)客戶無(wú)法接受。
（2）機(jī)器人手臂重量輕、剛性好 史陶比爾采用整體鑄造管狀結(jié)構(gòu)保持剛性，材料選用變形較小但重量輕的航空鑄鋁，因此，RX160L機(jī)器人手臂質(zhì)量只有250kg。
（3）機(jī)器人的機(jī)械精度差異 機(jī)器人機(jī)械精度除了剛性差以外，最重要的差異在于機(jī)械傳動(dòng)的誤差，而機(jī)械傳動(dòng)的誤差主要體現(xiàn)在減速器上。一般機(jī)器人的減速系統(tǒng)都很龐大，而且都是采用普通減速器結(jié)構(gòu)，齒輪間隙大，無(wú)法滿足機(jī)器人柔性激光切割在汽車行業(yè)的需求。而史陶比爾采用的獨(dú)特專利減速系統(tǒng)JCS，公司將一百多年在精密機(jī)械上的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)成功應(yīng)用于機(jī)器人上。這就是為什么史陶比爾比爾可以在小孔切割上得到客戶認(rèn)可的原因。
5. 基于RX160L倒裝的柔性解決方案
基本型解決方案為固定工作臺(tái)面式的，其特點(diǎn)是占地面積小，通過(guò)機(jī)器人安全信號(hào)對(duì)產(chǎn)品分區(qū)，用戶可以同時(shí)固定多個(gè)工件的工裝夾具，只要集成安全系統(tǒng)可以保證，機(jī)器人就可以在不同的工位切換，切割和上料不耽誤，這也是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。這在汽車備件市場(chǎng)和很多批量較小的場(chǎng)合得到客戶的青睞。
其他柔性解決方案是基于RX160L機(jī)器人的開放性展開的，通過(guò)不同形式的擴(kuò)展軸和變位機(jī)構(gòu)進(jìn)行演變。比如單一平臺(tái)大幅面型，雙向雙移動(dòng)平臺(tái)、單向雙移動(dòng)平臺(tái)及移動(dòng)平臺(tái)上拓展單個(gè)或者旋轉(zhuǎn)變位機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)同步切割。汽車零部件品種繁瑣，工藝復(fù)雜，多機(jī)器人平臺(tái)組可以很好適應(yīng)汽車行業(yè)的需求；同時(shí)工件的上下料、轉(zhuǎn)運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)都可以采用機(jī)器人來(lái)執(zhí)行，充分利用了機(jī)器人柔性的特點(diǎn)，這樣機(jī)器人柔性切割系統(tǒng)就演變成了多機(jī)器人協(xié)作集中控制平臺(tái)。
6. 五軸機(jī)床技術(shù)成功移植到機(jī)器人上
離線編程技術(shù)和自動(dòng)生成工裝夾具是機(jī)床行業(yè)得到推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一，這些技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的開發(fā)和成功應(yīng)用，使得機(jī)器人柔性激光切割解決方案和汽車行業(yè)應(yīng)用客戶無(wú)縫鏈接。傳統(tǒng)的機(jī)器人編程方式是在線示教編程，示教編程本身費(fèi)時(shí)
費(fèi)力，特別是汽車覆蓋件或者管件，需要切割的都是復(fù)雜空間曲線，示教無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即便降低要求，示教成本也是客戶無(wú)法接受的。機(jī)器人激光切割離線編程軟件的應(yīng)用使得編程時(shí)間大大縮短，而且不影響在線加工。ROBOTMASTER軟件進(jìn)行STAUBLI RX160L機(jī)器人離線編程的界面如圖2所示。
ROBOTMASTER機(jī)器人離線軟件可以虛擬真實(shí)的切割環(huán)境，包括機(jī)器人、激光切割工具頭、工件及夾具。軟件可以快速設(shè)置和優(yōu)化最佳機(jī)器人切割姿態(tài)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)干涉或者超出范圍，軟件會(huì)智能提示。機(jī)器人離線編程可以完全脫離實(shí)際機(jī)器人，生產(chǎn)和編程互不耽誤，最大程度提高生產(chǎn)效率。
通過(guò)離線軟件還可以自動(dòng)生成精密的工裝夾具。PEPS離線軟件是專門為STAUBLI定制開發(fā)的機(jī)器人激光切割離線編程軟件。它能夠提供自動(dòng)生成工裝夾具程序，用戶可以根據(jù)工件三維數(shù)模來(lái)選擇工裝夾具并可進(jìn)行微調(diào)。正在利用PEPS離線軟件進(jìn)行人工微調(diào)自動(dòng)生成的工裝夾具如圖3所示。設(shè)計(jì)好合適的夾具后系統(tǒng)自動(dòng)把夾具所需的板材合理布置在一個(gè)平板上，通過(guò)機(jī)器人可以直接切割出夾具所需要的板件，最后拼裝出合適的工裝夾具。
7. 切割效率由集成方案及集成經(jīng)驗(yàn)決定
高效率加工是五軸機(jī)床在汽車行業(yè)推廣的一個(gè)重要因素，而目前大部分汽車廠商不接受機(jī)器人的最重要原因也是拿單個(gè)機(jī)器人的加工效率和五軸激光切割效率對(duì)比產(chǎn)生的。而我們認(rèn)為效率是由集成方案優(yōu)劣和集成經(jīng)驗(yàn)決定的。很多集成商選用不適合激光切割的普通機(jī)器人，效率低下且效果差，影響了汽車行業(yè)用戶對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的認(rèn)知，否定了機(jī)器人方案。我們提出的觀點(diǎn)是優(yōu)秀的集成商會(huì)選用高精度的機(jī)器人整合到精密的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，并根據(jù)不同的用戶產(chǎn)品由基本型演化成不同的機(jī)器人柔性切割方案，可以采用單機(jī)、雙機(jī)或多機(jī)和平臺(tái)數(shù)量之間進(jìn)行組合。
集成商集成能力高低決定了最終切割效果和效率。德國(guó)JENOPTIK是史陶比爾公司的激光應(yīng)用集成商，采用史陶比爾定制開發(fā)的T X90激光切割專用機(jī)器人、定制輕型切割頭和獨(dú)有的BIM（Beam-In-Motion）技術(shù)。該設(shè)備的小孔定位精度能夠達(dá)到± 5 0 μ m ， 直線速度＞12m/min。 如果產(chǎn)品產(chǎn)量比較高，JENOPTIK公司可以提供雙機(jī)器設(shè)備或者多機(jī)器人解決方案。如圖4所示，JENOPTIK定制的機(jī)器人正在進(jìn)行熱成形高強(qiáng)度鋼切割，這在德國(guó)大眾POLO車型上很早就得到了成功應(yīng)用。
深圳大族激光在汽車行業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人激光切割解決方案如圖5所示，分別展示了機(jī)器人和整個(gè)系統(tǒng)外觀部分。系統(tǒng)和五軸機(jī)床的外型類似，但系統(tǒng)的柔性更勝一籌，這個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)移動(dòng)工作平臺(tái)，機(jī)器人在兩個(gè)平臺(tái)上的工件間切換，非工作的移動(dòng)平臺(tái)推出來(lái)進(jìn)行上料。深圳大族激光三維激光切割部劉旭飛經(jīng)理告訴我們，這套系統(tǒng)的客戶是一個(gè)客車制造廠，車廠設(shè)備負(fù)責(zé)人對(duì)此非常滿意，不僅切割效果好，而且效率高，雙工位平臺(tái)不會(huì)浪費(fèi)上料的時(shí)間，目前這個(gè)客戶已經(jīng)購(gòu)買近十臺(tái)史陶比爾機(jī)器人設(shè)備。而且他們計(jì)劃重新設(shè)計(jì)一條沖壓線，用機(jī)器人柔性生產(chǎn)線來(lái)取代一條模具沖壓線，包括過(guò)程中的物料轉(zhuǎn)移也是通過(guò)機(jī)器人來(lái)完成，這條線的
機(jī)器人用量可能會(huì)高達(dá)幾十臺(tái)。據(jù)劉旭飛經(jīng)理介紹，這個(gè)項(xiàng)目初始階段，客戶還是非常猶豫的，在昂貴的五軸機(jī)床和機(jī)器人系統(tǒng)之間進(jìn)行抉擇，最后在實(shí)際測(cè)試和各種性能參數(shù)保證的情況下依然只采購(gòu)兩臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行小范圍測(cè)試。當(dāng)用戶看到最終驗(yàn)收時(shí)的效果后，開始把購(gòu)買的臺(tái)數(shù)擴(kuò)大，并有了將來(lái)批量采用機(jī)器人的目標(biāo)。這也給我們一些啟示，國(guó)內(nèi)的各種車廠要初步接受機(jī)器人柔性激光切割方式還需要一定的時(shí)間，集成商需要進(jìn)一步提高機(jī)器人集成能力，提高系統(tǒng)精度和速度，特別是系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性，讓汽車行業(yè)用戶逐步開始批量采用機(jī)器人柔性激光切割解決方案。
史陶比爾會(huì)和系統(tǒng)集成商一起不斷完善產(chǎn)品性能來(lái)滿足汽車行業(yè)的各種產(chǎn)品的切割需求，讓本土的汽車廠商和零部件廠商能夠批量使用這種高精度低成本的解決方案，為正在個(gè)性化發(fā)展的汽車時(shí)代做一點(diǎn)貢獻(xiàn)。在此也感謝史陶比爾激光應(yīng)用行業(yè)的合作伙伴無(wú)錫創(chuàng)科源、大族激光、武漢法利萊等公司和我們一起共同奮斗，創(chuàng)造一個(gè)個(gè)成功案例，共同推進(jìn)機(jī)器人柔性激光切割解決方案在汽車行業(yè)的大批量應(yīng)用。
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