機器人機加工機床

　　在機械工廠內(nèi)存在一種典型的溝通障礙。機器人運行他們各自的特定品牌語言，而傳統(tǒng)的CNC計算機數(shù)控機床則讀取通過CAM軟件生成的G代碼。但是如果對機器人的控制器編程，使其直接從CAD/CAM程序中讀取G代碼，那該怎么辦呢？

　　該機器人可以獲得一臺CNC計算機數(shù)控機床的功能，包括全部5軸輪廓面加工功能，并且對它進行數(shù)分鐘的編程就可以使其在任意的3軸或5軸工件上進行加工。目前的技術在機器人準備開始工作之前往往需要幾小時，甚至幾天時間的編程。此外，包括這類機器人在內(nèi)的加工單元能夠提供一種低成本的替代方案來代替加工中心和刳刨機進行二次零件加工，并且可以消除那些機床在加工大型零件時的工作區(qū)限制。

　　Programming Plus公司（www.robotmachining.com）稱它的機器人加工單元將這種“如果怎么辦”假定變成了現(xiàn)實。該機器人加工單元的關鍵在于New Berlin, Wisc公司開發(fā)的軟件，它將CAM生成的準備用于5軸機床的G代碼平滑地轉(zhuǎn)換成6軸機器人可用的代碼。PPI 的機器人銷售工程師Tim Brooks說，世界上還沒有任何一家其他公司做到了這一點。Programming Plus 專門從事CAD/CAM、DNC和車間自動化。

　　Programming Plus使用Delcam (www.delcam.com) Power-Mill軟件來生成Kuka Robotics (www.kukarobotics.com)機器人的G代碼，提供給它機器人的加工單元（RMC）。由于該單元像機床那樣工作，所以操作員可以啟動或關閉機器人的轉(zhuǎn)軸，改變每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，以及決定速度和進給。Brooks說，到目前為止，還不能執(zhí)行這些功能，因為它們不在機器人的控制范圍內(nèi)。

　　車間往往使用配備有主軸的傳統(tǒng)機器人，以便在零件輪廓周圍修邊、切割和去毛刺。但是這些車間必須“教”機器人，把它們移動到零件周圍的若干個點上，零件越復雜，教授的時間就越長。教機器人從一個零件移動到另一個不同的零件則需要更多的教授。機器人加工單元內(nèi)的機器人不用教就能從一個零件移動到下一個零件，無論零件的復雜程度如何，它們在30分鐘準備時間之內(nèi)即可完成移動。

　　如果操作員不滿意機器人加工單元內(nèi)的機器人切削路徑，那么他可以在CAM系統(tǒng)中改變切削路徑，或者他可以手工教授這種改變并將其插入路徑中，重新保存程序并運行它。此外，由于機器人加工單元使用Delcam的PowerMill軟件，所以車間可以執(zhí)行機器人和零件加工仿真來檢查可能的碰撞和障礙，并在運行程序之前進行干涉檢查。另外，Brooks稱他公司的軟件不久將使車間能夠通過攝像機，從Internet上遠程監(jiān)控機器人。

　　Programming Plus的軟件還可以為車間提供其他的方便：解決奇異性問題。當機器人的所有軸接近為零時，發(fā)生奇異性問題。它們增加速度以便跟上，它們到達某個點，在此處它們移動得過快，并且在某種程度上，它們鎖定并停止。這種情況類似于一臺車床上的恒定表面進尺。問題是車間無法預料奇異性將在何處發(fā)生。

　　幸運的是，當機器人加工單元軟件向機器人轉(zhuǎn)換G代碼時，它評估程序是否存在可能引起奇異性的物理配置。如果發(fā)現(xiàn)任何這樣的物理配置，則軟件修改程序以消除它們。

　　大多數(shù)車間并未將5軸輪廓面加工與機器人聯(lián)系起來，主要是因為需要花費大量的時間來把所有必要的數(shù)據(jù)點教給機器人。相反，車間使用CNC計算機數(shù)控機床。如果是大型零件，則它們被分成適合機床的數(shù)塊工件并在切削后重新裝配起來。換句話說，車間將拆除機床面板和裝料門，以便將需要切削的工件部分固定在機床上，而使零件剩余的部分從側(cè)邊懸空或伸出。

　　使用機器人加工單元的車間可以在一步準備工作中加工整個零件，因為該單元不像加工中心那樣具有精確定義的工作區(qū)。零件可以擱置在車間的地面上或者可以將它們夾持在工作臺上的工件夾上，只要準備工作在機器人的可達范圍內(nèi)，它們就可以被加工。在某些情況下，機器人的伸出長度可延伸至25英尺。

　　機器人加工單元目前的理想應用是這樣一種應用，它涉及將要在4軸或5軸加工中心上加工的大型、復雜零件，它們由軟材料，例如：塑料、玻璃纖維、碳化纖維合成物和樣機設計中所用的材料制成。但是，Brooks希望本公司的機器人加工單元在今年年底被用于加工軟金屬。

　　當加工金屬時，有兩個因素制約了大多數(shù)機器人：精度和扭矩。平均而言，如今的機器人精確到了0.004英寸。盡管大多數(shù)金屬零件需要精密加工，但是還有一些應用中可以接受機器人的精度，例如：準備好粗加工零件，以利于CNC計算機數(shù)控機床上的精加工。

利用更大功率的轉(zhuǎn)軸即可獲得機器人加工軟金屬所需的增強扭矩，但是機器人必須足夠強壯和堅固以便掌控那些轉(zhuǎn)軸，Brooks說。

　　Programming Plus在其機器人加工單元中使用Kuka機器人，Kuka公司的戰(zhàn)略聯(lián)盟主管Joe Campbell稱有幾項技術支持機器人加工。例如，諸如Kuka等公司現(xiàn)在正在建造比以往具有更大機械剛性、更堅固的機器人。

　　輪系中更緊的公差減少了機器人的齒間隙，而有限元素分析和計算機仿真工具已經(jīng)幫助消除機器人鑄件的撓曲。機器人更加智能，展示嚴密的運動控制，制造商們可以比過去更好地改善他們的不準確性。

　　“我們現(xiàn)在有一個值得從事機械加工的機器人平臺，” Campbell說，“它聽起來可能沒什么大不了，但是與機器人的體積相比，考慮到機床的體積，如今的機器人相當堅固和強壯。”

　　Kuka提供多種機器人用于加工，包括它的KR60-HA, KR210和 KR240型。KR60s目前是Kuka最精密的機器人，因為它們采用了配套的齒輪組和其他組裝工藝技術，這些技術校準它們以利于高精度。Campbell解釋說在加工硬質(zhì)金屬時，機器人切除的材料與精度水平之間要相互折衷。例如，一車間從壓鑄摩托車輪上清除鑄模記號和鑄料，它可能使用一臺CNC計算機數(shù)控機床，但是這項工作非常適合于機器人，因為它要求精度和少量的材料切削。另一方面，他說在硬質(zhì)材料上切割鍵槽并非適合于機器人的理想應用�！皺C器人不能完成在機床上所做的許多工作。但是，有很多車間使用CNC計算機數(shù)控機床來執(zhí)行二次加工工藝，而機器人完全能夠從事這些加工�！盋ampbell說。

　　KR210與 KR240型 Kuka機器人處理大載荷。雖然銑床主軸并不那么重，但是機器人具備強大的電機功率以便在沿著切削路徑移動時維持位置�！皺C床制造商們談論機床主軸的馬力。我們從事機器人業(yè)務則關心有效負載能力。”Campbell說。

　　Programming Plus所用的Kuka機器人輕而易舉地承載30及40馬力的主軸。Kuka最強壯的機器人，在它的25英尺伸出長度范圍內(nèi)，能舉起重達1100磅的有效載荷。公司正在致力于開發(fā)更大型的機器人，Campbell稱它們將引發(fā)金屬切削應用中的更多可能性。目前正在試驗中的其他Kuka機器人具有低移動速度，但是高的扭矩和剛性能夠進一步提高機器人的材料切削能力。

　　在加工應用中，機器人常常使用力和扭矩傳感器以便于它們 “感知”表面的不一致性和不完整性，并切除最小量的材料來糾正它們。例如，為了把兩個表面結(jié)合在一起，機器人自動調(diào)整所應用的扭矩和力，以幫助它避免損傷表面或者從零件上切除過多的材料。力和扭矩傳感器集成在機器人的肘節(jié)內(nèi)，機器人控制器監(jiān)視它們的工作。那些傳感器和控制器結(jié)合在一起使用戶能夠規(guī)定機器人施加力的方向，Campbell說。

　　一個典型的機器人加工單元由以下設備組成：一個機器人，它具有一根5到10馬力的主軸，一個有蓋的換刀架，它帶有10把刀具，一臺決定負載刀具長度的裝置，還有一個激光系統(tǒng)，它定位工件以簡化零件到零件之間的準備工作。主軸尺寸取決于應用。

　　一個Programming Plus系統(tǒng)機器人能自動換刀。Campbell說在機器人一方更換刀具很普通，公司的標準銑頭換刀裝置直接、簡單。這種能力使單元機器人能夠自己裝載。它們拆下銑刀，把零件裝載到單元內(nèi)，重新安裝刀具并切削零件。

　　“我們聽說對RMC感興趣的客戶的動機是產(chǎn)量。大多數(shù)CNC計算機數(shù)控機床，除非是自動的，否則它們的利用率都較低，這意味著它們的銑頭在準備時間和其他非切削活動，并非時刻在旋轉(zhuǎn)。相反，我們的機器人加工單元輕而易舉地在它們的工作區(qū)內(nèi)容納多個零件，允許機器人從一個零件移動到另一個零件，以便利用較少的資金總額獲得相當大的產(chǎn)量，” Campbell說。

Robots run on brand-specific languages all their own, while conventional CNC machine tools read G-code generated through CAM software. But what if a robot's control was programmed to read G-code directly from a CAD/CAM program?

　　針對特定的應用場合加工“合適”的刀刃并非易事。就在前不久，人們還一直認為生成刀刃槽形不是科學，而更是一種藝術，因為切削刀具在耐磨性及硬度質(zhì)量方面要求很高，因此加工出滿意的槽形非常困難。

　　但是，加工適當?shù)那邢魅袑Φ毒咝阅芗皦勖�有很大的影響。正確的切削刃加工過程可以降低常見的失效原因，諸如：劈裂、熱感應引起的失效以及切屑瘤等而延長刀具壽命，并且可以很大的提高刀具的可靠性。適當珩磨的刀具還可以提高加工工序的重復精度，有助于實現(xiàn)無人看管加工。

　　刀刃珩磨是在微觀規(guī)模上進行的磨蝕過程，需要借助成套過程控制來保持緊密公差。但是，很難在切削刀具材料上控制金屬去除率以及刀刃一致性。通常，珩磨過程是通過訓練有素的猜測導引的，并且受制于機床的變化以及操作員的技能。

　　普通珩磨過程容易過多加工刀具的拐角，并且因為來料各不相同，很難在一把刀一把刀基礎上進行控制。不僅刀刃珩磨很難控制，同時由于切削條件也隨單個切削刃發(fā)生變化，因此加工切削刃的最佳尺寸會隨加工工件變化而沿切削刃發(fā)生變化。

　　密執(zhí)安科技大學機械工程-工程力學系的副教授，同時是位于密執(zhí)安州Houghton市的加工分析技術公司的總裁William J. Enders博士認為：“用戶要求刀具拐角處刀刃半徑較小，因為未切的切屑厚度沿拐角半徑減少�！痹谶^去十多年的時間里，他一直在研究刀刃加工方面的問題。

　　在刀具的前刃上，未切切屑的厚度最大，刀刃需要最大的保護。但是，在刀具的后刃上，未切切屑厚度幾乎下降為0， 因此珩磨量應該相應降低。對于恒定珩磨量——大小為保護前刃而制定，后刃上的珩磨量比未切切屑厚度大，因此切削刃去除材料的速度很低，并提高了摩擦、切削力、溫度及磨損。

　　直到現(xiàn)在，加工切削刃的方法也沒有如切削刀具其他方面有關的技術發(fā)展快，諸如材料基質(zhì)、槽形以及涂層等。利用自己的工程微幾何工藝，位于賓夕法尼亞州Cresco市的Conicity科技公司推出了在同一把刀具不同表面上加工出不同尺寸的刀刃珩磨技術。該工藝采用致密碳化硅纖維刷結(jié)合計算機數(shù)字控制而一貫并精確加工出刀刃形狀，公差達0.0003英寸，比大部分傳統(tǒng)珩磨方法的精度提高了一個數(shù)量級。

　　Conicity的執(zhí)行副總裁Bill Shaffer說：“通過控制刀刃參數(shù)，工程微幾何工藝可以在達到正確珩磨量時停止材料去除過程。因此，刀刃加工尺寸在切削刃上分布開，維持某特定的未切切屑厚度對刀刃加工尺寸比。”他繼續(xù)說：“例如，在一把可轉(zhuǎn)位刀片或刀座式刀具上，在刀具端部半徑處，刀刃加工融合了刀刃加工過程中未切切屑厚度變化。隨著未切切屑厚度降低，刀刃加工尺寸降低�！�

　　具有變化式刀刃的刀具切削效率更高，因為其切削刃尺寸發(fā)生變化，可以防止在刀具和工件之間夾住切下來的材料。這樣就可以減少刀具磨耗，從而刀具壓力及切削力降低，刀具和工件溫升也縮小。從而延長了刀具壽命，提高工件表面平面度，同時減少毛刺的形成。變化式刀刃幾乎可以在包括鉆頭、立銑刀及餃刀等在內(nèi)的各種形式的切削刀具上使用。

　　工程微幾何工藝還可以在一把刀一把刀基礎上采用相同的刀刃加工過程，這種工藝比傳統(tǒng)的刀刃加工方法具有更好的一致性。此外，該工藝還可以在每個切削應用中實施最佳微觀槽形。在某些情況下，這種做法意味著在整個切削刃上形成均勻的珩磨量；而在另外一些情況下則表示采用可變珩磨量來實現(xiàn)正確的刀刃加工過程。

　　適當加工刀刃一個最明顯而直接的優(yōu)點是提高刀具壽命。對于工程微幾何工藝，刀刃加工業(yè)務一般所花費的成本為一把新的替換刀具的10%~20%，而該工藝卻可以將刀具的壽命延長300%~800%。

　　延長刀具壽命非常重要，其中有多種理由，包括可以節(jié)省重磨和更換新刀的成本。例如，為了充分利用其5坐標加工中心，一家位于賓夕法尼亞州Freeport市的精密制造廠Oberg Industries公司，從高速鋼刀具轉(zhuǎn)向高性能硬質(zhì)合金刀具，其中采用了賓夕法尼亞州Latrobe市Seim Tool公司提供的用工程微幾何工藝加工的刀刃。

　　Oberg的工具房經(jīng)理Bob Binner說：“通過用工程微幾何工藝加工刀刃，磨刀之間的時間一般延長了300%左右，這是投資工程微幾何工藝的巨大回報。替換刀具之間時間延長還意味著可以減少中斷生產(chǎn)的次數(shù)，并降低勞動成本�！�

　　Binner認為更重要的是間接的成本節(jié)省�！斑@種刀刃加工過程幾乎消除了斷刀現(xiàn)象，斷刀現(xiàn)象會在自動化過程產(chǎn)生一系列不良后果。無人看管的機床上發(fā)生斷刀會引發(fā)下游刀具破損的多米諾骨牌效應。這樣的故障現(xiàn)象會因損壞刀具以及昂貴零件而產(chǎn)生巨大的損失，并且隨后的問題有可能很難修復。通過采用帶有用工程微幾何工藝加工的刀刃的硬質(zhì)合金刀具，有時候可以在不換鉆頭及鉸刀的情況下工作幾個星期。”

　　延長刀具壽命的經(jīng)濟效益在航空和醫(yī)療領域尤其突出，包括要鉆削和加工堅韌材料，諸如鉻鎳鐵合金及鈦等。