機(jī)器人機(jī)加工機(jī)床

　　在機(jī)械工廠內(nèi)存在一種典型的溝通障礙。機(jī)器人運(yùn)行他們各自的特定品牌語(yǔ)言，而傳統(tǒng)的CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床則讀取通過(guò)CAM軟件生成的G代碼。但是如果對(duì)機(jī)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(jī)器人可以獲得一臺(tái)CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的功能，包括全部5軸輪廓面加工功能，并且對(duì)它進(jìn)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(jìn)行加工。目前的技術(shù)在機(jī)器人準(zhǔn)備開(kāi)始工作之前往往需要幾小時(shí)，甚至幾天時(shí)間的編程。此外，包括這類(lèi)機(jī)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(lái)代替加工中心和刳刨機(jī)進(jìn)行二次零件加工，并且可以消除那些機(jī)床在加工大型零件時(shí)的工作區(qū)限制。

　　Programming Plus公司（www.robotmachining.com）稱(chēng)它的機(jī)器人加工單元將這種“如果怎么辦”假定變成了現(xiàn)實(shí)。該機(jī)器人加工單元的關(guān)鍵在于New Berlin, Wisc公司開(kāi)發(fā)的軟件，它將CAM生成的準(zhǔn)備用于5軸機(jī)床的G代碼平滑地轉(zhuǎn)換成6軸機(jī)器人可用的代碼。PPI 的機(jī)器人銷(xiāo)售工程師Tim Brooks說(shuō)，世界上還沒(méi)有任何一家其他公司做到了這一點(diǎn)。Programming Plus 專(zhuān)門(mén)從事CAD/CAM、DNC和車(chē)間自動(dòng)化。

　　Programming Plus使用Delcam (www.delcam.com) Power-Mill軟件來(lái)生成Kuka Robotics (www.kukarobotics.com)機(jī)器人的G代碼，提供給它機(jī)器人的加工單元（RMC）。由于該單元像機(jī)床那樣工作，所以操作員可以啟動(dòng)或關(guān)閉機(jī)器人的轉(zhuǎn)軸，改變每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，以及決定速度和進(jìn)給。Brooks說(shuō)，到目前為止，還不能執(zhí)行這些功能，因?yàn)樗鼈儾辉跈C(jī)器人的控制范圍內(nèi)。

　　車(chē)間往往使用配備有主軸的傳統(tǒng)機(jī)器人，以便在零件輪廓周?chē)�修邊、切割和去毛刺。但是這些車(chē)間必須“教”機(jī)器人，把它們移動(dòng)到零件周?chē)�的若干個(gè)點(diǎn)上，零件越復(fù)雜，教授的時(shí)間就越長(zhǎng)。教機(jī)器人從一個(gè)零件移動(dòng)到另一個(gè)不同的零件則需要更多的教授。機(jī)器人加工單元內(nèi)的機(jī)器人不用教就能從一個(gè)零件移動(dòng)到下一個(gè)零件，無(wú)論零件的復(fù)雜程度如何，它們?cè)?0分鐘準(zhǔn)備時(shí)間之內(nèi)即可完成移動(dòng)。

　　如果操作員不滿意機(jī)器人加工單元內(nèi)的機(jī)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(yùn)行它。此外，由于機(jī)器人加工單元使用Delcam的PowerMill軟件，所以車(chē)間可以執(zhí)行機(jī)器人和零件加工仿真來(lái)檢查可能的碰撞和障礙，并在運(yùn)行程序之前進(jìn)行干涉檢查。另外，Brooks稱(chēng)他公司的軟件不久將使車(chē)間能夠通過(guò)攝像機(jī)，從Internet上遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人。

　　Programming Plus的軟件還可以為車(chē)間提供其他的方便：解決奇異性問(wèn)題。當(dāng)機(jī)器人的所有軸接近為零時(shí)，發(fā)生奇異性問(wèn)題。它們?cè)黾铀俣纫员愀�上，它們到達(dá)某個(gè)點(diǎn)，在此處它們移動(dòng)得過(guò)快，并且在某種程度上，它們鎖定并停止。這種情況類(lèi)似于一臺(tái)車(chē)床上的恒定表面進(jìn)尺。問(wèn)題是車(chē)間無(wú)法預(yù)料奇異性將在何處發(fā)生。

　　幸運(yùn)的是，當(dāng)機(jī)器人加工單元軟件向機(jī)器人轉(zhuǎn)換G代碼時(shí)，它評(píng)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(chē)間并未將5軸輪廓面加工與機(jī)器人聯(lián)系起來(lái)，主要是因?yàn)樾枰�花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)把所有必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)教給機(jī)器人。相反，車(chē)間使用CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床。如果是大型零件，則它們被分成適合機(jī)床的數(shù)塊工件并在切削后重新裝配起來(lái)。換句話說(shuō)，車(chē)間將拆除機(jī)床面板和裝料門(mén)，以便將需要切削的工件部分固定在機(jī)床上，而使零件剩余的部分從側(cè)邊懸空或伸出。

　　使用機(jī)器人加工單元的車(chē)間可以在一步準(zhǔn)備工作中加工整個(gè)零件，因?yàn)樵搯卧�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(chē)間的地面上或者可以將它們夾持在工作臺(tái)上的工件夾上，只要準(zhǔn)備工作在機(jī)器人的可達(dá)范圍內(nèi)，它們就可以被加工。在某些情況下，機(jī)器人的伸出長(zhǎng)度可延伸至25英尺。

　　機(jī)器人加工單元目前的理想應(yīng)用是這樣一種應(yīng)用，它涉及將要在4軸或5軸加工中心上加工的大型、復(fù)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(jī)設(shè)計(jì)中所用的材料制成。但是，Brooks希望本公司的機(jī)器人加工單元在今年年底被用于加工軟金屬。

　　當(dāng)加工金屬時(shí)，有兩個(gè)因素制約了大多數(shù)機(jī)器人：精度和扭矩。平均而言，如今的機(jī)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(yīng)用中可以接受機(jī)器人的精度，例如：準(zhǔn)備好粗加工零件，以利于CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床上的精加工。

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

　　Programming Plus在其機(jī)器人加工單元中使用Kuka機(jī)器人，Kuka公司的戰(zhàn)略聯(lián)盟主管Joe Campbell稱(chēng)有幾項(xiàng)技術(shù)支持機(jī)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(jī)械剛性、更堅(jiān)固的機(jī)器人。

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

　　“我們現(xiàn)在有一個(gè)值得從事機(jī)械加工的機(jī)器人平臺(tái)，” Campbell說(shuō)，“它聽(tīng)起來(lái)可能沒(méi)什么大不了，但是與機(jī)器人的體積相比，考慮到機(jī)床的體積，如今的機(jī)器人相當(dāng)堅(jiān)固和強(qiáng)壯�！�

　　Kuka提供多種機(jī)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(jī)器人，因?yàn)樗鼈儾捎昧伺涮椎凝X輪組和其他組裝工藝技術(shù)，這些技術(shù)校準(zhǔn)它們以利于高精度。Campbell解釋說(shuō)在加工硬質(zhì)金屬時(shí)，機(jī)器人切除的材料與精度水平之間要相互折衷。例如，一車(chē)間從壓鑄摩托車(chē)輪上清除鑄模記號(hào)和鑄料，它可能使用一臺(tái)CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，但是這項(xiàng)工作非常適合于機(jī)器人，因?yàn)樗�要求精度和少量的材料切削。另一方面，他說(shuō)在硬質(zhì)材料上切割鍵槽并非適合于機(jī)器人的理想應(yīng)用�！皺C(jī)器人不能完成在機(jī)床上所做的許多工作。但是，有很多車(chē)間使用CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床來(lái)執(zhí)行二次加工工藝，而機(jī)器人完全能夠從事這些加工�！盋ampbell說(shuō)。

　　KR210與 KR240型 Kuka機(jī)器人處理大載荷。雖然銑床主軸并不那么重，但是機(jī)器人具備強(qiáng)大的電機(jī)功率以便在沿著切削路徑移動(dòng)時(shí)維持位置�！皺C(jī)床制造商們談?wù)摍C(jī)床主軸的馬力。我們從事機(jī)器人業(yè)務(wù)則關(guān)心有效負(fù)載能力�！盋ampbell說(shuō)。

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

　　在加工應(yīng)用中，機(jī)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(lái)糾正它們。例如，為了把兩個(gè)表面結(jié)合在一起，機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整所應(yīng)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(guò)多的材料。力和扭矩傳感器集成在機(jī)器人的肘節(jié)內(nèi)，機(jī)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(jī)器人施加力的方向，Campbell說(shuō)。

　　一個(gè)典型的機(jī)器人加工單元由以下設(shè)備組成：一個(gè)機(jī)器人，它具有一根5到10馬力的主軸，一個(gè)有蓋的換刀架，它帶有10把刀具，一臺(tái)決定負(fù)載刀具長(zhǎng)度的裝置，還有一個(gè)激光系統(tǒng)，它定位工件以簡(jiǎn)化零件到零件之間的準(zhǔn)備工作。主軸尺寸取決于應(yīng)用。

　　一個(gè)Programming Plus系統(tǒng)機(jī)器人能自動(dòng)換刀。Campbell說(shuō)在機(jī)器人一方更換刀具很普通，公司的標(biāo)準(zhǔn)銑頭換刀裝置直接、簡(jiǎn)單。這種能力使單元機(jī)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(tīng)說(shuō)對(duì)RMC感興趣的客戶的動(dòng)機(jī)是產(chǎn)量。大多數(shù)CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，除非是自動(dòng)的，否則它們的利用率都較低，這意味著它們的銑頭在準(zhǔn)備時(shí)間和其他非切削活動(dòng)，并非時(shí)刻在旋轉(zhuǎn)。相反，我們的機(jī)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(gè)零件，允許機(jī)器人從一個(gè)零件移動(dòng)到另一個(gè)零件，以便利用較少的資金總額獲得相當(dāng)大的產(chǎn)量，” Campbell說(shuō)。

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(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)合加工“合適”的刀刃并非易事。就在前不久，人們還一直認(rèn)為生成刀刃槽形不是科學(xué)，而更是一種藝術(shù)，因?yàn)榍邢鞯毒咴谀湍バ约坝捕荣|(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(dāng)?shù)那邢魅袑?duì)刀具性能及壽命有很大的影響。正確的切削刃加工過(guò)程可以降低常見(jiàn)的失效原因，諸如：劈裂、熱感應(yīng)引起的失效以及切屑瘤等而延長(zhǎng)刀具壽命，并且可以很大的提高刀具的可靠性。適當(dāng)珩磨的刀具還可以提高加工工序的重復(fù)精度，有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)人看管加工。

　　刀刃珩磨是在微觀規(guī)模上進(jìn)行的磨蝕過(guò)程，需要借助成套過(guò)程控制來(lái)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(guò)程是通過(guò)訓(xùn)練有素的猜測(cè)導(dǎo)引的，并且受制于機(jī)床的變化以及操作員的技能。

　　普通珩磨過(guò)程容易過(guò)多加工刀具的拐角，并且因?yàn)閬?lái)料各不相同，很難在一把刀一把刀基礎(chǔ)上進(jìn)行控制。不僅刀刃珩磨很難控制，同時(shí)由于切削條件也隨單個(gè)切削刃發(fā)生變化，因此加工切削刃的最佳尺寸會(huì)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(xué)機(jī)械工程-工程力學(xué)系的副教授，同時(shí)是位于密執(zhí)安州Houghton市的加工分析技術(shù)公司的總裁William J. Enders博士認(rèn)為：“用戶要求刀具拐角處刀刃半徑較小，因?yàn)槲辞械那行己穸妊毓战前霃綔p少�！痹谶^(guò)去十多年的時(shí)間里，他一直在研究刀刃加工方面的問(wèn)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(hù)。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(yīng)該相應(yīng)降低。對(duì)于恒定珩磨量——大小為保護(hù)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(méi)有如切削刀具其他方面有關(guān)的技術(shù)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(shù)。該工藝采用致密碳化硅纖維刷結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)字控制而一貫并精確加工出刀刃形狀，公差達(dá)0.0003英寸，比大部分傳統(tǒng)珩磨方法的精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　Conicity的執(zhí)行副總裁Bill Shaffer說(shuō)：“通過(guò)控制刀刃參數(shù)，工程微幾何工藝可以在達(dá)到正確珩磨量時(shí)停止材料去除過(guò)程。因此，刀刃加工尺寸在切削刃上分布開(kāi)，維持某特定的未切切屑厚度對(duì)刀刃加工尺寸比�！彼�繼續(xù)說(shuō)：“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(guò)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?yàn)槠淝邢魅谐叽绨l(fā)生變化，可以防止在刀具和工件之間夾住切下來(lái)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(zhǎng)了刀具壽命，提高工件表面平面度，同時(shí)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(chǔ)上采用相同的刀刃加工過(guò)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(gè)切削應(yīng)用中實(shí)施最佳微觀槽形。在某些情況下，這種做法意味著在整個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)正確的刀刃加工過(guò)程。

　　適當(dāng)加工刀刃一個(gè)最明顯而直接的優(yōu)點(diǎn)是提高刀具壽命。對(duì)于工程微幾何工藝，刀刃加工業(yè)務(wù)一般所花費(fèi)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(zhǎng)300%~800%。

　　延長(zhǎng)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(biāo)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(shuō)：“通過(guò)用工程微幾何工藝加工刀刃，磨刀之間的時(shí)間一般延長(zhǎng)了300%左右，這是投資工程微幾何工藝的巨大回報(bào)。替換刀具之間時(shí)間延長(zhǎng)還意味著可以減少中斷生產(chǎn)的次數(shù)，并降低勞動(dòng)成本。”

　　Binner認(rèn)為更重要的是間接的成本節(jié)省。“這種刀刃加工過(guò)程幾乎消除了斷刀現(xiàn)象，斷刀現(xiàn)象會(huì)在自動(dòng)化過(guò)程產(chǎn)生一系列不良后果。無(wú)人看管的機(jī)床上發(fā)生斷刀會(huì)引發(fā)下游刀具破損的多米諾骨牌效應(yīng)。這樣的故障現(xiàn)象會(huì)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(wèn)題有可能很難修復(fù)。通過(guò)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(shí)候可以在不換鉆頭及鉸刀的情況下工作幾個(gè)星期。”

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