切削加工作業(yè)中的機器人應(yīng)用

輕量化是各個行業(yè)關(guān)注的發(fā)展趨勢：特別是汽車制造業(yè)以及航空航天工業(yè)。降低原料消耗、節(jié)省能源，并由此降低生產(chǎn)成本，這些均是實現(xiàn)基于機器人的輕量化材料技術(shù)解決方案的理由。為此，位于德國奧格斯堡的機器人設(shè)備領(lǐng)域的系統(tǒng)集成生產(chǎn)廠家KUKA公司為客戶設(shè)計和實施專門的技術(shù)解決方案和機器人輔助加工生產(chǎn)流程的標(biāo)準(zhǔn)單元、可供選擇的結(jié)構(gòu)件鏈接以及進一步的生產(chǎn)流程。

可通過機器人輔助技術(shù)解決方案經(jīng)濟地實現(xiàn)輕結(jié)構(gòu)件的加工流程

為了能夠為客戶集成智能化、堅實耐用和經(jīng)濟的技術(shù)解決方案，KUKA公司一直在科學(xué)研究和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的科技研發(fā)方面進行投資。近年來，KUKA公司不斷研究各種不同類型結(jié)構(gòu)件的加工技術(shù)，并與高校和合作伙伴進行結(jié)構(gòu)件的加工試驗，以及將該公司為客戶進行研發(fā)的項目中所積累的經(jīng)驗綜合在“MAI ZPR-CFK(纖維干式纏繞和壓條加工方法)項目”(采用精密機器人進行切削加工項目)中加以應(yīng)用。

KUKA公司的設(shè)備技術(shù)用于CFK制造的助推器外殼的加工制造，以被稱作“箱子”的項目(成本最佳化的纖維復(fù)合材料固體燃料火箭發(fā)動機)為例，該項目的技術(shù)訣竅也流入到了MAI ZPR項目(采用精密機器人進行切削加工的項目)之中：其中有KUKA公司研發(fā)和提供的用于首個 CFK制造的助推器外殼加工制造設(shè)備。

KUKA公司研發(fā)和提供的用于首個CFK制造的助推器外殼加工制造設(shè)備就設(shè)置在位于德國奧格斯堡的DLR ZLP(德國航空航天聯(lián)合會輕結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)中心)。該加工制造設(shè)備借助于傳統(tǒng)的數(shù)字控制(NC)進行運行，近期也將機器人輔助切削生產(chǎn)流程應(yīng)用于其中。除了控制技術(shù)外，機器人輔助纏繞生產(chǎn)流程也是一個創(chuàng)新。

圖1 整個助推器采用CFK（纖維干式纏繞和壓條加工方法）制成：圖為助推器的外觀，KUKA公司提供制造阿麗亞娜6 運載火箭的固體燃料發(fā)動機外殼樣品的設(shè)備技術(shù)

想要飛入航天軌道嗎?對于人們來說，沒有運載火箭是無法實現(xiàn)的。為了能夠制造具有競爭力的運輸系統(tǒng)，必須要節(jié)省成本，因此采用機器人輔助的復(fù)合材料纏繞法加工制造阿麗亞娜6火箭，CFK制造的助推器固體燃料發(fā)動機外殼。在此，新技術(shù)和自動化技術(shù)解決方案起著決定性的作用，MT航天工業(yè)股份公司(MT Aerospace AG)和DLR ZLP共同研發(fā)固體材料的先進生產(chǎn)流程，以達到前面提到的阿麗亞娜6運載火箭的研發(fā)目的：也就是當(dāng)今的阿麗亞娜6運載火箭CFK制造的助推器固體燃料發(fā)動機外殼、推進器應(yīng)采用CFK進行制造，從而實現(xiàn)纖維壓條。

KUKA公司研發(fā)并實現(xiàn)了該項目的設(shè)備技術(shù)部分

由KUKA公司提供的多功能機器人單元已經(jīng)在位于奧格斯堡的研發(fā)平臺，也就是DLR ZLP應(yīng)用，并集成了補充系統(tǒng)技術(shù)：纖維纏繞總設(shè)備由一個懸掛在一個線性單元里的機器人、一個專用機器人帶有纖維供料裝置的端部效應(yīng)設(shè)備以及一個用于相應(yīng)的纏繞沖頭轉(zhuǎn)動裝置組成。KUKA公司機器人設(shè)備部門負責(zé)該項技術(shù)的項目工程師Tobias Maresch說：“通過傳統(tǒng)的數(shù)字控制(NC)來實現(xiàn)設(shè)備控制，用一個CAD/CAM軟件來預(yù)設(shè)生產(chǎn)流程和實現(xiàn)機器人程序化。”

當(dāng)總系統(tǒng)集成了硬件和軟件，也就具有了功能，該首部用于生產(chǎn)直徑為3.5?m、長度為6?m的加工技術(shù)演示機便能以干式纏繞作業(yè)的方式來進行生產(chǎn)作業(yè)。

2014年10月，KUKA公司就開始投入MAI ZPR項目(采用精密機器人進行切削加工項目)的研發(fā)工作并擔(dān)任該項目的領(lǐng)導(dǎo)。該項目列入了重點創(chuàng)新項目 MAI Carbon(碳材料研究項目)，由聯(lián)邦德國教育和研究部(BMBF)資助。KUKA公司與其合作伙伴DLR ZLP(德國航空航天聯(lián)合會的輕結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)中心)、Tebis技術(shù)信息系統(tǒng)股份公司、Hufschmied切削系統(tǒng)有限公司以及BCT 控制和DV系統(tǒng)有限公司共同合作，以研發(fā)機器人輔助的CFK生產(chǎn)材料以及類似CFK生產(chǎn)材料的其它輕量級材料和鋁材料的切削加工技術(shù)解決方案。通過該自動化和航空航天合作聯(lián)盟能夠確保實現(xiàn)應(yīng)用技術(shù)方面的研發(fā)。

KUKA公司機器人設(shè)備部門負責(zé)該項技術(shù)的項目工程師Tobias Maresch描述了在切削加工中應(yīng)用機器人的動議，他說：“使用機器人的優(yōu)點是能夠提供一個大的作業(yè)空間。”在進行加工作業(yè)時，通常是將機器人安裝在60～120?m2的空間內(nèi)。如果是將機器人布置在一個線性單元上，工作空間可任意擴大。Tobias Maresch補充道：“現(xiàn)在我們一個客戶的設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)如25?m長和3?m寬的結(jié)構(gòu)件的加工作業(yè)。”另一方面，機器人靈活就意味著，可使用同一臺機器人進行后續(xù)的流程，如結(jié)構(gòu)件的處理和質(zhì)量檢查等。“當(dāng)需要大的作業(yè)空間或大的作業(yè)靈活性時，我們提供的技術(shù)解決方案是傳統(tǒng)機床的優(yōu)選替代。”

圖2  機床工作臺可以很好地進行傾翻，再加之人性化的加裝和卸下加工工件以及加工作業(yè)人員在切削加工作業(yè)中處于最佳化的位置，這些均是模塊化標(biāo)準(zhǔn)加工單元的特點

Tobias Maresch工程師表示，在MAI ZPR項目的研發(fā)中，人們努力研究如何減少機器人相對CNC(計算機化數(shù)字控制機床)來說的缺點。為了提高整個系統(tǒng)的絕對精準(zhǔn)性，KUKA公司研發(fā)出了一個精密軌道校準(zhǔn)技術(shù)。未來應(yīng)能通過基于類型程序力偏移補償來均衡機器人受限的剛性。“對于很多切削加工界的潛在用戶，機器人一直是一個未知的事物。我們希望通過連接CNC(計算機化數(shù)字控制機床)標(biāo)準(zhǔn)，如借助于測量按鈕進行結(jié)構(gòu)件零點測量和應(yīng)用傳統(tǒng)的計算機輔助數(shù)字控制，從而進一步減小人們對機器人應(yīng)用的心理障礙。”

客戶專用系統(tǒng)技術(shù)解決方案和模塊化標(biāo)準(zhǔn)單元

Tobias Maresch表示：“以組合的技術(shù)訣竅和我們在技術(shù)項目中的研發(fā)為基礎(chǔ)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)加工單元形式的最佳化技術(shù)解決方案和為我們的客戶實現(xiàn)整個設(shè)備技術(shù)解決方案。”他又說，“為此，我們在KUKA公司的機械設(shè)備里有一個試驗和應(yīng)用單元，MAI ZPR項目的研發(fā)也使用該試驗和應(yīng)用單元，而且我們的研發(fā)仍在繼續(xù)進行。今后該試驗和應(yīng)用單元將會用于加強為客戶研發(fā)專用系統(tǒng)技術(shù)解決方案。”

以前，KUKA公司的機器人部門也為客戶研發(fā)專用系統(tǒng)技術(shù)解決方案。例如，KUKA公司專門為一家航天工業(yè)客戶實現(xiàn)了一個機器人輔助的加工單元。其特點是：通過一個集成的通用張緊系統(tǒng)可符合技術(shù)要求且重復(fù)性精準(zhǔn)地張緊200多個不同的纖維結(jié)合材料結(jié)構(gòu)件。工程師Tobias Maresch說：“除此之外，在進行結(jié)構(gòu)件加工時，不再需要其它附加的結(jié)構(gòu)件張緊裝置，這樣除了為我們的客戶節(jié)省了購置其它結(jié)構(gòu)件張緊裝置的費用，而且大大省去了我們客戶結(jié)構(gòu)件張緊裝置的庫存。”他接著說：“在我們公司的鑄鐵件加工中，我們除了使用 CNC(計算機化數(shù)字控制機床)外，還使用機器人。這些機器人用于為機床安裝加工工件和卸下加工工件、去飛刺、進行銑加工、鏜孔作業(yè)以及安裝螺紋件等工作。”KUKA公司除了為客戶研發(fā)專用系統(tǒng)技術(shù)解決方案外，還為客戶研制標(biāo)準(zhǔn)化加工單元。在此，一個真正的創(chuàng)新是KUKA傾翻技術(shù)系統(tǒng)：一個在進行加工作業(yè)時垂直豎立的機床工作臺，在加裝和卸下加工工件時，該機床工作臺向外傾翻90°，其優(yōu)點是：這樣一來，加工工件在機器人輔助的切削加工作業(yè)中處于最佳位置。切削加工產(chǎn)生的刨屑或所切下的一節(jié)節(jié)段狀物不會落在加工工件上，而是向下落到接刨屑的槽盆中。此外，通過安裝能夠向下傾翻的工作臺，該加工單元的工作人員在進行加工作業(yè)時處于人性化位置。Tobias Maresch說：“當(dāng)客戶需要時，我們研發(fā)的全集成化技術(shù)解決方案的加工單元還可以結(jié)合到客戶企業(yè)的材料流。”

模塊化的標(biāo)準(zhǔn)加工作業(yè)單元基于按照客戶的需求而相互連接的模塊。設(shè)置一至兩部機器人的標(biāo)準(zhǔn)加工作業(yè)單元最多可集成3個工作臺傾翻系統(tǒng)，通過使用可任選的防沖擊鋁制滾動門來實現(xiàn)換邊安裝和加工。由通用吸塵技術(shù)方案來應(yīng)對在加工作業(yè)時出現(xiàn)的嚴重纖維粉塵問題，將加工作業(yè)部分的粉塵污染降至最低。在此，滾動門和集成化吸塵裝置起著決定性的作用。

Tobias Maresch工程師表示，一個機器人輔助技術(shù)解決方案不僅僅只是經(jīng)濟的，在原則上也要是可行的，前沿領(lǐng)域已經(jīng)說明了這一點。“最最重要的是和我們的客戶共同進行工件加工試驗。”他又說，“由此，我們研發(fā)出符合客戶專門需求的最佳加工單元，而真正為客戶實現(xiàn)這樣的加工單元則是我們第二步的工作。”