懸臂式加工機(jī)器人
一、懸臂式加工機(jī)器人的部分用處
密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的毛坯為鑄鋼件,為提高表面硬度整個外表面堆焊一層耐磨合金。堆焊前需要對其表面進(jìn)行打磨,堆焊后要打磨到表面粗糙度很小。機(jī)車上有的大型鈑焊件的焊口要打磨,不同種類要打磨工件的焊口位置和數(shù)量不同。這類打磨拋光類任務(wù)通常要求配大型變位工裝,要求五軸機(jī)器人能帶動砂帶機(jī)和砂輪工具等工具對工件焊口進(jìn)行打磨和拋光。
在汽車、飛機(jī)和大型軸類件的生產(chǎn)過程中會要求對一些大型零件進(jìn)行鉆孔,銑削擴(kuò)孔,攻絲,銑削加工,倒角和拋光等。加工的對象可能會非常大,加工位置在復(fù)雜曲面的不同方位上。這就要求加工機(jī)器人的控制系統(tǒng)能自動把來自CAD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為加工數(shù)據(jù),或通過示教方式產(chǎn)生加工程序。機(jī)器人不僅能向關(guān)節(jié)機(jī)器人一樣靈活,又有大型龍門銑的工作空間,剛性和精度。
很多大型軸類件可達(dá)數(shù)十米長,需要激光焊接,激光熔覆和激光淬火等加工處理。類似的應(yīng)用還有大型模具的淬火,熔覆修補(bǔ)和打磨加工等。還有對煤機(jī)等大型設(shè)備的噴砂和噴涂任務(wù)等。針對這些應(yīng)用要求機(jī)器人的有效行程數(shù)十米,要五軸或六軸聯(lián)動,精度要高,剛性要好。
針對上面的應(yīng)用特點(diǎn)和方便被加工工件的上下料我們設(shè)計(jì)制造了懸臂式加工機(jī)器人。根據(jù)不同的任務(wù)需要,開發(fā)了從四軸到七軸懸臂式加工機(jī)器人。
二、關(guān)節(jié)機(jī)器人的不足
這類打磨,拋光,鉆孔和銑削加工等不僅要求點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動位置精確,還要求能精確按樣條函數(shù)類的空間曲線精確運(yùn)動及定位。目前能完成這類精確空間軌跡插補(bǔ)運(yùn)動,剛性又非常高的機(jī)器人很少,主要是歐洲的機(jī)器人。例如德國Manutec公司的機(jī)器人就采用特殊的,消除間隙的行星減速機(jī),否則剛性和精度都滿足不了需要。如果工件超過機(jī)器人的工作半徑,例如10米長,關(guān)節(jié)機(jī)器人還要安裝在軌道上,非常占地和不方便。如果帶動大型砂帶機(jī)和大功率動力頭,進(jìn)行打磨和銑削加工,能合適的關(guān)節(jié)機(jī)器人非常少,又非常昂貴。這類合適的關(guān)節(jié)機(jī)器人成本高,絕對定位精度都比較低,但維護(hù)復(fù)雜和維護(hù)成本很高。
圖1:采用關(guān)節(jié)機(jī)器人不僅要有地軌,剛性,精度和效率都低。
三、懸臂式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
針對前面介紹的加工要求,沈陽萊茵機(jī)器人在趙永瑞教授的指導(dǎo)下,一同開發(fā)了大型懸臂式五軸機(jī)器人。懸臂式加工機(jī)器人綜合了加工中心的高強(qiáng)度,高空間定位精度的特點(diǎn),和關(guān)節(jié)機(jī)器人的高度靈活性和高動態(tài)特性。下面介紹懸臂式加工機(jī)器人的各個部分。
1、機(jī)器人的XYZ三個直線運(yùn)動軸
懸臂式加工機(jī)器人的X軸,Y軸和Z軸三個直線運(yùn)動軸采用類似數(shù)控機(jī)床式的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度要求。它們都采用直線導(dǎo)軌導(dǎo)向,精密滾珠絲桿傳動或精密齒輪齒條傳動和伺服電機(jī)驅(qū)動。對于精度高的機(jī)器人采用光柵尺反饋構(gòu)成閉環(huán)控制。此外所用的機(jī)器人控制系統(tǒng)也具有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能,如絲桿誤差補(bǔ)償,反向間隙補(bǔ)償?shù)龋梢越庸鈻懦叻答佇畔⒌鹊忍岣呔鹊拇胧?。其結(jié)果是三個直線運(yùn)動軸的定位精度可以做到數(shù)控銑的精度,重復(fù)定位精度通常高于在?0.002mm。剛性類似數(shù)控加工中心,可以高效,長期,可靠地工作。
圖2是懸臂式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,其主要特點(diǎn)是X軸的有效行程可以做到數(shù)十米長,Y軸的有效行程可以做到3米或更長,Z軸的行程也能做得2米,這類超大型機(jī)器人特別適合大型工件的去毛刺,拋光,鉆孔,銑削加工,噴砂,噴涂和拋光等任務(wù)。
2、機(jī)器人的轉(zhuǎn)動軸
通常在Z軸的最下端裝配有A軸和C軸兩個轉(zhuǎn)動軸,它們由精密諧波減速機(jī)傳動,交流伺服電機(jī)驅(qū)動。在設(shè)計(jì)時我們盡可能減少A軸和C軸的旋轉(zhuǎn)半徑,其結(jié)果是不僅兩個轉(zhuǎn)動軸A軸和C軸具有關(guān)節(jié)機(jī)器人末端關(guān)節(jié)的高速高動態(tài)特性,還有遠(yuǎn)高于常見關(guān)節(jié)機(jī)器人的高鋼性和運(yùn)動精度。通常AC兩個軸的轉(zhuǎn)動半徑為0,其結(jié)果是當(dāng)A軸,或C軸,或AC兩個軸轉(zhuǎn)動時僅僅改變刀尖的方向,但不改變刀尖的XYZ坐標(biāo)值。類似的原理可以還為用戶設(shè)計(jì)制造過三個傳動軸全部安裝在Z軸下端,刀具不僅可以從上向下銑削,還可以從下向上以近似60度的角度進(jìn)行銑削加工。
圖2:大軸軸類件的打磨拋光要采用懸臂式五軸機(jī)器人和變位工裝。大行程時采用齒輪齒條轉(zhuǎn)動。
圖3:懸臂式機(jī)器人末端三個轉(zhuǎn)動軸的兩種結(jié)構(gòu)方式。
四、機(jī)器人控制系統(tǒng)簡介
1、系統(tǒng)基本功能
采用德國產(chǎn)八軸聯(lián)動多通道數(shù)控系統(tǒng)Editasc。該系統(tǒng)除了具有西門子840D的全部功能外,還是六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的理想控制系統(tǒng)。例如在德國被用于控制關(guān)節(jié)機(jī)器人抓取眼睛框進(jìn)行精密拋光。Editasc系統(tǒng)具有超強(qiáng)預(yù)讀功能確保打磨拋光高速,平穩(wěn)和精確進(jìn)行。具有CAD圖形編程,示教編程和樣條函數(shù)功能簡化了復(fù)雜軌跡的編程。該系統(tǒng)具有大跨度龍門機(jī)床兩軸同步控制功能,龍門軸下沉傾斜補(bǔ)償功能,3D刀具補(bǔ)償,復(fù)合軸功能,多通道功能和RCTP功能??梢越邮展鈻懦吆透鞣N編碼器反饋信號,適合高速高精設(shè)備的控制,能以每秒10000次位置環(huán)PID調(diào)節(jié)周期精密控制確保位置精度。
2、手脈操作器輔助示教編程功能
僅僅示教鑰匙處于合閉位置(鑰匙取下),而自動運(yùn)行方式的鑰匙處于斷開位置(狀態(tài))才可以進(jìn)入示教操作方式。在示教運(yùn)行方式下僅允許如下操作:
1)回零點(diǎn),
2)用手脈操作各種軸,
3) 進(jìn)入示教編程操作,
4)選擇及打開原來已經(jīng)存在的用戶程序(屬性T)。
5)或新建立一個程序及命名(程序?qū)傩?span style="font-family:'Times New Roman';">T)。
6)圖示該程序
7)運(yùn)行該程序,可以全部運(yùn)行,可以單段運(yùn)行,可以用選擇部分程序段運(yùn)行。
8)可以在程序中隨時修改加速度和速度。
9) 仿真運(yùn)行該程序,
10)可以復(fù)制和刪除程序。要有二次確認(rèn)功能,以防誤操作。
11)對剛打開的程序重新命名(另存為)。
12)退出自動運(yùn)行方式到主頁面方式下。
圖4:該數(shù)控系統(tǒng)不僅是五軸機(jī)床的高檔控制系統(tǒng),也是關(guān)節(jié)機(jī)器人的理想控制系統(tǒng)。
為了簡化示教編程,我們特意請德國專家開發(fā)了專用程序。比例走直線段就用手脈確定開始和結(jié)束兩個點(diǎn)。走3D圓弧就用手脈確定開始,中間點(diǎn)和結(jié)束三點(diǎn)。走3D圓就用手脈確定圓上的四個點(diǎn)。這些點(diǎn)的對應(yīng)坐標(biāo)自動進(jìn)入程序中,系統(tǒng)自動生成5軸連動運(yùn)動命令。整個示教過程就用手脈操作器一個人獨(dú)立完成,快速高效安全。
3、運(yùn)行來自CAM的程序
很多復(fù)雜的任務(wù)不方便或無法通過人工編程或示教編程產(chǎn)生所要的加工程序,Editasc系統(tǒng)能接收多種CAM軟件產(chǎn)生的G代碼程序。其中G代碼和M代碼的格式與840D系統(tǒng)的相同。如果要特殊的G代碼和M代碼及格式,我們可以修改目前的G代碼定義來滿足這些要求。
4、仿真運(yùn)行及單步運(yùn)行
對應(yīng)復(fù)雜的加工可以先圖示,在圖示時對任意加工為主進(jìn)行局部放大觀察。還可以仿真運(yùn)行。在仿真運(yùn)行沒有問題的情況下,可以慢速單步運(yùn)行。可以在圖像上選擇一些程序段一起運(yùn)行。關(guān)鍵位置運(yùn)行的精細(xì)些,慢些運(yùn)行。而不重要的部分,絕對安全的部分可以快速運(yùn)行。在運(yùn)行過程中操作者可以拿手動操作器來隨時停止運(yùn)行,確保安全。
五、多種配置方式
1、選用電動或氣動打磨去毛刺工具
打磨工具可以是電主軸配銑削刀具,也可以是氣動打磨頭。可以是剛性連接的電主軸,這主要對精度高的齒輪,或?qū)ぜ叽缫蟛桓叩蔫T件類。由于齒輪精度很高,采用固定主軸就可以。也有的用戶為了簡化編程采用柔性主軸,靠刀具半徑補(bǔ)償來自適應(yīng)打磨去毛刺。
2、選擇兩個或三個動力頭
有的齒輪除了齒的兩端要倒角去毛刺,在齒輪內(nèi)部也有一些部位要倒角去毛刺。為了能使刀具能自動到達(dá)要打磨位置,可以一次裝有兩個或三個不同的動力頭來完成不同部分,不同尺寸空間內(nèi)的去毛刺任務(wù)??繖C(jī)器人的AC軸的運(yùn)動能更好地使用各個刀具完成去毛刺任務(wù)。有時再加上B軸帶動刀具自身轉(zhuǎn)動。
3、自動換刀功能
也可以向加工中心一樣選擇帶帶自動換刀的動力頭,來更換不同的倒角工件。比如不同形狀的銑削刀具,多種鋼絲刷和微性砂帶機(jī)等。
圖5:單打磨頭和多個打磨頭的設(shè)計(jì)方案及照片
六、加工機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)
1、XYZ采用數(shù)控加工中心相同的結(jié)構(gòu),靠直線導(dǎo)軌導(dǎo)向和精密滾珠絲桿轉(zhuǎn)動,使其具體類似加工中心的剛性,穩(wěn)定性和精度。工作過程中重復(fù)定位精度可達(dá)?0.004mm,
2、AC兩個轉(zhuǎn)動軸利用精密諧波減速機(jī),不但具有關(guān)節(jié)機(jī)器人的高速靈活性,高動態(tài)特性,但轉(zhuǎn)動半徑幾乎為零,其結(jié)果是精度更高,剛性更好。
3、利用RCTP編程功能和AC軸轉(zhuǎn)動半徑幾乎為零,刀具僅僅靠AC兩個軸的轉(zhuǎn)動就能快速改變刀尖方向,但刀尖位置不變,這樣加工起來速度快,空跑位置少。
4、整個設(shè)備具有五軸加中心的高強(qiáng)度,高剛性,高精度,又具有關(guān)節(jié)機(jī)器人的高速高動態(tài)特性,是理想的加工型機(jī)器人。
5、 采用最新的數(shù)控系統(tǒng),編程簡單,友好。
6、 運(yùn)動軌跡中各個程序段的運(yùn)行速度可以通過試運(yùn)行看刀具效果來確定。
7、 可以通過單段運(yùn)行方式逐步逐端驗(yàn)證及修改程序。
8、 可以設(shè)置修改各個部分倒角的形狀,如角度和大小等。
9、 可以選配力控制,來自動適應(yīng)不同位置的倒角量及倒角速度。
10、 可以帶自動測量頭,自動識別記錄要倒角的軌跡。
11、 可以選擇自動換刀換工具系統(tǒng),來完成不同的倒角和拋光等任務(wù)。
12、 倒角量小時可以以2,5m/min 的速度來完成倒角。
13、 可以選配一個到兩個轉(zhuǎn)動軸,來帶動工件轉(zhuǎn)動和擺動,方便倒角及提供倒角效率。
14、 沒有要求特殊的工具,常見的氣動,電動工件就可以用來倒角和拋光
15、 可以示教編程和離線CAM編程,快捷實(shí)用。
七、應(yīng)用及展望
1、這類六軸聯(lián)動去毛刺機(jī)器人在德國和瑞士主要取代關(guān)節(jié)機(jī)器人完成多種齒輪去毛刺任務(wù)。
2、有多臺設(shè)備多年類在國內(nèi)幾個著名汽車配件廠和壓鑄件廠對多種復(fù)雜的鑄件去毛刺,高效,一致性好,穩(wěn)定性高,深受用戶稱贊。
3、被用戶用于大型鋼件倒角,焊口打磨等。
4、可以用于大型軸類件的表面拋光去毛刺任務(wù),帶動砂帶機(jī),砂輪機(jī),刷子和銑刀來完成不同部位不同的打磨去毛刺和拋光任務(wù)。
5、這類設(shè)備還可以用于很多工件內(nèi)部交叉孔的去毛刺。
技術(shù)支持:沈陽萊茵機(jī)器人有限公司
聯(lián)系方式:024-25817009
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