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機器人柔性（xìng）激光切割高精度低成本解決方案

2016-12-9 來源：轉載作者：-

1. 機器人柔性激（jī）光切割在汽車行業的應用

機器人柔性激光切割在（zài）汽車行業的應用正變得日益普遍，這跟激光技術的發展和機器人精密軌跡控製技術的完善密不可分。機器人柔性激光切割以其柔（róu）性多變的解決（jué）方案形式及（jí）成本（běn）相對（duì）進口五軸（zhóu）機床低很多的優勢，使得汽車廠商開始嚐試（shì）並（bìng）逐（zhú）步批量購買使用。

機器（qì）人柔（róu）性激光切（qiē）割的方式多（duō）種多樣，既可以做成單機器人切割平台，又可以組（zǔ）合成柔（róu）性加工生產線。涉及的工件主要是（shì）兩種不同類型的零部件（jiàn）：一種是金屬件通過擠壓或者（zhě）拉延形成的3D車體結構（gòu）件（jiàn）和（hé）覆蓋件，包括熱成形（xíng）件等；另外一種是管狀（zhuàng）金屬結構件，包括排氣管、交叉梁等。覆蓋件傳統的（de）生產方式是通過開模具衝壓，然後再進（jìn）行衝孔模和切邊模等工序。熱成形件和管件通過昂貴的五軸激光切割機床來完成。正因為高昂的設備成本，所以（yǐ）隻有某些合資品牌的汽車廠商才有（yǒu）能力采（cǎi）購進（jìn）口（kǒu）五軸機床。而（ér）機器人激光三維切割應用往往得（dé）不到認可（kě），但因（yīn）涉及的因（yīn）素眾多，本文希望通過供需雙方的市場變化來闡述機器人柔性（xìng）激光切割解決方案的優勢。

2. 汽車用戶需求的變化帶來（lái）新商機

新形勢下汽車使用需求出（chū）現不同（tóng）的（de）態勢，這和過去車型單（dān）一且變化少的特點不一樣，客戶需求多樣化和個性化使得某種車型在中國銷售（shòu）過百萬的情形將成為曆（lì）史，越來越多（duō）新車型（xíng）湧現，而（ér）且老款車也（yě）每年都（dōu）需要進行或大（dà）或小（xiǎo）的改進。大部分車出（chū）現逐步批量縮小（xiǎo）的趨勢。因為（wéi）有些汽車廠（chǎng）商無法預測和保證將來該車型的銷（xiāo）量和穩定的產量，所以開始嚐試低成（chéng）本的機器人激光柔性切割設備或生產線。這種趨勢從汽車備件市場開（kāi）始，不斷地向工程機械、客車、農用車和（hé）電動車等領域拓展並普及。2013年出現了批量化采購設備的成功案例，用戶嚐到甜頭、確保低（dī）風險之後，開（kāi）始大批量用此取代傳統的開模具衝壓衝（chōng）孔切邊模式。

3. 傳統汽車行業（yè）應用的普通機器人在激光切割上的尷尬

我們有必要和大家探討一個問題，為什麽汽車行業使用了那（nà）麽多工業機器人，而此前（qián）卻在（zài）激光切割行業遭到質疑，答案有三個層麵。一是汽（qì）車行業機器人應用主要集中在精度要求低的點焊、弧焊、噴（pēn）塗及搬運等，而汽車行業激光切割（gē）應用往往要求很高的位置精度，且對（duì）小圓等小軌（guǐ）跡精度有很高的要（yào）求。另一方麵取決於機器人（rén）效率，一般機（jī）器人各個軸關節運動控（kòng）製速度比（bǐ）較慢，同時機器人（rén）手（shǒu）臂重量過大不適合（hé）高速運動。一些機器人雖然重量（liàng）較輕，但剛性存在不足（zú）。第（dì）三方麵是機器人剛性（xìng）。剛性差的機器人抖動厲（lì）害，機器人循跡（jì）性差（chà），而且機器人變形厲害（hài），無法準確達到工（gōng）件數模中需（xū）要（yào）切割（gē）的精確位置。

4. 史陶比爾的突（tū）破和解決方案

針對汽車行業需求，史陶比爾在激光行業推行（háng）RX160L倒裝方式龍門結構機器人柔性切割係統（tǒng）解決方案（見圖1）。該係統有以下幾方麵突破：

（1）大尺寸機器人具有寬幅麵采用RX160L機器人，2.05m的球型工作區域，切割台（tái）麵寬度可以達3m，超過昂貴的五軸機（jī）床工作台寬度，一般汽車零部件尺寸都在RX160L倒裝機器人工作區域內（nèi），有些（xiē）大工件也可以通過（guò）移動平台來實現。而一般機器人都是非球（qiú）型工作區域，所以實際切割中會遇到死角，迫使切割中斷，重新起弧切入，這讓汽車行業客戶無法接（jiē）受。

（2）機器（qì）人手臂重量輕、剛性好史陶比（bǐ）爾采用整體（tǐ）鑄造管狀結構（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機器人手臂質（zhì）量隻有250kg。

（3）機器人的機械精度差異機器人機（jī）械精度除了剛性差以外，最重（chóng）要的差異在於機械傳動的誤差，而機械傳動（dòng）的誤差主要（yào）體現在減速器上。一般機器人的減速係統都很龐大，而且都是采（cǎi）用普通減速器結構（gòu），齒輪間隙大，無法滿足機器人（rén）柔性激（jī）光切割在汽車行業的需求。而史陶比爾采用的獨特專利減速係統（tǒng）JCS，公司將一百多年在精密機械上的（de）經驗技術成功應用於機器人上。這就是為什麽史陶比（bǐ）爾比爾可以在（zài）小孔切割（gē）上得到客（kè）戶認可的原因。

5. 基於RX160L倒裝的柔性解決（jué）方（fāng）案

基本（běn）型解（jiě）決方案為（wéi）固定工作台麵式的，其特點是占地麵積小，通過機器（qì）人（rén）安全信號對（duì）產品分區，用戶可以同時固定多個工件（jiàn）的工裝夾具，隻要集成安（ān）全係統可以保證，機器人就可以在不（bú）同的工位切換，切割和上料不耽誤，這也是最經濟實惠（huì）的（de）解（jiě）決方案。這（zhè）在汽（qì）車備件市場和很多批量較小的場合得（dé）到客戶的青睞。

其他柔性解決方案是基於RX160L機器（qì）人的（de）開放（fàng）性展開的（de），通過不同形式的擴展軸（zhóu）和變位機構進行演變（biàn）。比如單一平台大幅麵型，雙（shuāng）向雙移（yí）動平台（tái）、單向雙移動平台及移動平台上拓（tuò）展單個或者旋轉變位機進行聯（lián）動同步切割。汽車零部件品種繁瑣，工（gōng）藝複雜，多機器人平台組可以很好適應汽車行業的需求；同時工件的上（shàng）下料、轉運、倉儲都可以采用機器（qì）人來執行，充分利用了（le）機器人柔性的特點，這樣機器人柔性（xìng）切（qiē）割係統就演變成了多機器人協作集中控製平台。

6. 五軸機床技術成功移植到機器人上

離線編程技術和自動生成工（gōng）裝夾具是機床行業（yè）得到推廣的關（guān）鍵技（jì）術之一，這些技術在機器人領域的開發和成功應用，使（shǐ）得（dé）機器人柔性（xìng）激光切（qiē）割解決方案和汽車行業應用客戶無縫鏈（liàn）接。傳統的（de）機（jī）器人編程方式是在線示教（jiāo）編程，示教編程本身費時

費力，特別（bié）是汽車覆蓋件或者管件（jiàn），需要切割的都是複雜空間曲線，示教無法（fǎ）達到設計要求，即便（biàn）降低要求（qiú），示教（jiāo）成本也是客戶無法接受的。機器人激光切割離線編程軟件的應用使得編程時（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（jiè）麵如圖2所示。

ROBOTMASTER機器人離線軟件可以虛擬真實的切割環境（jìng），包括機器人、激光切割工具頭、工（gōng）件及夾（jiá）具。軟件（jiàn）可以（yǐ）快速設置和優化（huà）最（zuì）佳機器人切割（gē）姿態（tài），如果係統出現幹涉或者超出範圍，軟件會智（zhì）能提示。機器人離線編程可以完全（quán）脫離實際機器（qì）人，生產和編程互不耽誤，最（zuì）大程度提高生產效率。

通過離線軟件（jiàn）還可以自動生成精密的工裝夾具。PEPS離線軟件是專門為STAUBLI定製（zhì）開發的機器人激光切（qiē）割離（lí）線（xiàn）編程軟件。它能夠提供自動生成工裝夾具程序，用戶可以根據工件三維數模（mó）來選擇工裝夾具並可（kě）進行微調。正在利用PEPS離線軟件進行人（rén）工微調自動生成的工裝夾具（jù）如圖3所示。設計好合適的夾具後係統（tǒng）自動把夾具所需的板（bǎn）材合理布置在一個平板上，通過機器（qì）人可以（yǐ）直接切割出夾具所需要的板件，最後拚裝出合適的工裝夾具。

7. 切（qiē）割效率由集成方（fāng）案及集成經驗決（jué）定

高（gāo）效率加工是五軸機（jī）床在汽車行（háng）業推廣的一個重要因素，而目前大部分汽車廠商不接受機器（qì）人（rén）的最重要（yào）原（yuán）因也是拿單個機器（qì）人的加工效率和五軸激（jī）光切割效率對（duì）比產生的。而我（wǒ）們認為效率是由集成（chéng）方案（àn）優劣和集（jí）成經驗決定的（de）。很多集成商選用不適合激光切割的普通機器人，效率低下且效果差，影響了汽車行業用戶對這個領域（yù）的認（rèn）知，否定了機器人方案。我們提出的觀點是優秀的集成商會選（xuǎn）用高精度的機器人整（zhěng）合到精密的（de）係統結構中，並根據不同的用戶產品（pǐn）由基本型演化成不同的機器人柔性切割方案，可以（yǐ）采用單機、雙機或多（duō）機和平台數量之間進（jìn）行組合。

集成商集成能力高低（dī）決定了最終（zhōng）切割效果和效率（lǜ）。德國JENOPTIK是（shì）史（shǐ）陶比（bǐ）爾公司的激光應用（yòng）集（jí）成商，采用史（shǐ）陶比爾定製（zhì）開（kāi）發的T X90激光切割專用機器人、定製輕型切割（gē）頭和獨有的（de）BIM（Beam-In-Motion）技術。該（gāi）設備的小（xiǎo）孔定位精度能夠達到± 5 0 μ m ，直線速度＞12m/min。如果產品產量（liàng）比較高（gāo），JENOPTIK公（gōng）司可（kě）以提供雙機器（qì）設備或者多機器人解決方案。如圖4所示，JENOPTIK定製的機（jī）器人正在進行熱成形高強度鋼切割，這在德（dé）國大眾POLO車（chē）型（xíng）上很（hěn）早就得到了成功應用（yòng）。

深圳大族激（jī）光在（zài）汽車行業應用的機器人激光切割解決方案如圖5所示，分別展示了機器人和整個係統外觀部分。係統和五軸機（jī）床的外型類似，但係（xì）統的柔性更勝一籌，這個係統包含（hán）兩（liǎng）個（gè）移動工作平台，機（jī）器人在兩個（gè）平台（tái）上（shàng）的（de）工件間切換，非工（gōng）作的移動平台（tái）推出來進行上料。深圳大族激光三維激光切割部劉旭飛經理告訴我們（men），這套係統的客戶（hù）是一個客車製造廠，車廠設備負（fù）責人對此非常滿（mǎn）意（yì），不僅切割效果（guǒ）好（hǎo），而且效率高，雙工（gōng）位平台不會浪費上料的時間，目前這個客戶（hù）已經購買近十台史陶比爾機器（qì）人設備。而且他們計劃重新設計一條（tiáo）衝壓線，用機器人柔（róu）性生產線來取代一條模具衝壓線，包括過程中的物料轉移也是通過機器（qì）人來完成，這（zhè）條線的

機器人（rén）用量可能（néng）會（huì）高達幾十（shí）台。據（jù）劉旭飛經理介紹，這（zhè）個項目（mù）初始階段，客戶還是非常猶豫的，在昂貴的五軸機床和（hé）機器人係統之間進行抉擇，最後在實際測試和各種性能參數保證的（de）情況下依然隻采購兩台機器人進行小範圍測試。當用（yòng）戶看到最終驗收時的效果後，開（kāi）始把購（gòu）買的台數擴大，並有了將來批量采用機器人的目標。這也給我（wǒ）們一些啟示，國內的各（gè）種車廠要初步接受機器人柔性（xìng）激光切（qiē）割方式還需要一定的時間，集成（chéng）商需要進（jìn）一步提（tí）高機器人集成能力，提高係統精度和速度，特別是係統的安全、穩定性，讓汽車行業用（yòng）戶（hù）逐步開始批量（liàng）采用機器人柔性激光（guāng）切割（gē）解決方案（àn）。

史陶比爾會（huì）和係統集成商一（yī）起不（bú）斷完善產品性能來滿足汽車行業（yè）的各種產品的（de）切割（gē）需求（qiú），讓本土的汽車（chē）廠商和零部件廠商（shāng）能夠批量（liàng）使用這種高（gāo）精度低成本的（de）解決（jué）方案，為正在（zài）個（gè）性化發展的汽車時代（dài）做一點貢獻。在此（cǐ）也感謝史陶比爾激光應用（yòng）行業的合作夥伴無錫創科源、大族激光、武漢法利萊等公司和我們（men）一起（qǐ）共同奮鬥（dòu），創造一個個成功案例，共同推進（jìn）機器（qì）人柔性激光切（qiē）割解決方案在汽車行業的（de）大批量應（yīng）用。

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