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FANUC 機器人在激(jī)光切割領域(yù)的應用研究
2023-7-10  來源:江蘇亞威創科源(yuán)激光裝備有限公司   作者:陳明 盧俊

    1. 機器人激光(guāng)切割市場
  
    機器人激光切割的使用行業主要有電梯、汽車配(pèi)套零部件(jiàn)、工程(chéng)機械、農業機械、罐體封(fēng)頭(tóu)、模具製造、運動器材、廚具、工業設計研(yán)究(jiū)院等行業,其中汽車(chē)行業占據半壁江山,比如江鈴汽車、北汽福田、宇通、金(jīn)龍汽車等國內知名的汽車廠商和近江汽車(chē)零部件、摩多巴克(kè)斯、勞士領汽車(chē)配(pèi)件(jiàn)、霍勤(qín)汽車零部件等大(dà)型汽車零部件配套商。應用特點 : 適用於汽車零部件、鈑金覆(fù)蓋件、管件和底盤件等多批次批量的生產 ; 可以替代開模(mó)衝壓,適(shì)合個性化生產,縮短產品的開發周期 ; 能夠自由、靈活的實現各種複雜三維曲線加工軌跡(jì) ; 通過機器人的編程示教,可以快速切換各種規格工件(jiàn)的(de)加工製造 ; 占地麵(miàn)積小、係統柔性(xìng)、容易集成自動化生產線。工作原理如圖 1。

  
    國務院在 2012 年發布《節(jiē)能與新能源汽車產業發展規劃(huá)(2012-2020 年)》後,汽車輕(qīng)量(liàng)化迫在眉睫,隨著近幾年(nián)汽車輕量化(huà)研究的持續推(tuī)進(jìn),熱衝壓成型這種(zhǒng)工藝應(yīng)用占汽車製造所(suǒ)需鈑金(jīn)的比列逐年遞增,成型件也(yě)從汽車的 A 柱、B柱向整體門環發展,這給了機(jī)器人三維(wéi)切割更多市(shì)場機(jī)會,也帶來了(le)過多挑戰,高端三維五(wǔ)軸激光切割機是機器人麵對三維件切割的最大替代者,三維五軸的效率是機器(qì)人切割的 2~3 倍,精度也比機器(qì)人稍高一些,機器人(rén)切割想(xiǎng)要在市場上(shàng)繼續保(bǎo)持競爭力,必須在(zài)設備成本、加工效率、機器人重複定位精(jīng)度、機器人能耗方麵持續提升。
  
    2.FANUC 機器人應用 
  
    2.1 如(rú)何選擇合適(shì)的機器人
  
    機器人切割中機器人的選擇主要考慮機器(qì)人的重複定位精度、機器人的負載、機器人的臂展及機器人的價格這幾個因素,本文隻考慮(lǜ) Fanuc國務院在 2012 年發布《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020 年)》後,汽車輕量化迫在眉(méi)睫,隨著近幾年(nián)汽車輕量化研究的持(chí)續推進,熱衝壓成型這種工藝應用占汽車製造所需鈑金的比列逐年遞增,成型件也從汽車的 A 柱、B柱(zhù)向(xiàng)整體門環發展,這給了機器人三維(wéi)切割更多市場機會,也帶來了過多挑戰,高端三維五軸激光切割機是機器人麵對三維件切(qiē)割的最大替代者,三維五軸的效率是機器人(rén)切割的 2~3 倍,精度也比機器人稍高一些,機器人(rén)切(qiē)割想要在市場上繼續保持競爭力,必(bì)須在(zài)設備成本、加工效率(lǜ)、機器人重複(fù)定位(wèi)精度、機器(qì)人能耗方麵持續提升。
  
    2.FANUC 機器人應用 
  
    2.1 如何選擇合適的機器人(rén)
  
    機器人切割中機器人的選(xuǎn)擇主要考慮機器人的重複定位精度、機器人的負載、機器人的臂展及(jí)機器人的價格這幾個因素,本(běn)文隻考慮 Fanuc品牌,綜合考慮以上因素,羅列了以(yǐ)下幾款,見表 1。

  
    實際應用過程中需要考慮客戶需求的加(jiā)工件範圍如何,切割最(zuì)大(dà)功率多大,配備的切(qiē)割頭及連接(jiē)機器人法蘭的模組重量等因素。當選用M20iB 機器人正裝時,圖 2 為當(dāng)加工工件上表麵時,工件擺放範圍的俯視圖 ; 圖 3 為當(dāng)加工工件(jiàn)側表麵(miàn)時,工件高度小(xiǎo)於 350mm 時,工件可(kě)擺放範圍的俯視圖。
  


    2.2 Fanuc機(jī)器(qì)人的切割編(biān)程
  
    示教器是主管應(yīng)用工具軟件(jiàn)與用戶(hù)之間的操作裝置。
  
    機器人與 PLC 之(zhī)間的通訊建立是應用的關鍵之一,Fanu 機器人提供 EtherNet/IP、EtherCat、Socket、OPC UA 等多種收費協議,為了能夠達(dá)到更(gèng)好(hǎo)的性價比,本文推薦使用(yòng)免費(fèi)的 Modbus/TCP 協(xié)議。Modbus 在 Fanuc 機器(qì)人應用中存在最大(dà)的問題是傳輸模擬量(liàng)信號時不穩(wěn)定,嚴重影響使用,為了解決(jué)這(zhè)個(gè)問題,建議(yì)將通訊中使用的(de)模擬量如激光器功(gōng)率、占(zhàn)空比、外部軸目標位(wèi)置值轉換為(wéi)二進製以 8~16 位數字量(liàng)組合替代使用。
  
    2.3 離線(xiàn)軟件配合(hé)使用
  
    針對複雜工件人工示教費事費力依舊無法達到良好(hǎo)效果時,客戶(hù)可以(yǐ)選擇離線(xiàn)軟件配合生(shēng)成機器人執行程序,在離線軟件中建立(lì)機器人、切割頭、工裝、工件模型,然後就點(diǎn)位、加工向量、運動路徑進行調整,在線(xiàn)模擬,可以快速實現機器人和工件相(xiàng)對合理的擺放位置,是否能(néng)夠避免幹(gàn)涉實現路徑規劃,優(yōu)化空走路徑,估算(suàn)加工時長等,最後根據集成(chéng)商要求(qiú)加入光、氣、電相(xiàng)應控製邏輯形成後置文件(jiàn)。目前市場上(shàng)主流的離線軟件有美國的 RobotmasterV7、俄羅斯的SprutCam 和 Fanuc 自帶的 ROBOGUIDE 幾款離線軟件,RobotmasterV7 在操作方便性、路徑優化上較(jiào)好,SprutCAM 在多機器人協調、外部軸配合以及價格方麵(miàn)有一定優勢,ROBOGUIDE在項目前期無需實物、搭建環境,編寫程序(xù)快速(sù)對項目(mù)可行性進行驗證及完成項目(mù)前期工作,減少後期(qī)調試時間。
  
    3. 典型解決方案
  
    3.1 TCP 值示(shì)教
  
    機器人實際切割應用中,需要寫入 TCP 值,首先(xiān)可以使用機器人(rén)自帶的六點法進行示教,得出工具值填(tián)入係統(tǒng)中,但由於切(qiē)割頭一般裝在隨動係統下,且切割頭末端並非(fēi)尖點,用此方法得出的工具值(zhí)不利於(yú)實際應用。本文根據實際應用經驗總(zǒng)結出(chū)一套簡單快速的調(diào)整方法,首先根(gēn)據(jù)切割頭(tóu)粗測量(liàng)及右(yòu)手法則對法蘭中心的變化(huà)輸入 TCP 估(gū)算值,如 X=280,Y=0,Z=190,RX=-180,RY=-90,RZ=0。第(dì)二步是在切割頭垂直正下方建一個 MON 直角坐標係,打開激光器紅光,把切割嘴平移到原點 0 的(de)正上方,在機器人工具坐標(biāo)係下將 Z 軸拉(lā)高,如果紅光沿 M 軸正方向移動,增大 RY 的值,反之減小,如此反複直至光斑不沿(yán) M 軸運動為止。第三步依舊將切割頭平移到原(yuán)點 O 正上方,通過開啟隨動將 Z 軸的高(gāo)度移動到最(zuì)佳切(qiē)割位置,在工具坐標係下按(àn)RZ+ 順時針旋轉(zhuǎn) 90°,根(gēn)據紅(hóng)光在 MON 坐標係中的運動情況更改(gǎi)工具值,如圖 4,a 把 Y 值增(zēng)大(dà)圓弧的半(bàn)徑大小,b 把 Y 值減小圓弧的半徑大小,c 把 Z 值增大圓(yuán)弧的(de)半徑大小,d 把(bǎ) Z 值減(jiǎn)小圓弧的半徑大小,重複此過程,直至紅光光斑(bān)移動在 0.2mm 之內。
  
    在(zài)上麵基(jī)礎上按 RZ+ 逆時針旋轉 90°,如圖5,e 把 Y 值增大(dà)圓弧的半徑大小,f 把 Y 值減小圓弧的半徑大小,g 把(bǎ) Z 值減小圓弧的半徑大小(xiǎo),h 把 Z 值增(zēng)大圓(yuán)弧的半徑大小,至此,一個較為準確的工具值實際完成。
 
 
  

    3.2 多工位應用
  
    在 Fanuc 機器人中可以使用IF+JMP/LBL、SELECT+CALL 和 RI 參(cān)數自行編輯多工位控製程(chéng)序,亦可以使用 Fanuc 機器人提供的RSR 機器人(rén)服務(wù)請求方式(shì)或 PNS 機(jī)器人程序編號選擇啟動方式。所需啟動的機器人程序可以(yǐ)使用(yòng)外部控製設備如 PLC 等(děng)通過信號的輸入、輸出來選(xuǎn)擇和執行,係統(tǒng)信號是機器人發送和接收外部控製(zhì)設備的信號,以此(cǐ)實(shí)現機器人程序(xù)運行。RSR 特點(diǎn) : 當一個程序正在(zài)執行或者中斷時,被3.2 多工(gōng)位應用在 Fanuc 機器人中(zhōng)可以使用 IF+JMP/LBL、
SELECT+CALL 和 RI 參(cān)數自行編輯(jí)多工位控製程序,亦可以使用 Fanuc 機器人(rén)提供的RSR 機器人服務請(qǐng)求方式或(huò) PNS 機器人程序編號選擇(zé)啟動方式。所需啟動的機器人程序可以使用外部控製設備如 PLC 等通過信號的輸入、輸出來選擇和(hé)執(zhí)行,係統信號是機器人發送和接收外部控製設(shè)備的信號,以此(cǐ)實現機器人程序運行。RSR 特點 : 當(dāng)一(yī)個程序正在執行或者中斷時,被3.2 多(duō)工位應用在 Fanuc 機器人中可以使用IF+JMP/LBL、SELECT+CALL 和 RI 參數自(zì)行編(biān)輯多工位(wèi)控製(zhì)程序,亦可以使用 Fanuc 機器人提(tí)供的RSR 機器人服(fú)務請求方式或 PNS 機器人程序編號選(xuǎn)擇啟動(dòng)方式。所需啟動的機器人程(chéng)序可以使用外部控製設備如 PLC 等通過信(xìn)號(hào)的(de)輸入、輸出來選擇和執行,係統信號是機器人發(fā)送和接收外部控製(zhì)設備的信號,以(yǐ)此實現機(jī)器人程序運行。RSR 特點 : 當一個程序正在執行或者中斷時,被選擇的(de)程序處於等待狀態,一旦原先的(de)程序停止(zhǐ),就開始運行被選擇的程序 ; 隻能(néng)選擇 8 個程序。RSR 程序名必須為 7 位(wèi),由 RSR+4 位程序號組成,程序(xù)號為 RSR 記錄號 + 基數。PNS 由 8位 RI 組合進行程序號選擇,最多可控製 256 個程序。

    3.3 外部(bù)軸應(yīng)用
  
    外部軸應用主要有與機器人同(tóng)組應用,如機器人底座安裝在移動軸上,或(huò)與機(jī)器人(rén)協調配合屬於不(bú)同分組的變位(wèi)機控製。下麵定義幾種常用的變位機類型,可以(yǐ)解決大部分客戶需求,A 型變位機(jī)如圖 6 所示,配 2 個(gè)旋(xuán)轉電機,其中需(xū)要重(chóng)點考慮的是豎直旋轉的減速機選擇,為了實現無線旋轉,考慮(lǜ)走線必須采用中(zhōng)空減速機,為了實現成本控(kòng)製,選用偏心減速機時要著重研究走線布局和內部密(mì)封問題。C 型變位(wèi)機定義為旋轉平台,目(mù)前我們(men)選用的為(wéi) Weiss 和德克斯 2 個品牌,具體型號可以根據工位(wèi)到位需求時間、工位負載(zǎi)、工件尺寸等因素決定。A 型變位機麵(miàn)向的主要群(qún)體為異型管件,C 型覆蓋(gài)麵更(gèng)廣,管件和鈑金覆蓋件(jiàn)均能使用,當 C 和 A 的(de)組合我們命名為 B 型變(biàn)位機。根據工件的難易程度、幹涉、範圍可以設計出更多類型變位機,主要(yào)考慮集成化,模塊(kuài)化,參數設計化,通用性強,盡可能采用中空式結構,考慮氣路、電纜的走(zǒu)線(xiàn)。



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