机器人取代机床

　　在机械工厂内存在一种典型的沟通障碍。机器人运行他们各自的特定品牌语言，而传统的CNC计算机数控机床则读取通过CAM软件生成的G代码。但是如果对机器人的控制器编程，使其直接从CAD/CAM程序中读取G代码，那该怎么办呢？

　　该机器人可以获得一台CNC计算机数控机床的功能，包括全部5在机械工厂内存在一种典型的沟通障碍。机器人运行他们各自的特定品牌语言，而传统的CNC计算机数控机床则读取通过CAM软件生成的G代码。但是如果对机器人的控制器编程，使其直接从CAD/CAM程序中读取G代码，那该怎么办呢？

　　该机器人可以获得一台CNC计算机数控机床的功能，包括全部5轴轮廓面加工功能，并且对它进行数分钟的编程就可以使其在任意的3轴或5轴工件上进行加工。目前的技术在机器人准备开始工作之前往往需要几小时，甚至几天时间的编程。此外，包括这类机器人在内的加工单元能够提供一种低成本的替代方案来代替加工中心和刳刨机进行二次零件加工，并且可以消除那些机床在加工大型零件时的工作区限制。

　　Programming Plus公司称它的机器人加工单元将这种“如果怎么办”假定变成了现实。该机器人加工单元的关键在于New Berlin, Wisc公司开发的软件，它将CAM生成的准备用于5轴机床的G代码平滑地转换成6轴机器人可用的代码。PPI 的机器人销售工程师Tim Brooks说，世界上还没有任何一家其他公司做到了这一点。Programming Plus 专门从事CAD/CAM、DNC和车间自动化。

　　Programming Plus使用Delcam Power-Mill软件来生成Kuka Robotics 机器人的G代码，提供给它机器人的加工单元（RMC）。由于该单元像机床那样工作，所以操作员可以启动或关闭机器人的转轴，改变每分钟转数，以及决定速度和进给。Brooks说，到目前为止，还不能执行这些功能，因为它们不在机器人的控制范围内。

　　车间往往使用配备有主轴的传统机器人，以便在零件轮廓周围修边、切割和去毛刺。但是这些车间必须“教”机器人，把它们移动到零件周围的若干个点上，零件越复杂，教授的时间就越长。教机器人从一个零件移动到另一个不同的零件则需要更多的教授。机器人加工单元内的机器人不用教就能从一个零件移动到下一个零件，无论零件的复杂程度如何，它们在30分钟准备时间之内即可完成移动。

　　如果操作员不满意机器人加工单元内的机器人切削路径，那么他可以在CAM系统中改变切削路径，或者他可以手工教授这种改变并将其插入路径中，重新保存程序并运行它。此外，由于机器人加工单元使用Delcam的PowerMill软件，所以车间可以执行机器人和零件加工仿真来检查可能的碰撞和障碍，并在运行程序之前进行干涉检查。另外，Brooks称他公司的软件不久将使车间能够通过摄像机，从Internet上远程监控机器人。

　　Programming Plus的软件还可以为车间提供其他的方便：解决奇异性问题。当机器人的所有轴接近为零时，发生奇异性问题。它们增加速度以便跟上，它们到达某个点，在此处它们移动得过快，并且在某种程度上，它们锁定并停止。这种情况类似于一台车床上的恒定表面进尺。问题是车间无法预料奇异性将在何处发生。

　　幸运的是，当机器人加工单元软件向机器人转换G代码时，它评估程序是否存在可能引起奇异性的物理配置。如果发现任何这样的物理配置，则软件修改程序以消除它们。

　　大多数车间并未将5轴轮廓面加工与机器人联系起来，主要是因为需要花费大量的时间来把所有必要的数据点教给机器人。相反，车间使用CNC计算机数控机床。如果是大型零件，则它们被分成适合机床的数块工件并在切削后重新装配起来。换句话说，车间将拆除机床面板和装料门，以便将需要切削的工件部分固定在机床上，而使零件剩余的部分从侧边悬空或伸出。

　　使用机器人加工单元的车间可以在一步准备工作中加工整个零件，因为该单元不像加工中心那样具有精确定义的工作区。零件可以搁置在车间的地面上或者可以将它们夹持在工作台上的工件夹上，只要准备工作在机器人的可达范围内，它们就可以被加工。在某些情况下，机器人的伸出长度可延伸至25英尺。

　　机器人加工单元目前的理想应用是这样一种应用，它涉及将要在4轴或5轴加工中心上加工的大型、复杂零件，它们由软材料，例如：塑料、玻璃纤维、碳化纤维合成物和样机设计中所用的材料制成。但是，Brooks希望本公司的机器人加工单元在今年年底被用于加工软金属。

　　当加工金属时，有两个因素制约了大多数机器人：精度和扭矩。平均而言，如今的机器人精确到了0.004英寸。尽管大多数金属零件需要精密加工，但是还有一些应用中可以接受机器人的精度，例如：准备好粗加工零件，以利于CNC计算机数控机床上的精加工。

　　利用更大功率的转轴即可获得机器人加工软金属所需的增强扭矩，但是机器人必须足够强壮和坚固以便掌控那些转轴，Brooks说。
Programming Plus在其机器人加工单元中使用Kuka机器人，Kuka公司的战略联盟主管Joe Campbell称有几项技术支持机器人加工。例如，诸如Kuka等公司现在正在建造比以往具有更大机械刚性、更坚固的机器人。

　　轮系中更紧的公差减少了机器人的齿间隙，而有限元素分析和计算机仿真工具已经帮助消除机器人铸件的挠曲。机器人更加智能，展示严密的运动控制，制造商们可以比过去更好地改善他们的不准确性。

　　“我们现在有一个值得从事机械加工的机器人平台，” Campbell说，“它听起来可能没什么大不了，但是与机器人的体积相比，考虑到机床的体积，如今的机器人相当坚固和强壮。”

　　Kuka提供多种机器人用于加工，包括它的KR60-HA, KR210和 KR240型。KR60s目前是Kuka最精密的机器人，因为它们采用了配套的齿轮组和其他组装工艺技术，这些技术校准它们以利于高精度。Campbell解释说在加工硬质金属时，机器人切除的材料与精度水平之间要相互折衷。例如，一车间从压铸摩托车轮上清除铸模记号和铸料，它可能使用一台CNC计算机数控机床，但是这项工作非常适合于机器人，因为它要求精度和少量的材料切削。另一方面，他说在硬质材料上切割键槽并非适合于机器人的理想应用。“机器人不能完成在机床上所做的许多工作。但是，有很多车间使用CNC计算机数控机床来执行二次加工工艺，而机器人完全能够从事这些加工。”Campbell说。

　　KR210与 KR240型 Kuka机器人处理大载荷。虽然铣床主轴并不那么重，但是机器人具备强大的电机功率以便在沿着切削路径移动时维持位置。“机床制造商们谈论机床主轴的马力。我们从事机器人业务则关心有效负载能力。”Campbell说。

　　Programming Plus所用的Kuka机器人轻而易举地承载30及40马力的主轴。Kuka最强壮的机器人，在它的25英尺伸出长度范围内，能举起重达1100磅的有效载荷。公司正在致力于开发更大型的机器人，Campbell称它们将引发金属切削应用中的更多可能性。目前正在试验中的其他Kuka机器人具有低移动速度，但是高的扭矩和刚性能够进一步提高机器人的材料切削能力。

　　在加工应用中，机器人常常使用力和扭矩传感器以便于它们 “感知”表面的不一致性和不完整性，并切除最小量的材料来纠正它们。例如，为了把两个表面结合在一起，机器人自动调整所应用的扭矩和力，以帮助它避免损伤表面或者从零件上切除过多的材料。力和扭矩传感器集成在机器人的肘节内，机器人控制器监视它们的工作。那些传感器和控制器结合在一起使用户能够规定机器人施加力的方向，Campbell说。
一个典型的机器人加工单元由以下设备组成：一个机器人，它具有一根5到10马力的主轴，一个有盖的换刀架，它带有10把刀具，一台决定负载刀具长度的装置，还有一个激光系统，它定位工件以简化零件到零件之间的准备工作。主轴尺寸取决于应用。

　　一个Programming Plus系统机器人能自动换刀。Campbell说在机器人一方更换刀具很普通，公司的标准铣头换刀装置直接、简单。这种能力使单元机器人能够自己装载。它们拆下铣刀，把零件装载到单元内，重新安装刀具并切削零件。

　　“我们听说对RMC感兴趣的客户的动机是产量。大多数CNC计算机数控机床，除非是自动的，否则它们的利用率都较低，这意味着它们的铣头在准备时间和其他非切削活动，并非时刻在旋转。相反，我们的机器人加工单元轻而易举地在它们的工作区内容纳多个零件，允许机器人从一个零件移动到另一个零件，以便利用较少的资金总额获得相当大的产量，” Campbell说。

　　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?

　　针对特定的应用场合加工“合适”的刀刃并非易事。就在前不久，人们还一直认为生成刀刃槽形不是科学，而更是一种艺术，因为切削刀具在耐磨性及硬度质量方面要求很高，因此加工出满意的槽形非常困难。

　　但是，加工适当的切削刃对刀具性能及寿命有很大的影响。正确的切削刃加工过程可以降低常见的失效原因，诸如：劈裂、热感应引起的失效以及切屑瘤等而延长刀具寿命，并且可以很大的提高刀具的可靠性。适当珩磨的刀具还可以提高加工工序的重复精度，有助于实现无人看管加工。

　　刀刃珩磨是在微观规模上进行的磨蚀过程，需要借助成套过程控制来保持紧密公差。但是，很难在切削刀具材料上控制金属去除率以及刀刃一致性。通常，珩磨过程是通过训练有素的猜测导引的，并且受制于机床的变化以及操作员的技能。

　　普通珩磨过程容易过多加工刀具的拐角，并且因为来料各不相同，很难在一把刀一把刀基础上进行控制。不仅刀刃珩磨很难控制，同时由于切削条件也随单个切削刃发生变化，因此加工切削刃的最佳尺寸会随加工工件变化而沿切削刃发生变化。

　　密执安科技大学机械工程-工程力学系的副教授，同时是位于密执安州Houghton市的加工分析技术公司的总裁William J. Enders博士认为：“用户要求刀具拐角处刀刃半径较小，因为未切的切屑厚度沿拐角半径减少。”在过去十多年的时间里，他一直在研究刀刃加工方面的问题。

　　在刀具的前刃上，未切切屑的厚度最大，刀刃需要最大的保护。但是，在刀具的后刃上，未切切屑厚度几乎下降为0， 因此珩磨量应该相应降低。对于恒定珩磨量——大小为保护前刃而制定，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、温度及磨损。

　　直到现在，加工切削刃的方法也没有如切削刀具其他方面有关的技术发展快，诸如材料基质、槽形以及涂层等。利用自己的工程微几何工艺，位于宾夕法尼亚州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术。该工艺采用致密碳化硅纤维刷结合计算机数字控制而一贯并精确加工出刀刃形状，公差达0.0003英寸，比大部分传统珩磨方法的精度提高了一个数量级。

　　Conicity的执行副总裁Bill Shaffer说：“通过控制刀刃参数，工程微几何工艺可以在达到正确珩磨量时停止材料去除过程。因此，刀刃加工尺寸在切削刃上分布开，维持某特定的未切切屑厚度对刀刃加工尺寸比。”他继续说：“例如，在一把可转位刀片或刀座式刀具上，在刀具端部半径处，刀刃加工融合了刀刃加工过程中未切切屑厚度变化。随着未切切屑厚度降低，刀刃加工尺寸降低。”

　　具有变化式刀刃的刀具切削效率更高，因为其切削刃尺寸发生变化，可以防止在刀具和工件之间夹住切下来的材料。这样就可以减少刀具磨耗，从而刀具压力及切削力降低，刀具和工件温升也缩小。从而延长了刀具寿命，提高工件表面平面度，同时减少毛刺的形成。变化式刀刃几乎可以在包括钻头、立铣刀及饺刀等在内的各种形式的切削刀具上使用。

　　工程微几何工艺还可以在一把刀一把刀基础上采用相同的刀刃加工过程，这种工艺比传统的刀刃加工方法具有更好的一致性。此外，该工艺还可以在每个切削应用中实施最佳微观槽形。在某些情况下，这种做法意味着在整个切削刃上形成均匀的珩磨量；而在另外一些情况下则表示采用可变珩磨量来实现正确的刀刃加工过程。

　　适当加工刀刃一个最明显而直接的优点是提高刀具寿命。对于工程微几何工艺，刀刃加工业务一般所花费的成本为一把新的替换刀具的10%~20%，而该工艺却可以将刀具的寿命延长300%~800%。

　　延长刀具寿命非常重要，其中有多种理由，包括可以节省重磨和更换新刀的成本。例如，为了充分利用其5坐标加工中心，一家位于宾夕法尼亚州Freeport市的精密制造厂Oberg Industries公司，从高速钢刀具转向高性能硬质合金刀具，其中采用了宾夕法尼亚州Latrobe市Seim Tool公司提供的用工程微几何工艺加工的刀刃。

　　Oberg的工具房经理Bob Binner说：“通过用工程微几何工艺加工刀刃，磨刀之间的时间一般延长了300%左右，这是投资工程微几何工艺的巨大回报。替换刀具之间时间延长还意味着可以减少中断生产的次数，并降低劳动成本。”

　　Binner认为更重要的是间接的成本节省。“这种刀刃加工过程几乎消除了断刀现象，断刀现象会在自动化过程产生一系列不良后果。无人看管的机床上发生断刀会引发下游刀具破损的多米诺骨牌效应。这样的故障现象会因损坏刀具以及昂贵零件而产生巨大的损失，并且随后的问题有可能很难修复。通过采用带有用工程微几何工艺加工的刀刃的硬质合金刀具，有时候可以在不换钻头及铰刀的情况下工作几个星期。”
延长刀具寿命的经济效益在航空和医疗领域尤其突出，包括要钻削和加工坚韧材料，诸如铬镍铁合金及钛等。

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