機(jī)器人柔性激光切割的方式多種多樣，既可以做成單機(jī)器人切割平臺，又可以組合成柔性加工生產(chǎn)線。涉及的工件主要是兩種不同類型的零部件：一種是金屬件通過擠壓或者拉延形成的3D車體結(jié)構(gòu)件和覆蓋件，包括熱成型件等;另外一種是管狀金屬結(jié)構(gòu)件，包括排氣管、交叉梁等。覆蓋件傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是通過開模具沖壓，然后再進(jìn)行沖孔模和切邊模等工序;熱成型件和管件通過昂貴的五軸激光切割機(jī)床來完成。正因?yàn)楦甙旱脑O(shè)備成本，所以只有某些合資品牌的汽車廠商才有能力采購進(jìn)口五軸機(jī)床。
新形勢下，汽車使用者的需求正變得多樣化和個性化，越來越多新車型涌現(xiàn)。大部分車出現(xiàn)逐步批量縮小的態(tài)勢，因?yàn)椴糠制噺S商無法預(yù)測和保證將來某一車型的銷量和穩(wěn)定的產(chǎn)量，所以開始嘗試低成本的機(jī)器人激光柔性切割設(shè)備或生產(chǎn)線。這種趨勢從汽車備件市場開始，不斷地向工程機(jī)械、客車、農(nóng)用車、電動車等領(lǐng)域拓展和普及。
適用于汽車行業(yè)的激光切割機(jī)器人
汽車行業(yè)使用了很多工業(yè)機(jī)器人，但在激光切割領(lǐng)域的應(yīng)用卻很少，問題存在于三個層面。一是汽車行業(yè)機(jī)器人應(yīng)用主要集中在精度要求低的點(diǎn)焊、弧焊、噴涂、搬運(yùn)等，但激光切割往往要求很高的位置精度，且對小圓等小軌跡精度有很高的要求，比如直徑在5mm以內(nèi)的小圓孔的切割，普通的機(jī)器人望塵莫及，切10mm的小圓也會出現(xiàn)橢圓等形狀;另一方面取決于機(jī)器人的效率，一般機(jī)器人各個軸關(guān)節(jié)運(yùn)動控制速度比較慢，同時機(jī)器人手臂重量過大不適合高速運(yùn)動;第三方面是機(jī)器人的剛性，剛性差的機(jī)器人抖動厲害，機(jī)器人循跡性差，而且機(jī)器人變形厲害，無法準(zhǔn)確達(dá)到工件數(shù)模中需要切割的精確位置。因此，傳統(tǒng)汽車行業(yè)流行的機(jī)器人在激光切割方面被客戶質(zhì)疑也是可以理解的。
有著百年精密機(jī)械和高速運(yùn)動控制經(jīng)驗(yàn)的史陶比爾公司，設(shè)計領(lǐng)域最寬的就是汽車行業(yè)，針對汽車行業(yè)需求，史陶比爾在激光方面推行RX160L倒裝方式龍門結(jié)構(gòu)機(jī)器人柔性切割系統(tǒng)解決方案，該系統(tǒng)從以下幾個方面有了突破：
1.大尺寸機(jī)器人寬幅面。采用RX160L機(jī)器人，2.05m的球型工作區(qū)域，切割臺面寬度可以達(dá)到3m，超過昂貴的五軸機(jī)床的工作臺寬度，一般汽車零部件尺寸都在RX160L倒裝機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)，有些大工件也可以通過移動平臺來實(shí)現(xiàn)。
2.手臂重量輕，剛性好。史陶比爾采用整體鑄造管狀結(jié)構(gòu)保持剛性;材料選用變形較小但重量輕的航空鑄鋁。RX160L機(jī)器人手臂重量只有250kg，而歐系相同手臂的機(jī)器人要超過400kg，非常不適合機(jī)器人柔性激光切割的需求。
3.機(jī)器人的機(jī)械精度差異。機(jī)器人機(jī)械精度除了剛性差異外，最重要的差異在于機(jī)械傳動的誤差，而機(jī)械傳動的誤差主要體現(xiàn)在減速器上。一般機(jī)器人的減速系統(tǒng)都很龐大，而且都是采用普通減速器結(jié)構(gòu)，齒輪間隙大，無法滿足機(jī)器人柔性激光切割在汽車行業(yè)的需求。而史陶比爾采用的獨(dú)特專利減速系統(tǒng)JCS，公司將一百多年在精密機(jī)械上的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)成功應(yīng)用于機(jī)器人上。這就是為什么史陶比爾比爾可以在小孔切割上得到客戶認(rèn)可的原因。
將五軸機(jī)床技術(shù)成功移植到機(jī)器人
離線編程技術(shù)和自動生成工裝夾具是機(jī)床行業(yè)得到推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一，這些技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的開發(fā)和成功應(yīng)用，使得機(jī)器人柔性激光切割解決方案和汽車行業(yè)應(yīng)用無縫鏈接。
傳統(tǒng)的機(jī)器人編程方式是在線示教編程，費(fèi)時費(fèi)力，特別是汽車覆蓋件或者管件，需要切割的都是復(fù)雜空間曲線，示教無法達(dá)到設(shè)計要求。機(jī)器人激光切割離線編程軟件的應(yīng)用使得編程時間大大縮短，而且不影響在線加工。
史陶比爾采用ROBOTMASTER軟件進(jìn)行STAUBLI RX160L機(jī)器人離線編程。ROBOTMASTER機(jī)器人離線軟件可以虛擬真實(shí)的切割環(huán)境，包括機(jī)器人、激光切割工具頭、工件及夾具。軟件可以快速設(shè)置和優(yōu)化最佳機(jī)器人切割姿態(tài)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)干涉或者超出范圍，軟件會智能提示。機(jī)器人離線編程可以完全脫離實(shí)際機(jī)器人，生產(chǎn)和編程互不耽誤，最大程度提高生產(chǎn)效率。
通過離線軟件還可以自動生動精密的工裝夾具。英國PEPS離線軟件是專門為全世界最精密的機(jī)器人STAUBLI定制開發(fā)的機(jī)器人激光切割離線編程軟件。它能夠提供自動生成工裝夾具程序，用戶可以根據(jù)工件三維數(shù)模來選擇工裝夾具并可進(jìn)行微調(diào)。設(shè)計好合適的夾具后系統(tǒng)自動把夾具所需的板材合理布置在一個平板上，通過機(jī)器人可以直接切割出夾具所需要的板件，最后拼裝出合適的工裝夾具。
切割效率由方案及經(jīng)驗(yàn)決定
很多集成商選用不適合激光切割的普通機(jī)器人，效率低下且效果差，影響了汽車行業(yè)用戶對這個領(lǐng)域的認(rèn)知，否定了機(jī)器人方案。史陶比爾則認(rèn)為，優(yōu)秀的集成商會選用高精度的機(jī)器人并將其整合到精密的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，根據(jù)不同的用戶產(chǎn)品由基本型演化成不同的機(jī)器人柔性切割方案，可以采用單機(jī)、雙機(jī)或多機(jī)和平臺數(shù)量之間進(jìn)行組合。
集成商集成能力高低決定最終切割效果和效率。德國JENOPTIK是史陶比爾的激光應(yīng)用集成商，采用史陶比爾定制開發(fā)的TX90激光切割專用機(jī)器人、定制輕型切割頭和獨(dú)有的BIM(Beam-In-Motion)技術(shù)。該設(shè)備的小孔定位精度能達(dá)到± 50μm，直線速度>12m/min。 如果產(chǎn)品產(chǎn)量比較高，JENOPTIK公司可以提供雙機(jī)器設(shè)備或者多機(jī)器人解決方案。
本地一些技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的激光切割系統(tǒng)集成商也在不斷提高對機(jī)器人激光切割認(rèn)識并不斷提高集成能力。深圳大族激光在汽車行業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人激光切割解決方案中就選用了史陶比爾的機(jī)器人產(chǎn)品，這個系統(tǒng)包含兩個移動工作平臺，機(jī)器人在兩個平臺上的工件間切換，非工作的移動平臺推出來進(jìn)行上料。這套系統(tǒng)的客戶是一個客車制造廠，車廠設(shè)備負(fù)責(zé)人對此非常滿意，不僅切割效果好，而且效率高，雙工位平臺不會浪費(fèi)上料的時間，目前這個客戶已經(jīng)購買近十臺史陶比爾機(jī)器人設(shè)備。而且他們計劃重新設(shè)計一條沖壓線，用機(jī)器人柔性生產(chǎn)線來取代一條模具沖壓線，包括過程中的物料轉(zhuǎn)移也是通過機(jī)器人來完成，這條線的機(jī)器人用量可能會高達(dá)幾十臺。使用機(jī)器人不僅節(jié)省了成本，而且提高自動化水平，整個過程不需要人工干預(yù)。
國內(nèi)的各種車廠要初步接受機(jī)器人柔性激光切割方式還需要一定的時間，集成商需要進(jìn)一步提高機(jī)器人集成能力，提高系統(tǒng)精度和速度，特別是系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性，讓汽車行業(yè)用戶逐步開始批量采用機(jī)器人柔性激光切割解決方案。
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