如果有人認為，使用關節臂機器人無法完成硬質材料的精密加工，那么 toolcraft 公司就會用事實證明他們的觀點是錯誤的。Daniel Distler 和 Andreas Bauer 使用倍福的 TwinCAT CNC 和基于 PC 的控制技術，讓機器人單元能夠精密加工包括碳化硅和灰鑄鐵實心棒在內的零部件。
與五軸數控系統一樣，操作和軌跡規劃也通過 G 代碼進實現，并在定制的 CP3921 多點觸控控制面板上實現可視化。
toolcraft 清楚地了解加工制造業的需求，哪些工藝和技術在實踐中有效，哪些無效。因為 toolcraft 不僅使用其 60 臺 CNC 機床為客戶進行生產，而且還為各個行業的企業設計、規劃和建造交鑰匙生產系統。
toolcraft 公司成立于 1989 年，起初是一家合同制造商，后來逐步增加了各種制造服務，比如在 2005 年新增了注模和模具制造服務，以及在 2011 年新增了增材制造服務。2015 年，機器人技術成為 toolcraft 最新的技術部門。“無論我們在哪種技術領域開展業務，我們都希望擁有提供完整解決方案所需的專業知識。”機器人技術部門經理 Daniel Distler 解釋道，他主要負責公司的銷售和人事工作。
其產品范圍包括各種簡單設備以及可集成到客戶現場現有系統中的復雜系統。“配備新技術的設備與最終客戶的現有控制系統之間的連接并不總是那么容易，但如果采用靈活的控制技術，就能輕松做到。”toolcraft 機器人技術（工程）部門經理 Andreas Bauer 說道。
適用于各種應用的自動化平臺
這就是 Andreas Bauer 和 Daniel Distler 依賴基于 PC 的控制技術的原因，例如在生產單元中使用七軸銑削機器人進行 CNC 零件加工。“TwinCAT CNC 是第一款集成連接史陶比爾機器人控制器（TwinCAT Robotics uniVAL PLC，TF5130）的接口的控制器。“在項目實施過程中，這個軟件包為我們實帶來了很多便利。”Andreas Bauer 回憶道。目前，有個用戶正在使用 toolcraft 設計的加工單元用大型碳化硅和灰鑄鐵塊銑削加工晶圓生產底座。“在這方面，toolcraft 已經在使用我們的 TwinCAT CNC。”倍福紐倫堡分公司銷售 Alexander Klos 補充道。
樣機的整個控制和監測系統都在搭載 Intel® CoreTM i7 CPU 和四個處理器核的 CX2040 嵌入式控制器（左下）上運行。
最初，客戶仍然使用傳統的五軸 CNC 機床加工金屬塊。但銑削硬質材料時會產生極細的粉塵，這些粉塵會滲透到每個接縫處、直線導軌和軸承中，短時間內就會造成很嚴重的問題。CNC 機床很快就出現了磨損，需要進行大修。“我們當時就知道，使用 TwinCAT CNC 后，我們就可以在大到 1 立方米的加工區域內實現 2/10 毫米的高精度，同時還能對史陶比爾機器人進行密封并施加超高壓。”Daniel Distler 強調道。這些技術知識積累來自各個項目，例如，在這些項目中，機器人被完全拆解并密封，即使在水深達 20 米的情況下仍能可靠運行。
新一代數控機器人
機器人在零件加工中有著巨大的潛力，但應該把重點放在哪里呢？“我們對機器人銑削的發展方向進行了長時間的認真思考，當然還有如何實現發展。”Daniel Distler 解釋道。我們的目標不僅是進一步提高加工質量，將其提升到一個新的水平，而且還要確保用戶在創建加工程序時不會有任何改變。在 2018 年項目開始時，用“最佳方案”仔細檢查了加工單元的所有組件：機器人、旋轉工作臺、換刀裝置、銑削主軸，當然還有控制技術。Andreas Bauer 說道：“從我們過去八年積累的專業知識和經驗來看，我們對各種運動學和設計的優缺點了如指掌。”我們與一家機器人供應商合作，利用這些專業知識開發出了能夠提高構件剛度、防塵/防水性能、有效載荷以及機械臂伸展范圍的運動學功能。
因此，目前的加工單元配置的是基于新型運動學的高端數控機器人。“除了 TwinCAT CNC 之外，toolcraft 還為其新一代數控機器人配備了倍福的伺服驅動器和伺服電機。”Alexander Klos 補倉道。機器人所有軸的驅動和輸出端都配備了雙軸承齒輪和編碼器。此外，還對主軸托架進行了改裝。銑削機器人的控制系統基于功能強大的 CX2040 嵌入式控制器和 CP3921-1502-0010 CNC 多點觸控控制面板構成，通過 CP-Link 4，只需一根以太網電纜（CAT.6A）即可連接面板與嵌入式控制器。AM8000 伺服電機和 AX8000 多軸伺服系統以及 TwinCAT CNC 使系統更加完善。新設計還包括內置軟管，它可以簡化搬運工作。此外，它也無需單獨的機器人控制器，從而節省了控制柜空間，降低了項目的復雜性。
倍福 AM8000 伺服電機以及驅動和輸出端的編碼器確保機器人的高精度運動控制。
驅動技術的直接轉換
“雖然 toolcraft 一開始使用的是 TwinCAT CNC 和 TwinCAT Robotics uniVAL PLC，但很快就轉換到了另一種具有不同機械結構、運動學以及我們的驅動和伺服驅動技術的機器人類型。”Alexander Klos 在指出基于 PC 的控制技術的開放性和靈活性這兩個重要特點時說道。例如，可以將機器人軸的驅動和輸出端編碼器輕松集成到軸控制器的軟件功能塊中。倍福能夠提供從 CNC 系統到伺服驅動器再到電機等各種通用型產品系列，toolcraft 因而可以擁有各種完全不同的優化選項。“直接訪問所有參數和過程設置在進一步提高精度方面起到了很大的作用。”Andreas Bauer 說道。例如，通過輸出端編碼器和適當的控制算法，進一步補償了雖低但仍能檢測到的齒輪滯后現象。即使在施加較大的力時，例如在大規模銑削過程中或根據工作區域中刀具中心點 (TCP) 的位置，也能快速、精確地跟蹤軸。“測量和校準周期的整合確保了性能的一致性。”Daniel Distler 補充道。
toolcraft 還可靈活選擇反饋系統和使用其它技術：伺服驅動器支持多種編碼器接口，還可通過 EtherCAT 提供其它功能選項。“我們凡事都會提前考慮，目前正在考慮集成相機系統，以檢測和自動加載零件。”Andreas Bauer 說道。
后處理程序和坐標轉換包括在內
對于制造企業來說，重要的是擁有一個從 CAD 圖紙到加工程序的有效運轉的工藝流程。Daniel Distler 說道：“我們的方法是消除用戶對機器人操作和編程的畏懼，同時提供更多的加工自由度。”基于 PC 的控制技術在這方面也發揮了重要作用：后處理程序和坐標轉換與數控機器人的軌跡控制同時在嵌入式控制器上運行。因此，加工程序可以像平常一樣用 G 代碼編程，并從常用的 CAD/CAM 程序生成。Daniel Distler 解釋說道：“我們希望機器人能與用戶的 CAM 軟件完美配合。”toolcraft 為此還提供了靈活的基于 PC 的控制平臺。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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