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FANUC 機(jī)器人在激光切割領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2023-7-10 來源：江蘇亞威創(chuàng)科源激光裝備有限公司作者：陳明盧俊

1. 機(jī)器人激光切割市場

機(jī)器人激光切割的使用行業(yè)主要有電梯、汽車配套零部件、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、罐體封頭、模具制造、運(yùn)動(dòng)器材、廚具、工業(yè)設(shè)計(jì)研究院等行業(yè)，其中汽車行業(yè)占據(jù)半壁江山，比如江鈴汽車、北汽福田、宇通、金龍汽車等國內(nèi)知名的汽車廠商和近江汽車零部件、摩多巴克斯、勞士領(lǐng)汽車配件、霍勤汽車零部件等大型汽車零部件配套商。應(yīng)用特點(diǎn) : 適用于汽車零部件、鈑金覆蓋件、管件和底盤件等多批次批量的生產(chǎn) ; 可以替代開模沖壓，適合個(gè)性化生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期 ; 能夠自由、靈活的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜三維曲線加工軌跡 ; 通過機(jī)器人的編程示教，可以快速切換各種規(guī)格工件的加工制造 ; 占地面積小、系統(tǒng)柔性、容易集成自動(dòng)化生產(chǎn)線。工作原理如圖 1。

國務(wù)院在 2012 年發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020 年）》后，汽車輕量化迫在眉睫，隨著近幾年汽車輕量化研究的持續(xù)推進(jìn)，熱沖壓成型這種工藝應(yīng)用占汽車制造所需鈑金的比列逐年遞增，成型件也從汽車的 A 柱、B柱向整體門環(huán)發(fā)展，這給了機(jī)器人三維切割更多市場機(jī)會，也帶來了過多挑戰(zhàn)，高端三維五軸激光切割機(jī)是機(jī)器人面對三維件切割的最大替代者，三維五軸的效率是機(jī)器人切割的 2~3 倍，精度也比機(jī)器人稍高一些，機(jī)器人切割想要在市場上繼續(xù)保持競爭力，必須在設(shè)備成本、加工效率、機(jī)器人重復(fù)定位精度、機(jī)器人能耗方面持續(xù)提升。

2.FANUC 機(jī)器人應(yīng)用

2.1 如何選擇合適的機(jī)器人

機(jī)器人切割中機(jī)器人的選擇主要考慮機(jī)器人的重復(fù)定位精度、機(jī)器人的負(fù)載、機(jī)器人的臂展及機(jī)器人的價(jià)格這幾個(gè)因素，本文只考慮 Fanuc國務(wù)院在 2012 年發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020 年）》后，汽車輕量化迫在眉睫，隨著近幾年汽車輕量化研究的持續(xù)推進(jìn)，熱沖壓成型這種工藝應(yīng)用占汽車制造所需鈑金的比列逐年遞增，成型件也從汽車的 A 柱、B柱向整體門環(huán)發(fā)展，這給了機(jī)器人三維切割更多市場機(jī)會，也帶來了過多挑戰(zhàn)，高端三維五軸激光切割機(jī)是機(jī)器人面對三維件切割的最大替代者，三維五軸的效率是機(jī)器人切割的 2~3 倍，精度也比機(jī)器人稍高一些，機(jī)器人切割想要在市場上繼續(xù)保持競爭力，必須在設(shè)備成本、加工效率、機(jī)器人重復(fù)定位精度、機(jī)器人能耗方面持續(xù)提升。

2.FANUC 機(jī)器人應(yīng)用

2.1 如何選擇合適的機(jī)器人

機(jī)器人切割中機(jī)器人的選擇主要考慮機(jī)器人的重復(fù)定位精度、機(jī)器人的負(fù)載、機(jī)器人的臂展及機(jī)器人的價(jià)格這幾個(gè)因素，本文只考慮 Fanuc品牌，綜合考慮以上因素，羅列了以下幾款，見表 1。

實(shí)際應(yīng)用過程中需要考慮客戶需求的加工件范圍如何，切割最大功率多大，配備的切割頭及連接機(jī)器人法蘭的模組重量等因素。當(dāng)選用M20iB 機(jī)器人正裝時(shí)，圖 2 為當(dāng)加工工件上表面時(shí)，工件擺放范圍的俯視圖 ; 圖 3 為當(dāng)加工工件側(cè)表面時(shí)，工件高度小于 350mm 時(shí)，工件可擺放范圍的俯視圖。

2.2 Fanuc機(jī)器人的切割編程

示教器是主管應(yīng)用工具軟件與用戶之間的操作裝置。

機(jī)器人與 PLC 之間的通訊建立是應(yīng)用的關(guān)鍵之一，F(xiàn)anu 機(jī)器人提供 EtherNet/IP、EtherCat、Socket、OPC UA 等多種收費(fèi)協(xié)議，為了能夠達(dá)到更好的性價(jià)比，本文推薦使用免費(fèi)的 Modbus/TCP 協(xié)議。Modbus 在 Fanuc 機(jī)器人應(yīng)用中存在最大的問題是傳輸模擬量信號時(shí)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響使用，為了解決這個(gè)問題，建議將通訊中使用的模擬量如激光器功率、占空比、外部軸目標(biāo)位置值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制以 8~16 位數(shù)字量組合替代使用。

2.3 離線軟件配合使用

針對復(fù)雜工件人工示教費(fèi)事費(fèi)力依舊無法達(dá)到良好效果時(shí)，客戶可以選擇離線軟件配合生成機(jī)器人執(zhí)行程序，在離線軟件中建立機(jī)器人、切割頭、工裝、工件模型，然后就點(diǎn)位、加工向量、運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行調(diào)整，在線模擬，可以快速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和工件相對合理的擺放位置，是否能夠避免干涉實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，優(yōu)化空走路徑，估算加工時(shí)長等，最后根據(jù)集成商要求加入光、氣、電相應(yīng)控制邏輯形成后置文件。目前市場上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(yōu)化上較好，SprutCAM 在多機(jī)器人協(xié)調(diào)、外部軸配合以及價(jià)格方面有一定優(yōu)勢，ROBOGUIDE在項(xiàng)目前期無需實(shí)物、搭建環(huán)境，編寫程序快速對項(xiàng)目可行性進(jìn)行驗(yàn)證及完成項(xiàng)目前期工作，減少后期調(diào)試時(shí)間。

3. 典型解決方案

3.1 TCP 值示教

機(jī)器人實(shí)際切割應(yīng)用中，需要寫入 TCP 值，首先可以使用機(jī)器人自帶的六點(diǎn)法進(jìn)行示教，得出工具值填入系統(tǒng)中，但由于切割頭一般裝在隨動(dòng)系統(tǒng)下，且切割頭末端并非尖點(diǎn)，用此方法得出的工具值不利于實(shí)際應(yīng)用。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一套簡單快速的調(diào)整方法，首先根據(jù)切割頭粗測量及右手法則對法蘭中心的變化輸入 TCP 估算值，如 X=280，Y=0，Z=190，RX=-180，RY=-90，RZ=0。第二步是在切割頭垂直正下方建一個(gè) MON 直角坐標(biāo)系，打開激光器紅光，把切割嘴平移到原點(diǎn) 0 的正上方，在機(jī)器人工具坐標(biāo)系下將 Z 軸拉高，如果紅光沿 M 軸正方向移動(dòng)，增大 RY 的值，反之減小，如此反復(fù)直至光斑不沿 M 軸運(yùn)動(dòng)為止。第三步依舊將切割頭平移到原點(diǎn) O 正上方，通過開啟隨動(dòng)將 Z 軸的高度移動(dòng)到最佳切割位置，在工具坐標(biāo)系下按RZ+ 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°，根據(jù)紅光在 MON 坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)情況更改工具值，如圖 4，a 把 Y 值增大圓弧的半徑大小，b 把 Y 值減小圓弧的半徑大小，c 把 Z 值增大圓弧的半徑大小，d 把 Z 值減小圓弧的半徑大小，重復(fù)此過程，直至紅光光斑移動(dòng)在 0.2mm 之內(nèi)。

在上面基礎(chǔ)上按 RZ+ 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°，如圖5，e 把 Y 值增大圓弧的半徑大小，f 把 Y 值減小圓弧的半徑大小，g 把 Z 值減小圓弧的半徑大小，h 把 Z 值增大圓弧的半徑大小，至此，一個(gè)較為準(zhǔn)確的工具值實(shí)際完成。

3.2 多工位應(yīng)用

在 Fanuc 機(jī)器人中可以使用IF+JMP/LBL、SELECT+CALL 和 RI 參數(shù)自行編輯多工位控制程序，亦可以使用 Fanuc 機(jī)器人提供的RSR 機(jī)器人服務(wù)請求方式或 PNS 機(jī)器人程序編號選擇啟動(dòng)方式。所需啟動(dòng)的機(jī)器人程序可以使用外部控制設(shè)備如 PLC 等通過信號的輸入、輸出來選擇和執(zhí)行，系統(tǒng)信號是機(jī)器人發(fā)送和接收外部控制設(shè)備的信號，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序運(yùn)行。RSR 特點(diǎn) : 當(dāng)一個(gè)程序正在執(zhí)行或者中斷時(shí)，被3.2 多工位應(yīng)用在 Fanuc 機(jī)器人中可以使用 IF+JMP/LBL、

SELECT+CALL 和 RI 參數(shù)自行編輯多工位控制程序，亦可以使用 Fanuc 機(jī)器人提供的RSR 機(jī)器人服務(wù)請求方式或 PNS 機(jī)器人程序編號選擇啟動(dòng)方式。所需啟動(dòng)的機(jī)器人程序可以使用外部控制設(shè)備如 PLC 等通過信號的輸入、輸出來選擇和執(zhí)行，系統(tǒng)信號是機(jī)器人發(fā)送和接收外部控制設(shè)備的信號，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序運(yùn)行。RSR 特點(diǎn) : 當(dāng)一個(gè)程序正在執(zhí)行或者中斷時(shí)，被3.2 多工位應(yīng)用在 Fanuc 機(jī)器人中可以使用IF+JMP/LBL、SELECT+CALL 和 RI 參數(shù)自行編輯多工位控制程序，亦可以使用 Fanuc 機(jī)器人提供的RSR 機(jī)器人服務(wù)請求方式或 PNS 機(jī)器人程序編號選擇啟動(dòng)方式。所需啟動(dòng)的機(jī)器人程序可以使用外部控制設(shè)備如 PLC 等通過信號的輸入、輸出來選擇和執(zhí)行，系統(tǒng)信號是機(jī)器人發(fā)送和接收外部控制設(shè)備的信號，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序運(yùn)行。RSR 特點(diǎn) : 當(dāng)一個(gè)程序正在執(zhí)行或者中斷時(shí)，被選擇的程序處于等待狀態(tài)，一旦原先的程序停止，就開始運(yùn)行被選擇的程序 ; 只能選擇 8 個(gè)程序。RSR 程序名必須為 7 位，由 RSR+4 位程序號組成，程序號為 RSR 記錄號 + 基數(shù)。PNS 由 8位 RI 組合進(jìn)行程序號選擇，最多可控制 256 個(gè)程序。

3.3 外部軸應(yīng)用

外部軸應(yīng)用主要有與機(jī)器人同組應(yīng)用，如機(jī)器人底座安裝在移動(dòng)軸上，或與機(jī)器人協(xié)調(diào)配合屬于不同分組的變位機(jī)控制。下面定義幾種常用的變位機(jī)類型，可以解決大部分客戶需求，A 型變位機(jī)如圖 6 所示，配 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中需要重點(diǎn)考慮的是豎直旋轉(zhuǎn)的減速機(jī)選擇，為了實(shí)現(xiàn)無線旋轉(zhuǎn)，考慮走線必須采用中空減速機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)成本控制，選用偏心減速機(jī)時(shí)要著重研究走線布局和內(nèi)部密封問題。C 型變位機(jī)定義為旋轉(zhuǎn)平臺，目前我們選用的為 Weiss 和德克斯 2 個(gè)品牌，具體型號可以根據(jù)工位到位需求時(shí)間、工位負(fù)載、工件尺寸等因素決定。A 型變位機(jī)面向的主要群體為異型管件，C 型覆蓋面更廣，管件和鈑金覆蓋件均能使用，當(dāng) C 和 A 的組合我們命名為 B 型變位機(jī)。根據(jù)工件的難易程度、干涉、范圍可以設(shè)計(jì)出更多類型變位機(jī)，主要考慮集成化，模塊化，參數(shù)設(shè)計(jì)化，通用性強(qiáng)，盡可能采用中空式結(jié)構(gòu)，考慮氣路、電纜的走線。

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