FANUC 機器人在激光切割領域的應用研究
2023-7-10 來源：江蘇亞威創科源激光裝備有限公司 作者：陳明 盧俊
1. 機器人激光切割市場
機器人激光切割的使用行業主要有電梯、汽車配套零部件、工程機械、農業機械、罐體封頭、模具制造、運動器材、廚具、工業設計研究院等行業，其中汽車行業占據半壁江山，比如江鈴汽車、北汽福田、宇通、金龍汽車等國內知名的汽車廠商和近江汽車零部件、摩多巴克斯、勞士領汽車配件、霍勤汽車零部件等大型汽車零部件配套商。應用特點 : 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 ; 可以替代開模沖壓，適合個性化生產，縮短產品的開發周期 ; 能夠自由、靈活的實現各種復雜三維曲線加工軌跡 ; 通過機器人的編程示教，可以快速切換各種規格工件的加工制造 ; 占地面積小、系統柔性、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《節能與新能源汽車產業發展規劃（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推進，熱沖壓成型這種工藝應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柱向整體門環發展，這給了機器人三維切割更多市場機會，也帶來了過多挑戰，高端三維五軸激光切割機是機器人面對三維件切割的最大替代者，三維五軸的效率是機器人切割的 2~3 倍，精度也比機器人稍高一些，機器人切割想要在市場上繼續保持競爭力，必須在設備成本、加工效率、機器人重復定位精度、機器人能耗方面持續提升。
2.FANUC 機器人應用
2.1 如何選擇合適的機器人
機器人切割中機器人的選擇主要考慮機器人的重復定位精度、機器人的負載、機器人的臂展及機器人的價格這幾個因素，本文只考慮 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）》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推進，熱沖壓成型這種工藝應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柱向整體門環發展，這給了機器人三維切割更多市場機會，也帶來了過多挑戰，高端三維五軸激光切割機是機器人面對三維件切割的最大替代者，三維五軸的效率是機器人切割的 2~3 倍，精度也比機器人稍高一些，機器人切割想要在市場上繼續保持競爭力，必須在設備成本、加工效率、機器人重復定位精度、機器人能耗方面持續提升。
2.FANUC 機器人應用
2.1 如何選擇合適的機器人
機器人切割中機器人的選擇主要考慮機器人的重復定位精度、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。
實際應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 為當加工工件上表面時，工件擺放范圍的俯視圖 ; 圖 3 為當加工工件側表面時，工件高度小于 350mm 時，工件可擺放范圍的俯視圖。
2.2 Fanuc機器人的切割編程
示教器是主管應用工具軟件與用戶之間的操作裝置。
機器人與 PLC 之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，為了能夠達到更好的性價比，本文推薦使用免費的 Modbus/TCP 協議。Modbus 在 Fanuc 機器人應用中存在最大的問題是傳輸模擬量信號時不穩定，嚴重影響使用，為了解決這個問題，建議將通訊中使用的模擬量如激光器功率、占空比、外部軸目標位置值轉換為二進制以 8~16 位數字量組合替代使用。
2.3 離線軟件配合使用
針對復雜工件人工示教費事費力依舊無法達到良好效果時，客戶可以選擇離線軟件配合生成機器人執行程序，在離線軟件中建立機器人、切割頭、工裝、工件模型，然后就點位、加工向量、運動路徑進行調整，在線模擬，可以快速實現機器人和工件相對合理的擺放位置，是否能夠避免干涉實現路徑規劃，優化空走路徑，估算加工時長等，最后根據集成商要求加入光、氣、電相應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、路徑優化上較好，SprutCAM 在多機器人協調、外部軸配合以及價格方面有一定優勢，ROBOGUIDE在項目前期無需實物、搭建環境，編寫程序快速對項目可行性進行驗證及完成項目前期工作，減少后期調試時間。
3. 典型解決方案
3.1 TCP 值示教
機器人實際切割應用中，需要寫入 TCP 值，首先可以使用機器人自帶的六點法進行示教，得出工具值填入系統中，但由于切割頭一般裝在隨動系統下，且切割頭末端并非尖點，用此方法得出的工具值不利于實際應用。本文根據實際應用經驗總結出一套簡單快速的調整方法，首先根據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 MON 直角坐標系，打開激光器紅光，把切割嘴平移到原點 0 的正上方，在機器人工具坐標系下將 Z 軸拉高，如果紅光沿 M 軸正方向移動，增大 RY 的值，反之減小，如此反復直至光斑不沿 M 軸運動為止。第三步依舊將切割頭平移到原點 O 正上方，通過開啟隨動將 Z 軸的高度移動到最佳切割位置，在工具坐標系下按RZ+ 順時針旋轉 90°，根據紅光在 MON 坐標系中的運動情況更改工具值，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，重復此過程，直至紅光光斑移動在 0.2mm 之內。
在上面基礎上按 RZ+ 逆時針旋轉 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 參數自行編輯多工位控制程序，亦可以使用 Fanuc 機器人提供的RSR 機器人服務請求方式或 PNS 機器人程序編號選擇啟動方式。所需啟動的機器人程序可以使用外部控制設備如 PLC 等通過信號的輸入、輸出來選擇和執行，系統信號是機器人發送和接收外部控制設備的信號，以此實現機器人程序運行。RSR 特點 : 當一個程序正在執行或者中斷時，被3.2 多工位應用在 Fanuc 機器人中可以使用 IF+JMP/LBL、
SELECT+CALL 和 RI 參數自行編輯多工位控制程序，亦可以使用 Fanuc 機器人提供的RSR 機器人服務請求方式或 PNS 機器人程序編號選擇啟動方式。所需啟動的機器人程序可以使用外部控制設備如 PLC 等通過信號的輸入、輸出來選擇和執行，系統信號是機器人發送和接收外部控制設備的信號，以此實現機器人程序運行。RSR 特點 : 當一個程序正在執行或者中斷時，被3.2 多工位應用在 Fanuc 機器人中可以使用IF+JMP/LBL、SELECT+CALL 和 RI 參數自行編輯多工位控制程序，亦可以使用 Fanuc 機器人提供的RSR 機器人服務請求方式或 PNS 機器人程序編號選擇啟動方式。所需啟動的機器人程序可以使用外部控制設備如 PLC 等通過信號的輸入、輸出來選擇和執行，系統信號是機器人發送和接收外部控制設備的信號，以此實現機器人程序運行。RSR 特點 : 當一個程序正在執行或者中斷時，被選擇的程序處于等待狀態，一旦原先的程序停止，就開始運行被選擇的程序 ; 只能選擇 8 個程序。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。PNS 由 8位 RI 組合進行程序號選擇，最多可控制 256 個程序。
3.3 外部軸應用
外部軸應用主要有與機器人同組應用，如機器人底座安裝在移動軸上，或與機器人協調配合屬于不同分組的變位機控制。下面定義幾種常用的變位機類型，可以解決大部分客戶需求，A 型變位機如圖 6 所示，配 2 個旋轉電機，其中需要重點考慮的是豎直旋轉的減速機選擇，為了實現無線旋轉，考慮走線必須采用中空減速機，為了實現成本控制，選用偏心減速機時要著重研究走線布局和內部密封問題。C 型變位機定義為旋轉平臺，目前我們選用的為 Weiss 和德克斯 2 個品牌，具體型號可以根據工位到位需求時間、工位負載、工件尺寸等因素決定。A 型變位機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 C 和 A 的組合我們命名為 B 型變位機。根據工件的難易程度、干涉、范圍可以設計出更多類型變位機，主要考慮集成化，模塊化，參數設計化，通用性強，盡可能采用中空式結構，考慮氣路、電纜的走線。
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