复杂钣金件的CNC数控焊接

作者:Stefan Ziegler 文章来源:MM《现代制造》 点击数:392 发布时间:2019-04-26
薄板金属件或者精确的圆周焊缝的TIG钨极惰性气体保护焊是一个非常复杂的焊接过程;无论是传统的机器焊接还是手工焊接,都不能令人满意。因此,奥格斯堡市的一家机床生产厂在系统集成商Penzberg公司的帮助下开发了一种工业计算机控制的、基于并联运动的焊接设备,并开始了批量生产。
复杂钣金件的CNC数控焊接

4个结构紧凑双通道AX5203型伺服放大器管理着8个CNC数控轴的运动
4个结构紧凑双通道AX5203型伺服放大器管理着8个CNC数控轴的运动

Castro公司的总经理Udo Massari先生在钛-催化器技术展览会上展示的豪华轿车上的焊缝就像一个质量一流的硅胶圆球:“焊缝的凸起绝对均匀。我们是唯一一家能够提供这种产品质量的企业。机器人也达不到这一标准。”而他的秘密就是一台被称之为Wigpod的并联运动的自动化钨极气体保护焊设备。六根可以改变长度的平行轴有三个移动自由度和三个转动自由度。在Beckhoff公司特种控制技术和特种驱动技术的帮助下,这种新型焊接设备已经能够大批量生产了。从原来使用的焊接控制技术转换到使用计算机控制的焊接控制技术,这种技术的快捷、方便让Udo Massari先生大吃一惊:“在短短的四个月时间里我们完成了整个系统的更新、实现了系统转换的调整匹配和HMI人机界面的编程。在我们第一次访问Beckhoff慕尼黑分公司时,销售工程师Raphik Shahmirian先生就提出了自己的解决方案,不久之后就开始实施了。”

系统集成商Böckstiegel自动化技术公司的总经理Peter Böckstiegel先生也有着同样的经历:“在以前的项目中我们都能给用户企业极大的帮助,尽管我们是一家小型企业,我们也能满足用户苛刻的要求。尤其是在Castro公司非常特殊的项目中,我们也非常可靠的完成了合同规定的任务。”

很高精度和重复精度

20世纪90年代的时候,Castro公司就已经开发出了基于六杆并联运动技术的系统。最初,这种六杆并联运动机构应用于像眼科激光手术或者肾结石碎石手术等医疗和手术躺椅等一类的产品中。但Castro公司并没有止步不前,它们一直在研究适合于机械制造等工业领域中适用的解决方案,并在2009年推出了第一种被称之为Caspod的工业用基本型六杆并联运动机构。“开发中遇到的主要挑战是CNC数字控制下的六杆并联运动。在使用工业控制计算机之后开辟了一个新时代:完全符合精密机械制造行业要求的新时代。”Massari先生解释说道。

Caspod系列的六杆并联运动机构包括了可以完成例如焊接、去毛刺、铣削、抛光或者激光切割机械加工任务的六轴联动机构。结构紧凑、满足了CE安全认证标准的六杆并联机构具有很高的动态性能、轨迹运动控制精度和很高的刚性。例如,在进给速度60 m/min时焊接用的Wigpod六杆并联运动机构可以准确的在百分之一秒的时间内实现重量0.5 kgTIG焊枪的准确定位,而且消耗的功率只是传统焊接设备的很小一部分。

据Massari先生介绍说:之所以能够实现如此高的精度是因为并联配置的六根运动轴的自重很轻,“它的特点是:六套驱动装置共同负责一个坐标轴方向的运动,而不是一套驱动系统负责一个坐标轴方向的运动。传统配置的系统在完成相同的任务时,系统自重要超过100 kg,而这时功率消耗很快就超过了几千瓦了。与此相比,在相同的加工空间里,Wigpod系统的功率消耗只有0.8 kW,能效提高了许多倍。因此可以完成商贸、工业、航空航天以及汽车生产领域中的全自动焊接任务,尤其是钛合金、铝合金和不锈钢材料产品的焊接,不会变色、节能环保。”

图1 自动化的Wigpod焊接设备是在全封闭的焊接工作室中,在纯惰性气体的保护下完成焊接的
图1 自动化的Wigpod焊接设备是在全封闭的焊接工作室中,在纯惰性气体的保护下完成焊接的

高性能的运动转换

将复杂的六杆并联运动学运动转换到CNC数字控制技术的控制下是研发项目遇到的一个特殊挑战。转换背后的数学模型是斯图尔特转换。它确保了六根轴的伺服电机协调着六杆并联机构的流畅运动。斯图尔特转换平台从更高一级的Twincat 3 CNC系统中接收所有的运动指令,计算各轴的运动位置,并将信息反馈给驱动控制系统

“CNC数控系统与斯图尔特转换的完美结合确保了六轴的平滑、同步运动。Beckhoff公司为Twincat 3 CNC系统提供了相应的数学转换工具以及运动学转换工具,实现了非常简单、灵活的操作和编程。”Böckstiegel先生解释说道。

Twincat 3 CNC系统提供了全部的CNC数控功能,涵盖了全部的传统CNC轨迹控制和复杂的运动要求及运动学要求。在贯彻落实Wigpod项目时,Beckhoff慕尼黑分公司的应用软件技术专家Dieter Auer先生解释说:“与原来使用的系统相比较,Twincat系统在控制和转换时也有可能完成其他轴的旋转运动。当焊枪必须围绕已经焊接的焊缝旋转时,围绕其他轴的旋转运动尤为重要。”

作为一个具有很高扩展性能的系统,基于工业计算机控制的控制方式为各种不同的工业应用提供了一个最佳的硬件平台。“Twincat系统实时内核的硬实时性能与Ethercat系统超快的系统通讯提供了高精度运动控制的理想前提条件。在Wigpod焊接设备中,C6920型电气控制柜就是最合适的硬件设备。操作时使用的是专门定制的、带有CNC扩展控制按钮的15 in CP6942型控制面板。”Beckhoff公司的专家Shahmirian先生解释说。

“操作面板使用的是Twincat公司研发生产的CNC HMI。可以用Microsoft-.Net标准方法编写HMI编程,并能够通过其开放的、模块化的方案设计出符合应用的人机界面。”B?ckstiegel先生补充说道。

运动控制中的安全

自动焊接设备的六杆,也就是六根主轴都是由AM8000系列的动态伺服驱动电机驱动的。另外还有两个辅助的运动轴,一个用于被焊接零件的线性进给,另一个用于被焊接零件的旋转定位。四个结构紧凑的双通道AX5203型伺服放大器管理着这八个CNC数控轴的运动。它们对快速、高动态的定位任务给予了很好的支持;据Peter Böckstiegel先生的说法:它们最佳地满足了自动焊接设备的要求:“Beckhoff驱动技术的另一个优点就是OCT单电缆技术;这一技术明显的降低了电缆布线的成本费用,同时也明显的降低了材料消耗和设备调试的费用。”为保护设备操作者不受危险运动的伤害,AX5203型伺服驱动器配备了AX5805型的Twinsafe安全保护卡。