人与机器专家
20.02.2018

机器人辅助模具加工

模具加工向工业 4.0 飞跃

概述

2016 年, 奥迪采用创新机器人设备,取代手动摇臂钻床,投入于模具生产过程中,实现迈向工业 4.0 的巨大进步。 在综合评估所有可能的机加工解决方案后,奥迪决定集成一台史陶比尔 TX200 机器人进行钻深孔操作,并确保工艺后阶段中模具钻孔和精密螺纹的加工。精度和刚性得以迅速记录。机器人机加工中心满足了奥迪对钻气孔应用所有的期望。这一不错的体验鼓励奥迪在不久的将来整合其他机加工工艺。

在先进的奥迪设备和成型技术中心,任何类型的工艺都在某种程度上实现数字化互联。机器人加工中心应用于模具制造,能完全替代四台摇臂钻床。

早在 2015 年,当奥迪再次荣获 “ 年度最佳模具制造商 (Toolmaker of the Year)” 奖项时, 评审小组惊艳于对可持续的数字化加工产线的杰出研发和部分已实现成果。近一年后,这家坐落于德国因戈尔施塔特 (Ingolstadt) 的汽车巨头实现了在模具制造领域向着工业 4.0 前进的另一大飞跃。奥迪在生产加工过程中,成功集成了创新的机器人自动化系统,逐步取代了手动操纵摇臂钻床。

奥迪能力中心的机械技术主管 Gereon Heidrich 解释到: “ 以往我们一直使用摇臂钻床来为我们的模具钻孔。但弊端在于整个工艺无法实现自动化,费时费力,也不符合工艺数字化的工业 4.0 理念。”

经过对一切可能的机加工替代方案的充分分析,奥迪选择了一种开拓性的解决方案,通过使用工业机器人来完成钻孔操作,并且计划在项目的下一阶段,用于完成钻孔精镗、螺纹切削工序。

奥迪官方对实施这一先进计划没有任何疑虑。能力中心的自动化技术新业务部门的项目经理 Juliane Kollecker 说道: “ 我们从 2011 年开始在车间采用机器人解决方案进行灰铁铸模气孔加工,使用体验一直不错,所以我们相信这套方案的可行性。”

然而,当与设备制造商们沟通时,这一想法并没有取得共鸣。多数设备制造商认为机器人加工要求极高,具有极大的不确定性。最终,奥迪找到了一家富有经验的设备制造商——致力于研发、设计和生产全套自动化机加工中心的德国 robot-machining GmbH —— 愿意接受这一开拓性项目和后续实现工作。经过两家公司的通力协作,他们研发出了一整套系统理念,由过程工艺、锁紧机构和机加工工艺组成。该方案获得了奥迪管理层的认可,并投入实施。自 2016 年第四季度起,设备就已经完全集成到生产线中。

技术工艺密集型创新设备

这套机器人加工中心融合了大量专业技术,在因戈尔施塔特一次现场巡检中得到亮相。整套设备长 8m,宽 7m,主要用于钢模或灰铸铁模机加工。加工的模具尺寸可达 4500x2500x1000 mm,重量可达20,000kg。这是一个很好的解决方案,可用于操纵重达数吨模具进入加工单元。模具通过可一键开启的安全围栏顶部到达单元或从单元撤离。

所有加工任务均由一台配备37kW、最大速度 16000 rpm 机加工电主轴的史陶比尔精密机器人TX200 控制完成。这一体型较大的六轴机器人额定负载 100kg,臂长 2194mm。通过安装在导轨的方式,机器人能达到所有加工位置。

robot-machining GmbH 公司销售工程师 Bernd Luckas 解释了为何选择这台机器人:“史陶比尔 TX200 可以让我们在工艺测试环节尽可能早地达到所需的精度要求。我们也考虑过手臂加长的 TX200L,但最后还是选择了TX200,因为 TX200 重复定位精度有 ±0.06mm,具备更高的精度和刚性。所以我们选择了行程较短的款型。” 由于机器人无法通过移动导轨达到所有加工位置,因此在加工超大型的模具时,需要对其进行重新定向。

当模具重整时,通常要重新测量尺寸,增加了生产时间。但这一情况即将得到改善。在设备的整体布局中,奥迪已计划在机器人加工中心中使用第二台史陶比尔 TX200 。2 号机器人将安装于轨道上,在 1 号机器人对面工作。这说明每种刀具可以完全在单个夹具中得到加工,这样就能显著减少生产时间。 根据 Gereon Heidrich 解释,第二台机器人是否或何时投产取决于生产数据:“ 成本效益是决定性因素,而这取决于机器人加工中心的工作繁忙程度。”

Stäubli TX200 robots with spindle at Audi
在深孔钻削中,史陶比尔 TX200 六轴机器人具备非常出色的轨迹控制能力和刚性。

创新设备投入实际运行

在机器人加工深孔前,必须对模具进行精确校准。为此,TX200 使用刀库内的 3D 测头测量冲模具体位置。按照计算好的钻孔位置离线调整后,操作人员再进行实际钻孔前所有工艺步骤的最终仿真模拟。

每半个模具要有 70-80 个气孔,每钻一个气孔都需要经过 “ 镜像 ”、试钻 (钻 30mm 深导孔)以及深钻钻孔(孔直径 4-8mm),其中最大的特点是深钻过程中,钻头的线性进给由机器人控制

刀具自动更换装置支持机器人从刀库中供给自身所有必要的工具。TX200 甚至可以将完整的机加工主轴更换为另一个末端执行器。这项解决方案能确保最大柔性和自动化。

机器人可以钻出 120mm 深的气孔,这需要非常好的运动控制能力和刚性,只有配备自有专利驱动技术的史陶比尔机器人可以满足。

Juliane Kollecker,奥迪新业务单元自动化技术部门项目经理

持续的数字化工艺链

另一个决定性优势是,在模具设计阶段,气孔位置在 CAD 系统预先定义,无须额外操作,即可传送至机器人加工中心离线编程系统。数字网络是缩短生产时间的关键,正如设备技术项目经理 Lisa Dilg 解释:“ 过去我们必须现场确定气孔位置,再手动钻孔。数字化工艺彻底免除这些繁重的人力劳动,我们生产时间也缩短了大约 60%。”

Gereon Heidrich 对这一创新设备抱有同样的热情:“ 机器人加工中心在钻气孔应用方面完全满足我们的预期。有了机器人技术和实操经验,我们相信在不久的将来能实现更多机加工工艺的集成 ”。

一旦成功集成这些工艺,实现所有加工步骤的数字化联通的可能性将越来越高。对奥迪技术中心来说,完全模拟整条工艺链的理想目标几乎触手可及。他们的意图是,通过将系统互相联通,在未来促进设备性能的可行优化,从而实现更高效的生产。

Stäubli TX200 robots at AudiStäubli spindles at Audi

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