研華三維五軸技術助力精密加工品質升級
文:研華科技2024年第五期
《黑神話:悟空》的問世引起了“全民狂歡”,從瑞幸聯名到山西文旅,各界人士與媒體都在討論此部游戲大作,也創下了國產3A游戲的高光時刻。
在各位天命人熱血打怪、屢戰屢勝的同時,也有不少玩家直呼:“太難了!”。的確,這款歷經六年精心打造的魂類游戲《黑悟空》,不僅挑戰難度高,對其配置也有一定要求。正如孫悟空斬妖除魔使用的金箍棒,各位玩家在游戲中激戰時同樣需要一件得心應手的“神器”。但你們知道嗎?在各式各樣的鼠標、手柄等游戲電子設備生產的背后,也是有著漫漫“取經路”……
文/研華科技
1 五軸聯動,空間異形加工自此不難矣
在消費電子產品制造過程中,點膠和外觀瑕疵檢測等都是重要的加工工序。然而由于這類產品越來越多的三維異形化設計,讓這些工序變得更為復雜,譬如在對智能穿戴類產品/游戲設備,像鼠標/手柄/手機等進行側邊點膠時,直角坐標型的點膠機械臂已經無法滿足需求,因此需要機械臂在不同的姿態下將膠水精準的點涂于產品的空間軌跡上。
簡單來說,如果采用傳統的二維加工和檢測控制方式,要應對這些空間異形產品,就不得不多次調整和裝夾工件,才能在不同的角度上進行加工,顯然這樣做的結果是費時費力,容易導致誤差的累計影響加工質量。
面向三維空間的五軸聯動技術,即在原來的XYZ三軸平臺的基礎上,還加入了其中任意兩個方向的旋轉運動,通過這五個軸聯動,從而達到任意位置及姿態角的運動(圖1)。顯然,這種三維五軸技術可以實現一次裝夾,多個角度的加工,具有更高的加工自由度,從而大大提高產品的加工精度和加工效率,真正突破了復雜產品造型設計的加工“瓶頸”。
然而,五軸雖好,其控制難度同樣呈“指數級”增長,核心問題是如何進行3D運動軌跡規劃解決軌跡來源的問題,以及如何根據軌跡進行空間五軸聯動控制的問題(圖2)。作為致力于軟硬件一體化專案的領先自動化提供商,研華科技專門針對三維五軸應用打造了一套創新易用的解決方案,大大降低了這一技術的實現門檻。
2 創新之策,令五軸聯動輕松致之
事實上從運動控制應用的角度來看,目前硬件部分已經趨同,而能夠給客戶帶來差異化競爭優勢的恰恰在于軟件,尤其是能夠降低客戶的使用“門檻”,并具有一定專用屬性的平臺。那么相較于常見的運動控制卡加伺服驅動器的方案,研華帶來的創新方案主要核心不但包括工業計算機、運動控制卡、驅動器和電機等硬件,同時還加入了研華獨有的3D CAM軟件、五軸空間算法、空間標定系統等軟件,根據應用需求還可接入工業相機、傳感器和點膠閥等。研華三維五軸控制方案的架構如圖如圖3所示。
在解決五軸控制核心關鍵的兩大挑戰方面,研華的這一方案首先是通過3D CAM軟件進行三維運動軌跡規劃,大大解決了軌跡來源的問題(圖4)。也就是說,在該3D CAM軟件中,客戶導入加工產品的原始3D圖紙,選擇加工曲面和軌跡線,便可快速生成加工軌跡和姿態數據,從而為五軸聯動運動控制卡提供精確的運動數據。相比手動示校軌跡的方式,大大提升了精度和效率,這在市面上已有的各種五軸聯動控制方案中具有一定的開創性。
其次,根據軌跡進行空間五軸聯動控制這方面,研華的8軸運動控制卡加載了五軸控制算法進行復雜軌跡控制,包括線速度恒速控制、軌跡段間平滑的速度交接等,?不僅提高了軌跡控制的效率和靈活性,?還允許客戶根據具體需求調整參數,?通過合理地設置位置、?速度和時間參數,實現高度靈活和精確的三維空間運動控制。?
而為了解決五軸加工工件旋轉所造成的的直線軸坐標變化,該運動控制卡還采用了先進的RTCP(旋轉刀尖跟隨)控制算法,從而自動補償工件偏移,保證刀尖點沿目標軌跡運動,大大減少調整加工姿態的輔助時間,同時提高加工精度。
此外,眾多不同的三維五軸應用場景,也要求這類運動控制方案必須是一個相對開放和靈活的平臺。研華為此提供五軸控制的完整 API 供客戶進行應用開發,同時其 PC-Based 架構,可彈性的整合機器視覺、激光測高傳感器或高精密的標定治具夾,實現五軸應用中所需的旋轉軸旋轉中心標定、圖紙坐標系與機臺機械坐標系之間的位置標定、補償及各姿態下的位置拾取。
目前,這一創新的解決方案已經在多個空間異形軌跡加工應用中得以落地,并贏得了客戶的一致認可,這些應用廣泛覆蓋了諸如PCB高元器件加固點膠、手機中框內腔密封點膠、LCD/OLED屏孔內壁點膠、手機充電器內腔密封點膠、手機/智能穿戴類產品側邊點膠,手機、平板電腦、智能手表、充電器等3C產品曲面外觀瑕疵檢測等等。
事實上,從點膠、檢測到打磨、切割乃至激光打標、激光焊接和激光雕刻等更廣泛的應用場景,研華結合3D CAM軟件提取3D加工軌跡的三維五軸解決方案,都能夠解決其中的各種復雜曲面和多面加工難題,真正讓三維五軸技術助力現代科技產品順利取到“真經”。
圖1 五軸聯動示意圖
圖2 五軸聯動控制
圖3 研華三維五軸控制方案架構圖
圖4 研華方案通過3D CAM軟件進行三維運動軌跡規劃
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