近日，德国Lower Saxony公司新开发的资源高效、灵活型自动化生产——线性轴铣削运动系统，可实现生产公差仅有0.1毫米的多功能高效加工，适用于从轻质材料到金属直至钢材的各种材料。
成功完成的LuFo项目“Lower Saxony制造的机器人 2”（“RoMaNi 2”）面临的挑战是缩小工业机器人和机床之间的差距。由德国施塔德的Fraunhofer IFAM领导的研发工作，与项目合作伙伴Broetje-Automation GmbH、Hexagon AICON ETALON GmbH和Siemens AG，以及相关合作伙伴AIRBUS Operations GmbH和A&T Service GmbH共同研发的成果是一种具备新型传动系统的高精度加工机器人。它不仅可以灵活高效地加工轻质材料，还可以加工包括钢铁在内的金属，生产公差仅有0.1毫米。
在该项目中，研究团队详细检查了两个专为机械加工而设计的机器人运动系统，通过控制侧设置和计量学理论的支持对精确路径控制的流程进行了优化，并在1:1的比例上使用航空工业的实际应用场景进行了测试。作为 RoMaNi 2 项目的一部分，Fraunhofer IFAM 的研究人员能够使用在“柔性运动学 4.1”（“Flexmatik 4.1”）项目中开发的新型混合动力驱动系统完全组装一个运动装置的原型，然后将其投入运行并在加工过程中进行测试。在 Fraunhofer 联合项目 Flexmatik 4.1 中，Fraunhofer IFAM 与 Fraunhofer IPK 和 Fraunhofer LBF共同开发了一种动态性能显著提高的机器人，使其能够执行更具挑战性的任务，包括加工较硬的材料。RoMaNi 2项目以高精度铣削相关合作伙伴AIRBUS的垂直尾翼和钢测试件作为项目总结。
该系列工业机器人的特点是其设计理念，可实现灵活装配，并在所需的安装空间和可用工作空间之间规划出合适的比例。它们在各种制造和生产过程中证明了其高效性和多样性。在搬运和装配技术应用中，它们已成为自动化过程步骤的成熟工业解决方案。其他应用领域，如轻质材料的加工，也正在大规模推广工业机器人的使用。
然而，基于对高强度材料加工和更严苛公差指标的要求，对工业机器人的要求越来越高，但与机床相比，工业机器人的动态特性有限，但灵活性更高，因此存在一定局限性。由于其运动学设计，机床具有低灵活性和高精度的特性，但当加工的部件扩展到米级范围时，所需的大型机床本身则需要耗费大量的材料和投资。
近年来，新制造工艺的使用促进了飞机制造中，碳纤维增强塑料（CFRP）制成的近净形组件的设计自由度和结构完整性方面的进一步发展。由于经济和技术要求，通常使用龙门式设计的大型机床对米级范围且公差在亚毫米范围内的大型部件进行高精度后处理。然而，这些机床由于其特有的运动结构，其设备的尺寸相当大，这必然会影响生产设施的布局，且限制了它们对生产过程中变化的灵活响应能力。
另外一种自动化生产的概念是工业机器人，包括通过可移动平台扩展工作空间、安装多个机器人或使用额外的平移轴（如线性轴）。与龙门系统或机床相比，这种机床概念更加节省空间，并且在经济上不依赖于单个大型部件。此外，不需要特殊的基础设施，这有助于未来生产线的快速适配。在RoMaNi 2项目中，原型机器人与能够实现精确路径运动的机器人线性轴相结合，这线性轴也是在 Flexmatik 4.1 项目中开发的。
尽管工业机器人已经在加工轻型航空器外壳部件等方面得到了成功的应用，但进一步提高其加工过程的稳定性以及处理越来越苛刻的高精度加工任务的能力，才能使工业机器人在大型航空航天部件生产中被大规模部署。
在RoMaNi 2项目中，Fraunhofer IFAM 的自动化和生产技术专家们组装并研究了一个串行机器人的原型。内部开发的运动学设计从根本上满足了高路径精度的工艺需求。目标是在从组件一开始加工大型部件时，至少实现±0.1毫米的制造公差。这个包含线性轴的原型机器人，是作为 Flexmatik 4.1 项目的一部分来开发的，该项目计划制造的所有组件均已研制成功。整个机器人运动部件的组装、调试、控制侧优化，以及对工业机器人运动学的进一步深入研究均已在RoMaNi 2项目中顺利完成。对原型机器人的精度测试最终实现了±0.1毫米的制造公差的目标。
除了结构优化之外，改善原型机器人动态性能的关键要素之一，就是在下关节轴中使用创新的驱动方案。通过在与传统驱动齿轮平行的位置附加一个直接驱动齿轮，可以直接提高在负载侧扭的矩输出。这种混合动力驱动方案不仅改善了补偿变速箱的不良影响，还可以抑制阻尼高频激励情况的发生，同时确保了在静态和准静态负载情况下的高能效，该机器人动力驱动方案由Siemens Sinumerik One controller提供。因此可以直接利用操作CNC机床的现有专业知识，而无需对操作新型控制系统的人员进行重新培训。在RoMaNi 2项目中，混合动力驱动的控制组件得到了进一步开发，使得现在可以在工业控制系统中充分发挥驱动器的全部潜力。
与大型龙门系统和特殊加工机床相比，串联关节臂运动学与线性轴的组合具有多种优势。更小的安装空间和线性轴的模块化设计使系统具有高度的灵活性。使用两个预加载的齿轮齿条驱动器来补偿反转效应，并确保线性轴骨架超强的驱动稳定性，以实现运动路径精准的机器人自动化系统。由于线性轴的结构强度很高，即使在负载施加点有较大的杠杆臂，对机器人精度的影响也很小。在该项目中，对于长达7米的大型部件，实现了0.15毫米的路径精度。Fraunhofer IFAM的研究人员相信，通过补偿其静态影响因素（如温度）而不是补偿其动态影响因素，可以实现更高的精度。
直接驱动的使用显著改善了串行机器人运动性能在轴级的参考跟踪行为和抗干扰能力。电机输出的扭矩直接机械传递到运动装置，也可以增加所有下关节轴的加速度控制能力。这比传统马达驱动的工业机器人性能高出10-100倍，因此具有显著提高生产效率的巨大潜力。此外，在高速路径下也可以证明其路径精度的显著提高。在10米/分钟的驱动速度下，可以证明路径精度在先前记录的静态精度范围内。并且这种创新的齿轮传动结构而产生的第一特征模态的阻尼也为改善设备整体的干扰抑制能力提供了帮助。
通过加工钢制零部件，该项目成功地为工业机器人开辟了新的应用领域。测试零件包括各种几何形状，例如角、曲面和圆。它们都是使用刀具制造商提供的加工参数加工出来的。
下一步，Fraunhofer IFAM的研究人员与来自工业界的合作伙伴打算进一步发展这项新技术，直到它准备好进行批量生产。采用混合动力驱动并结合线性轴特性的工业机器人将有广泛的应用前景，从航空工业的加工任务（如较轻的纤维复合结构和铝合金）到较硬材料的加工（如钢或钛），这些材料可以被用于铁路、商用车辆和造船工业以及能源部门。但目前为止，还无法使用工业机器人持续稳定的加工此类组件和材料。这样看来，未来将非常有希望能够实现，使用由混合动力驱动的工业机器人执行这些复合材料的高难度加工任务。
Niedersachsen州经济事务、交通、住房和数字化部以及 NBank 资助了 LuFo 研究项目“Niedersachsen州制造的机器人 2”（“RoMaNi 2;资金代码：ZW1-80155399）。弗劳恩霍夫国际航空航天展览会（Fraunhofer IFAM）谨代表所有项目合作伙伴，感谢Niedersachsen州经济事务、交通、住房和数字化部、NBank以及作为项目管理机构的德国航空航天中心（DLR）的支持。
