五軸的快速編程與安全加工
機器人與機電一體化研究所（DLR-RM）| 巴伐利亞州奧伯法芬霍芬
關鍵結論
長年以來，「五軸同動加工——只有在別無選擇的情況下才使用」一直是德國航天中心（DLR）機器人與機電整合研究所在機械加工生產中的準則。但在導入 OPEN MIND 公司的 hyperMILL CAD/CAM 軟體及其 VIRTUAL Machining 虛擬加工模擬技術和 BEST FIT 功能後，情況徹底改變了。現在，加工工程師們利用 hyperMILL 能夠在短時間內產出最佳化的五軸 NC 程式，並在經過 NC 碼模擬後可靠地檢查碰撞。此外，受惠於 hyperMILL BEST FIT 功能，3D 列印的工件也能快速、簡單地完成夾持，並進行精準的機加工。
DLR 位於慕尼黑附近的奧伯法芬霍芬（Oberpfaffenhofen）園區，是研究團隊和學生們進行機器手臂、機械手和夾具研發工作的地方。他們開發多臂系統和移動平台，用於探索其他行星、彗星與小行星，進行土壤取樣等任務。其中特別引人注目的是高度自主的空中機器人和足式機器人，以及類人機器人。TORO 是一個人形行走機器人，科學家們正利用它研究雙足、動態移動的實現方式。TORO 目前正在學習穩健行走、攀爬樓梯等更多技能。
「投資 hyperMILL VIRTUAL Machining 和 BEST FIT 絕對是值得的。我們的程式編寫速度更快，獲得了能提供最大安全性的 NC 碼模擬，而且我們可以更輕鬆地設定我們的列印工件。」
Michael Dreer，DLR-RM 精密機械技師
機器人在此開發與製造
身為 DLR-RM 的精密機械技師，Michael Dreer 解釋，這些機器人系統的應用領域不僅限於航太工業，還涵蓋了醫療器材業、服務與照護，以及現代製造業。
「我們是以特定的專案為基礎進行基礎研究，經常與業界夥伴合作，但也會主動開發自己的專案。」Dreer 提到，除了機器人運動學之外，DLR-RM 也開發系統零組件。這包括了小型輕量化馬達、影像處理系統、操作設備以及各種軟體。“我們不只是做開發。”Dreer 強調,“我們擁有極高的垂直整合能力, 機器人所有高端零件都是在我們內部製造。
Dreer 強調：「我們不只是開發而已。我們這裡的垂直整合程度非常高，所有用於機器人的精密零件都是我們自行製造的。」他與六位同事共同負責研究所內所有的機械加工生產。Dreer 提到，這項任務要求他們必須在初期就與設計工程師密切合作：「我們的零組件在極小的空間內整合了電子與機械結構。因此，每個元件都必須被設計成可合理製造——即使它很複雜。」每位生產專業人員都要負責一個工件的完整製程鏈，從工具和材料的採購訂購、程式編寫、加工，直到品質保證。
OPEN MIND 的資深市場行銷經理 Carolin Lang拿著類人機器人手臂與技術員 Michael Dreer 的手臂對比了一下。
Michael Dreer 在 DLR-RM 工作了將近 30 年，見證了這段期間機器人技術的重大進展：「在輕量化結構方面，開發的腳步不斷推進，也對我們的生產技術提出了更高的要求。」為了跟上這些要求，DLR-RM 在幾年前投資了數台五軸加工中心、一台具備動力刀塔的車銑複合機，以及一台具備車削和銑削能力的複合式加工中心。尤其是五軸同動加工的應用，更讓他們不得不更換 CAD/CAM 設備。
擁有尖端加工技術的 CAM 系統
「我們的 CAD 軟體是否仍跟得上時代? 以前整合在 CAD 系統中的 CAM 模組呢？它能滿足未來的需求嗎？」相關負責人提出了這些疑問，並決定 CAM 程式編寫應獨立於設計工程師的 CAD 系統之外。「在我們這個機械加工生產部門，需要一套 CAM 軟體，它必須能夠與所有 CAD 系統進行資料交換，並支援多軸同動加工與車銑複合中心。同時，它還必須提供高度的製程可靠性，」Michael Dreer 總結道。
在尋找這樣一套面向未來的 CAM 系統時，OPEN MIND 公司的 hyperMILL 很快成為眾所矚目的焦點。「這套軟體非常實用，提供了強大的技術。你可以感覺到它是出自一群具有機加工經驗、並且熟悉複雜零組件問題的人士之手，」機械加工生產組的組長 Harald Wagner 說。「這一點尤其體現在其容易理解的程式編寫介面上，即使在五軸領域也是如此。」
DLR-RM 的機械加工生產部門需要易於使用的 CAM 軟體，來支援可靠的製造流程。OPEN MIND 公司的 hyperMILL 憑藉其針對多軸同動加工和車銑加工的策略與功能，表現同樣出色。
hyperMILL 具備廣泛的五軸功能，可以快速且輕鬆地編寫程式，這是採用它的重要理由。這是因為 DLR 機器人的外部結構有著球形的 3D 曲面，並且在許多方向上都有固定裝置、法蘭（flanges）和倒角（undercuts），因此機加工通常只能在五軸上執行。「在使用我們以前的系統時，掌握五軸程式編寫需要耗費巨大的精力。這意味著我們只有在別無選擇時，才會使用五軸銑削，」Dreer 如此説明。
現在情況不同了。Michael Dreer 使用 hyperMILL 約三年，是部門內第一個使用的同事。「這很合理，因為我主要負責處理複雜的五軸零件，」這位經驗豐富的精密機械技師說。同時，另一位同事也轉用了 hyperMILL，其他人也會逐步跟進。
Dreer 表示，hyperMILL 的優勢之一是其全面整合的刀具資料庫，可以集中管理所有鑽孔、銑削和車削的刀具。該資料庫可用於儲存主軸轉速和進給率數值、特定材料的數值，甚至應用案例。「雖然我花了一段時間輸入所有的刀具資料，但現在我在程式編寫和刀具選用方面節省了大量的時間。同時，由於可靠的技術資料，我也能從最佳化的製程中獲益，」Dreer 說。
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DLR-RM 的精密機械師 Michael Dreer：「OPEN MIND 公司的 hyperMILL CAD/CAM 軟體非常實用，並提供了強大的技術。你可以看出，它是由具備機械加工經驗、並且熟悉複雜零件問題的人員所開發出來的。」
精密技術員 Michael Dreer:“對 hyperMILL VIRTUAL Machining 與 BEST FIT 的投資絕對值得。我們的編程更快, NC 模擬提供更高安全性, 3D 列印零件的裝夾變得更輕鬆。”
不可或缺的 NC 碼模擬
Michael Dreer 對他一年後才添購的 hyperMILL VIRTUAL Machining (VM) 虛擬加工模組感到非常興奮：「這給了我一個來自 OPEN MIND 的完整解決方案，它能產出完美的 NC 碼，並透過精確的 NC 碼模擬，幾乎能百分之百地保證無碰撞加工。」
在 DLR-RM 的機械加工生產中，NC 碼模擬並不是新鮮事。Dreer 和他的同事認為這對五軸加工絕對是不可或缺的：「碰撞的風險實在太高了。即使是經驗豐富、技術純熟的程式設計師，也無法百分之百確定機器的實際運動軌跡。僅靠純粹的 CAM 資料進行模擬是遠遠不夠的。」正因如此，Dreer 和他的同事們多年來一直使用獨立的模擬軟體來進行 NC 碼模擬。
Dreer 認為這是一個進步的過程：「相較於我們以前的 CAM 軟體，hyperMILL 提供了更棒的介面和更方便的資料傳輸。現在，當我們使用 hyperMILL VIRTUAL Machining Center 內建的 NC 碼模擬時，一切都變得更快了。我們擁有一個端到端（end-to-end）的工作流程，因為 hyperMILL 會自動提供所有與製程相關的資料。我可以在極短時間內得到回饋，確認程式是否能在機台上無碰撞運行——可靠性幾乎達百分之百。」
對於 DLR-RM 的生產專業人員來說，hyperMILL 和虛擬機提供的支援不僅在五軸銑削方面很重要。車銑複合中心的程式編寫也是一項要求很高的任務，而 hyperMILL TURN-MILL Machining 也為此提供了支援。Michael Dreer 補充道：「為了確保這邊的最高可靠性，我們自願擔任車銑加工 VM 的 Beta 測試人員，而它的運行表現極為可靠。」
自動化的工單串聯與 BEST FIT
除了 NC 碼模擬之外，hyperMILL VIRTUAL Machining 也包含了 Optimizer 最佳化模組。在 NC 碼生成過程中，它會自動將 NC 程式完美地適應機器的運動學特性。它會選定和最佳化最佳的位置，並在各個操作之間生成連接動作。Michael Dreer 主要將 Optimizer 用於工單串聯（job linking）：「這個功能會自動將我個別的工單用安全、最佳化且無碰撞的動作連接起來，我完全不用操心。」
DLR-RM 生產團隊藉由 Optimizer 節省了程式編寫時間，而 hyperMILL BEST FIT 功能（可作為 hyperMILL VIRTUAL Machining 的附加模組）則縮短了工件的夾持與對準時間。「以前，我們的輕量化結構有超過 90% 的材料移除量，因此我們現在盡可能利用 3D 金屬列印或脫蠟鑄造來製造這些零組件，」Michael Dreer 解釋。「不過，我們仍然需要在這些零件上進行功能性表面、鑽孔和螺紋的機加工。」
其中一個難點在於如何在機台上夾持零件並精確對準。這需要複雜的夾治具，並且耗費大量的時間，因為後續零件必須達到重複性。「有了 BEST FIT，我們找到了一種快速設定零件並可靠地進行機加工的方法，」Harald Wagner 興奮地說。
若零件以增材製造方式生產, 可加上輔助結構來協助後續夾持。
這些結構同樣以列印方式製作, 多面加工完成後再移除。
BEST FIT 是 CAM 系統中的一項智慧工件校正功能，它允許將工件固定在機台上，而無需事先對準。「舉例來說，我們為此使用了便宜的列印塑膠夾具，」Michael Dreer 說，「因為在夾持時，不需要精確到公釐。」接著，工件會使用 3D 測頭在機台上進行量測。量測結果會以量測日誌的形式回傳給 CAM。hyperMILL BEST FIT 隨後會移動 CAD 工件，使其完全落在量測到的餘料範圍內。
「我可以在螢幕上檢查，但它通常會馬上完美匹配。」接著，BEST FIT 會相應地修改 NC 碼，針對實際的夾持情況進行模擬，並自動最佳化程式。OPEN MIND 資深產品行銷經理 Michael Förster 解釋了後續步驟：「為了確保安全和精確的機加工，機台設定人員接著會執行驗證量測。如果機台上的位置與最佳化的程式匹配，機台設定人員就可以開始加工，而無需費力地在機台上對準工件。這樣做的好處包括：節省大量的時間、確保安全加工，以及製程更具可規劃性。」
製造專家使用低成本、3D 列印的塑膠夾具, 用於夾持前臂結構零件。 得益於 hyperMILL BEST FIT 功能, 工件即便未完全對位, 仍可安全固定於機台。
Michael Dreer 和 Harald Wagner 完全同意：「這為我們節省了大量的時間和精力。投資 hyperMILL VIRTUAL Machining 和 BEST FIT 絕對是值得的。我們的程式編寫速度更快，獲得了能提供最大安全性的 NC 碼模擬，而且我們可以更輕鬆地設定我們的列印工件。」