РОБОТОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ

MACHINING ROBOTIC TECHNOLOGY SYSTEMS IN MECHANICAL ENGINEERING

Andrey S. Smirnov

master of Engineering sciences, Ufa State Aviation Technical University (USATU)

Ufa, Russia

АННОТАЦИЯ

Повышение эффективности и качества отечественного машиностроения требует широкого использования робототехнических комплексов. В статье дано четкое определение понятия «робототехнологический комплекс», описана его концептуальная модель и наиболее эффективные области его применения.

ABSTRACT

Extensive use of robotic systems is required to improve the efficiency and quality of domestic machine-building. In this paper, the author present a clear definition of a robotic technology system, describe its conceptual model and the most effective applications of such systems.

Ключевые слова: механическая обработка, промышленные роботы, робототехнологические комплексы, гибкие производственные системы.

Keywords: machining, industrial robotics, robotic technology systems, flexible manufacturing systems.

В настоящее время в индустриально развитых странах начинается четвертая промышленная революция, целью которой является создание цифровых производств. В Германии, где эта революция получила название «Индустрия 4.0», имеется точка зрения, что само существование производства в стране может зависеть от успехов создания цифровых производств, призванных обеспечить значительное повышение эффективности и качества производства. Аналоги такой программы есть и в других странах Европы, Америки и Азии. Индустрия 4.0 в значительной степени основана на внедрении роботов во все технологические процессы. Повышение эффективности и качества отечественного машиностроения также требует широкого использования робототехнических комплексов.

В зарубежной литературе существует термин «промышленный робот» (industrial robot). Согласно стандарту [1], это автоматически управляемый многоцелевой манипулятор, программируемый по трем или более осям с возможностью перепрограммирования. В функции таких роботов включены все операции, которые могут потребоваться для работы промышленного предприятия. При этом отсутствует разделение операций на основные (обрабатывающие) и вспомогательные (транспортно-манипуляционные и складирования).

Существует множество публикаций, посвященных применению роботов во внепроизводственной сфере: в биомедицинской инженерии [5], в домашнем хозяйстве, транспорте, здравоохранении, торговле, системах безопасности и энергетике.

Однако детальных исследований использования промышленных роботов как основы для создания гибких производственных систем нет, что представляется неправильным, так как методы программирования обрабатывающих и задействованных в логистике транспортно-манипуляционных роботов существенно различаются. Комплексы, построенные на базе обрабатывающих роботов, целесообразно называть робототехнологическими комплексами (РТК).

На машиностроительном предприятии, как правило, имеется множество различных роботов. Комплекс технических средств, в состав которого входит робот, называют робототехническим. Чтобы из всех робототехнических комплексов выделить РТК, следует воспользоваться определениями стандартов. Согласно ГОСТ 3.1109-82, технологический процесс представляет собой часть производственного процесса, содержащую целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. Отсюда следует, что РТК должен реализовывать упомянутые действия. Например, автоматизированная транспортно-складская система не выполняет их и, являясь робототехническим комплексом, не может быть отнесена к числу РТК.

Для более глубокого анализа необходимо рассмотреть структуру оперативного времени, включающую в себя основное и вспомогательное время. Первое направлено на достижение непосредственной цели технологической операции по качественному и (или) количественному изменению предмета труда. Второе время связано с действиями, дающими возможность выполнения основной работы, которая является целью технологической операции. Робот в составе РТК должен быть связан как минимум с основным временем, хотя его можно использовать и для реализации вспомогательных действий, покрывая полностью все оперативное время.

Нормы оперативного времени зависят от применяемых технологических методов, включающих в себя раскрой материала, обработку резанием, электрофизическую обработку, сварку и пайку, а также сборку, наплавку и окраску.

Примеры использования РТК. Среди перечисленных методов есть такие, которые доступны только для роботов. К операциям раскроя материала относится резка ножом 6Б, осуществляемая на сложных пространственных поверхностях [6].

В каждой точке траектории лезвие ножа должно разворачиваться вдоль направления движения, для чего необходимы шесть степеней свободы: три линейные и три угловые.

Для программирования обработки резанием при движении исполнительного органа робота вдоль контура или поверхности используют те же методы, что и для фрезерных станков. При этом каждая операция имеет ряд дополнительных параметров для управления конфигурацией и степенями свободы робота.

Сварку, как правило, выполняют тоже с помощью роботов. Программировать сварочное оборудование можно с помощью универсального метода [6]. Для расчета управляющих программ по пяти координатам достаточно добавить ребро, проходящее вдоль соединяемых деталей. При этом в каждой точке кривой будут рассчитаны углы наклона сварочной головки так, чтобы она проходила как можно ближе к середине между соседними стенками и не сталкивалась с ними.

Традиционная обработка резанием связана с удалением лишнего материала из заготовки, а противоположная ей аддитивная обработка - с добавлением материала к заготовке в месте прохождения рабочего инструмента. Наплавка - частный случай аддитивной обработки, заключающийся в нанесении слоя металла или сплава на поверхность изделия путем сварки плавлением. Это позволяет наращивать на поверхности детали слой материала, обладающего особыми характеристиками: высокой прочностью, износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и т. п. Наплавка дает возможность восстанавливать геометрические размеры дорогостоящих деталей и инструмента, осуществлять ремонт лопаток, штампов, пресс-форм, шестерней, валов и т. д.

Наплавку можно осуществлять как на станках с ЧПУ, так и с помощью роботов.

Программирование операций РТК можно проводить двумя способами: обучением и аналитически. Аналитическое программирование является предпочтительным при обработке резанием. В этом случае можно использовать высокоразвитые системы программирования для станков с ЧПУ.

Отметим области механической обработки, в которых РТК будут иметь преимущества перед станками с ЧПУ.

Во-первых, это многоинструментальная фрезерно-сверлильная обработка деталей, которую в токарно-фрезерных обрабатывающих центрах проводят при одновременном применении нескольких суппортов. Включение в состав РТК нескольких параллельно работающих роботов обеспечивает повышение производительности обработки в несколько раз.

Во-вторых, можно использовать подвижность роботов для сложной многокоординатной фрезерно-сверлильной обработки крупногабаритных деталей, что позволит избежать необходимости применения дорогостоящих пятикоординатных станков с ЧПУ. Такая возможность обеспечена включением в состав РТК транспортера для перемещения узла движения инструмента или обрабатываемого объекта. Последний узел может как присутствовать, так и отсутствовать в РТК. Для крупногабаритных деталей нецелесообразно включать в состав РТК узел движения обрабатываемого объекта.

В целях повышения эффективности РТК должен обеспечивать выполнение всех вспомогательных переходов, необходимых для операции, к которым традиционно относятся установка и съем обрабатываемого объекта, а также смена рабочего инструмента. Для реализации переходов первого типа в состав РТК могут быть включены склады объектов обработки - заготовок и готовых изделий. Смену таких объектов традиционно выполняют обслуживающие роботы, в качестве которых в РТК можно использовать узел движения обрабатываемого объекта, оснащенный соответствующими схватами.

Для удобства обработки осесимметричных деталей часто применяют поворотные столы, которые также могут быть включены в состав РТК. С помощью таких РТК обеспечивается пятикоординатная обработка пространственносложных деталей [6].

Основными компонентами РТК являются узлы движения инструмента и обрабатываемого объекта, первый из которых может состоять из нескольких экземпляров, а второй - отсутствовать. Каждый из узлов по сути представляет собой робот. Согласованная работа этих роботов обеспечивается системой управления РТК.

Узел движения инструмента включает в себя инструментальный блок и закрепляемый на нем инструмент и, как правило, имеет основание и некоторое множество координатных осей. Каждая из осей может входить или не входить в состав робота.

Рассмотрим технологию обработки резанием на РТК. Одним из важных направлений в машиностроении является высокоскоростная обработка (ВСО - HSC, англ. High speed cutting), относящаяся к перспективным технологическим процессам.

Основная отличительная особенность ВСО - малое сечение среза, снимаемое при высоких скорости резания и минутной подаче, значения которых в 5-10 раз больше, чем при обычной обработке. Рекомендуемая глубина резания не должна превышать 10 % диаметра фрезы. Кроме снижения крутящего момента в зоне высоких скоростей, наиболее важная особенность ВСО состоит в перераспределении тепла в зоне резания. При такой обработке скорость подачи превышает скорость теплопроводности обрабатываемого материала, поэтому основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в заготовку и инструмент.

Таким образом, с помощью ВСО можно фрезеровать закаленные стали, не опасаясь отпуска поверхностного слоя. Исследования показали, что 75 % тепла отводится со стружкой, 20 % - через инструмент и 5 % - через обрабатываемую деталь. Поэтому ВСО базируется на сокращении тепла, которое обычно служит причиной износа инструмента.

ВСО не всегда уменьшает машинное время за счет высоких режимов резания, так как это не является ее главным предназначением. Основные достоинства ВСО заключаются в следующем: повышение качества обработки; возможность обработки материалов, чувствительных к перегреву; эффективное использование оборудования с ЧПУ; переход от электроэрозионной обработки и шлифования к лезвийной обработке.

Рисунок 1. Схема ВСО

ВСО применяют там, где необходимо быстро снять металл, а также при обработке различных сложных объектов:

• длинных тонкостенных алюминиевых деталей (например, деталей крыла и фюзеляжа самолетов), к качеству обработки которых обычно предъявляются высокие требования. Вследствие большого объема срезаемого металла добиться высокого качества таких деталей можно только путем применения ВСО, так как благодаря небольшим сечениям среза силы резания невелики;

• изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов в аэрокосмической и автомобильной промышленности;

• штампов и пресс-форм, характеризуемых жесткими допусками, высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности;

• деталей малых размеров и миниатюрных изделий, предназначенных для медицины и других отраслей, включая нанотехнологии.

Роботы, используемые для ВСО, оснащены высокоскоростным инструментальным шпинделем, частота вращения которого находится в пределах 12 000...40 000 минˉ¹. Скорость подачи составляет 40...60 м/мин, а скорость быстрого перемещения достигает 90 м/мин. При этом роботы отрабатывают малые перемещения (1...20 мкм).

Особые требования предъявляются и к системе ЧПУ. Она должна обеспечивать высокую скорость просмотра кадров вперед (100...200 кадров/с), чтобы успевать сделать расчеты для торможения на подходе к углу и разгона после поворота, а также обладать множеством других возможностей для отработки ВСО.

Производители режущего инструмента уже давно изготовляют твердосплавные режущие инструменты из мелкодисперсных сплавов, работающие преимущественно на больших скоростях. Значительная частота вращения шпинделя (40 000 минˉ¹) предполагает применение инструментов малого диаметра (15...20 мм).

Для ВСО часто используют плунжерные фрезы (монолитные и с пластинами), инструменты с кубическим нитридом бора и поликристаллическим алмазом. Вследствие большого объема материала, срезаемого при ВСО на больших подачах, желательно использовать двузубые фрезы, чтобы стружка могла свободно уместиться в канавке. Опыт показывает, что целесообразнее применять специальные фрезы и режущие пластины с большими передними углами заточки.

Вспомогательный инструмент для крепления инструментов должен иметь конус типа Н8К (или типа ВВТ), обладающий высокой стабильностью (статической и динамической), точностью и возможностью самобалансирования на высоких скоростях, а также меньшей массой по сравнению с аналогами.

Назначение режимов резания вызывает трудности, связанные с тем, что хотя они и указаны в каталогах применяемого инструмента, но имеют предварительный характер. Окончательно же режимы резания устанавливают исходя из опыта и экспериментов для конкретного обрабатываемого материала.

Для самых труднообрабатываемых материалов подачу на зуб можно вычислить по формуле fz = 0,01D при выполнении условия 0,005D < fz < 0,02D, где D - номинальный диаметр фрезы.

Наибольшая стойкость наблюдается при использовании обдува. Поскольку тепло концентрируется в стружке, ее надо просто удалить из зоны резания, а не охлаждать заготовку и инструмент. В случае применения смазочно-охлаждающей жидкости инструмент подвергается циклическим температурным нагрузкам на кромке, что приводит к преждевременному выкрашиванию. А как известно, для инструмента постоянная тепловая нагрузка даже при средних температурах предпочтительнее, чем меняющаяся циклическая нагрузка.

Иногда при ВСО используют охлаждающую эмульсию, причем не для охлаждения, а для смазки, так как она помогает скольжению стружки по режущей кромке без теплообмена.

Самым эффективным является применение масляного тумана с обдувом воздушной струей под большим давлением. При этом масло должно иметь растительное происхождение и быть безвредным для здоровья.

ВСО нельзя использовать без инновационных CAM-систем, обеспечивающих программирование такой обработки. К CAM-системе для ВСО предъявляется множество требований, так как от качества управляющих программ во многом зависит износ дорогостоящего станка и инструмента, а также качество самой обработки. CAM-система должна обеспечивать равномерность снимаемого слоя и плавность движения инструмента, иначе он сломается. Для этого необходимо выбрать правильную стратегию обработки и специальную траекторию движения инструмента [6]. При определении стратегии обработки и построении траектории следует обеспечить отсутствие резких изменений направления движения инструмента. CAM-система должна иметь возможность генерации траектории, базирующейся на сплайнах (Nurbs-based machining) и трохоидальной обработке.

К построению траектории инструмента предъявляется ряд требований: инструмент не должен долбить деталь, режущая нагрузка должна находиться в определенных для него пределах, холостые ходы должны быть минимизированы, а время прохождения всей траектории - сведено к минимуму и др.

Кроме того, CAM-система должна обеспечивать:

• широкий выбор вариантов гладкого подвода-отвода и связок между проходами;

• набор стратегий спиральной и эквидистантной обработки для чистового и чернового проходов, а также поиск оптимальной из них в различных зонах;

• автоматическое сглаживание траекторий в углах;

• исключение проходов полной шириной фрезы и автоматическое применение трохоидального врезания в этих местах;

• оптимизацию подач для сглаживания нагрузки на инструмент.

Для программирования ВСО с использованием роботов создана отечественная система SprutCAM, входящая в пятерку лучших мировых систем такого класса по функциональной эффективности и стоимости [6]. Существует возможность подготовки управляющих программ для роботов ведущих мировых производителей: Fanuc, KUKA, Staubli, ABB.

ВСО по сравнению с силовой (традиционной) обработкой обеспечивает следующие преимущества:

• сокращение времени производственного цикла на 50 % и более;

• повышение производительности и эффективности обработки;

• упрощение технологических процессов (отсутствие эрозионных и ручных доводочных операций);

• повышение качества обработки (получаемые поверхности — как после шлифования);

• увеличение экономичности (благодаря снижению времени обработки) и ресурса инструментов (смена инструмента или пластин происходит реже);

• уменьшение износа станка (постоянное усилие резания снижает переменные нагрузки двигателей);

• оптимальное использование времени;

• повышение эффективности использования станков с ЧПУ;

• возможность обработки: сложных тонкостенных деталей с обеспечением высокого качества, закаленных и труднообрабатываемых деталей твердостью 50 НRС и более, деталей малых размеров.

Несмотря на то что оборудование и инструменты для ВСО в несколько раз дороже стандартных аналогов, следует учитывать все преимущества ВСО перед традиционной обработкой. При грамотной настройке и большой за-загрузке оборудования (около 120 ч в неделю) стратегия ВСО способна довольно быстро окупить все затраты.

Список литературы:

1. ISO 8373:2012. Robots and robotic devices — Vocabulary, 2012. 38 p. 1
2. Wallen J. The history of industrial robot. URL: http://liu.diva-portal.org/smash/get/diva2:316930/FULLTEXT01.pdf, дата обращения 17.04.2020
3. The new hire: How a new generation of robots is transforming manufacturing. URL: http://www.pwc.com/us/en/industrial-products/next-manufacturing/robotic-trends-changing-manufacturing.html, дата обращения 18.04.2020
4. Hagerty J.R. Meet the New Generation of Robots for Manufacturing. URL: http://www.wsj.com/articles/meet-the-new-generation-of-robots-for-manufacturing-1433300884, дата обращения 16.04.2020
5. Саврасов Г.В., Максимова Т.Н. Манипуляционные системы для хирургии. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2002. - № 9 - С. 68-72.
6. СПРУТ-Технология. URL: http://www.sprut.ru, дата обращения 15.04.2020 12