Робототехнический комплекс механообработки

Робототехнический комплекс (РТК) предназначен для выполнения операций механообработки деталей из пластмасс и легких сплавов. К числу типичных операций относятся зачистка заусенцев, снятие облоя, шлифование контуров и поверхностей, сверление отверстий, снятие фасок.

В состав РТК входят: промышленный робот РМ-01, включающий манипулятор PUMA-560 и устройство управления «Сфера-36», компьютер верхнего уровня типа IBM PC, блок пневмоэлектроаппаратуры, сменные рабочие органы (схваты, инструментальные пневмоголовки), комплект режущего инструмента (фрезы, напильники, металлические щетки), устройство силомоментного очувствления с блоком ввода аналоговых сигналов в устройство управления и многофункциональный адаптер ввода-вывода сигналов в компьютер.

Рис. 2.2. Рабочий орган технологического робота

Для выполнения на РТК технологических производственных процессов возможно включение в его состав роликового транспортера и механизма подачи палет с заготовками, а также поворотного стола с фиксаторами. Технологическое оборудование РТК обеспечивается пневмопитанием под давлением 0,5 МПа. В частности, при механической обработке используется в качестве рабочего органа специальная пнев­мо­головка производства фирмы NOKIA (Фин­ляндия), которая крепится к наружному фланцу силомоментного датчика (рис. 2.2). Основные технические характеристики пневмоголовки: мощность 160 Вт, частота вращения выходного вала 28000 об/мин, масса 1,5 кг.

Электромеханический манипулятор PUMA-560 антропоморфного типа имеет 6 вращательных степеней подвижности. Приводы степеней подвижности созданы на базе двигателей постоянного тока с защитными тормозами и инкрементальными инкодерами в качестве датчиков обратной связи. Грузоподъемность робота 2,5 кг, точность позиционирования 0,1 мм. Устройство управления «Сфера-36» предназначено для позиционно-контурного управления функциональными движениями манипулятора и имеет архитектуру типа «компьютер – внешний контроллер» для управления исполнительными приводами. Система является многопроцессорной и двухуровневой: она содержит центральный процессор и шесть процессоров приводов. Модули устройства имеют унифицированные шины внутренней связи (типа Q-BUS) и стандартный интерфейс связи с технологическим оборудованием.

Устройство силомоментного очувствления состоит из двух функциональных модулей: датчика силы и блока обработки силомоментной информации. Датчик силы конструктивно выполнен в виде плоских крестообразных пластин, на грани которых наклеены тензорезисторы. Конструкция датчика предусматривает измерение трех компонент вектора силы, действующей на рабочий орган робота: силы, перпендикулярной фланцу датчика силы (Fz), и двух моментов в плоскости фланца (M_x и M_y). В качестве чувствительных элементов выбраны фольговые тензорезисторы типа КФ 5П1-3200-А12. Датчик изготовлен из алюминиевого сплава Д16-Т, обладающего высоким значением модуля Юнга и малой удельной массой. Блок обработки силомоментной информации предназначен для преобразования сигналов с тензоусилителя в три информационных сигнала о векторе сил, действующем на рабочий орган. Блок выполнен в виде отдельной платы и установлен в корпус тензоусилителя. Технические характеристики устройства силомоментного очувствления в целом таковы:

– количество измеряемых компонент вектора сил – 3 (осевая нагрузка до 50 Н; поперечные силы по осям X и Y до 25 Н на плече 0,12 м);

– диапазон выходных сигналов для ввода в компьютер от -5 В до + 5 В,
для ввода в «СФЕРУ-36» 0–5 В;

– погрешность выходного сигнала не более 2 % от номинала.

При управлении роботом на операциях механообработки основная функция компьютера состоит в обработке сигналов от датчика силомоментного очувствления и выработке сигналов коррекции движения.

Если датчик сил и моментов содержит встроенный микропроцессор, то организация обмена информацией с компьютером не представляет труда. В противном случае необходимо использовать многофункциональный адаптер (МА), который осуществляет согласование аналоговых и цифровых сигналов с системной шиной компьютера. МА представляет собой электронный модуль (плату), вставляемый в слот IBM PC. Адаптер содержит следующие функциональные узлы: аналого-цифровой преобразователь с коммутатором на входе, цифро-аналоговый преобразователь, устройство параллельного ввода-вывода и таймер. Серийный комплект устройства управления «Сфера-36» не имеет возможности ввода и обработки аналоговой информации. Поэтому на базе стандартного модуля аналогового ввода (МАВ) этой стойки управления был реализован контроллер ввода аналоговых сигналов с силомоментного датчика. Шесть каналов модуля МАВ служат для ввода сигналов с потенциометрических датчиков, расположенных в степенях подвижности манипулятора. Оставшиеся два канала АЦП, которые в штатном режиме используются для тестирования системы, переведены в режим связи с внешними задатчиками сигналов. Связь между устройством управления «СФЕРА» и компьютером обеспечивается специальными драйверами.

Программирование движений технологического робота проводится автоматизированно с помощью специально разработанного комплекса подготовки управляющих программ, блок-схема которого представлена на рисунке 2.3.

Таким образом, данный робототехнический комплекс механообработки реализует современную концепцию построения производственных систем типа CAD/CAM, когда автоматизированное проектирование изделия и его автоматическое изготовление интегрированы в единую систему и задача пользователя состоит только в подготовке исходной компьютерной модели детали. Можно провести аналогию между мехатронным принципом объединения элементов и концепцией CAD/CAM, где методология интеграции воплощена на высоком системном уровне.

 

Рис. 2.3. Блок-схема комплекса программирования движений

 

Задача программирования движения манипулятора решается в четыре основных этапа, при этом первые два выполняются на ЭВМ верхнего уровня, что позволяет не выключать РТК из производственного процесса.

Этап 1. Разработка компьютерной модели детали в среде Auto CAD. С помощью САПР конструктора выполняется чертеж обрабатываемой детали, либо выбирается стандартная графическая модель из библиотеки. Компьютерная модель записывается в соответствующем формате.

Этап 2. Планирование движений робототехнической системы. В качестве базового программного обеспечения использован интерактивный пакет MASTERCAM, позволяющий в режиме диалога задавать траекторию движения и желаемую ориентацию рабочего органа в декартовой системе координат, закон движения во времени, команды на вспомогательное технологическое оборудование. При этом могут применяться проверочные и оптимизационные процедуры, которые учитывают кинематические, динамические, энергетические и другие особенности конкретного манипулятора. Полученный файл во внутреннем формате поступает для обработки на постпроцессор. Постпроцессор - это специальная программа, которая автоматически генерирует управляющую программу, готовую для загрузки и исполнения устройством управления робота.

Этап 3. Автоматическая загрузка управляющей программы. На этом этапе осуществляется пооператорная загрузка программы в устройство управления «Сфера-36». При этом стойка управления и компьютер соединены через последовательный порт по протоколу RS-232.

Этап 4. Исполнение программы. Для начала выполнения программы необходимо выполнить привязку системы координат, задав в режиме дистанционного обучения исходную точку в рабочей зоне робота. Затем происходит автоматическое выполнение функционального движения, при этом сила резания поддерживается на заданном уровне за счет регулирования контурной скорости рабочего органа.

 

2.4. Технологические машины – гексаподы

Мехатронный подход положен в основу машин с концептуально новым принципом построения – так называемых гексаподов. Эти технологические машины (станки, координатно-измерительные машины, роботы) имеют стержневую конструкцию и построены на мехатронных модулях линейного движения, в основе их конструктивной схемы лежит платформа Стюарта.

Станок-гексапод (рис. 2.4а) выполнен на базе линейных мехатронных модулей 2, которые осуществляют осевое перемещение винтов через шарико-винтовые передачи (ШВП). Один конец ШВП соединен безлюфтовым шарниром с нижней платформой 1, а другой – с подвижной верхней платформой 4, на которой расположен рабочий орган – инструментальная головка 3. Управляя положением винтов (рис. 2.4б), можно обеспечить пространственное перемещение рабочего органа по шести степеням свободы (отсюда и название станка: «гекса» – означает «шесть» по-гречески). Основными преимуществами гексаподных машин являются:

– сокращение времени подготовки производства и повышение его рентабельности за счет объединения обрабатывающих, разметочных и измерительных функций в единой мехатронной системе;

– высокая точность измерений и обработки, которая обеспечивается повышенной жесткостью стержневых механизмов (до 5 раз), применением прецизионных датчиков обратной связи и лазерных измерительных систем, использованием компьютерных методов коррекции (например, тепловых воздействий);

– повышенная скорость движений (скорость быстрых перемещений достигает 10 м/с, рабочих движений – до 2,5 м/с);

– отсутствие направляющих (в качестве несущих элементов конструкции используются приводные механизмы), отсюда улучшенные массогабаритные характеристики и материалоемкость;

– высокая степень унификации мехатронных узлов, обеспечивающая технологичность изготовления и сборки машины и конструктивную гибкость;

– высокое качество управления движением благодаря малой инерционности механизмов, применению линейных мехатронных модулей движения как объектов управления, использованию методов автоматизированной подготовки и исполнения в реальном времени управляющих программ, наличию дружелюбного интерфейса «человек-машина».

б)

а)

Рис. 2.4. Общий вид станка-гексапода (а) и его конфигурации (б)

 

Примером отечественной технологической машины-гексапода является прецизионное оборудование, предлагаемое АО «ЛАПИК» (г. Саратов). Фирма выпускает на единой конструктивной базе гексаподы двух типов: координатно-измерительные машины (КИМ) и технологические модули (ТМ) для механообработки (рис. 2.5).

 

Рис. 2.5. Общий вид технологической машины-гексапода

 

Технологические модули предназначены для фасонной обработки с высокой точностью изделий методами фрезерования, шлифования, сверления, полирования, а также для выполнения операций гравировки, растачивания, разметки. Рабочая зона гексаподов-ТМ варьируется у различных моделей в диапазонах: по оси X – от 500 мм до 3000 мм, по оси Y – от 400 мм до 1400 мм, по оси
Z – от 350 мм до 750 мм. Максимальный угол поворота подвижной платформы относительно каждой из осей составляет в серийных моделях 30 град, скорость ее движения управляется программно в интервале 0,01–120 мм/с.

Гексаподы имеют весьма эффективные массогабаритные показатели по сравнению со станками традиционной компоновки. Так, ТМ-500 при габаритах 1800x1550x2300 мм имеет массу 2800 кг, а наиболее мощный ТМ-3000 имеет габариты 5000x3500x3800 мм при массе 6500 кг. На ТМ устанавливаются мехатронные модули типа «мотор-шпиндель» мощностью от 1,5 кВт до 5 кВт с регулируемой частотой вращения в диапазонах 200–12000 об/мин, либо 600–24000 об/мин.

Контрольно-измерительные машины выполняют автоматические измерения и контроль размеров деталей (в том числе легкодеформируемых изделий) от конструкторских или технологических баз. Погрешности измерений для КИМ-500 (машина базового исполнения) не превышают 0,8 мм (линейные измерения, размер L = 300 мм) и 1,5 мм для пространственных измерений
(L = 250 мм). В машинах специального прецизионного исполнения эти показатели достигают соответственно 0,3 мм и 0,5 мм (при размерах L = 500 мм). Измерения выполняются с помощью специальной головки-щупа, оснащенной датчиками механического или токового касания. Контактное усилие при токовом касании не превышает 0,0003 Н, что позволяет измерять податливые и мелкоструктурные детали.

Дальнейшее развитие технологических машин-гексаподов связано с применением интеллектуальных линейных мехатронных модулей, а также с созданием эффективного математического и программного обеспечения для решения задач планирования и управления их движением в реальном времени.