Концепция построения робототехнических комплексов для металлообработки и системы их инструментального обеспечения
1 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ УДК В.А. Гречишников, А.В. Исаев, Ю.В. Илюхин, П.М. Пивкин, А.А. Воротников, А.Н. Харченко, Дж. Бьянки, М. Леонезио, Н. Педрокки, Тосатти Л. Молинари V.A. Grechishnikov, A.V. Isaev, Yu.V. Ilyukhin, P.M. Pivkin, A.A. Vorotnikov, A.N. Kharchenko, G. Bianchi, M. Leonesio, N. Pedrocchi, Tosatti L. Molinari Концепция построения робототехнических комплексов для металлообработки и системы их инструментального обеспечения Building principles of robotic machining systems and their cutting tool system В статье обсуждаются подходы к построению высокоэффективных механообрабатывающих робототехнических комплексов, включая создание комплексов инструментального обеспечения и систем управления движением. This paper considers general approaches to development the high-efficient robotic machining systems including the aspects of designing their cutting tool systems and motion control systems. Ключевые слова: робототехнический комплекс, инструментальная система, технологическая система, система управления. Keywords: robotic machining system, cutting tool, cutting tool system, technological system, control system. Введение Робототехнические комплексы механообработки (РТК-М) предназначены для выполнения широкого круга основных технологических операций, сопровождающихся силовой реакцией на рабочий орган робота: фрезерования, сверления, шлифования, полирования, зачистки заусенцев, удаления облоя и др. РТК-Мпредставляет собой технологическую систему, состоящую из промышленного робота, технологической оснастки, режущего инструмента и обрабатываемой заготовки. РТК-Мимеют ряд преимуществ по сравнению с традиционно применяемыми для тех же операций многокоординатными обрабатывающими центрами с ЧПУ. Они обладают технологической гибкостью, возможностью обработки крупногабаритных изделий со сложной формой поверхности, просты в перенастройке, более дешевы. Основной недостаток не очень высокая точность, обусловленная влиянием сил, возникающих при механообработке, и относительно низкой жесткостью манипуляторов роботов. Проектирование РТК-Мкак технологической системы является комплексной задачей с большим количеством параметров. Представляется актуальной задача формирования системы автоматизированного проектирования элементов РТК-М. При этом важны вопросы создания инструментального обеспечения РТК-М, формирования структуры системы, выбор робота, информационно-измерительных устройств и алгоритмов управления. Структура технологической системы роботизированной механообработки Обобщенная структурная схема технологической системы роботизированной механообработки приведена на рис. 1. Исходными данными для системы автоматизированного проектирования РТК-Мявляются параметры обрабатываемой заготовки [1] и технические условия на изделие, получаемое в результате механической обработки. На основании этих данных определяют вид и значения режимов механической обработки, а также принципиальную схему компоновки РТК-М(рис. 2). Алгоритм проектирования может выполняться по ветви 4 10 при заданных требованиях к режущему инструменту либо по ветви при заданных требованиях к роботу. Блок 17 является блоком принятия решения. 46 Вестник МГТУ «Станкин» 4 (35), 2015
2 Концепция построения робототехнических комплексов для металлообработки. Рис. 1. Обобщенная структура РТК-Мкак технологической системы Рис. 2. Общая схема проектирования РТК-Ми выбора технологических параметров процесса обработки Инструментальное обеспечение РТК-М Для фрезерования в РТК-Мчаще всего применяют концевые и дисковые фрезы. Заусенцы снимают абразивными головками, кругами и борфрезами. Для шлифования и полирования служат абразивные круги. Отверстия обрабатывают сверлами, зенковками и цековками, метчиками, развертками и комбинированным инструментом, в качестве которого можно применять, например, сверло-зенковку-метчик, инструмент с направляющей. Помимо этого, возможно использование РТК-Мдля «нестандартных» операций, среди которых обработка тел вращения резцами, заточка режущего инструмента абразивными кругами, поверхностное упрочнение методом пластического деформирования. При проектировании или выборе инструментальной системы для РТК-Мруководствуются необходимостью снижения усилий резания и вибраций, возникающих в системе [2]. Экспериментальные исследования показали, что параметры режущей части инструмента и режимы обработки влияют на амплитуду возникающих вибраций, которую можно снизить при правильном выборе геометрии инструмента [3, 4]. С другой стороны, передний угол и главный угол в плане режущего инструмента ока- Вестник МГТУ «Станкин» 4 (35),
3 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ зывают существенное влияние на силу резания. Для повышения жесткости у инструментальной системы должны быть малые вылеты и биения, надо уменьшать люфт в шпинделе, использовать рациональные стратегии обработки, снижать массу элементов, увеличивать демпфирующую способность узлов за счет демпфирующих прокладок, изготовлять корпус инструмента из материала с большим декрементом затухания и применять виброгасители [5]. Главный угол в плане у фрез, предназначенных для РТК-М, надо выбирать с учетом того, что при его увеличении растет радиальная составляющая силы резания. Для обработки пазов и уступов следует применять крупный и/или неравномерный окружной шаг зубьев. При контурной обработке, а также обработке тонких стенок, целесообразно применять фрезы с малым и сверхмалым шагом зубьев [6, 7]. Глубокие канавки позволяют эффективно отводить стружку. Снижение массы инструмента может быть достигнуто за счет применения сборных конструкций со стальным или алюминиевым корпусом, изготовления корпусов методами аддитивных технологий. Для демпфирования колебаний рекомендуется применять инструмент с меньшими значениями угла. Износостойкие покрытия позволяют существенно снизить коэффициент трения в зоне обработки и силы резания [8]. Во избежание эффекта охвата фрезы и критического увеличения вибраций следует применять концевые фрезы минимально возможного диаметра, особенно при фрезеровании пазов. При обработке уступов диаметр фрезы должен быть на % больше, чем ширина фрезерования. При большом вылете инструмента необходимо увеличить подачу на зуб и уменьшить глубину резания. Направление фрезерования существенно влияет на амплитуду вибраций. В общем случае рекомендуется применять попутное фрезерование на черновых и встречное на чистовых проходах [9, 10]. Следует отметить, что при обработке пазов значительные преимущества имеет трохоидальная обработка. В этом случае имеют место низкие радиальные усилия, минимальный отжим инструмента от обрабатываемой поверхности, хорошие условия эвакуации стружки и теплоотвода, что способствует снижению вибраций. Для обработки глубоких пазов можно использовать плунжерное фрезерование, при котором превалируют осевые нагрузки. При обработке отверстий с помощью РТК-М инструмент должен обеспечить удовлетворительный отвод стружки. Следует применять сверло с минимально возможным вылетом, использовать жесткий и точный патрон с минимальным биением. Горизонтальное расположение оси отверстия способствует более эффективной эвакуации стружки. Для обработки отверстий большого диаметра можно использовать кольцевые (трепанирующие) сверла или фрезерование методом винтовой интерполяции. Во многих случаях целесообразно применение СОЖ, что требует использования специального технологического оборудования. Подход к повышению точности и производительности РТК-М При создании РТК механообработки важно решить задачу достижения максимальной возможной производительности при соблюдении требования к точности обработки. Фактическая траектория движения инструмента, например, концевой фрезы, определяющая положение обработанной поверхности детали, может отличаться от желаемой. Причина силы, сопровождающие механообработку и вызывающие тем большее отклонение инструмента т, чем больше значения контурной скорости движения инструмента и глубины резания. Изменения последней обусловлены, в частности, отклонением расположения поверхности детали от запрограммированного уровня. Таким образом, точность обработки и производительность оказываются взаимосвязанными. Очевидно, что при создании РТК-Мдолжно выполняться условие где т.доп т т.доп, (1) допустимое отклонение инструмента. Увеличению точности механообработки способствуют такие известные в робототехнике меры, как калибровка робота, введение компенсирующих поправок в программу его движения с учетом податливости манипулятора, использование наиболее рациональной конфигурации, обладающей наибольшей жесткостью [11]. Однако этих мер часто бывает недостаточно, поэтому система управления РТК-М должна быть адаптивной. В каждый момент времени она должна устанавливать контурную скорость, максимально возможную с точки зрения обеспечения гарантированной точности обработки. Адаптивность достигается за счет использования аналитически задаваемых программных траекторий движения инструмента, зависящих от пути вдоль них. В этом случае появляется возможность вычислять путь, интегрируя по времени желаемую скорость движения [12, 13], которую определяют с учетом оценки т отклонения инструмента от желаемой траектории. Величину т рассчитывают по измеренным силам, действующим на инструмент, и коэффициенту динамической жесткости манипулятора технологического робота. Информация о силах поступает в систему управления РТК-Мот датчика, установленного в «запястье» манипулятора, или значения вычисляют на основании данных от датчиков привода инструмента (рис. 3). 48 Вестник МГТУ «Станкин» 4 (35), 2015