dr inż. Wojciech Musiał Politechnika Koszalińska, Wydział: Mechanika i Budowa Maszyn; Tel. kom

Transkrypt

1 dr inż. Wojciech Musiał Politechnika Koszalińska, Wydział: Mechanika i Budowa Maszyn; Tel. kom wmusiał@vp.pl Tytuł: Wygładzanie powierzchni krzywoliniowych z wykorzystaniem robota przemysłowego oraz zastosowaniem systemów CAD/CAM Streszczenie: W artykule zaprezentowano metodę obróbki polegającą na realizacji procesu wygładzania z wykorzystaniem robota przemysłowego wyposażonego w głowicę obróbkową, umożliwiającą szlifowanie powierzchni kształtowych z wykorzystaniem sygnału EA oraz składowych siły w strefie obróbki. Do przygotowania plików sterujących robota przemysłowego wykorzystano systemy CAD/CAM. Title: The polishing the curvilinear surfaces from utilization the industrial robot as well as the use of systems the CAD/CAM Abstract: In article was presented the method of processing, which consists in realization of polishing process with utilization the industrial robot equipped in processing knuckle. This knuckle enables the shape surfaces polishing with utilization the AE signal as well as components the strength in zone of processing. To the preparation of files steering the industrial robot were used the CAD/CAM systems. Wstęp Współczesne linie produkcyjne charakteryzują się coraz większym nasyceniem zautomatyzowanych systemów produkcyjnych. Ważną rolę odgrywają w nich roboty przemysłowe, które pełnią zarówno funkcję transportową jak i technologiczno-obróbkową (jako manipulatory oraz roboty montażowe a także spawające i zgrzewające). Roboty coraz częściej stosowane są jako urządzenia technologiczne prowadzące głowice laserowe oraz plazmowe. Realizują również obróbkę ścierną oraz skrawaniem poprzez specjalistyczne elektrowrzeciona szlifierskie lub frezarskie [4]. W artykule przedstawiono propozycję wykorzystania robota przemysłowego 5 osiowego firmy ABB do realizacji obróbki powierzchni krzywoliniowych z zastosowaniem specjalnych głowic szlifierskich umożliwiających, wygładzanie powierzchni kształtowych [1,7,8]. Zaprojektowane głowice obróbkowe charakteryzujące się precyzyjnym dosuwem wgłębnym wykonane są w oparciu o siłowniki piezoelektryczne. Dosuw wgłębny generowany za pomocą stosów piezoelektrycznych ma za zadanie kompensację niedokładności pozycjonowania ramion robota przemysłowego, w taki sposób aby zwiększać jakość powierzchni po szlifowaniu. Do sterowania dosuwem wgłębnym wykorzystano sygnał EA oraz składowe siły w strefie obróbki [4,5,6]. 1

2 Do opracowania kodów sterujących pracą robota użyto systemów CAD/CAM w celu zbudowania modeli przedmiotów obrabianych, a następnie na ich podstawie wykorzystując oprogramowanie CAM wygenerowano kody numeryczne dla sterownika robota przemysłowego. Dzięki temu możliwe było opracowanie ścieżek narzędziowych dla przedmiotów charakteryzujących się złożoną geometrią zbudowaną z krzywych typu nurbs. Sposób realizacji obróbki z wykorzystaniem robota przemysłowego Proces wygładzania z wykorzystaniem robota przemysłowego zrealizowano według pomysłu przedstawionego na rysunku 1. Rys. 1. Zasada realizacji ruchu kompensującego W celu kontrolowania warstwy skrawanej zastosowano sygnał EA oraz składowe siły wykorzystując do tego celu odpowiednio czujnik EA oraz siłomierz. Wykorzystanie sygnałów monitorujących proces obróbkowy przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Zasada realizacji obróbki powierzchni swobodnych przy użyciu aktywnej głowicy obróbkowej prowadzonej przez ramię robota Regulację dosuwu wgłębnego zrealizowano wykorzystując sygnał EA, umożliwiający monitorowanie głębokości wnikania ziaren ściernych w obrabiany materiał. Dzięki temu możliwe jest kompensowanie dosuwu w taki sposób aby głowica obróbkowa prowadzona przez ramię robota utrzymywała narzędzie ścierne na określonej ścieżce narzędziowej i na ustalonym poziomie wnikania ziaren ściernych w obrabiany materiał (rys. 3). 2

3 Rys. 3. Sposób realizacji procesu wygładzania powierzchni krzywoliniowych z wykorzystaniem głowicy obróbkowej oraz sygnału EA Zastosowanie sygnału EA w połączeniu z czujnikiem siły w strefie obróbki, pozwala na kontrolowanie procesu skrawania określonej warstwy materiału obrabianego. Jest to możliwe dzięki monitorowaniu głębokości wnikania ziaren ściernych w obrabiany materiał. Przeprowadzone badania wykazały dużą korelację między głębokością wnikania ziarna ściernego w materiał obrabiany a poziomem sygnału EA, co wyraża się również ścisłą korelacją między wartością chropowatości uzyskiwanej na powierzchni szlifowanej a poziomem sygnału EA (rys. 4). Rys. 4. Korelacja między wartością chropowatości wyrażonej parametrem Ra zmierzonej na powierzchni obrabianej a poziomem sygnału EA wyrażonej modułem r składowej stałej sygnału emisji akustycznej STANOWISKO BADAWCZE Na podstawie zrealizowanych badań rozpoznawczych i przedstawionych założeń funkcjonalnych, zbudowano stanowisko badawcze umożliwiające realizacje procesu wygładzania materiałów trudnoskrawalnych z wykorzystaniem robota przemysłowego. 3

4 Zaprezentowaną zasadę realizacji dosuwu wgłębnego wykorzystano do budowy głowicy obróbkowej przeznaczonej do współpracy z 5-osiowym robotem (manipulatorem) przemysłowym (ABB 140) (rys. 5). Rys. 5. Widok stanowiska badawczego (robot przemysłowy wraz z głowicą obróbkową) Do budowy głowicy wykorzystano zespół dosuwu piezoelektrycznego, którego zadaniem, jest kompensacja dosuwu wgłębnego narzędzia ściernego względem materiału obrabianego. Zastosowane stosy piezoelektryczne pozwalają na realizację kompensacji w zakresie 200 µm (0,2 mm). Pozwala to na pełną kompensację błędu ruchu ramion robota, która w tym przypadku (dla tego robota) wynosi 0,1 mm. W celu weryfikacji poprawności realizacji procesu obróbkowego wykonano modele 3D przedmiotów obrabianych, a następnie na tej podstawie wykorzystując specjalistyczne oprogramowanie oraz specjalnie do tego zadania opracowany postprocesor, uzyskano program sterujący dla robota przemysłowego (rys. 6 i 7). Rys. 6. Widok stanowiska badawczego wraz z opracowanymi kodami CNC 4

5 Rys. 7. Realizacja procesu szlifowania z wykorzystaniem robota oraz głowicy obróbkowej System sterowania został zaprojektowany w oparciu o regulator fuzzy logic oraz specjalistyczny wzmacniacz pozwalający na proporcjonalną zmianę napięcia sterującego zespołem stosów piezoelektrycznych pod wpływem zmian sygnału EA oraz składowych siły (rys. 8). Rys. 8. System sterowania i akwizycji sygnałów pomiarowych Na rysunku 9 zaprezentowano aplikację opracowaną na potrzeby sterowania zespołem dosuwu piezoelektrycznego. Rys. 9. Przykłady zbiorów rozmytych Na rysunku 10 oraz 11 przedstawiono przykład pozyskiwania danych o geometrii, która 5

6 zostanie poddana obróbce z wykorzystaniem robota przemysłowego. Za pomocą skanera marki ATOS dokonano pomiaru, w celu uzyskania na tej podstawie modelu 3D CAD a następnie na tej podstawie z wykorzystaniem systemów CAM, wygenerowano kod numeryczny umożliwiający sterowanie robotem (do tego celu wykorzystano oprogramowanie ZW3D (CAD) oraz system EUREKA (maszyna wirtualna)). Rys. 10. Obiekt digitalizacji pokryty proszkiem kredowym Aby uzyskać model 3D obiektu rzeczywistego należy go pokryć proszkiem kredowym oraz umieścić na nim punkty referencyjne, aby system przetwarzania optycznego z określoną dokładnością mógł dokonać digitalizacji. Na rysunku 10 przedstawiono fazę odczytywania prążków Moire a. Po dokończeniu procedury digitalizacji możliwe jest dokonanie analizy geometrycznej uzyskanego modelu, a następnie po zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania możliwe jest otrzymanie w pełni sparametryzowanego obiektu 3D z możliwością przetwarzania go w systemach CAM (rys. 11). Rys. 11. Model po skanowaniu z analizą odchyłek 6

7 4. PODSUMOWANIE Zaprezentowane w artykule rozwiązanie konstrukcyjne podlega modernizacjom i jest testowane w Katedrze Inżynierii Produkcji oraz katedrze Mechaniki Precyzyjnej Politechniki Koszalińskiej. W dalszych etapach badawczych planuje się testowanie głowicy i badanie systemu sterowania kompensacją dosuwu z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji, w tym regulatorów fuzzy logic. 1. BIBLIOGRAFIA 1. Nowicki B., Pracki M.: Badanie niekonwencjonalnego gładzenia powierzchni o podwójnej krzywiźnie. Materiały XXVI Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Łódź 2003, s Musiał W., Baran J., Radowski M., Chabura R.: Innowacyjne narzędzia do obróbki otworów, powierzchni płaskich i powierzchni kształtowych. Mechanik nr 2/2012, s (wykaz artykułów płyta CD) 3. Sawik T., Optymalizacja dyskretna w elastycznych systemach produkcyjnych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa Plichta J., Musiał W.: Innowacyjne narzędzia ścierne do wygładzania powierzchni kształtowych za pomocą robota przemysłowego, Współczesne problemy obróbki ściernej. Wyd. P. K. Monografia nr 167, Koszalin 2009, s Musiał W., Schmechel M.: Propozycja budowy innowacyjnego narzędzia ściernego przeznaczonego szlifowania materiałów trudnoobrabialnych, Współczesne problemy obróbki ściernej. Wyd. P. K. Monografia nr 167, Koszalin 2009, s Musiał W.: Stanowisko badawcze do realizacji mikro i nanoszlifowania oraz skrawania z możliwością kompleksowego monitorowania procesu obróbkowego. Pierwsze warsztaty Nanotechnologiczne. Materiały konferencyjne Mielno/ Koszalina Kacalak W., Bałasz B., Królikowski T., Lipiński D.: Kierunki rozwoju mikro- i nanoszlifowania, Rozdział w monografii Współczesne problemy obróbki ściernej pod redakcją Jarosława Plichty; s Koszalin Kacalak W., Tandecka K., Tomkowski R.: Metodyka analizy i oceny topografii powierzchni czynnej folii ściernych, Podstawy i technika obróbki Ściernej, Politechnika Łódzka, Wydz. Mech., Łódź 2010, str