Wybrane aspekty implementacji robotów wyposażonych w narzędzia 3

Transkrypt

1 Tadeusz Mikołajczyk 1, Maciej Matuszewski 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz Wybrane aspekty implementacji robotów wyposażonych w narzędzia 3 Współcześnie obserwowany jest przyspieszony rozwój zastosowania robotyki w wielu dziedzinach techniki. Zakres stosowania jest bardzo szeroki poczynając od przemysłu maszynowego do zastosowania robotów do wspomagania pracy chirurgów. Roboty wprowadzane były do przemysłu w celu zastąpienia ludzi w pracach wymagających znacznego wysiłku fizycznego jak i uciążliwych, ze względu na długotrwałość, czy niekorzystne warunki zewnętrzne. Jednym z kierunków rozwoju jest wzrost zastosowań robotów w przemyśle jako elementy elastycznych systemów wytwarzania. Tradycyjne zastosowanie robotów obejmuje przede wszystkim prace montażowe, malowanie karoserii w przemyśle motoryzacyjnym. Znaczną grupę zastosowań stanowią roboty używane w procesach spajania materiału, poprzez techniki spawalnicze i zgrzewanie. Współcześnie obserwuje się nowy, dynamicznie rozwijający się trend zastosowania robotów, wyposażonych w narzędzia do bezpośredniego udziału w procesach wytwarzania [1-17,21-23]. W pracy przedstawiono niektóre z zastosowań robotów, a także ogólne aspekty wykorzystania robotów w wytwarzaniu, związane z doborem i kształtowaniem przestrzeni roboczej robota oraz wyborem techniki obróbkowej, użytego narzędzia z uwzględnieniem jego kinematyki. Wskazano kierunki prac w zakresie implementacji w procesach obróbki robotów wyposażonych w narzędzia. Zastosowania robotów wyposażonych w narzędzia Roboty stosowane w procesach wytwarzania wyposażane są w narzędzia połączone z kiścią robota. Zapewnia to im dużą ruchliwość. Narzędzia robotów mogą być użyte bez napędu bądź wyposażone we własny napęd. Roboty przemysłowe wyposażone w narzędzia są używane najczęściej w obróbce powierzchni [1,3,4-14]. Możliwości kinematyczne jak i znaczna sztywność współcześnie produkowanych robotów stwarza warunki ich stosowania zarówno w obróbce kształtującej jak i wykończeniowej powierzchni. Stosowanie robotów w obróbce stworzy możliwości ich zastosowania w zakresie prac, które dotychczas trudne były do mechanizacji. Roboty stosowane są w obróbce zgrubnej i kształtującej wytworów z użyciem technik wiórowych [1,4-9,14]. Do obróbki wykończeniowej stosuje się procesy szlifowania i polerowania [3,4-13]. Kinematyczne możliwości robotów przemysłowych, często wyposażonych w więcej niż 5 osi, zapewniają praktyczne stosowanie idei elastyczności geometryczno kinematycznej użytych narzędzi przy kształtowaniu i obróbce wykończeniowej powierzchni [3,4,5]. Możliwości kinematyczne robotów wyposażonych w narzędzia dorównują, a nawet niekiedy przekraczają, parametry współczesnych obrabiarek pięcioosiowych. Głównym ograniczeniem jest mniejsza sztywność i dokładność robotów (0.5-2 mm [8]). Wybrane przykłady implementacji robotów wyposażonych w narzędzia przedstawiono na rysunku 1. Rozwiązania te są znacznie tańsze od użycia obrabiarek sterowanych numerycznie [1,3,5-8]. Procesy obróbkowe z użyciem robotów są wspierane systemami CAM [5-8]. Prowadzone są w tym zakresie szeroko zakrojo- 1 T. Mikołajczyk, Dr inż., Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Inżynierii Produkcji. 2 M. Matuszewski, Dr inż., Adiunkt, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszcz, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Inżynierii Produkcji. 3 Artykuł recenzowany.

2 ne prace. Poza już tradycyjnymi sposobami użycia robotów wyposażonych w narzędzia z własnym napędem do frezowania (Rys. 1a) lub szlifowania (Rys. 1b). Interesującym przykładem jest użycie robota wyposażonego w specjalną głowicę z nożami tokarskimi do toczenia na tokarce [14]. W tym przypadku ruch roboczy zapewnia uchwyt wrzeciona tokarki, kinematyka tokarki zaś umożliwia kształtowanie przedmiotu. Nowym kierunkiem zastosowania robotów w procesach obróbkowych, jest ich użycie do obróbki powierzchni o nieznanym kształcie przy wykorzystaniu mobilnego systemu inżynierii odwrotnej zapewniającego rozpoznanie kształtu obrobionej powierzchni [5,10]. Uzyskano to przy sterowaniu robota z użyciem PC [19,20]. System taki umożliwia zastosowanie robotów do adaptacyjnej obróbki powierzchni o nieznanym kształcie, analogicznie jak obróbka wykończeniowa prowadzona przez pracownika. Roboty przemysłowe mogą być też automatycznie programowane do obróbki przy zastosowaniu widoku powierzchni obrabianej [12,13]. Przykładem nowych możliwości w zastosowaniu robotów wyposażonych w narzędzia obróbkowe jest zastosowanie reflektometrycznego systemu oceny stanu powierzchni w czasie jej obróbki [11]. Warunkuje to rozwój prac nad adaptacyjnym sterowaniem procesem obróbki z uwzględnieniem stanu powierzchni obrobionej [10]. Poza typowymi technikami obróbki wiórowej i ściernej z użyciem robotów, spotyka się szereg innych zastosowań robotów wyposażonych w narzędzia. Na przykład roboty wyposażane są w narzędzia z gorącym drutem do kształtowania niektórych tworzyw sztucznych [5,16]. Szczególnie spektakularne są przykłady kształtowania przyrostowego z użyciem robotów wyposażonych w różnego rodzaju systemy nakładania materiału (Rys.1c) [5,8,15,17,23]. a b c Rys. 1. Wybrane przykłady zastosowania robota wyposażonego w narzędzie: a) przy frezowaniu Źródło: [21], b) w szlifowaniu Źródło: [22 ], c) kształtowanie przyrostowe z użyciem robota Źródło: [23] Stanowi to alternatywę rozwijających się dynamicznie technik kształtowania przyrostowego, przy wykorzystaniu drukarek 3D umożliwiających wytwarzanie kształtowaniem przyrostowym przedmiotów, najczęściej o stosunkowo niewielkich gabarytach. Przedstawione przykłady wskazują na celowość prowadzenia prac w kierunku uogólnienia warunków stosowania robotów wyposażonych w narzędzia, szczególnie w zakresie wykorzystania i kształtowania przestrzeni roboczej robotów, a także stosowanych technik obróbkowych. Przestrzeń robocza robotów przemysłowych Zastosowanie robotów do obróbki i kształtowania powierzchni stwarza nowe możliwości obróbki powierzchni wyrobów, a szczególnie prototypów o dużych gabarytach. Cechą charakterystyczną robotów jest ich duża liczba stopni swobody umożliwiająca obsługę obszernej przestrzeni roboczej (do 20 m 3 [8]).

3 Możliwą przestrzeń kształtowania i obróbki przedmiotów wyznacza obszar roboczy robota, która jest uzależniony od jego struktury kinematycznej. Obszary takie dla najważniejszych struktur robotów zestawiono w tabeli 1, która zawiera różne postaci przestrzeni roboczej robota. Charakterystyczną cechą przestrzeni roboczej robotów jest to, wykracza ona znacznie poza gabaryty robota. Przestrzeń robocza obrabiarek numerycznych, jest zawarta w bryle obrabiarki. Tabela 1. Podstawowe struktury kinematyczne robotów Struktura kinematyczna robota Obszar roboczy robota kartezjańska cylindryczna przegubowa sferyczna SCARA

4 Obszar roboczy identyczny z obrabiarką CNC posiadają roboty strukturze kartezjańskiej. Umożliwia to bezpośrednie wykorzystanie systemów CAM dla obrabiarek do programowania robotów w obróbce. Kolejny dogodny obszar zastosowań stanowią roboty o strukturze cylindrycznej i roboty o strukturze SCARA. Mniej korzystną wydaje się struktura sferyczna, z krzywoliniową w przekroju poprzecznym granicą obszaru. Najmniej korzystna jest struktura przegubowa, która generuje obszar roboczy o krzywoliniowych granicach i małej, względem gabarytów robota, objętości. Roboty przemysłowe projektowane są dotychczas do innych zadań, stąd struktury, które wydają się najkorzystniejsze do użycia w wytwarzaniu są rzadziej stosowane. Dlatego też do zadań obróbkowych stosuje się niekiedy hybrydowe układy kinematyczne. Robot przemysłowy wyposażony jest w połączone z głowicą narzędzie, któremu nadaje odpowiednie usytuowanie oraz przemieszczenia w płaszczyźnie x y, a obrabiany przedmiot spoczywa na stole obrotowym (Rys. 2). Umożliwia to kształtowanie przedmiotów o dużych gabarytach przy jednym obrocie stołu. Ponadto stosowane jest również skojarzenie pracy robota ze stołem o przesuwie liniowym (Rys. 3). Zapewnia to dogodne uzyskanie układu kartezjańskiego przy wykorzystaniu stopni swobody głowicy robota do optymalnego usytuowania narzędzia. Przykłady zrobotyzowanych stanowisk wyposażonych w dodatkowe urządzenia zapewniające ruch przedmiotu przedstawiono w pracy [2]. Stosowane są też konfiguracje, w których struktura robota rozbudowana jest o dodatkowy moduł ruchu najczęściej liniowego połączony z podstawą robota [2]. Umożliwia to rozszerzenie przestrzeni roboczej robota w pożądanym kierunku. W skojarzeniu z dodatkowymi osiami uzyskuje się, przy uwzględnieniu elastyczności kinematycznej robota, bardzo złożone struktury kinematyczne. Przedstawione na rysunkach (Rys. 2 i Rys. 3) hybrydowe struktury robotów stosowanych z użyciem narzędzi są jedynie przykładowe. Istnieje możliwość konfigurowania takich układów kinematycznych robotów w zależności od potrzeb. Wymaga to wprowadzenia dodatkowych osi sterowania najczęściej sprzężonych z systemem sterowania robotem. Przykładem może tu być opracowana w Tokyo Institute of Technology [16] struktura nazwana Michal Angello, stosowana przy kształtowaniu styropianu metodą cięcia gorącym drutem (Rys. 4). W aplikacji tej użyto skojarzenia kinematyki 6 osi robota ze stołem o dwóch stopniach swobody. Zapewniało to, przy pomocy specjalnie opracowanego systemu CAM, możliwość formowania wytworów o skomplikowanych kształtach. Przedmiot obrabiany Przedmiot obrabiany Stół obrotowy Stół liniowy Rys. 2. Robot skojarzony ze stołem obrotowym Żródło: opracowanie własne Rys. 3. Robot skojarzony ze stołem liniowym Żródło: opracowanie własne Techniki wytwarzania stosowane przy użyciu robotów wyposażonych w narzędzia Roboty przemysłowe mogą być wyposażone w różnorodne narzędzia połączone z kiścią robota. Narzędzia te realizują różne techniki wytwarzania polegające na: obróbce ubytkowej, łączeniu materiału, kształtowaniu z dodawaniem materiału.

5 Stosowane narzędzia mogą być posiadać część roboczą stacjonarną względem głowicy robota (Rys. 4) nazwano je stacjonarnymi, bądź mogą posiadać dodatkowy ruch części roboczej zapewniający obróbkę - najczęściej obrotowy w skrócie nazwano je narzędziami rotacyjnymi (Rys. 5). Rys. 4. Robot z narzędziem do cięcia styropianu współpracujący ze stołem obrotowo-uchylnym Źródło: [16] Rys. 5. Robot z narzędziem do szlifowanie Źródło: [20] Typy narzędzi, które są kojarzone z robotem przedstawiono schematycznie na rysunku 6. Uwzględniono tu również narzędzie injekcyjne stosowane w kształtowaniu przyrostowym. Przyrostowe kształtowanie narzędziem injekcyjnym prowadzi się najczęściej narzędziem stacjonarnym. Technika kształtowania przyrostowego z użyciem robota rozwija się dynamicznie [8], w tym metodami spawalniczymi [15] czy nakładaniem tworzywa [17]. Przy wsparciu systemu analizy obrazu możliwe jest zastosowanie sterowania adaptacyjnego w metodzie spawania [18]. stacjonarne rotacyjne Dodatkowy strumień materiału injekcyjne Rys. 6. Grupy narzędzi możliwe do stosowania z robotem przemysłowym Źródło: Opracowaniewłasne

6 W tabeli 2 przedstawiono, opracowaną w oparciu o przykłady stosowania, propozycję klasyfikacji sposobów wytwarzania stosowanych z użyciem kinematyki robota przy narzędziu stacjonarnym lub obrotowym (z własnym napędem) w zakresie łączenia materiałów, obróbki ubytkowej i kształtowania przyrostowego. Opracowana propozycja stanowi rozwinięcie koncepcji autora przedstawionej w pracy [5]. Dziedzina ta jest w fazie intensywnego rozwoju polegającego głównie na adaptacji różnych sposobów wytwarzania i dostosowaniu znanych narzędzi do zadań z użyciem robotów. Ważne są również działania w zakresie dostosowania robotów i ich systemów sterowania do pracy w warunkach dużego obciążenia głowicy. Tabela 2. Wykorzystanie robotów wyposażonych w narzędzia do zadań obróbki i kształtowania Robot wyposażony w narzędzie Sposób kształtowania Kinematyka narzędzia Sposób obróbki Spawanie Łączenie materiału stacjonarne Zgrzewanie Inne Cięcie mechaniczne stacjonarne Cięcie termiczne Szlifowanie Toczenie Inne Kształtowanie ubytkowe Frezowanie Polerowanie Przecinanie ścierne obrotowe Przecinanie wiórowe Szlifowanie Szlifowanie taśmą Wiercenie Inne Malowanie Kształtowanie przyrostowe ( injekcyjne) stacjonarne Nakładanie poliuretanu Spawanie Wytłaczanie strumienia tworzywa termoplastycz. Inne Podsumowanie Przedstawione zagadnienie stosowania robotów przemysłowych wyposażonych w narzędzia stanowi ważny kierunek rozwoju technik wytwarzania. Poza możliwością zastąpienia klasycznych obrabiarek sterowanych numerycznie, w niektórych zadaniach obróbkowych, szczególnie w zakresie kształtowania wytworów z materiałów niemetalowych, stwarza warunki rozwoju nowych zastosowań wynikających ze skojarzenia kinematyki robota z użytym narzędziem (Tabela 2). Istotnym aspektem wykorzystania robotów w wytwarzaniu jest możliwość uzyskania dużej przestrzeni roboczej tych systemów, szczególnie przez skojarzenie złożonej kinematyki robota z dodatkowymi osiami ruchliwości samego robota, czy też obrabianego wytworu. Celowe jest prowadzenie prac poznawczych i aplikacyjnych w zakresie użycia robotów wyposażonych w narzędzia, gdyż zapewnia to zmniejszenie kosztów wytwarzania, a także niekiedy stwarza zupełnie nowe możliwości w zakresie wytwarzania.

7 Szczególnie dynamicznym kierunkiem rozwoju użycia robotów wyposażonych w narzędzia, winna być implementacja tego typu robotów wyposażonych w techniki kształtowania przyrostowego, umożliwiające dogodne kształtowanie prototypów jak i wytworów użytkowych z różnych materiałów, szczególnie w zakresie obiektów wielkogabarytowych. W celu usystematyzowania i rozwoju praktycznego zastosowania robotów w kształtowaniu i obróbce powierzchni należy przeprowadzić między innymi następujące działania: poznać stan wiedzy na temat aktualnego zaawansowania stosowania robotów zarówno w zakresie podstaw teoretycznych jak i przykładów zastosowań praktycznych, określić ogólne warunki zastosowania robotów wyposażonych w narzędzia z uwzględnieniem doboru przestrzeni robocze robota i możliwości jej rozszerzenia, wskazać techniki wytwarzania dogodne do stosowania wraz z robotem, poznać możliwości użycia robotów do obróbki powierzchni o nieznanym kształcie, prowadzić poszukiwania nowych technik kształtowania i obróbki dogodnych do stosowania z robotami, wskazać możliwości dostosowania robota do obróbki, prowadzić badania dokładności obróbki z użyciem robotów, doskonalić systemy komputerowego wspomagania obróbki z zastosowaniem robotów. Rezultatem tych działań winna być nowa technika wykorzystująca zarówno nowe konstrukcje robotów wyposażonych w narzędzia dostosowane do wykorzystania, w zakresie różnych technik wytwarzania oraz procedury systemów CAM wspierające ich stosowanie praktyczne. Streszczenie W pracy przedstawiono wybrane przykłady zastosowania robotów przemysłowych wyposażonych w narzędzia do realizacji procesów kształtowania i obróbki. Przedstawiono zagadnienia przestrzeni roboczej robotów z uwzględnieniem systemów hybrydowych. Opracowano też klasyfikację systemów obróbkowych robotów z uwzględnieniem techniki kształtowania, kinematyki narzędzia i sposobu obróbki. Wskazano kierunki prac dla rozwoju tego trendu w technikach wytwarzania. Słowa kluczowe: robot przemysłowy, wytwarzanie, narzędzie, obróbka skrawaniem, obróbka ścierna, kształtowanie przyrostowe Selected aspects of the implementation in manufacturing industrial robots equipped with the tools Abstract The paper presents selected examples of the use of industrial robots equipped with tools for machining process. Presents issues of robots working space area including hybrid systems. Developed a classification system including robotic machining shaping techniques, tools and kinematics of machining. The directions of jobs for the development of this trend in the techniques of manufacturing was presented. Keywords: industrial robot, manufacturing, tool, kinematics structure, cutting, grinding, layer manufacturing

8 LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Chen Y. H., Hu Y. N.: Implementation of a Robot System for Sculptured Surface Cutting. Part 1. Rough Machining. Int. Journal Advanced Manufacturing Technology, Vol. 15, (1999), pp [2]. Honczarenko J: Roboty przemysłowe. Budowa i zastosowanie. WNT, Warszawa, 2004 [3]. Hu Y. N.,. Chen Y. H: Implementation of a Robot System for Sculptured Surface Cutting. Part 2. Finish Machining. Int. Journal Advanced Manufacturing Technology, Vol. 15, (1999), pp [4]. Latos, H. Mikolajczyk T.: Surface Shaping with Industrial Robot, OPTIROB 2006, Predeal, Romania, (2006), pp [5]. Mikolajczyk T.: Manufacturing using Robot. Advanced Materials Research, Vols (2012), pp [6]. [7]. [8]. [9]. Pandremenos J., Doukos C., Stavropoulos P., Chryssolouris G.: Machining with Robots: a Critical Review. Procedings of DET 2011, Athens Grecy, pp [10]. Mikolajczyk T.: The Robot Machining System with Surface Shape Active Control. OPTIROB 2007, Predeal, Romania, (2007), pp [11]. Mikolajczyk T.: System to Surface Control in Robot Machining. Advanced Materials Research, Vols (2012), pp [12]. Mikolajczyk T., Wasiak P.: Machining with Image Recognition using Industrial Robot. Applied Mechanics and Materials, Vol. 186 (2012), pp [13]. Mikolajczyk T.: Indication of Machining Area with the Robot s Camera using. Applied Mechanics and Materials, Vol. 282 (2013), pp [14]. Mikolajczyk T.: Robot-Turner. Advanced Materials Research, Vols (2012), pp [15]. Ribeiro A., Norrish, J., Mcmaster R.: Practical Case of Rapid Prototyping using Gas Metal Arc Welding, 5th Int. Conference on Computer Technology in Welding, Paris, France, [16]. Zhu J., Tanaka R., Tanaka T., Saito Y.: An 8-Axis Robot Based Rough Cutting System for Surface Sculpturing, 11th ICPE, Tokyo, Japan, No (2006-8), pp [17]. Lewandowski J., Mikolajczyk T.: Rapid Prototyping using Robot, 10th Int. Conf., ROBTEP'2010, Slovakia, Bardeov, (2010), pp [18]. Mikolajczyk T., Mikolajczyk M., Skibicki A.: On Line Videooptical System for Weld Groove Analysis. Applied Mechanics and Materials Vol. 613, (2014), pp [19]. Mikolajczyk T.: Modernisation of IRb60 Industrial Robot Steering System. OPTIROB 2007, Predeal, Romania, (2007), pp [20]. Mikolajczyk T.: Control System for Industrial Robot Equipped with Tool for Advanced Task in Manufacturing. Applied Mechanics and Materials, (przyjęto do druku) [21]. [22]. [23].