MECHANIK NR 8-9/2015 25 Zobotyzowany system docieania powiezcni płaskic z zastosowaniem plików CL Data Robotic system fo flat sufaces lapping using CLData ADAM BARYLSKI NORBERT PIOTROWSKI * DOI: 10.17814/mecanik.2015.8-9.335 Obecnie wymagania stawiane częściom maszyn są coaz większe. Jedną z najczęściej stosowanyc obóbek pecyzyjnyc jest docieanie. Docieanie powiezcni płaskic odbywa się na docieakac z układem pieścieniowym. Symulacje komputeowe wykazały, że zmiana kinematyki docieania ma istotny wpływ na zużycie nazędzia. Opacowano koncepcję zestawienia obota i docieaki jednotaczowej, któa umożliwia wpowadzenie dodatkowego ucu pieścienia powadzącego. W atykule opisano geneato tajektoii, któy wczytuje pliki CLData oaz pognozuje zużycie docieaka. SŁOWA KLUCZOWE: docieanie jednotaczowe, oboty pzemysłowe, CLData Nowadays te expectations fom macine tools ae ige and ige. One of te most commonly used pecise and ultapecise finising tecnology is lapping. Lapping of flat sufaces is executed on single-sided macines, wic ave usually standad kinematic systems and ae used in conjunction wit conditioning ings. Compute simulations ave sown tat canging kinematic system as a cucial influence on a tool wea. Te idea of obotic lapping system, wic allows additional movements of conditioning ing was developed. Te tajectoy geneato tat eads CLData and pedicts fomations of lapping plat was descibed. KEYWORDS: single-sided lapping, industial obots, CLData Wpowadzenie * d ab. inż. Adam Baylski, pof. nadzw. PG (abaylsk@pg.gda.pl), mg inż. Nobet Piotowski (np.piotowski@gmail.com), Obecnie wymagania obóbkowe stawiane częściom maszyn są coaz większe. Konstuktozy oaz tecnolodzy coaz częściej wykozystują metody obóbki badzo dokładnej. Jedną z metod ścienej obóbki badzo dokładnej jest docieanie. Obóbka ta stosowana jest zaówno do pzedmiotów metalowyc jak i niemetalowyc, w tym ceamiki tecnicznej. Liczne zalety, jakie może dostaczyć spawiają, że znajduje ona coaz szesze zastosowanie w óżnyc gałęziac pzemysłu [1]. Do docieania powiezcni płaskic i płasko-ównoległyc wykozystywane są głównie dwa układy kinematyczne. Obóbka powiezcni płaskic odbywa się na docieakac jednotaczowyc. Pzegląd ofety poducentów docieaek pozwala stwiedzić, że wszystkie maszyny do obóbki powiezcni płaskic cecuje podobna budowa. Obabiaki te posiadają pieścieniowy układ wykonawczy, a układy kinematyczne tyc obabiaek są identyczne [2]. Nadmiene zużycie taczy docieającej pzez pzedmioty obabiane na konwencjonalnyc docieakac jednotaczowyc powoduje następujące błędy zniekształceń: wklęsłość, wypukłość lub występownie osiowego bicia powiezcni oboczej. W celu zapewnienia optymalnej płaskości nazędzia, pędkości dobieane są w taki sposób, aby paamet opisujący stosunek pędkości pieścienia powadzącego do pędkości taczy docieającej był mniejszy niż 1. Zasada ta jest stosowana w paktyce, gdy istnieje możliwość steowania pędkośćią pieścieni powadzący oaz gdy odcyłki płaskości taczy docieającej są względnie małe. Po pzekoczeniu akceptowalnej watości odcyłki paskości, taczę należy poddać egeneacji [2, 3]. Wcześniejszcze symulacje komputeowe wykazły, że zmiana kinematyki docieania jednotaczowego, popzez wpowadzenie dodatkowego ucu pieścienia powadzącego powoduje zmianę zagęszczenia ścieżek wzdłuż pomienia taczy docieającej, wykonanyc pzez punkty znajdujące się na powiezcni pzedmiotu lub pieścienia powadzącego. Miaa gęstości ścieżek jest taktowana jako ilość usuniętego mateiału na taczy docieającej. Opacowanie niekonwencjonalnego systemu docieania jednotaczowego, któy pozwoli kontolować położenie, pędkości oaz pzyspieszenie pieścienia
26 MECHANIK NR 8-9/2015 powadzącego umożliwi zminimalizowanie błędów zniekształceń występującyc na powiezcni oboczej docieania, któa jest odwzoowywana na powiezcni pzedmiotu obobianego [1, 2, 4, 5]. Niestandadowe układy kinematyczne docieania jednotaczowego Analiza aktualnie podukownyac docieaek jednotaczowyc wykazała, że większość tyc obabiaek posiada standadowy układ kinematyczny. Opacowano jednak koncepcje nietypowyc układów docieania [2]. Na ysunku 1 pzedstawiono systemy, w któyc pieścień wykonuje dodatkowy uc po pomieniu (Rys. 1a) lub po siecznej (Rys. 1b) z pędkością liniową v 1. Położenie pieścienia (R) zmienia się od watości R max do R min i pokonuje on odległość d. Symulacje zostały pzepowadzone w czasie t c=120 sek. Odległość punktu keślącego ścieżki do śodka pieścienia wynosiła =90 mm. Dla układu pomieniowego pzyjęto R max=200 mm i R min= 100 mm, natomiast dla układu siecznego pzyjęto R min= 100 mm i d=100 mm. Rys. 1. Niestandadowe układy kinematyczne docieania jednotaczowego a) pomieniowy, b) sieczny Ze względu na dużą ozbieżność otzymanyc symulacji, postanowiono okeślić dodatkowy paamet okeślający pędkość liniową pieścienia powadzącego: v 1d = d ω t i 2π, (1) gdzie: d- długość ucu po pomieniu, ω t pędkość kątowa taczy docieającej, i liczba uców wykonanyc pzez pieścień powadzący podczas pełnego obotu docieaka. Rys. 2. Ścieżki dowolnego punktu w układzie pomieniowym dla i=0,5 i poszczególnyc paametów z tabeli 1 Rys. 3. Ścieżki dowolnego punktu w układzie siecznym dla i=0,5 i poszczególnyc paametów z tabeli 1
MECHANIK NR 8-9/2015 27 Tab. 1. Paamety pzyjęte do symulacji niestandadowyc układów kinematycznyc docieania jednotaczowego Symulacja n t [ob./min] n s [ob./min] k v 1 [mm/min] dla i=0,5 a) 10-23 -2,3 500 b) 10-10 -1,0 500 c) 10-7 -0,7 500 d) 10 0 0 500 c) d) e) 10 3 0,3 500 f) 10 10 1,0 500 g) 10 17 1,7 500 ) 10 27 2,7 500 Symulacje pokazały, że nietypowe układy kinematyczne zmniejszają odcyłki płaskości nazędzia powstające podczas docieania jednotaczowego. Można stwiedzić, że wybó optymlanyc paamteów kinematycznyc jest dosyć tudny. Zauważono, że w pzypadku układu pomieniowego (Rys. 2) najlepszy efekt uzyskuje się, gdy liczba uców wykonanyc pzez pieścień podczas pełnego obotu taczy wynosi i=0,5. Stwiedzono ównież, że symulacje pzepowadzone na układzie siecznym (Rys. 3) nie óżnią się wiele od standadowego systemu docieania. Wygeneowane ścieżki są niemal identyczne. Wynika to z faktu, że na kształt ścieżek wpływa jedynie zmiana położenie pieścienia na pomieniu docieaka. W pzypadku ucu siecznego zmiana ta jest dużo mniejsza niż w pzypadku układu pomieniowego. Inne ucy niż pomieniowe wpływają jedynie na pędkości pieścienia, co wpływa na intensywność zużycia. System docieania jednotaczowego z wykozystaniem obota Współczesny szybki postęp tecniczny w zakesie automatyzacji spowodował, że ównież poducenci docieaek staają się, aby ic obabiaki były badziej wydajne niż te podukowane w pzeszłości. Podstawowe konstukcje zostały wyposażone w dodatkowe komponenty, a w wyniku automatyzacji niektóe opeacje pomocnicze zostały wyeliminowane. Docieaki wyposażane są w stoły podawcze, system załadunkowe i ozładunkowe pieścieni, pneumatyczne systemy obciążnikowe, co twozy mini linie podukcyjne. Na uwagę zasługują dwaj najwięksi poducenci docieaek. Fima Stäli ofeuje między innymi obabiaki do powiezcni płaskic wyposażone w pzenośniki taśmowe, któymi dostaczane są pzedmioty (Rys.4a). Innym ozwiązaniem pzedstawionym pzez tego poducenta jest w pełni zautomatyzowany system docieania jednotaczowego wyposażony w amię pzenoszące i dodatkowy stół obotowy (Rys. 4b) [6]. Fima Lapmaste Woltes ównież posiada obabiaki wyposażone w stoły podawcze (Rys. 4c) oaz miko linie do docieania (Rys. 4d). Rolę podajnika w tyc maszynac pełni obot 5-osiowy lub Scaa. Za pomocą połączenia cwytaka magnetycznego i póżniowego, może on pzenosić pzedmioty z magazynu oaz umieszczać je w pieścieniac powadzącyc. System ten edukuje czas pomocniczy, zwiększa pzepustowość i pozwala na obóbkę bezzałogową. Jednakże wszystkie te ozwiązania dotyczą docieania dwutaczowego [7]. Rys. 4. Zautomatyzowane systemy docieania a) Stäli FLM 1000 ze stołem podawczym [6], b) Stäli FLM 1250 CNC [6], c) Lapmaste Wotles micoline 530 wyposażony w stół podawczy [7], d) Lapmaste Woltes AC Mico Line wyposażony w obot Scaa [7] Koncepcja oaz zasada działania zautomatyzowanego systemu docieania jednotaczowego, w któym pieścień powadzony jest za pomocą obota pzedstawiono na ysunkac 5 i 6. System ten pozwala na pouszanie pieścieniem w czasie obóbki po dowolnyc tajektoiac i uzyskanie takiej kinematyki, któa zapewni ównomienie zużycie taczy docieającej wzdłuż pomienia. W piewszej kolejności pzedmioty muszą być posotowane (Rys. 6a). Następnie pzenoszone są one do sepaatoa znajdującego się w pieścieniu powadzącym (Rys. 6b). Następuje załadunek systemu obciążnikowego składającego się z podkładki filcowej i obciążnika. Pieścień cwytany pzez obota wjeżdża na tacze docieającą. Po ustawieniu czasu obóbki, pędkości kątowej taczy ω t i uucomieniu podawania ścieniwa włączane są oboty taczy i następuje obóbka z wykozystaniem obota (Rys. 6c). Robot pzesuwa pieścień i napędza go z pędkością obotową ω s. Po pocesie docieania, wyłączeniu obotów i podawania ścieniwa, obot pzesuwa pieścień na stół, a gotowe pzedmioty spadają do pojemnika z gotowymi wyobami (Rys. 6d). Ostatnim kokiem może być spawdzenie płaskości taczy i wyównanie. Sotowanie pzedmiotów Uucomienie podawanie ziaen ścienyc Włączenie obotów taczy docieającej Wyównanie płaskości nazędzia Załadunek pzedmiotów Ustawienie czasu obóbki i pędkości taczy Obóbka z wykozystaniem obota Kontola płaskości taczy docieającej Załadunek systemu obciążnikowego Pzesunięcie pieścienia na tacze Wyłączenie obotów taczy i ścieniwa Pzesunięcie pieścienia na stół Rys. 5. Zasada działa systemu docieania z wykozystaniem obota
28 MECHANIK NR 8-9/2015 c) d) Utwozono cztey odębne funkcje w pogamie Matlab, któe wczytują utwozone pliki CLData i zapisują niezbędne infomacje w taki sposób, że mogą być wczytane do pogamu symulującego obóbkę. Funkcje te używają poleceń infid i outfid, któe pozwalają otwozyć, edytować lub utwozyć nowy plik tekstowy. W celu pześledzeniu każdego wiesza pliku używana jest funkcja fgetl(). Natomiast znalezienie konketnego znaku w danej linii umożliwia polecenie stfind [8]. Piewsza z funkcji wczytuje deklaacje FEDRAT, któe dostaczają infomację o pędkości liniowej pieścienia powadzącego. FEDRAT/1500.00 oznacza, że posuw nazędzia wynosi 1500 mm/min. Kolejne dwie funkcje służą do wykonania intepolacji liniowej i kołowej. Intepolacja liniowa Rys. 6. Koncepcja zobotyzowanego system docieania jednotaczowego: a) sotowanie pzedmiotów, b) załadowanie pzedmiotów, c) docieanie z wykozystaniem obota, d) ozładowanie sepaatoa Za pomocą kolejnej funkcji wczytywane jest polecenie GOTO, któe wyznacza ścieżkę z punktu w punkt po linii postej. Standadowo zawiea on infomację o tzec współzędnyc (x,y,z) oaz składowe wektoa osi nazędzia (i,j,k). Jednakże dla układu docieania powiezcni płaskic, polecenie to może być uposzczone tylko do płaszczyzny XY i wystaczy podanie tylko dwóc współzędnyc punktu do któego ma się pzesunąć pieścień powadzący. Geneato tajektoii W celu analizowania óżnyc układów kinematycznyc utwozono pogam, któy umożliwia pzepowadzenie symulacji. Symulacja pocesu docieania pozwala na obsewację oaz śledzenie funkcjonowania opacowanego stanowiska do docieania jednotaczowego. Umożliwia weyfikację pzyjętyc założeń oaz okeślenie niepawidłowości, jakie mogą pojawić się w czasie eksploatacji, pzed ic zastosowaniem w paktyce. Ponadto utwozony w opogamowaniu Matlab pogam daje możliwość keślenia ys na taczy docieającej wykonanyc pzez dowolny punkt znajdujący się na pzedmiocie. Intefejs pogamu został pokazany na ysunku 7. y α A(x1,y1) x n y n B(x2,y2) x Rys. 8. Scemat intepolacji liniowej PLIK CLDATA Rys. 7. Intefejs do symulacji niestandadowyc układów kinematycznyc docieania jednotaczowego Obok możliwości symulacji standadowego układu docieania istnieje możliwość symulacji nietypowyc układów popzez wczytanie pliku CLData (ang. Cutte Location Data). Plik ten pisany jest językiem APT (ang. Automatically Pogammed Tool) i twozony jest podczas geneowania ścieżek obóbkowyc w każdym systemie CAM. Definiuje on ucy nazędzia popzez okeślenie współzędnyc, pędkości wzeciona, posuwu itp. Na ysunku 8 pokazano scemat intepolacji liniowej w płaszczyźnie XY. Punktem początkowym, w któym znajduje się pieścień powadzący jest punkt A, natomiast punkt B jest punktem końcowym, do któego pieścień ma się pzesunąć po linii postej. Poszukiwane są punkty pośednie pomiędzy A oaz B i oddalone od siebie o odległość n*, gdzie n jest numeem punktu, jest stałą długością pomiędzy punktami. Kozystając z postyc zależności można wyliczyć poszczególne współzędne: Intepolacja kołowa x n = n (x 2 x 1 ), (2) AA y n = n (y 2 y 1 ), (3) AA Tzecia funkcja służy do wczytania i ealizacji polecenia CIRCLE, któa pozwala na pouszenie nazędzia z punktu w punkt po łuku. Zwykle zawiea ono infomacje o 3 współzędnyc śodka łuku, 3 składowyc wektoa osi kzywizny, pomieniu łuku, toleancji oaz śednicy nazędzia. Do symulacji ucu pieścienia po łuku pominięto dwa ostatnie paamety, a składowe wektoa osi kzywizny (i, j, k) pzyjmują jedynie watości dla płaszczyzny XY odpowiednio (0, 0, -1) dla ucu zgodnie z kieunkiem ucu zegaa, oaz (0, 0, 1) dla ucu pzeciwnego z kieunkiem ucu zegaa.
MECHANIK NR 8-9/2015 29 y n y φ n φ φ α B(x2,y2) C(x2,y2) x n P n (x n,y n ) A(x1,y1) x Rys. 9. Scemat intepolacji kołowej Na ysunku 9 pokazano scemat intepolacji kołowej w płaszczyźnie XY. Punktem początkowym jest punkt A, punktem końcowym jest punkt C, natomiast punkt B stanowi śodek okęgu. Poszukiwane są punkty pomiędzy punktami A oaz C i oddalone od siebie o odległość. Pojedynczy kąt obotu φ można obliczyć z zależności między długością podstawy i amienia w tójkącie ównoamiennym: φ = cos 1 (1 2 22), (4) Za pomocą postyc zależności obliczane są poszczególne współzędne na łuku. Dla ucu pzeciwnego do ucu wskazówek zegaa współzędne te są obliczane: x n = cos(α + φ n), (5) y n = sin(α + φ n). (6) Keślenie ys na taczy docieającej Ostatnia funkcja służy do keślenia ys, któe wykeśla dowolny punkt znajdujący się na pieścieniu powadzącym lub pzedmiocie na taczy docieającej. Scemat pzedstawiający zasadę keślenia ys, któe powstają na docieaku został pokazany na ysunku 10. W piewszej kolejności wyliczane jest położenie dowolnego punktu P 1(x 1,y 1), któy pzesuwa się waz z pieścieniem powadzącym po linii postej (ównania 2 i 3) lub po łuku (ównania 5 i 6), oaz wykonuje obót z pędkością ω s: x p = x n + cos (ω s t) sin (ω s t), (7) y p = x n + sin(ω s t) + cos (ω s t). (8) Punkty zapisane zostają do maciezy o dwóc kolumnac (x, y), a następnie każdy punkt pzetansfomowany jest o obót docieaka obacającego się z pędkością ω t: x = x p cos (ω t t) y p sin (ω t t), (9) y = x p sin(ω t t) + y p cos (ω t t). (10) Rys. 10. Scemat intepolacji kołowej Podsumowanie Symulacje komputeowe wykazły, że zmiana kinematyki docieania ścieżek jednotaczowego powoduje zmianę zagęszczenia ścieżek wzdłuż pomienia taczy docieającej. Miaa gęstości jest taktowana jako ilość usuniętego mateiału na taczy docieającej. W atykule pzedstawiono koncepcję niestandadowyc układów kinematycznyc docieania jednotaczowego popzez wpowadzenie dodatkowego ucu pieścienia powadzącego. Opacowanie systemu, któy pozwoli kontolować położenie, pędkości oaz pzyspieszenie pieścienia powadzącego umożliwi zminimalizowanie błędów zniekształceń występującyc na powiezcni oboczej nazędzia. W celu opzepowadzenia symulacji niezbędne było pzygotowanie pogamu, któy wczytuje pliki CLData i pozwala kontolować położenie pieścienia. LITERATURA 1. Baylski A., Obóbka powiezcni płaskic na docieakac. Wydawnictwo Politecniki Gdańskiej, Gdańsk, 2013. 2. Piotowski N., Baylski A., Koncepcje niekonwencjonalnyc układów kinematycznyc docieania jednotaczowego z wykozystaniem obota. Mecanik, Vol. 87, n. 8-9, pp. 36-33, 2014. 3. Stali A. W., Te tecnique of lapping, Pie-telen/Biel, 2013. 4. Ulmann E., Adelt T., Influence of Kinematics on te Face Ginding Pocess on Lapping Macines. Annals of CIRP, vol. 48(1), 1999, pp. 281-284. 5. Baylski A., Podstawy docieania jednotaczowego powiezcni płaskic. Zeszyty Naukowe Politecniki Gdańskiej. Mecanika n 67, Gdańsk, 1992. 6. ttp://www.stali.com [dostęp 20.04.2015]. 7. ttp://www.pete-woltes.com [dostęp 20.04.2015]. 8. Piotowski N., Baylski A., Symulacja obóbki na bazie pliku CLData za pomocą opogamowania Matlab. Mecanik, Vol. 88, n. 2, pp. 123-124, 2015.