Wykorzystywanie robotów przemysłowych jako frezarek CNC nie jest rozwiązaniem nowym, aczkolwiek nadal innowacyjnym. Zestawienie robotów przemysłowych z możliwościami 5-osiowych frezarskich centrów obróbczych CNC, w ujęciu kinematyki ruchów roboczych, pozwala widzieć w robotach rozwiązanie zwiększające technologiczne możliwości produkcyjne, a w niektórych wypadkach – nawet alternatywę dla tych drugich.
Radosław Morek
Roboty frezujące umożliwiają obróbkę przedmiotów o znacznych gabarytach i bardzo skomplikowanych kształtach. Robot dysponuje większą liczbą stopni swobody, co pozwala na osiągnięcie danej pozycji punktu programowalnego w ramach wielowariantowych konfiguracji jego ramion. Umożliwia to łatwiejsze wykonywanie podcięcia (np. kąty ujemne, otwory z ujemną osią Z). Możliwość obrabiania – z wykorzystaniem robota przemysłowego – przedmiotów o dużych gabarytach nie jest tak ważnym czynnikiem, jak możliwość obróbki miejsc trudnodostępnych w jednym ustaleniu i zamocowaniu przedmiotu obrabianego, choć również stanowi zaletę. W możliwościach kinematycznych roboty przemysłowe cechują się bardzo dużą elastycznością w porównaniu do obrabiarek CNC.
Rys. 1 Robot frezujący podczas pracy
W zakresie aplikacyjnym równie interesującym aspektem jest strona kosztów. Wdrożenie frezującego robota przemysłowego, jak również koszty eksploatacyjne są niższe niż w przypadku obrabiarki CNC. Mniejsze są także wymagania, jeśli chodzi o powierzchnię instalacyjną zrobotyzowanych stanowisk obróbkowych niż standardowych frezarskich pionowych centrów obróbczych CNC.
Rys. 2 Przykładowe rozwiązania kinematyczne robotów frezujących
W przypadku obrabiarek CNC przebieg toru narzędzia i parametrów obróbki wymaga wygenerowania programu obróbkowego, tzw. G-kodów z użyciem programów lub systemów CAM. Program NC definiuje wszystkie osie sterowane, w tym ruchy narzędzia, suportów w przestrzeni roboczej obrabiarki. Wymaga to zastosowania postprocesora, który ostatecznie dokonuje syntezy programu obróbkowego dla konkretnej obrabiarki (kinematyka) i układu sterowania CNC. W przypadku robotów przemysłowych jest to znacznie bardziej skomplikowane zagadnienie ze względu na różnorodność konstrukcji, w tym konfiguracji, i różną liczbę osi sterowanych, co również przekłada się na skomplikowanie dopasowania układów sterowania na potrzeby frezowania CNC z wykorzystaniem robotów. Oprócz ruchów samego robota przemysłowego należy oprogramować wszystkie osie zewnętrzne (m.in. podsystemy transportowe).
Rys. 3 Możliwości konfiguracji węzłów kinematycznych robota – tutaj FANUC
Dotychczas poważnym ograniczeniem zastosowania frezującego robota przemysłowego była i nadal jest sztywność takiego układu oraz stosowanie wrzecion o niewielkich mocach. Skutkiem tego ta metoda wykorzystywana jest przede wszystkim do obróbki przedmiotów z materiałów łatwo skrawalnych (pianki, tworzywa sztuczne, styropian, drewno) i niewymagającej dużej dokładności. Obróbka materiałów twardszych, czy twardych stanowi wyzwanie i niestety nie można mówić o pożądanej efektywności w tym obszarze. Usunięcie ograniczeń związanych z obróbką przedmiotów metalowych będzie miało przełomowe znaczenie w przedstawianym tu zakresie. Umożliwiające to rozwiązania są przedmiotem prac wielu ośrodków. Pewnym kompromisowym rozwiązaniem jest takie, w którym robot przemysłowy odpowiada za przemieszczenia przedmiotu względem nieruchomego wrzeciona. Jednak takie podejście jedynie częściowo niweluje brak wystarczającej sztywności układu z robotem przemysłowym. O ile frezowanie przedmiotów metalowych, w tym stalowych, w zakresie obróbki zgrubnej i częściowo kształtującej stanowi dla robotów frezujących wyzwanie i trudno jest wskazać na efektywność takiej obróbki, o tyle realizacja obróbki wykańczającej jest możliwa.
Przykładami takiej obróbki są m.in:
- szlifowanie gładkościowe przedmiotów o powierzchniach krzywoliniowych i/lub swobodnych (np. armatura wodna), również z materiałów trudno obrabialnych (np. stopy lotnicze),
- polerowanie (m.in. kranów wodnych).
Przykładem obróbki kształtującej są zadania technologiczne, które można realizować poprzez obróbkę z wykorzystaniem robota przemysłowego:
- obcinanie brzegów,
- docinanie kształtek wtryskowych,
- usuwanie wypływek, stępianie ostrych krawędzi,
- grawerowanie,
- cięcie plazmą lub water jet’em.
Kluczową rolę we wdrażaniu obróbki robotami przemysłowymi odgrywa oprogramowanie CAD/CAM. Zdolność programu czy systemu CAM w zakresie generowania ścieżki narzędzia z wykorzystaniem robota stanowi o realnych możliwościach obróbki powierzchni skomplikowanej pod względem ukształtowania.
Rys. 4 Symulacja robota ABB – obróbka łopatki w NX CAM Robotics
Różnorodność konstrukcji i konfiguracji robotów przemysłowych, dodatkowe osie do sterowania (m.in. podsystemy transportowe i magazynowe) stawiają wysokie wymagania, zarówno wobec oprogramowania CAM, jak i układów sterowania CNC. W przypadku robota przemysłowego programy obróbkowe są bardziej złożone niż te, generowane dla obrabiarek CNC. Niektóre źródła wymieniają także różnorodność form i formatów danych wejściowych CAD, lecz jest to obszar problematyki odnoszący się do wszystkich zagadnień w przepływie danych CAD-CAM.
Niezależnie od formy danych wejściowych muszą być one opracowane w oprogramowaniu CAD, by móc je wykorzystać w CAM. Kwestia transferu danych może być źródłem błędów. Główną przyczyną jest jednak mała sztywność robota przemysłowego względem stacjonarnych obrabiarek CNC, co wymusza potrzebę kontrolowania obciążenia narzędzia (promieniowego i osiowego), a także posuwu roboczego. Celem jest zapewnienie płynnego przejścia roboczego narzędzia bez nagłych zmian jego toru, z możliwie stałym obciążeniem. Takie rozwiązania stosuje się w opracowywaniu programów obróbkowych na potrzeby HSC (High Speed Cutting) oraz HPM (High Performance Machining).
Rys. 5 Symulacja robota KUKA – grawerowanie w NX CAM Robotics
Przykładem może tu być oprogramowanie NX CAM i VoluMill, oraz NX CAM Robotics. Skuteczna integracja możliwości różnych rozwiązań informatycznych pozwala na przeprowadzanie pełnej symulacji obróbki przestrzennej (3D) z jednoczesną analizą kolizyjności, weryfikacją zdefiniowanych warunków brzegowych, przyspieszeń, odnoszeniem się do wybranych członów robota przemysłowego.
Oprogramowanie NX CAM Robotics jest kompatybilne m.in. ze znanymi robotami przemysłowymi, które dziś wykorzystuje się do obróbki frezarskiej: np. ABB, KUKA, FANUC oparte o sterowania ABB RAPID (S4, S4C, S4C+, IrC5), KUKA KRL (KRC 1/2/3/4), FANUC TPE (RJ2, RJ3, R30iA, R30iB), SINUMERIK 840D. Zaletą tego środowiska jest prostota programowania robotów za pomocą tych samych operacji znanych z pakietu frezowania oraz praca w zintegrowanym środowisku NX CAD/CAM. Po zaprogramowaniu ścieżki mamy możliwość przeprowadzenia dokładnej symulacji i weryfikacji obróbki elementu i pracy modelu robota 3D (podobnie jak frezarek).
NX CAM Robotics Machining do programowania robotów w trybie off-line powstał po zintegrowaniu systemu Tecnomatix do zaawansowanych rozwiązań zrobotyzowanych z oprogramowaniem NX CAM. Oprogramowanie to pozwala na projektowanie, symulację, walidację, optymalizację programu obróbki własnych robotów przemysłowych do zadań obróbczych.
Wdrażanie robotów przemysłowych realizujących obróbkę ubytkową uzasadniane jest postępem w zakresie sterowania robotami przemysłowymi, w tym osiąganą dokładnością pozycjonowania i powtarzalnością. Nie bez znaczenia jest tu problematyka wykwalifikowanej kadry pracowników szczebla średniego. Pomimo wielu korzyści zrobotyzowane stanowiska obróbcze ze względu na niewielką sztywność konstrukcji nie są jednak w stanie zastąpić klasycznych (standardowych) frezarskich centrów obróbkowych CNC. Stanowią natomiast rozszerzenie możliwości technologicznych i uzupełniają zdolności produkcyjne, co przy współczesnym charakterze produkcji odgrywa istotną rolę w podtrzymywaniu konkurencyjności na rynku.
dr inż. Radosław Morek
Materiały źródłowe:
R. Lis: Od modelu CAD do sterowania robotami frezującymi, IX Forum Inżynierskie ProCAx 2010
W. Musiał: Zastosowanie robota przemysłowego do obróbki trudno obrabialnych stopów lotniczych ze szczególnym uwzględnieniem powierzchni krzywoliniowych, Mechanik 2/2011
Materiały handlowe firmy CAMdivision
Materiały handlowe firmy KUKA
artykuł pochodzi z wydania 11 (98) listopad 2015
