Z uwagi na ich dotychczasowe obszary zastosowań roboty umożliwiają wysoce dynamiczną obsługę i są zoptymalizowane pod kątem oprogramowywania powtarzających się operacji. Obróbka skrawaniem wymaga jednak innych właściwości. W szczególności potrzebne jest tu zachowanie wysokiej dokładności toru obróbki podczas działania sił procesowych, a także odpowiednie sterowanie. Typowe programy CNC działające zgodnie z normą DIN 66025 mogą składać się z niezliczonej ilości punktów, co stawia wysokie wymagania pod kątem czasu cyklu i procedury początkowej.

Dlatego też obecnie roboty przemysłowe są stosowane w obróbce skrawaniem najczęściej do okrawania, przygotowywania, a także przetwarzania mniej twardych materiałów. Dokładność działania osiągana w standardowych robotach przemysłowych jest wystarczająca do wykonania takich zadań. Aby umożliwić obróbkę końcową przy pomocy robotów przemysłowych, opracowanowykrywa aktualny błąd pozycji i odpowiednio go niweluje (ilustracje 2. i 3.). Podstawa robota frezującego składa się z kinematyki robota z podłączonym kontrolerem CNC. Umożliwia to korzystanie bez żadnych przerw z łańcucha programów CAD/CAM i oferuje znaną wielu użytkownikom koncepcję obsługi CNC. Dokładność toru jest poprawiana dzięki zastosowaniu odpowiednich modeli.

W kolejnym kroku system pomiarowy wykrywa w czasie rzeczywistym aktualną pozycję robota w celu kompensacji. Owa kompensacja zakłóceń o niskiej częstotliwości jest przeprowadzana bezpośrednio przez robota. W trzecim etapie kinematyka wyrównawcza umożliwia ponadto wysoce dokładną obróbkę. Ta dodatkowa kinematyka jest bardzo sztywna i szybka, a poza tym wyrównuje kolejne błędy w aktualnej pozycji toru. Celem opisywanej koncepcji jest produkcja aluminiowych elementów montażowych (np. w obszarze Power Train), a także końcowa obróbka elementów o dużej objętości.

Aktualna pozycja robota jest obliczana w czasie rzeczywistym
Elastyczny i ruchomy robot przemysłowy Kuka KR125 wyposażono w nową elektronikę napędową i CNC. W tym celu szafę przełącznikową zaopatrzono w serwowzmacniacz, przemysłowy komputer PC oraz mechanizmy bezpieczeństwa, takie jak wyłącznik awaryjny i mechanizmy uwalniające. Wychodząc od analizy zastosowanych silników, dokonano odpowiedniej parametryzacji serwowzmacniaczy i ich optymalizacji w czasie poruszania się robota po własnej osi i na płaszczyźnie kartezjańskiej.

Do poruszania się robota po płaszczyźnie kartezjańskiej konieczne było uwzględnienie w PLC transformacji kinematycznej, a także połączeń silnika z przekładnią przy poruszaniu się osi ramienia robota. Ponadto w PLC połączono też logikę trybu pracy i komponenty wejścia/wyjścia. Dzięki bezpiecznej komunikacji i zaciskom opracowaną technologią bezpieczeństwa, którą można bez problemu zintegrować z obudową i konfiguracją maszyny. Wyższą dokładność można osiągnąć, jeśli aktualny błąd pozycji jest znany i może zostać odpowiednio wyrównany. W tym celu porównuje się docelowe dane pozycyjne ze stanem faktycznym.

Piezoaktuatory kompensują niedokładności w torze poruszania się robota
Sześciowymiarowe obliczanie pozycji jest możliwe za pomocą optycznych urządzeń pomiaru współrzędnych z serii K firmy Nikon. Śledzą one umieszczone na robocie pulsujące diody LED z częstotliwością pomiarową do 1 kHz i wysoką dokładnością. Do łatwiejszych zadań można wykorzystywać jednowymiarowe optyczne przełączniki bądź też dwuwymiarowe czujniki do pomiaru pozycji X-Y punktu laserowego na powierzchni czujnika.
Istotnym wyzwaniem jest integracja systemu pomiarowego i opisanej poniżej kinematyki wyrównawczej z działającym w czasie rzeczywistym systemem sterującym o minimalnych czasach latencji. W tym celu korzysta się z komputerów pracujących z rozszerzeniem czasu rzeczywistego RTX. Opracowana w instytucie Fraunhofera IPA w Stuttgarcie kinematyka wyrównawcza bazuje na piezoaktuatorach, które pracują bez zakłóceń i poślizgu (ilustracja 4.). Mogą one być przyspieszane do 10 g i nadają się do zastosowania w wysokich częstotliwościach,które są konieczne przy wyrównywaniu niedokładności toru poruszania się robota.

Ponieważ z uwagi na swoją konstrukcję piezoaktuatory mogą pracować jedynie z bardzo małymi suwami, zostały one połączone z przegubami sprężystymi. W ten sposób możliwa jest realizacja przesuwu na dystansie do 690 μm. Dokładność przesuwu kinematyki we wszystkich trzech osiach leży w zakresach nanometrowych. Również przeguby sprężyste dbające o przeniesienie siły i ruchu pracują bez zakłóceń i konieczności ich konserwacji. Ponadto są one lżejsze, cichsze, sztywniejsze, dokładniejsze i bardziej dynamiczne w porównaniu do konwencjonalnych mechanizmów wyrównawczych.

O autorach:
Inż. Arnold Puzik i inż. Manuel Drust są pracownikami naukowymi w Instytucie Fraunhofera Technologii Produkcji i Automatyzacji (IPA) w Stuttgarcie.
Dalsze informacje: Arnold Puzik, tel. +49 711 970 12 97, e-mail: arnold.puzik@ipa.fraunhofer.de. Zaprezentowane w niniejszym artykule rozwiązania powstały między innymi w ramach projektu badawczego wspieranego przez Unię Europejską w 7. Programie Ramowym