Роль высокоточной обработки на станках с ЧПУ в развитии робототехнических решений.

Каждая движущаяся часть робота преследует простую цель: выполнять одно и то же движение с одинаковой точностью тысячи раз без сбоев. Эта цель рушится в тот момент, когда шарнир, шестерня или корпус датчика выходят за пределы допустимых отклонений на микронном уровне. Именно высокоточная обработка на станках с ЧПУ предотвращает это.

От фрезерования сложных контурных поверхностей на роботизированных манипуляторах до токарной обработки валов субмиллиметрового размера для трансмиссионных систем, обработка на станках с ЧПУ предоставляет инженерам-робототехникам контроль размеров и гибкость в работе с материалами, недоступные ни одному другому методу изготовления в больших масштабах. Это мост между CAD-моделью и функциональным роботом, который движется, захватывает и реагирует с повторяемой точностью.

По мере того как роботы становятся все более совершенными в промышленных, сервисных и ИИ-приложениях, требования к обработке на станках с ЧПУ сместились от «достаточной точности» к «точности в пределах 0,005 мм по нескольким осям при обработке закаленных сплавов».

Вот что мы рассмотрим:

●   Как высокоточная обработка на станках с ЧПУ формирует структурные и функциональные детали, от которых зависят роботы.

●   Какие именно компоненты робототехники зависят от допусков на уровне станков с ЧПУ?

●   Как возможности многоосевых станков с ЧПУ обрабатывают сложные геометрические формы деталей.

●   Где применение станков с ЧПУ в различных типах роботов

●   Чем отличается стандартная работа на станках с ЧПУ от результатов, достигаемых с помощью робототехники?

Если вы занимаетесь поставкой металлических деталей для роботизированных систем, то разница между работающим роботом и роботом, работающим надежно, начинается именно здесь.

Создание каркаса робота с помощью станков с ЧПУ.

Корпус робота состоит из множества металлических деталей, которые должны слаженно работать вместе, даже под давлением, скоростью и при многократном использовании. И именно высокоточная обработка на станках с ЧПУ превращает необработанный металлический стержень в эти детали с той точностью, которая необходима роботам.

Вот в чём важность этого, если говорить простыми словами:

●   Основой робота являются его несущие элементы. Рама, опорные плиты и звенья манипулятора принимают на себя все механические нагрузки роботизированной системы. Если станок с ЧПУ не может поддерживать эти поверхности в горизонтальном и выровненном положении, со временем робот начнет сбиваться с курса и в его движениях появится люфт.

●   Все движущиеся части приводятся в движение функциональными деталями. Шестерни, валы, муфты и корпуса шарниров должны вращаться, скользить или фиксироваться с минимальным трением, чтобы обеспечить бесперебойную работу робота. Операции токарной и фрезерной обработки на станках с ЧПУ обеспечивают этим деталям гладкую поверхность и точность, необходимые для выполнения работы в повторяющемся режиме.

●   Интеграционные элементы связывают все системы воедино и обеспечивают их бесперебойную работу. Крепления датчиков, кронштейны энкодеров и корпуса разъемов должны идеально совпадать с электронными компонентами. Любая незначительная ошибка позиционирования исказит показания датчиков и нарушит работу контура обратной связи робота.

Конструкционные и функциональные детали, изготовленные на станках с ЧПУ.

Общим для всех трех категорий является то, что производство компонентов для робототехники практически не оставляет места для отклонений. Деталь, которая измеряется штангенциркулем «достаточно точно», все равно может привести к потере точности позиционирования роботом после нескольких сотен циклов.

Полезный совет: при просмотре чертежей деталей для роботизированных сборок, изготовленных на станках с ЧПУ, обращайте особое внимание на обозначения геометрических допусков (GD&T) для истинного положения и биения. Эти два допуска оказывают наибольшее влияние на то, насколько хорошо деталь работает внутри движущейся системы.

Многоосевые станки с ЧПУ позволяют роботам создавать сложную геометрию.

Детали робототехники редко имеют простые формы. Корпус шарнира может потребовать внутренних каналов с заданной формой, угловых монтажных поверхностей и резьбовых элементов, которые должны быть обработаны в единой детали. Традиционные 3-осевые станки с ЧПУ могут справиться с некоторыми из этих задач, но они заставляют многократно перемещать заготовку, и каждое перемещение вносит небольшую погрешность.

Вот тут-то и меняют ситуацию 5-осевые и 6-осевые станки с ЧПУ.

Почему количество осей имеет значение для робототехники

Пятиосевой станок позволяет обрабатывать заготовку практически под любым углом за одну установку. Это означает:

●   Меньше переналадок, меньше ошибок. При обработке звена роботизированной руки или корпуса редуктора за один зажим исключаются ошибки, связанные с погрешностями при укладке деталей, возникающие при переворачивании и повторной фиксации. Для высокоточной обработки на станках с ЧПУ с точностью до ±0,005 мм это является обязательным условием.

●   Становится возможным создание подрезов и внутренних элементов. Многим компонентам робототехники необходимы углубленные каналы, наклонные карманы или изогнутые внутренние стенки, до которых трехкоординатный шпиндель физически не может добраться. Многоосевое перемещение позволяет создавать эти элементы без необходимости выполнения дополнительных операций, таких как электроэрозионная обработка или ручная чистовая обработка.

●   Улучшенная непрерывность поверхности на деталях сложной формы. Роботизированные захваты, сегменты манипуляторов и специальные концевые захваты часто имеют гладкие, обтекаемые поверхности, по которым должна следовать траектория инструмента, не оставляя видимых ступенек. 5-осевой станок поддерживает оптимальный угол наклона инструмента на протяжении всего процесса резки, обеспечивая более чистую обработку за меньшее количество проходов.

Именно поэтому в последние десять лет в области обработки на станках с ЧПУ для робототехники произошел значительный сдвиг в сторону многоосевых платформ. Этого требуют геометрические требования, а допустимые отклонения не оставляют места для обходных путей.

Чем уникальны потребности каждого типа роботов в области ЧПУ.

Не каждый робот является клоном — они все двигаются по-разному, поднимают разные грузы или работают в одинаковых условиях. Это означает, что требования к ЧПУ могут быть очень разными в зависимости от того, что должен делать робот.

1. Промышленные роботы

Это самые мощные инструменты. Речь идёт о сварочных манипуляторах, системах захвата и перемещения, а также о роботах для сборочных линий, работающих без остановки весь день под огромными нагрузками и вибрацией. Если мы производим детали, которые будут использоваться в таких роботах, нам нужно сосредоточиться на следующем:

●   Укрепление в нужных местах — например, в шестернях, валах и червячных передачах, которые постоянно подвергаются вращательным нагрузкам, — позволяет значительно снизить износ.

●   Обеспечение стабильности конструкции за счет корпусов соединений и монтажных фланцев, которые не могут смещаться под воздействием многократных механических ударов.

2. Сервисные роботы и роботы с искусственным интеллектом

Роботы-приветствующие, домашние помощники и роботы с искусственным интеллектом, передвигающиеся на двух ногах, как правило, работают в довольно спокойной механической среде. Но, как ни странно, требования к ЧПУ становятся более требовательными в некоторых областях, потому что эти роботы напичканы датчиками и зависят от обратной связи от них.

●   Сверхточная установка массивов датчиков, модулей камер и кронштейнов для лидаров, передающих все эти данные в «мозг» робота.

●   Изготовление легких и качественных деталей из алюминиевого сплава позволяет всей конструкции плавно и без усилий перемещаться, не создавая при этом неудобств в обращении.

3. Сельскохозяйственные роботы

Полевые роботы целый день сталкиваются с пылью, влагой, экстремальными температурами и неровной местностью. Для них обработка на станках с ЧПУ — это скорее работа в полевых условиях, чем забота о мельчайших деталях.

●   Изготовление деталей, способных выдерживать воздействие грубых материалов, таких как алюминиевые сплавы и обработанная нержавеющая сталь, а также воды и химических веществ.

●   Правильно подобранные уплотнения, чтобы они не протекали на внешних частях робота.

По сути, производство деталей для робототехники с помощью станков с ЧПУ — это не универсальное решение. Нам нужно правильно подобрать процесс, материалы и технические характеристики, чтобы они соответствовали тому, что робот будет делать в реальных условиях.

Как Fortuna создает детали для робототехники в масштабе с высокой точностью

Fortuna Компания потратила почти два десятилетия на создание производственной системы, специально разработанной для изготовления сверхточных металлических деталей. В контексте робототехники это означает наличие предприятия, способного обрабатывать все — от единичного прототипа до крупномасштабного производства, — без ущерба для точности.

Какие виды робототехнических компонентов мы производим?

Наша продукция в области робототехники охватывает все структурные, функциональные и интеграционные компоненты, необходимые производителям роботов. И прямо сейчас мы активно производим:

●   Компоненты для систем перемещения: это планетарные редукторы, поворотные шарниры, червячные передачи, муфты и валы, которые обеспечивают сверхточное перемещение роботизированных манипуляторов.

●   Конструктивные элементы: опорные плиты робота, звенья манипулятора, звенья узла манипулятора, корпуса шарниров и монтажные фланцы, воспринимающие механические нагрузки — то, что обеспечивает работоспособность робота.

●   Компоненты камеры и электроники: корпуса сенсоров, крепления энкодеров, кронштейны для модулей камер и корпуса разъемов, которые защищают и обеспечивают правильное положение сверхчувствительной электроники.

●   Специализированные компоненты: шарнирные соединения, захваты нестандартной конструкции, детали механизма смены инструмента, радиаторы, шины и контактные пружины, которые делают каждого робота уникальным.

Три основных способа, которыми мы выполняем свою работу

В основе лежит высокоточная обработка на станках с ЧПУ, но мы дополняем ее двумя другими процессами, чтобы предоставить производителям комплексное решение для изготовления деталей для робототехники:

●   Обработка на станках с ЧПУ с использованием огромного количества осей, включая 40 пятиосевых и 2 шестиосевых станка — все они японского производства, и все они обеспечивают погрешность концентричности в пределах 0,005 мм для таких деталей, как модули шарниров роботов и основания датчиков.

●   Последовательная штамповка, позволяющая выполнить всю работу за один раз — пробивка, гибка и формовка в одной плавной операции, при этом все параметры остаются в пределах допуска ±0,01 мм.

●   Внутриформовая клепка, объединяющая штамповку и крепление за один проход — внутри матрицы — исключает вторичные ошибки и позволяет нам достигать 100 циклов в минуту.

Контроль качества от начала производства до отгрузки.

Перед отправкой с нашего предприятия каждая деталь робототехники проходит многоуровневую проверку качества:

●   Анализ DFM на этапе проектирования позволяет выявить такие риски, как деформация материала и образование заусенцев, еще до начала механической обработки.

●   Первичный контроль качества образца с использованием координатно-измерительной машины и 2,5D-измерительных приборов для проверки размеров в соответствии с чертежными спецификациями.

●   В ходе производства через запланированные интервалы проводятся выборочные проверки IPQC для выявления любых отклонений в критических размерах.

●   Для автоматизированной проверки в линию интегрированы системы визуального контроля с использованием ПЗС-матриц и 3D-оптические измерения .

●   Полная прослеживаемость данных по каждой детали, начиная с партии сырья и заканчивая окончательной приемкой.

Этот многоуровневый подход отличает производство роботизированных компонентов в Fortuna от обычных цехов с ЧПУ. Когда производительность вашего робота зависит от того, насколько каждая деталь сохраняет свои характеристики на протяжении тысяч рабочих циклов, процесс изготовления этих деталей должен быть безупречным.

Итог по ЧПУ и робототехнике

С каждым новым поколением роботы становятся умнее, быстрее и намного совершеннее. Но вся эта возросшая сложность ничего не будет значить, если их внутренние детали просто не смогут выдержать температуру, на которую они рассчитаны — в прямом и переносном смысле. Правда в том, что именно высокоточная обработка на станках с ЧПУ позволяет преодолеть разрыв между замыслом конструкторов и реальным поведением деталей в реальных условиях.

Основные выводы из этой статьи довольно просты:

●   Роботизированные детали охватывают структурные, функциональные аспекты и интеграцию, и каждая из них предъявляет чрезвычайно строгие требования к системам ЧПУ, которые необходимо соблюдать.

●   Многоосевая обработка стала практически стандартом для робототехники, потому что, будем честны, сложные детали не терпят ошибок позиционирования.

●   Различные типы роботов предъявляют совершенно разные требования к процессу ЧПУ, будь то износостойкость в заводских манипуляторах или точная юстировка на микроуровне в системах с искусственным интеллектом.

В робототехнической отрасли будут и дальше стремиться к всё более жёстким допускам, всё более лёгким материалам и всё более сложным конструкциям, а производители, которые строят свой бизнес на партнёрах, уже достигших этого уровня в области станков с ЧПУ, смогут гораздо проще масштабировать производство и обеспечить более бесперебойную работу на местах.

Потенциал производительности вашего робота начинается с небольшого станка, который изготавливает детали.