CC BY
80
3. Пегашкин В. Ф., Старостин А. П. Повышение точности обработки нежестких деталей в центрах на танках с числовым программным управлением // Вестник ЮУрГУ. 2018. Т.18, № 1. С.51-57.
4. Васильевых С. Л., Сайтов В. Е. Особенности обработки нежестких валов // Современные наукоемкие технологии. 2012. № 11. С. 67-68.
5. Старостин А. П., Пегашкин В. Ф. Повышение точности обработки нежестких деталей на станках с ЧПУ с применением адаптивной обработки // Научно-технический вестник Поволжья. 2018. № 8. С. 30-33.
6. Тараненко В. А., Митрофанов В. А., Косов М. Г. Технологические способы и средства повышения точности обработки нежестких деталей: обзорн. информ. М.: ВНИИТЭМР, 1987. 64 с.
7. Мальцев В. Г., Моргунов А. П Технологическое обеспечение высоких точностных требований к размерам и форме наружных цилиндрических поверхностей // Технология машиностроения. 2007. № 12. С. 20-24.
8. Мальцев В. Г. Графический и графоаналитический способы исследования формообразования поверхностей вращения резанием // Технология машиностроения. 2004. № 1. С. 15-19.
9. Мальцев В. Г. Настройка технологических систем на размер при формообразовании поверхностей вращения резанием // Технология машиностроения. 2004. № 6. С. 14-18.
УДК 62-529+ 621.865.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА ПРИ РАБОТЕ В СОСТАВЕ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОДУЛЕЙ
RESEARCH OF ACCURACY OF INDUSTRIAL ROBOT AT WORK AS PART OF FLEXIBLE MACHINING CELLS
Д. С. Морев1, Д. А. Блохин2, А. Г. Кольцов2
1АО «Высокие технологии», г. Омск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
D. S. Morev1, D. A. Blokhin2, A. G. Koltzov2
1 Joint-Stock Company «High technologies», Omsk, Russia 2 Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В данной работе проведен анализ факторов, влияющих на точность промышленного робота шарнирной кинематики в составе гибких производственных модулей. Проведены исследования точности круговых перемещений захвата робота в зависимости от положения в пространстве и нагрузки, приложенной к захвату робота. Предложен способ измерения жесткости с помощью лазерного интерферометра и оптики для измерения прямолинейности. По результатам экспериментов были определены виды погрешностей, вносящих наибольшую ошибку в точность перемещений промышленного робота. Даны рекомендации о необходимости измерений определенных видов погрешностей при настройке гибких производственных модулей.
Ключевые слова: промышленный робот, точность оборудования, Ballbar-тест, лазерный интерферометр.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-79-86
I. Введение
В настоящее время на машиностроительных предприятиях в условиях крупносерийного производства активно поднимается вопрос выбора степени автоматизации, а именно многокоординатных обрабатывающих центров, приспособлений, промышленных роботов, а также вопросы подключения и обмена данными этого оборудования с системами управления высокого уровня. И все чаще на предприятиях выбор отдается гибким производственным модулям (ГПМ). Этот выбор связан с повышением производительности и экономической эффективности производства, снижением количества брака и уменьшением монотонного труда работников предприятия. Поэтому на данном этапе актуальными становятся вопросы определения оптимального соотношения точности приспособлений, многокоординатных обрабатывающих центров и промышленных роботов для обработки различной номенклатуры деталей в составе ГПМ.
Особенностью современных производственных решений является исключительная гибкость не только в плане скорости переналадки производственной ячейки с одной производимой детали на другую, но и возможности перемещения складской системы с промышленным роботом на другой обрабатывающий центр, напри-
мер, исследуемая складская система фирмы HALTER. Однако, несмотря на встроенные средства согласования с другим станком с ЧПУ и возможность самоустановки по заранее подготовленным анкерам, остается важным вопрос калибровки точности промышленного робота на месте его дальнейшей работы. Отчасти это связано с кинематикой роботов шарнирного типа: в разных точках рабочего пространства они обеспечивают различную точность [1] и жесткость [2], поэтому при переносе робота от токарного станка к фрезерному и наоборот, а также при различной удаленности манипулятора от оборудования необходимо выполнение диагностики точности перемещений промышленного робота по различным параметрам [3].
Поскольку полная диагностика всех точностных параметров промышленного робота занимает значительное время, вплоть до нескольких смен, становится актуальным вопрос оперативного определения основных диагностируемых величин и способов их контроля.
II. Постановка задачи
Целью данной работы является разработка методики оперативной диагностики параметров точности промышленного робота шарнирной кинематики с шестью степенями свободы в составе гибких производственных модулей.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи.
1. Исследование точности гибкого производственного модуля, включающего обрабатывающий центр с ЧПУ и промышленный робот в тестовых условиях при различной нагрузке и в различных точках рабочего пространства.
2. Определение отклонений, вносящих наибольшее влияние на точность позиционирования при круговом и прямолинейном перемещении и выбор способа их контроля.
3. Дать рекомендации по методике измерения точности промышленного робота.
III. Теория
Определение наиболее значимых параметров для измерения в данной работе будет происходить по принципу функциональной диагностики [4], поскольку цель разрабатываемой методики - за минимальное время охватить максимальное количество неточностей перемещений независимо от причин их возникновения. Классификация источников отклонений приведена в различных работах [5]. К основным причинам неточностей при позиционировании робота можно отнести последовательное шарнирное сочленение робота [6], значительно увеличивающее массу и снижающее жесткость, погрешности системы управления, тепловые [7] и гравитационные деформации [8].
На рис. 1 приведены основные факторы, влияющие на точность обработки детали на гибком производственном модуле с токарным станком с числовым программным управлением.
Рис. 1. Анализ факторов, влияющих на точность гибкого производственного модуля с промышленным роботом и складской системой
В качестве объекта исследования выбран промышленный робот Fanuc Robot M-20iA грузоподъемностью 20 кг и паспортной точностью позиционирования в 0,08 мм в составе загрузочного устройства Halter LoadAssis-tant. В качестве измерительного инструмента использовался лазерный интерферометр Renishaw Laser XL-80 с точностью измерения ±0,5 мкм для оценки линейных перемещений по ГОСТ Р ИСО 230-1-2010 [9], а также прибор Ballbar QC-20W для оценки точности круговых траекторий по ГОСТ ИСО 230-4-2015 [10].
IV. Результаты экспериментов
В ходе проведения эксперимента исследовались зависимости точности перемещений от массы переносимой заготовки и вылета его запястья относительно основания, исследование точности позиционирования, исполнения круговых и прямолинейных перемещений в различных областях рабочей зоны. Таким образом получены результаты исследований под рабочей нагрузкой аналогично подобным схемам на обрабатывающем оборудовании [11].
На рис. 2 представлен результат измерения точности позиционирования промышленного робота Fanuc Robot M-20iA в горизонтальной плоскости в зоне складирования деталей; эксперименты в каждой точке проводились многократно с высокой повторяемостью, изменение величин погрешностей не пре вышает 5%.
Люфт (мкм)
X 4 9,5 ► 9,0
Y ▼ 18,6 ^-16,0
Выбросы обратного хода (мкм)
X 4 -30,9 ► 10,1
Y ▼ -1,7 ^11,3
Боковой люфт (мкм)
X 4 256,3 ►-39,4
Y ▼-99,4 52,7
Циклическая ошибка (мкм)
X ^55,8 Ф28,8
Y ^50,5 Ф54,0
Другие значения
Рассогласование приводов Отклонение от перпендикулярности Отклонение от прямолинейности X Отклонение от прямолинейности У Рассогласование шкал X Рассогласование шкал У
-1,34мс 306,7мкм/м 50,4мкм -94,1мкм 118,0ppm -29,8ppm
Допуск на точность
позиционирования
Радиус
наилучшего
соответствия
Отклонение от
круглости
Проход 1 Проход 2 Расчет 1 Расчет 2
100,0044мм
Рис. 2. Круговая диаграмма одного измерения точности круговых траекторий робота в горизонтальной плоскости в зоне складирования деталей без нагрузки
Для исследования зависимости точности отработки круговых траекторий от массы переносимой заготовки и вылета руки робота был проведен многофакторный эксперимент. Для этого было выбрано несколько заготовок различной массы в диапазоне от 0 до 6 кг; смещение запястья от базового основания робота изменялось в пределах от 300 и 1500 мим. В зоне 400-800 мм производится большинство манипуляций робота, связанных с захватом и позиционированием заготовок.
Люфт (мкм)
X ▼ 13,9 ^-3,8
Y >-37,1 4 -25,8
Выбросы обратного хода (мкм)
▼ -43,9 ^-44,1
X Y
Боковой
► 19,6
4 -77,9
мкм)
X ▼ -74,9 ^-32,0
Y ►-298,9 4 -163,8
Циклическая ошибка (мкм)
X ^44,4
У ^46,5
Другие значения
Рассогласование приводов Отклонение от перпендикулярности Отклонение от прямолинейности X Отклонение от прямолинейности У Рассогласование шкал X Рассогласование шкал У
Ф72,7 Ф59,0
2,47мс 951,4мкм/м -58,4мкм 49,6мкм 3091,2ppm 1806,4ppm
Допуск на точность
позиционирования
Радиус
наилучшего
соответствия
Отклонение от
круглости
1624,9мкм
100,2449мм
Рис. 3. Круговая диаграмма измерений точности круговых траекторий робота в горизонтальной плоскости в зоне складирования деталей, нагрузка 4,62 кг
Точность перемещений и позиционирования на периферии рабочей зоны представляет особый интерес в связи с тем, что некоторые схемы гибких производственных систем используют удаленное расположение металлообрабатывающего оборудования, складских систем и других элементов ГПС. Величина отклонений на
максимальном удалении от центра является существенной и для корректной работы системы нужно предусмотреть автоматизированные приспособления с требуемым допуском. Результат одного из измерений представлен на рис. 3. Схема измерений точности круговых перемещений представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема измерений точности круговых перемещений робота в горизонтальной плоскости на предельном вылете с нагрузкой 280 гр
По результатам проведенных исследований построены графики (рис. 5) зависимости точности круговых траекторий Fanuc, описываемых запястьем промышленного робота от нагрузки и изменения позиции. Для графика характерно нанесение средних значений по результатам трех измерений. Фактическое отклонение между результатами повторных тестов не превышало 0,01 мм при заданных допусках ±0,08 мм, так что динамическая траекторная повторяемость робота может считаться высокой.
Рис. 5. График зависимости точности позиционирования робота в горизонтальной плоскости от изменения нагрузки и позиции измерения
На рис. 6 представлены результаты измерения скорости при динамическом разгоне до величины скорости пути 1800 мм/мин. В целом динамические свойства робота и рекомендуемые скорости зависят от положения робота, так как в положениях, близких к сингулярности [3], малые линейные перемещения выполняются за счет значительных круговых перемещений звеньев робота (робот перестраивается).
Рис. 6. График скорости пути робота при прямолинейном перемещении
Исследование точности позиционирования, повторяемости перемещений робота и иных отклонений
Исследования точности роботов, проведенные другими авторами, показывают то, что при смещении исследуемой траектории в пространстве значения всех исследуемых параметров довольно сильно варьируются. В работе приведены измерения для линии, соединяющей зону складирования и возможную рабочую зону станка на максимальном удалении от центра тяжести, проходящего довольно близко к основанию.
Максимальное измеренное угловое отклонение при перемещении промышленного робота вдоль исследуемой линейной оси X длиной 1500 мм составило 12 угловых минут в вертикальной плоскости и 3 угловых минуты в горизонтальной плоскости. Повторяемость отклонений в обеих плоскостях не превышает 30 угловых секунд.
Рис. 7. График угловых отклонений робота при прямолинейном перемещении в горизонтальной (пунктир с точками) и вертикальной плоскости (сплошная линия)
Измерения прямолинейности проводились при задействовании соответствующего комплекта оптики для лазерного интерферометра. В отличие от обрабатывающих центров с классической декартовой кинематикой, прямолинейность перемещений исследуемого шарнирного робота в горизонтальной плоскости в значительной степени зависит от направления прохода. Это может быть связано с тем, что при смене направления подхода
проходит выборка люфта в поворотных осях шарнирных сочленений робота. График одного из проведенных измерений приведен на рис. 8. Абсолютные значения отклонения в вертикальной плоскости (провисание руки робота) составляет 0,924 мм с двухсторонней повторяемостью 69 мкм и средней ошибкой реверса 9 мкм. Для горизонтальной плоскости максимальное отклонение 0,17 мм с двухсторонней повторяемостью 113 мкм и средней ошибкой реверса 72 мкм (перерегулированность приводов).
\ \ ч
в . а ертикс. ориэон пь шаль
О 100 ДЮ зга 4СО 5<Ю 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Положение точки измерения [ми]
Рис. 8. График линейных отклонений робота от прямолинейной траектории при прямолинейном перемещении в горизонтальной (красный с точками) и вертикальной плоскости (синий)
Вдоль исследуемой оси проведено измерение точности позиционирования согласно ГОСТ ИСО 230-12010 (рис. 9).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Положение на оси [мм]
Рис. 9. График точности позиционирования робота при прямолинейном перемещении на всю длину рабочей зоны
Повторяемость позиционирования робота в среднем составляет 1 мкм, а максимальное зафиксированное отклонение при двух однонаправленных проходах: 3 мкм - получено при остановке после движения вдоль всей оси на скорости 5000 мм/мин.
Измерение проводилось по методике, представленной в работе [12]. Основная ее идея заключается в выполнении двунаправленного прохода с значительным шагом для определения зон с наибольшей погрешностью и последующим исследованием этой зоны с меньшим шагом. Однако для шарнирно-сочлененных роботов уменьшение шага измерения малоинформативно ввиду отсутствия внутришаговой погрешности и больших допусков на точность позиционирования руки.
После определения основной погрешности исследуемого робота как прогиб под собственным весом и весом переносимых грузов при исследовании этого эффекта на конкретном роботе применялась оптика для измерения прямолинейности, проводилось последовательное приложение и снятие нагрузки. Измерения проводились в пяти точках с различным вылетом центра запястья над центром основания. Результаты измерений приведены на рис. 10.
Рис. 10. График зависимости прогиба мобильной платформы промышленного робота
от вылета и нагрузки
Максимальная величина исследуемой нагрузки запястья робота значительно меньше максимально допустимой нагрузки по причине того, что кроме абсолютного веса существуют также ограничения по крутящему моменту 22,0 Н-м (2.2 кгсм) на последнюю поворотную ось и 44,0 Н-м (4,5 кгс-м) на четвертую поворотную ось, а также усилию захвата манипулятора.
V. Обсуждение результатов
Грузоподъемность исследуемого робота ЕЛЫПС М-201А с собственной массой 250 кг составляет 20 кг. Статистически значимые изменения точности вызывают изменения нагрузки в руке робота свыше 500 гр. В среднем повышение нагрузки на каждые 2,5 кг для промышленного робота, настроенного на нагрузку в 20 кг, вызывает снижение точности перемещений примерно на 10%. Иными словами, при переналадке ГПС на предельно разные по массе детали точность установки детали промышленным роботом в станок не снизится меньше чем на 0,25 мм. Это необходимо учитывать при обработке прецизионных деталей.
Основной погрешностью при отработке круговых траекторий схватом робота становится увеличение радиуса наилучшего соответствия вместе с рассогласованием шкал, связанные с провисанием запястья робота, несущего подвижную магнитную опору ЪаНЪат 'а. В некоторых измеряемых позициях можно было наблюдать близкое совпадение точки разворота траектории со значительным движением одной из поворотных осей промышленного робота. В таких ситуациях можно было наблюдать выбросы обратного хода (как правило, только в одном направлении) величиной вплоть до 0,15 мм при скорости перемещений 5500 мм/мин.
По результатам исследования зависимости точности перемещений робота от скорости подачи вдоль заданной траектории сделаны следующие наблюдения: при изменении подачи в диапазоне контурной подачи 1000-5000 мм/мин происходит снижение абсолютной величины рассогласования приводов и периодической циклической ошибки. При движении робота по прямой линии с заданной скоростью пути возникают флуктуации скорости пути: разность между минимальной и максимальной скоростями в моменте в размере ±5% (±300 мм/мин при скорости подачи 6000 мм/мин).
В каждой точке рабочей зоны имеется уникальное сочетание отклонений, обусловленное положением кинематических пар в пространстве. Анализируя картину отклонений, можно отметить значительную периодическую составляющую погрешности, а также увеличение отклонения от круглости при удалении проверяемого участка от основания робота.
При диагностике прибором Кетзкам Ва11Ъаг QC-20W в зоне, предельно близкой к концевым выключателям, замечены значительные колебания запястья робота, вызванные приближением к точке сингулярности, значительным вылетом и недостаточной шарнирной жесткостью. Их амплитуда была заметна невооруженным глазом и превысила 1,5 мм, что сделало невозможным использование прибора Ва11Ъаг, поскольку его доверительный интервал составляет ±1 мкм. Из этого можно сделать вывод, что работа, близкая к пределам концевого выключателя второй поворотной оси не должна быть связана с точными перемещениями и/или нагрузками. Так становятся невозможными или затруднительными компоновки гибких производственных систем с доработкой детали в захвате робота на периферии рабочей зоны. Существуют различные как программные, так и физические способы уменьшения подобных состояний [13].
Для исследования промышленных роботов с заявленной точностью позиционирования точнее 20 мкм оправдано использование лазерного интерферометра. Для промышленных роботов шарнирно -сочлененной кинематики и средних габаритов, выполняющих исключительно функцию смены заготовки с заявленной точностью в пределах 25...150 мкм применение лазерных трекеров допустимо и является более комфортным и оперативным способом диагностики.
VI. Выводы и заключение
По итогам исследования можно сделать следующие выводы.
1. Проведен анализ факторов, влияющих на точность промышленного робота шарнирной кинематики в составе гибких производственных модулей.
2. Наибольший вклад в неточность перемещений и позиционирования промышленного робота, а вместе с ним и в его функциональные возможности, вносят гравитационные деформации (провисание), шарнирные кинематические преобразования, фиксация с помощью аварийного тормоза. Для промышленных роботов характерна высокая повторяемость, поэтому ее контроль целесообразно производить лишь в особых случаях.
3. При переносе и настройке гибких производственных модулей наиболее целесообразно проведение измерений провисания руки манипулятора с помощью индикатора, контроль точности позиционирования и жесткости фиксации захвата манипулятора на требуемом вылете от основания. Данные проверки позволяют охватить наибольший объем погрешностей при минимальных затратах времени.
Список литературы
1. Klimchik A., Ambiehl A., Garnier S., Furet B., Pashkevich A. Experimental study of robotic-based machining // IFAC-PapersOnLine. 2016. Vol. 49-12. P. 174-179.
2. Семёнов Е. Н., Сидорова А. В., Беломестных А. С., Чапышев А. П. Эффективное зонирование рабочего пространства промышленного робота KUKA KR210 R2700 EXTRA // Вестник ИрГТУ. 2015. № 12 (107). С. 86-96.
3. ГОСТ Р ИСО 8373-2014. Роботы и робототехнические устройства: Термины и определения. Введ. 2016-01-01. М.: Стандартинформ, 2015. 20 с.
4. Аникеева О. В. Функциональная диагностика металлорежущих станков // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 5-1 (38). С. 106-112.
5. Баланев Н. В., Янов Р. А. Анализ факторов, влияющих на точность позиционирования промышленного робота и методы обеспечения заданной точности // Достижения науки и образования. 2016. №1 (2). С. 11-14.
6. Brüning J., Denkena B., Dittrich M. A. [et al.]. Simulation based Planning of Machining Processes with Industrial Robots // Procedia Manufacturing. 2016. Vol. 6. P. 17-24.
7. Mohnke C., Reinkober S., Uhlmann E. Constructive methods to reduce thermal influences on the accuracy of industrial robots // Procedia Manufacturing. 2019. Vol. 33. P. 19-268.
8. Sinaga N., Paryanto P., Widyanto S. A. [et al.]. An analysis of the effect of gravitational load on the energy consumption of industrial robots // Procedia CIRP. 2018. Vol. 78. P. 8-12. D0I:10.1016/j.procir.2018.09.043.
9. ГОСТ Р ИСО 230-1-2010. Испытания станков. Часть1. Методы измерения геометрических параметров. Введ. 2011-01-01. М.: Стандартинформ, 2011. 90 с.
10. ГОСТ ISO 230-4-2015. Методика испытания металлорежущих станков. Часть 4. Испытания на отклонения круговых траекторий для станков с ЧПУ. Введ. 2017-01-01. М.: Стандартинформ, 2016. 20 с.
11. Archenti A. [et al.]. A new method for circular testing of machine tools under loaded condition // Procedia CIRP. 2012. Vol. 1. P. 575-580.
12. Васильев Е. В., Назаров П. В., Кольцов А. Г., Блохин Д.А., Бугай И. А., Тотик М. А., Черных И. К. Калибровка осей экспериментального шлифовального станка с ЧПУ для контурной обработки пластин по задней поверхности с помощью лазерного интерферометра // Омский научный вестник. 2017. № 6 (156). С. 23-28.
13. Klimchik A., Wu Y., Caro S. [et al.]. Modelling of the gravity compensators in robotic manufacturing cells // IFAC Proceedings Volumes. 2013. Vol. 46, Iss. 9. P. 790-795. DOI: 10.3182/20130619-3-RU-3018.00054.
УДК 658.512.8, 004.942
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СБОРОЧНОГО ПРОЦЕССА SIMULATION MODELING OF THE ASSEMBLY PROCESS
И. В. Ревина, П. А. Витт
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
I. V. Revina, P. В. Vitt
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В статье разработаны модели, позволяющие имитировать выполнение сборочного процесса в условиях конвейерного производства. Технологический процесс сборочного производства является сложной системой, зависящей от ряда производственных факторов, таких как параметры и режимы работы оборудования, уровень квалификации рабочих, тип производства и др. Актуальность исследования - выявить узкие места в организации производственного процесса и ответить на вопрос «Что, если?» при рассмотрении различных моделей сборочного процесса. Цель работы - оценить влияние производственных факторов (количество операторов, рабочие параметры и тип конвейера, сбои в работе конвейера) на реализацию процесса сборки и экономически обосновать эффективность каждой модели сборочного процесса. Для моде-
