Članek KROKK d.o.o., ki je bil objavljen v revije IRT3000 št. 97


Programiranje robotov s programsko opremo SprutCAM

Predstava nove generacije offline programiranja industrijskih robotov z uporabo sodobne CAM programske opreme SprutCAM.

Čas branja
6 minut
  1. Industrijski roboti v sodobni industriji

Uporaba industrijskih robotov in robotizacija proizvodnje po celem svetu vsako leto vztrajno narašča. Povprečno je bilo po podatkih o pogostosti uporabe robotov v proizvodnji iz leta 2016, 74 enot na 10000 zaposlenih. V 20 državah po svetu je ta številka nadpovprečna. Na seznam se uvršča tudi Slovenija, ki s 137 roboti na 10000 ljudi zaseda eno izmed vodilnih mest v avtomatizaciji proizvodnjih linij. Roboti se največ uporabljajo za avtomatizacijo proizvodnje v avtomobilski, elektronski in kovinski industriji.

Najpogostejše področje uporabe robotov je izvrševanje ponavljajočih operacij na proizvodnih linijah, kot so: varjenje, paletizacija, barvanje, sestavljanje in podobno. Ponavadi roboti na teh linijah delajo ciklično po programu in izpolnjujejo ene in iste operacije ter s tem nadomeščajo rutinsko delo človeka. To omogoča maksimalno avtomatizacijo proizvodnega procesa, zmanjšanje faktorja človeških napak in maksimalno povečuje produktivnost. Z novejšo programsko nadgradnjo, kot je programska oprema SprutCAM, industrijske robote enostavno, hitro in varno (uporaba virtualne simulacije) prilagodimo trenutnim operacijam, ki so v dani situaciji v industriji potrebne. Na takšen način ne prihranimo le na času programiranja, ampak lahko robotsko roko, optimalno izkoristimo za več različnih delovnih operacij.

Poleg ponavljajočih operacij robote, zaradi 6 stopenjske svobode, lahko uporabimo tudi za zahtevna večosna gibanja vzdolž načrtovane poti in pri tem opravljajo katerokoli obdelavo, ki je bila prej lahko izvedena le na specialnih namenskih izdelanih strojih. To je sedaj uresničljivo predvsem zaradi večletne evolucije industrijskih robotov in krmilnikov. Industrijski roboti so postali bolj natančni, omogočajo pozicioniranje robota do nekaj stotink milimetra natančno. Prav tako so napredovali tudi krmilniki robotov, ki dovoljujejo krmiljenje več robotov istočasno in interpolacijo gibov robotskih sklepov z dodatnimi linearnimi ali rotacijskimi osmi. Vse to je odprlo pot za uporabo robotov v panogah, ki so bile do sedaj mogoče bolj rezervirana za CNC stroje, ali pa unikatno ročno delo.

2. Lastnosti industrijskih robotov pri obdelavi materialov

Trend uporabe industrijskih robotov za različne vrste obdelave materialov postaja vedno bolj popularen v svetovni industriji. Tukaj govorimo o uporabi robota pri ne serijski oz. unikatni obdelavi, kjer robotska obdelava izstopa iz povprecja in je vedno bolj popularna pri izbiri inženirjev. Torej, ko začenjamo govoriti o uporabi robota za posamezno obdelavo, pri kateri imamo pogosto različne oblike izdelkov, se kaj hitro pojavi potreba po stalnem programiranju ustreznega premikanja robota po prostoru in ustvarjenja delovnih gibov robotske roke. Na prvi pogled kompleksno premikanje robota poenostavi pravilna izbira 3D virtualnega programskega paketa, kot je SprutCAM, ki inženirju s preprostimi ukazi omogoča zanesljivo in varno upravljanje željenih gibov robotske roke.

V tem področju imajo roboti nekaj prednosti pred klasičnimi, kot tudi namenskimi CNC stroji in sicer:

– 6 stopenj svobode

– Velik delovni prostor

– Uporaba istega robota za prijem polizdelka in obdelavo izdelka

– Nižja cena

– Uporaba dodatnih rotacijskih in lineranih osi

Med proizvajalci robotov se je utrdilo prepričanje, da robotsko odrezovanje ne more zamenjati 3 ali več osne obdelovalne centre, vendar se pojavljajo potrebe, kjer bi lahko robotsko obdelavo uporabili kot alternativo za nekovinske materiale, kot tudi lažje obdelovalne kovine, odvisno od trdote materiala, zahtevanega stanja površine in kompleksnosti kosa. Veliko oviro je dolgo časa predstavljala slaba programska podpora za načrtovanje obdelave, kjer pa je SprutCAM, s svojim inovativnim pristopom zadevo popolnoma spremenil in zasnoval programski paket, ki na osnovi osnovnih vnesenih podatkov s pomočjo algoritmov preračuna optimalne željene poti orodja.

Robotske mehanske obdelave so bile sprva uspešno vpeljane v aplikacije končne obdelave (brušenje in poliranje). Eden od razlogov za to je stopnja odvzemanja materiala (ang. material removal rate – MRR) pri frezanju, saj je potrebno odstraniti več materiala, kar povzroča večje obremenitve robotske roke, a ta zaradi omejene togosti ne zagotavlja zahtevane natančnosti obdelave. Na ponovljivost, togost in s tem natančnost, vpliva tudi območje dela. Pri večji razdalji od baze je ponovljivost slabša, znaša lahko tudi do ± 0,08 mm, kar je dovolj za srednje in manj natančne obdelave.

Poglavitne prednosti industrijskih robotov pred CNC stroji

  • Cena stroja je nižja za enako delovno območje: roboti pokrivajo veliko delovno območje, zato so v primerjavi z velikimi 5-osnimi obdelovalnimi stroji, ki se pogosto uporabljajo za obdelavo kalupov, ugodnejši. Če vzamemo za primer CNC obdelovalni stroj za omenjene namene s ceno 500.000,00 €, robotska celica s primerljivim delovnim območjem pa lahko stane zgolj 125.000,00 €. Povprečna razlika, ki jo lahko pričakujemo je od 2 do 5 krat.

  • Industrijski roboti imajo tipično 6 prostostnih stopenj, kar pomeni, da lahko dosežejo področja, ki jih na 5-osnem CNC stroju mogoče ne bi bilo možno doseči. Vpenjanje obdelovanca na rotacijsko mizo nam omogoča dodatno prostostno stopnjo, robota pa lahko tudi montiramo na linearno vodilo, s katerim pridobimo še osmo prostostno stopnjo.

  • Mehanska zasnova z relativno malo gibljivih delov zmanjša pogostost okvar. Roboti so skonstruirani za neprekinjeno obratovanje, povprečni čas med dvema izpadoma lahko znaša tudi do 60000 ur.

  • Enak princip, kot se uporablja za vpenjanje in izpenjanje obdelovancev na CNC obdelovalnih strojih, lahko uporabimo tudi pri robotskem frezanju. Pripravljalno-zaključni čas operacij se lahko bistveno zmanjša z dodatnim robotom za manipulacijo obdelovancev.

Z izkoriščanjem potencialov 5-osne simultane tehnologije, ki jo ponujajo CNC obdelovalni frezalni stroji, dandanes uporabljamo za izdelavo najzahtevnejših delov v orodjarski industriji. Le ti predstavljajo cenovno veliko dražjo različico proti navadnim 3-osnim frezalnim strojem, predvsem pa se cene 5-osnih frezalnih strojev eksponentno povečajo, ko nastane potreba po večjem delovnem območju.

Vsak industrijski robot ponuja možnost nadgradnje namestitve vretenskega motorja (špindla), kjer lahko zelo hitro in z majhnim denarnim vložkom dobimo soliden tako imenovani 5-osni frezalni stroj z natančnostjo do 0,1mm (odvisno od tipa in velikosti robotske roke). S takšno potezo, robotsko roko, ki ste jo dosedaj uporabljali zgolj za manipulacijo izdelkov v vašem podjetju, z manjšo nadgradnjo pričnete uporabljati, npr. za izdelavo kalupov karbonskih izdelkov in ohišij.

V preglednici so prikazana področja uporabe robotov, kjer se je aplikacija, z uporabo CAM programske opreme vodenja robotov pokazala za ekonomsko ugodno ter ustrezo rešitev končnih izdelkov.

 

Segment izdelkov

Postopek obdelave

Vrsta izdelkov

vsi segmenti

frezanje

hitra izdelava prototipov

letalska industrija

brušenje, poliranje, vrtanje, rezanje

turbinske lopatice, izolacija, segmenti kril

avtomobilska industrija

raziglenje, brušenje, vrtanje, frezanje, varjenje, barvanje, laserski obrezi

motorji, ohišja tovornjakov, odbijači, stiroporna jedra za litje v pesku, karoserija

modna industrija

frezanje, brušenje

orodja za lutke

livarska industrija

raziglenje, frezanje, vrtanje, fine obdelave

utopi, odlitki

navtična industrija

frezanje

trupi bark

industrija medicinske opreme

brušenje, poliranje

protetika

filmska industrija

frezanje

izdelava scenske opreme

lesna industrija

frezanje

obrez pohištva

 

3. Praktični aplikacije uporabe SprutCAM programa

Programski paket SprutCAM je bil kot zelo uporabno orodje prepoznan tudi na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani (Laboratorij za odrezavanje LABOD in laboratorij za varjenje LAVAR). Tako že nekaj let sodelujemo pri različnih projektih, ki so tako raziskovalne kot industrijske narave. Na slikah so tako prikazane različne aplikacije uporabe robotov s SprutCAM programsko opremo.

 

  1. SprutCAM programiranje robotov

Podjetje SPRUT Technology se že več kot 25 let ukvarja z razvojem CAM programske opreme imenovane SprutCAM. Ena od poglavitnih lastnosti programske opreme je enostavnost uporabe in garantirano zanesljivo delo z industrijskimi roboti.

Kot večnamenska CAM programska oprema SprutCAM, vsebuje veliko število strategij za kakršnokoli vrsto obdelave. Prav tako ima SprutCAM edinstvene strategije dodajalne tehnologije ( t.i. 3D printanje).

Z uporabo različnih strategij obdelave, ki jih ima programer na voljo, lahko zelo hitro ustvarja potrebne trajektorije gibanja orodja. SprutCAM, ki temelji na dejanski kinematiki robota, lahko izračuna položaj in usmerjenost orodja v vsaki točki. Podrobna simulacija omogoča modeliranje dejanskega obnašanja robota, izogibanje morebitnih kolizij in ogled rezultata virtualne obdelave. Programska orodja za optimizacijo položaja sklepov robota tako omogočajo ugotavljanje optimalnega položaja na najboljši način.

SprutCAM nam omogoča tudi izbiro med naborom grobih in finih obdelav ter dodajalnih postopkov. Za vsako obdelavo, ki je vključena v izdelovalni postopek, je potrebno določiti strategjio obdelave (smer obdelave, orientacijo orodja, izbiro trajektorije gibanja, vhod in izhod iz delovnih gibov, omejitve zasukov osi …) in parametre obdelave (hitrost podajalnega gibanja, hitrost hitrih gibov, hitrost vrtenja glavnega vretena, globino obdelave …). Z izbranimi nastavitvami lahko nato opravimo simulacijo, s katero v virtualnem okolju vizualno preverimo delovanje med obdelavo, program pa nam prikaže možne napake, ki bi se lahko pojavljale med dejansko obdelavo. Modul s strojno simulacijo vsebuje naslednje uporabne funkcije, in sicer:

  • samodejno priporočanje optimalne poti gibanja robota,
  • prikaz simulacije, ki temelji na realnem modelu kinematike robota,
  • uporabo dodatnih osi,
  • simulacijo odstranjevanja in dodajanja materiala,
  • zaznavanje trkov,
  • možnost detajlnega korigiranja trajektorij poti orodja.

Optimizacija gibanja robotske roke in izogibanje napakam, kot so singularnost osi ter kolizije, je omogočena z omejevanjem območja, znotraj katerega se stroj lahko premika, z določanjem varnega območja in nastavljanjem omejitev zasuka šeste osi. Ko je obdelava pripravljena, je potrebno s pomočjo postprocesorja generirati NC kodo, ki je prilagojena krmilniku robota.

Ustvarjanje trajektorije gibanja orodja za robota se kaj kmalu izkaže za zelo podoben postopek programiranja, kot se to počne na klasičnih CNC strojih. S tem je programski paket SprutCAM želel približati rokovanje z roboti inženirjem in tehnologom, kateri imajo izkušnje z drugimi CAM programi.

SprutCAM ima podporo večine znanih proizvajalcev robotov. Pripravljeni so temeljni kinematični modeli in postprocesorji. Številni primeri modelov robotov in CNC strojev so na voljo v knjižnici strojev že ob prvi DEMO inštalaciji programa. Za zagon programske opreme pri enostavnejših robotskih celicah potrebujemo le nekaj ur ob našem prvem obisku. V primeru, da imate robotsko roko drugega proizvajalca in ga ni na spodnjem seznamu, z veseljem pripravimo podporo tudi za katerega koli drugega robota.

ABB KUKA Yaskawa Fanuc Hzundai Staubli