Pięcioosiowa frezarka na bazie robota równoległego

Tytuł projektu:

Pięcioosiowa frezarka na bazie robota równoległego

Numer projektu:

NR 03 0070 10

Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju
w ramach X Konkursu Projektów Badawczych Rozwojowych

Projekt realizowany przez:

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki

Kierownik projektu: dr hab. inż. Maciej Petko

Streszczenie projektu:

Rozwój wzornictwa przemysłowego oraz technik modelowania konstrukcji spowodował, że współcześnie projektowane wyroby cechują się dużą złożonością formy przestrzennej. Taki stan rzeczy pociąga za sobą konieczność wytwarzania matryc, form i innych elementów oprzyrządowania technologicznego, które posiadają powierzchnie o złożonym kształcie przestrzennym. Konieczność obróbki takich powierzchni wymusiła rozwój narzędzi skrawających, technik obróbkowych (HSM) oraz obrabiarek (manipulatory równoległe). Znane są w świecie takie konstrukcje, w których na przykład platformę Stewarda wykorzystuje się jako suport we frezarce. Do robotów równoległych mocowane też są elektrowrzeciona, przez co uzyskuje się obrabiarkę klasy HSM (High Speed Machining) posiadającą możliwość wykonywania złożonych ruchów przestrzennych. Jednak struktura kinematyczna oraz sama konstrukcja takich platform jest bardzo złożona, co podnosi ich koszty, utrudnia precyzyjną generację trajektorii, dokładne sterowanie i integrację z programami CAD/CAM, a przez to ogranicza zastosowania. Innymi przyczynami, dla których zastosowanie tych rozwiązań jest ograniczone, jest zależność sztywności konstrukcji od położenia oraz wymagające obliczeniowo sterowanie i generowanie trajektorii (interpolacja). Najprostszym pod względem konstrukcyjnym manipulatorem równoległym jest manipulator typu tripod. Prototyp robota do frezowania z manipulatorem takiego typu, o trzech translacyjnych stopniach swobody, wyposażonego w elektrowrzeciono HSM wykonano w Katedrze Robotyki i Mechatroniki Akademii Górniczo-Hutniczej. Oryginalna konstrukcja, będąca przedmiotem jednego udzielonego patentu i dwóch dalszych zgłoszeń patentowych, pozwoliła na uzyskanie szybkich ruchów w dużej przestrzeni roboczej z dostateczną obciążalnością i wibrostabilnością, osiągniętą dzięki kompensacji charakterystyk dynamicznych poprzez odpowiednie sterowanie. Opracowany moduł translacji kodu NC i generacji, na jego podstawie, trajektorii dla robota dał urządzeniu funkcjonalność 2,5 osiowej frezarki numerycznej CNC. Robot ten otrzymał srebrny medal Międzynarodowej Wystawy Wynalazków IWIS 2008, medal w konkursie ‚Innowacje 2008’, oraz dyplom Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w 2009 r. W ramach projektu konstrukcja robota zostanie rozbudowana o dwa dodatkowe, rotacyjne stopnie swobody w uchwycie przedmiotu obrabianego, tak aby uzyskać pięć stopni swobody. Elektrowrzeciono zostanie zamienione na nowszego typu, pozwalające na zmniejszenie ramienia, na którym siły skrawające oddziałują na manipulator, a przez to zmniejszenie momentów skręcających w ramionach, których nie można kompensować przez sterowanie. Zwiększy to dokładność obróbki. Moduł translacji kodu NC i generacji trajektorii zostanie rozbudowany tak, aby obsługiwał pięć osi i przystosowany do pracy w czasie rzeczywistym. Ze względu na wysokie wymagania obliczeniowe i częstotliwość próbkowania algorytmy sterowania i generacji trajektorii zostaną zaimplementowane w sposób programowo-sprzętowy w sterowniku opartym na nowoczesnych programowalnych układach logicznych FPGA. Zapewni to wysoki stopień integracji, niezawodności i szybkości działania. Opracowane zostaną moduły programowe (postprocesory) integrujące urządzenie z wybranym programem CAD/CAM. W efekcie, na bazie robota równoległego, powstanie urządzenie o funkcjonalności pięcioosiowej frezarki CNC klasy HSM. Osiągnięta funkcjonalność i jakość frezowania zostanie zbadana eksperymentalnie. Wynikiem pracy będzie działający prototyp. Wyniki będą prezentowane na konferencjach oraz publikowane w czasopismach krajowych i zagranicznych.

Zadania:

1. Opracowanie założeń konstrukcyjnych z analizą sposobów ich realizacji
2. Synteza kinematyki i projekt konstrukcji manipulatora z uchwytami elektrowrzeciona i przedmiotu obrabianego
3. Modelowanie i badania symulacyjne modeli manipulatora z narzędziami
4. Synteza i wirtualne prototypowanie sterowania robotem
5. Weryfikacja eksperymentalna modeli manipulatora na wykonanym prototypie
6. Szybkie prototypowanie sterowania robotem
7. Analiza wibrostabilności robota pracującego jako obrabiarka
8. Opracowanie algorytmów generacji w czasie rzeczywistym trajektorii robota z kodu NC
9. Opracowanie modułów integrujących wybrany program CAD/CAM z robotem
10. Implementacja opracowanych algorytmów sterowania i generacji trajektorii w oparciu o programowalne scalone układy logiczne FPGA
11. Badania eksperymentalne osiągniętej jakości sterowania