Исследование влияния коэффициента усиления в канале управления скоростью движения робота на технологические свойства робототехнического комплекса механической обработки кромок деталей

УДК 621.923.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ В КАНАЛЕ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ РОБОТА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРОМОК ДЕТАЛЕЙ

© А.С. Беломестных1, А.В. Иванова2, А.П. Чапышев3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты исследования влияния коэффициента усиления в канале управления скоростью движения робота по заданной оси на технологические свойства робототехнического комплекса механической обработки кромок деталей. Предлагаемый метод основан на варьировании двух параметров: коэффициента усиления и подачи по оси Y с целью оценки их комплексного влияния на характер силовых взаимодействий детали и инструмента, а также на качество обработки. По результатам исследования выявлен оптимальный коэффициент усиления в канале управления скоростью движения робота по заданной оси на эксплуатационные характеристики робототехнического комплекса механической обработки кромок деталей. Сформулированы необходимые практические рекомендации по настройке коэффициента KR.

Ключевые слова: промышленный робот; финишная обработка; коэффициент усиления; силомоментный датчик.

STUDYING GAIN FACTOR EFFECT IN ROBOT SPEED CONTROL CHANNEL ON TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF ROBOTIC SYSTEMS FOR PART EDGE MACHINING A.S. Belomestnykh, A.V. Ivanova, A.P. Chapyshev

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the results of studying a gain factor effect in the speed control channel of a robot following a specified axis on the technological properties of a robotic complex for part edges machining. The proposed method is based on the variation of two parameters: the gain factor and Y axis feed in order to estimate their combined effect on the nature of the force interactions of a part and a tool, as well as on machining quality. The study results allowed to reveal an optimum gain factor in the speed control channel of a robot following a specified axis on the performance of the robotic system for part edge machining. Necessary practical recommendations on setting a KR coefficient are given. Keywords: industrial robot; finish machining; gain factor; force/torque sensor.

При механической обработке на деталях остаются заусенцы, которые должны быть удалены. С целью увеличения производительности финишной обработки в условиях серийного производства может быть использован ряд традиционных и перспективных методов. Среди последних следует отметить виброабразивную обработку, отделку вращающимися абразивными щетками и обработку на робототехническом комплексе [4].

Под ограничения виброабразивной обработки и отделки вращающимися абра-

зивными щетками подпадают крупногабаритные детали каркаса более 3 м, а также детали, имеющие перепады высот ребер более 20 мм.

В настоящее время единственно возможным методом обработки кромок таких деталей является ручная слесарная доводка, в которой имеется ряд недостатков: низкая производительность, возникновение зарезов и перешлифовок, влияние человеческого фактора и т.д. [4].

Для решения данной проблемы при

1Беломестных Александр Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации авиамашиностроения, тел.: 89641171354, e-mail: berkut1@mail.ru

Belomestnykh Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Equipment and Automation of Aircraft Engineering, tel.: 89641171354, e-mail: berkut1@mail.ru

2Иванова Алена Владимировна, аспирант, тел.: 89501321663, e-mail: alena91@istu.edu Ivanova Alena, Postgraduate, tel.: 89501321663, e-mail: alena91@istu.edu

3Чапышев Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации авиамашиностроения, тел.: 89148887106, e-mail: chapyshev_ap@irkut.ru

Chapyshev Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Equipment and Automation of Aircraft Engineering, tel.: 89148887106, e-mail: chapyshev_ap@irkut.ru

удалении заусенцев с типовых авиационных деталей предлагается использовать робото-технический комплекс (РТК).

Важным настроечным параметром в работе комплекса является коэффициент усиления (KR), исследование влияния этого параметра на технологические свойства РТК механообработки ранее не проводилось. Таким образом, исследование зависимости эксплуатационных свойств РТК от коэффициента KR является новым и актуальным.

В данной статье приведены результаты исследований по изучению влияния коэффициента усиления в канале управления скоростью движения робота по заданной оси (оси Х) на эксплуатационные характеристики робототехнического комплекса механической обработки кромок деталей.

Метод исследования. Обработка кромок деталей на РТК может быть выполнена как лезвийным, так и абразивным (в том числе и эластичным) вращающимся инструментом [2]. В данном эксперименте инструмент устанавливался в шпиндель Colombo RC90, пространственное положение которого регулировалось программным способом (рис. 1). Частота вращения шпинделя в данном эксперименте не изменялась и составляла 2000 об/мин.

Исследование проводилось на робо-тотехническом комплексе финишной обработки на базе робота Kuka KR210 R2700. Механическая обработка образцов (марка материала В95-ПЧТ2) осуществлялась цилиндрической борфрезой Garant 010 мм (рис. 2).

Негативное влияние отклонения пространственного положения обрабатываемых кромок (например, вследствие коробления детали) на точность обработки нивелировано посредством использования силового датчика ForceTorqueControl 3.0, расположенного в «запястье» робота [1, 5]. Постоянство геометрии и качество поверхности обрабатываемой кромки определяются величиной коэффициента усиления в канале коррекции траектории движения KR. Анализ влияния коэффициента усиления на эксплуатационные свойства осуществлялся при фиксированной величине силы по оси - 5 Н. Характер влияния коэффициента усиления на скорость коррекционного движения робота продемонстрирован в примере ниже.

Рис. 1. Схема расположения узлов: 1- робот Kuka; 2 - силомоментный датчик Kuka. ForceTorqueControl 3.0; 3 - электрический шпиндель Colombo RC90; 4 - цилиндрическая

борфреза; 5 - заготовка_

Рис. 2. Цилиндрическая борфреза Garan, 010 мм

Установленная контролируемая сила: FDef=5 К

Коэффициент обратной связи: ^=0,5 (мм/с)/Н.

Тогда при измеренном датчиком мгновенном значении силы в референтой системе координат (RCS): FRCS=12 Н разница между измеренной силой и установленной силой FDef:

FDiff=FRCS-FDef=12 H - 5 H=7 К

Рассчитанная контроллером величина скорости коррекционного движения по оси X составит:

Sx=FDiff №7 Н 0,5 (мм/с)/Н=3,5 мм/с.

Как следует из вышеприведенного примера, величина подачи по оси X определяется динамическими взаимодействиями в зоне резания и коэффициентом KR.

В эксперименте проводилось варьирование по двум параметрам: коэффициенту усиления (KR) и подаче по оси Y (Sy), за информативную характеристику было принято усилие по оси Х (Fx) [3].

Коэффициент KR варьировался в пределах от 0,01 до 1, каждое последующее значение увеличивалось в два раза по отношению к предыдущему. Итого - 8 значений коэффициента. Подача выбиралась от минимально возможной - 1 мм/с до максимально возможной - 2000 мм/с. Подача увеличивалась на 25% от предыдущей (итого - 24 варианта).

Движение инструмента осуществлялось по прямой линии вдоль кромки изделия по запрограммированной заранее траектории посредством обучения робота по точкам (рис. 3). В точке P1 включается приложение силомоментного датчика Make contact для поиска нужного усилия в заданном направлении. Как только система управления фиксирует требуемую силу (обнаруживается контакт), он останавливается. Затем запускается следующее приложение силомоментного датчика Tracking motion, обеспечивающее перемещение инструмента в точку Р2 с постоянно поддерживаемым усилием по оси X. По достижении точки Р2 робот отходит от заготовки в точку Р3.

Рис. 3. Схема движения робота

Для определения параметров шероховатости обработанной поверхности использовался контактный профилометр Taylor Hobson Form Talysurf PGI 1240, исследуемые параметры шероховатости Ra и Rz измерялись по всей длине образца.

Во время работы приложений Make contact, Tracking motion осуществлялась запись текущих значений сил и моментов по осям X, Y, Z (по сигналам датчика ForceTorqueControl 3.0). Пример силомо-ментных графиков приведен на рис. 4.

Данные графики являются характеристикой силового взаимодействия и в основном определяются параметрами приводов управления степенями подвижности робота. При этом несколько увеличенная амплитуда колебаний силы Fx=1,5 Н по сравнению с амплитудами колебаний сил Fy и Fz объясняется повышенной чувствительностью датчика по данной координате.

Рис. 4. Графики зависимости сил по осям X, Y, Z от времени

При включении программы Tracking motion происходит силовой скачок, связанный с врезанием инструмента в материал детали. В дальнейшем в процессе движения фрезы по заданной траектории осуществляется постоянный контроль сил резания и коррекция положения инструмента по оси X. Значения сил и моментов в процессе обработки, как следует из рис. 4, изменяются. Это связано, прежде всего, с неровностью исходного профиля детали, работой приводов робота, а также функционированием дополнительного алгоритма коррекции движения робота по оси Х. Кроме того, на работу системы будут оказывать помехи, наводимые в сенсорном канале. Они могут быть визуально обнаружены на развертке сигнала в режиме Make contact, а также в конечной части силовой диаграммы (рис. 4). Очевидно, что влияние данных помех будет проявляться тем значительнее, чем больше величина KR.

Предполагается, что максимальные значения силы Fx будут связаны со значительным врезанием инструмента в материал детали, большие перепады высот смежных волн на силовой диаграмме будут приводить к появлению макронеровностей - гребешков. Учитывая кинематику процесса фрезерования, окончательный профиль детали будет определяться огибающей графика Fx. Основной настроечной характеристикой системы коррекции положения инструмента явля-

ется коэффициент Ш, исследование влияния которого на вид и свойства силовой диаграммы является технологической основой разработки эффективных режимов резания, обеспечивающих требуемое качество обработки (шероховатость, волнистость, минимизацию зарезов, размеры гребешков) при реализации требуемой (максимально высокой) производительности.

Результаты исследования. По итогам проведения серии натурных испытаний (обработки деталей с различным сочетанием режимных параметров с применением РТК) получен рабочий массив из 104-х временных трендов сил и моментов. По результатам данного эксперимента определено несколько вариаций с перспективными настройками комплекса, а также область нестабильного функционирования системы.

При коэффициентах Ш, равных 0,01; 0,02; 0,05; 0,1, фрезерование происходило стабильно, все варьируемые значения подачи были отработаны, больших перепадов амплитуд не наблюдалось, зарезы были несущественные, но амплитуда графика силы Fx имела разные значения, как показано на рис. 5, что приводило к варьированию качества обработанной поверхности и глубины резания. При повышении сил наблюдался рост снимаемого припуска, увеличение размера фаски детали.

(W

к д

в г

Рис. 5. График зависимости силы от времени при различных коэффициентах: а - 0,01 (мм/с)/Н; б - ^=0,02 (мм/с)/Н; в - ^=0,05 (мм/с)/Н; г - т=0,1(мм/с)/Н

б

а

Как видно из рис. 5, максимальная амплитуда наблюдалась при коэффициентах KR=0,01 (мм/с)/Н и KR=0,02 (мм/с)/Н. Но при этом среднее значение амплитуды 9,875 при KR=0,01 (мм/с)/Н, а при KR=0,02 (мм/с)/Н среднее значение амплитуды 9,077. При увеличении коэффициента до KR=0,05 (мм/с)/Н и KR=0,1 (мм/с)/Н максимальная амплитуда заметно уменьшилась до 9 Н, а среднее значение амплитуды составило 7,85 и 7,5 соответственно.

Экспериментально установлено, что при малых значениях KR, как показано на рис. 6, в начальной стадии отработки цикла Tracking motion после врезания наблюдаются линейные тренды уменьшения средних значений амплитуд силы Fx, приводящих к формированию участков с характерным изменением профиля (короткие участки с нестабильной глубиной резания - за-резы). Размер этих участков сокращается с увеличением KR.

Кроме того, следует отметить наличие протяженных участков с постепенным увеличением средней амплитуды колебаний Fx (рис. 7), следствием чего являются

монотонные медленные изменения (рост) размеров фаски детали на протяжении всей обработки (рис. 8). Как видно из рис. 8 постепенное увеличение силы привело к погрешности формы изделия на величину 0,9 мм.

Рис. 6. Начальный фрагмент силовой диаграммы при КЯ=0,01

Таким образом, в целях повышения качества обработки следует рекомендовать увеличенные значения Ш, что должно обеспечить снижение макронеровностей, уменьшение зарезов, стабильность геометрии.

Рис. 7. Силовая диаграмма при KR=0,01

Л

\ I.

Рис. 8. Обработанная поверхность фаски при KR=0,01

Однако при дальнейшем увеличении коэффициента усиления проявились существенные особенности. Например, при ^=0,5 (мм/с)/Н, подаче 1 мм/с амплитуда колебаний составила 2 Н (рис. 9, а), а при ^=1 (мм/с)/Н, подаче 1 мм/с амплитуда возросла до 4 Н (рис. 9, б). Данный эффект связан с ростом скорости перемещения инструмента по оси Х и, как следствие, увеличением динамических нагрузок в системе. Кроме того, рост Ш приводит к пропорциональному усилению помех в информационном канале, следовательно, к увеличению мгновенных значений подачи по оси Х и повышению сил резания.

При повышении подачи по оси Y на больших коэффициентах ^ колебания возникали с такой силой, что превышали максимально допустимую нагрузку. При коэффициенте ^=0,5 (мм/с)/Н и подаче 10 мм/с возникла перегрузка по моменту Ty и составила более 15 Н м (рис. 10, а), при коэффициенте ^=1 (мм/с)/Н и подаче 5 мм/с так же произошла перегрузка по моменту Ty (рис. 10, б).

Вследствие этого при коэффициенте усиления 0,5 (мм/с)/Н и 1 (мм/с)/Н не удалось выполнить варьирование по всем значениям подачи (фрезерование аварийно

прерывалось в связи с превышением значений динамических нагрузок предельно допустимых уровней).

Стоит отметить, что при работе с коэффициентами KR=0,5 (мм/с)/Н и KR=1 (мм/с)/Н при движении по программе Tracking motion не происходил силовой скачок, связанный с врезанием инструмента в материал детали, и тем самым образовывались зарезы, выходящие за поле допуска (рис. 11).

При определении параметров шероховатости образцов на профилометре Taylor Hobson Form Talysurf PGI 1240 получили график профиля обработанных фасок (рис. 12), в местах, где наблюдаются резкие скачки профиля (риски), можно судить о проявлении макронеровностей или гребешков (рис. 13).

Гребешки существенно снижают качество обработки и эксплуатационные характеристики готового изделия. Коэффициент KR и подача по оси Y оказывают значительное влияние на высоту и шаг данных макронеровностей. Однако найденные зависимости имеют нелинейный характер, что обусловливает необходимость проведения дополнительных исследований.

а б

Рис. 9. График зависимости силы от времени при различных коэффициентах: а - ^=0,5 (мм/с)/Н; б - ^=1 (мм/с)/Н

а б

Рис. 10. График зависимости силы от времени при различных коэффициентах: а - ^=0,5 (мм/с)/Н; б - ^=1 (мм/с)/Н

а б

Рис. 11. Зарезы, образовавшиеся при движении Tracking motion: а - KR=0,5 (мм/с)/Н; б - KR=1 (мм/с)/Н

Рис. 12. График профиля обработанной поверхности

Рис. 13. Образование макронеровностей

Для оценки влияния Ш на шероховатость обработанной поверхности проведен анализ высотных параметров микрорельефа. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что с увеличением коэффициента усиления происходит повышение качества обработки (уменьшаются Ra и Rz).

Анализ возможностей управления качеством обработки продемонстрировал необходимость снижения уровня шумов, не позволяющих в настоящее время использовать значения ^ более 0,5. При этом

наилучший результат обработки был достигнут при коэффициенте усиления ^=0,5 (мм/с)/Н и подаче 1 мм/с. При данных параметрах наблюдается наименьший перепад амплитуд силовых взаимодействий и, таким образом, достигнута минимальная погрешность формирования линейного профиля обрабатываемой детали и удовлетворительные показатели шероховатости. Другим перспективным направлением повышения качества и производительности финишной обработки с применением РТК следует признать увеличение

частоты вращения шпинделя до 20-25 тыс. об/мин. Это предполагает проведение специальных мероприятий по балансировке инструмента и применению высокоскоростного шпинделя с минимальным радиальным биением.

Итак, оценивая работу, можно сделать выводы. В результате исследований по изучению влияния коэффициента усиления в канале управления скоростью движения робота на эксплуатационные характеристики робототехнического комплекса механической обработки кромок деталей выявлены следующие эффекты:

- Качество обработки поверхности детали фрезерованием с применением РТК (микрогеометрия, зарезы, волнистость, размеры гребешков) обусловлено как свойствами поверхности заготовки, так и параметрами силового взаимодействия детали с режущим инструментом.

- Коэффициент Ш оказывает существенное нелинейное влияние на качество обработки.

- При небольших значениях подачи (до 0,2 мм/с) в целях сокращения амплитуды колебаний силы резания (для повышения качества и стабильности обработки) следует повышать коэффициент Ш до 0,5 (мм/с)/Н.

- Повышение подачи более 0,5 мм/с при небольших коэффициентах Ш<0,2 приводит к увеличению силовых взаимодействий в системе, росту припуска, при этом качество обработки - удовлетворительное.

- Для больших подач (>1 мм/с), что с точки зрения требований к производительности РТК наиболее выгодно, необходимо использовать более высокий коэф-

фициент усиления (выше 0,5), но на данных режимах проявляются перегрузки по моменту, что не позволяет проводить обработку в полном объеме. Вероятно, это связано с наличием шумов в спектре сигнала с силомоментного датчика, а также с дисбалансом инструмента и шпинделя.

- При низких подачах и малой величине коэффициента ^ наблюдается эффект монотонного роста сил резания, что приводит к погрешностям формы изделия (нестабильности глубины резания и размера фаски).

- Для уменьшения линейных размеров зарезов следует повышать

- Увеличение ^ в допустимых пределах позволяет повышать качество обработки (уменьшать Ra и Rz).

- При исследовании микропрофиля обработанных поверхностей установлено наличие макронеровностей (гребешков), что требует дальнейшего изучения с целью минимизации их размеров при фрезеровании.

Представленная в данной статье работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках комплексного проекта 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Статья поступила 06.04.2015 г.

Библиографический список

1. Воротников С.А., Солдатов А.В. Интеллектуальный силомоментный датчик для задач промышленной и экстремальной робототехники. М.: Изд-во ИПУ РАН, 2012. С. 70-77.

2. Димов Ю.В. Перспективы использования лепестковых кругов при изготовлении деталей самолета // Повышение эффективности технологических процессов в машиностроении. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. С. 3-10.

3. Кольцов В.П., Стародубцева Д.А., Козырева М.В. Анализ зависимостей съема и шероховатости по-

верхности детали при обработке лепестковыми кругами по результатам факторного эксперимента // Вестник ИрГТУ. 2015. № 1 (96). С. 32-41.

4. Чапышев А.П., Иванова А.В., Крючкин А.В. Технологические возможности процессов механизированной финишной обработки деталей // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. № 1. Т. 16.

5. Krantz M., Andersson R., Robotized Polishing and Deburring with Force Feedback, University West, Department of Engineering Science, S-461, Sweden, 2010. 48 р.