spsks.cz Část první - Teorie Technologie řízení robotického ramena Zpracováno v rámci projektu CZ.1.07/3,2, 10/ financovaného z fondů EU

Transkript

1 Část první - Teorie Technologie řízení robotického ramena Zpracováno v rámci projektu CZ.1.07/3,2, 10/ financovaného z fondů EU

2 kapitola 1 kapitola 2, 7, 12 kapitola 3, 8, 13 kapitola4, 9, 14 kapitola 5, 10, 15 Obsah 1 Úvod Obrábění kamene Nástroje pro obrábění kamene CNC G code Výběr instrukcí G-kódu Základy CAx technologií, implementace CAM v kontextu výrobního procesu CAM CAD/CAM Tebis Roboty Definice průmyslového robota Historie Základní ovládání Ovládání robota Ruční pohyb Programové pohyby robota Aproximace Singularita Programy robota Simulace KUKA.CAMRob Pracovní prostředí Práce s CNC souborem Shrnutí Citace

3 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3, 8, 13 kapitola4, 9, 14 kapitola 5, 10, 15 1 Úvod Obráběni pomocí robotů je mladou disciplínou v tradičním světě obrábění a opracovávání materiálů. Tato větev obráběcích strojů, dnes velmi progresivně se rozvíjející, se začala velmi intenzivně rozvíjet na přelomu 21. století. Hlavními příčinami rozvoje jsou stále se zlepšující přesnost a tuhost robotů, snadná automatizace, prostorová variabilita pracovišť, nízká cena ve srovnání s obráběcími centry a možnost pětiosého obrábění již v základní konfiguraci. Zprvu byly roboty nasazovány pouze na lehké práce, jako je ořez plastových dílů, výrobky z polystyrenu a měkkých hmot. Zejména v Itálii a Španělsku se začínají objevovat první roboty pro obrábění kamene. S rozvojem těchto aplikací již začínají vznikat i specializovaná vřetena a nástroje určené pro robotické aplikace. Tato publikace si klade za cíl čtenáře seznámit se základními pojmy a postupy používanými při obrábění pomocí robotů. Obr. 1 Obrábění pomocí robota [1,2] 3

4 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola4, 9, 14 kapitola 5, 10, 15 2 Obrábění kamene V běžném užíváni a v umění se uplatňuje mnoho druhů kamene, které se liší nejen svými estetickými, ale i mechanickými vlastnostmi. Na rozdíl od standardních materiálů, které se používaných ve stavebnictví a strojírenství, je významnou vlastností kamene nehomogenita materiálu, která ovlivňuje strojové opracování. Z tohoto důvodu je proces obrábění kamene velmi komplexní problém závislý na mnoha proměnných. V rámci stanovení technologie a jejich parametrů musíme vždy vycházet z požadavků na ekonomičnost výroby, opotřebení nástrojů a požadovanou kvalitu výrobku, obr. 2. Optimální řešení lze nalézt pouze při detailní znalosti obrábění, materiálů a parametrů ovlivňujících řezný proces. Obr. 2 Parametry ovlivňující řezný proces kamene [6] 4

5 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola4, 9, 14 kapitola 5, 10, 15 Proces obrábění kamene je v principu odbrušování kamene pomocí mnohobřitých nástrojů, vytvořených z diamantových zrn brusiva spojených pojivem. Lze se setkat i s aplikací kubického nitridu bóru (PKNB) jako řezného materiálu. Jedná se o proces broušení, kdy má nástroj nedefinovanou geometrii břitu. Obr. 3 Diamantová zrna v matrici, zvětšeno ERM [3] V následující kapitole je uvedeno několik technologických parametrů souvisejících s nastavením obrábění. Řezná rychlost v c [m*min -1 ] je jednou z hlavních charakteristik obrábění, z jejího výpočtu lze odvodit otáčky nástroje. [m*min -1 ] Kde: D [mm] je průměr nástroje, n[min -1 ] je počet otáček nástroje. Posuvová rychlost nástroje v f [m*min -1 ]: Kde: f n [mm] - posuv na otáčku, f z [mm] posuv na zub, z [-] - počet zubů nástroje. Tyto rychlosti specifikuje výrobce daného nástroje většinou v určitém rozmezí. Výrobce nástroje také uvádí optimální nastavení šířky a hloubky záběru nástroje. Tyto hlavní parametry se podílí na celkové složce řezné síly, která působí na nástroj, obrobek a stroj. Při znalosti řezných sil jsme schopni vypočítat i celkový výkon obrábění a následně požadovaný výkon obráběcího stroje. Při nastavování veškerých parametrů je třeba brát zřetel na tuhost stroje, vlastnosti obráběného materiálu a opotřebení nástrojů, které vzrůstá zejména s hodnotou řezné rychlosti. Zvýšení posuvu se také projevuje zvýšeným opotřebením a často je provázeno i nestabilitou řezného procesu (vibrace). Tyto ovlivňují významně i výslednou strukturu povrchu obráběného dílu. 5

6 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola4, 9, 14 kapitola 5, 10, 15 Z hlediska ekonomičnosti je sledován parametr Q [mm 3 *min -1 ] množství odebraného materiálu za čas. Q = A D * v f Kde: A D [mm 2 ] je jmenovitý průřez třísky, v f [m*min -1 ] je posuvová rychlost. Detailní rozbor řezných parametrů s jejich fyzikálními účinky lze nalézt v materiálech, uvedených v přehledu citací pod číslem [3, 4, 5]. Řezný segment (pojivo + diamantová zrna) Jádro Obr. 4 Schéma pilového kotouče [5] Středová díra 2.1 Nástroje pro obrábění kamene Vzhledem k podmínkám obrábění se pro CNC opracování kamene využívají výhradně diamantové nástroje. Konstrukce těchto nástrojů je daná dle podmínek využití a druhu kamene. Jako řezný materiál zde slouží zrna polykrystalického umělého diamantu slinutá s pojivem nejčastěji na kovové bázi (kobalt), obr. 3. Pro tvarové - nejčastěji stopkové frézy, obr. 5 a 6, se využívá i galvanického nanášení diamantové vrstvy. U některých nástrojů, zejména slinutých, lze využít tzv. samoostření. Samoostření nastává ve chvíli, kdy je opotřebené zrno diamantu vlivem zvýšených řezných sil vylomeno z matrice a je nahrazeno jiným ostrým zrnem. Tento jev je ovšem spojen se zmenšujícím se rozměrem průměru nástroje. U nástrojů velkých průměru se lze také setkat s pájenými destičkami, které lze po opotřebení vyměnit a nástroj tímto zrenovovat, (obr. 4). Ve většině případů a druhů materiálů se využívá chlazení jak pro odvod odebraného materiálu, tak pro zamezení prašnosti při obrábění. Nejčastějším chladivem je voda, někdy s příměsí antikorozních látek. 6

7 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola4, 9, 14 kapitola 5, 10, 15 Slinutá fréza využití válcové plochy nástroje - hrany Fréza s galvanicky nanesenou vrstvou diamantu 3D tvarové použití Nástroje pro opracování bloků Vrtáky Pilový kotouč dělíme je dále na obrábění za mokra a za sucha Nástroje pro úběr materiálu, využití pro velké ploché oblasti Obr. 5 Druhy nástrojů pro obrábění kamene [6] 7

8 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola4, 9, 14 kapitola 5, 10, 15 Obr. 6 Frézy pro obrábění kamene [6] 8

9 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 3 CNC CNC (Computer Numeric Control) je zkratka pro číslicové řízení počítačem, tento termín je také historicky spjat s číslicovým řízením. První stroje, které byly číslicově řízeny, byly vyvinuty ve Spojených státech v 50. letech zejména pro účely leteckého průmyslu a komplexní zrychlení výroby. První stroje byly ovládány pomocí děrné pásky a nahrazovaly kopírovací nebo vačkové automaty. Tyto stroje dovolovaly automatický chod bez nutnosti kontroly obsluhy a nastavování pro každou součást. S dalším vývojem přibývaly i další automatizační prvky, např. výměna nástrojů, obrobků atd. S nástupem počítačové techniky v 60. a 70. letech 20. století již vznikají počítačově řízené stroje. Ty jsou již zcela automatické a program jejich chodů lze vytvořit přímo na stroji. Další vývoj se zaměřoval na zpřesňování pohonů, odměřování a zrychlování společně s vývojem nových obráběcích nástrojů. Jedním z dalších milníků historie CNC strojů je vytvoření G-kódu na MIT - Massachusetts Institute of Technology - v roce 1958, jakožto univerzálního programovacího jazyka pro ovládání servomotorů, který byl standardizován pro používání v roce V 70. letech se objevují první CAD/CAM systémy a dochází k postupnému nahrazování papírové dokumentace pomocí elektronických dat a přímé komunikace se strojem. CNC stroj pracuje na principu komunikace řídicí jednotky s jednotlivými servopohony. Tyto jsou úzce spjaty se systémem přímého odměřování pro kontrolu přesnosti dosažení požadované pozice. Blokové schéma principu CNC stroje je na obr. 7. Obr. 7 Konstrukce CNC obráběcích strojů [7] 9

10 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola G kód Pro ovládání CNC strojů se používá programovací jazyk. S vývojem různých řídicích systémů strojů se vyvinula celá řada těchto jazyků. Vzhledem k tomu byl v 60. letech vyvinut a později standardizován univerzální G-kód. V dnešní době rychlého vývoje strojů a funkcí je již tento kód používán zřídka, ale většina systémů jej dokáže číst a vychází z něj. G-kód má jasně danou strukturu, která se skládá z bloků neboli vět. Věty jsou složeny ze slov. Slova jsou složena z adresné a významové části. Slovo N 021 Významová Adresa část Slova lze rozdělit na: rozměrová slouží k určení relativní dráhy nástroje vzhledem k výrobku (X,Y, Z, A, B, C atd.), informační určují technologické a doplňující údaje (N, G, F, S, T, M atd.). Obecná struktura NC programu může vypadat následovně: Posunutí nulových bodů (G54, G58,..) Najetí bodu výměny (G00 X Y Z ) nástroje Volba nástroje (T,D, např. T1 D1) Řezné podmínky a roztočení vřetene Obrábění (G94,G95,G92+G96,F,S,M03,M04) (G00,G01,G02,G03,PRACOVNÍ CYKLY NAPŘ. G02 X30 Y20 Z-10 I5 J-3 K0) Začátek programu Najetí bodu výměny nástroje Vypnutí vřetene (G00 X60 Z60) (M05) Volba nástroje (T6 D26) Řezné podmínky a roztočení vřetene Obrábění. Najetí bodu výměny nástroje Vypnutí vřetene (G94 F200 S1200 M03) (G00,G01,G02,G03,PRACOVNÍ CYKLY NAPŘ. G01 X-30 Y50 Z-5 F200) (G00 X10 Y-15 Z40) (M05) Ukončení programu (M30, M02) Běh programu Ukončení programu 10

11 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola Výběr instrukcí G-kódu Základní Slova X Absolutní pozice na X-ové ose Y Absolutní pozice na Y-ové ose Z Absolutní pozice na Z-ové ose U Relativní pozice na X-ové ose vůči registru X V Absolutní pozice na Y-ové ose vůči registru Y W Absolutní pozice na Z-ové ose vůči registru Z A Pozice A rotovaná vůči X B Pozice B rotovaná vůči Y C Pozice C rotovaná vůči Z M kód Další příkazy stroje. (navíc) F Rychlost posuvu S Otáčky nástroje N Číslo řádku T I J K R P D H Výběr nástroje Pozice středu oblouku na ose X Pozice středu oblouku na ose Y Pozice středu oblouku na ose Z - také volitelný parametr podprogramu konzervovaného cyklu Poloměr oblouku - také volitelný parametr podprogramu konzervovaného cyklu Dwell rychlost - také volitelný parametr podprogramu konzervovaného cyklu Průměr řezného nástroje Délka řezného nástroje (vrtáku) M funkce M0 Nepodmíněné zastavení programu M1 Podmíněné zastavení programu (obsluhou) M2 Konec programu M3 Zapnout otáčky (ve směru hodinových ručiček) M4 Zapnout otáčky (proti směru hodinových ručiček) M5 Vypnout otáčky M6 Výměna nástroje M7 Chlazení M8 Chlazení doplňkové M9 Vypnout chlazení M30 Konec programu G funkce G00 G01 G02 Pohyb rychloposuvem Lineární interpolace Kruhová interpolace ve směru hodinových ručiček 11

12 kapitola 1 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 G03 G10/G11 G17 G18 G19 G20 G21 G28 G30 G31 G33 G34 G40 G41 G42 G53 G54 až G59 G81 G82 G83 G90 G91 G92 G94/G95 G98/G99 G96/G97 Kruhová interpolace proti směru hodinových ručiček Programovatelný datový vstup / přerušení zápisu dat Výběr plochy X-Y Výběr plochy X-Z Výběr plochy Y-Z Programování v palcích Programování v mm Návrat na startovní pozici Návrat druhého referenčního bodu Přeskočit funkci (používá se ke zkoušení a měření) Konstantní rozteč Proměnná rozteč Vypnutí kompenzace rádia nástroje Kompenzace rádia nástroje doleva Kompenzace rádia nástroje doprava Nulový bod stroje (referenční) Nulový bod obrobku Jednoduchý vrtací cyklus Vrtací cyklus s dwell letmý vrtací cyklus Absolutní programování (B a C systémy) Inkrementální programování (B a C systémy) Programování z bodu absolutní nuly Palců za minutu/palců za znovunaplnění (A systémy) Palců za minutu/palců za znovunaplnění (B a C systémy) Konstantní řezná rychlost (konstantní plošná rychlost)/konstantní rotační rychlost (otáčky za minutu) 12

13 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 4 Základy CAx technologií, implementace CAM v kontextu výrobního procesu CA computer - aided/počítačem podporované (další se doplní podle konkrétní technologie). CAx zahrnuje mnoho oblastí, ve kterých je pro řešení úloh souvisejících s výrobním procesem (tvorba modelu, analýzy, vizualizace, kontrola kvality, plánování výroby atd.) využito výpočetní techniky. Mezi CAx lze zařadit např. CAD (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided Engineering), CAM (Computer Aided Manufacturing), CAQ (Computer Aided Quality). V kontextu optimalizace výroby a správy dat nelze začít mluvit o samotném softwaru, který slouží pro podporu výroby. Z celkového času uvedení výrobku na trh je dnes pouze 7-10 % tohoto času věnováno samotné výrobě. Ostatní čas tvoří správa dat, přípravné, manipulační a další časy. Z tohoto důvodu je třeba brát zřetel a kontrolovat celou cestu výrobku podnikem. K těmto účelům slouží software a další informační platformy, které jsou souhrnně uváděny pod zkratkou PLM. Product Lifecycle Management (PLM - správa životního cyklu výrobku) je informační platforma, která v sobě zahrnuje technické, výrobní i marketingové údaje o daném výrobku. Výrobní podnik potřebuje mít systém řízení výroby (např. ERP), systém řízení vztahů s dodavateli SCM, systém řízení vztahů se zákazníky CRM, systém řízení kvality a systém pro plánovitý technický rozvoj a inovace. PLM tyto systémy sjednocuje a vytváří konsolidovaný soubor informací o daném výrobku, obr. 8. Platforma PLM pokrývá pět základních oblastí: systémový inženýring, správu výrobního portfolia, systémy pro vývoj, konstrukci a přípravu výroby produktů (CAD, CAE, CAM atd.), správu výrobních procesů, správu dat o výrobku. 13

14 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola CAM Obr. 8 PLM [8] Systémy CAM slouží primárně jako počítačová podpora výroby. Někdy bývá tento pojem vztahován pouze k přípravě dráhy pro obráběcí stroj. Z hlediska ekonomičnosti jsou kladeny na software širší požadavky než pouhé vytvoření dráhy. Důležitými faktory jsou začlenění do informační struktury podniku a následně podpora procesu obrábění. Důležité součásti CAM softwaru jsou: Technologické knihovny (nástrojů, strojů, parametrů, operací) komunikace s CAD software (automatické změny), tvorba dokumentace dle požadavků výroby, automatizace výpočtů, stabilita, rychlost, simulace výrobního procesu. CAM systémy lze dělit dle více kategorií, jsou to: technologické jaké technologické operace CAM programuje (frézování, soustružení, drátové řezání atd.), komplexnost dle úrovně jsou malé, střední a velké CAM systémy. zaměřený podnik si dokáže sestavit CAM software na míru. V praxi je výběr CAM systému velmi odlišný podle zaměření dané výroby. Jednou z mnoha výhod středních a velkých CAM systémů je jejich modularita, takže i malý úzce Základům práce v CAM systému se budeme věnovat v dalších kapitolách, obecně lze postup práce definovat následujícími kroky: 1. načtení geometrie, 2. analýza geometrie, 3. příprava technologie, 4. výpočet drah, 5. kontrola a simulace, 6. postprocesing. Tyto kroky je nutné provést při každém programování ve všech CAM systémech, někdy bývají integrovány do bloků nebo je program provádí automaticky. Typickým příkladem je kontrola kolizí nástroje již při výpočtu dráhy. 4.2 CAD/CAM Tebis Software Tebis je na trhu již od roku Od té doby se zaměřuje na profesionální a optimalizovanou výrobu. Modulární struktura softwaru Tebis umožňuje využívat CAD/CAM pracoviště s různým výkonnostním rozsahem, odpovídající potřebám 14

15 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 obráběných dílů, dostupných technologií a obráběcích strojů. Moduly softwaru pokrývají komplexně celý proces zhotovení součásti: vývoj, konstrukci a modelování, plánování výroby, výrobu, montáž až po automatizované měření a popis dílů. Technologie Automill zajišťuje výkonné a automatické NC programování s možností programátorovy interakce na komplexním obrobku. Obr. 9 Prostředí SW Tebis Technologie Tebis Automill zajišťuje automatické NC programování s možností interaktivního zasahování NC programátorem Ve 2,5D a 3D obrábění se NC programátoři při obrábění standardních prvků, jako jsou závity, stupňovité díry jakéhokoliv tvaru, lože vyhazovačů nebo vedení, spoléhají na předkonfigurované obráběcí balíčky. Technologové určí detailní opakující se sekvence obrábění v NC setech, které obsahují všechny nástroje a parametry obrábění, a tak snižují práci na NC programování. Správce NC Job ukládá všechno vytvořené během NC programování. To dovoluje rychle a snadno optimalizovat vypočtené dráhy, nástroj, strategii a příslušné oblasti obrábění. Další výhodou je, že všechny NC parametry zadané k výrobě jednoho výrobku mohou být přeneseny na podobný díl, což ušetří mnoho programování. Práce s interaktivním ovládáním, krok po kroku, stále vypočítává mezivýsledky a zobrazuje je uživateli, který je převezme nebo je přeskočí. Například nastaví postup obrábění v různých oblastech obrábění. Technologie Tebis Automill umožňuje ukládat a řídit neocenitelné znalostně založené NC programování. Plochy, které jsou vytvořeny pomocí modulů Tebis CAM, vyhovují standardům vysoké kvality, protože Tebis vždy vypočítává dráhy na matematicky přesných CAD plochách. Tebis využívá jednoduché polygonální modely, pouze když nejsou dostupné přesné plochy. V tomto případě systém vypočte NC programy na bázi sítí a také hybridních modelů. 15

16 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Každý NC program generovaný v Tebisu je vypočtený na základě geometrie nástroje. Navíc interní knihovna obsahuje mimo řezné části nástroje, také všechny části držáku. Tebis pro každou frézu nespravuje pouze geometrická data, ale také řezné podmínky pro různé typy materiálů. Simulační nástroje Tebisu mohou předpovědět skutečné výrobní postupy již ve stádiu výpočtu NC programů. Například vybraný nástroj může na stroji zpracovat díl po rovinách. Sledování virtuální výroby ukáže polotvar, jak postupně ubírá tvar cílové geometrie, programátor je vždy informován o množství materiálu, který ještě zbývá na obrobku. Výhodou jsou nižší přejezdy a významné snížení doby obrábění. Toto neprodlužuje jen životnost nástroje, ale také zvýší spolehlivost procesu [9]. 16

17 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 5 Roboty Dnešní komerční a průmyslové roboty jsou obecně rozšířené, vykonávají práci levněji, přesněji a spolehlivěji než člověk. Využívají se také v pracích, kde je nečisto, hrozí případné nebezpečí nebo při pracích, které nejsou obecně pro člověka vhodné. Roboty se široce využívají ve výrobě, při montážních operacích, při manipulaci, vesmírném programu, lékařství, vojenství, laboratořích a bezpečnosti. 5.1 Definice průmyslového robota Jde o automatický stroj, který obsahuje manipulátor se dvěma a více pohybovými osami a programovatelný řídicí systém na uskutečňování pohybových a řídicích funkcí ve výrobním procesu, jež nahrazují analogické funkce člověka při přemísťování předmětů a technologického příslušenství. 5.2 Historie První zmínky o robotech lze nalézt v literatuře, zejména v díle Karla Čapka R.U.R. (1920), kde bylo poprvé zmíněno slovo robot. Dále se dostalo velkého ohlasu knize Já robot (1950) Isaaca Asimova, kde zformuloval 3 zákony robotiky. 3 zákony robotiky, Isaac Asimov Já robot (1950): 1) Robot nesmí ublížit člověku nebo svou nečinností dopustit, aby bylo člověku ublíženo. 2) Robot musí poslechnout člověka, kromě případů, kdy je to v rozporu s prvním zákonem. 3) Robot se musí chránit před poškozením, kromě případů, kdy je to v rozporu s prvním nebo druhým zákonem. První technický vznik robotů lze datovat do 50. let 20. století s rozvojem mechatroniky a elektroniky. První roboty byly manipulátory, které dokázaly přenášet objekt z místa na místo. V roce 1961 je první robot nasazen v průmyslu. V 70. letech se dostávají do čela vývoje průmyslových a jiných robotů japonské společnosti. První robot tuzemské výroby byl svařovací robot PR 32 E (1981). Od 80. let jsou nasazovány ve výrobě pro svou spolehlivost jako plnohodnotná zařízení, (obr. 10). Manipulační zařízení typu robotů mohou být klasifikována podle různých kriterií počtu stupňů volnosti, kinematické struktury, použitých pohonů, geometrie pracovního prostoru, pohybových charakteristik, způsobu řízení, způsobu programování aj. Vzhledem ke komplexnosti a univerzálnosti dnes v průmyslovém nasazení najdeme roboty se šesti rotačními stupni volnosti, (obr. 10). Lineární, (obr. 11), a jiné konstrukce robotů lze využít pro jednoúčelové specializované automatizované funkce. 17

18 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obr. 10 Šestiosý robot [10] Obr. 11 Lineární polohovací robot [11] Zjednodušeně lze robot rozdělit na několik funkčních celků, (obr. 12). Prvním je ovládací panel, přes který obsluha komunikuje s robotem. Ve zkratce také bývá nazýván HMI (Human- machine- Interface). Tento panel je napojen do řídicí skříně robota, která obsahuje řídicí počítač. V tomto PC je nainstalován ovládací software a software zobrazovaný na HMI. Tento počítač dále komunikuje s několika PLC (Programmable 18

19 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Logical Controller), které mají na starost v online časech bezpečnost systému a kontrolu jednotlivých servomotorů umístěných v jednotlivých osách. Obr. 12 Základní schéma robota [12] Ovládání robota je možné buď pomocí online pohybů, které lze provádět rotací jednotlivých os robota, nebo pomocí pohybů v kartézském pravoúhlém souřadném systému (SS). Tento pohyb je složen pomocí pohybů jednotlivých os. Při pohybech v kartézském SS robot automaticky transformuje tyto lineární pohyby do rotačních pohybů jednotlivých os. Další možností pohybu robota je programování. Každá firma vyrábějící roboty vyvinula svůj vlastní programovací jazyk. V této publikaci se budeme věnovat robotům KUKA s jazykem KUKA.KRL (Kuka Robot Language). KUKA.KRL má rysy vyššího programovacího jazyka. Umožňuje použití běžných funkcí, jako jsou např. větvení, cykly, rozčlenění hlavního programu do submodulů apod. Důležitou vlastností KRL jsou speciální instrukce pro pohyb robota, čímž se liší od běžných programovacích jazyků. Ke KRL programům lze přistupovat z pozice: 1. uživatele možnost programovat základní funkce robota a zapisovat jeho trajektorii pomocí tzv. in-line formulářů. Většina důležitých systémových souborů v systému je pro uživatele skryta. 2. experta soubory v programovém okně je možné upravovat. Všechny systémové soubory jsou zobrazeny. Vedle názvů těchto souborů se zobrazuje také jejich rozsah, extenze a atributy. Větší možnost strukturování souborů. Není omezen jen na programování in-line formulářů. 19

20 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola Základní ovládání Veškeré ovládání robota je realizováno přes grafický panel KCP (Kuka Control Panel), obr. 13. Na tomto panelu jsou zobrazeny informace a prostředí jako programová nadstavba systému robota. Pomocí panelu a základních kláves je možné pohybovat robotem, volit program nebo pomocí klávesnice psát a upravovat již existující programy. Najdeme zde také příkazy pro práci se souřadnými systémy (Báze) a nástroji (Tools). V expertním módu je možné měřit a nastavovat jednotlivé parametry robota. 1 - přepínač druhu provozu 2 - pohony ZAP 3 - pohony VYP / SSB-GUI 4 - tlačítka NOUZOVÉHO VYPNUTÍ 5 - Space Mouse 6 - stavové klávesy vpravo 7 - zadávací klávesa 8 - kurzorové klávesy 9 - klávesnice 10 - numerický blok Ovládání robota 11 - programovatelné klávesy 12 - klávesa Start - Zpět 13 - klávesa Start 14 - klávesa STOP 15 - klávesa pro volbu okna 16 - klávesa ESC 17 - stavové klávesy vlevo 18 - klávesy menu Obr. 13 Ovládací panel robota (KCP) [13] Před jakoukoli manipulací s robotem je nutné se seznámit s kompletním manuálem pro ovládání robota! Ruční i programové ovládání robota je možné provádět ve čtyřech režimech T1, T2, AUT, AUT EXT. Tyto režimy jsou přepínány na KCP, obr. 14. T1 v tomto režimu je možné spouštět program a ručně pohybovat robotem. Rychlost pohybu je omezena na 10 % maximální rychlosti robota. Pro pohyb musí být ručně aktivován a spuštěn spínač souhlasu (pohony robota). T2 robotem lze pohybovat ručně i programově. Rychlost ručního režimu je omezena na 10 % rychlosti robota, programová rychlost omezena není. Pro pohyb je nutné ručně aktivovat spínač souhlasu. AUT lze pohybovat pouze pomocí programu plnou rychlostí. Spínač souhlasu není třeba. AUT EXT programy lze spouštět z nadřazeného řídicího systému. 20

21 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Při ručním pohybu robotem vždy používejte režim T1, při spuštění režimu T2, AUT, AUT EXT obsluha nesmí být v prostoru robota a musí být uzavřen ochranný kryt. 1 - T2 (Ručně - vysoká rychlost) 2 - AUT (Automatik) 3 - AUT EXT (Automatik Extern) 4 - T1 (Ručně - snížená rychlost) Obr. 14 Přepínač režimů [13] Ruční pohyb Ruční pohyb robotem je možný několika způsoby. Jedna možnost je využít stavových kláves v kartézských nebo osových souřadnicích, druhým způsobem je použití 6D myši (ovládacího kolečka). V obou možnostech má uživatel volbu směru pohybu buď v globálním souřadnicovém systému (World), obrobkovém (Base), nebo nástrojovém (Tool). Dle vybraného souřadného systému jsou určeny směry pohybu. Base Souřadný systém určený operátorem jako nulový bod obrobku. Shoduje Souřadné systémy, (obr. 15): World (Robroot) - je to základní souřadný systém. Je umístěn v patě robota v ose rotace A1. Je neměnný a za všech okolností zůstává nezměněn. se s programovým nulovým bodem v CAM systému. Určit souřadný systém lze např. 3bodovou metodou (SETUP->Proměřit->Základ->3Bod). Nástrojový souřadný systém (Tool) je umístěn na špičce nástroje (TCP- Tool Center Point). Pomocí tohoto SS robot určuje polohu nástroje v prostoru. Každý nástroj o nestejné délce má svůj vlastní nástrojový SS. Ten lze naměřit pomocí příkazu Setup->Proměřit->nástroj->XYZ 4-bod. 21

22 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obr. 15 Souřadné systémy robota [13] Programové pohyby robota Pro ručně vytvořené i programované pohyby je využito několik základních pohybů robota. Jsou to PTP, LIN, CIRC. Všechny programy se skládají z těchto pohybů. Data se souřadnicemi jednotlivých bodů jsou uložena v souboru *.dat. V případě přímého programovaní lze bod vepsat i do souboru *.src, ale tato možnost je nevhodná z důvodu chybějící simulace a možné chyby operátora. Pohyb PTP Robot vede TCP podél nejrychlejší dráhy k cílovému bodu. Nejrychlejší dráha není zpravidla nejkratší dráha a tím také žádná přímka. Protože se osy robota pohybují rotačně, je možné provádět obloukové dráhy rychleji než přímé dráhy, (obr 16). Exaktní průběh pohybu není předvídatelný.. 22

23 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obr. 16 Pohyb PTP [13] Pohyb LIN Robot vede TCP definovanou rychlostí podél přímky k cílovému bodu. Je zde nebezpečí singularity a nedodržení rychlosti během provádění, (obr. 17). Obr. 17 Pohyb LIN [13] Druh pohybu CIRC Robot vede TCP definovanou rychlostí podél kruhové dráhy k cílovému bodu. Kruhová dráha je definována startovním, pomocným a cílovým bodem, (obr. 18). 23

24 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obr. 18 Pohyb CIRC [13] Aproximace u jednotlivých pohybů je definována následovně: Aproximace U každého bodu lze nastavit přesnost jeho najetí Aproximaci. Aproximace je vyjádřena procentní hodnotou přesnosti, s jakou se požadovaného bodu dosáhne. Při zvolené nižší aproximaci jsou programy prováděny plynuleji, ale méně přesně. PTP-pohyb TCP opustí dráhu, po které by přesně najel cílový bod, a pohybuje se po rychlejší dráze. Při programování pohybu se určí distance k cílovému bodu, při které se smí TCP nejdříve odchýlit od jeho původní dráhy. Průběh dráhy při aproximovaném PTP-pohybu není předvídatelný. Také není předvídatelné, na které straně aproximovaného bodu bude probíhat dráha. LIN-pohyb TCP opustí dráhu, po které by přesně najel cílový bod, a pohybuje se po kratší dráze. Při programování pohybu se určí distance k cílovému bodu, po kterém se TCP může nejdříve odchýlit od jeho původní dráhy. Průběh dráhy v oblasti aproximace není kruhový oblouk. CIRC-pohyb TCP opustí dráhu, po které by přesně najel cílový bod, a pohybuje se po kratší dráze. Při programování pohybu se určí distance k cílovému bodu, po kterém se TCP může nejdříve odchýlit od jeho původní dráhy. Pomocný bod se vždy najede přesně. Průběh dráhy v oblasti aproximace není kruhový oblouk. 24

25 kapitola 6 kapitola 2 kapitola 3 kapitola 4 kapitola Singularita Singularita je speciální stav, kdy dochází k rychlému přetočení rotační osy při nulové posuvové rychlosti nástroje. Tento stav může zapříčinit aktivaci bezpečnostních brzd a zastavení programu. Singularita nastává v okamžiku rovnoběžnosti natočení dvou lineárně závislých os. Roboty KUKA se 6 stupni volnosti mají 3 různé singulární polohy. Singularita nad hlavou - bod kořene ruky (průsečík os A4, A5 a A6) svisle na ose 1 robota. Natažená poloha - bod kořene ruky (průsečík os A4, A5 a A6) na prodloužení os A2 a A3 robota. Singularita os ruky - probíhají osy A4 a A6 navzájem k sobě paralelně a osa A5 v rozmezí ±0, Singulární poloha se vyznačuje tím, že není jednoznačně možná zpětná transformace (přepočet kartézských souřadnic na osově specifické hodnoty), přestože byly předem zadány pokyny Status a Turn. V tomto případě, nebo pokud nejmenší kartézské změny vedou k velmi velkým změnám úhlů os, hovoříme o singulárních polohách. Nejčastěji se objevuje singularita os ruky. soubory a také soubory spustitelné. Pohybový spustitelný soubor má příponu *. src Programy robota Programy robota se nachází v adresářové struktuře. Dle uživatele je zobrazena paměť robota nebo i pevné disky v PC robota. Paměť robota obsahuje základní konfigurační Obsahuje-li pohybové příkazy PTP, LIN atd., je současně s ním vytvořen soubor o stejném názvu s příponou *.dat. V nastavení systému lze provést grafické sloučení těchto souborů do jednoho, který se nazývá modul. Pokud chceme daný program vykonat, je nutné provést příkaz Navolit. V případě výběru Otevřít se program otevře, lze provádět změny, ale nelze jej spustit. Po provedení programu je nutné jej zavřít Zpracovat ->Program odvolit. Na začátku a konci programu by měl být vždy vykonán pohyb do bezpečné HOME pozice. Tato je již v robotu předdefinována. 25

26 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 6 Simulace KUKA.CAMRob KUKA.CAMRob je technologický software, se kterým lze pomocí robota KUKA rychle a snadno obrábět na základě údajů o dráze a procesu ze systému CAM. Aplikace KUKA.CAMRob automaticky převádí data CNC, vytvořená v systému CAM, na program robota, takže lze průmyslový robot používat jako obráběcí robot pro složité díly. Samotný program KUKA.CAMRob je aplikační nadstavbou simulačního softwaru KUKA.SIM. KUKA.CAMRob je rozdělen do dvou částí: KUKA.CAMRob PC na simulačním PC, KUKA.CAMRob KRC na kontroléru robota. Celý proces práce se softwarem je znázorněn na obr. 19. Dráha vygenerovaná pomocí CAM je načtena do prostředí KUKA.CAMRob a zde jsou provedeny potřebné úkony. Výstupem je soubor čitelný pro robot v jazyce KRL. Tento je nahrán do robota a speciální příkazy jsou čteny pomocí nástavby KUKA.CAMRob KRC. Poté se již samotný program vykoná. Obr. 19 Proces zpracování CNC souboru [10] Hlavní úkoly v KUK.CAMRob: načtení externího CNC souboru, překlad CNC souboru, vložení aplikačních příkazů, nastavení natočení 6 os a přídavných os, výpočet dosažitelnosti robota, kontrola kolizí robota a okolí, kontrola singularit, odeslání programu do KRC. 26

27 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola Pracovní prostředí Základním pracovním prvkem v prostředí KUKA.CAMRob je buňka (Cell). V buňce se nachází všechny prvky nutné pro simulaci obrábění, kolizí atd. Základní buňka musí obsahovat následující části: robot, vřeteno, nástroj, stůl, polotovar. V některých případech jsou uváděny i upínky a kabelový svazek, (obr. 20). Obr. 20 Prostředí obráběcí buňky [10] Uživatel má možnost definovat i externí osy, jako jsou lineární jednotka a otočný stůl. Spolu s těmito komponenty může být pracoviště vybaveno komplexně podle reálného uspořádání, (obr. 21). Pro sestavení funkční buňky musí být jednotlivým komponentám přiřazeny vztahy rodič -> potomek, které určují přidružení jedné komponenty ke druhé (robot vřeteno). Pokud jsou importovány uživatelské komponenty, je dále nutné těmto přiřadit tokeny. Token je informace, která náleží geometrii v hierarchii buňky. 27

28 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 1. Robot 2. KRC2 řízení 3. Řízení vřetene 4. Aut. výměna nástrojů 5. PC s CAM SW 6. Notebook 7. Lineární osa KL 8. Panel operátora 9. 1osý rotační stůl 10. Pevný stůl 11. Vřeteno s nástrojem 12. Polotovar Obr. 21. Komplexně navržená buňka [9,10] 13. 2osý rotační stůl Prostředí KUKA.CAMRob je zobrazeno na obr. 22. Je zde uveden popis jednotlivých záložek a panelů, samotné zpracování programu je realizováno v záložce Application,(obr. 23). Lišta ovládání zobrazení a úlohy KUKA.Sim Simulační funkce nejsou určeny pro KUKA.CAMRob Struktura buňky (Cell map) Příkazy úloh (Job commands) Simulační okno (Simulation window) Obr. 22. Prostředí KUKA.CAMRob [9,10] 28

29 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Application záložka: Zobrazí se po instalaci KUKA.ApplicationPC Hlavní panel (Main bar): vždy přístupný Výběrový panel (selection bar): závisí na instalovaných aplikacích, jejich výběr. Panel ovládání (Teach bar): vždy přístupný Příkazový panel (Command bar): příkazy náležející pro KUKA.Applications. Nabídka se mění podle zvolené Aplikace ve výběrovém panelu. Stavový panel (Status bar): zobrazení či skrytí bází a souřadných systémů. Obr. 23. Okno Application [9,10] Příkazy nástavby CAMRob, které lze vložit, jsou následující, (obr. 24): vlož CNC soubor (Command), vyber nástroj (LOADT), odlož nástroj (UNLOADT), otáčky vřetene (SSPEED), start / stop otáček (SPINDLE START), posuvová rychlost (FEED), chlazení (COOLANT), poznámka (COMMENT). Obr. 24. Příkazy nástavby CAMRob [9,10] 6.2 Práce s CNC souborem Před samotnou prací s CNC souborem je nutné synchronizovat báze a nástroje s reálným robotem, obr. 25. Načten je soubor config.dat, který v sobě obsahuje 29

30 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 informace o nástrojích a bázích aktuálně naměřených v robota. Tento soubor lze načíst buď přes PC síť, nebo přenést pomocí USB klíče. Obr. 25 Synchronizace bází mezi robotem a CAMRob. [9,10] Načtení CNC souboru je realizováno následovně: je zvolen příkaz Command pro vložení CNC souboru, ten je vybrán a zvolen. Ihned následuje okno pro potvrzení prvních technologických parametrů, (obr. 26). Po jejich potvrzení se již otevře okno CNC file Processing, (obr. 27), kde uživatel prochází jednotlivé kroky. Označení CNC souboru (výstupu z Tebisu. Koncovka.tap) Obr. 26 Načtení CNC souboru [9,10] Postup přiřazení procesních parametrů 30

31 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obr. 27 Okno CNC souboru [9,10] Jednotlivé kroky zpracování souboru jsou: Head procesní parametry (jednotky, rychlost rychloposuvů). Filtr zmenšení počtu bodů programu podle parametrů filtru. Params nastavení nástroje a posuvu do prvního bodu programu, velikost otáček a posuvu. Strategy zvolení vhodné strategie, natočení šesté osy robota (zápěstí) a možnost natočení externích os. Reach automatický výpočet dosažitelnosti (reachebility), singularit a kolizí. Je zde možné upravit kolizní matici pro jednotlivé komponenty. Save uloží danou úlohu. robota. Pokud je CNC proces po načtení a kontrole stále zobrazen červeně, je nutné V okně se dále nastavuje báze, ve které bude program vykonán a ofset (posunutí), který je možné nastavit. Najdeme zde také statistické informace o dráze (čas, délku atd.). Jakmile je CNC soubor zkontrolován a uložen, je třeba do struktury programu doplnit PTP body a koncovou HOME pozici. Teprve poté je možné soubor uložit a spustit na před něj přidat PTP pohyb ve stejné bázi, jako je CNC dráha, (obr. 28). Obr. 28 Umístění bodu PTP před program [9,10] 31

32 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Každý vytvořený pracovní (JOB) soubor je nutné zkontrolovat simulací, zda robot při nájezdu nebo výjezdu z programu nekoliduje s okolím nebo nenastává singularita a jiná přetočení, (obr. 29). 1. Tlačítko simulace 2. Simulační okno 3. Rychlost simulace 4. Nastavení detekce kolizí Obr. 29 Okno simulace [9,10] Po provedení simulace je již možné program odeslat do KRC robota, (obr. 30), pomocí příkazu GENERATE CODE FOR JOB. Obr. 30 Odeslání programu do robota. [9,10] V robotu je program zkopírován do paměti a spuštěn. 32

33 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 7 Shrnutí Obrábění pomocí robota je progresivní metoda, která poskytuje uživateli mnoho výhod jak ekonomických, tak i technologických. Pro správné zvládnutí celého procesu je třeba uživatele seznámit s celou řadou informací. Proces začíná již správnou přípravou CAD dat, navazuje programováním v CAM systému, kde již uživatel musí zohlednit technologii výroby robotem. Je nutné znát nastavení robota, určení souřadného systému (báze) i naměření platného nástroje. Na tyto úkony navazuje simulace reálného pracoviště ve virtuální buňce a následné přenesení programu do robota. Uživatel by ani přes veškeré simulace a znalosti neměl stroj nechávat bez dozoru, protože většina chyb je provázena nepozorností a chybou programátora. Případná kolize se zapomenutou upínkou není nikdy příjemným zážitkem a může způsobit mnohatisícové škody. 33

34 kapitola 6 kapitola 7 kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 8 Citace 1. MCAE. [online]. [cit ]. Dostupné z: [online]. [cit ]. Dostupné z: 2. S. Turchetta, Cutting Force in Stone Machining by Diamond Disk, Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2010, Article ID , 6 pages, Y.S. Liao, S.Y. Luo, Wear characteristics of sintered diamond composite during circular sawing, Wear 157 (1992) B Brook, Principles of diamond tool technology for sawing rock, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Volume 39, Issue 1, January 2002, Pages 41-58, ISSN , 5. GYURIKA, István Gábor. Optimal opportunities at stone machining processes done by diamond tool. Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. 2011, vol. 55, issue 2, s DOI: /pp.me Diamut. [online]. [cit ]. Dostupné z: 7. Konstrukce CNC obráběcích strojů (8). MAREK JIŘÍ. Technický týdeník [online]. [cit ]. Dostupné z: 8. Když se řekne PLM. PETR FOŘT, Tomáš Mikšík, Pavel Novák. Technický týdeník [online]. [cit ]. Dostupné z: 9. MCAE Systems, KUKA ag. [online]. [cit ]. Dostupné z: Regulační pohony. [online]. [cit ]. Dostupné z: Freescale. [online]. [cit ]. Dostupné z: # 13. KUKA A.G. KSS_52_53_54_END_cs. V2. Augsburg,