Исследователи Научно-технологического университета «Сириус» создали и запатентовали систему, которая позволяет промышленному роботу адаптировать скорость фрезерования в реальном времени, в зависимости от того, с каким сопротивлением инструмент сталкивается при обработке материала. Разработка автоматизирует построение траекторий и снижает риск поломки оборудования. Система будет особенно актуальна для авиастроения, судостроения и производства сложных композитных деталей. Проект, в рамках которого выполнено исследование, поддержан государственной программой научно-технологического развития федеральной территории «Сириус».
Фрезеровка — один из самых распространённых способов обработки металла, дерева, пластика и композитов. Вращающаяся фреза снимает с заготовки лишний материал, чтобы получить деталь нужной формы. Но когда эту работу выполняет промышленный робот-манипулятор, а не классический станок, возникает проблема. Станок — это жёсткая конструкция, его режущий инструмент закреплён в массивной станине и движется строго по заданной траектории, а робот представляет собой шарнирную систему с подвижными сочленениями. При обработке материала возникают силы, которые заставляют эти соединения деформироваться, вызывая вибрации и отклонения от нужной траектории. Чем сложнее деталь и чем твёрже материал, тем больше эти отклонения. В результате уменьшается точность, растёт износ инструмента и увеличивается риск брака. Также другой проблемой является необходимость использования программных решений для генерации траекторий робота для обработки заготовки по цифровой модели детали. Большинство роботов используют свои специализированные системы команд для управления. Всё это создаёт некоторую рутинную цепочку манипуляций для оператора — от цифровой модели до получения корректной управляющей программы для робота. Для станков с числовым управлением предустановлены скорости подачи обрабатываемой головки в соответствии с материалом заготовки, что фиксирует общее время изготовления.
Учёные Сириуса решили эту проблему с помощью алгоритмов, автоматически генерирующих траектории движения для любой 3D-модели детали. Система загружает цифровую модель заготовки, послойно её анализирует и рассчитывает траекторию движения фрезы — концентрическими контурами, которые постепенно углубляются в обрабатываемый материал. Это позволяет строить контуры на заданном расстоянии от границ детали.
Другое преимущество разработки состоит в том, что система умеет «чувствовать» материал. Встроенный датчик силы, установленный на роботе, непрерывно измеряет усилие, с которым инструмент обрабатывает заготовку. Если сопротивление возрастает (например, материал становится плотнее или глубина реза увеличилась), алгоритм снижает скорость подачи по заданному закону. Если же усилие, напротив, падает, то скорость увеличивается. Так робот подстраивается под реальные условия обработки. Предложенный учёными Сириуса подход позволяет не только беречь инструмент, но и сокращать время обработки. При этом точность обработки фрезы по заданной траектории остается на уровне повторяемости манипулятора на траектории и составляет 0,2 мм.
Разработка особенно актуальна для авиастроения, судостроения и производства сложных композитных деталей, где к точности предъявляются жёсткие требования, а ручная настройка отнимает много времени. Технология не требует от оператора сложной ручной трассировки путей инструмента, так как траектория движения и программа ее реализации создаются автоматически. Последнее лишь подчеркивает масштабируемость подхода и делает разработку доступной для внедрения на любом современном производстве.
«Мы считаем, что данная система будет востребована на производствах крупногабаритных деталей, например на производстве реакторов для атомных станций. Также подобный подход к роботизированному фрезерованию будет востребован на мелкосерийных производствах, где требуется частая смена технологических процессов, так как система может функционировать при минимальном участия оператора», — комментирует один из авторов разработки Университета «Сириус», доцент направления «Математическая робототехника и искусственный интеллект» Данил Кульминский.
Работа выполнена в рамках исследовательского проекта «Разработка математических и бионических методов моделирования, алгоритмов управления и прототипов перспективных робототехнических комплексов и систем», поддержанного государственной программой научно-технологического развития федеральной территории «Сириус». Патентообладателем является Научно-технологический университет «Сириус». Соавтор разработки — Артём Косарев, выпускник магистратуры Университета, продолжающий исследования в области робототехники в аспирантуре.
Автор: Денис Новиков