Обработка на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов превращает необработанный алюминий, сталь и конструкционные пластмассы в шестерни, шарниры, крепления и корпуса. Допуски на эти детали часто составляют от ±0.001 до ±0.005 дюймов. Этот диапазон не является приблизительным. В опубликованных стандартах по робототехнике указаны допуски ±0.005 дюймов для звеньев манипулятора длиной до 100 мм, ±0.002 дюймов для отверстий подшипников и интерфейсов шестерен, и ±0.002 дюймов для плоскостей крепления сервоприводов.
В общих рекомендациях по обработке на станках с ЧПУ указан стандартный двусторонний допуск ±0.005 дюйма. Для прецизионных корпусных работ требования более жесткие: диаметр отверстий под валы не превышает ±0.001 дюйма, а соосность составляет 0.002 дюйма. Материалы, допуски, требования к точности и производственные сложности — все это влияет на конечный результат.
Роботизированная рука, станки с ЧПУ и распространенные компоненты.
Определение параметров роботизированной руки на станках с ЧПУ.
Технология обработки материалов для робототехники методом вычитания.
Обработка деталей роботизированной рукой на станках с ЧПУ — это процесс вычитания. Он заключается в удалении материала из цельного блока до тех пор, пока не будет получена желаемая форма. Литье и ковка придают материалу форму с помощью формы или штампа, поэтому этот метод отличается. 3D-печать создает детали слой за слоем, поэтому этот метод также отличается. Методы вычитания лучше всего подходят для деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ роботами, когда допуски меньше ±0.01 мм. Сложные формы и серийное производство от 10 до 5,000 деталей также являются предпочтительными вариантами.
Роли в создании прототипов и производстве.
Обработка на станках с ЧПУ охватывает как прототипирование, так и серийное производство. В цехах в качестве надежного промежуточного звена используются 3+2-осевая и одновременная 5-осевая обработка. 3D-печать подходит для прототипов и решетчатых конструкций. Но детали, изготовленные на станках с ЧПУ для робототехники, остаются лучшим выбором, когда важны соотношение прочности и веса, качество поверхности и усталостная долговечность металла. Шарнирные соединения, концевые захваты, редукторы и корпуса датчиков — все это зависит от такой надежности.
Основные механические компоненты
Основание и монтажные пластины
Основания и монтажные пластины — это фундамент. Эти детали должны быть плоскими и устойчивыми. Для больших плоских пластин часто выбирают литой алюминиевый лист MIC-6 и Durabar. Благодаря низкому внутреннему напряжению они сохраняют свою плоскостность после обработки.
Сегменты и звенья манипулятора
Сегменты манипулятора несут грузы и определяют дальность действия робота. Обычно для этих целей используются алюминиевые сплавы 7075-T6 и 6061-T6. Оба они легкие, прочные и легко поддаются механической обработке. Анодирование повышает износостойкость этих поверхностей.
Интерфейсы запястья и концевого манипулятора
Интерфейсы запястья соединяют манипулятор с инструментом. Эти детали робота, изготовленные на станках с ЧПУ, требуют плотной посадки. Крепление сервопривода обычно обеспечивает зазор ±0.02 мм. Крепления датчиков имеют зазор ±0.05 мм. Любая неплотность в этом месте проявляется как ошибка позиционирования на кончике инструмента.
Соединительные и приводные компоненты
Корпуса гармонических приводов
Корпуса гармонических приводов требуют предельной точности. Допуск на их сопряжение составляет ±0.01 мм. Шероховатость поверхности Ra составляет от 0.8 до 1.6 мкм. Эти детали роботов, изготовленные на станках с ЧПУ, напрямую влияют на люфт и повторяемость.
Крышки и фиксаторы подшипников
Крышки подшипников обеспечивают соосность валов. Отверстия подшипников имеют допуск ±0.01 мм. Чистота поверхности посадочных мест подшипников составляет Ra от 0.4 до 0.8 мкм. Допуск H7 позволяет подшипнику плотно сидеть без дребезжания или деформации обоймы.
Опоры и муфты двигателя
Крепления и муфты двигателя передают крутящий момент. Стандартный допуск ЧПУ ±0.10 мм подходит для звеньев рамы и креплений двигателя. Этот уровень охватывает около 80% компонентов робота. Для обработки на станках с ЧПУ роботизированных манипуляторов, работающих с высокими нагрузками, напряжение выдерживает нержавеющая сталь 17-4PH или легированная сталь 4140.
На практике обработка деталей роботизированной руки на станках с ЧПУ напрямую связана с качеством движения. Шестерни, шарниры, крепления и корпуса должны быть изготовлены с высокой точностью, чтобы робот двигался плавно и точно позиционировался. Точная обработка на станках с ЧПУ необходима для получения размеров с точностью до долей миллиметра. Поэтому детали робота, наиболее подходящие для обработки на станках с ЧПУ, включают корпуса шарниров, подшипниковые блоки, основания роботов, манипуляторы, монтажные пластины, кронштейны и другие детали робота, изготовленные на станках с ЧПУ, где точность подгонки и посадочные места подшипников определяют реальную производительность.
Обработка на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов: ключевые процессы.
Фрезерование, токарная обработка, сверление и нарезание резьбы — основные методы, используемые в роботизированной обработке на станках с ЧПУ. Сегодня в цехах используются 3-осевые, 4-осевые и 5-осевые станки. Каждый станок может обрабатывать детали различной сложности. Выбор правильного метода для каждой детали помогает снизить затраты и повысить точность.
5-осевое фрезерование с ЧПУ
Сложная геометрия и поднутрения
При 5-осевой обработке инструмент перемещается вдоль прямых осей X, Y и Z, в то время как заготовка наклоняется или вращается вокруг двух осей вращения. Это одновременное движение позволяет фрезе достигать углов, недоступных для шпинделя, расположенного вертикально. Угол инструмента постоянно меняется, чтобы поддерживать оптимальное положение для резки. Получаются более гладкие поверхности с меньшей вибрацией и изгибом инструмента. Подрезы и глубокие угловые поверхности становятся обычными задачами, а не невыполнимыми.
Разница между этим и работой на 3-осевом станке огромна. 3-осевой станок копирует сложные формы, используя множество крошечных прямых разрезов, которые оставляют следы. Для подрезов требуются специальные инструменты или дополнительное время на обработку детали. Для угловых отверстий необходимы специальные держатели для каждого угла. 5-осевой станок делает все это за один плавный проход.
| Функция / Этап процесса | 3-осевая обработка | 5-осевая (многоосевая) обработка |
| Сложные контуры | Копирование выполнено с помощью множества крошечных прямых надрезов, оставляющих следы. | Плавное движение инструмента позволяет получить гладкую и точную поверхность за один проход. |
| Подрезы | Это невозможно без специальных инструментов, множества настроек и обработки детали на токарном станке. | Инструмент наклоняется, позволяя добраться до элементов под ними, не перемещая деталь. |
| Угловые отверстия | Требуется изготовление нестандартных держателей или поворот детали под каждым углом. | Заготовка или головка инструмента наклоняется точно по заданному углу для сверления. |
| Количество настроек | 3–6+ на деталь | 1–2 на часть |
| Время программирования | Высшее образование (много программ) | Нижний уровень (одна сложная программа) |
| Время обработки | Более высокое значение из-за изменений в настройках. | Гораздо ниже |
| Риск ошибки | Высокий уровень (человеческая ошибка при настройке) | Очень низкий (управляемый машиной) |
Сокращение количества настроек
Количество переналадок влияет как на стоимость, так и на количество ошибок. Для обработки на 3-осевом станке может потребоваться от трех до шести переналадок на деталь. Для обработки на 5-осевом станке обычно требуется одна или две. Каждое переворачивание и повторное зажимание увеличивает накопленную погрешность. Обработка из одной точки фиксации позволяет вырезать каждую деталь относительно одной и той же координатной системы. Это важно для обеспечения жестких геометрических допусков между элементами на противоположных гранях.
Более короткий и жесткий инструмент — еще одно преимущество. Наклон шпинделя или стола позволяет обрабатывать поверхность под лучшим углом, поэтому инструменты могут быть короче и выступать за пределы рабочей зоны. Меньшее выступ означает меньший изгиб, лучшее качество поверхности и меньшую вибрацию при обработке тонкостенных алюминиевых профилей. Удаление стружки также улучшается, поскольку оптимальный угол резания помогает удалять стружку из зоны резания. Для контроля температуры и образования наростов на кромке при обработке алюминия это действительно большой плюс.
Токарная и токарно-фрезерная обработка на станках с ЧПУ
Цилиндрические соединения и валы
Токарная обработка отлично подходит для круглых деталей. К этой группе относятся круглые шарниры роботизированных манипуляторов, валы и посадочные места подшипников. Стабильная резка обеспечивает высокую скорость съема материала и жесткие допуски на круглые детали. Ступенчатый вал диаметром 12 дюймов может быть получен на станке примерно за 3–8 минут. Допуски по диаметру часто достигают ±0.0002–±0.001 дюйма. Прецизионная расточка точно подгоняет внутренние диаметры посадочных мест подшипников под посадку с натягом. Для корпусов подшипников часто требуется допуск ±0.0005 дюйма, а антивибрационные стержни обеспечивают прямолинейность глубоких отверстий.
Инструментарий для работы в режиме реального времени для обеспечения кросс-функционального взаимодействия
Токарно-фрезерные центры выводят процесс на новый уровень. Четырехосевой вращательный механизм по осям A или B обеспечивает индексацию или равномерное вращение заготовки. Валы с поперечными отверстиями и шарниры роботизированных манипуляторов обрабатываются со многих сторон без перемещения детали. Использование приводного инструмента и оси C позволяет использовать механические инструменты для фрезерования, сверления и нарезания резьбы под заданными углами. Добавление оси Y делает возможным создание смещенных элементов и поперечных отверстий. Вспомогательный шпиндель снимает заднюю поверхность и завершает обработку детали за один цикл. В результате достигается меньшее количество переналадок, сокращаются сроки выполнения и повышается точность.
Бурение, нарезка резьбы и вторичные операции.
Анодирование и пассивация
Финишная обработка защищает деталь после резки. Анодирование создает износостойкий оксидный слой на алюминиевых деталях роботизированных манипуляторов, что часто требуется в проектах механической обработки. Пассивация удаляет свободное железо с поверхностей нержавеющей стали и восстанавливает коррозионную стойкость. Оба этапа важны для компонентов робототехники, изготовленных на станках с ЧПУ, которые подвергаются многократным движениям и воздействию суровых условий окружающей среды.
Прецизионная шлифовка и хонингование
Шлифовка и хонингование обеспечивают ту точность, с которой не справляются фрезерование и токарная обработка. Шлифовка позволяет сохранять критически важные диаметры и плоскостность закаленных или термообработанных деталей. Хонингование точно настраивает форму отверстия и качество поверхности внутри гидравлических и подшипниковых отверстий. Эти вторичные операции увеличивают стоимость, поэтому инженеры используют их для обработки поверхностей, где посадка и износостойкость определяют производительность. В действительности, обработка на станках с ЧПУ с роботизированной рукой наиболее эффективна, когда для каждой детали используется самый дешевый процесс, который при этом обеспечивает требуемый допуск.
Почему точность важна в роботизированной обработке на станках с ЧПУ
Влияние допусков на кинематическую точность
Повторяемость позиционирования
Небольшие погрешности быстро накапливаются, поэтому корпуса гармонических приводов должны обеспечивать точность ±0.01 мм. Если посадочное место подшипника смещено всего на 0.01 мм, это приводит к вибрации и трению. Умножьте это на шесть шарниров, и концевой манипулятор будет приземляться не в том месте каждый цикл.
«Точность работы робота зависит от величины допусков в его шарнирах и трансмиссии. Соосность отверстий подшипников, точность зубьев шестерен и точное положение крепежных элементов — все это определяет, насколько точно будет приземляться концевой эффектор».
Эта цитата точно отражает всю проблему: корпуса гармонических приводов являются точками крепления для подшипниковых опор, шлицевых соединений и креплений энкодера. Когда эти элементы смещаются, увеличивается люфт, и точность позиционирования снижается.
Контроль люфта и вибрации
Когда диаметр отверстий подшипников составляет всего несколько микрон, вибрация остается низкой, а подшипники служат дольше. Свободная посадка подшипников приводит к обратному эффекту: она повышает рабочую температуру, неравномерно распределяет нагрузки и сокращает срок службы. Высокоточная обработка деталей роботизированных манипуляторов в первую очередь направлена на эти критически важные поверхности. Обычно возникают усталость, износ и коррозия, а правильный выбор материала и обработка поверхности позволяют контролировать эти процессы.
Преимущества перед другими методами
По сравнению с литьем и ковкой
Для литья и ковки необходимы формы или штампы, а изготовление такой оснастки требует денег и времени. Обработка на станках с ЧПУ полностью исключает этот этап и обеспечивает жесткие допуски, недостижимые для литых деталей без дополнительной обработки.
По сравнению с 3D-печатью
3D-печать лучше подходит для создания решетчатых конструкций и быстрых концептуальных моделей, в то время как компоненты для робототехники, изготовленные на станках с ЧПУ, лучше подходят для обеспечения долговечности, качества поверхности и соотношения прочности к весу. Поэтому для рабочих прототипов и деталей конечного использования обычно применяются станки с ЧПУ.
Факторы стоимости и времени выполнения
Когда высокоточная ЧПУ-обработка оправдана
Общая стоимость проекта складывается из стоимости материалов, времени обработки, наладки и оснастки, а также постобработки и контроля качества. Цена зависит от марки материала: алюминий 6061 значительно дешевле титана или PEEK. Пятиосевые и токарно-фрезерные станки обходятся дороже в час, чем трехосевые. Наибольшую часть затрат при обработке небольших партий от одной до пяти деталей составляют накладные расходы на наладку.
Баланс между скоростью и точностью
Изменения в DFM-технологиях могут снизить затраты на 10–30%. Стандартные радиусы скругления углов, отсутствие глубоких узких пазов и меньшее количество жестких допусков — все это способствует снижению затрат. Контроль качества должен быть сосредоточен на критически важных размерах, а не на каждой детали. Такой партнер, как NOBLE, ведущая производственная компания в Китае, помогает клиентам перейти от прототипа к серийному производству, не переплачивая ни за скорость, ни за точность.
Материалы для обработки на станках с ЧПУ с использованием роботизированной руки
Алюминиевые сплавы
Сплав 6061-T6 для конструкционных деталей
Сплав 6061-T6 — оптимальный выбор для большинства конструкционных деталей. Он легко поддается механической обработке, хорошо сваривается и отлично реагирует на анодирование. Его предел прочности на растяжение достигает 310 МПа, а предел текучести — 276 МПа. Такое сочетание хороших свойств и низкой стоимости делает его одним из лучших сплавов для обработки деталей роботизированных манипуляторов.
Сплав 7075-T6 для высокой прочности
Сплав 7075-T6 обладает исключительной прочностью. Предел прочности на растяжение составляет 572 МПа, а предел текучести — 503 МПа. Это примерно в 3.5 раза больше, чем у литой стали MIC-6. Он хорошо поддается механической обработке, но изнашивает инструменты быстрее, чем сплавы серии 6xxx. Наибольшую пользу от этого сплава получают высоконагруженные конструкционные детали.
Литая плита MIC-6 для обеспечения плоскостности
MIC-6 — это литая инструментальная плита, предназначенная для обеспечения плоскостности и стабильности размеров. Допуск на плоскостность составляет ±0.005″ для толстых плит, по сравнению с ±0.030″ для стандартного сплава 7075-T6. В ходе 50-циклового испытания на термоциклирование (68°F–200°F, образцы 12″×12″×0.5″) размер MIC-6 изменился всего на 0.0008″, в то время как размер прокатанной плиты 6061-T6 изменился на 0.0035″. Это улучшение стабильности на 77%. MIC-6 обладает меньшей механической прочностью, поэтому лучше всего подходит для изготовления приспособлений, оснований и прецизионных плит.
Остаточная деформация под воздействием напряжений — обычно называемая «деформацией типа картофельных чипсов» — возникает, когда сначала обрабатывается одна грань заготовки, подверженной напряжению, что снимает зафиксированные сжимающие силы и деформирует деталь непредсказуемым образом. Для тонкостенных деталей или приспособлений, критически важных с точки зрения плоскостности, следует использовать заготовку, прошедшую термообработку для снятия напряжений (термическая обработка T651 для сплава 6061), или применять симметричную последовательность удаления материала, которая уравновешивает силы на обеих гранях перед чистовой обработкой.
Нержавеющая сталь и Durabar
Марки стали 304 и 316L
Нержавеющие стали марок 304 и 316L обеспечивают коррозионную стойкость и долговечность. Эти марки используются в медицинских инструментах, оборудовании для пищевой промышленности и морских компонентах. В сталь 316L добавляется молибден для повышения устойчивости к хлоридам и агрессивным химическим веществам.
17-4 PH для высокой концентрации
Сталь 17-4 PH — это высокопрочный вариант для компонентов робототехники, требующих коррозионной стойкости и устойчивости к усталости. В состоянии H900 её предел текучести превышает 1170 МПа. Выходные валы, высоконагруженные штифты и шарнирные соединения для роботов, используемых в пищевой промышленности или медицинской стерилизации, — всё это производится из стали этой марки.
Дурабар для больших плоских пластин
Материал Durabar часто используется для изготовления больших плоских конструкционных пластин. Он гарантирует плоскостность и низкое внутреннее напряжение после обработки. Это делает его отличным выбором для оснований роботов и монтажных пластин, где важна стабильность.
Титан и конструкционные пластмассы
Сплав Ti-6Al-4V для соединений, критически важных по весу.
Сплав Ti-6Al-4V (титан марки 5) обладает самым высоким соотношением прочности к весу среди всех металлических элементов. Он исключительно устойчив к коррозии и биосовместим. В высоконагруженных шарнирах роботизированных манипуляторов, аэрокосмических кронштейнах и концевых захватах полупроводниковых устройств он используется там, где снижение веса имеет решающее значение.
PEEK и Delrin для изоляции и износостойкости
Полиэфирэфиркетон (PEEK) обладает химической стойкостью, термостойкостью и обеспечивает электрическую изоляцию. В полупроводниковой и аэрокосмической отраслях его используют в робототехнике, где необходимо минимизировать выделение газов. Делрин (POM) обеспечивает низкое трение, износостойкость и высокую жесткость. Его стабильность размеров используется в изготовлении шестерен, втулок и скользящих механизмов в роботизированных шарнирах. Эти компоненты робототехники, изготовленные на станках с ЧПУ, уменьшают износ в движущихся поверхностях. С практической точки зрения, при обработке на станках с ЧПУ роботизированных манипуляторов часто сочетают металлы с этими пластиками для одновременного решения проблем изоляции и износа.
Допуски и требования к точности при обработке на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов.
Типичные диапазоны допусков
Общие допуски обработки
При обработке деталей на станках с ЧПУ для роботизированных манипуляторов обычно соблюдаются стандартные размеры в пределах ±0.001–±0.005 дюймов. Стандарт ISO 2768-m охватывает большинство некритичных элементов. Он допускает погрешность около ±0.1 мм для деталей размером менее 30 мм. Это подходит для конструкционных деталей роботизированных манипуляторов, где точная подгонка не требуется.
Обработка на станках с ЧПУ с жесткими допусками применяется к рабочим поверхностям. Для декоративных оболочек и ребер можно использовать более свободные допуски. Чтобы снизить затраты, необходимо определить эти области на раннем этапе. Классы ISO 2768 варьируются от f (самый жесткий) до v (очень грубый). Класс m является стандартным эталоном для обработки на станках с ЧПУ.
Допуски критической посадки
Для критически важных элементов требуются жесткие допуски. Отверстия подшипников и корпуса редукторов имеют допуск ±0.01 мм. Интерфейсы гармонических приводов соответствуют этому допуску, с шероховатостью Ra от 0.8 до 1.6 мкм. Поверхности крепления сервоприводов имеют допуск ±0.02 мм. Крепления датчиков имеют допуск ±0.05 мм. Это стандартные допуски для компонентов робототехники, изготавливаемых на станках с ЧПУ.
Посадка подшипников контролирует соосность вала. Стандартная посадка подшипников осуществляется методом запрессовки H7/p6 для неподвижных обойм. Для вращающихся соединений используется посадка с зазором H7/g6. Такая посадка подшипников предотвращает вращение обойм. Жесткий контроль допусков предотвращает вибрацию и износ.
В соединении накапливается допуск ±0.05 мм на каждую деталь. Три компонента создают общий допуск ±0.15 мм. Проверяйте подшипниковые седла как единый узел, а не как отдельные детали.
Характеристики отделки поверхности
Значения Ra для опор подшипников
Шероховатость поверхности определяет трение и износ. Для подшипниковых посадочных мест в обработанных корпусах обычно требуется шероховатость Ra от 0.4 до 0.8 мкм. Сверхчистовая подшипниковая сталь достигает Ra 0.05–0.1 мкм, но для корпусов такая шероховатость практически никогда не требуется. Для компонентов робототехники, обрабатываемых на станках с ЧПУ, для отверстий подшипников достаточно Ra 0.8 мкм.
Рабочие поверхности, такие как полированные направляющие из PEEK, достигают шероховатости Ra 0.2 мкм. Контролируемая шероховатость выигрывает от использования подшипниковых седл, уплотнительных площадок и прецизионных направляющих скольжения. Укажите это на чертеже.
Косметическая и функциональная отделка
После микроструйной обработки и анодирования типа II шероховатость косметических поверхностей может составлять 0.8–1.2 мкм. Поверхности, не соприкасающиеся ни с чем, имеют шероховатость 3.2 мкм. Один корпус может иметь как гладкие рабочие зоны, так и шероховатые косметические зоны.
Зеркальная полировка повышает усталостную прочность за счет устранения точек накопления напряжений. Гладкие поверхности также снижают трение в зонах контакта подшипников. Таким образом, выбор типа отделки зависит от требований к точности и допускам по всей детали.
Инспекция и контроль качества
Координатно-измерительные машины и оптический контроль
Координатно-измерительные машины (КИМ) проверяют сложные трехмерные формы и критически важные размеры. Высотомеры и микрометры измеряют прямые размеры. Системы машинного зрения измеряют мелкие двухмерные элементы. Лазерные сканеры позволяют фиксировать деликатные поверхности, не касаясь их.
Геометрическое определение размеров и допусков (GD&T) устанавливает эти проверки. Когда на чертеже используется точное позиционирование, координатно-измерительная машина (CMM) становится обязательной. В случае обработки на станках с ЧПУ с роботизированной рукой контроль качества позволяет связать проектный замысел с реальной деталью.
Первичный контроль образцов и контроль в процессе производства.
Первичный контроль качества (FAI) проверяет первую деталь по CAD-модели перед началом серийного производства. Поставщики аэрокосмической отрасли формализуют этот процесс в соответствии со стандартом AS9102. Внутрипроизводственный контроль использует SPC для выявления отклонений износа инструмента. Целью высокоточного серийного производства является показатель Cpk ≥ 1.67.
На заключительном этапе проверки выбирается план: 100% измерение, выборочная проверка, функциональное тестирование или визуальный осмотр. Производители Sharp используют эти этапы, чтобы доказать, что компоненты робототехники, изготовленные на станках с ЧПУ, соответствуют требованиям к допускам, геометрическим допускам и качеству поверхности.
Проблемы проектирования и производства роботизированных манипуляторов для обработки на станках с ЧПУ.
Дизайн для технологичности
Избегание острых углов
Острые внутренние углы — распространённая проблема при обработке на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов. Стандартные концевые фрезы имеют круглую форму, поэтому всегда оставляют за собой закругление. Если требуется идеально острый угол в 90 градусов, необходима электроэрозионная обработка или другой медленный и дорогостоящий метод. Более эффективным способом проектирования для обработки на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов является добавление небольшого закругленного края в каждом внутреннем углу. Минимальный радиус вертикального угла от 0.2 до 0.5 мм подходит для большинства материалов. Это позволяет фрезе работать плавно и снижает накопление напряжений.
Минимизация больших финансовых затрат
Глубокие и узкие выемки замедляют вращение шпинделя и быстро изнашивают инструмент. Рекомендуемая глубина выемки не должна превышать четырехкратную ширину выемки. Если ширина выемки составляет 10 мм, ее глубина должна оставаться менее 40 мм. Это соотношение способствует отводу стружки, уменьшает изгиб инструмента и обеспечивает стабильное качество поверхности. Хорошее правило для проектирования станков с ЧПУ и роботизированными манипуляторами — делать радиус скругления углов не менее одной восьмой глубины выемки. Это позволяет использовать более короткий и жесткий инструмент при более высоких скоростях подачи.
Использование стандартных размеров инструментов
Нестандартные размеры отверстий и резьбы увеличивают затраты без повышения ценности. Стандартизируйте диаметры отверстий и шаг резьбы, когда это возможно. Также следите за тем, чтобы толщина стенок не превышала 0.8 мм для металлов и 1.5 мм для пластмасс. Избегайте элементов меньше 2 мм, если они действительно не нужны. Эти методы проектирования для обработки на станках с ЧПУ с роботизированной рукой сокращают количество замен инструмента, уменьшают время цикла и снижают риск поломки инструмента.
Плоскостность и остаточные напряжения
Поддержание плоскостности на крупных деталях
Крупные пластины и основания трудно сохранить плоскими. Остаточные напряжения — это внутренние напряжения, которые смещаются после удаления материала или снятия зажимов. Поверхность, которая выглядит плоской в зажатом состоянии, может расслабиться после снятия зажимов. Для большого основания станка один цех достиг плоскостности 7 мкм на площади 2000 мм, превзойдя свою цель в менее чем 10 мкм. Они использовали сбалансированную черновую обработку, промежуточную снятие напряжений и контролируемые чистовые проходы.
Минимизация искажений
Неравномерное удаление материала приводит к деформации или скручиванию пластин и тонкостенных деталей. Симметричная обработка и поэтапная резка снижают дисбаланс напряжений. Нагрев при резке также вызывает временное термическое расширение и усадку после охлаждения. Острые инструменты, стабильная охлаждающая жидкость и контролируемые чистовые проходы помогают в этом. Для чувствительных к напряжениям сплавов промежуточная термическая релаксация между черновой и чистовой обработкой позволяет поддерживать допуски в пределах +/-0.005 мм. Последовательность черновая-подготовительная-чистовая обработка позволяет снять напряжение с детали перед окончательными проходами.
Баланс допусков и затрат
Достижение жестких допусков
Жесткие допуски должны применяться только к критически важным элементам. Наибольшая ответственность за выравнивание несут отверстия подшипников, диаметры направляющих двигателей и соединения шестерен. Для этих элементов могут потребоваться допуски около ±0.005 мм. Однако использование такого уровня везде увеличивает время обработки на станке, износ инструмента и нагрузку на контроль качества. Суммирование допусков также имеет значение. Совокупные ошибки в цепочке компонентов роботизированной системы, обработанных на станках с ЧПУ, могут привести к смещению, даже если каждая деталь проходит контроль качества.
Снижение затрат на механическую обработку
Распределение допусков, основанное на функциональном принципе, позволяет снизить затраты. Для уменьшения веса пазов, крышек и отверстий с зазорами можно использовать стандартные допуски около ±0.05 мм. Ранний анализ DFM выявляет проблемы, связанные с глубокими пазами, и позволяет ослабить некритичные допуски. По одной из оценок, эти изменения позволяют сэкономить до 40% времени работы шпинделя. С практической точки зрения, обработка на станках с ЧПУ с роботизированной рукой наиболее эффективна, когда точность следует за функцией, а не за общепринятыми нормами. Такой баланс позволяет поддерживать реалистичные требования к допускам, геометрическим допускам и качеству поверхности как для прототипов, так и для серийного производства.
Применение роботизированных манипуляторов на станках с ЧПУ в различных отраслях промышленности
Индустриальная автоматизация
манипуляторы для перемещения и сварки
Манипуляторы для захвата и перемещения созданы для скорости. Они совершают тысячи циклов в час, поэтому каждый грамм перемещаемого веса имеет значение. Легкие алюминиевые детали роботов помогают снизить этот вес. К распространенным деталям относятся корпуса роботизированных манипуляторов, шарнирные узлы, кронштейны для крепления серводвигателей, вращающиеся валы и соединители концевых захватов. Обычно для этих целей используются алюминиевые сплавы 6061, 7075 и 6082.
Сварочные манипуляторы подвергаются гораздо более суровым условиям эксплуатации. Брызги, высокая температура и непрерывное движение изнашивают каждое соединение. Корпуса редукторов и прецизионные подшипниковые опоры должны сохранять свою форму на протяжении всего этого времени. Для большинства деталей роботизированных манипуляторов требуется допуск от ±0.01 мм до ±0.02 мм, в зависимости от выполняемой работы. Этот диапазон обеспечивает стабильную траекторию сварочной горелки от смены к смене.
Коллаборативные роботизированные соединения
Коботы работают бок о бок с людьми. Безопасность зависит от плавного и предсказуемого движения. Заедание или тряска шарнира представляют опасность, а не просто проблему качества. Именно здесь доказывает свою ценность обработка деталей роботизированной руки. Корпуса шарниров должны вмещать подшипники, датчики и кабели в небольшом пространстве, оставаясь при этом жесткими.
Многоосевое фрезерование с ЧПУ позволяет выполнить эту работу за одну установку. Облегчающие карманы, внутренние каналы и корпуса шарнирных соединений изготавливаются на одном станке. Меньшее количество перестановок детали означает меньшую сумму дефектов. В корпусе переходника часто используется нержавеющая сталь для повышения износостойкости и коррозионной стойкости. Втулки из PEEK обеспечивают электрическую изоляцию внутри того же узла.
Медицинская и хирургическая робототехника
Компоненты, совместимые со стерильностью
Для хирургических роботов одинаково важны чистота и воспроизводимость. Детали должны выдерживать многократную стерилизацию без образования ямок или деформации. Часто используются нержавеющая сталь 316L и титан Ti-6Al-4V. Оба материала устойчивы к коррозии и выдерживают интенсивную очистку. Титан обеспечивает биосовместимость, что важно для всего, что находится рядом с пациентом.
В производстве медицинских изделий допуски часто составляют ±0.0002 дюйма. Это гораздо жестче, чем при обычной механической обработке. Корпуса датчиков, крепления двигателей и детали приводных механизмов — все они подпадают под эти допуски. Качество обработки поверхности также имеет значение. Гладкие посадочные места подшипников уменьшают трение и отводят загрязнения, а не задерживают их.
Высокоточные хирургические соединения
Хирургические соединения преобразуют входной сигнал двигателя в движение инструмента с точностью до миллиметра. Любой люфт проявляется в виде дрожания на конце инструмента. Шарнирные механизмы для точных операций обрабатываются с точностью ±0.0002 дюйма именно по этой причине. Большая часть этой нагрузки приходится на вращающиеся валы и подшипниковые опоры.
Важное практическое замечание: при обработке этих звеньев на станках с ЧПУ с роботизированной рукой часто сочетаются токарная и фрезерная обработка. Валы снимаются с токарного станка, затем поперечные элементы вырезаются на токарно-фрезерном станке. Объединение обеих операций в одном комплексе упрощает обработку и обеспечивает надежную фиксацию деталей.
Аэрокосмическая и оборонная
Легкие конструкционные детали
В аэрокосмической отрасли вес — главный враг. Каждый сэкономленный килограмм окупается за счет увеличения полезной нагрузки и расхода топлива. Алюминий 7075 хорошо подходит для изготовления верхних частей манипуляторов благодаря высокому соотношению прочности к весу. Конструкционные рамы, шасси и манипуляторы работают по тому же принципу. Фрезерование создает призматические формы, углубления и сложные контуры, необходимые для этих деталей.
Роботы оборонного назначения добавляют еще один уровень сложности. Они работают в условиях пыли, соли и перепадов температур. Коррозионностойкие сплавы и герметичные корпуса обеспечивают их бесперебойную работу. В этом секторе производство компонентов, требующих высокой точности, обычно достигает допусков ±0.0002 дюйма.
Высокопрочные соединительные узлы
Шарнирные узлы несут на себе всю нагрузку, передаваемую по манипулятору. Им одновременно необходимы прочность, жесткость и долговечность. Нержавеющая сталь 17-4PH и титан справляются с высоконагруженными соединениями, в то время как алюминий слишком быстро устаревает. Крышки редукторов, монтажные кронштейны и интерфейсы концевых захватов дополняют типичный перечень деталей.
В аэрокосмической отрасли также широко используются возможности многоосевой обработки. Корпуса соединений с внутренними каналами обрабатываются за один цикл, что обеспечивает сохранение соосности между отверстиями подшипников. Именно такой подход, выполняемый за одну установку, позволяет создавать компактные интегрированные конструкции соединений.
NOBLE: Ваш партнер по роботизированной обработке на станках с ЧПУ.
Опыт в области обработки металла и пластмасс.
Алюминий, нержавеющая сталь, титан и конструкционные пластмассы
Компания NOBLE производит детали из всех распространенных материалов для роботизированных манипуляторов. Алюминий подходит для легких манипуляторов и платформ, поскольку снижает инерцию и устойчив к коррозии. Нержавеющая сталь используется для валов, штифтов и чистых поверхностей, которые легко мыть. Титан обеспечивает удивительную прочность и вес шарниров в аэрокосмической и медицинской отраслях. Инженерные пластмассы, такие как PEEK и Delrin, используются для изготовления изолированных деталей, износостойких направляющих и корпусов датчиков.
Этот диапазон размеров имеет значение, потому что один робот смешивает разные материалы. Корпус шарнира может быть изготовлен из алюминия, его вал — из нержавеющей стали 17-4, а втулка — из PEEK. Компания NOBLE хранит все эти материалы под одной крышей, поэтому посадка остается неизменной по всей сборке.
От прототипа к серийному производству
Компания совершенствует свои процессы для быстрого прототипирования, изготовления единичных деталей на станках, мелкосерийного и крупномасштабного производства. Она поддерживает стабильное качество и обеспечивает своевременную доставку на каждом этапе.
Для одного кронштейна и для партии в 5,000 деталей обеспечивается одинаковый контроль процесса. Документированная оснастка, проверенные траектории движения инструмента и надежная настройка позволяют сохранять одинаковый размер деталей в разных партиях. Повторяемость партии имеет значение для модульных роботизированных сборок, где каждый узел должен работать одинаково.
Сертификация и системы качества
ИСО 9001:2015 и ИСО 13485:2016
Компания NOBLE имеет сертификаты ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016. Первый охватывает общее управление качеством. Второй добавляет правила для медицинских изделий, необходимые для хирургической робототехники. Оба сертификата требуют контроля материалов, управления версиями, обработки несоответствий и отслеживания партий.
Осмотр и документация
Каждый компонент робота проходит многоступенчатую проверку, включая валидацию с помощью КИМ (координатно-измерительной машины) по геометрическим допускам и размерам (GD&T). Микрометры, нутромеры, высотомеры, резьбонарезные калибры, измерители шероховатости и оптические системы используются там, где КИМ оказывается излишним. Первичная проверка образца подтверждает правильность процесса перед передачей партии на следующий этап. Промежуточные проверки выявляют износ инструмента, перемещение зажимного приспособления или температурный дрейф.
| Документ | Что это доказывает |
| Протоколы испытаний материалов/заводских образцов | Правильный сплав и партия плавки |
| Отчеты FAI и CMM | Размеры соответствуют чертежу. |
| Сертификаты соответствия | Соответствие техническим требованиям |
| записи об отслеживаемости партий | Какая партия куда была отправлена |
В каждом документе указаны номер детали, версия, партия материала и производственная серия.
Производство с полным комплексом услуг
Проектирование, механическая обработка, отделка и сборка.
Компания NOBLE рассматривает обработку деталей на станках с ЧПУ с роботизированной рукой как один из этапов проекта, а не как всю работу целиком. В рамках DFM-проверки проверяются глубокие пазы и острые углы до начала стружкообразования. После резки анодирование, гальваническое покрытие и пассивация проходят через одну и ту же систему контроля качества, поэтому изменения размеров документируются. Сборка включает в себя установку резьбовых вставок, запрессовку подшипников и крепление штифтов.
Управление проектами из одного источника
Одна команда управляет программированием, изготовлением оснастки, фиксацией заготовок, контролем качества, внешней обработкой, документацией и сборкой. Это снижает нагрузку на координацию между поставщиками. Документация на английском языке, отчеты о проверке и надежная упаковка дополняют комплект. С практической точки зрения, именно такая модель с одним поставщиком обеспечивает своевременное выполнение заказов на прототипы и серийное производство.
Обработка деталей на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов сводится к трем важным моментам: форма детали, марка материала и требуемая жесткость допусков. Для рабочих поверхностей, таких как посадочные места подшипников и зубчатые передачи, необходимы допуски от ±0.001 до ±0.005 дюйма и чистота поверхности Ra от 0.4 до 1.6 микрометра. Для поверхностей, предназначенных для декоративной обработки, допуски могут быть более свободными. Материал также имеет значение, поскольку MIC-6 и Durabar обеспечивают плоскую поверхность больших оснований. Усталость, износ и коррозия — обычные причины выхода деталей из строя, и правильные сплавы в сочетании с обработкой поверхности помогают предотвратить их. Следуйте правилам DFM: избегайте острых внутренних углов и сводите к минимуму глубокие пазы. На практике стоимость обработки на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов снижается без потери точности. Сотрудничество с сертифицированным производителем, таким как NOBLE, обеспечивает отслеживаемость материалов, документированный контроль качества и помощь на всех этапах — от прототипа до серийного производства. Правильный выбор позволит вам получить точный, долговечный и воспроизводимый робот.
Часто задаваемые вопросы о роботизированной обработке на станках с ЧПУ.
Какую точность может обеспечить обработка на станках с ЧПУ с роботизированной рукой?
Большинство стандартных размеров находятся в пределах от ±0.001 до ±0.005 дюймов. Важные посадки требуют еще большей точности. Отверстия подшипников и интерфейсы гармонических приводов остаются в пределах ±0.01 мм, крепления сервоприводов — в пределах ±0.02 мм, а крепления датчиков — в пределах ±0.05 мм. Для хирургических соединений допуск может достигать ±0.0002 дюймов. Таким образом, ответ действительно зависит от того, о какой именно функции вы спрашиваете.
Какую марку алюминия следует выбрать для роботизированной руки?
Это зависит от задачи. Сплав 6061-T6 подходит для большинства конструкционных элементов и имеет предел прочности на растяжение 310 МПа. Сплав 7075-T6 обеспечивает предел прочности на растяжение 572 МПа для элементов, воспринимающих большие нагрузки. Литая пластина MIC-6 лучше всего подходит, когда важна плоскостность, поскольку она обеспечивает точность ±0.005 дюйма и практически не деформируется при термических циклах.
В каких случаях ЧПУ превосходит 3D-печать при изготовлении деталей для роботов?
3D-печать хорошо подходит для концептуальных моделей и решетчатых конструкций. Обработка на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов выигрывает, когда нужны долговечные детали, качественная поверхность или соотношение прочности и веса, обеспечивающее устойчивость в процессе эксплуатации. Рабочие прототипы и детали для конечного использования обычно изготавливаются с помощью станков с ЧПУ.
Почему большие опорные плиты деформируются после механической обработки?
Причина в остаточных напряжениях. При обработке одной грани удерживающие силы снимаются, и деталь деформируется — в цехах это называют «изгибом». MIC-6 и Durabar противостоят этому, поскольку обладают низким внутренним напряжением. Последовательность черновой, чистовой и окончательной обработки также позволяет напряжениям рассеиваться до финальных проходов.
Какую степень обработки поверхности должны иметь подшипниковые седла?
Для обработки посадочных мест подшипников в корпусах обычно требуется шероховатость Ra от 0.4 до 0.8 мкм. Для поверхностей, подверженных воздействию гармоник, шероховатость составляет от 0.8 до 1.6 мкм. Для поверхностей, предназначенных для декоративной обработки, шероховатость может быть выше, около Ra 3.2 мкм. Укажите это число на чертеже, чтобы цех знал, какие поверхности имеют значение.
Что влияет на стоимость обработки на станках с ЧПУ с использованием роботизированных манипуляторов?
Четыре фактора: марка материала, время обработки, наладка и оснастка, а также контроль качества. Алюминий 6061 стоит значительно дешевле титана или PEEK. Пятиосевые и токарно-фрезерные станки имеют более высокую почасовую ставку. Для партий от одной до пяти деталей наибольшую статью расходов составляют накладные расходы на наладку.
Как сохранить точность, не выходя за рамки бюджета?
Жесткие допуски должны применяться только к рабочим поверхностям. Нагрузку, обеспечивающую соосность, несут отверстия для подшипников, направляющие двигателя и зубчатые передачи. Для карманов, крышек и отверстий с зазорами можно использовать стандартные допуски около ±0.05 мм. Ранний анализ технологичности производства может сократить время работы шпинделя до 40%.
На что следует обратить внимание при выборе поставщика оборудования для роботизированной обработки на станках с ЧПУ?
Обратите внимание на отслеживаемость материалов, документированную проверку и сертификаты, соответствующие вашей отрасли. ISO 9001:2015 охватывает общее управление качеством. ISO 13485:2016 добавляет правила для медицинских изделий, необходимые для хирургической робототехники. Отчеты по КИМ и проверка первого образца должны входить в стандартную комплектацию.
