Témata
Foto: Roman Sejkot

3D tisk a přesné měření dílů s využitím robotu

V Testbedu pro Průmysl 4.0 na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT v Praze vzniklo vývojově výzkumné pracoviště pro poloautomatizovanou víceosou aditivní výrobu. Robotické pracoviště také dokáže řešit problémy komplexní kontroly rozměrů a geometrických tolerancí výrobních procesů. V tomto článku se zaměříme na technické detaily vývoje a jeho potenciál pro využití v praxi. Vývoj pracoviště byl financován centrem RICAIP (Research and Innovation Centre on Advanced Industrial Production).

Reklama

V druhé polovině roku 2021 jsme se začali zabývat nápadem na vytvoření robotického pracoviště, které využívá průmyslový robot střední velikosti a polohovací zařízení pro aditivní výrobu. Polohovací zařízení rozšiřuje výrobní možnosti pracoviště a s jeho využitím není nutné vytvářet podpory materiálu. Zároveň polohovadlo umožňuje vyrábět i konstrukčně složité díly. Díky tomu je možné při výrobě ušetřit čas jak při tisku podpor, tak i při jejich následném odstraňování. Navíc má programátor více možností, jak daný díl vyrobit, a to zejména v případě rotačních nebo symetrických dílů. Důležitou roli ve vyvinutém řešení hraje laser tracker, který má hned několik využití. Pomocí něj lze zajistit vyšší přesnost vyráběných dílů, ale také je možné ho použít v kombinaci se speciálním odražečem na robotu k přesnému měření dílů dotykovou sondou.

Čas na přípravu programu pro výrobu tohoto dílu je zhruba 30 minut. Následně je možné exportovat program do kontroléru robotu bez dalších nutných úprav. (Foto: Serhii Voronov)

Součástí výzkumu je také predikce procesních parametrů pro víceosou aditivní výrobu na základě přesného měření vyrobených dílů. Tento systém následně zajistí co nejnižší náročnost pro obsluhu pracoviště. Cílem je dosáhnout co největšího stupně automatizace při přípravě výrobních programů.

Digitální dvojče pracoviště pro aditivní výrobu

Digitální dvojče pracoviště má řadu důležitých funkcí pro přípravu a simulaci aditivní výroby. Digitální dvojče je reprezentováno ekvivalentním modelem robotu a polohovadla, včetně všech geometrických a kinematických údajů. Postup tvorby programu aditivní výroby je následující:

1. tvorba nového výrobního programu s vybraným CAD modelem;

2. výběr výrobního stroje a nástroje;

3. tvorba výrobních operací;

4. použití predikovaných procesních parametrů;

5. verifikace a simulace programu;

6. post-processing a export programu do kontroléru robotu.

Demonstrace flexibility dosahu průmyslového robotu se spínací dotykovou sondou při přesném měření na vyrobeném dílu. (Foto: Roman Sejkot)

Využití digitálního dvojčete urychluje přípravu programu pro výrobní proces a je velice efektivní. Pro tvorbu výrobních operací stačí programátorovi základní znalost tvorby operací v CAM softwaru Siemens NX. Rychlost přípravy programu závisí na zkušenostech programátora, ale v porovnání s přípravou operací pro obrábění je díky digitálnímu dvojčeti snazší a rychlejší. Při aditivní výrobě je zapotřebí ošetřit některé nežádoucí vlastnosti CAM softwaru, který je původně určen pro obráběcí výrobní operace. Je nutné brát v potaz dráhu, kterou robot musí urazit, resp. čas, který potřebuje k tomu, aby se dostal na požadovanou výrobní rychlost, a tu svázat s rychlostí extruze. Pokud se robot zastaví například v rohu, je nutné zastavit extruzi, kdežto v případě obrábění se v rohu vřeteno zastavovat nemusí. Dále je zapotřebí zajistit konstantní rychlost při tisku obloukových tvarů atd. Výhodou CAM softwaru je zejména možnost použití geometricky přesného modelu (CAD soubor) a vyhnutí se modelu ve formátu .stl (stereolithography), který je triangulován a může mít omezenou přesnost. Další výhodou je možnost dekompozice komplexního modelu na jednoduché geometrické útvary, což následně umožní snadno definovat výrobní operace. Dostupné výrobní operace v modulu Multi Axis Deposition zahrnují téměř všechny možné způsoby výroby dílů za využití interpolací v rovině i prostoru.

Reklama
Reklama

Řízení extruze materiálu

Pro testovací účely byl využit extrudér od společnosti Prusa Research. Naše řešení se však soustředí na nezávislost použité aditivní technologie, resp. extrudéru. Je tak možné použít extrudéry pracující s plátovým filamentem či peletkami, kovem, betonovou směsí atd. Aby bylo možné využít naše metody pro predikci procesních parametrů, bylo zapotřebí zobecnit řízení extruze materiálu. Jelikož kontrolér robotu umožňuje sledování aktuální rychlosti středového bodu nástroje, pracujeme v našem řešení s touto proměnnou. Svázali jsme pomocí cyklického programu rychlost extruze (toku materiálu) s rychlostí robotu. Tento postup u levnějších 3D tiskáren nelze použít, jelikož řídicí systémy těchto tiskáren nedisponují enkodéry, a tak nelze sledovat rychlost koncového bodu nástroje (Tool Center Point). Při změně rychlosti robotu se tak dynamicky přizpůsobuje rychlost extruze, kdy výpočet toku materiálu vychází z rovnice kontinuity. Šířka a výška vrstvy materiálu se volí na základě uživatelských požadavků.

Simulace aditivní výroby. Hnědou barvou je znázorněna aktuálně vyráběná část dílu. (Zdroj: CIIRC ČVUT)

Laser tracker a výrobní proces

Zprvu byl laser tracker využit na kalibraci robotu a jeho externí kinematiky (polohovadla), aby byla zajištěna dostatečná výrobní přesnost. Pomocí kalibrace robotu lze zlepšit přesnost zhruba třikrát. Přesností je zde myšlena opakovatelnost, která ale nezajišťuje přesnost během interpolace úseček z CAM. Pokud tedy bude mít uživatel pracoviště vyšší nároky na přesnost interpolace za chodu robotu, lze laser tracker použít pro korekci polohy středového bodu nástroje v online zpětnovazební smyčce. Kompenzační cyklus pak zajistí kvalitnější interpolaci a potlačí chybu, která je způsobena angulární kinematikou robotu, což není nejvhodnější kinematika pro lineární interpolace. Během výrobního procesu je koutový odražeč připevněn na extrudéru a je snímán laser trackerem.

Měření spínací dotykovou sondou s rubínovou kuličkou. (Foto: Roman Sejkot)

Laser tracker a kontrola kvality

Při výměně standardního koutového odražeče za speciální odražeč se spínací dotykovou sondou se otevírají další možnosti v oblasti metrologie a automatizace přesného měření. Tento systém může do jisté míry nahradit klasické souřadnicové měřicí stroje. Oproti nim však nabízí opět větší pracovní prostor, a hlavně rozšířené možnosti při měření dotykovou sondou. Pokud bude dané pracoviště také vybaveno dopravníkem, zvýší se i kapacita výstupní kontroly. Jeden z členů týmu Václav Kubáček komentuje výsledek své práce následovně: „Naše řešení je již funkční a lze jej používat buď s naším softwarem vyvinutým dle požadavků zákazníka, nebo s metrologickým softwarem, který poskytuje další rozšířené možnosti. Přesnost měření je udávána výrobcem laserového trackeru a není ovlivněna nepřesností robotu, jelikož laser tracker pracuje ve vlastním souřadnicovém systému. Robot zde zastupuje pouze funkci přenašeče sondy.“

Reklama

Pro náročnější zákazníky budeme vyvíjet kompletní systém kontroly kvality, kde se výsledek měření bude na měřený díl značit s využitím laserového značkovače.

Predikce procesních parametrů

„Nyní vyvíjíme systém predikce procesních parametrů pro víceosou aditivní výrobu, který je založený na principech umělé inteligence. Ten pracuje se zadanými procesními parametry a naměřenými daty,“ říká k dalšímu směřování tohoto pracoviště ředitel Testbedu pro Průmysl 4.0 Pavel Burget. Tento systém si lze představit jako automatickou kalibraci procesních parametrů pro aditivní výrobní technologie. Předpovězené procesní parametry se pak vkládají do digitálního dvojčete modelu v softwaru CAM, a generuje se tak kompletní kód pro kontrolér robotu. Obsluha pracoviště nebude muset odhadovat či experimentálně určovat výrobní parametry pro aditivní výrobu.

Díl pro demonstraci aditivní výroby bez tištěných podpor materiálu. (Foto: Roman Sejkot)

Výhody vyvinutého řešení

Mezi hlavní výhody vyvinutého řešení se řadí již zmíněné rozšíření výrobních možností při použití polohovacího zařízení. Dále je v porovnání s klasickými FDM tiskárnami výhodou větší pracovní prostor a nezávislost použitého typu extrudéru, resp. vyráběného materiálu. Náklady na pořízení tohoto pracoviště jsou nižší či ekvivalentní při srovnání s pořizovací cenou průmyslových FDM tiskáren. Používání modelu digitálního dvojčete je snadné, ale nabízí také řadu pokročilých funkcí jako například ověřit a simulovat program pro robot, včetně kontroly kolizí a singularit během výrobního procesu. Co se přesného měření týče, přínos v podobě automatizace metrologického procesu je značný. Dotyková sonda na odražeči je navíc kompatibilní s širokým výběrem příslušenství od renomovaných výrobců měřicích zařízení.

Související články
Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

Praktický výzkum nám dělá svět lepším

Prof. Ing. Milan Gregor, PhD. se narodil v Prievidzi a dětství prožil v Necpaloch. Zde u příležitosti oslav 600. výročí první písemné zmínky byl v roce 2015 oceněn Cenou primátorky Prievidzy za mimořádné zásluhy v rozvoji hospodářství, vědy a techniky a šíření dobrého jména Slovenské republiky v zahraničí.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Související články
Výzkumná spolupráce dostává firmy na špičku

Spolupráce vědeckých pracovišť a firem může přinášet velmi zajímavé výsledky. V článku jsou popsány tři zajímavé případy z Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT (CIIRC ČVUT).

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

Perspektivy čínského draka

Již několik let vám pravidelně v tomto čase přinášíme reportáže ze dvou klíčových strojírenských veletrhů celého asijského kontinentu, které jsou určitým barometrem srovnání postupného vývoje čínských výrobců obráběcích strojů a komponent, ale i pohledem na zvolené marketingové strategie nadnárodních společností při jejich penetraci na zdejší čínský trh – největší a nejprogresivněji rostoucí na světě. V lichých letech se v Pekingu v dubnu koná veletrh CIMT (China International Machine Tool Show), v sudých přibližně ve shodné době pak v Šanghaji veletrh CCMT (China CNC Machine Tool Fair). Aktuální postřehy z každého dne veletrhu jsme přinášeli prostřednictvím redakčního portálu mmspekturm.com a sociální sítě facebook, s tradičním komplexnějším pohledem na veletrh a čínský komoditní trh jako takový přicházíme nyní.

Veletržní válka světů

Redakce MM Průmyslového spektra věnovala šanghajskému veletrhu obráběcích strojů CCMT 2018 nemalou pozornost ve zpravodajství, které bylo uveřejňováno na webových stránkách v rubrice Očima redakce. V tomto článku a na přiložených obrázcích jsou zaznamenány veletržní postřehy, čínský kolorit, veletržní statistiky i holá fakta z oblasti čínského průmyslu. Něco málo o čínské výrobní technice a technologiích, které byly prezentovány na CCMT 2018, i pár dalších postřehů, jsme připravili do tohoto vydání.

Technologie roku 2018

Další z řady odborných seminářů společnosti Misan v jejím sídle v Lysé nad Labem s názvem Technologie roku 2018 se uskutečnil v únoru ve spolupráci se společností Tungaloy. Hlavními tématy byly automatizace výrobních procesů, monitorování a propojování výrobních strojů a systémů a představení nových výrobních zařízení, nástrojů a technologií, které pak byly následně předvedeny v praktické části semináře při ukázkách obrábění. Bonusem na semináři byla přítomnost chairmana a CEO Okuma Europe a Okuma America Corporation Takeshiho Yamamota a senior manažera z oddělení obchodu Okuma Europe Ralfa Baumanna, kteří poskytli MM Průmyslovému spektru exkluzivní rozhovor.

Open House Pfronten

Koncem ledna 2018 se konalo pravidelné setkání uživatelů technologií DMG Mori ve výrobním středisku ve Pfrontenu. Akci již tradičně podpořila pobočka DMG Mori Czech, která svým parnerům zorganizovala možnost prohlídky sídla mateřské firmy v tomto bavorském městečku na úpatí Alp.

Novinky ze světa 3D tisku

V uplynulém měsíci se v české kotlině seběhlo několik akcí, jejichž společným jmenovatelem byl průmyslový 3D tisk. Představeny byly nové produkční 3D tiskárny, profesionální tiskové materiály a zapomenout nesmíme ani na největší z těchto akcí, výstavu a konferenci 3dexpo.

Diskutovaný Průmysl 4.0

Fenomén Průmysl 4.0, nastínění možných směrů vývoje a příprava společnosti na změny způsobené novými technologiemi – to jsou diskutovaná témata konferencí a seminářů současnosti. Podpora výzkumu a vývoje se musí soustřeďovat na technologicky významné oblasti vycházející z potřeb české průmyslové praxe. Odborníci zdůrazňují potřebu vzdělávání a zvyšování kvalifikace zaměstnanců.

Evropa inovuje: Spojené království

Londýnská vláda může inspirovat tu naši v oblasti vědy a výzkumu, v oblasti spolupráce univerzit a podniků, jakož i v transferu akademických výsledků do průmyslových aplikací. V těchto oblastech za Spojeným královstvím v poměrovém hledisku zaostáváme. Pojďme společně nahlédnout pod pokličku inovací made in UK.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit