Robotizace v těžkém průmyslu

O návrh řešení na odstranění fyzicky náročné práce při odhrotování čel kruhových a čtvercových sochorů pomocí automatizace a robotizace byla v roce 2017 požádána společnost DEL. Při stávajícím dělení sochorů kotoučovou pilou na obchodní délky vznikaly na jejich čelech otřepy, které měly negativní vliv na návazné technologie. (Odstranění těchto otřepů pak dále nazýváme „odhrotování“.) Odhrotováním rozumíme sražení hrany čela sochoru na rozměr 2 ÷ 3 mm x 45° s přesností 0,5 mm.

„Aby nemusely být otřepy odstraňovány ručně nebo poloautomatickým mechanickým odhrotovačem, bylo zapotřebí proces zautomatizovat a robotizovat. To zároveň uspoří pracovní sílu a zvýší kvalitu produktů,“ vysvětluje Jiří Kabelka, předseda představenstva společnosti DEL.

Vstupním materiálem jsou válcované kvadráty z konstrukční oceli 70 x 70 mm až 240 x 240 mm a tyče Ø 70 mm až Ø 300 mm o délce až 14 m. Vzhledem k hmotnosti polotovarů lze mechanicky zajistit zastavení čela v kostce 100 x 100 x 100 mm. Celý cyklus odhrotování průměrně trvá do 45 sekund.

Celá úloha je rozdělena na čtyři dílčí problémy. Prvním je manipulace s materiálem, který je předmětem odhrotování. Následuje detekce materiálu pro provádění vlastního odhrotování. Třetím v pořadí je provedení vlastního odhrotování, po němž jako čtvrté následuje ověření výsledků odhrotování.

Koncepce řešení je postavena na nasazení robotu, který řeší vlastní odhrotování, a kamerovém systému, který se stará o detekci materiálu, resp. prověření kvality provedeného odhrotování.

Pro manipulaci s motorovým vřetenem a brousicím nástrojem byl použit průmyslový robot pro obráběcí operace. Pro získávání informací o procesu broušení byl robot na 6. ose vybaven tenzometrickou jednotkou, která komunikuje s řídicím systémem robota a umožňuje upravovat rychlost a přítlačnou sílu nástroje.

Pro pohon brusného kotouče bylo potřeba nalézt motorové vřeteno s dostatečně vysokými otáčkami a výkonem, s možností pro automatickou výměnu nástrojů. Optické senzory, které zachytí polohu sochoru v požadované přesnosti, jsou schopny po odhrotování zkontrolovat jeho stav.

Po vytipování nosných zařízení bylo vytvořeno uspořádání všech zařízení pracoviště ve dvou kabinách pro odhrotování. Byly použity 3D modelování a 3D simulace robotů, prověřující umístění robota, jeho dosahy a bezkolizní pohyby. Vznikla tak dvě pracoviště umístěná do protihlukových kabin. V následných simulačních testech byly vyřešeny další technické, elektronické a softwarové problémy.

Dle zkušeností zákazníka s ručním odhrotováním byl požadavek na odstranění otřepů nasměrován na obrábění broušením. Bylo tedy nutné na rameno robota umístit příslušně dimenzované motorové vřeteno s mechanismem na automatizovanou výměnu brusného nástroje. Zpočátku byl požadavek na použití stejných brusných kotoučů, které používal zákazník, tj. s dobrým poměrem ceny, výkonu a životnosti. Testy ale prokázaly, že tyto typy kotoučů nevyhovují nové aplikaci, protože jejich nevyváženost se ihned projevila jako nepřekonatelný problém. Aby byly použitelné, musely by projít procesem vyvážení, což významně zvyšovalo cenu nástroje a provozní náklady. Po konzultacích s výrobci a dodavateli kotoučů byly vytipovány a testovány nové kotouče. Jako nejvhodnější byl zvolen relativně levný brusný kotouč bez potřeby vyvažování a s dobrým poměrem ceny a výkonu, navzdory jeho nižší životnosti.

Systém je vybaven automatickou výměnou brusných nástrojů. V zásobníku je připraveno až pět nástrojů. Pokud je detekováno nadměrné opotřebení nebo nedostatečná vyváženost, dojde k automatickému odložení uchopeného nástroje a upnutí nástroje z pozice, kam obsluha vložila a označila nový nástroj.

Samotné broušení probíhá hranou tenkého válcového kotouče, bylo tedy nutné korigovat trajektorii broušení s ohledem na opotřebení – snižování průměru. V řídicím systému jsou definovány strojové konstanty, které popisují model opotřebení v závislosti na odbroušené dráze. Tento model je korigován po periodickém změření průměru nástroje po odbroušení nastavené dráhy.

Poloha a „odolnost“ otřepů sochorů není dána, není tedy možné při broušení postupovat konstantní rychlostí. Rychlost je třeba regulovat dle změřené síly přítlaku při broušení. Mezi vřetenem a přírubou robota je proto tenzometrické čidlo, které při navýšení síly generuje snižování rychlosti broušení. Pokud síla překročí mez i při nejnižší rychlosti posunu, robot se pokusí otřep odstranit korigováním trajektorie – od hrany se o několik milimetrů vzdálí, a poté se vrátí a pokračuje v původní trajektorii.

Protože nelze zajistit přesnou polohu a tvar odhrotovaného sochoru, je třeba tuto informaci zjistit zaměřením pomocí senzorů. K tomu slouží trojice profilometrických čidel – 3D kamer. „Dvě pevné kamery zjišťují polohu a tvar obvodu řezu kolmého na podélnou osu sochoru a jedna pohyblivá kamera měří polohu a náklon čela sochoru. Je tak zajištěno, že měřicí systém není závislý na velikosti, poloze a tvaru otřepů vzniklých při příčném dělení okružní pilou,“ říká Jiří Kabelka z DEL.
Jednotlivá profilometrická čidla jsou spojena průmyslovým ethernetem a komunikují s vyhodnocovací aplikací na panelovém průmyslovém počítači. Díky omezení sortimentu tvaru řezu sochorů na kvadráty a válce je výsledkem měření několik charakteristických hodnot popisujících polohu středu čela sochoru v kartézských souřadnicích, včetně úhlu natočení dle jednotlivých os.

Naměřené informace jsou předány do řídicího systému robota a je z nich vypočtena trajektorie pohybu nástroje ve vřetenu robota. Měřicí systém je schopen opakovaně měřit s přesností na zhruba 0,5 mm, což vyhovuje požadované toleranci odhrotování.

Čelo sochoru je po jednom cyklu odhrotování podrobeno kontrolnímu měřicímu cyklu. Ten zjistí, zda byly odstraněny všechny otřepy, které by mohly způsobit škody v následných technologiích. Kontrolní systém při detekci otřepu navrhne korekci trajektorie robota a pokusí se otřep odstranit při druhém průchodu broušením. Pokud otřep není odstraněn ani při druhém broušení, je pravděpodobně přitaven jinde než na hraně čela sochoru, a tudíž je broušením hrany neodstranitelný. Tuto informaci subsystém odhrotování předá nadřazenému systému. Otřep může být odstraněn na dalších pracovištích.

Nasazení robotů a moderní senzoriky se začíná postupně prosazovat i v náročných podmínkách těžkého strojírenství a v budoucnu se i v tomto sektoru předpokládá vyšší implementace prvků Průmyslu 4.0.

Ing. Radek Zavadil a Ing. Petr Jagoš, DEL

david.stepanek@del.cz

www.del.cz

Něco navíc...

Produktové video z provedených zkoušek broušení ve společnosti DEL