Роботы в деревообработке

Сегодня роботами уже мало кого удивишь. Они используются практически в любой сфере деятельности человека. Промышленный робот – это автономно функционирующая автоматическая машина, заменяющая человека при перемещении предметов производства и (или) технологической оснастки. Основой конструкции робота является манипулятор – устройство, предназначенное для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека. Промышленный робот может выполнять большое количество операций. Причем переход от одной операции к другой осуществляется сменой программы в системе управления, а при смене изделия также и заменой захватного устройства.

От традиционных средств автоматизации промышленные роботы отличаются прежде всего универсальностью воспроизводимых движений и быстротой их перенастройки на новые операции. По своему предназначению роботы подразделяются на производственные, выполняющие основные технологические операции типа сварки, сборки, окраски, шлифования и т.п., и вспомогательные роботы, используемые для установки­снятия деталей или инструмента, обслуживания транспортеров и складов. Гораздо реже встречаются универсальные роботы, способные выполнять как основные, так и вспомогательные операции. Кроме того, роботы делятся на специальные, специализированные и универсальные. Специальные роботы выполняют определенную технологическую операцию или вспомогательный переход и обслуживают конкретную модель технологического оборудования. Специализированные роботы предназначены для одной операции, например сборки, окраски, и могут обслуживать уже определенную группу моделей оборудования. Универсальные роботы выполняют разнородные операции с оборудованием различного назначения.

По грузоподъемности промышленные роботы делятся на легкие (до 10 кг), средние (от 10 до 200 кг), тяжелые (до 1 т) и сверхтяжелые (свыше 1 т). По числу степеней подвижности существуют механизмы с двумя, тремя, четырьмя и более степенями подвижности (степенями свободы по осям Эйлера). Управление ими может быть программным или адаптивным. Роботы могут программироваться аналитически, то есть путем расчета программ, или же обучением, когда копируются движения оператора. Конструктивно промышленные роботы выполняются как машины на базе стационарной руки с необходимым набором степеней подвижности (шарниров), по кинематическому строению приближающейся к строению руки человека. Основное требование к конструкции такого механизма – надежность в условиях длительной работы на повторяющихся операциях, точность позиционирования при заданных значениях грузоподъемности и скорости перемещений рабочих органов.

По функциональному назначению технологических роботов можно рассматривать как особую разновидность многоцелевых станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Некоторые операции, например объемная обработка деревянных подошв обуви, могут быть реализованы как с использованием роботов, так и на обрабатывающих центрах. Существуют два классификационных признака, выделяющих технологические роботы в особую группу. Первый – это отношение рабочей зоны робота (области, в которой может перемещаться режущий инструмент) к размерам машины. Рабочая зона обрабатывающего центра обычно существенно меньше самого центра и заключена внутри него, а рабочая зона робота – больше него самого, так что он находится внутри нее. Второй признак – это метод программирования. Закон движения инструмента в станках с ЧПУ программируется в абсолютной системе координат, а у роботов узловые точки задаются методом обучения.

Робототехника для деревообработки

В деревообрабатывающих и мебельных производствах промышленные роботы и отдельные элементы робототехники находят применение как на основных операциях, так и на вспомогательных, чаще всего – переместительных. Наиболее широко в деревообработке технологические роботы применяются на операциях окраски изделий. Как правило, процесс отделки изделий лакокрасочными материалами с помощью пневмопистолета сопровождается выделением в окружающее пространство целого ряда вредных веществ – растворителя, красителя, пленкообразователя, которые оказывают негативные воздействия на здоровье человека. Кроме того, долго удерживать в руках пневмопистолет-распылитель (краскопульт) – задача не из легких. Нанесение лакового покрытия – процедура достаточно утомительная и монотонная и зачастую приводит к перерасходу лакокрасочных материалов и браку на одной из последних стадий технологического процесса.

Поэтому недаром отделка изделий лакокрасочными материалами оказалась одной из первых технологических операций, где людей заменили роботами. Основными преимуществами вне­дрения окрасочных роботов в производство являются: высокая производительность процесса окраски (до 200% в сравнении с человеком), полная повторяемость сложных схем окрашивания от изделия к изделию, возможность работы с токсичными лакокрасочными материалами, максимальное использование рабочего времени (работа без перерывов), гибкость при отделке изделий малых серий, экономия лакокрасочных материалов (при работе в электростатическом поле экономия достигает 40%). Законодателями моды и качества отделки мебели по праву считаются итальянские компании. Примеча¬тельно, что именно итальянские станкостроители одними из первых стали выпускать роботизированное оборудование для обработки изделий лакокрасочными материалами методом рас­пыления.

Примером могут служить роботы Orange и Robi компании CMA Robotics. Механизмы серии Orange в стандартном исполнении конструктивно упрощены и адаптированы для отделки стульев и других подобных изделий. Роботы этой серии имеют пять степеней подвижности. Роботы серии Robi являются более сложными по конструкции и имеют шесть степеней подвижности, что позволяет вращать краскопульт в любом направлении. Роботы этих серий могут выполнять любую линейную работу как с вращением, так и с перемещением изделия. Существует и карусельная версия Robi 6G, у которой на консолях имеются две или три площадки для установки окрашиваемых деталей. Площадки вращаются вокруг оси робота, а также вокруг собственной оси. В этом случае загрузка¬разгрузка изделий осуществляется с тыльной части робота, а окраска – с его фронтальной стороны.

Другим примером окрасочного карусельного робота фирмы CMA Robotics служит модель GR-520. Как и робот Robi 6G, эта модель имеет сварную станину коробчатой формы из стандартных профилей, устанавливаемую на винтовых регулируемых опорах на полу цеха. Внутри станины расположен блок пневматики, привод вращения двухзвенной руки робота вокруг его вертикальной оси. На выходном валу привода вращения находится кронштейн, несущий руку робота, на котором смонтированы приводы угловых перемещений руки, а также балансирующее устройство. Манипулятор робота заканчивается захватным устройством для крепления краскопульта. На верхней платформе станины размещены три консоли с платформами для установки окрашиваемых изделий. Система управления роботом – это отдельно стоящий шкаф, где находятся блоки системы управления приводами для каждой степени подвижности, управляющий компьютер, жидкокристаллический монитор и клавиатура.

Программирование робота может осуществляться как по точкам, когда в его память вносятся дискретные значения точек требуемой траектории движения руки робота, так и способом «обучения». В первом случае компьютер аппроксимирует координаты точек, преобразуя траекторию движения манипулятора с краскопультом в плавную кривую. При этом можно откорректировать как саму траекторию, так и другие параметры движения (скорость перемещения руки и вращения площадок с изделием, настройки краскопульта). Во втором случае программирование обеспечивается считыванием информации с датчиков, контролирующих параметры движения руки робота с приводов по каждой координате. Для этого опытный оператор, установив вместо краскопульта специальный джойстик, выполняет весь цикл окрашивания изделия.

Поскольку в этом режиме весовая балансировка звеньев манипулятора обеспечивается с помощью пневматики, нагрузка на руку «оператора­учителя» незначительна, и информация считывается плавно, без рывков и заеданий. Длительность цикла окраски изделия регулируется от 50 до 200% запрограммированного при обучении. В память системы ЧПУ промышленного робота может быть записано до 9999 программ окраски различных изделий, которые могут редактироваться с помощью встроенной системы блочного программирования. Кроме того, в системе управления робота есть программа самодиагностики, которая контролирует его техническое состояние, наличие ошибок и сбоев, сбор статистических показателей работы с выводом на дисплей соответствующих параметров.

Робот может быть как стационарным, установленным на неподвижной станине (Orange ST), так и иметь возможность линейного перемещения по направляющим неподвижного основания (Robi 5С). При этом для комплектования сложных окрасочных линий возможен его монтаж непосредственно на стену или потолок цеха. Как правило, окрасочные роботы взрывобезопасны, что позволяет их эксплуатировать с пожароопасными лакокрасочными материалами. Аналогичные модели окрасочных роботов выпускает и другая итальянская фирма Robotic & electronic solutioms (RES). Другим примером использования технологических промышленных роботов в мебельном производстве является автоматизация процесса шлифования сложных трехмерных деталей (3D) из массива древесины, например фигурных декоративных мебельных накладок, на основе робота, разработанного швейцарской фирмой Wood Unlimited.

Обычно для подобных деталей свойственны отклонения в размерах и форме, нежелательные острые края, сколы и зазубрины после процесса фрезерования, которые затем приходится долго и монотонно удалять шлифованием. Чтобы облегчить этот процесс, компанией были предложены шлифовальный инструмент и роботизированная технология автоматического шлифования сложных деталей, имеющих боковые профильные кромки, которые раньше можно было обрабатывать только вручную. Погрешности формы и размеров, полученные после фрезерования, сглаживаются, и даже мелкие закругления, фаски и профили отшлифовываются весьма качественно. Робот модели Wood solid¬3D 300 при наличии стабильного обеспечения заготовками может работать без оператора до десяти часов. Этой же фирмой для шлифования фигурных и гнуто­клееных деталей, например спинок-сидений стульев, рекомендуется модель промышлен­ного робота Wood contour 200. Раньше на обработку таких заготовок уходила масса времени.

Для автоматизации операции шлифования был разработан специальный модуль-шаблон, на котором такие детали можно не только шлифовать, но и фрезеровать по контуру. За счет этого отпадает необходимость их обработки на фрезерных станках с ЧПУ или обрабатывающих центрах, а также процесса загрузки-выгрузки. Однажды конструкторы Wood Unlimited столкнулись с необычным заказом – владелец австрийской обувной фабрики обратился с просьбой создать робот, который мог бы выполнять операции фрезерования и шлифования деревянных подошв для эксклюзивной обуви. Задача была сложной, но и интересной: автоматизированное изготовление детали, состоящей практически только из свободно¬пространственных форм (3D), причем в распоряжение конструкторов была передана только модель подошвы – деревянная болванка и никаких данных САПР.

Размеры обуви нужны были самые разные – от 26-го до 50-го, в каждом из которых еще и по две разных детали – для левой и правой туфли. Основными задачами проекта являлись фрезерование 3D-контура детали, шлифование грубо отфрезерованной формы ложа подошвы и обеспечение базирования и надежной фиксации различных моделей подошв. Поскольку форма заготовок не позволяет укладывать их друг на друга, а для того, чтобы раскладывать их на плоскости, не хватало производственных площадей, было предложено в качестве магазина заготовок использовать стену, расположенную в рабочей зоне робота, на которой в несколько параллельных рядов расположили специальные крючки для ориентированной подвески заготовок. При этом робот снимает заготовку прямо со стены, а на ее место вешает готовую деталь. В качестве захватного устройства для заготовки была предложена оригинальная вакуумная система, которую можно быстро менять в зависимости от той или иной модели обуви.

Однако, поскольку при фрезеровании на отдельных участках заготовки перепад по высоте за один проход достигал до 25 мм при ее толщине в 80 мм, а поверхность имеет значительную шероховатость, сил вакуумного захвата для удержания детали оказалось недостаточно. В итоге была разработана комбинированная конструкция захватного устройства, в которой использовались дополнительные механические зажимы, автоматически выдвигаемые и убираемые во время работы. Для качественного фрезерования конструкция руки робота вместе с захватным устройством должна быть достаточно жесткой и виброустойчивой. Для этого были использованы фрезы с винтовым расположением режущих пластинок. Прежде чем форма и поверхность подошвы примет свой окончательный вид, заготовка минимум восемь раз шлифуется. В частности, обработка эргономичной формы ложа подошвы требует выполнения наиболее сложных операций и специально разработанных шлифовальных инструментов.

Программирование всего технологического процесса обработки выполнялось в режиме of-lain с помощью специальных программ автоматизированного проектирования Famos. Модель 3D-CAD изделия была получена сканированием деревянной болванки подошвы точно по ступне. Разработанная программа процесса изготовления детали состоит из более чем 150 пошаговых команд. Еще одним примером использования технологических промышленных роботов в деревообработке может служить производство дубовых бочек на заводе Taransaud в провинции Коньяк (Франция). Клепка изготавливается из дуба возрастом не менее 150 лет, распиливаемого на доски на ленточнопильном оборудовании. Затем в течение двух¬трех лет она высушивается на воздухе. По истечении этого срока высушенная клепка проходит операции торцовки, пригонки и фугования.

Собранная бочка нагревается, в результате чего древесина становится более пластичной и высвобождает аромат, характерный для дуба. Непосредственно перед процессом сушки дубовая клепка должна быть проверена на отсутствие дефектов, промаркирована и рассортирована по размерам. Необходимое число клепочных досок для годовой программы предприятия составляет порядка 10 млн шт. Для ускорения процесса входного контроля, определяющего в значительной степени качество клепки, на заводе Taransaud провели автоматизацию.

Японская фирма Fanuc Robotics поставила оборудование для участка входного контроля и сортировки заготовок клепки на базе промышленного робота Fanuc R2000A. Были роботизированы следующие операции: разгрузка паллеты с клепкой сразу после доставки, контроль качества клепки (бракованная клепка откладывается в сторону), контроль размеров, расчет объема, укладка на специальные поддоны для атмосферной сушки, маркировка партии клепки штриховым кодом. Роботизированный участок может работать с тремя форматами поддонов и выполнять 11 видов сортировок заказов по качеству для вызревания. Производительность участка позволяет контролировать до 1600 клепочных досок в час. Возможна работа участка и в реализации непрерывного потока сортировки и укладки клепки. Кроме этого, на ряде европейских деревообрабатывающих и мебельных предприятий были установлены роботизированные комплексы японской фирмы Fanuc Robotics, предназначенные для транспортировки и отделки стульев, для сшивания проволочными элементами деталей корпусной мебели при сборке, для шлифования мебельных деталей, укладки деревянных деталей на паллеты, разгрузки паллет, перемещения деревянных де¬талей в процессе обработки.

Все чаще в составе деревообрабатывающих автоматических линий, обрабатывающих центров встречаются отдельные участки на основе роботизированных агрегатов. Так, например, немецкая фирма Hundegger, широко известная в России производителям комплектных деревянных домов, установила в свой комбинированный станок модели K2i для столярных и плотничных работ роботизированный пятиосевой агрегат. Благодаря этому станок получил возможность осуществлять обработку заготовки по всем шести степеням свободы. Каждая деталь может быть изготовлена без кантования со всех шести сторон за один проход через станок. Используя 16-местный инструментальный магазин с большим выбором режущего инструмента, роботизирован­ный агрегат может выполнить обработку практически всех деталей, входящих в комплект деревянного дома – брусьев, стропил, балясин с различными видами врубок, шипов, гнезд любых форм и размеров.

В России промышленные роботы выпускаются только на одном предприятии – ОАО «АвтоВАЗ», и то небольшими партиями 100–150 единиц в год, в основном для нужд самого завода. Это технологические роботы малой грузоподъемности (всего 1 кг) для легких слесарно¬сборочных работ. Естественно, применения в деревообработке такие роботы не нашли. В 80-х гг. прошлого века во Всесоюз­ном научно¬исследовательском институте деревообрабатывающего ма¬шиностроения (ВНИИДМаш) был разработан стационарный автоматический манипулятор модели МЩ c поворотом руки, оснащенной вакуумными присосками, вокруг вертикальной оси. Он предназначался для загрузки-выгрузки и переориентации мебельных щитов в составе различных автоматических линий мебельного производства. Был изготовлен его опытный образец и проведены приемочные испытания. Однако в связи с изменением экономической ситуации в стране до серийного производства дело так и не дошло.