Казус 1: Пластмасови челюсти за пневматичен грайфер

Автоматизираните CNC машини отдавна са стандартно оборудване в металообработващата индустрия, но свързването на всички различни операции в напълно автоматизиран поток все още изисква човешка намеса. Компании като DoosanRobotics са разработили роботи с шест оси, които с помощта на различни крайни инструменти (захващащи устройства, вендузи и т.н.) могат да изпълняват много сложни задачи, намалявайки нуждата от човешки труд при повтарящи се задачи. Могат ли обаче тези роботи да се справят с най-обикновената операция – зареждане и разтоварване на детайли от CNC мелницата?

Какви са бариерите пред един напълно автоматизиран цех?

За повечето части производственият процес е разделен на две стъпки – обработка на горната и страничните повърхности (1) и обработка на долната повърхност (2). За да може роботът да преодолее празнината между двете операции, роботът трябва да бъде оборудван с подходящ инструмент, който може да обработва заготовката и обработения компонент прецизно и сигурно (един такъв инструмент е Schunk grapper). Обикновено се използват два комплекта челюсти за захващане – стандартни успоредни челюсти за задържане на заготовката и изработени по поръчка челюсти, които пасват на частично обработения детайл (например цилиндричен детайл от едната страна на детайла, създаден с първата операция в мелницата). 

Персонализираните челюсти често се изработват от алуминиеви блокове с точната форма, която трябва да пасне във вътрешността. Подготовката на тези челюсти изисква самостоятелна инвестиция на време и средства. Веднъж произведени, алуминиевите челюсти не позволяват почти никакви промени в дизайна на частта, която държат, и ако бъдат направени промени, комплектът челюсти вече не може да се използва. Освен това в някои случаи процесът не може да бъде автоматизиран, тъй като стандартните и потребителските челюсти трябва ръчно да се сменят между операциите. Съвременното решение на всички тези проблеми е 3D-принтирането.

Фигура 1 – сили, действащи върху челюстите по време на употреба

Бързо, лесно, евтино

В първи статия от поредицата описахме изискванията, на които трябва да отговаря една метална част, за да бъде заменена с 3D отпечатана. В случая на челюстите на захващане са изпълнени всички условия:

• Захващането и преместването на малки до средни части упражнява сили под 1500 N и пластмасовите челюсти няма да имат проблем да ги издържат. Това включва и циклично натоварване – комплектът челюсти, които в момента имаме в сервиза, е използван за повече от 20 000 цикъла.
• Температурата на околната среда в цеха е около 25 градуса по Целзий.
• Имаме нужда само от няколко комплекта челюсти, за да не се произвеждат големи партиди.

Но защо все пак ще искаме пластмасови части? Ето някои добри причини: 

• 3D печатът позволява много сложни дизайни без производствени разходи. Това ни дава възможност да създаваме челюсти с множество интерфейси, които ще могат да захващат обработения детайл във всички етапи на неговото производство. Както може да се види на Фигура 2, интерфейсите могат да бъдат разположени от двете страни на челюстите (плосък интерфейс от едната страна, извит интерфейс от другата страна), увеличавайки максимално броя на формите, които могат да бъдат манипулирани с комплекта.
• Времето за изработка на комплект челюсти с размери 100 х 40 х 15 мм е само 2 часа, без да е необходима допълнителна обработка. Според калкулатора на сайта ни цената е 35 лв. към март 2023 г.
• В случай, че дизайнът на обработената част бъде променен по някакъв начин, пластмасовите челюсти могат лесно да бъдат модифицирани в 3D модела и отпечатани отново само за няколко часа. По подобен начин може да се създаде нов комплект, ако челюстите са повредени или износени
• Пластмасите са много по-меки от метала и отпечатаните челюсти никога не могат да надраскат или повредят обработваната част. Външният вид на частта е първият знак за добро (или лошо) качество на работата

Фигура 2 – интерфейси от двете страни на челюстите – плоски (отвътре) и извити (отвън)

Тайните на добрия дизайн

Създаването на добър инструмент изисква внимателно проектиране в различни области – производство, употреба, надеждност, поддръжка. Ето какво взехме предвид при създаването на пластмасовите челюсти:

• За да намалим времето за производство, сложността на управлението на склада и времето за престой, загубено при подмяна на челюсти между различни операции и части, искахме да включим възможно най-много интерфейси в комплекта челюсти. На фигури 2 и 3 можете да видите трите интерфейса, които успяхме да комбинираме – цилиндричен захват за формата след първата операция; равна повърхност от вътрешната страна за заготовката; наличен втори плосък захват с различен размер, ако се използва външният интерфейс. Комбинираният комплект челюсти ни позволява да автоматизираме целия производствен процес за детайла на фигура 3 – зареждане на заготовката, смяна на ориентацията след първата операция и разтоварване на готовия продукт след втората операция.

Фигура 3 – един и същ комплект челюсти може да се използва за множество операции

• Много важно съображение при проектирането е изчисляването на цикличните и пиковите сили, които действат върху челюстите. Както геометричният дизайн, така и параметрите на 3D принтера се основават на това изчисление. На фигура 1 можете да видите основните сили, действащи върху челюстите – вертикални сили, които се появяват при повдигане (червено) и хоризонтални сили, дължащи се на захващане на детайла (синьо). Като взехме предвид изчисленията на силата и следвайки най-добрите практики за проектиране, ние разработихме подходящата геометрия. Що се отнася до самия печат, използвахме 80 % плътност на пълнежа и надеждната PETG пластмаса. Освен това нишковидните слоеве са успоредни на хоризонталните сили, където се изисква най-голяма якост.
• Колаборативните роботи на Doosan могат да постигнат повторяемост от 0,1 mm. Имахме нужда от сигурен и прецизен начин за монтиране на персонализираните отпечатани челюсти към робота, за да увеличим максимално неговите възможности. Тъй като технологията за 3D печат все още не може да поддържа такива малки допуски, използвахме добре познат трик, за да свършим работата – метални вложки (Фигура 4). В задната част на всяка челюст е оставен специален слот за вложки с тесен толеранс (h7) – те гарантират, че относителната позиция между робота и челюстите е винаги еднаква.

Фигура 4 – прецизен монтаж на челюстите благодарение на фиксиращите вложки

Заключение

3D отпечатаните челюсти за захващане определено са успешни – използваме ги от месеци в нашата работилница без проблеми.

Темата за следващата седмица е свързана с една на пръв поглед незначителна дейност – почистване на масата на мелницата. Въпреки че много оператори пренебрегват тази част от работата, наличието на метални стърготини ограничава автоматизацията и може да причини неправилно подравняване и ожулени части. Предлагаме просто, но ефективно решение. 

До другата седмица!