ЧПУ-обработка: ключ к успеху в робототехнике

Роботы сегодня везде — в кино, аэропортах, пищевом производстве, даже на заводах, делающих других роботов. У них много функций, и по мере удешевления и упрощения производства они всё чаще встречаются в промышленности. С ростом спроса на робототехнику и необходимостью удержать темп, основным методом производства робототехнических деталей является ЧПУ-обработка. Читайте далее о стандартных механических компонентах, подходящих материалах и почему ЧПУ-обработка так важна для роботостроения.

ЧПУ-обработка идеально подходит для роботов

С одной стороны, ЧПУ обеспечивает экстремально короткие сроки производства. Почти сразу после готовности 3D-модели можно начать изготовление компонентов на ЧПУ-станке. Это позволяет быстро итеративно прототипировать и оперативно поставлять кастомные робототехнические детали для специальных применений.

Другое преимущество — способность производить детали точно по спецификации. Производственная точность критична для робототехники, где размерная точность — залог высокопроизводительных роботов. Высокоточная ЧПУ-обработка удерживает допуски ±0,015 мм, что обеспечивает точные и повторяемые движения, за которые ценят роботов.

Качество поверхности — еще одна причина использовать ЧПУ для робототехнических деталей. Взаимодействующие части должны иметь низкое трение, и высокоточная ЧПУ-обработка дает шероховатость до Ra 0,8 мкм, и еще ниже после пост-обработки (полировка). В отличие от этого, литье под давлением (до отделочных операций) дает шероховатость ~5 мкм. Металлическая 3D-печать дает еще более грубую поверхность.

Наконец, материалы роботов идеально подходят для ЧПУ. Роботы должны стабильно двигаться и поднимать грузы — нужны прочные, жесткие материалы. Эти свойства лучше всего достигаются обработкой определенных металлов и пластиков (см. раздел «Материалы» ниже). Кроме того, роботы часто делаются на заказ или мелкими сериями, что делает ЧПУ естественным выбором.

Типы робототехнических деталей, изготавливаемых ЧПУ

Существует много типов роботов. Основные: манипуляторы с множеством шарниров; SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) — перемещают объекты между двумя параллельными плоскостями, обладают высокой вертикальной жесткостью; Дельта-роботы — шарниры внизу, легкие руки, высокие скорости; портальные/картезианские — линейные приводы, движущиеся под 90°. У всех разные конфигурации и применения, но общие пять главных компонентов: манипулятор, рабочий орган (энд-эффектор), двигатель, контроллер, сенсор.

Роботизированная рука (манипулятор)

Форма и функция манипуляторов сильно варьируются, но общее — способность двигать объекты или выполнять операции — в отличие от человеческой руки! Разные части даже названы по аналогии: плечо, локоть, запястье — вращаются и управляют движением промежуточных звеньев.

Конструктивные детали манипулятора должны быть жесткими и прочными для подъема грузов или приложения усилий. ЧПУ — правильный выбор благодаря материалам (сталь, алюминий, некоторые пластики). Мелкие детали — шестерни, подшипники в шарнирах, элементы обтекателей — также изготавливаются ЧПУ.

Рабочий орган (энд-эффектор)

Энд-эффектор — насадка на конец манипулятора. Позволяет менять функционал робота без создания нового. Это могут быть захваты, вакуумные чашки, присоски.

Обычно имеют ЧПУ-компоненты из металла (чаще алюминий). Один компонент постоянно закреплен на руке робота. Сам захват/присоска соединяется с этим элементом, что позволяет управлять им манипулятором. Такая двухкомпонентная схема упрощает смену энд-эффекторов для адаптации к разным задачам. На фото: нижний диск болтится к совместимой детали на руке, подключая шланг вакуума к пневмосистеме робота. Оба диска — ЧПУ-детали.

Приводной двигатель робота

Каждому роботу нужны двигатели для движения рук и шарниров. Серводвигатели применяются для питания движений.

У двигателя много движущихся частей, многие из которых можно изготовить ЧПУ. Типично: механически обработанный корпус для силовой части, крепежные кронштейны для соединения с манипулятором (обычно ЧПУ). Подшипники и валы робота — ЧПУ. Оси робота можно точить на токарном ЧПУ или фрезеровать для специальных фигур.

Наконец, шестерни, передающие движение от двигателя к шарнирам или другим узлам, можно изготовить ЧПУ-фрезеровкой, электроэрозией или закаточной машиной.

Контроллер

Контроллер — мозг робота, управляющий точными движениями. Как компьютер робота, он принимает данные от сенсоров и корректирует программу управления выходом. Требует печатной платы (PCB) для размещения электроники. Эту ПП можно изготовить ЧПУ по нужным размерам и форме перед монтажом электроники.

Сенсор

Сенсоры получают информацию об окружении и передают контроллеру. Также требуют ПП, изготавливаемую ЧПУ. Иногда сенсоры размещают в ЧПУ-корпусах.