Гуманоидные роботы объединяют двигатели, редукторы, подшипники, датчики, конструктивные элементы, электронику и системы терморегулирования в машину, которая должна оставаться легкой, многократно перемещая динамические нагрузки. Поэтому механическая задача отличается от задачи, стоящей перед традиционным промышленным оборудованием: каждый грамм движущейся массы влияет на крутящий момент и инерцию в суставах, но агрессивное снижение веса может уменьшить жесткость, соосность подшипников и срок службы.
Вследствие этого во многих компонентах человекоподобных роботов используются тонкостенные конструкции, глубокие внутренние полости, прецизионные подшипниковые опоры, сложные многоосевые монтажные поверхности и высокопрочные легкие материалы. Точная обработка на станках с ЧПУ широко применяется для корпусов шарниров, компонентов приводов, выходных фланцев, корпусов датчиков, креплений камер и конструкционных соединителей, особенно на этапе прототипирования и мелкосерийного и среднесерийного производства.
Как архитектура человекоподобных роботов влияет на производство
Не существует единой архитектуры приводов, используемой для всех человекоподобных роботов. В зависимости от крутящего момента, скорости, возможности обратного хода, габаритов, ударной нагрузки и требований к управлению могут использоваться волновые редукторы, планетарные редукторы, циклоидальные системы, квазипрямоприводные приводы и линейные винтовые механизмы.
Это важно для производства, поскольку каждая архитектура отдает приоритет различным характеристикам. Для волнового соединения требуется точное выравнивание редуктора, планетарный привод может уделять больше внимания опоре подшипников и интеграции двигателя, в то время как линейный привод требует прецизионных винтовых, шарнирных и скользящих интерфейсов. Поэтому не существует универсального «допуска для человекоподобного робота»; функциональные особенности должны определять требования к чертежам.
Компоненты человекоподобных роботов, имеющие отношение к обработке на станках с ЧПУ.
Корпуса шарниров и приводов
Корпуса шарниров поддерживают двигатель, редуктор, подшипники, энкодер и иногда датчик крутящего момента, передавая при этом структурную нагрузку на конечность. Типичные корпуса могут включать в себя большие центральные отверстия, противоположные посадочные места для подшипников, поверхности для крепления двигателя, полости для прокладки кабелей и несколько угловых соединений.
Эти заготовки отлично подходят для 5-осевой обработки, поскольку позволяют изготавливать множество геометрически связанных элементов за меньшее количество переналадок. Главная производственная проблема заключается в поддержании соосности после удаления значительной части исходной заготовки.
Интерфейсы прецизионных редукторов
Редукторы, такие как волновые, планетарные и циклоидальные системы, содержат специализированные зубчатые компоненты, но окружающий корпус редуктора, выходной фланец, опора подшипника и адаптер двигателя являются более типичными деталями, изготовленными на станках с ЧПУ.
Работоспособность редуктора часто в значительной степени зависит от соотношения между осью двигателя, подшипниками, осевой линией редуктора и выходным интерфейсом. Сохранение этих соотношений с помощью стратегии единой базовой точки важнее, чем применение чрезмерно жестких допусков к нефункциональным внешним поверхностям.
Корпуса двигателей без рамы
В компактных роботизированных приводах все чаще бескаркасные двигатели интегрируются непосредственно в конструкцию шарнира. Это позволяет отказаться от традиционного корпуса двигателя и повысить эффективность компоновки, но при этом ответственность за размеры перекладывается на обработанный корпус.
Корпус может одновременно обеспечивать позиционирование статора, подшипников ротора, энкодера и входной оси редуктора. Поэтому отверстия для подшипников, диаметры для позиционирования статора и монтажные поверхности становятся критически важными элементами при механической обработке.
Корпуса и гибкие элементы датчиков крутящего момента
Датчики силы и крутящего момента важны для управления роботами, обладающими высокой гибкостью. Корпуса датчиков крутящего момента часто содержат тонкие упругие балки, спицы или перемычки, предназначенные для небольшой деформации под нагрузкой.
Производственная задача отличается от задачи изготовления жесткого корпуса. Симметрия толщины, остаточные напряжения и локальная геометрия влияют на жесткость и чувствительность датчика. Агрессивное зажимание или асимметричная обработка могут изменить упругие свойства, даже если внешние размеры кажутся правильными.
Крепления для датчиков изображения и камер
Крепления камеры и датчика глубины могут казаться механически простыми, но они могут влиять на калибровку датчика. Важными особенностями часто являются взаимосвязь между оптической осью, поверхностью крепления, печатной платой и базовой точкой робота.
Вместо того чтобы устанавливать произвольный универсальный допуск, например, 0.005 мм, на чертежах следует контролировать положение отверстия, перпендикулярность, положение штифтового отверстия и конкретные элементы, влияющие на оптическую юстировку.
Легкие структурные компоненты
Каркасы рук, ног и туловища должны передавать динамические нагрузки, минимизируя при этом массу. В зависимости от нагрузки и геометрии обычно рассматриваются конструкции из алюминия, титана и гибридных материалов на основе углеродного волокна и металла.
Длинные звенья из углепластика могут обеспечить высокую удельную жесткость, а обработанные на станке алюминиевые или титановые концевые фитинги создают точные соединения для подшипников, крепежных элементов или смежных соединений.
Ловкие компоненты кисти
В кистях рук человекоподобных роботов имеются миниатюрные стержни, звенья пальцев, направляющие сухожилий, держатели шкивов, опоры подшипников и структуры ладоней. Здесь задача обработки смещается от удаления больших объемов материала к контролю очень мелких деталей и закреплению заготовки.
Полиэфирэфиркетон (PEEK) может быть полезен для изоляторов, направляющих, втулок и некоторых легких конструкций, но его не следует автоматически считать стандартным материалом для захвата пальцами. Фактические поверхности захвата часто требуют использования эластомеров или других податливых материалов.
Какие детали человекоподобных роботов лучше всего подходят для обработки на станках с ЧПУ?
| часть | Материалы | Почему обработка на станках с ЧПУ является подходящим вариантом? | Основная проблема |
|---|---|---|---|
| Совместное жилье | 6061, 7075 | Сложная многогранная геометрия | Выравнивание и деформация подшипников |
| Корпус редуктора | Алюминий, сталь | Интерфейсы прецизионных редукторов | концентричность |
| Различные выходные фланцы | 7075, титан, сталь | Высокоточный интерфейс для работы под большой нагрузкой | Положение биения и окружности болта |
| Корпус двигателя | алюминий | Интегрированное расположение статора и подшипника | Геометрия отверстия и тепловая посадка |
| Вал | сталь, нержавеющая сталь, титан | Точность вращения | Округлость и биение |
| корпус датчика крутящего момента | Алюминий, титан, нержавеющая сталь | Прецизионные упругие конструкции | Симметрия толщины |
| Крепление камеры | алюминий | Оптическое выравнивание | Базовое положение |
| Структурный соединитель | 7075, титан | Высокая прочность при малой массе | Пятиосевая геометрия |
| Концевой фитинг из углепластика | Алюминий, титан | Прецизионный композитный интерфейс | Положение отверстия и поверхность склеивания |
| Корпус электроники | 6061 | Конструкция плюс теплоотвод | Плоскостность и герметичность |
| направляющая/изолятор из PEEK | PEEK | Полимерная деталь малого объема | Заусенцы и деформация |
Материалы для деталей человекоподобных роботов, изготовленных на станках с ЧПУ.
7075-T651 Алюминий
Сплав 7075-T651 привлекателен для высоконагруженных легких конструкций, поскольку его типичные характеристики позволяют достичь предела прочности на растяжение приблизительно в 572 МПа и предела текучести в 503 МПа. Состояние T651 обеспечивает механическую стабилизацию напряжений, что полезно для компонентов, подвергающихся интенсивной механической обработке.
Типичные области применения включают корпуса соединений, конструкционные узлы, фланцы, подверженные высоким нагрузкам, и компактные детали приводов. Однако даже в состоянии T651 удаление большого количества материала может снять остаточные напряжения, поэтому геометрию тонкостенных элементов и последовательность обработки по-прежнему необходимо контролировать.
Алюминий 6061-T6/T651
Сплав 6061, как правило, обладает меньшей прочностью, чем 7075, но лучшей коррозионной стойкостью, свариваемостью и свойствами при анодировании, а также более низкой стоимостью. Типичные значения прочности пластин из сплавов T6/T651 составляют около 310 МПа на растяжение и 276 МПа на текучесть.
Он подходит для корпусов электронных устройств, соединений, подверженных умеренным нагрузкам, креплений камер и несущих конструкций, где повышенная прочность сплава 7075 не требуется.
Ti-6Al-4V
Сплав Ti-6Al-4V обладает высокой прочностью при меньшей плотности, чем сталь, с типичными значениями минимальной прочности после отжига около 896 МПа на растяжение и 827 МПа на предел текучести. Он полезен в тех случаях, когда алюминий не обеспечивает достаточной прочности в пределах доступного размера сечения.
Потенциальные области применения включают высоконагруженные соединительные элементы, компактные валы и конструкционные узлы. Недостатком является стоимость обработки, поскольку титан обладает низкой теплопроводностью, из-за чего тепло от резания концентрируется вблизи режущей кромки инструмента.
Сталь
Сталь по-прежнему важна для шестерен, валов, штифтов и компонентов, подверженных контактным напряжениям, где износостойкость, усталостная долговечность или компактные размеры важнее плотности. Компонент из высокопрочной стали иногда может быть меньше, чем его алюминиевый аналог, частично компенсируя недостаток плотности материала.
PEEK
Полиэфирэфиркетон (PEEK) может быть полезен в тех случаях, когда электрическая изоляция, малая масса, износостойкость или химическая стабильность важнее, чем структурная жесткость. Области применения включают втулки, направляющие, изоляторы и некоторые компоненты концевых захватов.
Углепластика
Углеродные композиты обеспечивают превосходную удельную жесткость и могут быть эффективны для длинных звеньев роботов. Характеристики зависят от ориентации волокон и конструкции ламината, поэтому утверждения типа «в пять раз прочнее стали» слишком упрощены.
После укладки композитных материалов из углеродного волокна обычно требуется дополнительное сверление и обрезка. Анизотропная структура материала делает расслоение, вырывание волокон и износ инструмента важными проблемами при механической обработке.
Проблемы обработки деталей человекоподобных роботов на станках с ЧПУ
Искажение тонкостенного корпуса
Корпус соединения может начинаться с толстой заготовки и заканчиваться тонкой оболочкой после удаления большей части материала. Остаточные напряжения перераспределяются в процессе обработки, а усилие зажима может временно деформировать тонкие участки.
В стабильном технологическом процессе сначала может быть выполнена черновая обработка всей геометрии, затем установлена временная опора вокруг чувствительных стенок, что позволит детали стабилизироваться, а затем завершена обработка подшипниковых и крепежных элементов.
Отверстие подшипника и выравнивание вала
Подшипники, редукторы и оси двигателей часто имеют общую функциональную осевую линию. Одного допуска по диаметру недостаточно; также могут иметь значение округлость, цилиндричность, биение и перпендикулярность.
По возможности, соответствующие отверстия и монтажные поверхности следует обрабатывать с использованием единой схемы или единой базовой системы.
Гибкие компоненты трансмиссии
Гибкие шлицы для обработки методом волновой деформации и аналогичные компоненты намеренно обладают необходимой гибкостью. Их изготовление требует специализированных процессов обработки зубчатых передач, термообработки и контроля толщины стенок. Поэтому большинство поставщиков оборудования для ЧПУ-обработки лучше подходят для обработки корпусов, адаптеров и выходных элементов, чем для изготовления высокопроизводительных зубчатых передач.
Миниатюрные детали
Пальцевые механизмы содержат небольшие валы, пазы и звенья, которые трудно закрепить, обработать и проверить. Ограничения доступа инструмента, минимальный диаметр режущего инструмента и удаление заусенцев следует учитывать на этапе проектирования, а не после завершения CAD-моделирования.
Гибкие элементы датчика крутящего момента
Небольшие изменения толщины изгиба могут сильнее влиять на жесткость датчика, чем гораздо большие погрешности на поверхностях, имеющих эстетический вид. Поэтому при механической обработке следует отдавать приоритет симметрии, контролируемому удалению материала и низкому остаточному напряжению.
Обработка углепластика
Сверление и фрезерование CFRP могут вызывать расслоение, вырывание волокон и быстрый износ инструмента. Для производства часто рассматриваются инструменты с покрытием из поликристаллического алмаза (PCD) или алмазного покрытия, а пылеудаление имеет важное значение, поскольку углеродная пыль является абразивной и представляет опасность на рабочем месте.
Сверление пакетов из углепластика и металла еще сложнее, поскольку для резки этих двух материалов требуются разные условия.
Почему 5-осевая обработка важна
Пятиосевая обработка полезна для изготовления компонентов человекоподобных роботов, поскольку соединения часто содержат угловые интерфейсы, внутренние отверстия и несколько направлений крепления. Изготовление большего количества геометрически связанных элементов за одну установку уменьшает перенос базовых элементов и погрешности крепления.
Таким образом, его ценность заключается не в том, что «пятиосевая технология автоматически обеспечивает точность ±0.005 мм», а в том, что она улучшает доступ и сохраняет взаимосвязи между элементами.
Контроль суммирования допусков
Корпус двигателя, два подшипника, редуктор и выходной фланец могут соответствовать своим индивидуальным размерам, в то время как всё соединение в целом всё ещё будет иметь чрезмерное биение. Правильный подход начинается с функциональной оси и определяет, какие элементы контролируют выравнивание двигателя, подшипника и редуктора.
Для этих элементов установлены жесткие геометрические допуски, в то время как для некритичных наружных размеров допускаются отклонения. Это улучшает как характеристики соединения, так и экономичность обработки.
Качество финишной обработки
Анодирование широко используется для алюминиевых деталей роботов для повышения коррозионной стойкости и износостойкости, однако толщина покрытия влияет на конечные размеры. Поэтому для изготовления подшипниковых опор, отверстий под штифты и прецизионных деталей может потребоваться маскирование, припуски или последующая механическая обработка после нанесения покрытия.
Детали из титана и нержавеющей стали могут потребовать пассивации или других видов обработки поверхности. На чертежах следует уточнить, относятся ли окончательные размеры к состоянию до или после обработки поверхности.
Аддитивное производство плюс обработка на станках с ЧПУ
Оптимизация топологии и аддитивное производство металлов позволяют размещать материал вокруг путей приложения нагрузки, а не в обход традиционных ограничений доступа режущего инструмента. Это позволяет создавать легкие конструкции с внутренними решетками или уплотненными узлами.
Однако для таких прецизионных элементов, как отверстия подшипников, базовые поверхности и резьба, по-прежнему требуется обработка на станках с ЧПУ. Поэтому практичным процессом может быть аддитивное производство, снятие напряжений, обработка базовых поверхностей, пятиосевая чистовая обработка, обработка поверхности и контроль качества.
От прототипа к серийному производству
Обработка на станках с ЧПУ очень хорошо подходит для разработки человекоподобных роботов, поскольку изменения в конструкции могут быть внесены непосредственно из данных САПР. По мере увеличения объемов производства все большее значение приобретают повторяемость оснастки, автоматизированное измерение, мониторинг срока службы инструмента, паллетирование и статистический контроль процесса.
Некоторые детали, изготовленные методом механической обработки заготовок, со временем могут перейти к ковке, литью или процессам, близким к окончательной форме, с последующей выборочной механической обработкой. Поэтому масштабирование производства следует рассмотреть до окончательного утверждения проекта.
Контроль качества
Контроль должен соответствовать функциональности. Координатно-измерительные машины полезны для определения базовых соотношений и профилей, в то время как машины для измерения округлости, пневматические измерительные приборы, нутромеры и приборы для измерения шероховатости поверхности могут лучше подходить для измерения вращающихся поверхностей.
Отверстие подшипника может соответствовать номинальному диаметру и при этом выйти из строя из-за плохой цилиндричности или наличия выступов, поэтому размер и геометрическую форму следует оценивать отдельно.
Рекомендации по проектированию с учетом технологичности производства (DFM) для компонентов ЧПУ человекоподобных роботов
Полезный анализ DFM должен определить, какие допуски напрямую влияют на характеристики соединения, избегать излишне тонких стенок, выбирать реалистичные внутренние радиусы и располагать соответствующие прецизионные элементы таким образом, чтобы их можно было выполнить за меньшее количество переналадок.
Перед механической обработкой необходимо также учитывать качество обработки поверхности, поскольку припуск на покрытие может повлиять на конечную посадку. Предоставление CAD-модели, чертежей, марки материала, количества, геометрических допусков и размеров, информации о сопрягаемых компонентах и требованиях к покрытию дает поставщику достаточно информации, чтобы отличить критически важные интерфейсы от обычной конструктивной геометрии.
Изготовление деталей для человекоподобных роботов на заказ с помощью станков с ЧПУ.
Производство человекоподобных роботов — это, по сути, баланс между массой, жесткостью, точностью и стоимостью. Корпуса шарниров должны оставаться легкими, не теряя при этом выравнивания, интерфейсы передачи должны иметь точную геометрию без излишних внешних допусков, а конструкции датчиков должны обладать контролируемым упругим поведением.
Высокоточная обработка на станках с ЧПУ особенно ценна для корпусов приводов, интерфейсов редукторов, выходных фланцев, конструкций двигателей, корпусов датчиков крутящего момента, креплений камер и легких конструкционных соединителей. Предварительный анализ DFM перед началом производства позволяет выявить риск деформации, проблемы с накоплением допусков, неэффективный доступ инструмента и возможности снижения затрат на обработку до выпуска первой партии.
