Автоматизация операций шлифования и полировки в авиастроении

Автор: Борис Иванов

1. Введение. Автоматизация зачистных и шлифовальных операций

До недавнего времени очистка и шлифовка изделий после механообработки и литья производилась исключительно вручную. Детали, прошедшие обработку на современном высокоточном автоматизированном оборудовании обрабатывались с применением технологий вековой давности. Из рисунка 1 видно, что зачистные операции – промежуточные, и от их качества зависит качество всего изделия, любой брак на данном этапе критичен и выявить его непросто. Даже если все остальное производство автоматизировано, наличие участка ручного труда сводит на нет многие преимущества такой автоматизации. Становится невозможно достичь стабильных показателей выпуска продукции, а процент брака существенно завышен по сравнению с полностью автоматизированным производством.

Рисунок 1. Некоторые этапы производства изделия

Преимущества технологии автоматизации зачистных и шлифовальных операций перед ручной обработкой:
Надежность: Детали, не требуют дополнительного контроля;
Повторяемость: Качество обработки всегда остается постоянным и не снижается с течением времени;
Высокая производительность и пунктуальность: Нет перерывов в обработке и необходимость присутствия работника;
Простота планирования: Известно время обработки каждой детали;
Безопасность: Устранение травмоопасного, грязного, вредного для здоровья рабочего места.

Рисунок 2. Моделирование операции зачистки

2. Робот для шлифования деталей

Ранее автоматизация шлифования был возможна только на станках с ЧПУ, для больших партий деталей простой конфигурации. Детали сложной геометрической формы шлифовались и полировались только вручную, так как не существовало надежной и экономически выгодной технологии автоматизации таких процессов.
В наши дни, развитие робототехники позволяет доверить эту задачу промышленным роботам. Разумеется, робот не обладает осязанием и зрением, однако он может вести деталь по траектории с идеальной точностью и повторяемостью. Современный промышленный шести осевой манипулятор может с точностью до 0,05 мм повторить все движения мастера – шлифовщика и получить деталь отличного качества.

Рисунок 3. Обработка лопатки

Робот с правильно подобранным захватом и шлифовальным оборудованием обеспечивает обработку самых сложных поверхностей, обрабатывая деталь с нескольких сторон и на разных инструментах – в один установ. Уступая традиционным станкам в производительности, такая система выигрывает по целому ряду параметров:
количество операций за один установ;
автоматическая загрузка и выгрузка деталей из накопителя/паллеты;
высокая производственная гибкость, возможность обработки деталей сложной формы;
малое время переналадки/перепрограммирования;
модульность системы, легкость добавления нового инструмента;
малое энергопотребление;
возможность длительной безлюдной работы.

Турбинные и компрессорные лопатки, диски и кольца, детали двигателя, лопасти, панели обшивки – можно автоматизировать почти все зачистные и шлифовальные операции, которые необходимы для производства подобных деталей. Естественно, каждый случай индивидуален и требует взвешенного, сознательного подхода. Основа успешной автоматизации – тщательное изучение специфики конкретного техпроцесса и его особенностей, для того, чтобы учесть их на стадии проектирования и настройки системы. Это позволяет получить все преимущества автоматизированного производства, не потеряв накопленный опыт и технические наработки.
Внедрение роботизированных решений позволяет значительно продлить срок службы абразивного материала. Благодаря возможности точно контролировать время обработки (время непосредственного контакта абразива с деталью), рабочее давление и траекторию движения детали, удается получить наиболее равномерный, предсказуемый износ рабочей поверхности.
Система обеспечивает компенсацию износа инструмента, путем изменения скорости, силы резания, траектории рабочего движения и других параметров, по мере изнашивания абразивной поверхности. Установленные датчики силы и температуры отслеживают предельные значения этих параметров, которые свидетельствуют о износе рабочей поверхности или поломке инструмента. Таким образом, качество изделий сохраняется на постоянном уровне, что особенно важно в авиационной промышленности.

Рисунок 4. Обработка лопатки

3. Краткое описание используемого оборудования Состав готовой системы может меняться в широких пределах в зависимости от детали и поставленной задачи. Однако в большинстве систем присутствуют четыре основных компонента: промышленный робот, захват, шлифовальное оборудование и система безопасности. Существует огромное количество видов промышленных роботов. Традиционно, для шлифования используются шести осевые роботы грузоподъемностью от 16 до 100 кг, и рабочей зоной от 1.5 до 2.5 метров. Использовать робота с количеством управляемых осей меньше 6 нужно с большой осторожностью, так как его возможности пространственного позиционирования детали существенно ограничены. Практика показывает, что случаи, когда деталь необходимо перемещать только в одной плоскости, или в одном положении (без переворотов) очень редки. Грузоподъемность робота выбирается, исходя из веса детали с навесным оборудованием (захват, кабеля, предохранительная муфта), также необходимо учитывать величину возникающих сил резания. Необходимо понимать, что хотя роботы большой грузоподъемности и обладают очевидными преимуществами – большей жесткостью и зоной действия, они массивней, медленнее, и потребляют больше электроэнергии.

Рисунок 5. Фотография и схема рабочей зоны робота KUKA KR30, грузоподъемностью 30 килограмм

Ключевой характеристикой при выборе типа и свойств захвата является значение силы сжатия. Чем больше возникающий момент от сил резания, тем с большей силой должны сжиматься губки захвата. Желательно также предусмотреть фиксирующий элемент, чтобы исключить возможность вырывания детали из захвата. Фиксировать деталь можно за отверстия, углы и выступы. Одна из самых сложных задач – выбор формы и конфигурации (количества) губок таким образом, чтобы обеспечить надежный захват, не повредив уже обработанную поверхность и не помешав обработке. Совместно с задачей выбора захвата обычно рассматривают вопрос вместимости и конструкции паллеты, на которой планируется размещать заготовки. Нужно обеспечить надежную фиксацию, детали, не повредив ее поверхности. Емкость паллеты выбирается исходя из размеров и веса изделия, времени обработки, и срока службы абразивного материала. Среднее значение: 20-30 изделий на одну паллету.

Рисунок 6. Обработка детали, используются захват с двумя губками

Удачный выбор модели и места расположения шлифовального оборудования – основа успешного функционирования ячейки. Часто требуется обработка на нескольких видах инструмента, поэтому оборудование должно быть максимально гибким, позволять использование различных типов инструмента. Также необходим канал обратной связи, для контроля и компенсации степени износа инструмента.

 Шлифовальная станция AMTRU FS предназначена для шлифования и полировки кромок и поверхностей, а также для очистки от заусенцев металлических и неметаллических изделий. Шлифовальные круги смонтированы на радиально-податливой (до 90 мм) оси. Это позволяет легко повторять контур детали при обработке, что особенно актуально при работе с твердыми кругами. Сила давления на деталь настраивается в пределах от 30 до 120 ньютонов, и может изменяться программно. Износ абразива отслеживается датчиком, и компенсируется системой управления роботом. На станцию можно установить различные типы шлифовальных кругов: щеточные, полировальные, шлифовальные и т.д. Станция специально разработана для работы с роботом, поэтому ее интеграция в систему занимает минимально возможное время. Оборудование оснащается большим количеством дополнительных опций: защитные кожухи, распылители полировальной пасты, частотно-регулируемый электропривод и т.д.Рисунок 7. Шлифовальная станция AMTRU FS 2200

Ленточно-шлифовальная станция AMTRU FLEXIBELT 2200 используется для шлифования кромок и поверхностей металлических и неметаллических деталей. Максимальная ширина ленты – 125 мм, длина - 4 метра, количество – две штуки. Конструкция оборудования обеспечивает простую интеграцию с роботом. Податливость шкива (до 40 мм) улучшает качество обработки. Сила давления на деталь настраивается программно. Смена лент производится как вручную, так и автоматически, роботом (дополнительная опция).

Устройство системы безопасности зависит от конфигурации системы и степени участия человека в производственном процессе. Конфигурация системы подбирается каждый раз индивидуально.
Технология использование промышленных роботов для автоматизации процессов абразивной обработки изделий – одна из наиболее динамично развивающихся в современном авиастроении. С течением времени, количество деталей, обработка которых будет автоматизирована, будет увеличиваться, и ручное шлифование, этот трудоемкий, нетехнологичный, вредный для здоровья процесс будет использоваться только для изготовления опытных образцов.

Рисунок 8. Ленточно-шлифовальная станция AMTRU FLEXIBELT 2200

Необходимо также отметить гибкость роботизированных ячеек в отличие от стандартных ленточно-шлифовальных станков, предлагаемых для операции шлифовки и полировки в авиастроении. В зависимости от предназначения, доработок, появления новых деталей и задач вся система в любой момент может быть перестроена с перемещением шлифовального оборудования, добавления новых станций, увеличения с помощью линейных осей зоны досягаемости робота и т.д. Такая мобильность позволит всегда удовлетворять все требования производства и изменяться в зависимости от требуемых задач.

Видеоматериалы:

Моделирование шлифования турбинной лопатки:

Очистка от заусенцев детали сложной формы:

Шлифование турбинной лопатки роботом:

Обработка турбинного диска. Очистка от заусенцев и шлифование поверхностей роботом: