ZROBOTYZOWANE STANOWISKO WERYFIKACJI PROCESÓW OBRÓBKI

(1)

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 52, ISSN 1896-771X

ZROBOTYZOWANE STANOWISKO WERYFIKACJI PROCESÓW OBRÓBKI

Andrzej Burghardt

^1a

, Krzysztof Kurc

^1b

, Magdalena Muszyńska

^1c

, Dariusz Szybicki

^1d

1Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska

aandrzejb@prz.edu.pl, ^bkkurc@prz.edu.pl, ^cmagdaw@prz.edu.pl, ^ddszybicki@prz.edu.pl

Streszczenie

Robotyzacja procesów obróbki w przemyśle realizowana jest od wielu lat. Wynika to z poprawy jakości i reduk- cji kosztów. W artykule przedstawiono koncepcyjne rozwiązanie problemu opracowania procesu zrobotyzowanego zatępiania krawędzi elementów o zmiennym kształcie. Zmienna geometria detalu wynika z dokładności wykonania form odlewniczych i zjawiska skurczu. W proponowanym rozwiązaniu wykorzystany został robot z pozycjonerem wyposażony w aktywne narzędzia, laserowe systemy akwizycji danych oraz układ sterowanie siłą interakcji przedmiot-narzędzie. Zrobotyzowane stanowisko weryfikacji procesu obróbki zostanie przeprowadzona przy wyko- rzystaniu drugiego robota i skanera 3D. Wynikiem pomiaru jest kompletny cyfrowy model skanowanego 3D detalu, który może być edytowany i przetwarzany przez programy wspomagające proces prototypowania lub wizuali- zacji.

Słowa kluczowe: obróbka, robot, skaner 3D

ROBOTIC POSITION TO VERIFY THE MACHINING PROCESS

Summary

The robotisation of technical machining processes is realized in industry for many years. This is because of im- proving quality and cutting costs. At present there is a group of technological processes whose realisation is a great challenge. The article presents the conception problem solution of robots machining mechanical parts whose shape is randomly changed. Inaccurate shape is the result of cast technology. The author’s propos robot station equipment positioner, force control, active tool. Additionally in this this approach I proposed the communication system between elements stations and built user library. Robotic machining process of verification will be carried out using a second robot and 3D scanner. The result of the measurement is complete 3D digital model of the scanned detail, which can be edited and processed by programs supporting the process of prototyping and visuali- zation.

Keywords: processing, robot, 3D scanner

1. WSTĘP

Weryfikacja jakościowa niejednokrotnie może okazać się jedną z najistotniejszych kwestii związaną z procesem produkcji. Przy użyciu metody do wykrywania odchyleń ukształtowania powierzchni można osiągnąć istotne i kwantyfikowalne wyniki. Ciągły rozwój oraz ogólne nasilenie procesów produkcyjnych prowadzi do koniecz- ności stosowania szeroko pojętej automatyzacji. Oprócz samej produkcji, automatyzacji poddawane są również

wszelkie obliczenia parametrów procesów produkcyjnych. Coraz częściej zachodzi potrzeba pomiaru wielko- ści nigdy wcześniej niemierzonych a te, które są znane, trzeba mierzyć precyzyjniej, szybciej, sprawniej i taniej.

Proste metody inspekcji, takie jak mierniki oraz CMM, okazują się niewystarczające, więc niezbędne jest skorzy- stanie z dokładniejszych struktur w postaci systemów pomiarowych. Są one szybsze, wydajniejsze oraz dostar-

(2)

czają danych o dużej rozdzielczości, które pozwalają na uzyskanie każdej istotnej cechy części w zakresie wymiarów. Tworzą spójną całość umożliwiającą pobranie informacji, jej przetworzenie, porównanie jak również obliczenie i rejestrację wyników pomiaru [1,3,4,5, 6, 7, 8].

Tematem artykułu jest rozwiązanie problemu opr cowania procesu zrobotyzowanego stanowiska weryfik cji zatępiania krawędzi elementów o zmiennym kształcie (rys.1), stosowanych w silnikach lotniczych.

kształtu wynika z krzepnięcia odlewu w tolerancji

± 2 mm.

Rys. 1. Krawędzie detalu przed obróbką Zmienna geometria detalu wynika z dokładności w konania form odlewniczych i zjawiska skurczu. Fakt ten skutkuje koniecznością stosowania ręcznej obróbki, brak możliwości powtarzalnego określenia ścieżki narzędzia.

W proponowanym rozwiązaniu tego problemu stano dwa roboty oraz pozycjoner (rys.2

Rys. 2. Zrobotyzowane stanowisko obróbcze

Jeden z robotów 1 (rys.2) realizuje zrobotyzowaną operację ślusarską na trajektorii automatycznie adopt jącej się do zmieniającego się kształtu detalu zamocow nego na pozycjonerze 2 (rys.2). Drugi z robotów (rys.2) wyposażony w skaner 3D przeprowadza weryf kację procesu. Ze względu na to, że skaner 3D zapisuje czają danych o dużej rozdzielczości, które pozwalają uzyskanie każdej istotnej cechy części w zakresie wymiarów. Tworzą spójną całość umożliwiającą pobranie informacji, jej przetworzenie, porównanie jak również obliczenie i rejestrację wyników pomiaru

e problemu opracowania procesu zrobotyzowanego stanowiska weryfika- elementów o zmiennym kształcie , stosowanych w silnikach lotniczych. Zmiana kształtu wynika z krzepnięcia odlewu w tolerancji

detalu przed obróbką

Zmienna geometria detalu wynika z dokładności wykonania form odlewniczych i zjawiska skurczu. Fakt ten skutkuje koniecznością stosowania ręcznej obróbki, brak

o określenia ścieżki narzędzia.

tego problemu wykorzy- wa roboty oraz pozycjoner (rys.2).

obotyzowane stanowisko obróbcze

realizuje zrobotyzowaną operację ślusarską na trajektorii automatycznie adoptu-

detalu zamocowa- . Drugi z robotów 3 wyposażony w skaner 3D przeprowadza weryfi- kację procesu. Ze względu na to, że skaner 3D zapisuje

2. PROCES WERYFIKACJI

Aktywny skaner 3d uzyskuje informacje o położeniu i kształcie obiektu na podstawie triangulacji (triangul cja polega na obliczeniu miejsca przecięcia się płaszcz zny i półprostej w przestrzeni). Każdemu punktowi na obrazie aparatu odpowiada pewien promień światła (półprosta). Każdemu rzutowi kolumny środków pikseli obrazu projektora (względnie wiersza, gdy projektor jest przesunięty w pionie względem aparatu)

pewna płaszczyzna [9, 10].

Rys. 3. ATOS Core – pola pomiarowe

Znając równania półprostych odpowiadających pun tom obrazu aparatu i płaszczyzn odpowiadających oświetlającym te punkty kolumnom, można odtworzyć jego położenie w przestrzeni. Skaner 3d

obiektu oświetlone specjalnymi wzorami. Na podstawie uzyskanych danych, położenia projektora względem aparatu oraz parametrów obiektywów tych urządzeń, można odtworzyć równania półprostych i płaszczyzn odpowiadających punktom obrazu.

Skaner optyczny ATOS Core

obserwujące przebieg prążków biegnących po mierzonym detalu i odpowiednio dla każdego pixela kamery z dużą dokładnością po wstępnej analizie, oprogramowanie urządzenia oblicza punkt współrzędny (rys.3).

Wraz ze skanerem dołączane jest oprogramowanie ATOS Professional pozwalające na pełne zwymiarowanie zeskanowanego obiektu. Program ten umożliwia obróbkę danych i jest programem inspekcyjnym, w którym można wykonać pełną analizę wym

z chmury punktów [9, 10].

2.1 SKANOWANIE

Skanowanie 3D jest to proces konwertowania detali do precyzyjnych modeli cyfrowych. Pozwala na szybkie

PROCES WERYFIKACJI

Aktywny skaner 3d uzyskuje informacje o położeniu i kształcie obiektu na podstawie triangulacji (triangula- cja polega na obliczeniu miejsca przecięcia się płaszczy- ). Każdemu punktowi na obrazie aparatu odpowiada pewien promień światła (półprosta). Każdemu rzutowi kolumny środków pikseli obrazu projektora (względnie wiersza, gdy projektor jest w pionie względem aparatu), odpowiada

pola pomiarowe

Znając równania półprostych odpowiadających punktom obrazu aparatu i płaszczyzn odpowiadających oświetlającym te punkty kolumnom, można odtworzyć jego położenie w przestrzeni. Skaner 3d wykonuje zdjęcia obiektu oświetlone specjalnymi wzorami. Na podstawie uzyskanych danych, położenia projektora względem aparatu oraz parametrów obiektywów tych urządzeń, można odtworzyć równania półprostych i płaszczyzn odpowiadających punktom obrazu.

Core posiada dwie kamery przebieg prążków biegnących po mierzonym a każdego pixela kamery z dużą dokładnością po wstępnej analizie, oprogramowanie urządzenia oblicza punkt współrzędny (rys.3).

Wraz ze skanerem dołączane jest oprogramowanie ATOS Professional pozwalające na pełne zwymiarowanie m ten umożliwia obróbkę danych i jest programem inspekcyjnym, w którym można wykonać pełną analizę wymiarową danych

Skanowanie 3D jest to proces konwertowania detali do precyzyjnych modeli cyfrowych. Pozwala na szybkie

(3)

Andrzej Burghardt, Krzysztof Kurc, Magdalena Muszyńska, Dariusz Szybicki

zawartych w dokumencie elektronicznym w formie prezentacji obrazującej analizę modelu) [11]. Gdy dane uzyskane podczas skanowania zostaną wprowadzone do komputera, wszystkie wymiary detalu (np. długość, szerokość, wysokość, objętość, rozmiar, lokalizacja, obszar powierzchni, etc.) mogą zostać odpowiednio pobrane. Dane 3D są często używane, aby zapewnić swego rodzaju łącznik pomiędzy rzeczywistymi obiekta- mi, a nowoczesnymi metodami produkcyjnymi. Skano- waniu, a następnie pomiarom, zostanie poddany detal przedstawiony na rys. 1.

Na rys. 4 przedstawiono etap skanowania detalu używając robot nr 3 (rys.2) wyposażony w skaner 3D po obróbce zatępiania przeprowadzonej przy pomocy robota nr 1 (rys.2).

Rys. 4. Skanowanie detalu

Rys. 5. Skan 3D obrabianego detalu

Na rys. 5 przedstawiono skan 3D zatępianego detalu.

2.2 MODELOWANIE POMIARU

Mając gotowy skan 3D rzeczywistego detalu, poddaje się go etapom, mającym na celu uzyskania potrzebnych wymiarów weryfikacyjnych dany proces (np. długość, szerokość, wysokość, objętość, rozmiar, obszar powierzchni, etc.). Wymiary te mogą zostać automatycznie wygenerowane. Aby tak się stało, należy zamodelować pomiar, wzorując się na idealnym modelu CAD.

Rys. 6. Przyjęte płaszczyzny i cylindry na modelu CAD W pierwszym etapie przyjęto na modelu CAD charakterystyczne płaszczyzny i cylindry (rys.6), które posłużą do wprowadzenia płaszczyzny tnącej (rys.7).

Rys. 7. Przyjęta płaszczyzna tnąca na modelu CAD

Rys. 8. Wprowadzone linie na przecięciach płaszczyzny tnącej a modelem CAD

Na przecięciach płaszczyzny tnącej z modelem CAD (rys.8) wprowadzono linie, które, przecinając się, generują punkty przecięcia (rys.9).

(4)

Rys. 9. Wprowadzone punkty przecięcia linii

Rys. 10. Wymiar pomiędzy punktami na modelu CAD Odległość pomiędzy punktami przecięcia (rys.9) generuje wzorcową fazę zatępiania (rys.10) równą 0.32 mm.

W etapie drugim, mając skan 3D rzeczywistego detalu, wzorując się na modelu CAD, wykrywane są charakterystyczne płaszczyzny i cylindry (rys.11), które posłużą do wprowadzenia płaszczyzny tnącej (rys.12) na detalu.

Rys. 11. Wykryte płaszczyzny i cylindry na detalu

Rys. 12. Wprowadzona płaszczyzna tnąca na detalu Na przecięciach płaszczyzny tnącej z detalem (rys.13) wykryto linie, które, przecinając się, generują punkty przecięcia (rys.15).

Rys. 13. Wykryte linie na przecięciach płaszczyzny tnącej z detalem

Wykrywanie linii na krawędzi detalu a płaszczyzną tnącą generowane jest metodą Gaussian (rys.14).

Rys. 14. Sposób wykrywania linii metodą Gaussian Funkcja gęstości rozkładu normalnego ze średnią

(5)

Fakt, iż zmienna losowa X ma rozkład normalny z wartością oczekiwaną i wariancją ² zapisuje się często

ܺ~ܰ൫ߤ,

²^൯. Jeśli = 0 i = 1, to rozkład ten nazywa się standardowym rozkładem normalnym, jego funkcja gęstości opisana jest wzorem:

଴,ଵ

= 1

√2 −

^ଶ

2

Rys. 15. Wykryte punkty przecięcia linii

Odległość pomiędzy wykrytymi punktami przecię- cia (rys.15) generuje aktualny wymiar fazy zatępienia detalu (rys.16).

Rys. 16. Wykryty wymiar pomiędzy punktami na detalu W ostatnim etapie następuje porównanie wymiaru nominalnego, wzorcowego (rys.10) z aktualnym (rys.16) wymiarem fazy zatępienia detalu (0.35 mm) i przedsta- wienie go w sposób pokazany na rys.17.

Rys. 17. Porównanie wymiaru nominalnego i aktualnego fazy zatępienia

Podczas przedstawienia pomiaru (rys.17) generowana jest również odchyłka +0.03 mm mieszcząca się w granicach tolerancji ±0.2 mm. Odchyłka wygenerowana jest również kolorystycznie w postaci trzech barw. Barwa zielona wyświetlana jest podczas wymiaru w tolerancji, barwa żółta na granicach tolerancji, natomiast barwa czerwona poza granicami tolerancji.

Rys. 18 przedstawia listing programu, który powstał podczas etapu modelowania pomiaru zatępiania krawę- dzi.

Rys. 18. Listing programu

(6)

W całym procesie przeprowadzono modelowanie pomiaru w dwunastu charakterystycznych punktach, a następnie wygenerowano raport.

2.3 RAPORT

Kolorystyczna mapa odchyłek oraz raporty z analizy przekrojów stanowią wystarczające źródło informacji odnoszących się do realizowanych procesów produkcyjnych. Jednakże dzięki stosowanemu systemowi kontroli jakości można uzyskać wiele innych raportów, które również mogą okazać się pomocne przy weryfikacji projektów, czy wykrywaniu wad produkcyjnych. Należy do nich kolorystyczna mapa odchyłek, czy analiza przekrojów.

GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) wymiarowanie geometryczne i określanie zakresów tolerancji jest standardową metodą porównywania detali z modelami CAD. Cechami charakterystycznymi możli- wymi do raportowania jest np. koncentryczność (współ- środkowość), okrągłość, płaskość itp.

Rys. 19. Widok raportu z przeprowadzonej obróbki Rys. 19 przedstawia wygenerowany raport z pomia- rami w dwunastu charakterystycznych miejscach.

Rys. 20. Widok jednej z krawędzi zatępienia

Rys. 21. Widok zatępienia zaokrąglenia

W celu sprawdzenia obróbki przed i po możliwe jest wygenerowanie widoku krawędzi (rys.20) oraz widoku zaokrągleń (rys.21) i porównaniu z detalem przed ob- róbką (rys.1).

3. PODSUMOWANIE

W zrobotyzowanym procesie weryfikacji obróbki bardzo dobrze sprawdziła się optyczna metoda pomia- rowa. Cechuje się ona następującymi zaletami: bardzo dobra jakość danych, duża liczba punktów pomiarowych, możliwość uzyskania informacji odnoszących się do całej powierzchni mierzonego detalu, wyraźne i dokładne porównanie detalu z danymi dotyczącymi modelu CAD, szybkie porównanie stanu aktualnego z projektem, identyfikacja obszarów mieszczących się w zakresach tolerancji jak i poza nimi.

Główne obszary zastosowań skanera 3D i możliwości technicznych jakie dają jego pomiary, to m.in.kontrola jakości, w której można w 100% precyzyjnie skontrolo- wać detal na zasadzie:

• porównania przedmiotu z modelem konstrukcyj- nym CAD,

• zwymiarowania dowolnych przekroi i cech geome- trycznych,

• porównania dwóch takich samych przedmiotów,

• kontrola eksploatacji – zużycie narzędzia,

• porównanie formy z modelem,

• cyfrowy zapis i dokumentacja 3D,

• analiza skurczy,

• projektowanie przedmiotu na podstawie jego pomiaru (chmura punktów, stl.),

• wirtualny montaż i symulacje w celu wykrycia ko- lizji połączonych elementów.

Literatura

1. Bruce Morey: Auto manufacturing focuses on vsion. ManufacturingEngineeringMedia.com, September 2012, p.

115-125.

(7)

4. Kai Liu, Yongchang Wang, Daniel L. Lau, Qi Hao, Laurence G. Hassebrook: Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement. “Optics Express” 2010, 18 (5): p. 5229 - 5244..

5. Payne, Emma Marie: Imaging Techniques in Conservation. “Journal of Conservation and Museum Studies”

(Ubiquity Press): 17–29. Retrieved 17 March 2013.

6. Salil Goel, Bharat Lohani: A motion correction technique for laser scanning of moving objects. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 2014, p. 225 - 228.

7. Song Zhang, Daniel van der Weide, and James H. Oliver: Superfast phase-shifting method for 3-D shape measurement. “Optics Express” 2010, p. 9684 - 9689.

8. Yajun Wang and Song Zhang: Superfast multifrequency phase-shifting technique with optimal pulse width modulation. “Optics Express” 2011, p. 9684 - 9689.

9. http://www.ita-polska.com.pl 10. http://www.skaner3d.pl

11. http://edn.embarcadero.com/article/39795

ZROBOTYZOWANE STANOWISKO WERYFIKACJI PROCESÓW OBRÓBKI