Робот на трех осях

Автор: Николай Хабаров

Многие люди, слыша «робот», представляют некое человекоподобное устройство. Однако робот выглядит не всегда так. Иногда робот — просто «умный станок», способный изготавливать разные вещи. Давайте посмотрим, какие разновидности таких роботов существуют, как их можно применять и программировать на создание разных вещей.

Первый робот-станок

Один из первых роботов такого рода был создан еще в 1804 г. — жаккардовый ткацкий станок, который можно было запрограммировать на изготовление тканей с разными узорами с помощью перфокарты, которую мы видим справа:

Такая перфокарта вставлялась в станок и задавала для него последовательность протягивания нитей, за счет чего станок изготавливал ткань с соответствующим узором. Меняя перфокарту, можно было получить другой узор на этом же станке.

ЧПУ-станок

А впоследствии появились станки с числовым программным управлением (ЧПУ, или CNC):

Такие станки позволяют изготавливать при помощи программ различные вещи с помощью инструментов, которые надеваются на ось станка, движущуюся в трех направлениях — по осям X, Y и Z.

Фрезерный станок

Один из самых распространенных станков такого рода — фрезерный, который позволяет обрабатывать металлы, оргстекло или дерево. В станок можно положить заготовку из соответствующего материала, и из нее, в зависимости от программы, получатся разные вещи. Как мы видим, фреза движется в трех осях относительно заготовки, пропиливая узор по заданной программе:

Кроме фрез, можно использовать и различные сверла. Материал может быть любым, если его можно сверлить или пилить. Точность у таких станков очень высокая — даже самые дешевые обеспечивают точность позиционирования головки в 1/400 миллиметра. Такие станки могут быть действительно большими:

Также бывают фрезерные станки с пятью осями. Они достаточно сложны и дороги — непросто обеспечить механику, которая точно перемещала бы фрезу в пяти осях для работы с крепкими материалами. Вот, например, такой станок поворачивает заготовку вокруг своей оси и саму фрезу по пяти осям:

Плазменная резка

В ЧПУ-станках можно использовать плазменные резаки, позволяющих с легкостью резать металл. Вот пример станка с плазморезом:

Плазменная горелка работает так же, как электродуговая сварка: зажигается дуга, и в эту дугу под небольшим давлением попадает воздух, который разогревается до 10 – 15 тыс. градусов; за счет разогрева увеличивается давление, и эта струя прорезает металл. Дешевые плазморезы, которые каждый может купить в магазине, могут прорезать 13 мм стали. Закрепив же такой плазморез на ЧПУ-станке, можно прорезать довольно толстые листы металла с очень высокой точностью.

Лазерная резка

Также в последнее время на ЧПУ-станках используются лазерные резаки. В отличие от плазморезов, которыми можно резать только металл, лазерным резаком можно резать практически любой материал.

Однако с лазерным резаком есть некоторые трудности, связанные с безопасностью применения: например, станок, представленный на фотографии выше, оборудован CO₂-лазером мощностью в несколько сотен ватт. При этом лазерный луч невидим, т. к. находится в инфракрасном диапазоне. Это требует особых мер безопасности.

Ниже на видео — пример простого лазерного резака, полупроводникового лазера на станке, который я собрал сам. Тут он прорезает надпись на листе бумаги — эмблему DeviceHive, одного из внутренних проектов компании. Это 300-милливатный полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нанометров. Такая мощность позволяет резать бумагу и выжигать на фанере:

3D-принтеры

Еще одна очень популярная область применения роботов-станков — 3D-принтеры:

Фактически, 3D-принтер — такой же станок с теми же тремя осями, но при этом оборудованный экструдером:

Экструдер — небольшое устройство с шаговым двигателем и нагревателем, которое продвигает пластиковую проволоку, плавит ее и с помощью слоев формирует изделие из пластика. Как правило, используется АБС- или ПЛА-пластик. Ниже — пример использования экструдера на том же станке, на которым был закреплен лазер. Мы видим, как происходит постепенное накладывание слоев для печати трехмерного треугольника:

OpenTrons

Еще одно интересное применение роботов-станков предложила молодая компания OpenTrons — для биологических опытов:

Это трехосная конструкция, в качестве рабочего инструмента на которой закреплены химические пипетки для переливания жидкостей. На рабочем столе выкладываются различные химикаты и биоматериалы, и робот их смешивает по заранее заданной программе. А пользователи могут выкладывать программы готовых экспериментов в сеть.

Печать еды

3D-принтеры используются не только для печати пластика, но и, например, для печати еды:

Печать зданий

Также интересна идея печати зданий:

Конечно, для печати зданий ЧПУ-установка должна быть очень большой, но принцип остается тем же: происходит движение в трех осях, а здание строится из цемента. При этом цемент нужен специальный, чтобы здание можно было построить без арматуры; или же такому роботу нужно добавить возможность армирования, что значительно усложнит его. Такой робот может работать днем и ночью без остановок:

Завод Tesla

Завод по производству Tesla практически полностью автоматизирован. Если присмотреться, можно увидеть, что роботы на фотографии — все те же ЧПУ-машины. Они имеют несколько осей, по которым перемещается инструмент. С помощью таких роботов собирается кузов автомобилей при помощи сварки.

Код для управления станками

Управляются такие станки, как правило, при помощи так называемого G-кода. G-код описывает движения осей станка. Ниже во второй колонке код описывает, как обвести букву W:

Первая строка (G90 G40 G17) задает режим работы станка. Вторая строка включает шпиндель со скоростью 500 оборотов в минуту. В третьей строке G0 — команда переместить головку на холостом ходу (на максимальной скорости и по самой безопасной категории). В четвертой строке, Z-1.0 обозначает, что станку необходимо подойти к заготовке. В пятой строке G1 — рабочий ход, когда станок начинает пропиливать или выдавливать что-то из себя. И т. д.

Для создания такого G-кода из 3D-моделей, чертежей или даже SVG-рисунков существует множество программ.

Пример самодельного станка

Снизу — станок, который я собрал сам на основе стандартной рамы (сверху), которую можно спокойно купить:

Я добавил на раму, помимо обычной фрезы, экструдер для 3D-принтера и небольшой полупроводниковый лазер. До этого мы видели два видео (с 3D-печатью и лазером), показывающих работу на на таком станке.

Вот что внутри станка:

Тут мы видим небольшой микроконтроллер STM32. Прошивка занимает около 200 кбайт. С помощью такого микроконтроллера можно управлять пятью осями и двумя различными устройствами с помощью широтно-импульсной модуляции (либо оборотами шпинделя, либо мощностью лазера). Сам микроконтроллер, как мы можем видеть на фотографии, находится под экраном. Вся задняя часть — блок питания и драйверы шаговых двигателей, стоящих на станке. Снизу слева на изображении, в качестве примера драйвера шагового двигателя, — плата с микросхемой, которая также продается отдельно. Такое устройство может изготавливать разные предметы с высокой точностью. Вот небольшое демонстрационное видео этого станка:

Прошивка станка была написана с ноля на чистом C-коде. Вы можете сами попробовать сконструировать такой станок — все исходники можно взять на GitHub.