Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНЫМ РОБОТИЗИРОВАННЫМ ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ДЛЯ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Евстюнин Г.А. 1 Абрахин С.И. 2 Голубев А.С. 2 Аракелян С.М. 2
1 ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения»
2 Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
Настоящая статья посвящена совместной разработке Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ) и ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» по созданию программно-аппаратного комплекса автоматизированной системы управления для роботизированного технологического комплекса при лазерном 3D-термоупрочнении различных материалов, который осуществляет, во-первых, реализацию автоматизированных функций подготовки управляющих программ для процесса лазерного термоупрочнения поверхностей деталей сложной формы и, во-вторых, формирование технологических карт и эскизов. Данный функционал программно-аппаратного комплекса автоматизированной системы управления реализует все требования современного производственного процесса лазерного термоупрочнения поверхности сложных, ответственных 3D-изделий машиностроения. Созданный программно-аппаратный комплекс автоматизированной системы управления является универсальным и может быть использован в других производственных системах автоматизированного управления сложных технических систем.
интеллектуальная система управления
программно-аппаратный комплекс
лазерный технологический комплекс
термоупрочнение
1. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Лазерная диагностика эволюции поверхности углерода под воздействием мощных лазерных импульсов // ПТЭ. – 2006. – №2. – С. 137–143.
2. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. О возможности исследования временной эволюции рельефа поверхностей, подвергающихся воздействию мощных потоков энергии, непосредственно во время воздействия // Квантовая электроника. – 2006. – Т. 36, № 6. – С. 569–575.
3. Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Жирнова С.В., Оси- пов А.В. Определение яркостной температуры плавления стеклоуглерода // Динамика сложных систем. XXI век. – 2015. – № 1, т. 9. – С. 48–50.
4. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. – М.: Машиностроение, 1989. – 301 с.
5. ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://lhit.ru/index.php/lazernoe-termouprochnenie.
6. Постановление Правительства России 9 апреля 2010 года № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства», http://p218.ru.
7. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с.

Высокоэффективные лазерные технологии кардинального повышения износостойкости ответственных деталей машиностроения в режиме диагностики динамических процессов в реальном масштабе времени играют существенную роль в развитии высокотехнологичных секторов промышленности России. В настоящее время компания ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» (г. Владимир) занимается созданием нового поколения автоматизированных универсальных лазерных технологических комплексов для лазерного термоупрочнения разногабаритных ответственных 3D-деталей машиностроения. Основные направления деятельности состоят в конструировании и производстве автоматизированных лазерных комплексов, в разработке технологий, а также в оказании услуг как по собственно процессу лазерного термоупрочнения, так и по наплавке и легированию соответствующих материалов.

В данном сообщении речь идет о совместной разработке Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ) и ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» («НТЛТ») по созданию многофункциональной интеллектуальной системы управления для роботизированного универсального интеллектуального лазерного комплекса с диагностикой процессов обработки в реальном масштабе времени, предназначенного для полностью автоматизированного процесса лазерного 3D-термоупрочнения. При этом осуществляется подбор схем, оптимальных режимов обработки, контроль состояния поверхности во время обработки (мониторинга), а также контроль параметров закаленной детали (твердость, глубина, изменение шероховатости поверхности).

Данная работа является проектом (2014–2016 гг.), выполняемым в рамках Постановления Правительства России № 218 [6].

Базовые элементы лазерного технологического комплекса, являющиеся объектом управления

Роботизированный универсальный интеллектуальный лазерный комплекс с диагностикой процессов упрочнения в реальном масштабе времени (Комплекс) состоит из следующих компонент [1, 2]:

– многоканальный диодный источник излучения мощностью 5 кВт;

– оптическая головка для поверхностной обработки деталей;

– оптическая головка для поверхностной обработки внутрицилиндрических деталей;

– система многоволоконной передачи излучения от лазера в головку;

– программно-аппаратный комплекс автоматизированной системы управления (ПАК СУ) Комплексом;

– специализированный шестикоординатный робот;

– специализированный шестикоординатный робот с меньшей рабочей зоной;

– рабочий стол грузоподъемностью 3 т;

– рабочий стол повышенной грузоподъемности 5 т;

– система мониторинга процесса лазерной обработки в реальном масштабе времени;

– система автоматического неразрушающего контроля обработанной поверхности.

Основное внимание в настоящем сообщении уделяется характеристикам созданного ПАК СУ. Функциональные возможности данного ПАК СУ определяются необходимостью обеспечения требуемых параметров лазерного термоупрочнения деталей любой сложности (ср. с [4, 5]) с учетом того, что многоканальный (40 каналов) лазерный диодный источник обладает возможностью контроля параметров каждого излучателя в отдельности (режим, мощность, вкл/выкл любого из 40 источников) как до начала, так и во время обработки со стабильной подачей излучения с разбросом мощности выходного излучения не более 5 %.

Таким образом, основными операциями, которые регулируются ПАК СУ в целом, являются:

во-первых, автоматический (в режиме реального масштаба времени) анализ схемы (траектории) обработки, осуществление подбора режимов обработки (мощность, скорость, диаметр и форма пятна), мониторинг обработки (визуализация лазерно-индуцированных процессов) [1, 2, 3];

во-вторых, обеспечение автоматической фокусировки пятна в нужную геометрическую форму и диаметр без изменения положения в плоскости самих головок;

в-третьих, обеспечение точной манипуляции лазерным излучением при обработке деталей любой сложности с помощью как специализированного шестикоординатного робота, так и другого специализированного шестикоординатного робота с меньшей рабочей зоной обеспечения точной манипуляции обрабатываемого изделия при его съеме и подаче в зону обработки.

Кроме того, по завершению обработки осуществляется неразрушающий контроль поверхности, который в числовом формате показывает трибологические параметры обработанной поверхности – твердость, глубину упрочненного слоя, изменение шероховатости поверхности [7]. По этим данным вносятся коррекции в процесс лазерной обработки через соответствующие команды ПАК СУ.

Решение всех этих вопросов в едином комплексе является далеко не простой задачей как в аспекте создания соответствующих алгоритмов схем управления, так и в плане написания и организации функционирования программно-аппаратных средств при их использовании с соответствующими периферийными устройствами и инструментальным обеспечением (контроллеры, интерфейсы и т.д.).

В следующих разделах мы остановимся на ряде полученных нами принципиальных решений из этого списка проблем. Они основаны на заделе по ранее проведенным НИР.

Функциональные возможности ПАК СУ

Разработанный программно-аппаратный комплекс системы управления (ПАК СУ) лазерным Комплексом обеспечивает вывод на внешний разъем перечисленных ниже выходных сигналов:

– числовое значение мощности излучения;

– числовое значение тока вкладки;

– состояние и режим работы каждого лазерного диодного источника;

– числовое значение температур в зоне обработки;

– числовое значение характеристик обработанной поверхности (твердость, глубина, изменение шероховатости);

– превышение предельной температуры теплонагруженных узлов лазера (превышение/нет превышения);

– готовность лазера (готов/не готов);

– состояние холодильной машины (включена/выключена);

– состояние затвора (открыт/закрыт);

– аварийное состояние (сигнал датчика защиты от удара).

При этом принимаются следующие сигналы, на которые реагирует система:

– требуемое значение мощности, регулировка мощности каждого излучателя и общего блока излучателя в целом;

– выключение (отключение) лазера и автоматический переход в рабочий режим с малой выходной мощностью;

– открывание/закрывание затвора (подать / прекратить излучение);

– управление лазером сопряжено с работой робота (KRC-2);

– режим готовности (вкл/выкл);

– управление режимами лазера: одиночный импульс (его длительность), импульсный, непрерывный (вкл / выкл);

– переключение режима установленной мощности и минимальной мощности, задание числового значения мощности (для отдельного излучателя и для общего блока в целом);

– включение (отключение) холодильной машины;

– включение (отключение) юстировочного лазера (целеуказателя).

На программно-аналитическом уровне реализуются следующие возможности:

– анализ и автоматический подбор режима обработки (скорость, мощность, диаметр пятна излучения);

– анализ предполагаемой более экономически выгодной схемы обработки;

– мониторинг процесса обработки;

– неразрушающий контроль поверхности после проведения обработки.

При этом записывается каждое действие, произведенное оператором, на отдельный носитель. Эта функция реализуется автоматически вместе с включением станка и выключается вместе с ним (одновременно).

Возможности регулировки мощности позволяют управлять параметрами разных модулей:

– всех излучателей;

– выборочных блоков излучателя;

– установка мощности на отдельных блоках;

– отключение выборочных блоков с сохранением возможности регулирования мощности остальных блоков.

Весь перечисленный выше функционал интегрируется на едином пульте управления, который обеспечивает работу следующих узлов:

– отдельных источников излучения в лазере;

– комплекса лазерных источников в целом (лазер);

– фокусатора лазерной головки;

– робота-манипулятора;

– робота-погрузчика;

– поворотного стола (для тел вращения);

– холодильной машины;

– системы контроля качества упрочненного слоя;

– пирометра и системы видеофиксации и контроля процесса обработки;

– системы сканирования детали;

– системы интеллектуального расчета режимов и схем обработки поверхности детали.

Таким образом, обеспечиваются различные автоматизированные режимы работы лазерного технологического комплекса по термоупрочнению в зависимости от состава обрабатываемого материала для различных 3D-изделий. Выбор соответствующих режимов работы Комплекса определяется имеющейся библиотекой режимов и процессов лазерной обработки соответствующих материалов [4, 7].

Используемые стандарты и платформы

Общая платформа Комплекса разработана в программном продукте, совместимом с программным обеспечением модулей всех вышеперечисленных компонент (аналогичных Balt System, Siemens NC, FANUC и т.д.).

Реализуемый тип управления – с сенсорным дисплеем 15–22, с клавиатурой и выносным ручным пультом.

Загрузка управляющих программ (УП) производится одним из способов – с внешней флэш-памяти комплекса, с пульта оператора, с клавиатуры, с USB флэш-диска, с локальной памяти (по выбору).

Объем внутреннего флэш-диска позволяет хранить в памяти несколько сотен деталей.

Формат управляющих программ: ISSO ESSI.

Присутствует возможность УП выполнять холостые прогоны и прогоны в автоматическом рабочем режиме. При этом разработана и интегрирована в ПАК СУ система защиты и блокировок от ошибочных действий оператора.

Предусмотрена реализация ведения полного Протокола действий оператора и сообщений системы управления Комплексом, а также возможность сохранения такого Протокола на диске. В этом Протоколе отражаются следующие параметры:

– продолжительность работы оборудования;

– продолжительность лазерного термоупрочнения детали;

– число включений оптической головки;

– перечень выполненных программ;

– причины остановок работы Комплекса (сбои в технологическом цикле, технологические перерывы и т.п.).

При этом функция остановки выполнения УП реализуется в произвольной точке с дальнейшим продолжением ее выполнения, а также выполнением движения по траектории УП в прямом и обратном направлениях с привязкой УП к произвольному положению лазерной оптической головки. Важная реализованная опция – возможность составления новых и/или редактирования существующих УП с контролем на экране монитора результатов редактирования в гра- фическом виде.

Методика работы

Основным назначением ПАК СУ является создание информационной среды, предназначенной для автоматизации работ, связанных с проектированием траекторий движения лазерного луча при термообработке изделий сложной формы, оптимизация технологических режимов и контроль полученных результатов в целях минимизации последующей механической обработки, но с возможностью дальнейшего повышения качества изготовления деталей и агрегатов.

ПАК СУ обеспечивает единое информационное пространство на основе локальной сети, организующей сквозное движение технологической документации и управляющих программ на всех этапах их разработки и исполнения. При этом производится включение входов/выходов пользователя по промышленным вычислительным сетям DeviceNet, ProfiBus, InterBus-S, ControlNet, PowerLink.

В основу работы ПАК СУ положено понятие цифрового прототипа изделия, которое реализовано в программном обеспечении Гемма3D, версия 11, и других CAD системах. В работу ПАК СУ также заложены основные принципы программирования цифрового оборудования, позволяющие генерировать управляющие программы и формировать отчеты. Остальное программное обеспечение носит сервисный характер и предназначено для оформления сопроводительной технической и исследовательской документации в соответствии со стандартами предприятия и антивирусной защиты важной интеллектуальной информации.

Входной информацией для проведения работ с использованием ПАК СУ являются:

– конструкторская 3D-модель детали или ее чертеж;

– физическое изделие;

– документация, содержащая требования к результатам обработки методом лазерного термоупрочнения.

Выходной информацией после проведения работ по измерению являются:

– управляющая программа для роботизированного комплекса в формате, воспринимаемом системой управления используемого робота KRC2;

– карта базирования детали в рабочей области комплекса;

– автоматизированный отчет по последующему контролю твердости поверхности, обработанной по технологии лазерного термоупрочнения.

После завершения технологического процесса, измерений и получения результатов специалисты, работающие с ПАК СУ, передают полученные отчеты в технологическую базу данных для дальнейшего использования.

Проектирование процесса термоупрочнения производится по математическим моделям обрабатываемых деталей, созданных в современных системах CAD и импортированных с помощью стандартных обменных форматов STEP, IGES, SAT, PARASOLID, DXF.

Методика проектирования термоупрочнения обеспечивается с помощью специализированного инженерного программного обеспечения, адаптированного к системе автоматизированного проектирования цифрового оборудования Гемма-3D.

Проектирование в САМ системе Гемма-3D ведется в системе координат модели. Управляющая программа в кодах робота-манипулятора формируется с помощью специализированного модуля – постпроцессора. Задача постпроцессора – обеспечить создание такой управляющей программы, которая может быть эффективно выполнена на конкретном устройстве управления конкретного цифрового устройства, что и реализовано в данной системе.

Таким образом, в рамках разработанного формата управления технологическим процессом, сбором и сохранением данных, их анализом и выбором оптимальных режимов термоупрочнения осуществляется полноценная производственная программа для обеспечения требуемых функциональных и конструкционных свойств обрабатываемых 3D-изделий из материалов различного состава. Эти свойства в дальнейшем контролируются имеющимися инструментальными диагностическими и метрологическими средствами.

Заключение

Разработанный ПАК СУ для управления роботизированным технологическим комплексом при 3D-термоупрочнении различных материалов осуществляет реализацию автоматизированных функций подготовки управляющих программ для процесса лазерного термоупрочнения поверхностей деталей сложной формы и формирование технологических карт и эскизов. При этом обеспечивается выполнение следующих операций:

– импорт цифровых моделей из систем САD и/или построение 3D-модели по чертежу;

– формирование траекторий движений при обходе кромок и/или поверхностей цифровой модели в соответствии с технологическим заданием;

– определение технологических режимов обработки в соответствии с заданием и на основе табличных данных из технологической базы данных;

– выбор оптимальной схемы базирования детали или агрегата в рабочей области комплекса;

– выбор оптимальной схемы установки лазерной головки на рабочем фланце робота в зависимости от обрабатываемой детали;

– генерация управляющих программ в соответствии с правилами программирования роботизированного лазерного Комплекса;

– визуализация и контроль управляющих программ на возможность столкновения и исключения сингулярности 4-й и 6-й осей робота;

– формирование технологических карт и эскизов и передача их в технологическую базу данных и/или оператору роботизированного Комплекса для дальнейшего использования;

– контроль процесса выполнения управляющей программы с помощью пирометра, контролирующего температуру в зоне обработки;

– контроль результатов обработки в различных зонах детали с помощью автоматизированного твердомера;

– выпуск автоматизированных отчетов по результатам контроля.

Данный функционал ПАК СУ вполне перекрывает все требования современного производственного процесса лазерного термоупрочнения поверхности сложных 3D-изделий. Созданный ПАК СУ является универсальным и может быть использован в других системах автоматизированного управления сложных технических систем.


Библиографическая ссылка

Евстюнин Г.А., Абрахин С.И., Голубев А.С., Аракелян С.М. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНЫМ РОБОТИЗИРОВАННЫМ ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ДЛЯ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 5-2. – С. 244-248;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35891 (дата обращения: 26.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252