Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

INTELLIGENT SOFTWARE AND HARDWARE SYSTEM TO CONTROL THE UNIVERSAL ROBOTIC LASER TECHNOLOGICAL UNIT FOR THERMOSTRENGTHENING OF VARIOUS MATERIALS

Evstyunin G.A. 1 Abrakhin S.I. 2 Golubev A.S. 2 Arakelyan S.M. 2
1 LLC «New technologies of laser thermal hardening»
2 Vladimir State University name Alexander and Nikolay Stoletovs
The article is devoted the joint development of the Vladimir State University. AG and NG Stoletovs (VlSU) and LLC «New technologies of laser thermal hardening» by creating on creating software and hardware complex of automated control systems for robotic technological complex with 3D-thermostrengthening different materials, which provides. The unit, first, the implementation of automated functions prepare control programs for the process of laser thermal hardening of surfaces of complex shape parts, and, secondly, the formation of flow charts and sketches. This functionality of hardware and software of the automated control system implements all the requirements of modern production process of laser thermal hardening the surface of complex, critical 3D-engineering products. Create a software and hardware complex of automated control system is versatile and can be used in other production systems, automated control of complex technical systems.
intelligent control system
software and hardware
laser processing facility
thermostrengthening

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.