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.