Разработка системы управления роботизированным технологическим комплексом лазерного термоупрочнения «Сварог-1»

Александр Бадалов, исполнительный директор ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения»

Антон Острижный, начальник отдела промышленных систем НТЦ «ГеММа»

Валерий Зиняев, ведущий специалист НТЦ «ГеММа»

Метод лазерного термоупрочнения — один из наиболее эффективных и инновационных методов для задач упрочнения поверхностного слоя материала. Термическое упрочнение металлов и сплавов происходит локально, при нагреве участка поверхности излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка с очень высокой скоростью за счет отвода тепла во внутренние холодные слои металла. Большие преимущества лазерного упрочнения заключаются также в уменьшении объема дополнительной обработки материала детали, отсутствии необходимости в отдельном процессе охлаждения, возможности обработки неоднородных трехмерных заготовок и сложных геометрий. Это, например, быстро изнашивающиеся поверхности прокатных валов, направляющих станков, прессов, резьбовых соединений, режущих инструментов, зубьев ковшей экскаваторов, стволов артиллерийских установок и т.п. Спектр областей применения технологии огромен, что может оказать положительное влияние на широкий круг отраслей экономики. Особенность технологии заключается в том, что термический цикл должен быть очень коротким — всего 0,1­0,5 с. Организация такого процесса металлообработки требует построения технически сложного автоматизированного программно­аппаратного комплекса.

Рабочая зона комплекса «Сварог-1»

Коллектив ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» занимается разработкой технологий лазерного термоупрочнения. В 2011 году на базе станка с ЧПУ был сконструирован специализированный лазерный комплекс АЛТКУ­3, модификации которого активно используются и по сей день в оборонно­промышленном комплексе РФ. Однако по мере развития машиностроения в РФ происходит повышение сложности обрабатываемых изделий, соответственно растут и требования к скорости и качеству процесса термоупрочнения. Более актуальными становятся роботизированные комплексы, обеспечивающие не только термообработку, но и позиционирование, автоматическую подачу заготовок, измерение результатов и т.п. В 2017 году проект компании по разработке роботизированного интеллектуального лазерного комплекса «Сварог­1» получил диплом первой степени по итогам участия в конкурсе Лазерной ассоциации на лучшую отечественную разработку в области лазерной аппаратуры и лазерно­оптических технологий. В том же году был сконструирован и изготовлен опытный образец этого комплекса, а в настоящее время идут его практические испытания.

Схема управления компонентами комплекса «Сварог-1»

Комплекс «Сварог­1» предназначен для термоупрочнения металлических поверхностей с диагностикой процессов обработки в реальном масштабе времени, для автоматизации процесса лазерного термоупрочнения деталей с подбором схем, оптимальных режимов обработки, контроля состояния поверхности во время обработки, а также контроля параметров закаленной детали (твердость, глубина).

В состав комплекса входит большое количество технологически сложных устройств и приборов.

Для лазерной закалки металла используется специализированный многоканальный диодный лазер, который позволяет сформировать световое пятно, состоящее из 40 отдельных точек­пикселей. Система управления комплексом может регулировать величину тока накачки для каждого канала отдельно, получая разную конфигурацию светового пятна, что позволяет предельно гибко подбирать режимы термоупрочнения различных сложных поверхностей — граней, кромок, изгибов, шлицов и т.п. Для охлаждения лазера и зоны термообработки используется промышленный охладитель. Бесперебойная работа охлаждающего устройства критически важна для работоспособности всего комплекса. Система управления комплексом постоянно отслеживает состояние охладителя и протоков охлаждающей жидкости в головках лазерных модулей, и в случае нарушения охлаждения немедленно реагирует, так как перегрев модуля приводит к выходу его из строя и нарушению технологического процесса термоупрочнения.

Программа термоупрочнения вала, разработанная в САМ-системе «ГеММа-3D»

Пирометр, работающий одновременно с лазером, считывает и направляет в систему управления комплексом данные о термических характеристиках процесса термоупрочнения. Система управления комплексом в реальном времени анализирует этот поток данных и при необходимости корректирует параметры лазерного излучения. Это важно в условиях практической работы, когда заготовка в процессе термоупрочнения прогревается, и если пропорционально не корректировать мощность излучения, то будет происходить перегрев и, как следствие, ухудшение результатов процесса термоупрочнения.

Базой для работы лазера являются два шестиосевых промышленных робота и двухосевой наклонно­поворотный стол­позиционер, работающие синхронно друг с другом. Этот комплекс устройств предназначен для автоматической подачи и обработки деталей, при этом детали сложной формы, с труднодоступными зонами и т.п. обрабатываются так же эффективно, как и простые. Основной робот и стол­позиционер выполняют производственную программу, проводя лазер по составленной технологом траектории и управляя режимами его работы. Система управления комплексом обеспечивает технологу возможность составлять такие программы, проектировать траектории и технологические режимы работы лазера. При этом система обеспечивает безопасность и сохранность техники, то есть предоставляет возможность не допускать столкновений компонентов комплекса и оснастки, сингулярностей осей и попадания луча лазера мимо обрабатываемых поверхностей. Вспомогательный робот выполняет сервисные операции по замене заготовок, а также операции неразрушающего контроля и технического зрения для точного позиционирования заготовок и привязки к ним траекторий движения основного робота. В качестве рабочих инструментов на роботе закреплены манипулятор, твердомер, индикатор толщины закаленного слоя и датчик­дальномер, предназначенные для решения задач технического зрения. Также в состав комплекса входит прибор для калибровки лазера. Дело в том, что по мере эксплуатации лазерные модули постепенно деградируют, и их мощностные характеристики меняются. Для того чтобы точно соблюдать технологический процесс, необходимо время от времени проводить калибровку каждого лазерного блока и вносить надлежащие изменения в таблицы соответствия тока накачки модуля и выдаваемой им мощности. Система управления обеспечивает автоматическое выполнение калибровки в рамках сервисных задач комплекса и вносит соответствующие коррекции в технологические операции, выполняемые на конкретном комплексе.

Визуализация работы комплекса в системе имитационного моделирования PSP

Особо хочется рассказать о системе управления комплексом. Система представляет собой программно­аппаратный комплекс, осуществляющий управление вышеописанными единицами цифрового оборудования из единого центра и обеспечивающий синхронизацию и планирование технологических процессов, в том числе задач технического зрения и датчиков контроля. Система связывает все элементы комплекса в единую информационную сеть, обеспечивает обмен информацией и выполнение производственных заданий. В состав системы управления входят автоматизированные рабочие места оператора и технолога, программируемые логические контроллеры для управления и мониторинга работы производственного оборудования, дополнительные инструменты типа видеонаблюдения, управления освещением и т.п.

Создание управляющих программ для лазерных траекторий происходит в отечественной CAM­системе «ГеММа 3D, версия 12». Для нее был разработан модуль, реализующий функции управления траекторией и скоростью движения лазера, управления работой лазера — мощностью, фокусным расстоянием, конфигурацией светового пятна и т.п. Для трансляции кода управляющих программ в формат промышленного робота были написаны специальные постпроцессоры для обработки неподвижных деталей и деталей, вращаемых позиционером.

Система мониторинга работы комплекса разработана на базе отечественной SCADA­системы RapidSCADA. Система в цикле опрашивает состояние оборудования комплекса и ведет подробные журналы по более чем 300 различным параметрам.

Данные мониторинга технологического процесса (а)
и результат термоупрочнения контрольной пластины (б)

Для проверки работоспособности управляющих программ, а также для задач мониторинга технологических процессов было разработано приложение Russian Simulation Platform — система цифрового двойника комплекса для имитации и верификации технологических процессов.

Приложение может «проигрывать» управляющие программы для элементов комплекса и наглядно показывать, как будет происходить процесс термоупрочнения. Есть и еще одна интересная функция: приложение может получать собранные системой мониторинга данные и «проигрывать» уже произведенные на комплексе действия. В результате появляется возможность изучать происходящие при термоупрочнении физические процессы, сопоставляя между собой показания датчиков. Кроме того, в случае нештатной ситуации есть возможность максимально достоверно «проиграть» все происходившие на комплексе события и выяснить причину отказа или аварии.

В условиях четвертой промышленной революции создание сложных киберфизических систем является приоритетной задачей. Российские разработчики имеют преимущество в создании оборудования для лазерного термоупрочнения крупногабаритных изделий. Создание комплекса «Сварог­1» является не только импортозамещающим, но и импортоопережающим, существенным шагом вперед с целью максимальной автоматизации производственных процессов в отечественном машиностроении. Остается только добавить, что на базе этого комплекса также были разработаны специализированные комплексы, продолжающие серию «Сварог»: комплекс для лазерной сварки, резки, наплавки «Сварог­2» и роботизированный комплекс для точной сварки и резки «Сварог-3»