Мобильный лазер-робот для обработки крупногабаритных объектов
Создание роботизированных систем для выполнения лазерных операций на крупногабаритных объектах непосредственно в месте их расположения является важной и актуальной задачей. Это обусловлено тем, что подавляющее большинство операций при изготовлении, демонтаже или ремонтно-восстановительных работах на крупногабаритных объектах осуществляется вручную
с применением средств малой механизации.
Известны отдельные примеры роботизированной обработки крупногабаритных объектов. На рис. 1 приведены примеры выполнения сварочных операций промышленными роботами на крупногабаритных объектах, размеры которых превышают размеры рабочей зоны роботов.
В примерах а) и б) реализуется поворот объекта сварки относительно робота, а в примере в) осуществляется перемещение робота по горизонтальным направляющим. Следует отметить, что далеко не всегда возможно реализовать перемещение крупногабаритного объекта относительно робота или наоборот.
Все крупногабаритные объекты обработки можно условно разделить на две группы: объёмные, имеющие большие размеры по двум или трём ортогональным координатам декартовой системы координат, и длинномерные, у которых размер по одной (например, горизонтальной) координате значительно превышает размеры по двум другим.
С использованием лазерной обработки объёмных объектов можно выполнять монтаж, обработку или утилизационную резку, например, корпусов судов, крупных наземных и воздушных транспортных средств или резервуаров. Также лазерные операции могут применяться для очистки поверхности, наплавки и сварки изношенных деталей карьерного оборудования горнодобывающей промышленности и подъёмно-транспортного оборудования на месте его эксплуатации, для механической обработки и наплавки изношенных рабочих кромок лопаток крупных паровых турбин без их разлопачивания и других длинномерных объектов.
Исходя из принятого деления крупногабаритных объектов, возможны два варианта построения специализированного мобильного лазера-робота.
- Мобильный лазер-робот, располагаемый на типовом транспортном средстве, со специализированным оригинальным манипулятором, имеющим большое число степеней подвижности, с большой длиной исполнительной кинематической цепи (более 10 метров) и предназначенный для обработки объёмных крупногабаритных объектов.
- Мобильный лазер-робот, оснащённый специальной управляемой тележкой, на которой размещается типовой технологический манипулятор, имеющий 5–6 степеней подвижности с исполнительной кинематической цепью длиной до 3 метров, предназначенный преимущественно для обработки крупногабаритных длинномерных объектов, последовательного выполнения операций в нескольких производственных ячейках или в различных структурных подразделениях одного предприятия.
Исполнение мобильного лазера-робота по вариантам 1 (ЛР1) или 2 (ЛР2) требует максимальной концентрации различных технических устройств на подвижных носителях и возможности реализации технологических процессов практически в экстремальных условиях. При этом обработка крупногабаритного объекта должна выполняться с требуемой точностью в условиях его практически недетерминированного пространственного положения.
Задача автоматизированной обработки крупногабаритных объектов с требуемой точностью, в том числе в полевых условиях, может быть решена с использованием мобильного робота, оснащённого универсальным манипулятором, автономной системой энергопитания, развитой системой очувствления и контроля качества выполняемой операции, системой мониторинга состояния робота и его отдельных компонентов.
Для выполнения операций лазерной закалки и наплавки мобильный лазер-робот целесообразно оснастить достаточно мощным диодным лазером (одним или двумя), расположив его на концевой части последнего звена исполнительной кинематической цепи манипулятора.
Для сварки и резки следует использовать волоконный лазер, а для резки крупногабаритных объектов из различных материалов, в том числе неметаллических, — электроразрядный лазер с системой транспортировки излучения.
Использование двух диодных лазеров позволяет значительно повысить качество выполняемых лазерных операций. В частности, при наплавке имеется возможность различной ориентации на обрабатываемой поверхности 4 (Рис. 2) фокальных пятен лазерных пучков от двух лазеров
и области подачи наплавляемого материала по оси 5. Можно координировать их ориентацию с направлением перемещения относительно обрабатываемой поверхности, что позволяет значительно повысить энергетическую эффективность лазерной наплавки.
Вариант сведения лазерных пучков 2 и 3, пересекающихся с осью 5 подачи наплавляемого материала в области 6, показанный на Рис. 2 (а), создаёт на обрабатываемой поверхности 4 промежуток между пучками (стрелкой показано направление движения устройства).
Вариант сведения лазерных пучков 2 и 3, пересекающихся с осью 5 подачи наплавляемого материала в области 6, показанный на Рис. 2 (б), не создаёт на обрабатываемой поверхности 4 промежуток между пучками. Во варианте сведения, показанном на Рис. 2 (в), лазерные пучки 2 и 3 перекрываются на обрабатываемой поверхности 4 на оси 5 подачи наплавляемого материала.
В варианте сведения, показанном на Рис. 2 (г), лазерные пучки 2 и 3 не пересекаются с наплавляемым материалом и расположены с разных сторон от зоны подачи наплавляемого материала на обрабатываемую поверхность 4 по оси 5.
Пучок 2 создаёт ванну расплава 7, в которую в ходе перемещения устройства попадает наплавляемый материал, а пучок 3 в зоне подогрева трека 8 поверхности наплава снимает остаточные напряжения после наплава.
В варианте сведения, показанном на Рис. 2 (д), пучок 2 создаёт ванну расплава в зоне подачи наплавляемого материала на обрабатываемую поверхность 4, а пучок 3 в зоне подогрева трека поверхности наплава снимает остаточные напряжения после наплавления.
Таким образом, использование двух лучей для лазерной наплавки позволяет регулировать положение ванны расплава и зоны подогрева на обрабатываемой поверхности и осуществлять предварительный подогрев наплавляемого материала перед обрабатываемой поверхностью вплоть до его оплавления, что расширяет функциональные возможности устройства, повышает скорость и качество выполнения операции лазерной наплавки.
Манипуляционную систему исполнительного устройства мобильного лазера-робота ЛР1 предлагается строить в виде комплексированной совокупности двух манипуляторов: транспортного и технологического. Кинематическая схема такой манипуляционной системы приведена на Рис. 4.
Транспортный манипулятор имеет три степени подвижности, является носителем для технологического манипулятора и работает в режиме перестановки.
Технологический манипулятор, в свою очередь, имеет пять степеней подвижности, перемещает рабочий инструмент (оптическую головку) при неподвижном транспортном и является основным манипулятором. Выполнение по такой схеме позволит реализовать манипулятор с совокупной длиной звеньев до 15 метров.
Постоянство положения точки фокуса обеспечивается последним приводом поступательного перемещения, работающим в режиме стабилизации, а угловая ориентация оптической головки — двумя угловыми координатами.
На Рис. 5 представлена структурная схема интеллектуальной системы управления движением рассматриваемого лазера-робота для выполнения операции утилизационной резки в условиях неопределённости толщины материала объекта. Технологический контроллер формирования параметров обработки определяет задание для контроллера планирования траектории, контроллера формирования эталонной скорости в пространстве задания и контроллера источника лазерного излучения.
Контроллер планирования траектории вырабатывает параметры точек, которые преобразуются в обобщённые координаты углов поворота в нейроконтроллере преобразования координат. Сигналы с последнего поступают на позиционный контроллер, который связан с блоком нейроконтроллеров регуляторов скорости. Контроллер формирования эталонной скорости формирует задание требуемой скорости обработки. Преобразование эталонных скоростей в обобщённые координаты происходит с помощью нейроконтроллера преобразования скорости, с которого сигналы поступают на блок нейроконтроллеров регулятора скорости.
Управляющие сигналы с блока нейроконтроллеров скорости поступают на манипуляционную систему, которая состоит из электроприводов, реализующих движение системы и исполнительной кинематической цепи. Информацию о положении выходной точки манипуляционной системы и скорости перемещения этой точки снимают с помощью датчиков и подают для коррекции управляющих сигналов на блок нейроконтроллеров скорости и блок позиционных контроллеров. Манипуляционная система имеет механическую связь с оптической головкой, на которую подаётся луч с источника лазерного излучения. Параметры лазерного излучения формируются контроллером источника лазерного излучения.
Поскольку операция часто осуществляется в условиях неопределённости параметров объекта обработки, датчик её измерения перемещается впереди оптической головки, и в функциональном преобразователе происходит преобразование сигнала с этого датчика в параметры скорости обработки. При этом происходит вычитание заданной изначально скорости в технологическом контроллере и скорости, требуемой в зависимости от показаний датчика выполнения операции во время процесса лазерной обработки.
Главной технологической обратной связью является обратная связь по условию гарантированной обработки объекта, реализованная с помощью датчика, нейроконтроллера и контроллера источника лазерного излучения, изменяющего мощность луча в зависимости от условий выполнения операции. Нейроконтроллер может обучаться на различный характер обработки и для разнообразных материалов по модели процесса.
Использование нейроконтроллеров обусловлено необходимостью повышения быстродействия и точности формирования управляющих воздействий. Нейроконтроллеры в контуре скорости приводов предназначены для быстродействующей подстройки коэффициентов регуляторов в функции задания её эталонного значения и сигнала технологической обратной связи.
Перед началом движения формируются необходимые данные, включающие в себя:
- технологическую карту обработки поверхности (на дисплее монитора задаётся вид поверхности, маршрута обработки и точки установки транспортного манипулятора);
- режимы обработки объекта (скорость и точность обработки, обрабатываемый материал и т. д.);
- режимы движения и управления манипуляторами (характер движения, последовательность движения манипуляторов, вид управления и т. д.).
В режиме дистанционного или автоматического управления транспортный манипулятор выводится
в исходную точку. При этом технологический манипулятор находится в транспортном положении, определяемом из условия минимума статических нагрузок на выходное звено транспортного манипулятора и удобства подвода к объекту работ. После этого производится вывод рабочего инструмента в исходную точку маршрута.
В процессе движения проводится идентификация поверхности и (или) подготовка её к лазерной обработке (зачистке, нанесению светопоглощающего покрытия и т. д.). Если поверхность имеет сложную криволинейную форму и её положение не определено по отношению к лазеру-роботу, аналитическое задание траектории движения даже в приближённом виде практически невозможно, а использование систем локации сопряжено со значительными трудностями. В этом случае параметры траектории движения могут быть измерены самим лазером-роботом, работающем в режиме обучения, который можно совместить с выполнением операции.
Измерение параметров осуществляется в следующей последовательности.
- Во фронтальной плоскости расположение поверхности определяется оператором в режиме дистанционного управления, либо проектировщик программно задаёт опорными точками траекторию движения.
- Лазер-робот выводится в исходную точку и по сигналам с измерительной головки стабилизируется в положение ортогональности выходного звена к поверхности. С ультразвуковых датчиков перемещения считывается информация, и определяются её координаты.
- На приводы лазера-робота подаются программные входные воздействия для перемещения к следующей опорной точке. По сигналам с измерительной головки с частотой опроса датчиков эти воздействия корректируются и пересчитываются в параметры траектории.
С целью сокращения времени вычислений при обучении следует использовать мультиплексные системы, а также симулятор движения манипуляционной системы, позволяющий, кроме того, проанализировать возникновение сингулярностей и исключить их в режиме воспроизведения управляющей программы. Таким симулятором может являться компьютерная модель исполнительной системы лазера-робота, выполненная с учётом его динамических свойств.
Для выполнения операции лазерной закалки и наплавки длинномерных крупногабаритных объектов компания ООО «ТермоЛазер» разработала и изготавливает мобильный лазер-робот МЭЛ-3.0 (вариант ЛР2), оснащаемый диодным лазером мощностью до 3 кВт с возможностью проведения обработки на территории предприятия-заказчика или на открытой площадке.
Текст: Д. О. Чухланцев, В. П. Умнов (ООО «ТермоЛазер»). Фотоматериалы и схемы предоставлены ООО «ТермоЛазер».
