Лазерный мир

Сухоруков С. И., Черный С. П., Мешков А. С., Киба Д. А. // Ученые записки комсомольского-на-амуре государственного технического университета, 2020. № 7 (47). С. 26-33.

Одним из наиболее распространённых на сегодня способов соединения металлических эле- ментов различных конструкций является сварка. В большинстве случаев применяется электродуговая сварка, где расплавление кромок свариваемых элементов происходит под действием протекающего по ним тока [1]. К преимуществам такого способа сварки можно отнести широкую распространённость, возможность выполнения сварки вручную, а также большое количество специалистов, способных выполнять такие виды работ. Наряду с озвученными преимуществами все типы электродуговой сварки обладают следующими недостатками:

1. большая зона термического влияния;

2. наличие значительных температурных деформаций свариваемой детали;

3. повышенная сложность сварки тонкостенных конструкций (менее 2 мм толщины). Некоторые виды современных высокотехнологичных производств, таких как авиастроение, предъявляют повышенные требования к качеству и точности геометрии изделий. Примером таких изделий могут служить элементы авиационных трубопроводных систем. Данные элементы отличаются малой толщиной стенки (менее 1 мм), сложной пространственной конфигурацией и изготавливаются из сложнообрабатываемых материалов (нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, титан) [2]. При изготовлении таких элементов сегодня повсеместно применяется один из самых сложных видов электродуговой сварки – TIG-сварка. При этом сварка реализуется в ручном режиме, а для отдельных видов изделий процент брака может составлять до 20-30 %.

Всё это приводит к необходимости разработки и внедрения технологий, позволяющих повысить качество сварных соединений, снизить процент брака, а также автоматизировать процесс сварки. В качестве возможного варианта решения предлагается применение лазерного излучения для сварки деталей. Лазерная сварка отличается высоким качеством сварного соединения, малой зоной термического влияния и, как следствие, низкими температурными деформациями [3].

Отличительной особенностью лазерной сварки является необходимость высокой степени автоматизации технологического процесса – требуется в автоматизированном режиме управлять как режимами источника излучения, так и перемещением лазерного луча вдоль сварного шва. Это связано с малым диаметром светового пятна лазера и высокой требуемой точностью позиционирования луча относительно сварного шва. Обеспечить выполнение данных требований вручную невозможно, поэтому для реализации технологического процесса лазерной сварки предполагаются разработка и внедрение роботизированного комплекса, в рамках которого перемещение выходной оптики лазера будет осуществляться промышленным роботом-манипулятором [4].

Для построения такого комплекса потребуется значительное количество разнородного оборудования, для которого необходимо решить задачу одновременного программного управления отдельными устройствами, входящими в состав комплекса.

При проведении анализа научно-технических публикаций в области лазерной сварки было выявлено, что сама технология применения лазеров в задачах сварки является очень популярной на данный момент. Однако большинство исследований и статей посвящено преимущественно изучению физических процессов, происходящих в процессе воздействия лазера на различные металлы в процессе сварки [5; 6], а также исследованию структурных и прочностных характеристик металлов в зоне сварки при различных условиях [7; 8]. Работ, посвящённых автоматизации и роботизации лазерной сварки и разработке алгоритмов для управления такими автоматизированными комплексами, наоборот, относительно немного. Преимущественно такие работы ориентированы на повышение качества управления отдельными узлами и элементами автоматизированных и роботизированных систем. В качестве основного элемента в таких работах рассматриваются отдельные электропривода и различного рода регуляторы для управления ими. Одним из наиболее популярных направлений в данной области является применение интеллектуальных подходов [9; 10; 11; 12]. Однако вышеперечисленные работы не позволяют осуществлять управление всем роботизированным комплексом в целом.

Целью данной работы является разработка концепции формирования единой управляющей программы для роботизированного комплекса лазерной сварки с учётом необходимости реализации управления разнородным оборудованием в рамках этой программы.

Структура роботизированного комплекса.

Рассмотрим состав основного оборудования, необходимого для построения роботизированного комплекса лазерной сварки, и структуру комплекса.

Предлагаемая структура роботизированного комплекса приведена на рис. 1. В состав комплекса входит следующее основное оборудование, выполняющее соответствующие функции:

— лазерный источник (генерация лазерного излучения необходимой мощности);

— выходная оптика лазера (фокусировка лазерного луча);

— промышленный робот-манипулятор (позиционирование и перемещение выходной оптики по необходимой траектории с заданной скоростью);

— контроллер робота (управление приводами манипулятора для обеспечения требуемой траектории);

— блок WHAM (контроль состояния элементов выходной оптики лазера);

— механизм подачи проволоки (подача присадочного материала в зону сварки для повышения прочностных и качественных характеристик сварного соединения);

— клапан подачи защитного газа (обеспечение защиты расплавленного металла от влияния кислорода);

— внешнее защитное ограждение (активная защита внешних устройств и персонала от излучения);

— программируемый логический контроллер (общее управление работой всех элементов комплекса и синхронизация их действий);

— панель оператора (взаимодействие с оператором комплекса, отражение и архивирование основных технологических параметров);

— система безопасности комплекса (экстренная остановка комплекса при нештатных ситуациях).

В качестве основного технологического оборудования при построении опытного образца

роботизированного комплекса выбраны следующие модели оборудования:

— волоконный иттербиевый лазер IPG мощностью 2 кВт;

— промышленный робот-манипулятор KUKA KR60-3;

— ПЛК Siemens S7-1500;

— панель оператора TP1200 Comfort.

Выбранное оборудование позволяет на техническом и программном уровнях обеспечивать взаимодействие всех элементов комплекса, однако для реализации конкретного технологического процесса требуются дополнительные алгоритмические и программные средства.

Рассмотрим функции отдельных элементов комплекса и направления передачи сигналов управления в системе:

1. Лазер: включение/выключение и настройка режимов работы лазера осуществляются по- средством подачи на источник лазерного излучения необходимого набора дискретных и аналоговых сигналов. В соответствии с представленной структурой (см. рис. 1), сигналы подаются с ПЛК. Этот же ПЛК отслеживает ответные диагностические дискретные и аналоговые сигналы, поступающие с лазера.

Полное содержание статьи: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44578548