НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
в компании Термолазер
Инженеры компании ООО "Термолазер" значительную часть времени уделяют научной деятельности, постоянно улучшая результаты работы оборудования, а также разрабатывая новые методы применения лазерных технологий.

ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ В РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Для автоматизированного высокоскоростного и высокопроизводительного фрезерования концевыми фрезами деталей сложной формы предлагается робототехническая система, исполнительное устройство которой состоит из манипулятора инструмента и манипулятора детали. Задача управления такой системой – согласованное относительное перемещение изделия и инструмента по заданным траекториям с требуемой точностью. Исходя из возможности формирования двухканального воздействия, управление траекторным движением рассматриваемого исполнительного устройства предлагается осуществлять позиционно – силовым способом, при котором одним их манипуляторов создается дозированное силовое взаимодействие между инструментом и обрабатываемым изделием, а другим осуществляется заданное относительное перемещение. Представлена обобщенная структура системы управления, содержащая подсистему стабилизации динамических характеристик, датчик силового взаимодействия, расположенный на выходном звене манипулятора инструмента, устройство управления, осуществляющее позиционное и (или) позиционно – силовое гибридное управление перемещением звеньев манипуляторов. Приведены математические зависимости для управляющих моментов.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВЯЗИ В КОМПЛЕКСИРОВАННЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РОБОТОВ И ИХ НАРУШЕНИЯ
Новым направлением в создании оборудования для изготовления деталей сложной формы являются машинные центры гибридной обработки, включая аддитивные технологии. Функциональные возможности таких центров позволяют изготавливать новые детали до уровня готовой продукции, а также осуществлять их ремонт и доработку, например, упрочнение поверхности. Сформулирована задача создания высокоэффективных робототехнических комплексов для автономной работы при выполнении гибридных операций в гибком производстве. Такие комплексы должны обладать многофункциональной манипуляционной исполнительной системой, обеспечивающей необходимые параметры управляемого движения и взаимодействия рабочих инструментов. Приведен пример такой системы и показаны функциональные связи, существующие в ней. Предложена классификация возможных нарушений связей, включая сингулярности. Предложена методика итерационного синтеза кинематической цепи манипуляторов, исключающая сингулярности, а также отмечены направления устранения нарушений функциональных связей.

КОМПЕНСАЦИЯ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ И СТАТИЧЕСКАЯ РАЗГРУЗКА В МАНИПУЛЯЦИОННЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ РОБОТОВ
Работа исполнительных устройств манипуляционных роботов происходит в условиях существенного взаимовлияния звеньев через статические и динамические нагрузки. Компенсация этого взаимовлияния способствует улучшению энергодинамических характеристик робота. В исполнительных кинематических цепях с вращательными парами пятого класса указанная компенсация может быть реализована за счет введения дополнительных удерживающих связей, которые в сочетании с основными звеньями позволяют разложить реактивные моменты в степенях подвижности на пары сил, не приводящих к взаимному влиянию степеней подвижности через статические моменты и динамические относительного движения. Для трансформирования статических моментов в шарниры с целью разложения на пары сил предложен синусно-косинусный механизм преобразования активного момента в реактивный. В механизме реализован принцип замыкания силового потока и показана возможность создания синусоидального уравновешивающего момента. Представлены математические зависимости реализации гармонического закона момента и компенсации остаточной неуравновешенности в механизмах сложной структуры при моделировании.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ
Повышение стабильности лазерного термоупрочнения и его использование для изделий различной достаточно сложной геометрической формы возможно путем качественного управления технологическим процессом в автоматизированных системах на базе применения роботов, а также широкого использования моделей и современных подходов к структурному и параметрическому синтезу систем интеллектуального управления объектами, работающими в условиях нестационарности и неопределенности с учетом особенностей рабочего инструмента – лазерного луча. Предложена структура двухконтурной интеллектуальной системы управления, содержащей контур стабилизации температуры поверхностного слоя и контур коррекции параметров упрочняемого слоя. Такая структура позволит получить поверхность с переменной глубиной и (или) твердостью упрочненного слоя в случае ее неравномерного износа по условиям эксплуатации объекта, а также стабилизировать термический цикл в недетерминированных условиях, обеспечивая инвариантность процесса к внешним возмущениям. Система содержит параллельные модели нагрева материала, включая модель термического цикла.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЮСТИРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ТРАКТА ЛАЗЕР – РОБОТА
Рассматривается лазер - робот, состоящий из источника излучения (СО2–лазера), транспортного манипулятора, оптической головки и лучепровода, расположенного внутри манипулятора. В процессе эксплуатации лазер – робота может происходить изменение углового положения отклоняющих зеркал вследствие температурных и упругих деформаций элементов конструкции манипулятора и лучепровода. Указанные отклонения могут привести к значительным не допустимым смещениям положения луча на фокусирующей линзе вплоть до потери работоспособности. Ввиду этого необходима постоянная юстировка компонентов оптического тракта в автоматическом режиме. Приведено обобщенное аналитическое представление оптической системы в виде блочных матричных четырехполюсников, с помощью которого могут вычисляться необходимые корректирующие воздействия в системе юстировки. С помощью компьютерного моделирования манипулятора, имеющего пять степеней подвижности, исследовано влияние смещений лазерного луча на его выходные параметры. Предложена структура автоматической системы юстировки и устройство датчика обратной связи (болометра). Приведены результаты компьютерного моделирования система юстировки, показавшие ее работоспособность.

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДГОТОВКИ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Основной целью создания системы автоматизированной подготовки управляющих программ упрочнения изделий сложной формы для лазерного технологического комплекса ЛК-5В является сокращение сроков и за- трат при технологической подготовке производства. Лазерный технологический комплекс ЛК-5В относится к оборудованию с числовым программным управлением (ЧПУ) и должен обладать возможностью быстрой смены объекта обработки, требующей замены настроек CO2 – лазера и управляющей программы. Однако это преимущество реализуется лишь в случае достаточно быстрой подготовки управляющих программ.
Предполагается, что система будет иметь два режима работы. Первый режим – режим обучения, во время которого системой будут проводится следующие операции:
1. Сканирование объекта, находящегося в области сканирования, задаваемой оператором с пульта оператора УЧПУ, на рабочем столе лазерного технологического комплекса ЛК-5В.
2. Составление геометрической матрицы поверхности сканируемого объекта.
3. Построение 3-d модели детали на основе геометрической матрицы поверхности сканируемого объекта.
4. Написание программного кода лазерной термической обработки данной детали с учетом данных о поверхностях и режимах обработки, которые вводятся оператором с пульта оператора УЧПУ лазерно- го технологического комплекса ЛК-5В.
5. Сохранение созданной управляющей программы упрочнения обрабатываемой детали в памяти УЧПУ и/или ПК.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ С МНОГОКАНАЛЬНЫМ СО2 ЛАЗЕРОМ
Высокопроизводительное и качественное лазерное упрочнение внутренней, в том числе резьбовой, поверхности широким лучом на сегодняшний день может быть успешно реализовано на основе использования многолучевых одномодовых газовых СО2-лазеров с равномерным «супергауссовым» распределением плотности мощности по сечению луча на некотором небольшом расстоянии за его перетяжкой. При этом диаметр светового пятна может быть управляемым и достигать 10 – 15 мм. При использовании газового лазера необходимо нанесение на обрабатываемую поверхность высокоэффективного поглощающего покрытия в виде оксидов цинка или алюминия с добавками пластификатора и органической связки. Для уменьшения времени высыхания покрытия рекомендуется обдув покрытой поверхности горячим воздухом. После воздействия лазерного излучения необходимо удалить с обработанной поверхности образовавшийся нагар. Установка содержит четыре взаимосвязанных подсистемы последовательного выполнения операций нанесения поглощающего покрытия, его сушки, лазерного упрочнения и удаления нагара для изделия, закрепленного на одной позиции, с единой системой управления. В состав установки входит газовый лазер, чилер для его охлаждения, исполнительная система механического движения, устройства подачи сжатого воздуха, поглощающего покрытия, нагрева и подачи промывочной жидкости.
На рис. 1 показана подсистема нанесения поглощающего покрытия. Подсистема содержит станцию подачи под давлением 0,1 – 0,15 мПа жидкого покрытия (раствора оксидов цинка или алюминия с добавками пластификатора и органической связки), штангу 5, на которой через изолирующую прокладку 8, установленную на лазерную головку 4, закрытую защитным кожухом, закреплена головка 6 для нанесения покрытия через форсунку 7 с использованием электростатического поля, создаваемого источником питания.
На рис. 2 представлена подсистема сушки поглощающего покрытия. Подсистема содержит компрессор, калорифер для нагрева сжатого воздуха, фильтр 1 через который нагретый воздух после обдува покрытия на внутренней поверхности изделия 2 поступает в атмосферу. Калорифер, подключаемый к источнику питания, и фильтр 1 соединены с изделием кожухами 4 и 5. Поток воздуха от компрессора регулируется вентилем 6. Изделие 2 при выполнении операции остается неподвижным в опорах 3. Подсистема реализации на установке лазерной операции приведена на рис. 3. Подсистема содержит лазер, излучение 11 которого через систему угловых зеркал 8 и 14 и фокусирующую линзу 4 широким пятном воздействия.
На рис. 4 приведена подсистема очистки поверхности от нагара после лазерного упрочнения. Изделие 1 с торцов герметизировано заглушками 2. Реверсивный насос служит для подачи (и откачки) внутрь герметизированного изделия из бака через фильтр 4 70 % раствора каустической соды (едкого натра), заполняющего полость на 80 % ее объема и затем нагреваемого установленными в заглушки 2 по оси изделия двумя нагревательными элементами (тэнами) 13 с терморегуляторами, связанными с источником питания. Датчик 11 контролирует нагрев до температуры кипения (120 – 140 град С), а датчик засорения фильтра служит за контролем за его состоянием.




ТЕХНОЛОГИЯ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛИ ТИПА "МОНОКОЛЕСО"
Основной идеей технологического процесса финишной обработки является использование балластной несущей среды для сверхтонкого абразива, позволяющей получить высокую степень присутствия абразива в зоне обработки, увеличит его кинетическую энергию (ближайшим аналогом термина будет являться «давление абразива в зоне обработки»).
Фаза 1 «Обработка в многоканальных центрифугах» Колесо удерживается антропоморфным манипулятором и опускается пером в в один из каналов центрифуги. Колесо вращается и позиционируется в 6 осях при помощи манипулятора для обеспечения правильного обтекания потоком абразива и управления интенсивностью и качеством обработки Каждый канал характеризуется своей абразивной смесью и скоростью.
Фаза 2 «Вибровыглаживание» Колесо помещается в бункер с вакуумной загрузкой абразивной смеси, где в течение 12 часов производится виброобработка абразивной смесью с заданной программой скоростей, амплитудой и распределением потока абразива.
Фаза 3 «Упрочнение с помощью лазерной обработки – замена покрытия» Подбор режима термообработки, совершенно необходимой после изготовления деталей достаточно сложный процесс. Прочность детали напрямую определяется правильностью режима термообработки.
Фаза 4 «Нанесение дополнительного покрытия» Ни один из используемых для изготовления блисков материалов, не позволяет поднимать температуру рабочей газовой смеси выше 2000 С. Также необходимо помнить, что используемые материалы подвержены горячей коррозии. Решить задачу позволит использование специальных жаростойких и термо-корозионно стойких покрытий на основе сплавов и керамических композиций.
Реализованная в большинстве случаев, наплавка покрытий лазером имеет общие недостатки: наплавленный материал неоднородный, содержит поры, заполненные газом, не расплавившиеся частицы порошка, захваченный струей газопорошковой смеси воздух вызывает образование неметаллических пленок и включений, много частично оплавленных гранул разлетается вокруг, повреждая поверхность, физические свойства получаемого таким образом покрытия существенно уступают свойствам материала, из которого оно изготовлено. Устранить эти недостатки позволит разработанная ООО «Термолазер» оптическая система (ОС) для комплекса ЛК-5В, предназначенная для нанесения покрытий.









ШТАНГОВЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ЗАКАЛКИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Разрабатывается рабочий модуль для обработки изделий диаметром от 50 мм при длине до 1 метра.
Использование разрабатываемого модуля возможно как на базе готовой установки ЛК-5В, так и на базе разрабатываемой параллельно установки на основе многолучевого лазера.
Рынку будет предлагаться как готовый комплекс серии ЛК-5В со штанговым модулем необходимого размера, так и отдельно штанговый модуль на приобретенный ранее комплекс серии ЛК-5В. Аналогичные модули будут предлагаться рынку в составе комплекса на базе многотурбчатого лазера, разрабатываемого параллельно.