Совершенствование средств автоматизации технологической подготовки управляющих программ комплекса лазерной сварки при единичном и мелкосерийном производстве

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного
исследования и степень ее разработанности, указаны цель работы, задачи
исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость,
сформулированы положения, выносимые на защиту, степень достоверности и
апробации результатов.
В первой главе «Анализ современного состояния автоматизации
технологической подготовки управляющих программ ЛРК-С» описывается
современное состояние технологической подготовки УП промышленного ЛРК-С
и предпосылки совершенствования средств автоматизации для сокращения
времени подготовки УП. Анализируются современные методы и средства
автоматизации технологической подготовки УП комплекса лазерной сварки.
Выполнен анализ АС ТПП, используемых для технологической
подготовки УП в условиях единичного и мелкосерийного производства.
На основе результата анализа сформулированы задачи исследования.
Вторая глава «Методика автоматизированной технологической
подготовки управляющих программ ЛРК-С» посвящена разработанной методике
технологической подготовки УП и средствам ее реализации.
ПромышленныйЛРК-Спредставляетсобойобъединение
роботизированного манипулятора, иттербиевого волоконного лазера и
сопутствующего процессу ЛС технологического оборудования.
Посколькусовременное
состояниетехнологической
подготовки УП для ЛРК-С требует
совершенствованиясредств
автоматизациивусловиях
единичного и мелкосерийного
производства,топроцесс
подготовкипредлагается
реализовать в соответствии с
разработанной методикой, схема
которойпредставленана
Рисунок 1 – Функциональная схема методикирисунке 1.
технологической подготовки УПВ качестве связующего
звена рабочего места технолога (РМТ) и ЛРК-С выступает проектное решение
ЛС, представляющее собой структуру данных, содержащую модель
обрабатываемой детали, режим обработки, траекторию движения инструмента
ЛРК-С и проектные конфигурации.
На основании транслированной траектории из пространства моделей в
рабочее пространство ЛРК-С и технологических параметров, заложенных в
проектное решение ЛС, осуществляется создание УП робота и лазера.
Для совершенствования средств автоматизации подготовки УП в рамках
проектного решения траектория движения инструмента ЛРК-С представляется
структурой данных, содержащей помимо координат положения инструмента,
данные о состоянии готовности технологического оборудования к выполнению
операций в каждой точке траектории.
Технологическая траектория содержит в себе следующие данные:
значения положения ̅ = { , , }, ориентации ̅ = { , , } и угла поворота
инструмента ЛРК-С вокруг ̅, положение двухосевого позиционирующего
устройства (далее – позиционер) ̅ = { 1 , 2 }, ориентация ̅ и угол поворота
инструмента вокруг ̅ при корректировке траектории средствами
видеокамеры, степень сглаживания движения инструмента, скорость движения
инструмента и позиционера, время изменения мощности лазерного излучения,
состояние вкл/выкл лазерного излучения, состояние вкл/выкл подачи проволоки
и состояние вкл/выкл подачи защитного (инертного) газа.
Значения технологических параметров ЛС (скорость движения
инструмента и позиционера, мощность лазерного излучения, значения
параметров расхода защитного (инертного) газа, марки защитного газа, значение
положения расфокусировки лазерного излучения и скорость подачи проволоки)
выбираются из режима обработки при разработке проектного решения.
Точкой позиционирования инструмента ̅ = { , , } ЛРК-С является
пространственное положение перетяжки лазерного излучения (см. рисунок 2 а).
Системавекторов ̅ = { ̅1 , ̅2 } описываеткинематикупозиционера
(см. рисунок 2 б).
Системавекторов ̅
двухосевогопозиционирующего
устройства, соответствующая углам
позиционера = { 1 , 2 },
определяетсяследующими
выражениями:
̅1 = ̅10 ,
̅2 = ( ̅10 , 1 ),
а)б)где ̅10 – нейтральное положение ̅1 ,
Рисунок 2 – Модели элементов
технологического оснащения ЛРК-С:
( ̅10 , 1 ) – матрица поворота ̅10 на 1 .
а – инструмент; б – позиционерТрансляция координат точек
технологическойтраектории
осуществляетсясопоставлениемположениярезультататрехмерного
сканирования свариваемой детали с ее моделью. Результат сканирования
представляет собой облако точек, координаты которых записаны относительно
координатной системы промышленного роботизированного манипулятора
ЛРКС. Сканирование осуществляется компактным датчиком глубины,
установленным на сварочной головке ЛРК-С и выступающим в качестве
инструмента детектирования и сканирования детали (далее – инструмент
сканирования). Схема поля зрения датчика глубины, размещенного на
инструменте ЛРК-С, представлена на рисунке 3.
Результатом сопоставления двух облаков точек является матрица
совместного поворота и сдвига модели относительно результата сканирования,
имеющая следующий вид:
11 21 31
32
= ( 21 22),
31 32 33
0 0 0 1
где элементы – характеризуют вращение и образуют матрицу поворота, а
набор чисел { , , } – определяют сдвиг.
Матрица преобразования применяется к
проектируемым величинам ̅ и ̅ , обеспечивая
трансляцию координат из пространства моделей в
рабочее пространство ЛРК-С ̅ → ̅ ∗ и ̅ → ̅ ∗
-той точки технологической траектории.
Реальныедеталивсравнениис
идеализированнымиконструкторскими
моделями, криволинейные поверхности которых
аппроксимируются плоскими геометрическими
примитивами (как правило треугольниками),
Рисунок 3 – Схема поля зрения могутиметьнеприемлемыеотклонения
датчика глубиныгеометрии для ЛС. Помимо этого результат
расположенного наавтоматизированной трансляции проектируемой
инструменте ЛРК-С, с точкой
траектории из пространства моделей в рабочее
позиционирования ̅
пространство ЛРК-С средствами датчика
глубины может не обеспечить достижения
высокой точности трансляции точек траектории
движения инструмента. В связи с этим траектория
сварочного луча, построенная по трехмерной
модели, может оказаться вне свариваемого стыка
детали даже в случае идеального сопряжения
координатных систем модели и облака точек.
Однимизрешенийустранения
несоответствиякоординатточек
транслированной траектории зазору между
свариваемыми кромками является использование
методовисредствкорректировки,
функционирующих в наладке и автоматизировано
адаптирующихтраекториюдвижения
Рисунок 4 – схема поля зрения инструмента под установленную деталь на столе,
видеокамеры встроенной впри оптимальном диаметре пятна лазерного
лазерную головку ЛРК-С, сизлучения сварки, находящемся в диапазоне от
точкой позиционирования ̅ 0.5 до 1 мм.
Наиболее перспективным методом для автоматизированной коррекции
положения инструмента в точках транслированной траектории является
распознавание свариваемых кромок на изображениях, получаемых с
видеокамеры, встраиваемой в лазерную головку (см. рисунок 4).
Алгоритм корректировки транслированной технологической траектории
представляет собой последовательный проезд точек сварки инструментом, в
процессе которого каждая точка исследуется на отклонение положения пятна
лазерного излучения относительно свариваемых кромок (см. рисунок 5).
На основании транслированной и
скорректированнойтехнологической
траекториипроектногорешения
осуществляется создание УП робота и
лазера комплекса ЛРК-С.
Третьяглава«Средства
автоматизациитрансляции
технологической траектории в рабочее
пространство ЛРК-С и ее корректировки
относительно свариваемых кромок»
посвященаметодутрансляции
проектируемойтехнологической
траектории, моделям и алгоритмам
корректировки ее точек в рабочем
пространстве промышленного комплекса.
Процессполученияоблака
пространственных точек поверхности
свариваемой детали представляет собой
последовательность действий:
1) определение области локализации
Рисунок 5 – Блок-схема алгоритмасвариваемой детали в рабочем
корректировки точек транслированной
пространстве и (далее – )
технологической траектории средствами
видеокамерыинструмента (см. рисунок 6);
2) создание траектории сканирования
относительно ;
3) объезд контура верхней грани
области локализации инструментом
сканирования (см. рисунок 7);
4) покадровая обработка и объединение
массивовпространственныхточек,
получаемых с датчика.
Область определяется
пересечениемпространственных
ограниченийрасположениядетали,
а)б)фиксируемых датчиком глубины в точке
Рисунок 6 – Рабочая область
инструмента, привязанная к столу (а), к ̅0привертикальнойориентации
позиционеру (б)инструментасрабочейобластью
инструмента .
На основании и поля зрения датчика глубины обрабатываемая деталь
классифицируется по размерам. Классификация сложности детали по форме для
трехмерного сканирования осуществляется инженером-технологом и
сохраняется в конфигурациях проектного решения ЛС. Классификация
позволяет создать траекторию сканирования различных деталей средствами
датчика глубины (см. пример на рисунке 7).
Трансляция технологи-
ческой траектории в рабочее
пространствоЛРК-С
осуществляется на основе
сопоставлениярезультата
сканированиясмоделью
обрабатываемой детали из
а)б)проектногорешенияЛС,
сводящеесякзадаче
регистрации одного облака
точек в другом. Для этого
исходнаямодель
трансформируется в облако
точек путем равномерного
в)г)заполненияполигонов
Рисунок 7 – Схемы сканирования детали
датчиком глубины относительно контура верхней
пространственными точками.
грани (пунктирные линии) области локализации Сопоставление облаков
(сплошные линии)осуществляетсязасчет
совместногоприменения
алгоритмов начального согласованного выравнивания (известного как Sample
Consensus-Initial Alignment – SAC IA) и итерационного алгоритма ближайшей
точки (известного как Iterative Closest Point — ICP). Результат сопоставления
положения облаков точек позволяет определить матрицу преобразования .
Точки транслированной траектории корректируются относительно
свариваемых кромок. По результату обработки изображения, получаемого с
видеокамеры, установленной в инструменте, осуществляется корректировка его
положения. Расположение видеокамеры выбирается таким образом, чтобы сцена
поля зрения камеры была перпендикулярна лазерному лучу.
Фокусное расстояние видеокамеры имеющее постоянную разницу с
фокусным расстоянием лазерного излучения, обеспечивает определение
положения фокальной плоскости сфокусированного излучения относительно
положения инструмента с наиболее резким изображением видеокамеры в
заданной ориентации.
Корректировка положения пятна лазерного излучения относительно
свариваемых кромок осуществляется распознаванием кромок на изображении с
видеокамеры (см. рисунок 8). В каждой точке осуществляется распознавание
области между кромками по признакам яркостной сегментации. Двустороннее
освещение обеспечивает подсветку поверхности детали в поле зрения камеры,
при этом область между кромками определяется как множество самых темных
пикселей изображения. Пороговое выделение пикселей, составляющих область
между кромками, осуществляется на основании распределения пикселей
изображения по яркости, где границы выделения определяются по
минимальному значению яркости и первому локальному минимуму
распределения.
По результату выделения границ
осуществляетсяраспознавание
контуров кромок, представляющих
собой два множества локально-
параллельныхсегментов.Таким
образомнаметаллическую
поверхность детали, наблюдаемую
а)видеокамерой,накладываются
требования в отсутствии потертостей и
царапин соизмеримых по размерам со
свариваемым стыком.
Точки корректного положения
инструмента относительно свари-
ваемых кромок определяются для
различных результатов распознавания.
б)В случае расположения точки позици-
онирования ̅ инструмента на изобра-
жении относительно кромок, продол-
жающихся за пределы изображения,
корректное положение определяется
как ближайшая центральная точка ̅0
зазора (см. рисунок 8 а). Если на
изображенииприсутствуюткрая
кромок (см. рисунок 8 б), то коррект-
в)
Рисунок 8 – Схемы определенияное положение ̅ определяется как
корректного положения относительноближайшая краевая точка центра зазо-
распознанных кромок для текущегора ̅0 . При наличии на изображении
положения инструмента ̅: а – в точке 0 ; одного края распознанных сварива-
б – в точке 0 ; в – в точке 0емых кромок, корректное положение
точки позиционирования инструмента
̅ определяется как барицентр ̅0 сегментов, составляющих множество перегиба
кромок, представленных единым контуром (см. рисунок 8 в).
В четвертой главе «Подсистема АС ТПП по подготовке УП для ЛРК-С и
экспериментальное исследование» представлен созданный программный
комплекс, реализующий разработанные средства автоматизации, и результаты
его экспериментального исследования.
Поскольку методика технологической подготовки УП подразумевает
реализацию автоматизированных операций на ЛРК-С, то АС ТПП, содержащая
подсистему по подготовке УП для ЛРК-С, представляется структурной схемой,
изображенной на рисунке 9.
В подсистеме проектирования ЛС инженер-технолог осуществляет
разработку технологического проектного решения ЛС, затем проект передается
на производственный участок ЛРК-С. На ЛРК-С в подсистеме подготовки УП
оператор осуществляет автоматизированную трансляцию и коррекцию
технологической траектории. На основе проектного решения и
скорректированной траекториидвиженияинструментаосуществляется
генерация УП робота и лазера.

Рисунок 9 – Структурная схема АС ТПП для промышленного ЛРК-С
Платформой экспериментальных исследований подсистемы подготовки
УП являлся ЛРК-С лаборатории лазерной сварки НОЦ ВЛТ ВлГУ. Объектами
экспериментального исследования являлись детали, производимые ЛС
(см. рисунок 10).

а)б)в)
Рисунок 10 – Объекты экспериментального исследования: а – форма вспенивания
пеностекла; б – корпус магнитного устройства; в – консоль суппорта погрузчика Ant-1000
В ходе экспериментального исследования была проведена опытная
автоматизированная подготовка УП для каждого объекта в объеме пять штук. По
результату подготовки УП была осуществлена ЛС.
Оценочнымпоказателемсокращениявремени выполнения
технологической подготовки УП является величина н / , где н – норма
времени технологической подготовки УП и а – время выполнения
автоматизированной подготовки УП.
Величина а определяется как сумма времени выполнения операций:
а = а1 + а2 + а3 ,
где а1 – время трансляции технологической траектории, а2 – время
корректировки точек транслированной траектории, а3 – время совместного
создания УП робота и лазера:
Величина н определяется как сумма нормы времени:
н = н1 + н2 + н3 + н4 ,
где н1 – норма времени калибровки положения модели детали, н2 – норма
времени создания УП робота, н3 – норма времени операции отладка УП робота
на детали, н4 – норма времени создания УП лазера.
Оценка сокращения времени выполнения технологической подготовки УП
составила: в 3 раза для формы вспенивания, в 4.1 раза для корпуса магнитного
устройства и в 4 раза для консоли суппорта.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационного
исследования, теоретические и практические выводы:
1.Разработана методика технологической подготовки УП, основанная
на проектном решении ЛС и автоматизированных операциях трансляции
траектории инструмента из пространства моделей в рабочее пространство ЛРК-С
датчиком глубины и корректировки положения инструмента в транслированных
точках траектории средствами распознавания свариваемых кромок на
видеоизображении.
2.Разработан метод автоматизированной трансляции проектируемой
технологической траектории из пространства моделей в рабочее пространство
ЛРК-С средствами датчика глубины. Метод включает определение области
локализации свариваемой детали, формализацию подготовки траектории
инструментасканирования,сопоставлениерезультататрехмерного
сканирования свариваемой детали с ее моделью. Реализация метода позволяет
сократить время выполнения в сравнении с операцией калибровки положения
модели более чем в 3 раза.
3.Модифицированы модели и алгоритмы метода корректировки точек
транслированной траектории инструмента относительно свариваемых кромок,
распознаваемыхнавидеоизображении,позволяющиеосуществить:
корректировку положения фокальной плоскости лазерной головки, сегментацию
области между свариваемыми кромками, распознавание кромок и определение
корректного положения. Средства обеспечивают сокращение времени отладки
положения инструмента в УП относительно свариваемых кромок
более чем в 2.5 раза.
4.На основании теоретических разработок осуществлено создание
подсистемы АС ТПП по автоматизированной технологической подготовки УП
промышленного ЛРК-С.
5.Результатыэкспериментальногоисследованиясозданной
подсистемы АС ТПП показали сокращение времени выполнения
технологической подготовки УП в сравнении с нормой времени в НОЦ ВЛТ
ВлГУ более чем в 3 раза.
6.Результаты работы переданы для применения на производственное
предприятие ООО «ИЦ при ВлГУ» в г. Владимире и использованы в учебном
процессе направлений бакалавриата и магистратуры ВлГУ. Соответствие
произведенных изделий требованиям конструкторской документации
подтверждено при входном контроле на АО «Ковровский электромеханический
завод» в г. Коврове.
Достигнутые в диссертации результаты предлагается использовать при
развитии автоматизации технологической подготовки управляющих программ
лазерных роботизированных комплексов, реализующих технологические
процессы порошковой наплавки и термоупрочнения.