Использование промышленных роботов с волоконными лазерами

Применение промышленных роботов общего назначения для лазерных операций стало возможным благодаря развитию волоконных технологий. Это связано прежде всего с тем, что вопрос транспортировки излучения к мобильной лазерной головке решен изначально – излучение транспортируется по гибкому оптическому кабелю.  Такое производственное решение – лазер, промышленный робот и установленная на его манипуляторе технологическая головка – кажется наиболее простым и не требующим значительных затрат на комплексирование.

Но каждое техническое решение обычно имеет и плюсы, и минусы, причем минусы выявляются часто только на этапе практической реализации. Данная статья посвящена опыту интеграции промышленного робота с волоконным лазером и возникающим при этом проблемам.

Для тестирования был использован типичный представитель сварочных промышленных роботов – модель AlmegaAX-Cкорпорации Daihen. Это классический антропоморфный робот с 6 осями, оптимизированный для проведения сварочных операций с дуговыми сварочными головками.

Первая проблема, с которой приходится сталкиваться при решении задачи интеграции робота и лазерной системы – это способ подвески лазерной головки. Чаще всего головку устанавливают на последнюю ось таким образом, чтобы оптическая ось была  перпендикулярна оси поворота.

Тем не менее, это не единственное возможное решение. Его положительное свойство состоит в том, что можно хорошо минимизировать момент инерции головки (а это рекомендуют производители роботов), отрицательное – ограничивается угловой ход при размещении изделия на оптимальной высоте для оператора (1..1.5 м). Это связано с тем, что приходится ограничить диапазон движения по пятой оси вверх из-за кабельной подводки и волоконного кабеля, который нельзя изгибать больше нормированного значения (радиус не менее 200 мм). Выбранная нами схема подвески головки изображена на рис. 2 и состоит в применении дополнительного углового кронштейна так, что угол между оптической осью и осью вращения составляет 45º. При этом центр тяжести головки также можно сохранить на оси вращения.

Вторая проблема заключается в том, что нужно выполнить хотя бы по-минимуму стыковку по управлению внешними устройствами – лазером и вентилями подачи технологических газовв лазерную головку для резки или сварки. Обычно роботы имеют большое количество логических выходов для такого управления (различия только в электрических характеристиках выходов), а сварочный робот часто уже имеет управляемый (один или несколько) газовый клапан, поэтому управление включением газов из программы робота не представляет особого труда. Волоконный лазер также имеет логический вход управления включением и выключением излучения, проблема также решается элементарно. После этого система с роботом в принципе готова к выполнению технологических операций.

Проблем с процессом резки выявлено не было, но сравнение качества и особенно точности реза показало, что вырезка на координатном столе и вырезка роботом существенно отличаются по точности.  При резке роботом колебания линии реза заметны невооруженным взглядом и составляют величину до 0,2 мм (хотя это и в несколько раз превышает паспортную точность робота). Характер реза оставался примерно идентичным при разном положении детали и разной пространственной конфигурации положения звеньев робота. Заметно хуже было и качество реза (величина микронеровностей). Попытки настройки точности доступными методами из технического описания робота особого эффекта не дали.

В этой статье мы не ставили целью проведение сравнения роботов различных производителей по точности (применительно к лазерной резке). Однако отзывы специалистов свидетельствуют о наличии подобной проблемы и у других типов промышленных роботов.  

Первое, что нужно учитывать,– точность объемной лазерной резки может быть ниже, чем при резке на классических координатных столах. «Шестиосевая свобода» имеет свои отрицательные стороны.

Проведение тестов по лазерной сварке показало, что в данном случае точности робота достаточно для выполнения качественных сварных швов. Таким образом, сварочный робот, разработанный для дуговых методов сварки, вполне пригоден и для лазерной сварки.

После проведения предварительных тестов мы занимались вопросами оптимальной интеграции робота и лазерной системы. Здесь возникает некоторое количество проблем разной сложности, связанных с тем, что необходимо более тонкое управление технологическим процессом, чем просто включение и выключение газов и излучения.

Перечислим некоторые необходимые опции:

• При лазерной сварке необходимо реализовывать циклы входа и выхода из сварочного процесса для бездефектного завершения сварного шва. Чаще всего это делается за счет цикла нарастания мощности при входе и цикла снижения при выходе, но иногда используют и более сложные процедуры.
• Часто необходимо обеспечивать слежения по сварному шву. Кроме сенсора слежения здесь необходимо адаптивное управление роботом для движения коррекции.
• При лазерной резке нужно довольно точно поддерживать расстояние от режущего сопла до поверхности металла. В столах для лазерной резки это обычно обеспечивается использованием автономного или встроенного в ЧПУ контура поддержания расстояния по сигналу емкостного датчика.
• Для некоторых технологической процессов с использованием волоконных лазеров нужно более сложное управления лазером, например, полное использование импульсных режимов, а также управление дополнительными устройствами подачи порошков, проволок и т.п.

Проблема заключается в том, что в типовой поставке промышленных роботов почти нет средств для решения этих задач. Установка дополнительного программного обеспечения и каналов управления могут обойтись иногда в ту же сумму, что и стоимость самого робота. Скажем, в тестируемом роботе серии AlmegaAX-C для управления поставляемыми с роботом сварочными источниками используется интерфейс CAN, но протоколы и форматы управления закрыты и недоступны для прямого управления. По-существу, для решения таких интеграционных задач необходимо обращаться к фирме разработчику или приобретать дополнительные опции (датчики, сенсоры, программные модули), или заказывать решение разработчику "под ключ".

Рассмотрим возможные пути решения описанных выше проблем.

Управление волоконным лазером

Система управления волоконным лазером позволяет частично решить некоторые проблемы за счет использования программ управления лазером. Это решается следующим образом – система управления волоконным лазером имеет возможность записать большое количество внутренних программ, которые имеют уникальный номер. Программа может осуществить плавное изменение мощности, включение импульсных режимов и т.п. Входной интерфейс лазера содержит входы для указания номера программы и ее запуска. Если эти входы соединить с логическими выходами робота, а на один из логических входов робота подать сигнал завершения программы от лазера, то появляется возможность вызова программ лазера из программы робота.

Таким образом, можно программировать импульсные режимы работы лазера за счет использования PLC-программ робота или запускать циклы нарастания мощности при входе в сварочный процесс или спада мощности при выходе. Такой подход, однако, имеет существенный недостаток – часть программ технологического процесса хранится в лазере, часть в памяти робота и таким образом синхронизация обеспечивается только организационными способами.

Адаптивное управление

Лазерная обработка объемных конструкций во многих случаях невозможна без адаптивного управления (как минимум слежение по поверхности и по стыку). Классический режим интерактивного обучения робота не может для случая лазерной обработки быть признан надежной производственной технологией из-за повышенных требований к точности ведения по поверхности и стыку. Многие робототехнические фирмы предлагают комплекты сенсоров и программных модулей для такой адаптации, но все эти решения нужно тестировать на пригодность для лазерной обработки. Следует учитывать, что все они достаточно дороги.

В качестве примера приведем решение фирмы Trumph, которая встраивает в свои сварочные головки видеосенсоры, но работают эти сенсоры только в режиме предварительного прохода стыка и записи координат в память. Это значит, что процесс сварки требует как минимум удвоенного времени для проведения измерений. Следует также учитывать, что по сообщению сотрудников фирмы, система слежения работает только по качественному металлу и весьма критична к любым дефектам и загрязнениям.

Возможное решение состоит в том, что технологическая лазерная головка содержит внутри себя контур слежения, то есть умеет управлять положением точки фокуса в некоторых пределах. Тогда робот используется как «не совсем точное» устройство перемещения головки, а функция точного слежения обеспечивается самой лазерной головкой. Для примера можно привести отечественную головку VF001M, в которой имеется возможность программного перемещения фокуса вдоль оси и датчики расстояния до детали (емкостной и индуктивный). За счет этого можно точно вести точку фокуса по поверхности трехмерного изделия. Для полного решения задачи необходимо разработать головки с функцией управляемого отклонения лазерного пучка и сенсоры, обеспечивающие работу непосредственно в режиме сварки – то есть нечувствительные к инфракрасной и ультрафиолетовой засветке от зоны сварки. Здесь перспективны сенсоры, основанные на технологии сканирования поверхности инфракрасным лазером.

Выводы:

1. Точность современных промышленных роботов может не обеспечивать качество и точность резки, сравнимую с точностью резки на портальных столах.

2. Программно аппаратная стыковка промышленных роботов с волоконными лазерами решается без особых проблем и не требует затрат на разработку аппаратуры.

3.  При планировании сварочных применений на основе промышленных лазеров необходимо тщательно изучать вопрос возможности и стоимости построения адаптивного управления процессом сварки.

4.    Перспективным путем построения сварочных систем на основе промышленных роботов и волоконных лазеров является разработка лазерных сварочных головок со встроенными функциями слежения по стыку и поверхности.