Метод автоматизации перемещения плазмотрона шестиосным роботом-манипулятором

В аэрокосмической, металлургической, нефтедобывающей промышленности с каждым годом повышаются требования по безопасности, надёжности и долговечности изделий при эксплуатации в экстремальных условиях (воздействие высоких температур, динамических нагрузок, коррозионных сред и т. д.). Для обеспечения этих требований возникает необходимость наносить на изделия защитные покрытия. Одним из способов нанесения защитных покрытий является плазменное напыление, которое широко используют в аэрокосмической технике [1–4].

С каждым годом количество изделий, используемых в ракетно-космической технике, растет, усложняются их форма и размеры [5–8]. В связи с этим способы нанесения плазменных покрытий становятся практически невыполнимыми. Рабочим органом для нанесения покрытий является плазмотрон [9–10]. В плазмотроне создается струя низкотемпературной плазмы, в которую подается порошок материала покрытия, порошок расплавляется под воздействием температуры плазмы и наносится на подложку-изделие. Однако для получения покрытия плазмотрон необходимо перемещать над поверхностью подложки по определённой траектории и с определенной скоростью. Для этого плазмотрон размещают на роботе-манипуляторе, который обеспечивает его движение.

На рынке представлено большое количество промышленных роботов-манипуляторов, которые могут передвигать плазматрон в процессе напыления, например роботы компаний KUKA, Doosan ROBOTICS, АВВ и др. [11–13]. Робот-манипулятор представляет собой шестиосевой промышленный механизм с приводами и редукторами. На установочном фланце оси А6 устанавливается плазмотрон (рис. 1).

Рис. 1. Оси шестиосного промышленного робота-манипулятора и возможность их передвижения

Fig. 1. Axes of a six-axis industrial robotic arm and the possibility of their movement

Существуют плазматроны, которые способны наносить покрытие в сложно достижимые места [14], но без программы автоматизации движения плазматрона их эффективность падает. Компании-производители промышленных роботов предоставляют платные программные обеспечения для создания управляющих программ, возможности функционала которых чрезмерны для передвижения плазмотрона во время нанесения покрытия. Приобретение таких программ- ных обеспечений не целесообразно, однако программирование траекторий в ручном режиме является трудоемким. Поэтому задача разработки метода автоматического управления пере- движения плазматрона промышленным роботом является актуальной.

Система автоматизации процесса управления передвижения разрабатывалась для промышленного робота серии KUKA KR16-2, стоит отметить, что метод может работать и с другими версиями промышленных роботов. В случае перемещения плазмотрона 6-осным роботом KUKA, управление им обеспечивается с переносного программирующего устройства – пульта управления KUKA smartPAD. Роботы-манипуляторы компании KUKA программируется на языке KRL. Траектории движения плазматрона можно задавать следующими видами команд:

• –    движение Point-to-Point (PTP) – перемещение происходит вдоль быстрейшей траектории, которая, как правило, не является прямой линией. Из-за того, что оси робота совершают вращательные движение, нелинейные траектории выполняются быстрее линейных;

• –    линейное движение (LIN) – движение выполняется по прямой линии;

• –    круговое движение (CIRC) – движение по круговой траектории. Задаются вспомогательная (лежащая на траектории) и целевая точки;

• –    движения SPLINE – для сложных изогнутых траекторий [11].

Автоматизация создания траекторий обработки плоской поверхности реализована следующим образом: создается траектория движения плазматрона в графическом редакторе в формате .dwg. Созданный файл загружается в CAM-программу для станков с ЧПУ. CAM-программа преобразует вектор или область, заданную векторами, в управляющую команду в g-code фор- мате, которая затем преобразуется в KRL программой, написанной на языке программирования Python.

Для этого требуются создать программу на пульте управления KUKA smartPAD. Установить начальную точку и сохранить её. Программа на пульте управления сохранятся в двух файлах.

начало

Действия оператора”!

Создание файлов на smartPAD и их сохранение для дальнейшей работы

Python программа

^ конец

Загрузка нового файла управляющей программы в Kuka

Анализ сохраннех файлов и управляющей программы (g-code) и формирование файла управляющей программы в требуемом виде

Создание управляющей программы для детали в САМ программе ________ (g-code) ________

Установка детали и задание начальной точки

Рис. 2. Блок-схема автоматизированного алгоритма создания управляющей программы

Fig. 2. The flowgraph of an automated algorithm for creating a control program

В первом файле формата .src хранится код программы, а во втором файле формата .dat хранятся координаты точек, углы поворота осей и другие необходимые параметры.

Разработанная нами программа на языке Python производит синтаксический анализ файлов с пульта управления KUKA smartPAD и файла траектории в g-code формате с CAM-программы с помощью регулярных выражений, используя модуль re [15]. Затем программа формирует файл с управляющей траекторией, дополняя код программы в файле с форматом .src . Данный файл загружается на пульте управления KUKA smartPAD.

Алгоритм действий создания управляющей программы представлен в блок-схеме на рис. 2.

Созданная программа преобразует g-code формат в KRL в движение LIN, что было реализовано на первом этапе разработки метода. Далее расстояние между точками траектории анализируется и определяется, лежат они на прямолинейном или криволинейном участке, что было реализовано на втором этапе разработки.

Первый этап

На первом этапе реализовано создание прямолинейных траекторий (движение LIN), что необходимо и достаточно для нанесения покрытия на прямоугольные участки поверхности детали.

В созданной траектории движения CAM программой начальная точка задается нулевыми координатами, для этого, как указано в блок-схеме, требуется задать начальную точку, по которой будут пересчитываться все точки траектории. Траектория в g-code формате представлена на рис. 3. Эти данные переводятся в формат KRL. Учитывается возможность наличия изменения координаты по одной оси. Лишние для нас данные, такие как обороты шпинделя и другие, игнорируются.

XI.177Y-32.378

X1.601Y-32.322

XI.458Y-32.232

XI.342Y-32.116

XI.252Y-31.973

XI.196Y-31.812

XI.177Y-31.647

Рис. 3. Задание прямолинейного движения в управляющей программе в g-code формате и в KRL

LIN	{X	1.177,	Y -32.378}
LIN	{X	1.601,	Y -32.322}
LIN	{X	1.458,	Y -32.232}
LIN	{X	1.342,	Y -32.116}
LIN	{X	1.252,	Y -31.973}
LIN	{X	1.196,	Y -31.812}
LIN	{X	1.177,	Y -31.647}

Fig. 3. Specifying a rectilinear motion in the control program in g-code format and in KRL

Второй этап

На втором этапе оценены команды движения CIRC и SPLINE для кривых участков траекторий, так как использование LIN для этих целей приводит к долгому «зависанию» плазмотрона над одной областью, что нарушает расчетный режим напыления. Результаты оценки показали, что для поставленной задачи выгоднее использовать движение SPLINE, так как оно обеспечивает плавное движение с заданной скоростью без «зависаний», в отличие от CIRC.

Алгоритм реализации с движением SPLINE основан на программе первого этапа с дальнейшим анализом точек траектории. Кривую линию CAM-программа делит на множество точек, соответственно, оценивая расстояние между двумя соседними точками по формуле rn = ^(xn+1 - xn )2 + (yn+1 - yn )2, можно определить, лежат они на прямой или кривой линии и, в соответствии, с этим изменить команду линейного движения на SPLINE.

LIN {X 975.198, Y 247.396} SPLINE

SPL {X 975.145, Y 247.579}

SPL {X 975.119, Y 247.772}

SPL [X 975.122, Y 247.967}

SPL {X 975.154, Y 248.159}

SPL {X 975.214, Y 248.341} 5LIN {X 976.686, Y 250.156} ENDSPLINE

LIN [Z 280.168}

LIN [X 974,664, Y 257.487}

Рис. 4. Задание криволинейного движения в управляющей программе (KRL)

Fig. 4. Defining a curvilinear movement in the control program (KRL)

Для достижения этого необходимо устранить отсутствие одной из координат точки при её повторении (при движении параллельно осям X или Y). Начало движения SPLINE задается командой SPLINE и заканчивается командой ENDSPLINE, движение внутри этого блока формируется командой SPL для кривой линии и командой SLIN для прямой линии. Перемещение по оси Z формируется изменением только этой координаты, осуществляется движением LIN. Команды в управляющей программе имеют вид, представленный выше на рис. 4.

Заключение

Созданная программа на языке Python позволяет программировать движение плазматрона на 6-осном роботе-манипуляторе KUKA KR16-2, используя CAM-программу для станков с ЧПУ. При этом упрощается создание траекторий движения плазматрона по поверхности изделий. В таблице представлены этапы автоматизации создания траекторий движения плазматрона. Для визуализации результата программы на установочном фланце робота-манипулятора был установлен маркер, который отобразил заданную траекторию.

Этапы автоматизации создания траекторий

№	Отображение траекторий	Вид
1	В графическом редакторе	^^^^^
2	В CAM-программе для станков с ЧПУ
3	В g-code формате	X73.500Y-41.038 Х-73.500Y-41.038 X-73.500Y-33.577 X73.500Y-33.577 Х73.500Y-26.115 Х-73.500 X-73.500Y-18.654 Х73.500Y-18.654
4	В KRL	LIN {X 907.113, Y 209.41} LIN {X 907.113, Y 216.871} LIN {X 1054.113, Y 216.871} LIN {X 1054.113, Y 224.333} LIN {X 1030.237, Y 224.333} SPLINE SPL {X 1030.745, Y 224.91} SPL {X 1031.229, Y 225.514} SPL {X 1031.685, Y 226.142} SPL {X 1032.113, Y 226.793}

В дальнейшем планируется доработать программу для объемных траекторий, например, используя в CAM-программе чистовую обработку рельефа объемной детали, можно напылять покрытие плазматроном на объемные детали несложных форм, такие как рефлектор. А также планируется уменьшить число шагов алгоритма автоматизации внедрением Python-программы в CAM-программу макросом и рассмотреть другие варианты автоматизации.