Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За первый год выполнения работ был выполнен обзор научно-технических публикаций по тематике трехмерной печати металлами, в ходе которого были определены основные существующие технологии и изучены их особенности, что позволило разработать классификацию технологий трехмерной печати металлами, учитывающую следующие признаки классификации: - способ формирования геометрии конечного изделия; - форма исходного материала, из которого производится печать; - источник энергии для расплавления и формирования геометрии печатного изделия; - заполнение рабочего пространства при печати; - способ организации защиты материала от негативного влияния воздуха в процессе плавления. Далее были проанализированы основные особенности работы систем на базе промышленных роботов-манипуляторов и накладываемые ими ограничения на применяемые технологии, то позволило осуществить обоснованный выбор реализуемой технологии. Далее, на основе анализа выбранной технологии были сформулированы требования к разрабатываемому комплексу. В соответствии с описанными требованиями были разработаны и проанализированы варианты структуры роботизированного комплекса, отличающиеся составом и функциональным назначением элементов. В качестве приоритетного варианта для дальнейшей реализации выбран вариант структуры, содержащий дополнительные оси для обеспечения возможности поворота детали перед роботом и расширения габаритов зоны печати, механизм позиционирования проволоки для изменения геометрии наплавляемого валика и активную систему безопасности, предназначенную для повышения степени безопасности при эксплуатации роботизированного комплекса. Особенностью всех разработанных вариантов структуры является то, что в ней применяется наибольшее количество серийно выпускаемого оборудования, что позволяет обеспечить низкую стоимость итогового комплекса, а также возможность его быстрого ремонта и технического обслуживания. Для выбранного варианта структуры комплекса были проанализированы функциональные требования к системе управления комплекса и разработаны варианты структуры данной системы управления. При разработке вариантов структуры системы управления были применены следующие подходы: - система управления строится по модульному принципу и включает в себя ряд локальных систем управления отдельными исполнительными устройствами, подчиненных системе управления верхнего уровня; - предложено применение подхода по повышению равномерности нанесения материала, основанного на оценке текущей мгновенной скорости перемещения печатающей оснастки в пространстве; - предложено применение системы технического зрения для оценки корректности процесса наплавления металла при печати. Из разработанных вариантов структуры системы управления для дальнейшей реализации был выбран вариант, обеспечивающий наибольшие функциональные возможности, в котором верхний уровень систем управления реализован в виде отдельного ПЛК. Для выбранного варианта структуры системы управления на основании технических характеристик основного оборудования были определены способы и интерфейсы передачи управляющей информации внутри различными элементами системы. В том числе – предусмотрено коммутационное оборудование для построения информационной сети в составе системы управления. В соответствии с выбранной структурой роботизированного комплекса были определены проектируемые элементы и распределены по годам реализации проекта. В течение первого года реализации проекта были спроектированы механические части механизма подачи и позиционирования проволоки, модуля подачи защитного газа, а также конструкция защитного ограждения, в которой в дальнейшем будут располагаться датчики и электронные компоненты активной системы безопасности. Спроектированные механические части комплекса построены по модульному принципу и обладают универсальностью по отношению к используемой модели робота-манипулятора и выходной оптики лазера. Универсальность спроектированных механизмов проявляется в возможности их применения на роботах с различной конфигурацией фланца и установочных площадок для дополнительного оборудования за счет применения переходных кронштейнов. Универсальность конструкции защитного ограждения проявляется в возможности формирования защитных ограждений вокруг технологических комплексов различных габаритов за счет их построения из унифицированных сегментов. Для спроектированного механизма подачи и позиционирования проволоки и модуля подачи защитного газа были разработаны локальные системы управления. Для обеих локальных систем управления были разработаны функциональные схемы При разработке локальных систем управления учитывалась необходимость реагирования на возникающие нештатные ситуации в работе подчиненного оборудования и возможность работы в режиме ручного управления. В соответствии с функциональными схемами был осуществлен выбор оборудования для построения локальных систем управления и разработана конструкторская документация на системы. Для спроектированных локальных систем управления были разработаны алгоритмы работы. При разработке алгоритма работы локальной системы управления механизмом подачи и позиционирования были описаны наборы получаемых системой сигналов задания от ПЛК и ответные сигналы, передаваемые к ПЛК. При формировании управляющих сигналов для шагового двигателя подачи проволоки в рамках данного алгоритма используется разработанная модель расчета параметров, учитывающая ускорение и замедление в начале и в конце каждого цикла подачи. Последовательность обмена информацией между локальной системой управления и центральным ПЛК системы реализована таким образом, чтобы не происходило дублирования поступающих команд. Предусмотрена обработка команд с кнопок ручного управления механизмом. Алгоритм реализован в виде управляющей программы для тестового микроконтроллера и проверена его работоспособность. Для локальной системы управления модулем подачи и позиционирования проволоки также был разработан алгоритм работы, учитывающий возникновение возможной нештатной ситуации – окончание газа в баллоне. Алгоритм реализован для предполагаемой модели ПЛК и его работоспособность успешно проверена. Материалы работы докладывались на конференциях, по результатам работы подготовлены рукописи статей, направленные в издательства.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За второй год выполнения проекта были разработаны образцы технологических оснасток для обеспечения корректной настройки роботизированного комплекса в следующем составе: - оснастка для калибровки рабочей точки инструмента (TCP), обеспечивающая выполнение калибровки без демонтажа печатающей оснастки и позволяющей учитывать возможность смещения точки TCP относительно фокуса лазера вдоль оси луча лазера; - оснастка для калибровки углов поворота инструмента (печатающей оснастки), учитывающая геометрические особенности печатающей оснастки (возможные различные положения механизма позиционирования проволоки, геометрическую форму контактных поверхностей выходной оптики лазера и т.д.) и не требующая выполнения демонтажа печатающей оснастки для проведения калибровки; - рабочий стол для выполнения печати, обеспечивающий быстрое определение координат расположения печатаемой заготовки за счет сетки координатных отверстий, а также оснащенный конструктивными элементами для выполнения калибровок инструмента и системы координат базы. При проектировании рабочего стола были реализованы решения по организации процесса печати, предотвращающие повреждения поверхности стола. Для всех разработанных оснасток были сформулированы методики их применения при подготовке и выполнении печати. Была разработана активная система безопасности (АСБ), обеспечивающая определение попадания луча лазера в стенку защитного ограждения вокруг роботизированного комплекса. АСБ построена по модульному принципу и состоит из: отдельных схем усиления сигналов от датчиков; схем обработки усиленных сигналов с датчиков в рамках одного сегмента защиты; центрального модуля АСБ, обеспечивающего обработку сигналов от всех схем обработки сигналов и взаимодействие с системой управления верхнего уровня. При разработке АСБ был проведен как теоретический анализ применимости датчиков различного принципа действия и эффективности различных схем расстановки датчиков внутри корпуса сегмента, так и экспериментальные исследования датчиков и схем их расположения. Проведенные исследования позволили осуществить выбор наиболее подходящих датчиков для реализации АСБ и подтвердить эффективность выбранной схемы размещения датчиков. В рамках разработки системы управления верхнего уровня была осуществлена разработка общей системы безопасности (ОСБ) роботизированного комплекса, объединяющей имеющиеся штатные цепи интерфейсов безопасности основного оборудования комплекса, а также разработанную АСБ и центральный ПЛК системы управления в единую структуру. Это позволило обеспечить отключение всех исполнительных устройств в составе роботизированного комплекса в случае возникновения нештатных ситуаций и состояний на любом элементе роботизированного комплекса, в том числе – в случае возникновения программно выявляемых ошибок. Помимо разработки ОСБ была разработана непосредственно система управления верхнего уровня, обеспечивающая управление всеми входящими в состав комплекса единицами оборудования и получение сигналов обратных связей от входящих в состав комплекса датчиков и элементов, осуществляющих контроль состояния оборудования и правильности выполнения технологического процесса печати. На разработанные системы (АСБ, ОСБ, система управления верхнего уровня) была разработана конструкторская документация (принципиальные схемы, проекты печатных плат), в соответствии с которыми стало возможно их изготовление и монтаж. Спроектированные и разработанные элементы роботизированного комплекса, включая локальные системы управления, были изготовлены и смонтированы, в результате чего был получен экспериментальный образец роботизированного комплекса, пригодный для дальнейшей апробации разработанных теоретических, конструктивных и алгоритмических решений. Для разработанных элементов АСБ и системы управления верхнего уровня был разработан комплекс алгоритмов их работы, включающий: - алгоритм обработки сигналов с датчиков в рамках одного сегмента защиты АСБ, алгоритм обработки сигналов от отдельных сегментов АСБ и алгоритм обмена информацией с центральным ПЛК системы управления, обеспечивающие выявление попадания лазерного луча в защитное ограждение, максимально быструю передачу сигнала о данном событии ОСБ с последующим определением номера сегмента и передачей его центральному ПЛК. - система команд для формирования управляющей программы печати, учитывающая особенности оборудования комплекса и позволяющая формировать блоки синхронно запускаемых команд; - алгоритм чтения файла с управляющей программой печати, осуществляющий распознавание команд из файла и формирование очереди команд в памяти ПЛК. В данном алгоритме реализована защита от перезаписи еще не выполненной команды в очереди. - алгоритмы формирования управляющих команд для контроллера робота, выполняющие его перевод в режим внешнего управления с последующим формированием и передачей команд на выполнение перемещений и вспомогательных действий в соответствии с текущими данными в очереди команд; - алгоритмы формирования последовательности управляющих сигналов для лазерного источника, позволяющие обеспечивать работу источника в режиме внешнего управления со стороны ПЛК, формировать управляющие сигналы для задания параметров излучения в двух режимах – постоянном и импульсном, а также обрабатывать сигналы обратной связи для выявления нештатных режимов работы лазера и выработки реакций на такие ситуации; - алгоритм обработки очереди команд, включающий в своем составе ряд вложенных алгоритмов, совместно обеспечивающих последовательную обработку сформированной очереди команд в памяти ПЛК. Основными особенностями разработанного алгоритма являются: распознавание и распределение задач для подчиненного оборудования; распознавание, обработка и запуск блоков синхронно запускаемых команд; своевременная смена статуса каждой из команд для предотвращения повторного запуска ранее запущенных команд и синхронизации действий с алгоритмом заполнения очереди. В рамках данного комплекса алгоритмов также реализовано формирование управляющих сигналов для механизмов подачи и позиционирования проволоки, а также для модуля подачи защитного газа; - алгоритмы обработки сигналов от системы контроля состояния выходной оптики лазера, алгоритм обработки сигналов от контроллера обработки видео с камеры, установленной в выходной оптике лазера, взаимодействующие с алгоритмом реагирования на возникновение нештатных ситуаций, которые позволяют обеспечить безопасность роботизированного комплекса, реагируя как на разрывы цепей безопасности робота и лазера, так и на программно идентифицируемые нештатные состояния. Все разработанные алгоритмы были реализованы в виде кодов управляющих программ, исполняемых на соответствующих элементах системы управления роботизированного комплекса. Выполнена экспериментальная апробация разработанных теоретических и прикладных решений как в формате апробации работы отдельных элементов роботизированного комплекса, так и при совместном функционировании всех элементов комплекса на примере задачи печати примитивного геометрического контура. Проведенная апробация позволила подтвердить правильность принятых структурных, конструктивных и алгоритмических решений. Материалы работы докладывались на конференциях различного уровня, включая международные. По результатам работы подготовлены и поданы одна заявка на патент и три заявки на свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.