Роботизированный технологический комплекс для нанесения упрочняющих покрытий

Предлагаемый роботизированный технологический комплекс с числовым программным управлением для нанесения упрочняющих покрытий на крупноразмерные детали технологической оснастки со сложной формой поверхности, использующий недавно разработанную установку для формирования высокоэнергетического плазменного потока в воздухе в импульсно-периодическом режиме. Плазменная установка комплекса не имеет непосредстенного контакта с обрабатываемой поверхностью, роботизированная часть комплекса состоит из антропоморфного промышленного робота, например, ТУР-30, обеспечивающего значительные размеры рабочей зоны, 6 степеней свободы рабочего органа, и предназначенного для перемещения рабочего органа вдоль обрабатываемой поверхности импульсного генератора плазмы, а так же манипулятора изделия с 2-мя степенями свободы, используемого для позиционирования обрабатываемой детали. Рабочий орган (генератор плазмы) закреплен на технологическом фланце манипулятора робота через дополнительный модуль движения. Этот модуль обеспечивает высокую точность поддержания технологического зазора между срезом сопла плазмотрона и поверхностью изделия в зоне обработки. В комплекс включена система управления, позволяющая обеспечить высокую точность движения плазмотрона по заданной траектории и эффективное регулирование контурной скорости по желаемому закону.

Полезная модель роботизированного технологического комплекса (РТК) относится к области механики и робототехники и может быть использована при средне и мелкосерийном производстве изделий машиностроения. Роботизированные комплексы успешно используются для технологических процессов, требующих многократного повторения простых операций с высокой (0,1-0,25 мм) точностью уже более 20-ти лет. Наибольшего распространения применение РТК нашло при проведении различных технологических операций на конвейере в автомобилестроении, а так же в обработке деталей, связанной с использованием технологий плазменной и лазерной резки, поверхностного упрочнения и нанесения (напыления) покрытий, сопровождающихся повышенным шумом и другими вредными воздействиями на человека, кроме того позволяющих обеспечить полный цикл обработки с высокой производительностью и точностью, избежать перерывов и производственных ошибок, свойственных человеку. Использование роботизированных комплексов для автоматизации процессов прецизионной плазменной резки, упрочнения рабочих поверхностей и поверхностного плазменного напыления защитных покрытий на штампы и пресс-формы с габаритами, превышающими 1 м является перспективным направлением. РТК обеспечивает формирование высокоэнергетического плазменного потока в воздухе в импульсно-периодическом режиме (длительность импульса до 400 мкс), подачу порошков, образующих покрытие, прецизионную плазменную резку, а также обеспечивает перемещение плазмотрона относительно поверхности обрабатываемого изделия по требуемой траектории с желаемой контурной скоростью. В отличие от плазмотронов непрерывного действия, импульсно-плазменные источники позволяют получать при атмосферном давлении плазменные потоки с характеристиками, аналогичными характеристикам, достигаемым только в вакуумных камерах, использование которых для обработки крупноразмерных деталей сложной формы затруднительно.

По тематике работы известна установка для нанесения газотермических покрытий распылением на изделие, патент RU 2111066, публ. 1998 г., МПК В05С 15/00, В05В 7/22. Покрытия на детали типа «тело вращения» наносятся в теплозвукоизоляционной камере, обеспечивающей необходимое пониженное давление окружающей среды, плазмотрон расположен внутри камеры, камера имеет вытяжное устройство, для отсоса воздуха.

Недостатками данной установки являются: наличие теплозвукоизоляционной камеры, существенно ограничивающей размеры обрабатываемых изделий и недостаточно высокая температура плазмы, из-за которой приходится проводить откачку воздуха из камеры.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является установка плазменного напыления ТСЗП SB-500, (000 «Технологические системы защитных покрытий» www.tspc.ru), включающая в себя промышленный робот с системой управления и технологическим фланцем для крепления рабочего органа, рабочий орган, включающий генератор плазмы и устройство подачи газопорошковой смеси. Робот-манипулятор, поставляемый как дополнительное оборудование к установке высокоскоростного газотермического напыления ТСЗП, разработан и изготовлен для нанесения защитного покрытия внутри газовых колонн и имеет две степени свободы. Система управления построена на базе промышленного контроллера и обеспечивает перемещение горелки в полярных координатах Х и Y. Установка широко используется для создания керамических функциональных покрытий.

Основным недостатком установки является наличие газовых колонн, которые существенно ограничивают размеры защищаемых изделий из-за небольших размеров данных колонн, кроме того использование 2-х степенного робота-манипулятора не обеспечивает достаточную точность и качество обработки крупноразмерных деталей со сложной формой поверхности.

Задачей полезной модели роботизированного технологического комплекса для нанесения упрочняющих покрытий является нанесение покрытий на крупноразмерные детали со сложной формой поверхности для изделий авиационного и энергетического машиностроения.

Технический результат заключается в повышении точности и качества обработки и увеличении площади обрабатываемой поверхности.

Технический результат достигается тем, что роботизированный технологический комплекс для нанесения упрочняющих покрытий содержит промышленный робот с системой управления и технологическим фланцем для крепления рабочего органа, рабочий орган, включающий генератор плазмы и пистолет подачи газопорошковой смеси. Также комплекс содержит 2-х степенной манипулятор изделия, промышленный робот с 6-тью степенями свободы, причем рабочий орган, содержащий импульсный генератор плазмы, закреплен на технологическом фланце через дополнительный модуль движения, который снабжен датчиками для контроля зазора, кроме того система управления промышленным роботом объединена с системой управления 2-х степенного манипулятора изделия.

На фигуре 1 показана структурная схема РТК.

На фигуре 2 показано увеличенное изображение рабочего органа.

На фигуре 3 показан 2-х степенной манипулятор изделия.

На фигуре 4 показана желаемая траектория движения среза сопла генератора плазмы относительно поверхности обрабатываемой детали.

На фигуре 5 показан алгоритм преобразования рассчитанной управляющей программы.

РТК может применяться, например, для упрочнения аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей, имеющих малые относительные толщины при достаточно большом осевом габарите, сохраняя параметры отвечающие всем требованиям технического задания, при максимально возможном сокращении сроков их изготовления.

РТК состоит из промышленного робота (1), например, ТУР-30, дополнительного модуля движения (2), закрепленного на технологическом фланце робота, генератора плазмы - импульсного плазмотрона (3), 2х - степенного манипулятора изделия (4), пистолета подачи газопорошковой смеси (5), шкафа пуско-регулирующей аппаратуры робота (6), стойки с числовым программным управлением (ЧПУ) (7), программатора (8), шкафа электропитания импульсного генератора плазмы (9), совмещенного с порошковым питателем (10), защитного ограждения (11), датчики для контроля зазора (12).

Импульсно-периодический генератор плазмы (3) (например, по патенту на изобретение РФ 2343651) образован несколькими промышленными плазмотронами непрерывного действия и коаксиальным плазменным ускорителем плазмы, в котором на промежуток анод-катод подается формируемое конденсаторной батареей периодическое импульсное напряжение, вызывающее пробой, который приводит к образованию и ускорению низкоплотной высоко ионизированной плазмы. Промышленный робот (1), обеспечивает, под управлением системы ЧПУ (7), контурное перемещение генератора плазмы (3) и пистолета (5), с постоянным зазором между срезом сопла плазмотрона и поверхностью изделия в зоне обработки. Дополнительный модуль движения (2) снабжен датчиками (12) (фиг.2) для контроля зазора в режиме реального времени по траекториям движения, предварительно сформированным в специальном программаторе (8). Программатор осуществляет аналитическое программирование движения генератора плазмы с учетом геометрических характеристик обрабатываемого объекта и специфики выполняемой технологической операции плазменной обработки, которые передаются по каналу связи в систему ЧПУ (7), координированно управляющую и роботом (1) и 2-х степенным манипулятором изделия (2) одновременно с разделением управления по осям.

Для примера приведем обработку характерной детали лопатки турбины (длина изделия ~1 м). Исходная программа желаемого движения генератора плазмы относительно поверхности обрабатываемого изделия формируется с помощью комплекса подготовки программ управления (например, САМ-модуля системы CATIA фирмы Dasso). Пример желаемой траектории движения среза сопла генератора плазмы относительно поверхности обрабатываемой детали типа «лопатка», полученной в результате отработки исходной управляющей программы, представлен на фигуре 4.

Исходная программа управления преобразуется после ее обработки в комплексах «Препроцессор» и «Программатор», в программу 8-и координатного движения рабочего органа (6 координат обеспечивает робот, 2 координаты - манипулятор изделия) для системы управления (СУ) с ЧПУ РТК. Внешний вид манипулятора изделия - позиционера (4) представлен на фигуре 3. Такое преобразование приводит к разделению совокупного движения на движение рабочего органа (генератора плазмы 3 и пистолета подачи газопорошковой смеси 5), обеспечивающегося шестью степенями подвижности робота, и движение двухстепенного манипулятора изделия, на котором установлена обрабатываемая деталь. Результат работы. (управляющая программа) передается в СУ с ЧПУ РТК.

Последовательность действий при работе препроцессора представлена на фигуре 5.

РТК в режиме «он-лайн» производит обработку изделия по записанной в СУ с ЧПУ программе обработки в следующем порядке:

- устанавливают на рабочий стол манипулятора-позиционера обрабатываемую деталь;

- устанавливают защитное ограждение;

- вызывают из устройства памяти СУ с ЧПУ необходимую программу обработки и запускают ее на исполнение;

- по командам, заложенным в программу обработки, рабочий орган робота перемещается в исходное положение;

- также по команде обработки включается импульсно периодический генератор плазмы, через определенный промежуток времени, (необходимый для стабилизации потока плазмы), затем происходит подача газопорошковой смеси в пистолет;

- начинается процесс нанесения защитного покрытия, перемещая рабочий орган робота по заранее сформированной траектории движения, причем для увеличения зоны нанесения покрытия задействуют управление рабочим столом манипулятора изделия, то есть для обеспечения направления потока плазмы и газопорошковой смеси по нормали к обрабатываемой поверхности включают оба угла поворота манипулятора изделия;

- в ходе процесса производят автоматическую коррекцию положения рабочего органа в пространстве в режиме «реального времени» по результатам работы датчиков контроля (12), установленных на дополнительном модуле движения (4) и контролирующих зазор между срезом плазмотрона и поверхностью, на которую напыляют защитное покрытие;

- в конце обработки по команде программы отключают подачу газопорошковой смеси в пистолет и отключают генератор плазмы.

- отводим рабочий орган робота в исходное положение;

- устанавливаем манипулятор изделия в исходное положение;

- снимаем защитное ограждение;

- снимаем деталь со стола манипулятора изделия и передаем ее на участок технического контроля.

Таким образом, использование импульсного генератора плазмы, 6-ти степенного робота и 2-х степенного манипулятора позволяет увеличить площадь обрабатываемой поверхности, так как рабочая зона РТК ограничена только максимально возможными перемещениями рабочего органа.

Кроме того получение высокой температуры обработки за счет использования импульсного генератора плазмы, постоянного зазора между рабочим органом и обрабатываемой поверхностью за счет дополнительного модуля движения, а также обеспечение постоянства положения струи газопорошковой смеси по нормали к обрабатываемой поверхности обеспечивает повышенное качество обработки.

Объединение системы управления 6-ти степенного робота и 2-х степенного манипулятора, а также наличие датчиков контроля, установленных на дополнительном модуле движения, дает возможность автоматической коррекции положения рабочего органа в пространстве в режиме реального времени, что повышает точность обработки.

Роботизированный технологический комплекс для нанесения упрочняющих покрытий, содержащий промышленный робот с системой управления и технологическим фланцем для крепления рабочего органа, рабочий орган, включающий генератор плазмы и пистолет подачи газопорошковой смеси, отличающийся тем, что он снабжен двухстепенным манипулятором изделия, а промышленный робот имеет шесть степеней свободы, причем рабочий орган, содержащий импульсный генератор плазмы, закреплен на технологическом фланце через дополнительный модуль движения, который снабжен датчиками для контроля зазора между генератором плазмы и поверхностью изделия в зоне обработки, причем система управления промышленным роботом объединена с системой управления двухстепенным манипулятором изделия.