Детали: робот-вертолетостроитель ученых ДВФУ
Максим БАРЫЛЕНКО [текст],
Анастасия КОТЛЯРОВА [фото]
28 сентября, Владивосток, газета «Остров.ру». Роботизированный комплекс обработки полимерных деталей, изготовленный в Инженерной школе ДВФУ для арсеньевского авиазавода «Прогресс», почти завершен. Уникальный для России комплекс, позволяющий производить автоматизированную обработку 22 видов полимерных композитов, планируют установить в цехе завода уже в декабре этого года.
Всего в проекте было задействовано более 50 человек, среди которых ученые Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук. Основной костяк рабочей группы проекта составили 15 сотрудников, аспирантов и магистрантов кафедры технологий промышленного производства Инженерной школы ДВФУ.
Выбор технологии
После того как в 2013 году ДВФУ выиграл грант в рамках постановления правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских вузов и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства», первое, что необходимо было решить — определиться с технологией. Поскольку в конструкции гражданских вертолетов Ка-62 используется более 20 видов сложных полимеров, крайне сложных в обработке, уже тогда это была не самая простая задача. Поэтому первые работы были связаны с тестовой резкой тремя способами.
Фрезерную механическую обработку исключили почти сразу. Тонкостенные детали оказались слишком податливыми. Как результат — потеря механической прочности и разрушение краев детали. Оказалось, что с некоторыми из предоставленных образцов не справляются даже дорогие фрезы (по нынешнему курсу цена одной — около 600 долларов) из поликристаллического алмаза.
Примеры резки полимерных композитов разными способами
Лазерный раскрой показал сравнительно лучшие результаты. В отдельных случаях подобранный для многослойных композитов луч высокой мощности легко прорезал внутренние полимерные слои детали, но приводил к обгоранию наружных металлических покрытий. Горел даже слой титана. Рез тонкостенных заготовок приводил к обугливанию их краев и значительной потере прочности. Помимо этого, сгорание полимерных материалов приводило к образованию ядовитых паров.
Конструирование комплекса на основе технологии гидроабразивной резки, при которой в качестве режущего инструмента используется струя воды или смеси воды и абразивного материала (в нашем случае песка), было принято не сразу. Как отмечает заведующий кафедрой технологий промышленного производства (ТПП) Инженерной школы Константин Змеу, проблемы есть и у этой технологии. Это засорение сопла трубы, из которого вылетает поток воды, особые требования к абразивному материалу и производственному помещению. Сюда же можно отнести требования по безопасности и экологичности производства. Однако именно этот способ показал лучшие результаты по наибольшему числу требований выбора технологии: точность, универсальность, качество, прочность, экологичность, безопасность и другие.
Гидроабразивная резка — это…
Вода камень точит, а что будет если она будет не литься, а разгонять песок в трубке с давлением в 4000 атмосфер? В природе такая величина недостижима. Например, давление на дне Марианской впадины в четыре раза меньше. Скорость вылета пескоструйной жидкости при этом составит около трех махов — т.е. где-то три скорости звука. Именно такой напор кинетической энергии и прорезал, наконец, все 22 полимерных композита, оставаясь при этом строго в контролируемых пределах.
Из-за сложности аэродинамического профиля обшивки вертолета от классической трехкоординатной схемы станка пришлось отказаться. Инженеры ДВФУ используют робот-манипулятор, рука которого имеет не три, а пять степеней свободы и радиус рабочей зоны почти два метра. Отметим, что для загрузки производственного комплекса на заводе давно запланирован выпуск широкого перечня деталей обшивки вертолета, поэтому их размер на выходе также сильно разнится. К примеру, наибольший диаметр детали — 6 x 3 х 1,5 метра, а наименьшей — 1 х 1 х 0,6 м. В компоновку комплекса также входит семиметровая высокоточная линейная направляющая. Робот перемещается вдоль направляющей, чтобы охватить все рабочее пространство над самой большой заготовкой.
На презентации, которая состоялась в ДВФУ в начале прошлой недели, комплекс продемонстрировал пространственный рез по контуру на заготовке со сложным геометрическим профилем, выклеенной из стеклопластика — одного из самых простых для обработки полимерных композитов. Изготовленная деталь уже сейчас готова к размещению в области хвоста вертолета. Этот результат по достоинству оценили члены московской комиссии и руководство завода «Прогресс».
Как уточняет младший научный сотрудник кафедры технологий промышленного производства Инженерной школы ДВФУ Максим Невмержицкий, работающий в рамках этого проекта инженером-конструктором, финальная компоновка комплекса в цехе завода займет примерно вдвое большее пространство, чем представленный в ДВФУ образец.
— Для этой презентации мы настроили «мягкий» режим резки: сниженное давление воды и небольшой расход песка, — объясняет Максим Невмержицкий. — Но рабочие режимы комплекса на производстве будут достигать предельных значений своих характеристик.
По стандартам безопасности промышленного производства мы спроектировали специальную кабину, которая закроет собой зону обработки, а также отделит рабочее место программиста-оператора. После монтажа в производственном цеху комплекс закроет собой кабина. Здесь, в рабочей зоне будут смонтированы защитные барьеры, системы аспирации и водоотведения, и прочие конструкции, необходимые для герметизации процесса обработки деталей. Кабина способна переместится в сторону по собственным направляющим, тогда рабочая зона будет открыта для загрузки заготовок. Самые габаритные загружает кран. Установка заготовки производится на технологическом столе. Индивидуальный профиль каждой заготовки повторяет технологическая оснастка, которая жестко фиксирует деталь над столом, не позволяя ей ни деформироваться, ни смещаться в процессе взаимодействия с высокоэнергетичным потоком воды.
Перед обработкой кабина закрывается, робот распознает фактическое положение заготовки и начинает ее раскрой на основании спроектированной 3D-модели будущей детали. В процессе резания оператор находится в своей отдельной зоне и может следить за процессом через окно либо дистанционно на мониторе при помощи видеокамер. Контур раскроя наносится заранее. В рабочем инструменте робота установлена система технического зрения, представленная лазерными сканерами. По их данным система управления контролирует как сам рез, так и положение режущего инструмента относительно поверхности заготовки. В случае отклонений, вызванных, скажем, вибрациями, искривлением заготовки, ее отличием от 3D-модели, система управления сама скорректирует положение робота.
К слову, наш абразивный материал — это специально просеянный и подготовленный гранатовый песок, который встречается только в нескольких местах на Земле. Наш нам доставили с пляжей Австралии, именно он подходит по всем характеристикам. Вода для резки используется обычная, водопроводная. Однако, прежде чем попасть в сопло режущего инструмента, она проходит две степени очистки на станции водоподготовки, которая также входит в наш комплекс. В процессе реза песок, вода и частицы композита попадают в поддон, а оттуда по полотну конвейера автоматически поступают в шламосборник и канализацию. Наш робот также способен омывать себя и зону резания после завершения обработки деталей — мы спроектировали систему с замкнутым технологическим циклом, — уточняет Максим Невмержицкий.
Что нам стоит вертолет построить?
Общее финансирование трехлетнего проекта составило 405 млн рублей: 220 млн направил «Прогресс», 185 млн субсидировало государство. Финальная приемка в полной комплектации, монтаж в цехе и начало работ начнется уже в декабре, сейчас ожидается поставка последних комплектующих и проходит отладка системы управления, вносятся последние корректировки в режимы резания.
Наши инженеры получили не только уникальный опыт, но и весомые научные результаты. В ходе создания комплекса коллектив кафедры ТПП ИШ ДВФУ подал ряд заявок на патентование найденных решений по способам резки композитных материалов и новые варианты конструкций технологической оснастки. Отметим также, что комплекс, совмещающий в себе технологию гидроабразивной резки, пятикоординатную обработку и полностью автоматизированный производственный цикл, в России был разработан впервые.
Как отмечает Константин Змеу, проект позволил поднять квалификацию сотрудников, что особенно ценно для молодых кадров. Обучение в Москве было необходимо для работы на современном оборудовании лидера отрасли производства промышленных роботов немецкой фирмы Kuka и ведущего производителя промышленной автоматики немецкой Siemens. В декабре при этом совместная работа с «Прогрессом» не заканчивается.
— Это с самого начала была очень напряженная по срокам задача. Конечно же, внедрение новой техники потребует авторского сопровождения. К такой работе на площадке завода мы готовы, — подчеркивает Константин Змеу. — При этом есть большая вероятность, что мы поучаствуем и в следующем конкурсе. Это дальнейшая автоматизация производства, связанная уже с литейными технологиями. Хочу отметить, что без бюджетного софинансирования любому предприятию сложно пойти на такие расходы. Я рад, что у «Прогресса» такая возможность есть.
