На неделе удалось познакомиться с Центом инженерных компетенций, который располагается на территории Колледжа автоматизации производства (@spbkap_centre). Прочитал студентам лекцию о том, что роботы никому не нужны, но на самом деле нужны.
В целом очень впечатлен составом оборудования, на котором учат молодых специалистов. Далеко не каждое современное производство имеет такое оснащение.

1️⃣ Что за деталь на видео?

Это поворотный кулак — деталь передней подвески автомобиля. Первые подобные кулаки появились практически одновременно с четырёхколёсными автомобилями, то есть около 150 лет назад. Сегодня сложно найти автомобиль, в конструкции которого не использовалась бы эта деталь.

2️⃣ Как изготавливают такую деталь?

Во‑первых, применяют горячую штамповку либо (реже) литьё. Это означает, что производителю необходимо:

- спроектировать сложную оснастку (штампы или литейные формы);
- подготовить большое количество жидкого или раскалённого металла;
- использовать дорогостоящее и сложное оборудование для серийного выпуска деталей.

Такие технологии оправданы только в массовом производстве.

Во‑вторых, деталь можно изготовить из цельного куска металла на фрезерном станке. При этом около 80 % заготовки уходит в стружку, а многокоординатный обрабатывающий центр занят в течение нескольких рабочих смен. Себестоимость подобной детали резко возрастает, поэтому метод применяют лишь для специальных задач — например, в автоспорте, военной технике или космической отрасли, где стоимость не является приоритетом.

В‑третьих, существует технология металлической аддитивной печати. Здесь возможен ряд вариантов, однако большинство из них предъявляют высокие требования к материалам и оборудованию: необходимы специально подготовленные металлические порошки, инертные среды и лазерные установки. Этот способ остаётся дорогостоящим и относительно медленным.

3️⃣ WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)
Если излагать упрощённо (с надеждой на снисхождение со стороны учёных), суть технологии такова: берётся сварочный полуавтомат, и деталь «выращивается» слой за слоем с помощью сварных валиков — примерно как крем выдавливается из кондитерского пакета на торт.

Однако на практике требуется оборудование значительно более высокого уровня:
- аппарат с развитой системой обратной связи для контроля процесса;
- роботизированная система позиционирования горелки — человек не способен обеспечить необходимую точность и стабильность траектории движения.

Ключевое преимущество технологии — возможность использовать типовой роботизированный сварочный комплекс и стандартную сварочную проволоку для получения заготовок, по прочностным характеристикам не уступающих литым деталям.

Оптимальная сфера применения — мелко‑ и среднесерийное производство. Аграрка и стройка, например.

В этих случаях WAAM более рациональное решение по сравнению с фрезеровкой из цельной заготовки или изготовления литейной оснастки, которая не отобьется при небольших объёмах производства.

Больше подробностей можно почитать на сайте Политеха.

4️⃣ Как заставить робота правильно двигаться?

Движение робота — это перемещение с заданной скоростью и ускорением из одной точки в другую. При этом каждая точка описывается шестью координатами: тремя линейными и тремя угловыми (X Y Z A B C).

Чтобы с пульта «нарисовать» квадрат, мне понадобится минут десять. Чтобы заполнить квадрат змейкой — пара часов. Если повторить это для нескольких слоёв, чтобы создать кубик, — несколько рабочих дней. А если речь о детали со сложной геометрией, с кривыми поверхностями в разных плоскостях — то и несколько лет. И это я ещё не учёл, что угол наклона горелки нужно менять, чтобы снизить скатывание расплавленного металла с краёв детали. В общем, руками писать программу под поворотный кулак никто не будет.

Для генерации траектории существуют разные CAD/CAM‑модули и слайсеры. Инженеры Политеха рассказали о долгом и сложном пути использования «костылей» в попытках заставить работать имеющийся на рынке софт. В итоге они выпустили свой продукт — TrifCam.

Это ПО позволяет сгенерировать траекторию движения робота и вращателя так, чтобы:

-получить сложную деталь без поддержек;
-иметь возможность менять углы;
-учесть все тонкости технологии WAAM.

Но "волшебной" кнопки тут тоже нет. Конструктор должен правильно подготовить модель - разбить ее на правильные части.

5️⃣ А причём тут сканер?

Основной недостаток технологии WAAM — низкая точность. На видео заметно, насколько кривая получается поверхность (если не учитывать фрезерованные участки).

Чтобы добиться лучшего результата, требуется послойный контроль. Это необходимо для внесения корректировок в управляющую программу: нужно компенсировать:
-температурные деформации;
-неоднородность сварочных валиков.

Инженерам Политеха удалось довести эту идею до рабочей технологии. Процесс выглядит так:
1. Печатается один слой.
2. Результат сканируется.
3. В траекторию вносятся поправки.
4. Печатается следующий слой.

Всё это выполняется в автоматическом режиме.

6️⃣ Зачем вешать сканер на робота?
На первый взгляд может показаться, что человеку проще обойти деталь с ручным сканером. Однако здесь нужно разобраться в принципах сканирования.

Как работает сканирование
Основа — метод триангуляции:
-две камеры «смотрят» на одну точку;
-измеряется отклонение углов;
-вычисляется координата объекта.

В человеческом зрении это работает отлично: 3D‑картинка строится относительно положения головы. В технике задача определения положения сложнее — требуются дополнительные технологии:
-структурный подсвет (проектор между камерами);
-маркерные точки на объекте измерения;
-внешнее слежение (маркеры на сканере и отдельная камера для их отслеживания).

Человек легко справляется с таким оборудованием: проводит калибровку, наносит метки, обрабатывает скан и получает STL‑модель. При этом перемещение сканера относительно детали — самый простой этап, где использование робота нерационально.

А зачем тогда нужен робот?
Нам необходимо:
-получить результат очень быстро (пока деталь не остыла);
-использовать компактный, простой прибор, который можно разместить на том же роботе, что переносит сварочную горелку;
-обеспечить работу в условиях сварочного участка.

Обычные сканеры не подходят:
-невозможно оперативно нанести маркеры на каждый слой раскалённой детали;
-громоздкие сканеры с проектором или внешним слежением нельзя поднести близко к зоне сварки.

Решение от Политеха: использование простого, дешёвого и надёжного лазерного 2D‑профилометра и сложного математического обеспечения.

Технология работает так:
- в каждый момент времени фиксируются 6 координат положения робота (3 линейные и 3 угловые),
- профилометр предоставляет координаты точек линии,
- данные объединяются в одну систему координат
- генерируется 3D‑скан,
- 3D‑скан накладывается на исходную 3D‑модель
- вносятся поправки для продолжения печати.