ilu2Článok analyzuje spracovanie konca pružiny plazmovým rezaním na robotickom komplexe (RTK). Zistili sa nedostatky v jeho činnosti a boli vyvinuté metódy na ich odstránenie. Pre proces spracovania konca pružiny je navrhnutá nová technológia.


Na základe nových požiadaviek boli formulované úlohy pre modernizáciu riadiaceho systému (RS) RTK, vypracovaný nový funkčný diagram a vyrobený súčasný riadiaci systém RTK. Bola vykonané overovanie novej technológie na spracovanie čelnej strany koncov pružiny s modernizovaným riadiacim systémom RTK.

* * * * *
Pružina je pružný prvok, ktorého účelom je akumulácia alebo absorpcia energie
Existujú dve hlavné technológie na jeho výrobu z guľatých tyčí:
• pružiny s priemerom do 10 mm sa vyrábajú studeným vinutím (bez zahrievania tyče) na špeciálnych navíjacích strojoch
• s väčším priemerom tyče, sa predhrieva na teplotu 1 000°C. V tomto stave sa vykonáva navíjanie. Pružiny vyrobené touto metódou sa nazývajú pružiny navinuté za tepla
* * * * *

Výrobky z pružinovej ocele majú praktické využitie v priemyselných odvetviach ako energetika, ropa, plyn, výroba nástrojov a ďalšie. Za zmienku stojí predovšetkým použitie pružín v železničnej doprave, ktorých obrat dosiahol v roku 2019 až 89 % celkového obratu v Ruskej federácii. Nárast železničnej dopravy významne prispieva k hospodárskemu rozvoju Ruska, vrátane výstavby nových železníc a nárastu železničných koľajových vozidiel založených na nákladných a osobných automobiloch.
Hlavnou súčasťou podvozku motorového vozňa je podvozok, ktorý obsahuje pružinu. Zaistenie spoľahlivého upevnenia jeho koncov k sedlu rámu na jednej strane a ložiskovej skrini na druhej strane je jedným z dôležitých faktorov dlhodobej prevádzky podvozku vozidla.

Technológia spracovania koncov pružín
Technologický proces výroby pružín zahŕňa niekoľko operácií: vstupné ultrazvukové skúšky, navíjanie tyče (vrátane ohrevu), vysokoteplotné popúšťanie, spracovanie koncov pružín, lisovanie, kalenie povrchu a lakovanie. Dnes je „úzkym miestom“ operácia spracovania čelnej plochy, ktorej účelom je získať „plochý“ povrch čelnej plochy, aby sa zabezpečilo, že pružina prilieha k upevňovacím sedadlám podvozku vozíka. Existuje niekoľko technologických riešení pre túto technologickú operáciu:
• Používanie valcovaných tyčí [1]. Táto technológia predpokladá použitie tyče s ťahanými (valcovanými) koncami ako polotovaru na navíjanie pružín. Prvý koniec tyče musí byť orientovaný pred navinutím a ten je presne orientovaný vzhľadom na začiatok, takže po navinutí majú konce pružiny v tolerancii odchýlku od rovinnosti, určenú podľa požiadaviek technickej dokumentácie. Samotný proces vyťahovania koncov predstavuje nasledujúcu postupnosť akcií:
1. zahriatie koncov tyče na teplotu 1 000 ± 50°C,
2. formovanie (v obdĺžnikovom priereze) na kladivách, kovacích lisoch alebo kovacích valcoch.
Tento proces je z hľadiska jeho automatizácie náročný a na koncoch pružín je to väčšinou manuálna prevádzka:
• Rezanie koncov pružín brúsením [2]. Spracovanie pružiny sa vykonáva na brúskach po jej navinutí. Táto metóda je optimálna na spracovanie pružín vyrobených z priemeru tyče do 14 mm. Pri spracovaní pružín z tyče väčšieho priemeru sa zvyšuje doba spracovania a zvyšuje sa spotreba brúsneho nástroja.
• Kombinovaná metóda. „Hrubé“ spracovanie koncov pružín sa vykonáva plazmovým rezaním. Ďalšie „dokončovacie“ spracovanie koncov pružín, až po dosiahnutie normatívnej a technickej dokumentácie, sa dosiahne brúsením.
Automatizácia procesu spracovania koncov pružín plazmovým rezaním
Z uvedených spôsobov spracovania koncov pružín, ako aj tých, ktoré sú dodatočne uvedené v [3], je potrebné poznamenať kombinovanú metódu – ako jednu z najvýhodnejších z hľadiska času a nákladov. Bloková schéma procesu „hrubého“ spracovania koncov pružín je znázornená na obr. 1.

Obr 1 Bloková schéma procesu spracovania koncov pružín
Obr. 1: Bloková schéma procesu spracovania koncov pružín

 

Robotický komplex podľa tejto schémy je zobrazený na obr. 2. Hlavnou súčasťou RTK je priemyselný robot 1 typu Kawasaki FSN-20, ktorého funkciou je pohyb meracích a rezných nástrojov v závislosti od typu spracovávanej pružiny. Ďalším, nemenej dôležitým komponentom RTK, je plazmové rezacie zariadenie typu Kjellberg HiFocus 360+, ktoré obsahuje: pohonnú jednotku 2 a rezačku 3 (čo je rezací nástroj), ktorá zaisťuje proces plazmového rezania.

Obr 2 Robotický komplex
Obr. 2: Robotický komplex
1-robot, 2-plazmové rezacie zariadenie, 3-rezačka, 4-upínacie zariadenie, 5-otočný tanier, 6-ochranná clona, 7-laserová bariéra, 8-ventilačná jednotka, 9-riadiaca skrinka RTK, 10-opracovaná pružina


Zakladanie a fixácia pre spracovanie pružiny sa vykonáva v upínacom zariadení 4. Otočný tanier pôvodnej konštrukcie 5 s ochrannou clonou 6 posúva pružinu do reznej zóny. Zabezpečenie bezpečnej práce, menovite kontrola prítomnosti osoby v nebezpečnom priestore (oblasť spracovania koncov pružín) sa vykonáva pomocou svetelnej bariéry 7. Udržiavanie bezpečnostných a hygienických pracovných podmienok, ako aj naprojektovaných technologických podmienok pre fungovanie technologického procesu vo výrobných zariadeniach sa zabezpečuje núteným odvetrávaním 8. Zabezpečenie procesu spracovania koncov pružiny, ktorý zahŕňa riadenie vyššie uvedených komponentov podľa daného algoritmu v súlade s technologickými parametrami a jeho bezpečnú prevádzku, je hlavnou funkciou riadiaceho systému 9 RTC.
Technológia spracovania na konci pružiny pozostáva z niekoľkých etáp: v zóne nakladania a vykladania je pružina upnutá v upínacom zariadení, orientovaná pomocou mechanického dorazu a potom fixovaná. Ďalším krokom je presunutie do oblasti rezania pomocou otočného stola. Nasleduje proces merania konca pružiny pomocou laserového meracieho senzora a potom proces orezania konca pružiny rezným nástrojom.
Pohyb meracích a rezných nástrojov po vopred naprogramovanej trajektórii pohybu vykonáva robot. Poslednou operáciou je presunutie pružiny z oblasti rezania do oblasti nakladania / vykladania, kde sa vyložená spracovaná pružina vyloží a nespracovaná sa naloží. V budúcnosti sa cyklus opakuje.
V [4] je uvedený rozbor porúch v opracovaní koncov pružín podľa vyššie uvedenej technológie a sú rozpracované spôsoby ich eliminácie.
Počas pôsobenia RTK boli odhalené nedostatky v jeho fungovaní za obdobie viac ako dva roky. Pružina sa posúva do oblasti spracovania pomocou rotačného zariadenia. Nevyhnutnou požiadavkou na činnosť plazmového rezacieho zariadenia je zabezpečenie spoľahlivého elektrického kontaktu (so zápornou polaritou) na obrobku, ale keďže sa stôl otáča v jednom smere, je potrebný elektrický pohyblivý kontakt na prenos elektrického prúdu do pružiny.
V procese spracovania dochádza k jeho mechanickému a elektrickému opotrebovaniu, zvyšuje sa prechodový odpor, klesá ním pretekaný prúd (čo je jeden z hlavných parametrov procesu plazmového rezania), čo v konečnom dôsledku vedie k zhoršeniu kvality rezu. Prax prevádzky RTK ukázala intenzitu výmeny tejto jednotky (raz za mesiac), čo navyše vedie k odstávkam zariadenia na dobu opravy a zvýšeniu materiálových nákladov na náhradné diely.
Rezným nástrojom plazmového rezacieho zariadenia je rezačka, ktorá obsahuje rýchlo sa opotrebovávajúce diely, ktorých výmena je regulovaná v [5]. Konkrétne sa jedná o katódy a dýzy na pracovný plyn. Výmena katódy by sa mala vykonať po 500 rezacích cykloch a výmena dýzy sa vykonáva v závislosti od času rezania pri danej hrúbke obrobku a v aktuálnom čase pomocou vizuálnej kontroly kvality rezu. To vedie k zníženiu kvality spracovania koncov pružín v dôsledku predčasnej výmeny týchto častí.

Požiadavky na zariadenia používané pri výrobe pružín
Dostupnosť hardvéru a softvéru pre riadiaci systém robotického komplexu pre integráciu do existujúcej siete s riadiacim systémom procesu. To poskytuje také výhody, ako je vzdialené sledovanie zariadení v reálnom čase, načítanie z databázy a ukladanie technologických parametrov do nej, ako aj prevádzkové vyčíslenie vyrobených výrobkov a ďalšie funkcionality.
Súčasťou riadiaceho systému by mal byť snímač čiarových kódov na identifikáciu operátora pracujúceho na tomto pracovisku a na identifikáciu grafu dávkového procesu, v súlade s ktorým sa technologické parametre prenášajú z databázy do riadiaceho systému RTK.
Poskytovanie riadenia RTK (vrátane vstupno-výstupných technologických parametrov) pomocou rozhrania človek-stroj zabezpečuje výmenu informačných správ v ruštine. To zaisťuje prijateľnú prevádzku systému „človek-stroj“, sleduje aktuálny postup práce a stav komponentov RTK v reálnom čase. Na základe vyššie uvedeného sú formulované nasledujúce funkčné požiadavky na riadiaci systém RTC:
• zaviesť proces merania do technológie spracovania konca pružiny na základe technických charakteristík obrobku [4];
• zabezpečiť výpočet bodov trajektórie pohybu meracích a rezných nástrojov;
• vyvinúť riadiaci algoritmus: proces spracovania konca pružiny v reálnom čase;
• vylúčiť pohyblivý elektrický kontakt;
• zabezpečiť automatické zaznamenávanie prevádzkovej doby rýchlo opotrebovateľných častí rezného nástroja s oznámením operátorovi o jeho včasnej výmene;
• rozšíriť funkčnosť riadiaceho systému v súlade s novými požiadavkami na zariadenia používané pri výrobe pružín v podniku.

ilu1

Návrh riešenia
Zmerať geometrické parametre pružiny pomocou bezkontaktného laserového merača nainštalovaného na poslednom článku robota, s ktorým sa dá počas merania pohybovať.
Na základe matematických modelov uvedených v [4] vyvinúť algoritmy na výpočet bodov, ktoré tvoria trajektóriu laserového merača a rezačky, a riadenia procesu rezania plazmou v reálnom čase.
Vymeniť elektrický pohyblivý kontakt za pružný kábel a zabezpečiť vratný pohyb otočného taniera. Vypracovať matematický model a na jeho základe algoritmus na zaznamenávanie prevádzkovej doby rýchlo opotrebovateľných častí rezného nástroja s oznámením operátorovi o jeho včasnej výmene.
Rozšíriť funkčnosť riadiaceho systému výberom moderného vybavenia, ktoré má hardvérové a softvérové vybavenie, ktoré umožňuje implementáciu nových algoritmov potrebných pre činnosť RTK, ako aj zabezpečenie pripojenia riadiaceho systému k podniku AUSTP.
Vypracovať matematický model a na jeho základe algoritmus pre účtovníctvo a kontrolu prevádzkovej doby rezného nástroja s vysokým opotrebením, ktorý je súčasťou rezačky.

Riadiaca jednotka – kontrola pohybu
Hlavným účelom riadiacej jednotky robota je riadiť jeho pohyb, potom je logické, že ponecháva iba túto funkciu, a na riadenie zariadení, ktoré sú súčasťou RTK, sa používa priemyselný programovateľný logický kompjuter (PLC). Napríklad v [6] je navrhnuté podobné riešenie – na proces merania je použitý počítač PC a na riadenie pohybu meracieho senzora robot. Ďalší príklad [7] používa PLC na riadenie viacerých robotov. V obidvoch prípadoch je ovládaču robota priradená jeho hlavná funkcia – kontrola jeho pohybu.
Prevádzkové podmienky RTK stanovujú požiadavky na elektronické zariadenia na priemyselné použitie. Jedným z nich sú výrobky spoločnosti Omron a používajú sa v systémoch riadenia technologických zariadení v podniku na výrobu pružín.
Za ostatné tri roky nebol zaznamenaný ani jeden prípad poruchy komponentov vyrobených touto spoločnosťou, čo je jedno z výberových kritérií. Napríklad PLC série CJ1M pomocou ďalších modulov umožňuje implementovať takmer akékoľvek funkčné zariadenie (digitálne vstupy / výstupy, ADC, DAC, kanál výmeny údajov atď.).
Na implementáciu nového technologického postupu spracovania pružín, na riešenie zadaných úloh a modernizáciu RTK bol vypracovaný funkčný diagram riadiaceho systému, znázornený na obr. 3.

Obr 3 Funkčná schéma riadiaceho systému robotického komplexu
Obr. 3. Funkčná schéma riadiaceho systému robotického komplexu


Ako centrálny procesor bol vybraný radič CJ1M-CPU13, na vývoj softvéru, ktorý využíva softvérový produkt CX-Programmer a je v súlade s medzinárodným štandardom IEC 6-1131 / 3 [8], konkrétne s podporou jazyka LD pre riadenie diskrétnych signálov a jazyka ST na implementáciu softvéru. Rozhranie človek – stroj je implementované na operačnom paneli NS5-MQ10, ktorý umožňuje výmenu informačných správ v ruštine.
I/O moduly poskytujú výmenu diskrétnych signálov (riadenie a monitorovanie stavov) medzi PLC a komponentmi robotického komplexu. Dáta získané počas merania sa prevedú do digitálneho kódu na spracovanie v PLC pomocou analógovo-digitálneho prevodného modulu. Modul digitálno-analógového prevodu poskytuje nastavenie rezacieho prúdu pre plazmové rezacie zariadenie.
Prenos dát (vypočítané súradnice bodov merania a trajektórie spracovania) z PLC do riadiacej jednotky robota sa vykonáva pomocou modulu sériového rozhrania, na fyzickej úrovni cez RS485, cez protokol Modbus RTU. Na identifikáciu operátora a šaržovej karty spracovaných častí pri tejto technologickej operácii je potrebný snímač čiarových kódov pripojený k riadiacemu systému.

Záver
Na základe štúdie boli zistené nedostatky v prevádzke robotického komplexu a boli vyvinuté metódy ich eliminácie. Aby sa zlepšila kvalita opracovaných dielov a produktivita RTK, bol vyvinutý nový technologický postup spracovania koncov pružiny. Bola vyvinutá nová funkčná schéma riadiaceho systému, ktorá spĺňa nové požiadavky na riadenie robotického komplexu. Bol vyvinutý a vyrobený operačný riadiaci systém RTK. Ďalej boli vyriešené tieto úlohy: automatický výpočet bodov trajektórie pohybu meracích a rezných nástrojov, vylúčený je pohyblivý elektrický kontakt, zohľadňuje sa prevádzková doba opotrebovateľných častí rezného nástroja a je poskytnuté oznámenie o ich včasnej výmene, riadiaci systém RTK je pripojený k riadiacemu systému procesu v súlade so stanovenými požiadavkami. Bola vykonaná priemyselná kolaudácia RTK. Poslednou fázou je vývoj a testovanie algoritmov na meranie konca pružiny a riadenie procesu rezania plazmou v reálnom čase.

TEXT Ing. Sergej Aleksanrovič PLATOV, Federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania, Iževská štátna technická univerzita M. T. Kalašnikova, Iževsk, Výskumné a výrobné stredisko – Pružina, spol. s r. o., Iževsk, Rusko

Literatúra
[ 1] Valcovanie tyčového kovu. [Elektronický zdroj]. Režim prístupu do denníka: https://izhevsk.metalloobrabotchiki.ru/service/valcovka_prutkovogo_metalla (dátum prístupu: 13. 10. 2020).
[2] Výroba pružín [elektronický zdroj]. Prístup k časopisu: http://prughina.msk.ru/izgotovlenie_pruzhin/. (dátum prístupu: 4. 4. 2014).
[3] Platov, S. A. Výskum a zlepšenie účinnosti RTK na orezávanie koncov pružín / S. A. Platov, Yu. V. Turygin // Mladí vedci – Urýchlenie vedeckého a technologického pokroku v XXI. storočí: Zbierka článkov. tr. Všeruské vedecké a technické. konf. – Iževsk, 2013. – 1415 s.
[4] Platov, S. A. Plazmové rezanie koncov pružín podvozkov podvozku / S. A. Platov, Yu. V. Turygin // Inteligentné systémy vo výrobe. – Iževsk: Iževská štátna technická univerzita. – 2013. – č. 2. – s. 96 – 100.
[5] Krátky návod na použitie / Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH. Kjellberg – 2010. – 210 s
[6] Zeng, L. Control of Industrial Robots for Meat Processing Applications / Zeng Li, Peter R., Kym M., Andrew H. // Food Science Australia, CSIRO. [Elektronický zdroj]. Režim prístupu: http://www.araa.asn.au/acra/acra2003/papers/12.pdf. (dátum prístupu: 11. 3. 2014)
[7] Luiz Affonso, Programmable Logic Controller, 2010.-178s
[8] Zyubin, V. E. Programovanie PLC: jazyky IEC 61131-3 a možné alternatívy / V. E. ZYUBIN // Priemyselné ACS a kontroléry – č. 11. – 2005. – str. 31-35.