Лекция 4. Мехатронные системы в машиностроительных технологиях.
Автоматизация технологических процессов в производственной сфере проходит путем широкого внедрения мехатронных объектов. Аппаратурные, вычислительные и программные возможности в настоящее время позволяют создавать системы управления объектами и процессами, используя для этого ограниченный набор функционально завершенных устройств процессорного управления, контроллеров, модулей связи с датчиками, с исполнительными и другими подсистемами. К мехатронным системам в машиностроительных технологиях следует отнести машины с компьютерным управлением, предназначенные для выполнения технологических операций. Это – машины для быстрого прототипирования, станки с ЧПУ, технологические машины – гексаподы, промышленные роботы (ПР)
Технологии быстрого прототипирования
Современные технологии изготовления некоторых деталей, элементов конструкций реализованы благодаря мехатронному научному и техническому базису. В качестве примера можно привести технологии быстрого прототипирования, позволяющие за очень короткие сроки построить на ЭВМ трехмерный образ изделия, а затем изготовить ее натурную копию. Это может быть необходимым для отработки дизайна изделий, проверки узлов на собираемость, аэродинамических тестов, создания литейных форм и в других случаях.
Технологии быстрого создания твердотельных прототипов (Fast Free Form Fabrication - FFFF) в отличие от традиционных методов обработки резанием основаны на послойном «выращивании» модели объекта из определенных материалов.
Процессом выращивания управляет компьютер с помощью программы, полученной на основе компьютерной модели изделия, спроектированной в какой-либо CAD/САМ системе. По этой компьютерной модели строится набор плоских параллельных сечений с заданным шагом, которые и определяют границы перемещения формообразующего устройства (лазер, фильерная головка и т.д.). В зависимости от используемых физических процессов и материалов применяются различные технологии быстрого прототипирования, реализованные в серийно выпускаемых установках.
К таким технологиям относится метод стереолитографии, (Stereolithography), который основан на явлении фотополимеризации - отвердевании некоторых полимеров под действием светового излучения. В ванне с жидким фотополимером вблизи его поверхности размещается подвижная поддерживающая платформа. С помощью перемещающейся в плоскости X-Y лазерной головки на поверхности фотополимера лучом ультрафиолетового лазера сканируется («рисуется») первое, самое нижнее сечение моделируемого изделия.
После формирования этого сечения платформа опускается вниз на толщину сечения. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформировано последнее (самое верхнее) сечение. Для системы STEREOS600 фирмы EOS максимальные габариты прототипа 600x600x400 мм, при максимальной точности изготовления ±0,1 мм.
Стереолитография достаточно широко используется при проектировании и изготовлении литейных моделей и форм, но она имеет ряд серьезных недостатков: токсичность и высокая стоимость большинства фотополимерных материалов, недостаточная предсказуемость поведения фотополимеров как на этапе выращивания модели, так и при ее последующем использовании.
Применяются и другие технологии: послойное нанесение расплавленного полимера, струйное напыление полимера. В последнем случае реализован принцип работы струйного принтера: перемещающаяся в плоскости X-Y головка содержит два микросопла, через которые на предыдущий слой полимера наносится новый слой моделирующего и поддерживающего полимеров. Диаметр микрокапель составляет всего 0,075 мм, остаточные деформации и усадки практически отсутствуют, поэтому при выращивании прототипов по такой технологии удается получить точность до 0,05 мм при максимальных габаритах модели 150x150x150 мм. При этом сохраняются все остальные преимущества (компактность, экологичность, низкая себестоимость). Существенным недостатком данной технологии является большое время получения прототипа.
Еще одним вариантом является технология, основанная на вырезании лучом лазера плоских сечений модели из полимерной пленки или бумаги с полимерным покрытием и последующим их склеиванием. Достижимая точность составляет ±0,1 мм.
В тех случаях, когда необходимо непосредственно получать металлические модели изделий, применяется технология лазерного спекания металлического порошка, полимеров, керамических порошков и других материалов. На подвижный стол установки наносится тонкий слой порошкового материала. Под действием лазерного излучения происходит спекание отдельных микрочастиц порошка; таким образом, перемещение лазерной головки в плоскости X-Y позволяет сформировать плоское сечение модели, после чего стол опускается на толщину слоя. Процедура повторяется до полного формирования модели. Возможность использования различных экологически чистых материалов, получения прототипов с высокими механическими свойствами делают эту технологию весьма привлекательной.
Работы по созданию промышленных установок быстрого прототипирования ведутся и в России. Например, в рамках проекта «Карат», в Петербурге создана опытная модель установки «КАРАТ-200» с рабочей зоной 200x200x430 мм. В этой установке используется СО2-лазер, с помощью которого из бумаги с термоадгезивным слоем толщиной 78,5 мкм вырезаются сечения модели. Склейка сечений осуществляется термопрессованием. Скорость наращивания модели - до 6 мм/час. Имеется система слежения за текущей толщиной изделия и коррекции геометрии изделия в процессе наращивания. Реализация подобных технологий стала возможна благодаря технологическому мехатронному оборудованию.