Automatyczne czyszczenie laserem
elewacji klinkierowych z wykorzystaniem cobota UR10e

Zrobotyzowane czyszczenie laserowe w konserwacji zabytków - projekt mobilnego stanowiska o zasięgu 10 m

Mobilny system czyszczenia laserowego oparty na impulsowym źródle światłowodowym oraz cobocie UR10e zintegrowanym z zewnętrznymi osiami kinematycznymi. Projekt powstał dla sektora konserwacji zabytków, gdzie kluczowa jest bezinwazyjność i pełna kontrola nad procesem ablacji. System pozwala na precyzyjne usuwanie zabrudzeń z elewacji klinkierowych bez uszkodzenia struktury materiału.

Technologia czyszczenia laserowego - fizyka procesu ablacji

Rozwój technologii opartych na światłowodowych źródłach mocy brutalnie weryfikuje przestarzałe metody obróbki materiałowej. Cięcie, spawanie, a od niedawna także czyszczenie laserowe, to dziś przemysłowy standard, który pod kątem precyzji i powtarzalności deklasuje obróbkę mechaniczną. Skupmy się na tym ostatnim procesie.

Jeden z naszych bardziej świadomych technologicznie kontrahentów, działający w konserwatywnym i restrykcyjnym sektorze konserwacji zabytków, podjął strategiczną decyzję o odrzuceniu inwazyjnego piaskowania czy trawienia chemicznego.

Cel: renowacja historycznych elewacji z cegły klinkierowej.

Narzędzie: laser impulsowy.

Mieliśmy przyjemność brać udział w architekturze układu i fizycznym wdrożeniu tego projektu.

Z inżynierskiego punktu widzenia proces jest bezwzględny w swej skuteczności. Laser impulsowy o precyzyjnie dobranej gęstości mocy i czasie trwania impulsu wywołuje zjawisko ablacji. Zanieczyszczenia, nagar i stare powłoki odparowują w ułamku sekundy. Jednocześnie sam klinkier – posiadający diametralnie inny próg absorpcji promieniowania – pozostaje nienaruszony termicznie i strukturalnie. Aby jednak proces ten miał uzasadnienie ekonomiczne i nie generował braków, potężna głowica optyczna nie może być prowadzona z ręki.

Architektura układu: cobot UR10e z zewnętrznymi osiami

Sercem układu kinematycznego został sprawdzony w bojach przemysłowych cobot Universal Robots, model UR10e. Samo ramię dysponuje zasięgiem roboczym o promieniu 1300 mm oraz udźwigiem 12,5 kg – to parametry idealne do płynnego operowania masywną głowicą świetlną, ale nie pozwalają na czyszczenie fasad budynków. Gigantyczny obszar roboczy rzędu 10 metrów osiągnęliśmy wyłącznie dzięki integracji robota z zewnętrznymi osiami kinematycznymi. Cobot został posadowiony na mobilnym wózku gąsienicowym i sprzęgnięty z mechanicznie sterowaną kolumną hydrauliczną. To ten układ zagwarantował potężny zasięg operacyjny.

Kontrola ogniskowej i dystansu – system trzech dalmierzy

Trajektoria ramienia w pojedynczym cyklu została zaprogramowana do obsługi matrycy roboczej w postaci kwadratu o boku 1,0 m. W przypadku optyki laserowej absolutnie krytycznym parametrem jest ogniskowa. Przestrzelić ogniskową to znaczy drastycznie obniżyć gęstość mocy wiązki, co wstrzymuje zjawisko ablacji. Z kolei zbyt bliskie podejście do muru grozi uszkodzeniem optyki przez odpryski. Za kontrolę dystansu (stand-off distance) w czasie rzeczywistym odpowiadał układ trzech dalmierzy laserowych zamontowanych na flanszy. Matematycznie rzecz ujmując – trzy punkty bezbłędnie wyznaczają płaszczyznę. System na bieżąco, w pętli milisekundowej, korygował pozycję osi Z cobota, utrzymując punkt skupienia wiązki dokładnie na powierzchni falującego klinkieru i kompensując ewentualne wibracje przenoszone z podwozia gąsienicowego.

Programowanie trajektorii: G-code i środowiska CAM

To wdrożenie to zaledwie fundament, ponieważ ta nowatorska technologia wymusza natychmiastowe optymalizacje w sterowaniu. Konwencjonalne uczenie punktów to strata cennego czasu i przestojów maszyn. Obecnie wdrażamy bezpośrednie zasilanie sterownika cobota kodem G (G-code), generowanym w zewnętrznych środowiskach CAM, co jest rozwiązaniem wprost przeniesionym z zaawansowanych obrabiarek CNC.

Mapowanie 3D i cyfrowy bliźniak powierzchni

Jednak prawdziwym przełomem, na który stawiamy najmocniej, jest zintegrowany skaner profilometryczny (mapowanie 3D powierzchni). Zanim laser odda pierwszy strzał, system optyczny generuje chmurę punktów, tworząc cyfrowego bliźniaka topografii ściany. Algorytm rozpoznaje wypukłości cegieł oraz zagłębienia spoin. Na tej podstawie trajektoria wirtualnego TCP (Tool Center Point) oraz sam program offline powstają automatycznie, w ułamku sekundy. Rola operatora redukuje się do kliknięcia na pulpicie przycisku „zatwierdź”. Drastycznie ucinamy udział człowieka, a prawdopodobieństwo błędu kolizyjnego jest znikome.

Kierunek rozwoju: autonomiczna kontrola jakości po procesie

Zautomatyzowane ramię powoli staje się w pełni autonomiczną jednostką. Zwieńczeniem tej ewolucji będzie bezwzględne zamknięcie pętli sprzężenia zwrotnego. Czy laserowy skaner może kontrolować jakość czyszczenia? Odpowiedź brzmi: musi. Skanowanie post-procesowe pod kątem resztkowych zanieczyszczeń i automatyczne ponawianie cyklu przez robota na wadliwych fragmentach muru to ciekawy temat na kolejną realizację. Czysta mechanika, fizyka i mierzalny wynik.

REALIZACJA: CobotEx - Integracja procesów lakierowania

Transformujemy chaos produkcyjny w inżynieryjny ład.

Automatyczne czyszczenie laserem elewacji klinkierowych z wykorzystaniem cobota UR10e