Sistema de posicionamiento, automatización, muestreo y control para la fabricación en tres dimensiones utilizando el láser como herramienta

Abstract

[Abstract] This thesis presents a method to develop a system that allows the full automation of the core laser manufacturing steps. This system includes a exible CAD/CAM software developed using a FOSS approach and support hardware, based in OSHW whenever is possible, that allow to control a wide range of laser processes. The system is designed to be less prone to operator errors, monitor and save the relevant sensor data obtained from different optical sensors, improve the quality of the final results using a control system and short long lead times related to time consuming tasks that not add value. Different algorithms that allow to follow a 3D path across user-selected geometry at constant velocity with high precision are discussed. A method to modify the support hardware elements to be exible enough to work alone like active nodes of an ethernet network regardless of the kind of laser process is proposed and tested. An optical method is used to obtain geometrical data of the surface that is processed and turned into an easy editable 3D model through inverse engineering. A method to use both raw geometrical data and a preprocessed or edited 3D model to simplify the generation of the user desired paths and modify the above-mentioned surface is described. These paths are calculated using different patterns and laser tool orientations to fulfill the particular requirements of different tasks. Overall methods are validated mainly by mean of different laser cladding tests carried out with an industrial 6DoF robot. In part of these tests the laser power is controlled by the PID controller using a photodiode sensor signal like control input. Support hardware systems needed for the cladding process are monitorized and controlled by the CAD/CAM software during the tests. DMD building tests are carried out to evaluate the combination of the different parts of the system working together.

[Resumen] Esta tesis presenta un conjunto de metodos que permiten el desarrollo de un sistema para llevar a cabo la automatizacion de las etapas basicas de un proceso de fabricacion laser. El sistema incluye software CAD/CAM, desarrollado usando un enfoque basado en FOSS, y hardware auxiliar, basado en OSHW en la medida de lo posible, que permite controlar gran numero de procesos laser. El sistema esta dise~nado para reducir los errores del usuario, monitorizar y almacenar los datos relevantes obtenidos a partir de diferentes sensores opticos, mejorar la calidad de la pieza resultante empleando un sistema de control y recortar tiempos mediante la reduccion de tareas repetitivas manuales que no aportan valor. Se han analizado diferentes algoritmos que permiten recorrer una trayectoria descrita por el usuario sobre una geometria determinada a velocidad constante con alta precision. Se ha propuesto y probado un metodo para efectuar modi caciones en los elementos hardware auxiliares para convertirlos en nodos activos de una red ethernet que puedan funcionar de modo independiente y sin restricciones en relacion a la tipologia del proceso. Se ha propuesto un metodo optico para obtener datos geometricos de la super cie que esta siendo procesada y convertirlos mediante ingenieria inversa en un modelo 3D facilmente editable. Se ha descrito un metodo para emplear los datos geometricos originales y el modelo 3D para facilitar la generacion de trayectorias a realizar. Las trayectorias se calcularan usando diversos patrones y orientaciones de la herramienta que permitan cumplir los requisitos del procesado. Los metodos previamente descritos se han validado mediante experimentos realizados empleando la tecnica de laser cladding y un robot industrial de 6 grados de libertad. Parte de los experimentos se han llevado a cabo empleando un controlador PID retroalimentado por la se~nal de un fotodiodo. Los sistemas hardware auxiliares han sido monitorizados y controlados mediante el software CAD/CAM durante los experimentos. Se han llevado a cabo experimentos de fabricacion mediante DMD para validar el funcionamiento global del sistema.

[Resumo] Esta tese presenta un conxunto de metodos que permiten o desenvolvemento dun sistema para acadar a automatizacion das etapas basicas dun proceso de fabricacion laser. O sistema inclue software CAD/CAM, desenvolvido empregando un enfoque baseado no FOSS, e hardware auxiliar, baseado en OSHW na medida do posible, que permite controlar un grande numero de procesos laser. O sistema esta dese~nado para reducir os erros do usuario, monitorizar e almacenar os datos relevantes obtidos a partir de distintos sensores opticos, mellorar a calidade da peza resultante empregando un sistema de control e recortar tempos mediante a reduccion de tareas repetitivas manuais que non aportan valor. Analizaronse distintos algoritmos que fan posible recorrer un trazado descrito polo usuario sobor dunha xeometria determinada a velocidade constante con elevada precision. Propuxose e probouse un metodo para facer cambios nos elementos hardware auxiliares co fin de convertelos en nodos activos dunha rede ethernet que poidan funcionar de modo independente e sen restriccions en relacion á tipologia do proceso. Propuxose un metodo optico para obter datos xeometricos da superficie que estea sendo procesada e convertelos mediante enxe~neria inversa nun modelo 3D sinxelo de editar. Describiuse un metodo para empregar os datos xeometricos orixinais e o modelo 3D para facilitar la xeracion de trazados a levar a cabo. Os trazados calcularanse empregando diversos patrons e orientacions da ferramenta que permitan cumprir os requisitos do procesado. Os metodos previamente descritos validaronse mediante experimentos realizados empregando a tecnica de laser cladding e un robot industrial de 6 graos de liberdade. Parte dos experimentos levaronse acabo empregando un controlador PID retroalimentado mediante sinais procedentes dun fotodiodo. Os sistemas hardware auxiliares foron monitorizados e controlados mediante o software CAD/CAM mentras se levaban a cabo os experimentos. Levaronse a cabo experimentos de fabricacion mediante DMD para validar o funcionamento global do sistema.