เพื่อลดต้นทุนการบำรุงรักษาและรอบการเจาะของดอกสว่าน PDC โดยอ้างอิงจาก การหุ้มด้วยเลเซอร์ เทคโนโลยีการผลิตใหม่ เสนอให้ใช้หุ่นยนต์ในการผลิตดอกสว่านใหม่ โดยอาศัยวิศวกรรมย้อนกลับ รวบรวมข้อมูลดอกสว่าน PDC จากนั้นประมวลผลข้อมูลคลาวด์จุดดอกสว่านที่ได้มาและสร้างใหม่แบบสามมิติเพื่อสร้างแบบจำลองสามมิติที่เหมือนกับดอกสว่าน PDC แบบแข็ง ชิ้นส่วนที่ชำรุดของชิ้นงานจะได้มาจากการทำงานแบบบูลีนของซอฟต์แวร์ Geomagic และตระกูลระนาบไอโซเมตริก Γ ถูกใช้ในซอฟต์แวร์ NX1899 เพื่อตัดกับชิ้นส่วนซ่อมดอกสว่านเพื่อวางแผนเส้นทางของชิ้นส่วนพื้นผิวโค้ง จำลองวิถีของดอกสว่าน PDC ที่ซ่อมแซมโดยปืนเชื่อมปลายหุ่นยนต์ และจำลองตำแหน่งของชิ้นงานที่สัมพันธ์กับหุ่นยนต์ในสภาพแวดล้อมการทำงานเพื่อปรับวิถีของหุ่นยนต์ให้เหมาะสมที่สุด ท่าทางของปืนเชื่อมปลายหุ่นยนต์ได้รับการปรับเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพพื้นผิวของดอกสว่าน PDC ที่ซ่อมแซมแล้ว มีการตรวจสอบความเป็นไปได้ของวิธีดังกล่าวแล้ว ซึ่งเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการซ่อมแซมพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อนโดยใช้เทคโนโลยีการผลิตซ่อมแผ่นหุ้มด้วยเลเซอร์

ปัจจุบัน พื้นที่พัฒนาแหล่งน้ำมันที่สำคัญส่วนใหญ่กำลังเผชิญกับความยากลำบาก เช่น การเจาะไม่ดีและโครงสร้างไซต์พัฒนาที่ซับซ้อน ซึ่งทำให้การสึกหรอของดอกสว่าน PDC รุนแรงขึ้น[1-2] วิธีการดั้งเดิมในการซ่อมแซมหรือขูดดอกสว่านที่เสียหายโดยตรงจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานและเพิ่มต้นทุน เทคโนโลยีการผลิตซ้ำสารเติมแต่งหุ้มด้วยเลเซอร์ได้รับการนำไปใช้ในเชิงอุตสาหกรรมและประสบความสำเร็จในระดับหนึ่ง เทคโนโลยีนี้ทำการสร้างแบบจำลองย้อนกลับของชิ้นงานที่สึกหรอ แยกและจัดชั้นชิ้นส่วนที่เสียหาย และวางแผนเส้นทาง เทคโนโลยีนี้ควบคุมแหล่งความร้อนอย่างชาญฉลาด เช่น ลำแสงเลเซอร์ ลำแสงอิเล็กตรอน และลำแสงพลาสม่า เพื่อทำให้กระบวนการสะสมชิ้นส่วนที่เสียหายของชิ้นงานเสร็จสมบูรณ์ และฟื้นฟูและปรับปรุงขนาดและประสิทธิภาพของชิ้นงานที่สึกหรอ[3] การซ่อมแซมดอกสว่าน PDC โดยใช้เทคโนโลยีการผลิตซ้ำสารหุ้มด้วยเลเซอร์ไม่เพียงแต่จะลดรอบการบำรุงรักษาและประหยัดต้นทุนเท่านั้น แต่ยังรักษาประสิทธิภาพของดอกสว่านได้ดีขึ้นอีกด้วย ซึ่งนำมาซึ่งประโยชน์ทางเศรษฐกิจต่อการพัฒนาแหล่งน้ำมัน ในแง่ของการซ่อมแซมดอกสว่าน PDC นักวิชาการที่เกี่ยวข้องได้วิเคราะห์และประเมินระดับการสึกหรอของดอกสว่าน และพัฒนาชุดโซลูชันการซ่อมแซมแบบเผาผนึกสำหรับดอกสว่าน ประสิทธิภาพของดอกสว่านที่ซ่อมแซมแล้วจะถึง 80%~90% ของดอกสว่านใหม่ ในขณะที่ต้นทุนอยู่ที่เพียง 30% เท่านั้น[4] ในส่วนของการซ่อมแซมหุ้มด้วยเลเซอร์ของ PDC มีการวิจัยเกี่ยวกับดอกสว่านเพียงเล็กน้อย การใช้หุ่นยนต์เพื่อซ่อมแซมหุ้มด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรรสามารถประหยัดวัสดุได้ และประสิทธิภาพของมันสามารถตอบสนองความต้องการของสภาพแวดล้อมการทำงานที่ไม่ดีได้ดีกว่า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาวิธีการซ่อมแซมหุ้มด้วยเลเซอร์ของดอกสว่าน PDC เมื่อเปรียบเทียบกับการเขียนโปรแกรมการสอนแบบแมนนวลแบบเดิม การเขียนโปรแกรมแบบออฟไลน์ของหุ่นยนต์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและความแม่นยำของการประมวลผลได้อย่างมาก [5] Li Jinhua และคณะได้แก้ไขเส้นทางการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ผ่านการจำลองภาพเพื่อให้แน่ใจถึงความปลอดภัยในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน [6] ก่อนที่จะใช้หุ่นยนต์ซ่อมแซมชิ้นงาน สามารถสังเกตตำแหน่งของหัวปืนหุ้มได้ผ่านการจำลองเส้นทางของหุ่นยนต์ และปรับปรุงวิถีการประมวลผลเพื่อให้ได้ผลการซ่อมแซมที่ดีขึ้น [7]

เอกสารนี้จัดทำขึ้นโดยอิงจากการผลิตซ่อมด้วยเลเซอร์ โดยจำลองดอกสว่าน PDC ที่เสียหายแบบย้อนกลับ ทำการวางแผนเส้นทางเพิ่มเติม และจำลองการหุ้มด้วยเลเซอร์ของหุ่นยนต์ เมื่อรวมกับผลการจำลองแล้ว จะสามารถยืนยันความเป็นไปได้ของการวางแผนเส้นทางสำหรับการซ่อมดอกสว่าน PDC ที่ผลิตใหม่ได้ และจะได้ชั้นหุ้มที่มีคุณภาพสูงขึ้นโดยการปรับท่าทางปืนเชื่อมอย่างทันท่วงทีในระหว่างกระบวนการประมวลผล เอกสารนี้ให้ข้อมูลอ้างอิงบางประการสำหรับการซ่อมแซมดอกสว่าน PDC และชิ้นงานโค้งที่ซับซ้อนอื่นๆ ด้วยเลเซอร์

1 การสร้างแบบจำลองและการวางแผนเส้นทาง

1.1 การสร้างแบบจำลองย้อนกลับของดอกสว่าน PDC

ก่อนสแกนดอกสว่าน ให้ติดเครื่องหมายวงกลมสีดำบนชิ้นงานที่จะซ่อมแซม ระยะห่างระหว่างเครื่องหมายที่อยู่ติดกันสองอันควรมากกว่า 5 มม. เครื่องหมายที่ติดไว้จะไม่อยู่บนเส้นเดียวกัน มีเครื่องหมายทั้งหมด 30 เครื่องหมาย ดังแสดงในรูปที่ 1

หลังจากวางตำแหน่งเครื่องหมายแล้ว เครื่องสแกน 3D HandySCAN จะถูกใช้ในการรับข้อมูลคลาวด์จุดของลักษณะพื้นผิวของดอกสว่าน ดังที่แสดงในรูปที่ 2 ในระหว่างกระบวนการสแกน เมื่อเลเซอร์สแกนสแกนพื้นผิวชิ้นงานเพียงครั้งเดียว การรวบรวมข้อมูลคลาวด์จุดของพื้นผิวชิ้นงานจะไม่สมบูรณ์ และการสแกนพื้นผิวชิ้นงานหลายครั้งจะได้รับข้อมูลคลาวด์จุดที่ไม่จำเป็นมากเกินไป ดังนั้น ข้อมูลคลาวด์จุดเดิมที่ได้จากเครื่องสแกนจึงต้องได้รับการประมวลผลล่วงหน้าก่อนจึงจะสามารถดำเนินการสร้างแบบจำลองย้อนกลับของชิ้นงานได้ เครื่องสแกนที่ใช้ในการศึกษาสามารถทำการต่อกันอัตโนมัติของคลาวด์จุดกระจัดกระจายได้ สำหรับแผนที่คลาวด์จุดสามมิติที่สร้างขึ้นโดยการต่อกันอัตโนมัตินั้น จะใช้ Geomagic Studio เพื่อประมวลผลข้อมูลคลาวด์จุดเป็นข้อมูลแพตช์ โดยเลือกข้อมูลแพตช์ที่มีข้อมูลคลาวด์จุดที่ค่อนข้างสมบูรณ์ จากนั้นจึงสร้างแบบจำลองดอกสว่าน PDC ที่สมบูรณ์โดยการขยายพื้นผิว ตัดพื้นผิว ต่อกันและติดตั้งพื้นผิว ดังที่แสดงในรูปที่ 2b ดังที่แสดง

1.2 การวางแผนเส้นทางสำหรับการผลิตซ้ำของดอกสว่าน PDC โดยการหุ้มด้วยเลเซอร์

รูปที่ 3a แสดงชิ้นส่วนที่ชำรุดของชิ้นงานที่ได้จากการใช้การทำงานบูลีนของ Geomagic จากนั้นแปลงโมเดล 3 มิติของดอกสว่าน PDC ที่ประมวลผลแล้วเป็นรูปแบบ stl และนำเข้าสู่ซอฟต์แวร์ NX1899 ดังแสดงในรูปที่ 3b
ระนาบ Γ ที่มีความหนาที่แน่นอนจะตัดกับตำแหน่งการซ่อมแซมเป้าหมายของแบบจำลองที่จะซ่อมแซมเพื่อให้ได้ชิ้นส่วนและสร้างเส้นทางหุ้มด้วยเลเซอร์ ทิศทางของชิ้นส่วนโดยทั่วไปจะตั้งฉากกับเส้นทางหุ้ม รูปที่ 4 แสดงไดอะแกรมชิ้นส่วนตำแหน่งการซ่อมแซมเป้าหมาย ระยะห่างระหว่างระนาบที่อยู่ติดกันสองระนาบของระนาบ Γ คือระยะห่าง δ ระหว่างเส้นทางหุ้ม δ ได้รับผลกระทบส่วนใหญ่จากอัตราการทับซ้อนของหุ้ม ความสูงและความกว้างของรางหุ้มเดี่ยวจะถูกวัด และระยะห่างระนาบ δ[8] จะถูกคำนวณและสรุปเพิ่มเติมตามที่แสดงในสูตร (1) ในรูป
โดยที่: ε คือความกว้างของชั้นหุ้มเดี่ยว และ h คือความสูงของชั้นหุ้ม
รูปที่ 4b แสดงกลุ่มจุดคลาวด์ การแสดงกลุ่มจุดคลาวด์ของกลุ่มต่างๆ คือ Di = {d1, d2, d3, ··· ,dn｝ (2) ดูสูตร (2) ในรูป
นี่คือวิถีการตัดเฉือนของหัวปืนหุ้ม และวิถีการตัดเฉือนจะถูกส่งออกในที่สุดในรูปแบบรหัส NC

การปรับตำแหน่งของปืนเชื่อมขั้วที่ 2

2.1 แบบจำลองการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ 6 DOF

งานวิจัยนี้ใช้หุ่นยนต์ 1400 แกนรุ่น SA6 ซึ่งระบบพิกัด DH แสดงในรูปที่ 5 โดย 0 คือระบบพิกัดฐานของหุ่นยนต์ 1~6 คือจุดกำเนิดพิกัด 6 ของแขนกลของหุ่นยนต์ และจุดกำเนิดของระบบพิกัดปลายของหุ่นยนต์คือ 6 พารามิเตอร์ DH ของข้อต่อแต่ละข้อของหุ่นยนต์แสดงไว้ในตารางที่ 1 เมื่อทราบพารามิเตอร์ DH ของข้อต่อแต่ละข้อของหุ่นยนต์แล้ว ก็สามารถหานิพจน์ตำแหน่งปลายของหุ่นยนต์สำหรับพิกัดฐานได้ [11-12]: ดูสูตร (3) ในรูป
ตามตารางที่ 1 จะได้เมทริกซ์การแปลงของข้อต่อแต่ละจุดของหุ่นยนต์ดังนี้ ดูสูตร (4)-(9) ในรูป
ในเมทริกซ์ด้านบน = , = ตามที่ Pieper ตามนิพจน์มุมหุ่นยนต์ จลนศาสตร์ผกผันของหุ่นยนต์มีอัลกอริทึมง่ายๆ ดังต่อไปนี้ [13]: ดูสูตร (10) ในรูป ตามสมการ มุมข้อต่อทั้งหกของหุ่นยนต์ θ1 ∼ θ6 ถูกคำนวณตามลำดับ: ดูสูตร (11)-(16) ในรูป โดยที่: e = oxD1 +oyB1, f = nx + nyB1 ตามนิพจน์มุมหุ่นยนต์ จลนศาสตร์ผกผันของหุ่นยนต์มีชุดโซลูชันหลายชุด มุมที่เลือกควรอยู่ในช่วงการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ และเลือกค่ามุมข้อต่อที่เล็กกว่าในชุดโซลูชันเดียวกันเพื่อให้ทำงานต่อเนื่องและรวดเร็ว และปรับปรุงประสิทธิภาพในการซ่อมดอกสว่าน PDC

2.2 การแสดงท่าทางของปืนเชื่อม
ดังแสดงในรูปที่ 6 ความยาวของปืนเชื่อมหุ้มเครื่องมือเชื่อมถูกตั้งไว้ที่ , จุดเริ่มต้นของระบบพิกัดเครื่องมือคือ 7 และมุมการหมุนของเครื่องมือเทียบกับแกนพิกัดของหุ่นยนต์ปลายหุ่นยนต์คือ θ เมทริกซ์การแปลง l 6T7 ของเครื่องมือเทียบกับจุดเริ่มต้นของระบบพิกัดปลายสามารถแสดงได้ดังนี้: ดูสูตร (17) ในรูป

2.3 การวางแผนการวางแนวปืนเชื่อมของท่อหุ้มหลายชั้น

ท่าทางของปืนเชื่อมมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณภาพของเส้นทางการซ่อมแซมแต่ละชั้นของตำแหน่งเป้าหมายของดอกสว่าน PDC ดังนั้นในกระบวนการซ่อมแซมดอกสว่าน PDC จึงจำเป็นต้องปรับท่าทางของปืนเชื่อมตามเวลาตามเส้นทางการหุ้มที่ทราบแต่ละชั้น เพื่อให้ได้คุณภาพการประมวลผลที่สูงขึ้น [15] ท่าทางของปืนเชื่อมเส้นทางหลายชั้นแสดงในรูปที่ 7 และเป็นการเคลื่อนที่ของปืนเชื่อมตามทิศทาง y และทิศทาง z โดยมี O เป็นตัวอ้างอิง

ออฟเซ็ตของปืนเชื่อมในทิศทางแนวนอนและแนวตั้งคือ ดูสูตร (18) และ (19) ในรูป

โดยที่: , คือค่าออฟเซ็ตแนวนอนและแนวตั้งของเส้นทางที่ j ของเลเยอร์ที่ i ในวิถี n คือ จำนวนเลเยอร์วิถี คือ จำนวนแทร็กทั้งหมด f แทร็กในเลเยอร์ที่ i คือ พื้นที่หุ้มของเส้นทางเลเยอร์ที่ i คือ มุมร่อง
φX คือมุมการหมุนของหัวปืนหุ้มรอบแกน X ออฟเซ็ตของปืนเชื่อมตามทิศทาง X จะมีผลโดยตรงต่อความลึกและความกว้างของวิถีการหุ้ม ดังนั้นจะกำหนดไว้ที่หน้างาน ตามสูตรข้างต้น เมทริกซ์ท่าทางปืนเชื่อมของวิถีการหุ้มแต่ละชั้นจะได้ดังนี้ ดูสูตร (20) และ (21) ในรูป

3 การจำลองดอกสว่านซ่อมแซมหุ้มด้วยเลเซอร์

กระบวนการจำลองของหุ่นยนต์ซ่อมดอกสว่าน PDC จะแสดงในรูปที่ 8 ก่อนการจำลอง จะมีการสร้างแบบจำลองดอกสว่านแบบรวมและระบบพิกัดสำหรับการออกแบบเส้นทางดอกสว่านซ่อมแซม ด้วยวิธีนี้ หลังจากนำเข้า PQart แล้ว ตำแหน่งของชิ้นงานดอกสว่านที่จะซ่อมแซมจะรับประกันให้ตรงกับวิถีที่สอดคล้องกัน ดอกสว่านที่จะประมวลผลจะแสดงในรูปที่ 9 ดังแสดง

3.1 การเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการประมวลผล

ในระหว่างการประมวลผล ชิ้นงานเจาะควรอยู่ใกล้กับปืนเชื่อมหุ้มให้มากที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงจุดที่เข้าถึงไม่ได้ในตำแหน่งของชิ้นงานที่จะซ่อมแซม และหลีกเลี่ยงการเกินแกนและจุดเอกพจน์ของหุ่นยนต์ การเกินแกนหมายถึงมีจุดบนพื้นผิวของชิ้นงานที่จะซ่อมแซมที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ภายในระยะการเคลื่อนที่ของแกนข้อต่อหุ่นยนต์ จุดเอกพจน์หมายถึงเมื่อตัวกระตุ้นปลายของหุ่นยนต์ไปถึงจุดหนึ่งบนพื้นผิวของหุ่นยนต์ที่จะซ่อมแซม ข้อต่อของหุ่นยนต์สองข้อจะอยู่บนแกนเดียวกัน เช่น แกนที่ 3 และ 5 จะอยู่บนแกนเดียวกัน ตามความรู้เกี่ยวกับการแก้ปัญหาผกผันของจลนศาสตร์ สามารถทราบได้ว่า θ3 และ θ5 จะมีวิธีแก้ปัญหาหลายแบบ และการหมุน θ3 หรือ θ5 สามารถไปถึงจุดที่กำหนดได้ ในเวลานี้ แกนข้อต่อของแขนหุ่นยนต์จะไม่สามารถทำงานได้ต่อไป และจุดนี้เรียกว่าจุดเอกพจน์ ในกระบวนการปรับตำแหน่งของชิ้นงาน ให้หลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าวและดำเนินการให้หุ่นยนต์ทำงานได้ตามปกติ รูปที่ 10 แสดงการเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการประมวลผลของหุ่นยนต์ และหุ่นยนต์อยู่ภายในขอบเขตการทำงาน

3.2 การปรับตำแหน่งของปืนเชื่อม

จากสูตร (21) สามารถสรุปได้ว่า ตำแหน่งของปืนเชื่อมจะอยู่ในสถานะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเสมอในระหว่างการซ่อมแซมดอกสว่าน PDC การทำให้หัวปืนเชื่อมตั้งฉากกับพื้นผิวการประมวลผลสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพหลังการซ่อมแซมได้ ตามที่แสดงในรูปที่ 11 ตำแหน่งของปืนเชื่อมในจุดใดจุดหนึ่งในกระบวนการซ่อมแซมจะตั้งฉากกับพื้นผิวการประมวลผล การปรับตำแหน่งของปืนเชื่อมจะสอดคล้องกับตำแหน่งของหัวปืนที่ใช้ในจุดนี้

3.3 การจำลอง

เพื่อให้แน่ใจว่าข้อผิดพลาดของเครื่องจักรของหุ่นยนต์จะลดลง ควรควบคุมการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ก่อนที่จะใช้งานหุ่นยนต์จริง ควรจำลองเส้นทางที่นำเข้ามา ตามที่แสดงในรูปที่ 12 ไม่มีจุดที่มีปัญหาในเส้นทางและแต่ละจุดบนเส้นทาง และข้อต่อแต่ละข้อของหุ่นยนต์อยู่ภายในระยะการเคลื่อนไหว

4 บทสรุป

(1) บนพื้นฐานของวิศวกรรมย้อนกลับ วิธีการที่ผสมผสานการสแกนด้วยเลเซอร์และการสร้างแบบจำลองย้อนกลับถูกนำมาใช้เพื่อตระหนักถึงการรวบรวมข้อมูลคลาวด์จุดและการสร้างพื้นผิวใหม่ของชิ้นส่วนพื้นผิวที่ซับซ้อน และสร้างแบบจำลองสามมิติของดอกสว่าน PDC

(2) ส่วนที่ชำรุดของดอกสว่าน PDC จะได้รับโดยการดำเนินการบูลีน และใช้แฟมิลีระนาบไอโซเมตริก Γ เพื่อรับส่วนที่ชำรุดของดอกสว่าน PDC เมื่อตัดกับชิ้นส่วนซ่อมแซมดอกสว่าน การวางแผนเส้นทางการผลิตซ่อมปลอกหุ้มด้วยเลเซอร์ดอกสว่าน PDC ก็จะเสร็จสมบูรณ์

(3) ได้สร้างแบบจำลองจลนศาสตร์ของหุ่นยนต์ 6 DOF และแสดงท่าทางของปืนเชื่อมหุ้มหุ่นยนต์โดยใช้เมทริกซ์การแปลงที่เป็นเนื้อเดียวกัน และกำหนดเมทริกซ์ท่าทางของปืนเชื่อมหุ้มวิถีหลายชั้นสำหรับการซ่อมดอกสว่าน PDC

(4) จากการจำลองดอกสว่านซ่อมแซมหุ้มด้วยเลเซอร์ พบว่าเมื่อหุ่นยนต์ซ่อมแซมตามวิถีที่กำหนด ท่าทางปืนเชื่อมจะเปลี่ยนแปลงไป และท่าทางปืนเชื่อมจะรวมกันที่จุดหนึ่งเพื่อปรับวิถีการประมวลผลของหุ่นยนต์ให้เหมาะสมที่สุด การซ่อมแซมหุ้มด้วยเลเซอร์ของชิ้นงานที่มีพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อนก็เกิดขึ้นจริง