основних параметрів зварювання тер­тям забезпечує добру повторюваність міцнісних і пластичних властивостей зварних з’єднань.

Як основні параметри звичайно беруть: р_н — тиск нагрівання; р_пр — тиск проковування; со — частота обер­тання; /_н — час нагрівання; /_пр — час проковування; А Ь_а — осаджування

нагрівання; АЬ — сумарне осаджу­вання під час нагрівання і прокову­вання.

Межі змінювання вимірюваних па­раметрів задають їхніми мінімальними і максимальними значеннями (рис. 5.73). Контроль параметрів здій­снюють безперервно за винятком діля­нок Аі_г та Аї₂ перехідних процесів зростання тиску від и до р_в та від р_и до р_пр. Окрім зазначених параметрів, у деяких випадках корисно контролювати час гальмування /_г шпинделя. При відхиленні вимірюваних параметрів від заданих зна­чень контролер подає звуковий чи світловий сигнал оператору зварю­вальної установки про порушення технологічного циклу. За потребою цим сигналом можна блокувати можливість дальшої роботи на установ­ці, а також дати оператору зварювальної установки інформацію про причину і характер відхилень. При зварюванні деталей відповідального призначення до складу контролера додають цифродрукуючий пристрій, що виконує запис основних параметрів процесу зварювання. Такий запис може бути доданим як документ до паспорту на кожну деталь. Крім основних параметрів процесу, на цифродрукуючий пристрій мож­на вивести інформацію про задані значення, дату і час виготовлення, номер деталі та ін.

Тепер в ІЕЗ ім. Є. О. Патона АН України разом із Інститутом зва­рювання м. Братіслави розроблено уніфіковану мікропроцесорну систе­му керування і контролю параметрів зварювання тертям (рис. 5,74).

Структурно уніфіковану систему керування (УСК) можна поділити на дві рівні: система контролю параметрів і підпорядкована їй система керування машиною. Система контролю забезпечує керування процесом зварювання згідно з параметрами, встановленими технологом на техно­логічному пульті або переданими від зовнішньої ЕОМ. Протікання про­цесу зчитується датчиками процесу (датчики переміщення, швидкості, тиску тощо) і керуюча дія передається на регулятори процесу (приводи обертання, осьового зусилля тощо), машини для зварювання тертям МТЗ. Решта функцій зварювальної машини реалізується системою ке­рування, яка знімає інформацію з датчиків положення механізмів іРис. 5.74. Структура уніфікованої системи керування

пульту керування, і діє на виконавчі механізми (контактори, електро­магніти пневмо- і гідророзподільників тощо), а також зовнішні прист­рої, наприклад маніпулятори завантаження та вивантаження заготовок, і може бути сполучена з центральним пультом керування ЦПК. Програ­мування роботи установки здійснюється з відімкненого зовнішнього пульта програмування або зовнішньої ЕОМ. Пульт програмування дає змогу редагувати програми (введення, витирання), виконання програ­ми в реальному масштабі часу або в покроковому режимі. Відлагод- же на програма записується до ПЗП і встановлюється на плату проце­сора.

Дальше удосконалення системи керування і контролю може відбу­ватися створенням систем керування за математичними моделями про­цесу на основі експериментально-статистичних методів, що пов’язують основні показники якості з параметрами процесу.

6. Гнучка автоматизація і промислові роботи

1. Суть, методи і засоби гнучкої автоматизації зварювального виробництва

Причини появи засобів гнучкої автоматизації виробництва. Однією

з найхарактерніших тенденцій сучасного виробництва є збільшення кількості видів продукції, що випускається, розширення типорозмір- них рядів виробів і зростання темпів їхньої модернізації та оновлення. Це призводить до того, що серійність виготовлення виробів зменшуєть­ся, а інтервал часу від випуску першої партії виробів до зняття його з виробництва скорочується. В результаті рівень стабільності виробниц­тва (щодо конструкції виробу) невпинно спадає. Ці обставини усклад­нюють автоматизацію виробничих процесів, потрібну для підвищення якості продукції, продуктивності та гуманізації праці»

Традиційні, не гнучкі, так звані «жорсткі» засоби автоматизації не можуть бути використані без заміни або істотної перебудови, якщо тре­ба змінити об’єкт виробництва. Тому вони є невигідними в умовах змі­нюваного за номенклатурою виробництва, яке становить у вартісному вираженні понад 3/4 обсягу промислової продукції. Більше того, у цих випадках «жорсткі» засоби автоматизації об’єктивно перетворюються на свого роду гальмо технічного прогресу, оскільки складність пере­ходу до іншого об’єкта виробництва за умови застосування жорсткої ав­томатизації сприяє продовженню випуску застарілих виробів.

У таких умовах підвищення рівня автоматизації виробництва мож­ливе тільки на основі функціонально гнучких автоматизованих вироб­ничих систем [3].

Суть і методи гнучкої автоматизації. Функціональна гнучкість за­собів автоматизації виробництва полягає в тому, що вони придатні до автоматичного або автоматизованого виконання операцій виробничого процесу, пов’язаних із випуском різних виробів у межах визначеного класу і номенклатури, без перероблення конструкції технічних засобів. Функціональна гнучкість автоматизованого виробництва забезпечуєть­ся змінною програмою функціонування устаткування. Отже, функціо­нальна гнучкість виробництва грунтується на методах програмного ке­рування устаткуванням. Стосовно зварювального виробництва мова повинна йти про керування координатами робочих органів технологіч­ного і допоміжного (утому числі й транспортного) устаткування і пара­метрами процесів зварювання.

Розглянемо різновиди програмного керування на прикладі керування координатами (переміщеннями) робочих органів зварювального устаткування. Залежно від характеру керування методи і системи програмного керування (СПК) переміщеннями можна поділи­ти на позиційні і контурні (рис. 6.1).

Позиційні СПК забезпечують послідовне позиціювання з потрібного точністю робочого органа в ряд заданих точок робочого простору. Пози­ційні системи можуть бути двох різновидів: 1) для керування положен-

Системи програмного керування

За спосодом завдання програми

Рис. 6.1. Класифікація систем програмного керуванняям зварювального інструменту щодо виробу без жорсткої регламента­ції траєкторії і швидкості переміщення між точками; 2) для керування рухом за траєкторією, ділянки якої повторюють форму напрямних (при зварюванні із заданою швидкістю).

Позиційні СПК координатами застосовуються для автоматизації таких технологічних операцій: зварювання електрозаклепками, прива­рювання шпильок і бобишок, уварювання труб у трубні дошки, багато- прохідного зварювання (для розкладання валків наплавлюваного мета­лу за перерізом підготовки кромок) та ін.

Контурні СПК призначені для забезпечення руху робочого органа за траєкторією будь-якої заданої форми із заданою контурною швидкіс­тю в будь-якій точці цієї траєкторії (зварювання криволінійних швів, наплавлення на складні поверхні, термічне різання та ін.). Контурні системи складніші позиційних, але вони можуть використовуватись як для контурного, так і для позиційного керування.

За способом задавання і виконання програми, а також видом тех­нічних засобів, що застосовуються, СГТК поділяють на кінематичні і числові.

Системи кінематичного програмного керування (рис. 6.2). Харак­терною особливістю систем цього типу є задавання величини і траєкторії переміщення у вигляді змінюваних або переналагоджуваних геометрич­них аналогів. Позиційні системи кінематичного керування з постійним циклом передбачають зміну лише величини переміщення для керованих координат і не передбачають можливості зміни послідовності роботи виконавчих елементів, яка визначається неперебудовуваною частиною системи керування. Ці системи застосовують при зварюванні ряду варі­антів одного виробу, які відрізняються за довжиною швів, зварюваних у незмінній послідовності, а також при багатопрохідному дуговому зва­рюванні у вузьких і глибоких зазорах незмінної ширини в два або три проходи в шарі.

Позиційні системи кінематичного керування із змінним циклом пе­редбачають зміни керованих координат і послідовності дії виконавчих елементів. Такі системи звичайно називають системами циклового про­грамного керування (ЦПК). У простих системах ЦПК послідовність елементів циклу задається на штекерних панелях, наборах перемикачів, а переміщення — положенням шляхових вимикачів.

Контурні системи кінематичного програмного керування засновані на застосуванні шаблонів, кулачків, копірів, контури яких є геометрич­ними аналогами (моделями) потрібних траєкторій переміщення. Систе­ми з пасивним копіюванням характеризуються тим, що щуп стикається з шаблоном під дією пружин, стисненого повітря, тиску робочої рідини, сил ваги або приводів окремих ланок маніпуляційної системи. При цьо­му копіювання може здійснюватися системами прямої дії, у яких зва­рювальний інструмент жорстко з’єднаний зі щупом, і системами непря­мої дії, у яких зварювальний інструмент жорстко з’єднаний із корпусом датчика положення шаблону. Переміщення зварювального інструменту у напрямі копіювання здійснюються приводом, який керується від дат­чика через регулятор і підсилювач потужності. В системах непрямої дії, які копіюють шаблони, найчастіше застосовуються електромеханічні і фотоелектричні датчики; як шаблони в останньому випадку викорис­товуються креслення-фотошаблони або непрозорі маски.

Багатокоординатні системи з пасивним копіюванням на відміну від однокоординатних мають два або й більше копіюючі рухи, які можуть бути незалежними між собою або взаємозалежними.

Однокоординатні системи мають один копіюючий рух. Звичайно такі системи застосовуються для керування рухом за неточно орі­єнтованими траєкторіями і за такими, для яких вектор контурної швид­кості повертається у межах 90° (системи із залежним задавальним рухом).

Багатокоординатні системи з незалежними копіюючими рухами є комбінаціями двох (інколи — більше) однокоординатних систем і застосовуються для зварювання швів складної форми із зміною напряму вектора контурної швидкості в межах, більших за 90° (аж до 360°), якщо загальне переміщення за кожною з координат невелике (до 100—150 мм). У цьому разі потрібний закон зміни кожної з коорди­нат може бути заданим окремим кулачком, а підсумковий рух за зада­ною траєкторією забезпечується синхронним обертанням або гіеремі-щенням усіх кулачків зі швидкістю, пропорційною потрібній контур­ній швидкості.

Багатокоординатні системи з взаємозалежними копіюючими рухами (із пасивним копіюванням) можуть бути тільки непрямої дії. Вони за­безпечують автоматичне копіювання у межах повного оберту вектора контурної швидкості. Щоб забезпечити постійність модуля контурної швидкості, в цих системах треба застосовувати всілякого типу синусно- косинусні розподільники (перетворювачі), на вхід яких подається ве­личина, пропорційна Нконт, а з виходів знімаються величини, пропор­ційні до швидкостей взаємопов’язаних копіюючих рухів. Для двокоор- динатиої системи

V_x ■—- П_конт COS С&, Vy -— Нцонт Sill ОС,

де а — кут нахилу контура, що відлічується від позитивного напря­му осі X у бік позитивного напряму осі Y.

Зокрема, двокоординатні фотоелектричні системи з взаємозалежни­ми копіюючими рухами, що здійснюють автоматичне копіювання за кресленням, широко використовуються в машинах для термічного рі­зання.

Системи з активним копіюванням шаблонів широко застосовують для автоматизації термічного різання і зварювання плоских замкнених швів складної форми. У цих системах шаблон копіюють його обкаткою приводним роликом — щупом. Кінематичний зв’язок приводного роли­ка з шаблоном здійснюється або силами тертя, що забезпечуються пру­жинним чи електромагнітним притискачем ролика до шаблона, або за­стосуванням зубчастої чи цівкової передачі. Виріб закріплюється неру­хомо щодо шаблона. Рух уздовж заданого контура здійснюється або переміщенням (обертанням) виробу з шаблоном, або переміщенням зва­рювального інструменту щодо нерухомого шаблона і виробу, або за одночасного руху виробу і інструменту.

Системи з активним копіюванням застосовуються в великосерій- ному і масовому виробництвах зварних ємкостей (цистерн, каністр та ін.) із перерізом у вигляді еліпса, прямокутника з заокругленими кута­ми та інших форм.

Перевага методів і засобів кінематичного керування — це порівняна простота і невисока вартість. Однак ці методи і засоби дають змогу пе­реналагоджувати устаткування на виготовлення інших виробів у межах досить вузької групи (звичайно це вироби одного виду), що відрізняють­ся один від одного одним або кількома розмірами.

Головним недоліком кінематичного програмного керування є знач­на тривалість переналагодження на іншу програму і, як правило, не­можливість автоматизації переналагодження. Тому засоби кінематич­ного керування застосовуються в умовах відносно стабільного вироб­ництва, коли переналагодження на інший виріб застосовується рідко.

Системи числового програмного керування (ЧПК). Характерною особливістю цього типу є зображення інформації про величини і

Рис. 6.3. Класифікація систем ЧПК координатами ланок маніпуляційних систем зварювального устаткування

траєкторії переміщень, а також про параметри режимів у алфавітно- цифровому вигляді, та переробка цієї інформації із застосуванням методів і технічних засобів обчислювальної техніки (рис. 6.3).

Саме ця особливість систем ЧПК робить устаткування з такими си­стемами по-справжньому функціонально гнучкими, із широкими мож­ливостями переналагодження.

Методи і засоби ЧПК є основою сучасних гнучких автоматизованих виробничих систем. Докладніше методи і засоби числового програмного керування розглянуто в 6.3.

Промислові роботи. У зварювальному виробництві одним з основ­них технічних засобів, що забезпечують функціональну гнучкість автома­тизованих виробничих систем, є промислові роботи. Промислові роботи з’явилися в результаті синтезу техніки дистанційно керованих мані­пуляторів і програмного керування технологічним устаткуванням [19].

Промисловий робот — це автоматична машина, стаціонарна чи пе­ресувна, що складається з виконавчого пристрою у вигляді маніпулято­ра, який має кілька ступенів рухомості, і пристрою керування, який можна перепрограмовувати, для виконання у виробничому процесі рушійних і керуючих функцій [9].

У зварювальному виробництві роботи застосовуються для виконан­ня власне зварювання (технологічні, зварювальні роботи), для заван­таження заготовок у зварювальні установки, верстати, машини та інше устаткування зварювального виробництва і вивантаження готових ви­робів (завантажувально-розвантажувальні роботи), для транспортуван­ня деталей і зварних конструкцій між технологічними позиціями, на яких виконуються зварювальні, складальні, контрольні, складські та інші операції зварювального виробництва (транспортні роботи).

Роботизація зварювального виробництва — це різновид його авто­матизації, яка здійснюється за допомогою роботів [36]. Роботам власти­ва функціональна гнучкість, тобто вони дають змогу без зміни їхньої конструкції і апаратної частини системи керування виконувати різні технологічні завдання в межах певного класу. Тому роботизація зва­рювального виробництва це гнучка автоматизація, яка забезпечує ви­конання своїх функцій при зміні об’єктів зварювання, що визначають­ся характером виробництва і планами його розвитку.

Роботи застосовуються в зварювальному виробництві найчастіше для роботизації дугового і контактного зварювання [29]. Є також прик­лади роботизації ударно-конденсаторного приварювання шпильок, зварювання і поверхневої обробки лазером, складання під зварювання,, термічного різання, наплавлення і напилювання зносостійких покрит­тів контролю зварних швів.

РТК для зварювання — це комплекс устаткування, що складається з робота (за потребою — із розширювачем робочої зони), зварювального устаткування, маніпулятора виробу, засобів механізації і (або) автома­тизації для завантажувально-розвантажувальних робіт, засобів безпе­ки. У РТК може бути кілька роботів і (або) маніпуляторів виробу.

Зварювальні роботи застосовуються у складі як автономних РТК, так і гнучких виробничих систем.

Гнучка виробнича система (ГВС) — це сукупність різного техно­логічного, транспортного та іншого устаткування з числовим програм­ним керуванням, зараховуючи й роботи, що здатна автоматично функ­ціонувати і має властивість автоматизованого переналагодження. Англомовний еквівалент терміна — FMS (Flexible Manufacturing Sy­stem).

Залежно від способу організації виробництва ГВС може бути ре­алізованою у вигляді гнучкої автоматизованої лінії (ГАЛ), гнуч­кої автоматизованої ділянки (ГАД), гнучкого автоматизованого це­ху (ГАЦ).

ГАЛ — це ГВС, у якій технологічне устаткування розміщене у за­даній послідовності технологічних операцій.

ГАД — це ГВС, у якої передбачена можливість зміни послідовності використання технологічного устаткування.

ГАЦ — це ГВС, що є сукупністю РТК, ГАЛ, ГАД для виготовлення виробів заданої номенклатури.

Існує тенденція об’єднання (інтеграції) систем автоматичного про­ектування САПР (CAD) і систем автоматичного виготовлення АСКТП (САМ) у так звані інтегровані автоматичні виробничі системи (СІМ — Computer Integrated Manufacturing).

Роботизація машинобудівного виробництва має такі переваги:

2. економія трудових ресурсів через вивільнення робітників, які зайняті на тяжких, небезпечних і монотонних операціях;

3. гуманізація праці;

1. підвищення продуктивності праці за рахунок ритмічної роботи протягом зміни, ліквідації перерв у роботі, потрібних людині, викори­стання дво- і тризмінного режиму роботи;

2. автоматизація багатономенклатурного виробництва;

3. скорочення строків і вартості переходу до нової продукції;

4. підвищення пропускної здатності виробництва, поліпшення кое­фіцієнта використання основних фондів і прискорення обертання- обі­гових фондів (рис. 6.4).

Використання робототехніки в зварюванні дає змогу крім того:

5. автоматизувати зварювання швів різної форми, а також зва­рювання великої кількості коротких швів, будь-як розміщених у просторі;

6. виконувати шви з якою завгодно лінією з’єднання в оптимально­му просторовому положенні, тобто з найпродуктивнішими режимами зварювання за оптимального формування зварних швів;

7. зменшувати у ряді випадків калібр зварних швів завдяки гаран­тованій стабільності параметрів, характерної для автоматичного зва­рювання, чим забезпечується додаткове зростання продуктивності, еко­номія зварювальних матеріалів і електроенергії та зменшення зварю­вальних деформацій;

— скорочувати потребу виготовлення спеціальних і спеціалізова­них верстатів, установок і машин для зварювання.

'Л

Витрати \

назаровітну \

плату

Накладні витрати

ДартТдтТскладськйх \

операції

вартість енергії

Вартість матеріалів

Звичайне вировництво Гнучке вировництво

Рис. 6.4. Співвідношення витрат на виготовлення продукції при звичайному і гнучкому виробництві

Технічні особливості роботизації зварю^: в а н н я. Сенсорні та маніпуляційні можливості робота значно нижчі аналогічних властивостей робітника-зварника. Тому зварні конструк­ції, які прийнятні для ручного і механізованого зварювання, часто ви­являються мало придатними для зварювання роботами через недостат­ню точність підготовки під зварювання і недосяжність місць зварюван­ня для зварювального інструменту, який закріплено на останній ланці робота.

Характерна для більшості зварних конструкцій невисока точність виготовлення зварюваних деталей, складання і фіксація їх в положенні зварювання спричинює випадкові відхилення лінії спряженості зва­рюваних елементів від запрограмованого положення та геометричних параметрів з’єднання, яке підготовлено до зварювання, від номіналь­них значень. За ручного зварювання або механізованого ці відхилення без особливих складностей компенсуються людиною-зварником.

Під час роботизованого зварювання зазначені відхилення вимага­ють (якщо їхня сумісна дія не може бути знехтуваною) застосування ме­тодів і засобів автоматичного коректування траєкторії руху зварюваль­ного інструменту щодо виробу (тобто геометричної адаптації) і парамет­рів режиму зварювання (тобто технологічної адаптації) індивідуально для кожного екземпляру виробу.

Переведення зварних конструкцій на роботизоване зварювання у багатьох випадках вимагає підвищення рівня заготовчого виробництва і навіть зміни конструкції зварних вузлів і технології їхнього виготов­лення з метою збільшення точності виготовлення заготовок і складання їх під зварювання, а також забезпечення доступності місць зварюван­ня зварювальному інструменту робота і розміщених біля інструменту засобів вимірювання відхилень, зазначених вище.

Економічні особливості роботизації зва­рювання. Більшість різновидів дугового зварювання (ДЗ) може виконуватись вручну або із застосуванням зварювальних напівавтома­тів, що є механізованим зварювальним інструментом. Точкове контакт­не зварювання (ТКЗ) у багатьох випадках виконується зварювальними кліщами, які також є механізованим зварювальним інструментом, або за допомогою одноточкової стаціонарної машини. Вартість такого зва­рювального устаткування невелика.

Щоб роботизувати зварювальні операції, потрібно мати комплекс устаткування, вартість якого набагато більша.

Тому для забезпечення економічної окупності роботизації потрібно:

4. застосовувати найпродуктивніші зварювальні процеси;

5. використовувати маніпулятори зварювального інструменту і виробу з максимальними швидкостями і прискореннями холостих пере­міщень;

6. суміщати час роботизованого зварювання одного виробу з часом вивантаження-завантаження іншого;

— застосовувати модульний принцип побудови засобів робототехніки;

— застосовувати роботи не у вигляді окремих острівців роботизації, а концентровано, групами, забезпечуючи умови для розширення зон обслуговування операторів;

— переходити до комплексної роботизації виробництва зварних конструкцій, яка реалізується у повному вигляді при створенні гнучких виробничих систем.

За призначенням зварювальні роботи серед засобів механізації та автоматизації зварювання займають місце між зварювальними напівавтоматами і «жорсткими» засобами автоматизації. Роботи застосовують, якщо випускають від 1000 до 60 000 шт. однакових зварних конструкцій на рік (рис. 6.5). Однак і за такої серійності роботи недоцільно застосовувати при зварюванні поодиноких або паралельних швів великої протяжності, бо у цих випадках економічнішими є зварювальні автомати (в тому числі тракторного типу). Роботами доцільно зварювати в серійному і великосерійному виробництві корпусні, рамні, гратчасті конструкції та зварні деталі машин зі швами складної форми і (або) кількома швами якої завгодно форми, по-різному орієнтованих один щодо одного.

Як зварювальне устаткування для роботів іноді використовують таку серійну зварювальну апаратуру, як шлангові напівавтомати для механізованого дугового зварювання. Однак частіше з цією метою застосовують спеціальне машинне зварювальне устаткування для роботів, для якого властиві можливість програмного керування параметрами режиму зварювання та вищий показник тривалості вмикання (ТВ, %).

Останнє досягається підвищенням довговічності елементів, які швидко спрацьовуються, автоматичним очищенням зварювального інструменту від бризок розплавленого металу, підвищенням місткості контейнерів зі зварювальними матеріалами тощо.

Програмне керування параметрами режиму зварювання може здійснюватися або автоматичним перемиканням на один із кількох режимів, обраних за допомогою перемикачів чи потенціометрів на пульті керування зварювальним устаткуванням, або у вигляді так званого вільного програмування, яке дає змогу задавати режим у цифровій формі практично без обмежень за кількістю режимів. Важливими частинами комплексу зварювального устаткування для роботів є також пристрої, які запобігають пошкодженню зварювально­го інструменту під час випадкового зіткнення його з елементами виробу, складально-зварювального пристосування та іншими частинами РТК, а також засоби, які забезпечують безпеку праці оператора, у тому числі під час виникнення аварійних режимів роботи РТК.

7. Маніпулятори зварювального інструменту і виробу

з програмним керуванням

Маніпуляційна система РТК для зварювання містить маніпулятор зварювального інструменту і маніпулятор виробу чи лише один із них. Склад маніпуляційної системи, кількість ступенів рухомості маніпуля­тора зварювального інструменту і маніпулятора виробу залежать від способу здійснення відносного переміщення зварювального інструменту і виробу, який може бути одним з таких:

1. Виріб не змінює своєї орієнтації у просторі протягом усієї опера­ції, а зварювальний інструмент виконує всі переміщення, які потрібні для зварювання. Цей спосіб можна використати, якщо усі шви досяжні для маніпулятора інструменту або якщо переорієнтація виробу усклад­нена. Такий варіант широко застосовують за роботизації контактного точкового зварювання, за якого орієнтація зони зварювання щодо напряму сили ваги не впливає на режим зварювання і якість зварного з’єднання.

2. Виріб періодично змінює свою орієнтацію у просторі за допомо­гою маніпулятора виробу, який виконується у вигляді кантувача або позиціонера, але під час зварювання окремих швів лишається нерухомим, а зварювальний інструмент виконує усі переміщення, які потрібні для зварювання, з урахуванням зміщень виробу при його пере­орієнтації. Цей спосіб використовують, якщо достатня періодична пе­реорієнтація виробу. Сьогодні він найпоширеніший при роботизації операцій дугового зварювання.

3. Виріб і зварювальний інструмент безперервно перебувають в ру­сі, забезпечуючи переміщення зварювального інструменту вздовж лінії з’єднання з одночасним підтримуванням зони зварювання у заданому, наприклад нижньому, положенні. Цей спосіб вимагає контурного взае- моузгодженого керування рухомостями маніпулятора інструменту і ма­ніпулятора виробу, тобто найскладнішої системи керування; однак він є оптимальним для дугового зварювання виробів малих і середніх габа­ритних розмірів зі швами складної форми, оскільки дає змогу провади­ти зварювання усіх ділянок таких швів у положенні, що забезпечує най кращі умови формування зварного шва.

4. Виріб виконує всі переміщення, які потрібні для зварювання, а зварювальний інструмент закріплено нерухомо. В загальному випадку цей спосіб вимагає застосування маніпулятора виробу не менше як з

п’ятьма ступенями рухомості, тобто використання в цій якості промис­лового робота. Застосування даного способу обмежується вантажопід­йомністю сучасних роботів: до 50—100 кг. Цей спосіб застосовують, на­приклад, для контактного точкового зварювання невеликих листо­вих конструкцій на стаціонарній точковій машині або для дугового зварювання відносно легких виробів за допомогою стаціонарного апара­та для дугового зварювання. Перевага такого варіанту — один і той са­мий промисловий робот використовують для виконання транспортної і зварювальної операцій.

Маніпуляційна система РТК у загальному випадку (зварювання в заданому просторовому положенні швів із довільною формою та орієн­тацією на виробі за допомогою невісесиметричного зварювального ін­струменту) повинна мати не менше восьми ступенів рухомості: три — для перенесення точки зварювання у просторі; три — для орієнтації зварювального інструменту; дві — для орієнтації виробу.

Рухомості робота поділяють на переносні (регіональні) і орієнтуючі (локальні).

Переносні рухомості призначені для переміщення робочої точки (точки зварювання) у межах зони обслуговування робота. Орієнтуючі рухомості потрібні для того, щоб надавати зварювальному інструменту необхідної орієнтації в заданій робочій точці.

Крім того, якщо зварюють вироби великих габаритних розмірів, використовують додаткові, так звані глобальні рухомості маніпуляцій- ної системи, що дає змогу переміщувати весь робот із метою розширення зони обслуговування.

Вантажопідйомність роботів для дугового зварювання становить 5...15 кг, для точкового контактного — 60. ..90 кг. Максимальна швид­кість холостих переміщень (підведення, відведення, холості переміщен­ня між швами) роботів для дугового зварювання досягає 1,5 м/с, роботів для ТКЗ — 4 м/с, роботів для складання дрібних деталей у приладобудуванні — до 10 м/с.

Похибка відпрацювання програми (повторюваність) для роботів ду­гового зварювання перебуває в межах 0,1...0,2 мм, для роботів ТКЗ — 0,2...0,5 мм.

Роботи для зварювання будують у різних системах коор­динат переносних рухів: прямокутній, циліндричній,

двополярній циліндричній, сферичній і двополярній сферичній, яку на­зивають ще кутовою або антропоморфною. На рис. 6.6 і далі для позна­чення поступальних переміщень, які здійснюються вздовж координат­них осей, використано символи X, У, 1', для обертальних переміщень навколо осей, паралельних X, У, І,— символи А, В, С відповідно, а для обертальних рухів навколо довільно розміщених або таких, що змінюють свою орієнтацію щодо X, У, У осей,— символи В, Е. Най­більшого поширення для дугового зварювання набули роботи з кутовою (рис. 6.6, в) і прямокутною (рис. 6.6, а, б) системами координат пере-

Рис. 6.6. Структурні схеми механізмів переносних переміщень зварювальних роботів із прямокутною (а, б), циліндричною (в), двополярною циліндричною (г, д), сферичною (е), кутовою (в) системами координат

носних рухів. Для контактного точкового зварювання частіше від ін­ших застосовуються роботи з кутовою (рис. 6.6, є) і сферичною (рис. 6.6, е) системами координат переносних рухів.

Маніпулятори зварювального інструменту з прямокутною систе­мою координат при модульній конструкції можуть бути реалізованими в найбільшій кількості варіантів. Напрями переносних рухів таких маніпуляторів паралельні лініям швів або площинам, у яких розміщені шви більшості зварних конструкцій, що спрощує процедуру навчання, систему керування і засоби адаптації. Вони дають змогу обслуговувати великі робочі зони, що особливо важливо за зварювання одним роботом виробів великих габаритних розмірів. Недоліки маніпуляторів із пря­мокутною системою координат: значна металомісткість і великий про­стір, який вони займають; потреба механізмів, які перетворюють обер­тальний рух у поступальний, і пристроїв для захисту прямолінійних напрямних і передач. Маніпулятори з прямокутною системою коорди­нат застосовують для зварювання виробів із великими габаритними роз­мірами.

Маніпулятори зварювального інструменту з кутовою системою ко­ординат мають невелику металомісткість, малі власні габаритні розмі­ри, прості і компактні механізми привода. В цих маніпуляторах не по­трібні механізми і напрямні прямолінійного переміщення, а отже, і за­хисту їх від зовнішніх впливів. Недоліки маніпуляторів зварювально­го інструменту з кутовою системою координат такі: неможливість

обслуговування великих робочих просторів; неминуче підвищення ви­мог до точності передач при збільшенні розмірів робочого простору.

З удосконаленням методів і технічних засобів керування координа­тами ланок роботів для зварювання такі переваги прямокутної системи координат, як паралельність осей координат до ліній швів і пов’язані з цим спрощення процедури навчання, системи керування і засобів адаптації, втрачають своє вирішальне значення. Сучасні системи керу­вання маніпуляторами з кутовою (і будь-якою іншою) структурою да­ють змогу оператору під час навчання здійснювати прямолінійні пере­міщення робочого органу вздовж координатних осей у звичайній для людини декартовій системі за рахунок автоматичного узгодження робо­ти приводів усіх ланок маніпулятора. Тому переваги маніпуляторів з кутовою системою координат набувають вирішального значення. На­приклад, невеликі власні габаритні розміри цих маніпуляторів роблять їх особливо зручними за зварювання невеликих виробів або окремих швів (ділянок швів) виробів середніх і великих габаритних розмірів. В останньому випадку один виріб може водночас зварюватись кількома роботами, що скорочує час операції.

Кінематичну схему роботів ПР161/15 і ПР161 /60 наведено в дод. 16, а робота «Гранат» 2.5 — у дод. 17.

При зварюванні великогабаритних виробів невеликі роботи з ку­товою системою координат встановлюються на маніпулятори — роз­ширювачі робочої зони, які будуються переважно в прямокутній систе­мі координат із однією або двома чи трьома ступенями рухомості.

Орієнтуючими рухами маніпулятора інструменту є один-три обертальних рухи, які здійснюються навколо непаралельних осей (рис. 6.7, а—(9). Іноді в блок механізмів орієнтуючих переміщень влад­нують механізм поступального руху (рис. 6.7, а), який забезпечує зва-

Рис. 6.7. Структурні схеми механізмів орієнтуючих переміщень зварювальних роботів із двома (а—г) і трьома (д) ступенями рухомості

рювання прямолінійних і кругових кутових швів на площині за відносно простої системи керування (числової позиційної або навіть циклової). Якщо осі всіх орієнтуючих рухів проходять через точку зварювання (рис. 6.7, г), то переносні координати не залежать від орієнтуючих. В ре­зультаті спрощується завдання автоматичного керування маніпуляцій- ною системою: знижуються вимоги до точності відпрацювання орієн­туючих рухів; зменшуються найбільші робочі швидкбсті переносних рухів; спрощуються система керування і процедура навчання робота.

Для збільшення маневреності робота, а також при зварюванні не­плавким електродом із присаджувальним дротом і при використанні багатьох типів датчиків поточної адаптації потрібні трикоординатні механізми орієнтуючих рухів для повертання пальника навколо його осі. Поєднання трьох обертань навколо непаралельних осей (рис. 6.7, д,) забезпечує потрібну орієнтацію пальника також і відносно його власної осі.

Блочно-модульний принцип дає змогу для кожного робочого місця залежно від конкретного технологічного завдання застосовувати опти-

20 3-2257

мальну за структурою і складністю спеціалізовану маніпуляційну систему (табл. 6.1), а також оптимальний тип привода і систему керуван­ня, тобто створювати роботизовані робочі місця з певним рівнем спеціа­лізації. Спеціалізовані роботи блочно-модульної конструкції застосову­ють у великосерійному і масовому виробництвах перш за все для зварю­вання деталей, які вимагають переміщення зварювального інструменту з одним-чотирма ступенями рухливості. Фукціонально неподільні уні­версальні зварювальні роботи з п’ятьма і більше ступенями рухомості і позиційною або контурною системою керування переважно використо­вують, якщо часто змінюють об’єкт зварювання (тобто у малосерій- ному і серійному, а також багатономенклатурному великосерійно­му виробництві), а також для зварювання виробів зі швами складної форми.

Маніпулятори виробу, які застосовують у складі РТК, дають змогу під час точкового контактного зварювання зробити доступними для зварювальних кліщів з’єднання, які розміщено з різних боків зварної конструкції, а під час дугового — поряд із цим виконувати всі шви у потрібному просторовому положенні. Вантажопідйомність маніпулято­рів виробу може бути від десятків кілограмів до кількох тонн.

Маніпулятори виробу звичайно мають один або два орієнтуючих сту­пені рухомості, які забезпечують можливість обертання виробу і зміни орієнтації осі обертання. При зварюванні кругових швів із обертанням виробу рухомість, що забезпечує обертання, виконує переносний рух.

Іноді застосовують маніпулятори виробу, які мають привод підйому.

У більшості традиційних конструкцій двокоордииатних маніпулято­рів виробу, які застосовують при дуговому зварюванні, осі обертання і нахилу звичайно перетинаються під планшайбою (див. рис. 6.8, а, в і табл. 6.1, рис. І, 2).

Під час зварювання виробів зі швами складної форми і швами, які по-різному розміщені на виробі, і потребі виконання усіх швів у одному й тому самому просторовому положенні зварювальний інструмент по­винен мати можливість додаткового переміщення, яке пропорційне від­стані від місця зварювання до осі нахилу. Крім того, із збільшенням відстані до осі нахилу збільшуються потрібні швидкості переносних пе­реміщень ланок робота і мінімальні значення радіусів заокруглень швів, по яких можливе безперервне зварювання з підтримуванням зварюва­ної зони виробу в оптимальному положенні, підвищуються вимоги до точності переміщень.

Тому при роботизованому зварюванні зручнішими є маніпулятори, в яких осі обертання і нахилу проходять приблизно через центр об’єму, що охоплює зварні шви виробу (рис. 6.8, а, б). Це можливо лише у ви­падку, якщо вісь нахилу проходить над планшайбою (рис. 6.8, в—е).

Щоб сумістити в часі зварювання даного екземпляру виробу і ви­вантаження попереднього екземпляру, завантаження заготовок, їхнє складання і прихвачування наступного, можна застосовувати двопози-

Рис. 6.8. Структурні схеми маніпуляторів виробу для РТК:

о, б — традиційних компонувань із розміщенням осі нахилу під планшайбою;

в...е — із розміщенням осі нахилу над планшайбою

ційні маніпулятори виробу, що є поворотними столами або барабанами з одно- або двокоординатним обертачем у кожній позиц-ії.

Маніпулятори виробу є не такими універсальними елементами РТК, як роботи. Вони можуть мати різні компонування (рис. 6.9, а—и), які визначаються формою, розмірами і масою виробу, а також формою І розміщеннями зварних швів.

Датчики положення ланок роботів і маніпуляторів виробу. У за­гальному випадку для керування положенням зварювального Інстру­менту і виробу потрібно мати інформацію про фактичне положення і швидкість усіх ланок маніпуляційної системи в кожний момент часу. Цю інформацію здобувають за допомогою датчиків положення ланок. Вал датчика положення з’єднано з валом двигуна або з одним із валів механізму привода ланки [11].

Датчики положення ланок можуть бути аналоговими і цифровими.

Аналогові датчики: потенціометри; обертові трансформа­тори (резольвери); індуктосини.

Потенціометри прості і недорогі, але мають обмежену розрізню- вальну здатність, а контакт, що треться, зменшує надійність приладу. Щоб підвищити розрізнювальну здатність, застосовують багатооберто-

Рис. 6.9. Компонування маніпуляторів виробу для РТК: а — однокоординатний із двоопорним закріпленням деталі; б — двокоордииатний;' •чз|— трикоординатний; г — двопозиційний поворотний стіл; д — двопозиційний із однокоордииатним обертачем у кожній позиції; е — двопозиційний барабан із од- нокоординатним обертачем у коленій позиції; є — двопозиційний із двокоорди- натним обертачем у кожній позиції; ок — двопозиційний із трикоординатним ма­ніпулятором у кожній позиції; з — трипозиційиий; и — чотирипозиційний

Ри,с. 6.10. Датчики положення ланок:

а — обертовий трансформатор; б —■ індуктосин (І, її, III — послідовні положення ротора щодо статора); в — кодовий датчик; г, д — вихідні сигнали кодового та інкре- мєнтного датчика відповідно; 1 — блок світлодіодів; 2 — вал датчика, з’єднуваний із ланкою, положення якої вимірюється; 3 — кодовий диск; 4 — діафрагма; 5,6 — блоки фототранзйсторів і підсилювачів відповідно

ві потенціометри (10—20 об) із високоомним матеріалом, покладеним на циліндричний каркас за спіраллю. Перевага потенціометра — абсолют­ний відлік, тобто будь-якому положенню рухомої ланки, з’єднаної з повзуном потенціометра, відповідає своє значення вихідного сигналу.

Обертові трансформатори (ОТ) — це мікромашини змінного стру­му. Статорні обмотки взаємно перпендикулярні (рис. 6.10, а). Вимірювальна обмотка перебуває на роторі. При цьому U_p = k (Псі cos е + О_с2 sin є), де є — кут повороту ротора; k — коефіцієнт трансформації.

На статорні обмотки подають синусоїдальні напруги з однаковими амплітудами U і фазовим зсувом я/2, тобто

U_cl = U_a sin сої; Uс₂ = U_a sin (соt — п/2).

Тоді на виході дістаємо синусоїдальний сигнал Up = kU_a sin (соt — є)

і фазовий зсув між U_Ct і U_p дає інформацію про кут е. ОТ використо­вуються як датчики положення і в цифрових системах. Для цього ана­логовий вихідний сигнал перетворюють у потрібний цифровий код за допомогою АЦП.

Багатополюсні резольвери. Якщо число пар полюсів у статорі резоль­вера збільшити до N, то за один оберт ротора з обмотки можна зняти N циклів синусоїдальної напруги. Наприклад, за 32 пари полюсів дістане­мо 32 повних цикли зміни напруги. Зрозуміло, розрізнювальна здат­ність приладу підвищується, але одночасно з підвищенням його склад­ності.

/ндуктосини бувають індуктивного і ємнісного типів. За конструк­тивним виконанням індуктосини бувають обертовими й лінійними.

Індуктивний індуктосин (рис. 6.10, б) за принципом дії подібний до багатополюсного резольвера. В обертовому індуктосині на дискових роторі та статорі є прецизійна друкована обмотка, зазор між дисками становить 0,25 мм. Вхідний сигнал змінюється за косинусоїдальним законом. Кількість пар полюсів буває від 16 до 1024, що дає таку саму кількість періодів коливань вихідного сигналу на оберт. Із діаметром диску від 75 до 300 мм розрізнювальна здатність становить від 10 до 0,5" відповідно.

В індуктивних індуктосинах використовується індуктивна форма зв’язку між ротором і статором. Якщо потрібно працювати в сильних зовнішніх магнітних полях, використовують ємнісну форму зв’язку. При цьому вимірюють ємність між ротором і статором, яка також змі­нюється за косинусоїдальним законом.

Цифрові датчики бувають кодовими та інкрементними (імпульсними).

У цифрових датчиках переміщення квантується, величина кванта визначає розрізнювальну здатність датчика.

У кодовому датчику будь-якому положенню відповідає свій (рис, 6.10, в, г) код у вигляді комбінації отворів на доріжках кодуючого диска.

Для високої розрізнювальної здатності кодовий датчик повинен ма­ти достатньо велику кількість виходів— розрядів. При 15 двійкових розрядах дістаємо 2¹⁵ = 32 768 положень; при ході рухомої ланки 3276,8 мм розрізнювальна здатність 3276,8/32 768 =0,1 мм. Такий дат­чик складний і дорогий, однак має значну перевагу: у будь-який час, у тому числі й одразу після вмикання робота в мережу, система «знгіє» положення будь-якої ланки.

Імпульсний датчик відрізняється від кодового наявністю усього двох основних виходів і одного додаткового, який дає один імпульс на один оберт ротора. На основних доріжках кодуючого диска отвори зсу­нуті на 1/4 кутового кроку (рис. 6.10, д). Напрям обертання визнача­ється тим, яким каналом першим проходить черговий імпульс. Кіль­кість імпульсів на оберт у серійних імпульсних датчиків типу BE 178 сягає 5000 імп./об.

Оскільки для визначення положення система керування лічить кіль­кість імпульсів від моменту початку роботи, роботи з інкрементними та іншими датчиками, які не дають абсолютного відліку, після вмикання «нулюють», тобто виводять у якусь наперед обумовлену точку, звідки і розпочинають рахунок.

Для вимірювання швидкості ланки використовують тахогенератор, який є електромашиною постійного струму, що працює в генераторному режимі.

У сучасних роботах відмовляються від тахогенераторів і визнача­ють швидкість як похідну від положення ланки за часом, використову­ючи дані датчика положення ланки протягом відомого часу. Для ім­пульсного датчика положення швидкість пропорційна кількості ім­пульсів за одиницю часу.

У сучасних роботах датчик положення розміщено в одному блоці з двигуном і гальмом.

Приводи роботів. Мінімальні лінійні швидкості окремих ланок ро­бота під час виконання дугового зварювання складають частки мілі­метрів за секунду. Тому з урахуванням зазначених вище швидкостей маршевих переміщень приводи ланок роботів повинні мати діапазон ре­гулювання швидкості не менш як 10⁴. Для забезпечення високої дина­мічної точності смуга пропускання контура регулювання швидкості у сучасних приводів роботів повинна бути не меншою за 75 Гц, а в кра­щих зразках вона сягає 120 Гц і більше. Смуга пропускання частот замкненого за положенням контура регулювання має бути не менш як 20 Гц.

Отже, приводи роботів, як і іншого устаткування з числовим про­грамним керуванням переміщеннями, повинні мати дуже високі регулю­вальні властивості.

Найпоширенішим типом привода для зварювальних роботів є тран­зисторний електропривод на основі високомоментних двигунів постій­ного струму зі збудженням від постійних високоенергетичних магнітів із номінальною частотою обертання 3000 об/хв. Такі двигуни найчасті­ше мають дисковий якір і тому для них характерна мала довжина вздовж осі та збільшений діаметр корпусу.

Щоб дістати потрібні динамічні властивості привода постійного стру­му, слід використовувати імпульсне керування частотою обертання двигуна із застосуванням широтноімпульсної модуляції — ШІМ [1, рис. Д.5, Д.6].

У зв’язку зі зростанням вимог робототехніки до мінімізації масога- баритних показників електродвигунів, підвищенням швидкодії та на­дійності приводів у цілому чим далі ширше застосовують регульований привод змінного струму, який реалізується удвох основних варіантах: перший — на базі синхронних двигунів із збудженням від рідкіснозе­мельних постійних магнітів; другий — на базі асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором. Перевагою цих приводів є відсутність колекторів у двигунах і, отже, простота, невисока вартість і надійність в експлуатації. Перетворювачі цих приводів складніші, ніж у приводі на основі колекторних двигунів постійного струму.

Синхронні двигуни мають мінімальні масогабаритні показники, але більшу складність і ціну порівняно з асинхронними короткозамкненими.

Поширений у наш час частотно-струмовий спосіб керування елек­тродвигуном змінного струму наведено в [1, рис. Д.7]. Із розвитком мік­ропроцесорної техніки найперспективнішим виявляється векторний спосіб керування (регулювання кута фазового зсуву вектора струму статора), який дає змогу відпрацьовувати задані з верхнього рівня ке­рування положення, швидкість, момент і прискорення. Такий привод, який іноді називають інтелектним, може бути практично реалізованим тільки на основі мікропроцесорів із великою тактовою частотою (16 мГц і більше) — Іпіеі 80286, 80386 та ін.

Набуває поширення безпосередній привод обертових ланок на базі владнуваного в кінематичну пару низькошвидкісного (1—2 об/с) високомоментного двигуна з владнаним датчиком положення на 650 000 імп./об (повторюваність ±2", нестабільність крутного моменту М_кр не більше ±5 %). Такий привод дає змогу цілком відмовитись від механічних передач, що, в свою чергу, знімає проблему ударів за швидких переміщень ілюфтів, підвищити точність відпрацювання і ді­стати лінійні швидкості обертових ланок до 10 м/с і більше.

Застосування гідропривода в роботах останнім часом швидко скоро­чується. Це пояснюється швидким удосконаленням електропривода і експлуатаційними недоліками гідропривода, такими як нагрівання мас­ла і пов’язана з цим потреба в охолоджувальних пристроях, складності з підведенням і відведенням масла до останніх ланок багатоланкових маніпуляторів, витікання масла.

Пневматичний привод може використовуватись у маніпуляторах зварювальних РТК тільки для ланок, які виконують періодичне,гіози- ціювання у кілька позицій, найчастіше у дві. Керування положенням здійснюється із застосуванням шляхових перемикачів і жорстких упорів.