15. Методи та технічні засоби адаптації устаткування з чпк і роботів для зварювання

Найбільші обмеження на обсяг застосування зварювального устат­кування з ЧПК і роботів для зварювання, особливо для дугового, на­кладає відсутність або недостатність їхніх адаптивних можливостей щодо випадкових відхилень положення лінії спряження зварюваних елемен­тів і геометричних параметрів з’єднання, яке підготовлене під зварю­вання, від програмних (заданих).

Випадкові відхилення лінії спряження зварюваних елементів від розрахункового положення спричинюють потребу геометричної (про­сторової) адаптації, за якої коректується траєкторія переміщення зва­рювального інструменту щодо виробу. Випадкові відхилення геомет­ричних характеристик з’єднання, підготовленого під зварювання (за­зор, переріз підготовки кромок, взаємне положення кромок зварюваних елементів тощо), вимагає технологічної адаптації, за якої коректуються параметри процесу зварювання (зварювальний струм, напруга дуги, швидкість зварювання, амплітуда і частота коливань електрода тощо).

Реальні завдання вимагають геометричної адаптації набагато часті­ше, ніж технологічної.

Методи геометричної адаптації. Під час дугового роботизованого зварювання плавким електродом за допуск на відхилення лінії з’єд­нання від осі електрода беруть ~ 0,5й_е при зварюванні без коливань і 1,()й_е при зварюванні з коливаннями електрода, де й_е — діаметр елек­трода. Під час роботизованого ТКЗ кузовів автомобілів допускаються випадкові відхилення поверхонь зварюваних елементів близько 2 мм у напрямі, перпендикулярному до осі електрода і лінії шва.

Деталі, які зварюють за допомогою ТКЗ, виготовляються методами холодної листової штамповки. Де дає змогу при правильній експлуата­ції штампів і стабільних властивостях листового матеріалу, що оброб­ляється, дістати достатню точність і повторюваність розмірів заготовок, а складально-зварювальні пристрої, які застосовують при зварюванні, дають можливість надати зварюваній конструкції потрібну форму перед зварюванням за рахунок деякої пружної деформації заготовок. Тому під час роботизованого ТКЗ потреба геометричної адаптації виникає знач­но рідше, ніж під час дугового зварювання.

Розрізняють два класи завдань геометричної адаптації, тобто корек­тування програми переміщень зварювального інструменту щодо виробу (рис. 6.19):

Перший клас — відхилення лінії спряження зварюваних елементів не супроводжуються випадковими спотвореннями розмірів або форми цієї лінії.

Другий клас — зазначені відхилення супроводжуються випадкови­ми спотвореннями розмірів або форми лінії спряження.

Рис. 6.19. Класифікація методів і засобів адаптації зварювальних роботів

Рис. 6.20. Схема пошукових рухів при установочній адаптації для двовимірного завдання (заштриховано поле відхилень шуканого контуру):

програмне (розрахункове) положення шуканого контуру; фак­

тичне положення шуканого контуру; О_р — 6_]р — 1_р — <і_р —< 6_2р — 2_р — за­програмована траєкторія центра щупа; О_р — й_1р — 1 — <1 — Ь_г — 2 — фак­тична траєкторія центра щупа; О_р — Ь]_р — 1_р — <*_р — Ь_2р—. к' — ДС_р —

запрограмована траєкторія точки зварювання; О_р — і_)р —. 1» —. Д' 6₂ — К' — К — фактична траєкторія зварювання

Перший клас завдань розв’язують за допомогою методів устано­вочної (початкової) адаптації і він може бути поді­леним на два підкласи:

16. — відхилення зводяться до випадкового малого паралельного перенесення лінії спряження в дво- або тривимірному просторі;

17. — відхилення розглядаються як випадковий поворот у площині або просторі.

Щоб здобути інформацію про потрібне коректування програми при випадковому паралельному перенесенні, необхідно і достатньо до почат­ку зварювання знайти фактичне положення двох базових точок для дво­вимірних завдань (рис. 6.20) і трьох — для тривимірних.

Датчик пошуку можна розглядати як тактильний прилад із кульо­вим (дисковим) щупом радіусом г. Щоб визначити положення базової точки, датчику пошуку треба надати (запрограмувати) пошуковий рух у напрямі до поверхні виробу, на якій вибрано базову точку. Остання визначається як точка перетину лінії пошуку з поверхнею виробу. Орі­єнтація лінії пошуку в робочій зоні залишається незмінною для всіх екземплярів виробу даного типорозміру.

Завдання підкласу 1.1 найчастіше зустрічаються при зварюванні коротких швів конструкцій середніх і великих габаритних розмірів, зокрема, каркасно-гратчастого типу. В такому разі можна знехтувати випадковим малим поворотом короткої лінії з’єднання, оскільки ліній­ні зміщення коротких швів за їх випадковим малим поворотом нехтов- но малі.

Щоб здобути інформацію про потрібне коректування програми при випадковому малому повороті лінії з’єднання складної форми в площині, в загальному випадку потрібно і достатньо до початку зварювання ви­значити положення трьох базових точок, а в просторі — шести.

Під час зварювання реальних виробів вибір кількості і положення базових точок визначається конструктивними особливостями виробів, характером випадкових зміщень і розмірами зварюваних елементів.

У деяких випадках початкова адаптація може бути використана і при зварюванні швів із випадковими змінами форми лінії з’єднання, наприклад прямих швів, через вимірювання положення лінії з’єднання ^не лише в крайніх, але й у кількох проміжних точках.

Завдання підкласу 1.2 зустрічаються в зварювальному виробництві рідше, ніж завдання підкласу 1.1.

Призначення мінімальної кількості базових точок, потрібних для визначення положення кожного короткого шва (таких швів на кон­струкціях каркасно-гратчастого типу багато), і виконання пошукових рухів на більшій швидкості — важливий шлях підвищення продуктив­ності РТК для зварювання і, отже, його економічної ефективності.

Другий, більш загальний клас завдань розв’язують за допомогою поточної адаптації, яка полягає в тому, що для кожного ек­земпляру виробу під час зварювання визначається поточне зміщення

лінії з єднання щодо заданого поло­ження.

Для швів із великим радіусом кривини випадкові зміни орієнта­ції положення лінії з’єднання щодо запрограмованого замалі, а їхній вплив на якість зварного з’єднання незначний. Тому при зварюванні швів із великим радіусом кривини достатньо визначити тільки лінійні складові Лх_е, Аг/е, випадково­го зміщення лінії з’єднання L (рис. 6.21) щодо програмного поло­ження і коректувати на відповідну величину поточне положення паль­ника (точки зварювання) відносно виробу, не змінюючи його орієн­тації.

Складова Ах_е у випадку, який розглядається, потрібна тільки пр^и зварюванні незамкнених швів — для визначення моментів вмикання ^ вимикання зварювання. На решті протягу шва складова Ах_е може И® використовуватись, оскільки вона практично не впливає при зварювану¹ швів із великим радіусом кривини на відхилення лінії спряження програмного положення осі пальника.

Отже, поточна адаптація при зварюванні швів із великим радіус0^м кривини потребує визначення двох складових відхилення лінії з’єднан­ня від розрахункового положення: Ау_е і Аг_е і відповідної до них корек­ції положення пальника без зміни його програмної орієнтації. Такй^и спосіб поточної адаптації застосовують в устаткуванні з ЧПК і при ви­користанні роботів.

Для швів, які мають ділянки з малим радіусом кривини, не можЯ^а знехтувати потрібного корекцією орієнтації пальника на цих ділянка*- У цьому разі завдання поточної геометричної адаптації істотно усклад­нюються:

а) потребою визначення поточної корекції не тільки положення, аЛ^е й орієнтації пальника щодо виробу;

б) великою швидкістю зміни переносних і орієнтуючих координЯ^т при зварюванні на заокругленнях і кутах;

в) технічними труднощами здобуття інформації про положенй^я лінії з’єднання на заокругленнях малих радіусів і кутах.

Тому для швів з малими радіусами кривини доцільне комбіновай^е розв’язування завдання адаптації, засноване на тому, що ділянки з М#" лим радіусом кривини і кутами розглядаються як випадковим чиноМ зміщені у просторі паралельно до самих себе без спотворення формД» а ділянки з великими радіусами зварюються з поточною адаптацієК?-

Рис. 6.22. Електромеханічний (тактильний) датчик пошуку базових точок: а вз зовнішній вигляд; б — конструктивна схема

Розглянуті методи адаптації використовуються у зварювальному устаткуванні з ЧПК на рівні приводів ланок. Це реалізується двома шляхами: для коректування положення зварювального інструменту ви­користовуються автономні слідкуючі системи зі своїми приводами і ви­конавчими механізмами; той чи інший привод маніпулятора інструмен­ту на певних етапах циклу працює не в режимі програмного керування положенням, а у складі слідкуючої системи, яка використовує інформа­цію від датчика положення лінії з’єднання.

У зварювальних роботах інформація про випадкові зміщення лінії з’єднання, яку дістають до початку зварювання або під час зварювання, використовується для виконання відповідних перетворень координат і векторів швидкостей в обчислювальній частині системи, а приводи ланок відпрацьовують програму, відкоректовану за результатами вимі­рювань даного екземпляра виробу.

Засоби вимірювання фактичного положення зварюваних деталей. Для початкової адаптації використовують електромеха­нічні (тактильні) і електроіскрові датчики (див. рис. 6.20).

Електромеханічний датчик має щуп із наконечником сферичної чи іншої форми (рис. 6.22, а, б). Датчик складається з складеного корпусу 7, важеля 3 із кульовим щупом 1, півсферичної опори 2, перетворювача 8 зі штоком 6, відтисненим пружиною 5 ліворуч, конусно-кульового механізму 4 для перетворення будь-якого зміщення щупа в осьове змі­щення штока.

За допомогою пружини і конусно-кульового механізму щуп до сти­кання з виробом утримується у певному положенні. Шток при цьому займає крайнє ліве положення (рис. 6.22, б). Із зміщенням кульового щупа в будь-якому напрямі, у тому числі перпендикулярному до осі, в результаті стикання з виробом важіль щупа повертається у півсфе-

Рис. 6.23. Розміщення на кліщах елек­тромеханічного датчика пошуку базо­вих точок на зварюваних кромках під час роботизованого точкового контакт­ного зварювання:

1 — зварювальні електроди; 2 — положен­ня щупа при зварюванні; 3 — положення щупа при вимірюванні

ричній опорі і його права частина зміщується щодо осі датчика.

Конусно-кульовий механізм пе­ретворює це зміщення в осьове зміщення штока. Півсферична опора також не перешкоджає зміщенню щупа вздовж осі право­руч, що призводить до аналогічного зміщення штока. Отже, змі­щення щупа у будь-якому напрямі в результаті дотикання до зварюва­них деталей спричинює появу на виході датчика електричного сигналу. В момент проходження цього сигналу система керування (СК) знімає інформацію з датчиків положення ланок робота про фактичне положення шуканої точки виробу в узагальнених координатах робота. Розв’язу­вання в СК прямого завдання кінематики дає інформацію про положен­ня цієї точки в базовій системі координат. Ця інформація використову­ється для «зсуву» програмної траєкторії в положення, яке вимагається для даного екземпляра виробу.

Електромеханічний датчик для пошуку зварюваних кромок при точковому контактному зварюванні наведено на рис. 6.23. В обох ви­падках датчик встановлено на останній ланці робота, тобто нерухомо щодо зварювального інструменту, а його щуп виводиться в робоче по­ложення і відводиться на час зварювання пневматичним приводним механізмом.

В електроіскрових датчиках дотикання виробу до початку зварюван­ня здійснюється електродом (рис. 6.24, а) або ізольованим соплом паль­ника (рис. 6.24, б). Під час пошуку базових точок на електрод або сопло подається напруга 400 В частотою 400 Гц. Перевага способу — побли­зу пальника відсутній додатковий пристрій. Однак цей спосіб можна застосовувати, якщо на поверхнях зварюваних елементів у зоні розміщення базових точок немає окалини, залишків формуваль­них сумішей (після лиття), грунтових та інших струмонепровідних покриттів.

Використання ізольованого сопла як щупа дає змогу усунути вплив застиглої краплі на кінці електрода, довжини вільного кінця електрода та його випадкових відхилень від осі робочої частини пальника на точ­ність вимірювання.

Такий спосіб найпоширеніший при початковій адаптації.

Для поточної адаптації зварювальних роботів викори­стовують безконтактні датчики відстані до поверхонь звар юваного

виробу, зварювальну дугу як датчик, різні відеосенсорні системи (див. рис. 6.20).

Електромеханічні датчики, що набули значного поширення при автоматичному зварюванні прямолінійних і колових швів (див. рис. Д.7), у роботах майже не застосовуються, але застосовуються в устаткуванні з цикловим програмним керуванням.

Рис. 6.25. Принцип здобуття сигналів розузгодження впоперек (а) і вздовж (б) осі електрода під час використання скануючої зварювальної дуги як датчика:

1 — пальник; 2 — електрод; 3 — зварювані елементи; 4 — зварювальний струм при переміщенні дуги між точками А і О; 5 — зварювальний струм при перемі­щенні дуги між точками О і В; 6 — зварювальний струм при переміщенні дуги між точками А і В; 7 —- еталонне значення струму; 8 — напрям сканування

Рис. 6.26. Триангуляційний метод вимірювання положення лінії з’єднання за допомогою відеосенсора:

Безконтактні датчики відстані можуть бути пневматичними, єм­нісними, ультразвуковими, індукційними. Для адаптації зварювальних роботів деякого поширення набули індукційні датчики (див. рис. 2.46).

Це пояснюється їхньою простотою і малими габаритними розмірами, можливістю застосування при зварюванні виробів із магнітних і немаг­нітних матеріалів і здобуття інтегральних, усереднених за якоюсь пло­щею, результатів вимірювань. Недоліком індукційних датчиків відста­ні є потреба на виробі полок значних розмірів і неуніверсальність, якщо потрібно зварювати з’єднання з різними конструктивними виконаннями. Крім того, на вихідний сигнал індукційних датчиків в умогач зварюван­ня впливають збурюючі фактори, зокрема: нагрівання, електромагнітні поля, стан поверхні та кромок зварюваних елементів у зоні вимірю­вання.

Використання зварювальної дуги як датчика (див. дод. 7) дає змогу здобувати інформацію про фактичне положення зварюваного з’єднання, а в деяких випадках і про ширину зазора або підготовки кромок у зоні зварювання. Як інформаційний параметр використовується струм або напруга дуги. За пологої характеристики джерела зварювального струму основна інформація міститься у струмі, а за крутоспадаючої — у напрузі дуги. Сканування дуги впоперек лінії з’єднання при зварю­ванні кутових швів (рис. 6.25) дає змогу визначити зміщення середньо­го положення осі електрода як у поперечному напрямі У_е, так і вздовж осі електрода 2_е. Під час зварювання плавким електродом інформацію про поперечне зміщення містить різниця зварювальних струмів у край­ніх точках коливального руху електрода або різниця інтегральних значень струмів за час знаходження електрода ліворуч і праворуч від осі (середнього положення) повного розмаху коливань електрода (рис. 6.25, а). Інформацію про поздовжнє зміщення електрода у напрямі осі містить різниця підсумкового значення зазначених струмів і дея­кого еталонного значення (рис. 6.25, б).

Коливання електрода під час роботизованого зварювання здійсню­ються маніпулятором робота.

Використання зварювальної дуги як датчика є найпоширенішим способом поточної адаптації тому, що має такі переваги:

а — схема триангуляції; б — схема відеосенсора; в — розміщення датчика щодо зва­рювального пальника і виробу; 1 — лазерний освітлювач; 2 — скануючий про- йінь; З — виріб; 4 — об’єктив; 5 — лінійка фототранзисторів; б — скануючий дви­гун; 7 — датчик кута сканування; 8 — скануюче дзеркало освітлювача; 9 — діапазон сканування; 10 — скануюче дзеркало фотоприймача; 11— оптика освітлювача; 12 —* зварювальний пальник; 13 — зона видимості; 14 — корпус датчика

Рис. 6.28. Схема відеосенсора фірми «Мета-Машинз» («Meta-Machines»):

I — фотоприймач (ПЗС — матриця); 2 — інтерференційний фільтр; 3 — об’єктив; 4 — вікно; 5 — газове сопло паль­ника; 6 —• циліндрична оптика; 7 — лазерний освітлювач

а) вимірювання безпосередньо в точці зва­рювання, в результаті чого усуваються похиб­ки, пов’язані з незбіжністю точок вимірюван­ня і зварювання;

б) керування положення самої дуги, а не осі пальника; вони можуть не збігатися через відхилення вільного кінця електродного дроту і спрацьовування наконечника пальника,

«магнітного дуття» тощо;

в) відсутність у зоні зварювання будь-яких пристроїв для визначення положення зварюва­ного з’єднання. ₇

Недоліки адаптації з використанням дуги такі:

а) процес адаптації починається тільки після початку зварювання. Із значними по­чатковими відхиленнями електрода від лінії з’єднання початкова ділянка шва не збігається з лінією з’єднання. Тому доцільне поєднан­ня системи поточної адаптації, що використо­вує дугу як датчик, і системи початкової адап­тації з використанням сопла як щупа;

б) спосіб застосовний за зварювання тов­щин 5 мм і більше, якщо коливання дуги тех­нологічно виправдані;

в) потрібно забезпечити постійні місце і електричний опір контакту між електродним дротом і струмопідвідним наконечником.

Відеосенсорні пристрої складають велику групу вимірювальних за­собів. Найуніверсальнішим і інформативнішим є триангуляційний ме­тод вимірювання «перерізу» зони зварюваного з’єднання світловою пло­щиною (рис. 6.26, а—в), яка може бути відтворена рухомим точковим променем (за допомогою дзеркала, що коливається) або стаціонарним щілинним променем. Таке освітлення набуло назви структурованого. Найефективнішим освітлювачем є лазер. Зона світлового перерізу спо­стерігається під кутом, відмінним від кута освітлення, а картина, яка сприймається двовимірним фотоприймачем, визначається типом з’єд­нання. Як фотоприймач використовують лінійні і матричні фотоприй­мачі (ПЗС — лінійки і матриці). Найвідоміші відеосенсорні системи фірм «Олделфт» («Oldelft», рис. 6.27, а—в) і «Мета-Машинз» (Meta- Machines», рис. 6.28).

Технологічна адаптація полягає в коректуванні па­раметрів процесу зварювання залежно від випадкових змін умов зварю­вання порівняно з розрахунковими (заданими).

Керування здійснюється одним із двох способів:

18. за математичними моделями, що є рівняннями, які здобуті на основі вивчення і математичного описування процесів масо- і теплопере- несення під час зварювання;

19. за багатовимірними регресивними моделями, здобутими на основі математичної обробки результатів експериментальних зварювань, ви­конаних із використанням методів планування експерименту.

При роботизованому ДЗ для забезпечення заданого формування шва за випадкових відхилень зазора, взаємного перевищення кромок, пере­різу підготовки кромок тощо потрібно автоматично вимірювати геомет­ричні параметри з’єднання перед точкою зварювання і керувати пара­метрами процесу зварювання (швидкістю зварювання і подавання електродного або присаджувального дроту, напругою на дузі, ампліту­дою, частотою і «рисунком» коливань електрода тощо).

Найближчі до практичного застосування розробки систем, що забез­печують зміну параметрів процесу зварювання залежно від випадкової зміни зазора або перерізу підготовки кромок.

При роботизованому ТКЗ для забезпечення стабільної якості звар­них точок незалежно від стану поверхні зварюваних деталей і електро­дів розробляються системи замкненого керування параметрами зва­рювального процесу залежно від електричного опору зони зварювання.