6. Гнучка автоматизація і промислові роботи

6.1. 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 положенням 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, багатопрохідного 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 перемі-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 , а з виходів знімаються величини, пропор­ційні до швидкостей взаємопов’язаних копіюючих рухів. Для двокоор- динатиої системи

= ,cosα; = ,sinα

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 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:

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

- гуманізація праці;

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

- автоматизація багатономенклатурного виробництва;

-скорочення строків і вартості переходу до нової продукції;

- 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:

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

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

- 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.

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:

- застосовувати найпродуктивніші зварювальні процеси;

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

- 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.