4. Применение промышленных роботов в сварочном производстве

В современном машиностроении, например, в судостроении, тяжелом транспортном машиностроении и др. технологические операции сварки, в частности дуговой, контактной, относятся к одним из наиболее распространенных.

Автоматизация процесса сварки позволяет исключить тяжелый и вредный труд сварщиков, повысить эффективность производства и качество сварных изделий.

Существующие автоматы для дуговой сварки предназначены для сварки изделий сравнительно ограниченного типа швов, главным образом с протяженными прямолинейными и кольцевыми швами, выполняемыми в нижнем положении. Применение сварочных автоматов в условиях серийного и мелкосерийного производства экономически нецелесообразно, а иногда невозможно из-за неизбежных частных переналадок сложного оборудования. В то же время основная масса сварных конструкций имеет швы произвольно ориентированные в пространстве, со сложной траекторией.

Промышленные роботы позволяют расширить диапазон границы автоматизации процесса сварки. Многозвенная кинематика руки робота обеспечивает возможность перемещения закрепленной на ней сварочной головки по сложным пространственным траекториям.

Сварочный робототехнический комплекс (РТК) включает, как правило, автоматический манипулятор горелки, систему управления, позиционер (манипулятор изделия) и сварочное оборудование (сварочную головку с источником питания), сопряженное с системой управления РТК.

Промышленные сварочные роботы для дуговой сварки имеют различное конструктивное исполнение, их манипуляторы обладают, как правило, пятью – шестью степенями подвижности, обеспечивающими все многообразие подвижности горелки.

Различают региональные (переносные) движения робота, служащие для перемещения горелки вдоль линии свариваемого шва и ориентирующие движения – для обеспечения положения горелки относительно линии разделки свариваемых деталей.

В настоящее время существуют роботы портального типа и антропоморфного типа.

Роботы портальной конструкции работают в декартовой системе координат, при этом движения трех основных степеней подвижности по осям X, Y, Z – поступательные, и два ориентирующих движения – поворот и наклон горелки – вращательные. Примером такой компоновки могут служить роботы серии PW японской фирмы Шин Мейва, болгарский робот РБ-251 и т.д.

Роботы портальной конструкции предназначены для сварки крупногабаритных изделий протяженными швами, например корпусов, каркасов, крупных рамных конструкций и т.д. Они хорошо встраиваются в роботизированные линии и участки, однако занимают значительные производственные площади, кроме того, время холостых движений этих роботов относительно велико, вследствие больших диапазонов перемещения. Это делает неэффективным применение их для сварки мелких узлов с большим количеством коротких швов, расположенных в различных пространственных положениях.

Сварочные роботы антропоморфного типа имеют все степени подвижности вращательные. К ним относятся: роботы типа «Мистер Арос» японской фирмы Хитачи, Кика RB-760 (ФРГ), ASEA IRB-6 (Швеция), ТУР-10, РМ-0,1, созданы еще в СССР. Эти роботы отличаются высокими скоростями холостых перемещений (800–1000 мм/с) с расположением манипуляторов изделия с одной или двух сторон.

а б

Рис. 4.1. Схемы РБК: а – с манипуляторами изделий, расположенных в линию; б – по обе стороны манипулятора сварочного инструмента

Однако РБК в этом случае занимает большую площадь и коэффициент использования манипуляторов невысок.

Манипуляторы изделия обеспечивают как бы дополнительными степенями подвижности робота, работают с ним по единой программе, управление или осуществляется от системы управления робота.

Технологическая оснастка для сборки и фиксации свариваемых изделий может находиться на позиционере постоянно, в этом случае для совмещения времени загрузки-разгрузки свариваемых изделий и сварки их роботом применяются двух и более позиционные поворотные столы (рис. 4.2а) или два отдельных манипулятора изделия, работающего с одним роботом (рис. 4.2б).

Это позволяет более полно использовать робот. В то время как на одной позиции осуществляется сварка, на другой оператор осуществляет разгрузку-загрузку.

Если время загрузки-разгрузки намного меньше времени сварки, то один оператор сможет обслуживать два, три и более робота (рис. 4.2в). Они обладают хорошими манипуляционными возможностями, занимают относительно небольшие площади.

Рис. 4.2. Позиционные поворотные столы

Для обеспечения сварки в удобном (нижнем) положении и доступа ко всем швам изделия сварочные роботы обычно оснащаются манипуляторами изделия (позиционерами). Возможно несколько схем относительно перемещения сварочного инструмента и изделия:

1. Изделие остается неподвижным или равномерно перемещается на конвейере, а сварочный инструмент осуществляет все необходимые перемещения. Применяется, когда все швы доступны для манипулятора инструмента или когда габаритное изделие трудно переориентировать, например, при контактной точечной сварке кузовов автомобилей.

2. Изделие периодически меняет свою ориентацию с помощью манипулятора изделия, но во время сварки остается неподвижным, а сварочный инструмент выполняет все перемещения, необходимые для сварки.

3. Изделие и сварочный инструмент непрерывно находятся в движении, необходимом для сварки, с учетом смещений изделия при его переориентации (распространено при дуговой сварке).

4. Изделие выполняет все перемещения, необходимые для сварки, а сварочный инструмент закреплен неподвижно. Манипулятор изделия – робот (например, при контактной сварке стационарными машинами).

Для повышения эффективности использования роботов, улучшения их технического обслуживания целесообразно их группировать в роботизированные технологические участки линии, а в будущем – в гибкие производственные системы изготовления сварных конструкций.

Сварочные роботы выполняют основную технологическую операцию, и поэтому любая ошибка в программе, неточность следования по заданной траектории, нарушение режимов и скорости сварки приводят к браку. Погрешность отработки траектории у современного ПР дуговой сварки составляет ± (0,2–0,5) мм, а отклонение от заданной скорости не превышает ± (5–8) %.

Подобные жесткие требования вызывают необходимость аттестации манипуляторов сварочных роботов. Точность аттестации влияет на точность выполнения движения горелки при работе робота.

Система управления роботов строится на основе микро-ЭВМ. Реализуя программное обеспечение, ЭВМ рассчитывает траекторию движения горелки, вырабатывает сигналы на выполнение тех или иных команд и управляет движением робота с учетом параметра конкретного манипулятора. Кроме того, программное обеспечение выполняет также функции диалога оператора с роботом, аварийно-диагностические функции по отслеживанию состояния оборудования.

Каждый раз перед сваркой изделий нового типа оператор должен запрограммировать работу робота, т.е. обучить робота по конкретному изделию. Управляя движением робота от дистанционного пульта обучения, оператор последовательно подводит сварочную головку к заранее намеченным опорным точкам на свариваемом изделии и заносит в систему управления их координаты нажатием кнопки «Память» указывая характер траектории между ними (прямая дуга). Если на пути между соседними свариваемыми точками оказывается препятствие, например элементы зажимного приспособления, то в память робота вводят координаты дополнительных точек, определяющих траекторию движения инструмента в обход препятствия на холостом ходу. В общем случае реальная траектория может представлять собой любую пространственную кривую, и задача оператора – выбрать положение опорных точек таким образом, чтобы реальная траектория не отличалась от планируемой на значение, превышающее заданную погрешность. В качестве геометрических признаков траектории в большинстве систем используют классические признаки задания прямой или дуги окружности. Для программирования отрезка прямой необходимо записать две опорные точки, дуги – три, полной окружности – четыре опорные точки. Тогда опорные точки планируемой траектории будут являться точками сопряжения отрезков прямых и дуг окружностей.

Одновременно в память системы заносится технологическая информация о режимах работы сварочного оборудования.

Выполнение программы начинается после того, как собираемый или свариваемый узел займет требуемое исходное положение, и сигнал об этом поступит в запоминающее устройство. По каждой степени подвижности перемещение задается гидроцилиндром. Каждый гидроцилиндр имеет детектор (лат. открыватель) положения, связанный с запоминающим устройством. Орган сравнения, в который поступают сигналы команд и сигналы детекторов положения, по значению их разности управляет перемещением штоков гидроцилиндров, пока рабочий орган не займет положения, заданного программой. Затем дается сигнал на включение инструмента. Окончание сварочной операции служит, в свою очередь, сигналом для дальнейшего движения инструмента к месту выполнения следующей операции. Существенным достоинством робота является возможность быстрой смены программ, хранящихся в памяти машины. В руке робота могут быть закреплены клещи для контактной сварки, резки, сварочная головка для дуговой сварки, захватное устройство. При контактной сварке возникают большие операционные нагрузки из-за значительной массы сварочных клещей, перемещаемых с большими скоростями. При работе робота дуговой сварки условия облегчаются сравнительно малой массой сварочной головки (3–5 кг) и плавным режимом движения (V_св 3–50 мм/с). В то же время используемая при контактной сварке относительно простая позиционная система управления не может обеспечить перемещение инструмента по непрерывной траектории с заданной скоростью движения, т.е. оказывается непригодной для дуговой сварки, тепловой резки и т.д.

Нужно иметь в виду, что робот может обеспечить стабильно высокое качество выполнения соединений только при отсутствии существенных отклонений размеров и формы свариваемых элементов. Поскольку такие отклонения все же неизбежны, то наличие жесткой программы является существенным недостатком роботов первого поколения. Предполагается, что роботы второго поколения будут оборудованы системами обратной связи, с помощью которых рабочая программа будет автоматически корректироваться при изменении положения изделия. В то же время роботы первого поколения – более дешевые и простые – будут находить широкое применение.

Использование промышленных роботов позволяет решать вопросы автоматизации контактной точечной, дуговой точечной, дуговой, электронно-лучевой сварки. Применение роботов возможно в виде автономных роботизированных технологических рабочих мест, участков, линий, цехов.

Существенный эффект может быть получен лишь при концентрации применения роботов, объединенных в роботизированные участки. На нем выполняются следующие операции: накопление и хранение комплекта заготовок, выдач этих комплектов на освободившееся рабочее место, автоматического ввода программы работы оборудования, механизация и автоматизация сборки конструкций под сварку (установка, зажим и удержание заготовок в процессе сварки, выгрузка сварного изделия на следующую операцию – контроль, термообработку, механическую обработку, покрытие и т.д.).

В настоящее время разработаны типовые планировки частично автоматизированных производственных участков с использованием роботов для дуговой сварки. В состав участка входят роботы РБ-251, манипуляторы изделия, стеллажный склад, шкафы управления склада, автоматический кран – штабелёр, обслуживающий склад, манипуляторы сбалансированные, пульты управления роботизированными рабочими местами.

Основными параметрами поточных линий, определяющих меру ритмичности и непрерывности их работы, являются ритм потока, выпуска и общая продолжительность производственного цикла.

Ритм потока или производительность линии – это количество продукции, выпускаемой в единицу времени. Такт выпуска – интервал времени, через который производится выпуск изделия.

Примером может служить поточная линия У950 изготовления канистр, которая имеет следующие рабочие позиции:

1 – приварки горловины;

2 – сборки и прихватки полукорпусов;

3 – сварки корпусов по периметру;

4 – приварки ручки;

5 – контроль на герметичность.

Для соединения половин корпуса по периметру применяется шовная электрическая контактная сварка, а для сварки остальных элементов канистры используется полуавтоматическая сварка в защитном газе.