Особенности применения промышленных роботов при сварке

 

Целесообразность применения автоматизированных процессов сварки может быть проиллюстрирована на диаграмме «выпуск (программа) изделий – вариантность изделий», рис. 84.

Рис. 84. Области применения автоматизированных процессов сварки в
зависимости от объема выпуска изделий Q и их вариантности Var

 

В области 1 (от 1000 и более изделий) при малой вариантности (менее 10) целесообразна «жесткая» автоматизация – стационарные системы, поточные линии. В области 2 с объемом от 1000 до 100 изделий при вариантности до 20 – программированная автоматизация: автоматические устройства и линии со связями между собой. Область 3 с небольшим объемом выпуска (менее 100) и вариантностью до нескольких десятков предпочтительна для робототехнологических комплексов. В области 4 целесообразен адаптивный подход: стационарные установки и переносные устройства. Таким образом применение промышленных роботов целесообразно при мелкосерийном производстве при вариантности изделий одного и того же типа.

Состав робототехнологического комплекса (РТК) показан на рис. 85. Манипуляционная система промышленного робота состоит из манипулятора инструмента (сварочной горелки) и манипулятора изделия. Манипуляторов может несколько как для инструмента, так и для изделия.

Промышленный робот (ПР) может быть с прямоугольной, полярной или угловой системой координат. Наибольшее пространство занимают ПР с прямоугольной системой и наименьшее со сферической угловой, работающей по примеру руки человека (андропоморфные роботы – человекоподобные), рис. 86.

Рис. 85. Состав РТК для сварки

 

Рис. 86. Сварочный робот КЕМПИ-ПУМА (США - Финляндия), работающий в угловой сферической системе координат

Недостатками ПР с угловой системой является более медленное перемещение и выше требования к точности управления, так как нет прямолинейных направляющих, упрощающих направление движения вдоль прямолинейных швов. ПР с прямоугольной системой предпочтительны при сварке изделий со средними и крупными габаритными размерами и прямолинейными протяженными швами, рис. 87.

Рис. 87. Компоновочные схемы манипуляторов промышленных роботов для дуговой сварки с прямоугольной системой координат: а – портальная с неподвижным порталом; б – напольная; в – туннельная; г – портальная с подвижным порталом

ПР с угловой системой координат может устанавливаться на полу (рис. 88), а при сварке протяженного прямолинейного шва на портале или на специальном модуле прямолинейного перемещения. Применение ПР с угловой системой особенно удобно для сварки небольших изделий и коротких швов, которые, как известно, составляют более 60% при изготовлении сварных конструкций.

Рис. 88. Промышленный робот со сферической угловой системой координат и сварочным оборудованием для дуговой сварки

 

Промышленный робот для дуговой сварки не может быть полностью идентичен человеку-сварщику. Любой самый совершенный сенсорный механизм не может заменить полностью органы зрения и манипуляционные способности квалифицированного сварщика. Однако робот может работать длительное время с постоянной скоростью и качеством, что и обеспечивает его экономическую эффективность несмотря на высокую стоимость. Поэтому сварочное оборудование для ПР должно обеспечивать длительную эксплуатацию и иметь средства контроля состояния, а также высокий уровень автоматизации и совместимость с управляющим устройством робота. При применении ПР используют в основном сварку в среде аргона или его смеси с СО₂ неплавящимся или плавящимся электродом. В комплект сварочного оборудования входят набор сварочных горелок, подающий механизм присадочной или электродной проволоки, источник питания, газовая аппаратура, аппаратура охлаждения горелки, аппаратура контроля и управления сварочным оборудованием; различные вспомогательные устройства и приспособления для крепления оборудования. Возможное расположение сварочного оборудование показано на рис. 88. Поскольку предполагается длительная работа, то применяют катушки с проволокой большой емкости с разматывающим механизмом, рис. 89.

Рис. 89. Подающий механизм (1) с катушкой (2) большой емкости

 

Крепление сварочной горелки не должно быть жестким для защиты от поломки при случайных столкновениях, рис. 90. Кроме этого применяют тактильные датчики, сигнализирующие о возникновении препятствий.

Рис. 90. Рекомендуемая (а) и нерекомендуемая (б) схемы крепления горелки в устройстве защиты горелки от поломок

 

Подача проволоки должна быть строго постоянна или по заданной программе. Применяют два или четыре подающих ролика или планетарные системы подачи проволоки. При сварке плавящимся электродом конец проволоки, выходящий из горелки, должен быть прямым. В подающих механизмах применяют серводвигатели или шаговые. В горелках должна быть предусмотрена простота замены токоподвода, очистка от брызг и устройство для ее быстрой замены. При токах более 250 А должно быть надежное охлаждение.

В качестве источников питания применяют тиристорные и инверторные выпрямители для сварки импульсной и стационарной дугой.

При сварке возможны следующие способы перемещений сварочной горелки и изделия манипуляционной системой.

1. Изделие неподвижно, сварочный инструмент (горелка или клещи для контактной сварки) перемещается. Такой способ применим при сварке станин, корпусов автомобилей и т.п.

2. Изделие перемещается при настройке, а при сварке неподвижно. Сварочный инструмент движется при сварке, а при настройке неподвижен. Способ наиболее распространен при дуговой сварке с использованием кантователей или позиционеров, рис. 91.

3. Изделие и инструмент непрерывно движутся. Необходимо взаимное согласование движения, что наиболее трудно реализуется. Применяют для дуговой сварки узлов малых и средних размеров со швами сложной формы в нижнем положении.

4. Сварочный инструмент неподвижен, а изделие перемещается. В том случае сварочный инструмент располагается отдельно от ПР, который выполняет функции манипулятора. В этом случае масса изделия ограничена грузоподъемностью ПР. Способ применяется для жестких конструкций, компактных, не требующих сложных приспособлений.

Манипуляторы изделия для дуговой сварки в отличие от типовых, применяемых при производстве сварных конструкций, должны обеспечивать большую точность при перемещении, так как из за зазоров в цилиндрических передачах возможны «клевки». Применяют специальные манипуляторы с дифференциалом и гидроприводы. Для подачи узлов под сварку используют тележки с путевым контролем при движении по рельсам или с гироскопами (система пространственной ориентации) при свободном перемещении.

Для слежения за положением линии шва при сварке в качестве устройств получения первичной информации применяют сенсорные оптоэлектронные системы с лазером в качестве сканирующего устройства. Схема сенсорной камеры (CLOOS ФРГ) показана на рис. 92. Электродвигатель 1 перемещает датчик угла 2, на валу которого находятся зеркало лучевого отражателя 3 и зеркало обзора 8. Луч лазера 5, через фокусирующую линзу 6, попадая на качающееся зеркало лучевого отражателя, образует поле сканирования с углом 4.

Рис. 91. Сварка роботом деталей кольцевым швом (справа вверху показано крупно) с использованием позиционера на поворотном столе

 

Пересечение поля сканирования лучом происходит 5 или 10 раз в секунду поперек линии шва. Освещенность поверхностей состыкованных деталей 9 через линзу 7 определяется фотодатчиком (ПЗС линейкой). Полученная информация поступает в систему управления роботом и обеспечивает высокую точность слежения за линией соединения. Система может применяться для стыковых швов с различной разделкой, фланцевых, угловых, тавровых и круговых швов. Расположение сварочной горелки и сенсорной камеры показано на рис. 92, 93 и 94.

Рис. 92. Схема сенсорной камеры для слежение за линией стыка

Рис. 93. Схема размещения сенсорной камеры перед сварочной головкой («тандем»): СГ – сварочная горелка; СК – сенсорная камера; ТТЦ – траектория точки центрирования; ПНК – поле наблюдение камеры; L – расстояние от горелки до линии измерения

Рис. 94. Расположение сварочной горелки и сенсорной камеры относительно оси рабочего органа промышленного робота

 

Рис. 95. Сварка роботом с сенсорной камерой таврового шва

 

При точечной контактной сварке позиционное или цикловое управление. Перемещают либо сварочные клещи, либо изделие. Клещами сваривают листовые конструкции толщиной 0,6…1,2 мм со скоростью до 60 точек/мин при токах свыше 4 кА и усилием сжатия до 3500 Н. Применяют три варианта размещения сварочного трансформатора.

1. Сварочный трансформатор подвешивают над ПР, а клещи закрепляют в манипуляторе робота. Недостаток такого варианта быстрый износ токоподводящего кабеля от трансформатора к клещам.

2. Трансформатор располагается на одном из звеньев ПР. Износостойкость токоведущих частей увеличивается за счет того, что используются контактные устройства, которые при перемещении отключают трансформатор от клещей и включают при помощи пневматики на время сварки.

3. Применяют клещи со встроенным трансформатором, рис. 96, 97. Этот способ считается наиболее перспективным, так как износостойкость наибольшая. Вес трансформатора ограничен грузоподъемностью ПР (обычно не более 50 кг), однако применение современных материалов и инверторных источников позволит использовать этот вариант и при значительных токах.

Рис. 96. Клещи со встроенным трансформатором для точечной контактной

сварки РТК: с осевым ходом инструмента (а) и радиальным (б)

 

 

Рис. 97. Клещи для точечной контактной сварки фирмы ТЕХНО

 

Для дуговой сварки применяют адаптивные роботы (роботы с системой очувствления) с контурным управлением. Для создания систем очувствления используются различные датчики, принцип работы которых рассмотрен ранее. Особое внимание должно уделяться точности установки на начало шва. Как правило требуемая точность установки на начало шва ± 0,5 мм при требуемой точности перемещения рабочего органа робота – половина диаметра электродной проволоки.