Автоматизация сварочного процесса при помощи роботов

Сварка металлоконструкций — это ответственный процесс, от которого зависит надежность всего изделия. Она требует достаточно квалифицированных рабочих и специального оборудования. Роботизированная сварка призвана исключить человеческий фактор, сделав такую операцию стандартным процессом, осуществляемым в автоматическом режиме с высокой точностью и использованием сварочных роботов.

Роботизированная сварка: что это такое

Роботизированная сварка (сварка роботами) представляет собой автоматизированный сварочный процесс, осуществляемый роботами — манипуляторами с использованием сварочного оборудования, без участия человека. При ее проведении роботы обеспечивают выполнение всего цикла работ, включая перемещение и подачу деталей в рабочую зону, а также удаление их после завершения операции и проведение необходимых испытаний. Данный тип сварочных работ стал одним из наиболее распространенных направлений использования робототехники: более 20 % всех промышленных роботов специализированы на такие операции.

Устройство сварочного робота

Аппараты рассматриваемого типа аналогичны по конструкции и принципу действия. Основная операция осуществляется с помощью манипулятора в форме механической руки, имеющего несколько подвижных сочленений, обеспечивающих подвижность в различных направлениях (возвратно-поступательные, угловые и вращательные движения). «Кисть» руки заканчивается головкой, в которой зажимается соответствующий рабочий инструмент (электроды, горелки и т. п.). Специальная система обеспечивает подачу нужных газов (воздуха) и расходных материалов (например, флюса) в рабочую зону.

Манипулятор содержит устройство оптического наведения, точно направляющее инструмент в место сварки. Управление роботом осуществляется с помощью управляющей программы (УП), вводимой в электронную систему управления. Приведение механизма в движение может осуществляться с помощью электрических, гидравлических или пневматических приводов (чаще всего используются электрические шаговые двигатели). Роботы снабжены измерительными устройствами, позволяющими контролировать параметры сварки.

Манипуляторы могут устанавливаться на стационарных основаниях, т. е. работать в пределах определенной рабочей зоны только за счет движений «руки», или на мобильных платформах, обеспечивающих передвижение всего аппарата на значительных площадях. Последний вариант используется при сборке крупногабаритных конструкций (например, кораблей или самолетов).

Виды сварочных роботов

В различных отраслях промышленности используются следующие разновидности сварочных роботов:

1. Лазерные роботы. Эти самые современные аппараты используются практически во всех областях и рассчитаны на сварку разнообразных материалов. Роботы имеют источник лазерного излучения и лазерную головку с оптической системой для фокусировки луча в нужной точке.
2. Дуговой тип. На манипуляторе устанавливаются электроды, на которые подается электрический ток большой силы, обеспечивающий возникновение дуги между металлической поверхностью и электродом.
3. Точечный тип. Роботы этого типа наиболее распространены в промышленности и имеют самую простую конструкцию. Основное назначение — соединение металлических листов.
4. Газовые роботы. Они базируются на принципах газовой сварки, когда в качестве рабочего органа используется газовая горелка. Данные роботы считаются наиболее скоростными, что и объясняет их массовое производство.
5. Плазменные роботы. По принципу действия они напоминают предыдущий тип, но в рабочую зону подается ионизированный газ, обеспечивающий формирование высокотемпературной плазмы. Аппараты применяются для особо сложных соединений, в т. ч. тугоплавких материалов.

Важно! Каждая разновидность сварочных роботов имеет свои плюсы и минусы. Выбор оптимального варианта осуществляется с учетом свариваемых материалов и конкретных условий.

Как добиться точности роботизации сварки?

Одно из главных преимуществ роботизированной сварки — повышенная точность. Однако для ее обеспечения необходимо соблюдение нескольких условий:

1. Позиционирование сварочного инструмента. Для проведения качественной сварки важно установить оптимальное расстояние до горелки. В идеале оно составляет порядка 0,04–0,06 мм. При ручной сварке рабочий постоянно корректирует позиционирование, визуально контролируя процесс. В автоматическом режиме траектория рабочего инструмента закладывается программой, и ее корректировка достаточно сложна. С учетом этого предельная погрешность позиционирования не должна превышать 0,5 мм. В современных аппаратах применяется лазерная система контроля, что позволяет придерживаться этого требования.
2. Не следует использовать сварочную оснастку для корректировки геометрии свариваемой заготовки. Эти проблемы должны решаться на стадии подготовки деталей. Исключение составляют зажимы гидравлического типа, которые предназначены для такой корректировки.
3. Обрабатываемые заготовки должны соответствовать точности работы роботов. В частности, кромки соединяемых деталей должны иметь необходимую чистоту обработки, а отклонения по размерам быть в пределах допусков. Оптимальный вариант — раскрой листов на станках с ЧПУ.
4. Правильная наладка робота. Для точной работы аппарата необходимо провести калибровку осей, настройку координат инструмента и окружения. Калибровка осей осуществляется перед первым запуском, но регулярно проверяется.

При учете указанных нюансов сварочные роботы способны обеспечить высокую точность сварки.

Какие бывают методы сварки?

В зависимости от типа робота используются такие сварочные технологии:

1. Лазерная сварка. Соединение обеспечивается путем расплавления металла лазерным лучом. Для этого он с помощью оптической системы фокусируется в точку, где создается высокая температура, достаточная для расплавления металла. Плавно перемещая точку, формируется узкий сварочный шов. Основные преимущества метода: высокая скорость, повышенный КПД, пригодность для разнообразных материалов, возможность обеспечения большой глубины расплавления при малой ширине шва. Бесконтактность процесса исключает механические деформации.
2. Дуговая сварка. Расплавление металла обеспечивается электрической дугой. Электроды могут использоваться 2 типов — расходуемые и нерасходуемые. В первом случае электрод плавится и заполняет шов. Во втором варианте расплавляется только металл заготовок. В рабочей зоне обеспечивается среда из инертного газа для защиты от окисления. Основные недостатки — сложное программное обеспечение, проблемы с позиционированием электродов.
3. Точечная контактная сварка. При ее проведении не делается сплошной шов, а материалы соединяются точками. Методика наиболее подходит для листовых металлов, в частности в автомобилестроении. Основные преимущества — повышенная скорость, простота оборудования, пониженная стоимость. Недостаток — прочность точечной сварки уступает сварным швам.
4. Газовая сварка. Соединение обеспечивается за счет расплавления материала горящим потоком газа, подаваемого из горелки. В рабочей зоне развивается температура до 2500–3000 °С. Преимущества: высокая скорость, любое направление сварки, повышенный КПД. Недостатки: широкая зона тепловой обработки, необходимость точного позиционирования горелки.
5. Плазменная сварка. При этой технологии в рабочую зону подается ионизированный газ, при поджигании которого образуется плазма. Она обеспечивает максимально высокую температуру, способную мгновенно расплавить металл. Эта сварка отличается высокой эффективностью, большой скоростью, возможностью соединения тугоплавких металлов. Недостаток — повышенная стоимость, что ограничивает использование только особо сложными и ответственными деталями.

Важно! Сварочные роботы обычно используют одну технологию, но существуют и универсальные аппараты, в которых может меняться сварочное оборудование, что позволяет применять разные методы сварки.

Организация роботизации сварочного производства

Для эффективного использования сварочных роботов необходимо правильно организовать рабочее пространство. Прежде всего, разделяются зоны для размещения заготовок и складирования готовых изделий после сварки. Сварочный комплекс размещается на бетонном полу на достаточном удалении от легковоспламеняемых материалов. Площадка должна быть ровной (уклон не более 5 мм на 1 м) и прочной (слой бетона не менее 25 см). Рабочая зона должна быть оснащена надежной системой вентиляции и пожаротушения, подводом осушенного воздуха, электропитанием со стабильным напряжением.

Весь сварочный цикл включает такие этапы:

• доставка заготовок для сварки до складской зоны;
• извлечение заготовок из места хранения и закладка в рабочую зону;
• обеспечение необходимого позиционирования заготовок;
• сварочная операция;
• извлечение готовых деталей из рабочей зоны и перемещение в зону хранения;
• перемещение деталей из буферной зоны на склад готовой продукции.

При проектировании роботизированного комплекса все этапы согласуются по времени и пространственной ориентации. Все необходимые сведения закладываются в УП.

Нюансы работы

Конкретные технологические приемы и их особенности зависят от вида производимых работ и назначения сварки. Можно выделить наиболее характерные нюансы.

Особенности роботизированной сварки в среде защитных газов

Дуговую сварку необходимо проводить в среде защитного газа, который защищает металл от активного окисления при высокой температуре. При роботизированной сварке применяется GTAW-технология автоматического процесса. Робот содержит специальную систему подачи газов в рабочую зону. Могут использоваться инертные (гелий, аргон) или активные (двуокись углерода, азот, кислород) газы. Они подаются через специальные сопла. Контролируемые параметры — скорость подачи и количество газа, которые зависят от режимов сварки (температуры, скорости и т. п.).

Сварка кузова роботами

На предприятиях автопрома и при ремонте автомобилей сварка кузовов производится роботами. Как правило, используется технология контактной точечной сварки. Робот комплектуется сварочными клещами, на которые подается электрический ток. Точечный способ позволяет значительно ускорить процесс соединения деталей, обеспечивая достаточную прочность. Манипулятор такого аппарата имеет большую степень подвижности, что позволяет обеспечить траекторию, когда один робот обеспечивает множество точек сварки с заданным шагом. На крупных предприятиях используются роботы, имеющие несколько механических рук. Такой аппарат сваривает одновременно в нескольких точках, причем режимы в них могут различаться. Наиболее часто для сварки кузовов используются роботы компании КУКА (Германия) и российские автоматы ПР 601/60.

Рекомендуемое сварочное оборудование

Сварочные роботы выпускаются целым рядом известных компаний, специализирующихся на робототехнике. Можно особо выделить некоторые модели, доказавшие свою высокую эффективность.

Робот FANUC LR Mate 200iD/7LC

Для проведения сварочных работ используется японский универсальный робот FANUC LR Mate 200iD/7LC. Этот достаточно миниатюрный аппарат имеет классическую механическую руку с полым запястьем. Он способен использовать различное сварочное оборудование, в т. ч. для контактной, дуговой и лазерной сварки. Робот имеет интеллектуальные компоненты (техническое зрение и силомоментное очувствление), что обеспечивает высокую точность работ. Специальное сварочное оборудование поставляется в комплекте с аппаратом.

Коллаборативный робот Hanwha HCR-5A

Высокой точностью и надежностью отличается робот Hanwha HCR-5A коллаборативного типа. Он может прочно удерживать в своей руке любое сварочное оборудование весом до 5 кг. Аппарат предназначен для совместной работы с оператором. Важно, что он имеет компактное исполнение и может закрепляться в любом месте (стена, пол, потолок). Имеет идеальную гибкость в сочленениях. С учетом того, что радиус действия превышает 90 см, робот имеет универсальное применение в качестве автоматического сварочного аппарата.

Коллаборативный робот Hanwha HCR-3A

Еще один высококачественный представитель семейства Hanwha — коллаборативный робот Hanwha HCR-3A. Он отличается от предыдущей модели еще меньшими размерами. Грузоподъемность в 3 кг вполне достаточна для удержания сварочных клещей или электродов. Этот аппарат прост в обслуживании и настройке. Обеспечена высокая степень безопасности.

Fanuc CR-14iAL

Компания Fanuc предлагает универсальную модель коллаборативного робота — CR-14iA/L. Она способна исполнять разнообразные сварочные работы в зависимости от закрепляемого оборудования. Робот специально создан для совместной работы с человеком. Значительная грузоподъемность позволяет осуществлять не только сварку, но и перемещение достаточно тяжелых деталей. В аппарате имеется интеллектуальная панель iHMI для настройки и обучения. Робот может оснащаться системой технического зрения.

Коллаборативный робот Fanuc CR-15iA

Во многом аналогичен предыдущей модели коллаборативный робот Fanuc CR-15iA. Основное отличие — повышенная грузоподъемность (до 15 кг) и увеличенный радиус действия. Робот способен производить практически любые сварочные работы. Наибольшее распространение он получил в автомобилестроении.

Начиная с первых шагов в робототехнике, проектированию сварочных роботов придавалось приоритетное значение. Это связано с возможностью с их помощью значительно повысить точность и производительность процесса. Современные роботы способны обеспечить сварку повышенной сложности в экстремальных условиях, даже в космосе. В использовании таких аппаратов открываются широкие перспективы.