Общи сведения, произход на роботизираното заваряване част 2

4.1 Роботи за електродъгово заваряване

За изминалото относително кратко време откакто индустриални заваръчни роботи се използват в производството роботите манипулатори представляващи ставно свързана ръка с ротационни стави придобиха най-голяма популярност. По отношение на заваряването този тип роботи почти изцяло измести другите типове с изключение единствено на декартовите роботи. Последните се използват най-вече при заваряване на детайли с много малки или пък много големи размери. Причината за популярността на антропоморфните роботи се състои в това, че при тях манипулирането със заваръчна горелка при заваряване се осъществява по подобен начин, както при работата на заварчик. Наклонът на горелката и траекторията и на движение могат да бъдат променяни така, че да се произвеждат качествени заваръчни шевове. Този тип роботи позволява също извършването на дъгово заваряване и в труднодостъпни области. Въпреки това, обаче, заваръчният робот не може да постигне същата гъвкавост и манипулативност на движението като тази на човешката ръка. Все пак технически вече е възможно тази разлика да бъде минимална. В допълнение, трябва да се отбележи, че манипулационните роботи от типа ставно свързана ръка са най-компактни като конструкция и имат най-голяма работна област за съответния им размер.

Обикновено роботите за електродъгово заваряване имат пет или шест степени на свобода, чийто брой в повечето случаи съвпада с броя на управляваните стави.

4.2 Токозахранващи източници за електродъгово заваряване

Един токозахранващ източник за заваряване трябва да доставя ток с регулируема сила и напрежение в съответствие с изискванията на заваръчния процес. Обикновено необходимото напрежение е в границите от 10 до 35 V и токът варира от 5 до 500 А. Различните заваръчни процеси и процедури имат специфични характеристики на дъгата, което от своя страна поставя специфични изисквания за стойностите на тока и напрежението на заваръчната машина.

Автоматичните заваръчни машини могат да се нуждаят от по сложни токозахранващи източници в сравнение с тези използвани при полуавтоматичното заваряване. Една автоматична заваръчна машина комуникира обикновено по електронен път с токозахранващия източник и управлява мощността му с цел постигане на устойчива електрическа дъга подходяща за заваряване и поддържане на оптимален по производителност и качество заваръчен процес.

Фиг. 3 Серийно произвеждани програмируеми антропоморфни роботи от типа роботизирана ръка се предлагат от редица фирми като ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA, MOTOMAN.

Съществуват три типа токозахранващи източници за електродъгово заваряване, различаващи се по кривата на статичните характеристики. Конвенционалните източници са от типа постоянна мощност (ПМ). Използват се за ръчно електродъгово заваряване в нормални условия и под вода, както и за ВИГ заваряване. Токоизточник с постоянно напрежение (ГТН) се използва за МИГ/МАГ заваряване и за заваряване под флюс с малък диаметър на електродния тел. , Постояннотоковият източник (ПТ) нормално се използва за ВИГ заваряване и плазмено заваряване.

 

Фиг. 4 Токоизточници за заваряване на марките KEMPPI и Fronius

Изборът на токоизточник за заваряване се основава на:

1.     Процесът или процесите, които ще се прилагат.

2.     Необходимата сила на тока.

3.     Електрическата мощност, която може да се осигури от електрическата мрежа на даденото работно място

4.     Икономически фактори и удобство.

4.3. Заваръчна горелка

Заваръчната горелка /електрододържач/ се използва в автоматичните системи за заваряване за за насочване на електродния тел в зоната на електрическата дъга, да подаде необходимата енергия за заваряване към тела и да осигури защита на областта до дъгата. Съществуват различни типове горелки и изборът зависи от заваръчния процес, възможните промени в заваръчния процес, заваръчния ток, размера на електрода и защитната среда. В зависимост от начина, по който се охлаждат заваръчните горелки биват - водоохлаждаеми с циркулираща вода или въздушно охлаждани чрез околния въздух.

Горелката има прав или извит цилиндричен хобот. Горелка с извит хобот е често използвана при роботизираното заваряване за осигуряване на по-лесен достъп до шева.

Фиг. 5 Заваръчни горелки

Основната функция на горелката е да доведе заваръчния ток до движещия се през нея електроден тел и да достави защитен газ - до зоната на електрическата дъга. При метално газово заваряване се използва защитен газ, който може да бъде активен газ, обикновено въглероден двуокис или смес от инертен газ, обикновено аргон, с въглероден двуокис или кислород.

Заваръчната горелка се монтира чрез фланец на мястото на захвата на робота. Обикновено се предпочита да се използва и специален съединител за предпазване от стълкновения на скъпото заваръчно оборудване в случай на запъване на електрода или сблъсъци по време на инсталиране и пускане в действие.

4.4 Телоподаващо устройство

Използва се за подаване на електроден метал по време на роботизираното заваряване. Дава възможност за задаване на различни скорости на захранване с тел с оглед на конкретно приложение. Обикновено при роботизираното заваряване телоподаващото устройство се монтират на робота. Необходимо е да се изгради управляващ интерфейс между контролера на робота, токозахранващия източник и телоподаващото устройство, Системата за захранване с електроден тел трябва да съответства а заваръчния процеч и на използвания ти. токозахранващ източник.

Фиг. 6 Телоподаващото устройство за електроден тел обикновено се монтира на манипулатора.

Съществуват два основни типа телоподаващи устройства.

Първият тип се използува при процеси с топим електрод. Електродът е част от заваръчната верига - той се топи и преминава капкообразно през дъгата към заваръчната вана. Съществуват две разновидности на този тип телоподаващи устройства. Токозахранващите източници с постоянна мощност изискват захранваща система, чиято скорост на подаване се променя непрекъснато в зависимост от текущата стойност на напрежението. При системите с постоянно напрежение пък се изисква постоянна скорост на подаване на електрода по време на заваръчната операция.

Вторият тип на телоподаващо устройство се използва специално при ВИГ заваряване. В този случай добавъчният тел не е част от заваръчната верига. Подава се в областта на дъгата, топи се от топлината й и след кристализация на ваната се превръща в метал на шева.

4.5 Фиксиране и позициониране на обработваните детайли

За да се осъществи успешно свързване на отделните части на детайла при роботизираното заваряване, те трябва да се базират и закрепят, докато трае заваряването. От съществено значение е приспособлението за закрепване да фиксира отделните компоненти така, че да бъдат точно изравнени. То трябва да позволява бързо и лесно зареждане и да позволява неограничен достъп на заваръчния пистолет до всяка точка от шева.Като начало при роботизираното заваряване могат да бъдат използвани фиксиращите механизми, които вече са били използвани при ръчното заваряване. Препоръчва се да се използват и специализирани позиционери, за да се подобри гъвкавостта и се разшири обхвата на роботизираните системи за заваряване. Използваемата част от работното пространство на робота би могла да бъде допълнително ограничена от закрепването на заваръчната горелка. Специални позиционери елиминират някои от тези ограничения и правят детайла по-достъпен.

Фиг. 7 Фиксиращи механизми

Позиционерите, които се използват с роботи, трябва също да бъдат по­точни, отколкото се изисква при ръчно или полуавтоматично заваряване. В добавка управлението на позиционера за робот трябва да бъде съвместимо и да може да се осъществява от управляващото устройство на робота с цел да се получи едновременно координирано движение по няколко оси по време на заваряването.

Трябва да се има предвид, обаче, че зареждането и освобождаването на стационарни закрепващи приспособления в роботизираната клетка може да изисква много време и да се окаже непрактично. Често е по-ефективно да има два или повече фиксиращи механизма на револвиращ позиционер за работни детайли, независимо от високата начална цена. С една револвираща маса, например, операторът може да зарежда и да освобождава докато роботът заварява. Очевидно това ще ускори процеса и ще намали времето за престой на заваръчния робот.

 

Фиг. 8   Револвираща маса

4.6 Почистващо устройство на горелката

Периодичното почистване на пистолетите за електродъгово заваряване е необходимо за правилното и надеждно функциониране на роботизираното електродъгово заваряване.

Фиг. 9 Система за почистване на заваръчната горелка

Високопроизводителният цикъл на една автоматична операция може да изисква автоматично почистване на пистолета. Съществуват системи, които впръскват реактив сещу залепване на пръски в накрайника на пистолета. Допълнително съществуват приспособления, които райбероват накрайника, за да отстранят натрупаните пръски, и отрязват електродния тел. Почистващата система се активира автоматично и периодично от системата за управление на заваряването.

4.7 TCP - калибриращо устройство

Калибрирането на сензора за положението на крайното звено от ръката на робота и на централната точка на работния инструмент (заваръчната горелка) е от решаващо значение за успешното използване на роботизираната система за заваряване. Информацията къде се намира крайното звено от ръката на робота в контекста на роботизираното  заваряване се използва за определяне на фактическото положение на шева върху обработвания детайл по отношение на координатната система на инструмента, държан от робота.

Анализът на профилните данни дава възможност да бъде определено относителното разположение на шева спрямо еталонната координатна система за сензора. Ако разположението на еталонната координатна система на сензора спрямо координатната система на крайното звено на роботизираната ръка е известно и разположението на координатната система на инструмента държан от робота (заваръчния пистолет) спрямо координатната система на крайното звено от ръката на робота е също известно, то тогава сензорните данни могат да бъдат използвани за точното позициониране на инструмента по отношение на обработвания (заварявания) детайл.

За съжаление при евентуално удряне и изместване на сензора от първоначалното му разположение роботизираната система започва да произвежда детайли за бракуване. Това е една от причините някои компании, които иначе биха спечелили от прилагането на базираната върху използване на сензор коригираща система да се въздържат от прилагането на такава. Това което е необходимо е не само тел «тика, която да позволява автоматичното калибриране на координатните системи, но и такава, която да позволява бързо определяне на евентуална необходимост от повторна калибровка. Именно втората способност е може би даже по-важна от практическа гледна точка тъй като при всеки заваръчен цикъл е напълно възможно да възникне грешка в калибрирането причинена от неочаквано събитие.

Фиг. 10 Калибриращо устройство

5. Роботизирано точково заваряване

Автоматичното заваряване поставя специфични изисквания към електросъпротивителното заваръчно оборудване. Често то трябва да бъде специално проектирано и разработените заваръчните процедури да отговарят на изискванията за този тип заваряване.

Роботът за точково заваряване е най-важният компонент на една роботизирана инсталация за точково заваряване. Съществуват заваръчни роботи от този тип с различни размери, класифицирани в зависимост от масата на детайлите, които могат да обработват и от размера на работното им пространство. Роботите са класифицирани също и според броя на ставните оси (степените на свобода). Пистолетът за точково заваряване осигурява необходимия натиск и заваръчен ток на мястото за заваряване на листовете. Съществуват различни типове заваръчни пистолети, които се използват за различните възможни приложения. Автоматичен таймер за заварка (weld-timer) управлява продължителността на подаване на тока.

За времетраенето на процеса на съпротивителното заваряване електродите са подложени на висока температура и натиск. С времето тези фактори започват да деформират електродите. За да се възстанови формата им се използва автоматично устройство за корекция на електродите (tip-dresser).Един проблем при електросъпротивителното заваряване осъществявано с роботи е, че кабелите и маркучите които се използват за ток, въздух и т.н. донякъде ограничават възможностите за движение на китката на робота. Този проблем може да бъде преодолян с използването на специално шарнирно съединение (swivel), което позволява преминаването на сгъстения въздух, водата за охлаждане, електрическия ток, информационните и управляващи сигнали в рамките на едно единствено въртящо се устройство. Това устройство също дава възможност за програмиране на робота извън реално време (off-line), тъй като не е необходимо при проектиране на траекториите на движение на ръката на манипулатора да се налагат ограничения в придвижването от съществуващите кабели и тръбопроводи.

5.1. Основни компоненти на една интегрирана клетка за точково заваряване:

5.1.1. Робот за точково заваряване

Роботът може многократно да движи заваръчните клещи до местоположението на шева и да ги позиционира перпендикулярно спрямо него. Той може и многократно да изпълнява записаните програми за заваряване в паметта на контролера за управление. За човек, работещ като заваръчен оператор, е малко вероятно да може да работи така добре поради тежестта на заваръчните клещи и монотонността на задачата.

Фиг. 11 Робот за точково заваряване.

Роботите за точково заваряване трябва да имат шест или повече оси на движение (шест степени на свобода) и да са способни да приближават точки намиращи се на работната повърхнина под всякакъв ъгъл. Това позволява роботите да бъдат гъвкави при позициониране на заваръчните клещи при заваряване на сборни детайли. Някои движения, като позициониране на заваръчните клещи, насочени нагоре, са трудни за заварчик, но лесно се извършват от робота.

5.1.1.1. Заваръчни клещи за точково заваряване

Обикновено са проектирани да съответстват на осъществяваната сборка. На пазара се предлагат различни типове пистолети като двата най-често използвани типа са тези с пряко действие, обикновено известни като пистолет „тип С", при които работният цилиндър е свързан пряко към движещия се електрод, и „тип X" (още известен като „ножица" или „защипващ") където работният цилиндър е отдалечен от движещия се електрод и силата се прилага към него посредством лос IV механизъм. Клещите тип С обикновен са по-евтини и се прилагат най-често, съществуват много варианти на всеки от основните типове, различаващи се както по формата си и по накрайниците, така и по задачите, за които пистолетът е проектиран с оглед на необходимия натиск и ток при заваряване.

Пневматичните клещи обикновено се предпочитат, тъй като са по-бързи и прилагат постоянна сила върху електрода. Хидравличните клещи за точково заваряване се използват обикновено там, където пространството е ограничено или където са необходими големи електродни сили.

Фиг. 12 Клещи за точково заваряване.

5.1.1.2. Заваръчен таймер

Една автоматична клетка за заваряване се нуждае от устройство за управление, иницииращо и управляващо продължителността на провеждане на заваръчен ток. Таймерът за точково заваряване автоматично управлява времето на заваряване при точкова заварка. Той може да управлява силата на тока, както и последователността и времетраенето на останалите операции от цикъла на заваряването.

Фиг. 13 Таймер за заваряване.

5.1.1.3. Устройство за коригиране на върховете на електродите

Предназначението на електродите е да провеждат тока и да издържат на силния натиск при заваряване с цел да се поддържа еднородна контактна площ и да се обезпечи подходяща взаимовръзка между избрания ток и натиска.получаването на шев с добро качество от основно значение и това в значителна степен зависи от еднородността на електродната контактна повърхност. В процеса на работа тази повърхност постепенно се деформира и придобива форма, наподобяваща на гъба. Основни причини за деформацията могат да бъдат мек материал на електрода, много силен натиск при заваряване, малки електродни контактни площадки и най-важната причина - много силен заваръчен ток. Тези условия предизвикват прекомерно загряване и омекване на върховете на електродите. Заваряването на съвременните материали с покрития също допринася за замърсяване на електродите.При деформиране на електродите устройството за управление на заваряването стъпално увеличава силата на заваръчния ток с цел да компенсира деформацията. Тогава би трябвало производствената линия да бъде спряна с цел да бъдат заменени електродите или ръчно да се коригира деформацията им. Това би подобрило заваръчния цикъл, но и в двата случая е необходимо спиране на линията и загуба на време. Освен това деформираните електроди ще са станали причина за ненужно висок разход на енергия и електроди.Устройството за автоматично коригиране на върховете на електродите се монтира на линията на място, където то би могло да бъде достигнато от заваръчния робот. Роботът се програмира да коригира електродите през определени времеви интервали. Корекцията би могла да бъде осъществявана след всеки работен цикъл, след всеки втори цикъл и т.н. Това зависи от броя на точките, които се осъществяват във всеки цикъл. При заваряване на галванизирани листове се препоръчва корекцията да се извършва след всеки 25 точки. Операцията по коригирането на формата трае приблизително 1-2 секунди и се осъществява през времето на зареждане, сваляне и транспортиране на обработваните детайли. Поддържането на подходяща геометрия на електрода принудителните престои в производството и подобрява ефективността на заваряването.

Фиг. 14 Устройство за коригиране на върховете на електродите.

5.1.2 Шарнирно съединение за точкова заварка

Това устройство позволява преминаването на сгъстения въздух, водата за охлаждане, електрическия ток, информационните и управляващи сигнали през различни канали в един единствен въртящ се механизъм. По този начин съществено подобрява цялостната ефективност на инсталациите за роботизирано точково заваряване. Устройството позволява максимално използване от робота на работното му пространство.

Негови основни Преимущества са:

·        Необходимо е по-малко работно пространство - отсъстват множеството кабели и шлангове висящи от ръката на робота.

·        Подобрена достижимост - Тъй като не се налагат ограничения при движението на китката на робота причинени от кабелите и тръбопроводите.

·        Подобрена безопасност - Значително се подобряват факторите на безопасността чрез намаляване на електрическите, въздушните и водните провеждащи линии.

·        Икономии на капитални средства - Създават се компактни клетки за заваряване. Възможността да се правят повече заварки от една станция означава големи икономии от намаления брой на работните станции и по-малко капитални средства.

·        Отсъствието на неопределено разположени кабели върху робота намалява до минимум времето за програмирането му.

Фиг. 15 Шарнирното съединение създава условия за висококачествена точкова заварка.

6. Мерки за безопасност при роботизираното заваряване

Заваряването„ е производствен процес с известни потенциални рискове. Потенциалните рискове за безопасността свързани с електродъговото заваряване включват излъчването на дъгата, замърсяването на въздуха, токов удар, запалване и експлозия, сгъстени газове и други опасности. Роботите по принцип са проектирани за да изпълняват функции, които иначе се изпълняват от човек оператор. Тяхното основно предназначение е да освободят хората от изпълнение на тежък, непривлекателен труд, от изморителни и монотонно повтарящи се операции и за да се изведат хората от работа в потенциално опасна среда. С оглед на това роботите могат да заместят хората при извършване на опасни операции и се считат полезни за предпазване от производствени инциденти. От друга страна, познати са и случаи когато именно роботи са предизвикали инциденти с фатален край.

Внедряването на роботи за изпълнение на заваръчни операции изисква вземането на подходящи мерки за безопасност с цел защита както на тези, които непосредствено работят с роботите, така и на останалите работници в цеха, които може да не са осведомени за потенциалните опасности свързани с тях. Съществуват различни начини по които това може да бъде направено.

Едно от най-добрите решения от гледна точка на безопастността при роботите е закупуването на изцяло комплектована клетка за заваряване. Една напълно комплектована клетка включва бариери, всички необходими за безопасността устройства и блокировки и конкретен метод за зареждане и разтоварване на работната станция.

Всяка едно инсталиране на робот трябва да бъде внимателно планирано от гледна точка на безопасността с оглед предотвратяване на евентуалното възникване на опасни ситуации. Необходимо е, когато роботът е в режим на опериране, хората да се намират извън работното му пространство. За целта около робота трябва да бъдат поставени бариери и огради. Всички врати и обслужващи отвори трябва да бъдат защитени от блокиращи превключватели и областите, където се извършва заваряването трябва да бъдат обезопасени така, че при отваряне на врата незабавно да се изключи захранването на робота. На всички табла, панели за опериране и програмиране на робота трябва да бъдат монтирани стоп бутони. Преградите трябва да бъдат така проектирани, че изцяло да обграждат робота и елиминират възможността от влизане на хора минавайки над или под тях. Трябва да се инсталира светлинна сигнализация върху робота или в работното пространство на робота за да сигнализира, че роботът работи.

Манипулаторът е движещата се механична част на робота и според конструкцията си тези системи могат да бъдат категоризирани в седем основни типа, (като например роботи тип SC ARA или роботи с декартови координати), използващи различни координатни системи за насочване на манипулационната ръка.