Заваряването е един от
най-ефективните методи за създаване на монолитно съединение
между метални сплави. То се счита за една от най-сложните производствени технологии.
1.
Роботизирано заваряване
Роботизираното заваряване представлява използване
на механизирани програмируеми
средства (роботи), които автоматизират процеса на заваряване като едновременно изпълняват и двете
задачи - осъществяват заваряването и държат
детайла.
То обикновено се осъществява при съпротивителното точково заваряване и при електродъговото заваряване
при производства, изискващи високо качество и сравнително
големи серии, напр. в автомобилостроенето.
Роботизираното
заваряване е сравнително ново приложение на роботиката.Роботите са били
въведени за пръв път в индустриалното производство на САЩ още през 60-те години на 19 век.
Използването на роботи за заваряване започва
едва
през 80-те години на миналия век, когато автомобилостроителната индустрия започва широко да използва
индустриални роботи за точково заваряване. Оттогава броят на използваните в индустрията
роботи, както и броят на техните приложения
се
е увеличил съществено. Според Cary и Heizer през 2005 г. в индустрията само на САЩ се използват над 120 000
робота, при което половината от тях изпълняват бояджийски
и заваръчни операции. Фактори, които оказват задържащо влияние върху растежа на броя на
използваните индустриални роботи в производствените процеси, са високата стойност на
оборудването и произтичащата от това
необходимост
от прилагане на заваръчни роботи само във високотехнологичните производства.
Роботизираното
електродъгово заваряване отбеляза бърз ръст едва през последните години, но вече съставя
около 20% от приложенията на индустриални
роботи
в производството. Основните компоненти на заваръчните роботи са собствено манипулаторът (фиг.1) и управляващият контролер (фиг.2). Последният изпълнява функцията на „мозък" на
робота.
Фиг.1 Манипулатор на
фирмата Yaskawa Motoman
Фиг.2 Управляващ
контролер Yaskawa DX100
Фиг.3. Повечето
заваръчни операции в автомобилостроенето са роботизирани
Фиг.4 Заваръчни роботи
в автомобило строенето
2. Индустриални роботи
Понятието индустриален робот е официално дефинирано в ISO (Стандарт 8373:1994, Manipulating Industrial
Robots - Vocabulary) като управляван автоматично, препрограмируем,
многоцелеви манипулатор с три или повече оси.
Областта на индустриалната роботика може най-кратко да
бъде определена като изследване, проектиране и използване на роботизирани
системи в производството.
Някои от най-характерните области, в които
индустриалните роботи намират широко приложение са заваряване, боядисване,
гладене, монтажни операции, преместване на товари, палетизиране (опаковане),
контрол на продукцията и тестване. Роботите могат да изпълняват всички тези
дейности продължително, с високо бързодействие и прецизност. Сред
най-известните фирми в света, произвеждащи индустриални роботи са: Intelligent
Actuator, Adept, Yaskawa-Motoman, ABB, KUKA Robotics, Kawasaki, FANUC Robotics,
igm Robotersysteme,
Cornau и др.
2.1 Видове индустриални роботи и характерни особености
Най-често използваните конфигурации на роботите за
индустриална автоматизация включват роботи с конструкция тип механична ръка (articulated
robots, антропоморфни роботи), роботи тип SCARA и Декартови координатни роботи (gantry robots или x-y-z robots). Тъй
като първият тип роботи са най-често използвани и разпространени, когато се
говори общо за индустриален робот често се използва понятието „ръка на
робота" (поради тази причина даже и в определението дадено в стандарта ISO за индустриален робот присъства терминът
„манипулатор", който може да бъде отнесен най-вече към антропоморфните
роботи).
Индустриалните роботи могат да имат различна степен на автономност. Те са
програмирани за да изпълняват прецизно и точно определени действия. Тези
действия се определят от написаните за тази цел и изпълнявани от робота
програми, които определят посоката, ускорението, скоростта на движение и разстоянието
на преместване за последователностите от осъществявани координирани движения на
ставите на робота. Някои индустриални роботи са още по-гъвкави по отношение на
ориентацията на обекта, с който оперират или даже по отношение на действието,
което трябва да бъде извършено върху самия обект, който понякога роботът даже
трябва да може да идентифицира самостоятелно. Например, за по-прецизно водене,
роботите често включват в себе си и подсистеми за техническо зрение, което
изпълняват ролята на техни „очи". 3а
работата на тези подсистеми се
използват мощни компютър и контролери. Приложението на методите на изкуственния
интелект също се превръща в последните години във все по важен фактор при
модерните индустриални роботи, от които се изисква по-голяма гъвкавост и
възможност за бърза адаптация към изменящите се условия на производство.
2.2 Определящи параметри и термини при индустриалните
роботи
Брой на степените на
свобода - две степени на свобода (ротационни или
транслационни движения спрямо две оси) са необходими за да се достигне всяка
точка от работното пространство на робота, когато то е част от равнина; три
степени на свобода се изискват за достигането на всяка точка от тримерно
работно пространство. За да може, обаче, изцяло да се управлява ориентацията в
края на ръката на манипулатора (т.е. на китката)
са необходими още три допълнителни степени на свобода. При някои
конструкции на роботи (например при роботите от типа SCARA) възможностите за движение, а също и за управление на
ориентацията са ограничени за сметка на постигането на по-ниска стойност,
по-висока скорост или точност.
• Кинематиката на робота - се определя от конкретната негова конструкция, при
което отделните твърди конструктивни елементи на робота {звената) са свързани по определен начин чрез ротационни или
транслационни връзки (стави). Това
определя работното пространство и възможните движения които роботът може да
извършва .
• Работно пространство - областта от пространството, което роботът може да
достига.
• Товароносимост - определя максималното тегло на обектите, които роботът
може да пренася.
• Скорост (бързодействие) - колко бързо роботът може да позиционира захвата си в
зададено положение и ориентация.
• Точност - с каква точност роботът може да постигне зададена
позиция.
* Източник на
захранване - някои роботи използват електродвигатели,
докато други използват хидравлични или пневматични изпълнителни механизми.
Първият тип роботи обикновено имат по-голямо бързодействие, докато
хидравличните могат да работят с по-тежки обекти, а хидравличните и
пневматичните роботи могат да работят и във взривоопасни среди (например при
боядисване).
2.3 Програмиране на индустриални роботи
При програмиране на последователностите от движения на ставите на робота
обикновено контролерът на робота се свързва чрез кабел за връзка (Ethernet, FireWire, USB или сериен порт) с външен компютър. На
компютъра се инсталира съответен софтуер за връзка с робота и програмна среда,
в която се създава и тества програмата за управление. Въпреки че използването
на компютър обикновено значително облекчава процеса на програмиране на робота,
роботите могат да бъдат още обучавани да извършват конкретни движения и
посредством специално компактно устройство за управление и програмиране (teaching
pendant). След
приключване на програмирането устройството или компютърът обикновено се
разкачват от робота и създадената програма се съхранява и изпълнява от неговия
контролер. Често се използват и специални терминали (устройства за
човеко-машинен интерфейс, панели за управление). С тяхна помощ операторът може
да превключва различните програми, да осъществява настройки на програмата и да управлява
различни периферни устройства, интегрирани в роботизираната система. Това могат
да бъдат, например различни видове захвати, с помощта на които роботът може да
захваща даден обект. Обикновено се използват вакуумни, електромеханични или
пневматични захващащи устройства. Бутоните за аварийно спиране, връзката със
системата за техническо зрение, връзката със системите за безопасност и
блокировка и с редица други устройства също са разположени или се управляват от
панела за управление.
2.4 Кога роботи биха могли да бъдат
използвани за заваряване?
Заваръчен процес, който включва повтарящи се задачи
върху сходни детайли, би могъл да бъде подходящ за автоматизация. Броят на
подлежащите на заваряване артикули от различен тип е определящ дали да се
автоматизира процеса или не. Ако отделните компоненти, които ще бъдат
заварявани се нуждаят от специално нагласяване, за да бъдат правилно свързани
чрез заваряване, или ако те са твърде големи или с различно разположение при
всеки следващ детайл, автоматизирането на процедурата ще бъде трудно. Роботите
работят добре при повтарящи се задачи или при подобни детайли, където има
необходимост от заваряване по повече от една оси или където достъпът до местата
за заваряване е труден.
Един автоматичен заваръчен пистолет би могъл да бъде
използван във фиксирана позиция или движейки се по криволинеейна траектория за
осъществяване на криволинейни шевове или шевове по окръжност, като например
съединяване на тръба или на плоска основа към цилиндрична форма (задача при
която обработваният детайл може да се върти покрай заваръчния пистолет).
При Декартовите роботи се извършва линейно движение по
всяка една от трите оси (X,Y ,Z ). В допълнение роботът е снабден с китков механизъм,
позволяващ извършването на ротационно движение. По този начин се формира
работното пространство на робота, което има формата на паралелепипед.
Антропоморфните роботи представляват манипулатори с
конструкция , наподобяваща човешката ръка, която е реализирана посредством
кинематични звена и ротационни или транслационни стави. В края на манипулатора
е прикрепен китков механизъм. Това формира работно пространство с неправилна
форма.
Има много фактори, които трябва да бъдат взети предвид
когато се създава роботизирано заваръчно съоръжение. Роботизираното заваряване
изисква различен от ръчното заваряване начин на технологизиране. Някои от
факторите, които трябва да се имат предвид при работа с роботизиран заваръчен
комплекс са изброени по-долу:
|
0 Точност и
повторяемост
|
П Поддръжка
|
|
П Брой на
координатните оси
|
□ Управление
|
|
П Надеждност
|
0 Устройства
за наблюдение и контрол на шева
|
|
0 -еханизми
за закрепване
|
0 шаръчно
оборудваь
|
|
0 Пр
изамиране
|
□ П<
дщиониращи механизми
|
|
□ Системи за
следене на шева
|
[]
Устройство за подаване на детайлите
|
2.5 Предимства на роботизираното заваряване.
Най-важните предимства на роботизираното заваряване са
точността и производителността. При роботизираното заваряване се подобрява
повторяемостта на шева. При коректно написана програма за управление, роботите
ще произвеждат всеки път едни и същи шевове върху детайлите с еднакви размери и
характеристики.
Автоматизацията на движенията на горелката намалява
възможностите за възникване на грешки, което означава че намаляват бракът и
изделията връщани за повторна обработка. С въвеждането на роботизирано
заваряване се увеличава производителността. Роботът не само работи по-бързо от
човека оператор, но една напълно екипирана и оптимизирана роботизирана клетка
за заваряване може да работи 24 часа в денонощието и 365 дни в годината без
прекъсване.
Друго преимущество на роботизираното заваряване са
намалените разходи за труд. Роботизираното заваряване също намалява риска като
извежда човека извън зоната на въздействие на опасните изпарения и на разтопен
метал близо до заваряващата дъга.
В сравнение с ръчно осъществяваните заваръчни операции
една роботизирана система за заваряване се характеризира с по-добра
повторяемост и постоянно качество на операциите, тъй като в производствения
цикъл заваряването е една монотонно повтаряща се операция. Трябва да се има
предвид, обаче, че роботите биха могли да се нуждаят от периодична повторна
калибровка или препрограмиране.
Роботите трябва да имат нужния брой степени на свобода,
които да им позволяват да извършват всички необходими движения в работното им
пространство. Ръката на робота трябва да може да се приближава към мястото за
извършване на дадена работна операция под различен ъгъл.
Роботизираните заваръчни системи са в състояние да
работят без прекъсване само в случай, че им е осигурено подходящо обслужване.
Прекъсванията в работата на една
линия за непрекъснато
производство могат да бъдат минимизирани при подходящо
проектиране на роботизираната система. В тази връзка е необходимо да бъдат
взети в предвид и предварително да бъдат планирани действия при възникване на
следните непредвидени фактори:
·
Бърза
подмяна на излезлите от строя роботи.
·
Инсталиране
на резервни роботи на производствената линия
·
Преразпределение на заваръчните операции
на неработоспособните роботи между намиращите се в близост изправни роботи.
2.6 Кои процеси на заваряване са подходящи за
роботизирано заваряване?
Повечето производствени процеси на заваряване подлежат на автоматизиране. Най-популярният,
използван в 80% от приложенията, заваръчен метод с МИГ/МАГ. Той е най-подходящ
за повечето серийни производства, понеже не изисква последващо почистване на
шева от шлака.
3. CAD -
САМ системи
Терминът CAD означава
проектиране с помощта на компютри. Той най-често се свързва с термина САМ,
който означава производство с помощта на компютри.
Проектиране с помощта на компютри е използването на
разнообразни компютърно базирани средства, които подпомагат проектантите
(инженери, архитекти и др.) в тяхната дейност по проектиране. Съществуващите
програмни пакети се различават по своите възможности - от 2D векторно базирани
системи за чертане до системи моделиращи 3D повърхнини с визуализация на
изпълнените от материал изделия.
CAD се използва за проектиране
и разработка на различни типове продукти, които могат да бъдат изделия,
използвани от краен потребител или междинни такива, служещи за вграждане в
други продукти. CAD
пакетите активно се използват също и при проектирането на инструменти и машини
за производство. CAD се
използва на всички етапи от цялостния инженерен процес като се започне от
идейния проект, през проектирането на детайлите и анализа на компонентите и се
стигне до определянето на конкретните методи и технологии за производство.
Съществуват различни подходи за използването на CAD в инженерната дейност, които се различават по своята
сложност и обхват. Най-ниското ниво представлява използването на сравнително
прости 2D програмни пакети за създаване на инженерни чертежи. През последните
20 години обаче този подход все повече се измества от използването на CAD пакети позволяващи тримерно моделиране на формите на
отделните компоненти. Нещо повече, новите програмни пакети позволяват
индивидуалните компоненти на едно изделие след това се сглобяват в 3D модел на
крайния продукт, като този процес се нарича проектиране „отдолу-нагоре" (bottom-up
design). Тези сглобени модели могат да се
използват за различни анализи, например за оценяване дали отделните компоненти могат
да се сглобят заедно или за симулационни изследвания на динамиката на продукта,
за якостни изследвания и т.н. През последните няколко години се развиха и
методи и технологии за проектиране „отгоре-надолу" чрез CAD програмни пакети. При тях се стартира от чертеж на
цялостния продукт, който след това се разбива на подсистеми със все по-голяма
детайлизация до достигане на ниво единични компоненти. При това геометрията на
всяко следващо ниво е обвързана с тази на по-високото ниво.
При класическия начин за използване на CAD системите за проектиране създадените 3D конструктивни
модели се използват след това за генериране на 2D машинни чертежи. Този подход,
обаче в днешно време постепенно се измества от прякото трансфериране на данните
към САМ системите, към машините с цифрово програмно управление, към системите
за бързо производство на прототипи и системите за визуализация на продуктите.
В машиностроителното производство САМ пакетите се използват за изчисляване
на пътя (траекторията) на режещите инструменти в процеса на машинната обработка
на детайлите. За целта се използват различни функции, предлагани от САМ
системите. Изчислените данни, обикновено е представят в специализиран CL (Cutter
Location) формат след
това се прехвърлят към постпроцесор, който преобразува този формат във
програмен код за конкретната машина с ЦПУ или индустриален робот (G-code). Готовата програма се прехвърля в
контролера на машината или робота и производственият процес може да започне.
4. Роботизирано електродъгово заваряване
Роботизирано заваряване означава заваряване, което се
осъществява и управлява от роботизирано оборудване. В общи линии оборудването
за автоматично електродъгово заваряване се проектира по различен начин от този
прилаган за ръчно електродъгово заваряване. Автоматичното електродъгово
заваряване обикновено включва високопроизводителни цикли и заваръчното
оборудване трябва да бъде способно да функционира при такива условия. В
допълнение, компонентите на това оборудване трябва да притежават необходимите
характеристики и входове за управление, позволяващи свързването им към
основната система за управление.
За да се осъществи електродъговото заваряване се
изисква специално електрозахранване, което се обезпечава от заваръчна машина,
известна още като токозахранващ източник. Всички процеси за електродъгово
заваряване използуват електродъгов заваръчен пистолет или горелка за да
проведат заваръчния ток от заваръчния кабел до електрода. Те също осигуряват
защита на областта на заваряване от атмосферата.
Токоподвеждащата дюза на горелката се намира близо до
електрическата дъга и постепенно се покрива с пръски. Поради това при
роботизираните електродъгови заваръчни системи често се използува почистващо
устройство на горелката (обикновено автоматично). Всички електродъгови методи
на заваряване с електроден тел, използват телоподаващо устройство.
Заваръчни фиксатори (притискащи приспособления) и
манипулатори за обработваните детайли задържат и позиционират детайлите, за да
се осигури прецизна заваряване от робота. Производителността на една клетка за
роботизирано заваряване допълнително се повишава при наличието на автоматично
въртящ се или превключващ фиксатор, така че докато се осъществява фиксирането
на един набор от подлежащи на заваряване детайли, роботът заварява друг, предварително
фиксиран набор от детайли.
За да може да се гарантира, че разположението на върха
на електрода по отношение на координатната система на заваръчния инструмент е
точно дефинирано, важно е да бъде извършена калиброване по отношение на
централната точка на инструмента (TCP - Tool Center
Point). Наличието на устройство за автоматично TCP калиброване значително опростява и съкращава времето
за изпълнение на тази задача.
С оглед на казаното по-горе, можем да обобщим, че
типични компоненти на една интегрирана роботизирана клетка за електродъгово
заваряване са:
1. Робот за електродъгово заваряване.
2. Токозахранващ източник за електродъгово заваряване.
3. 3 аваръчна горелка.
4. Телоподаващо устройство за електроден тел.
5. Приспособления за фиксация и позициониране на
обработваните детайли.
6. Устройство за почистване на горелката.
7. TCP- калибриращо устройство.
Фиг. 2 Роботизирано електродъгово заваряване.
