Особенности технологии дуговой роботизированной сварки

Структура продаж промышленных роботов по видам технологических операций за 2023 г.

По данным издания The Japan Welding News for the World в 2023 г. в мире было установлено более 59 тыс. сварочных роботов: 52% – для контактной сварки, 48% – для дуговой сварки. Данные о рынке сварочных роботов в 2023 г. приведены в табл.3.

Мировой рынок сварочных роботов находится на подъеме и демонстрирует в последние годы постоянный рост, чему в значительной степени способствуют высокие темпы роста отрасли автомобилестроения в Индии и Китае. Наблюдается значительный спрос на сварочные роботы в отрасли общего машиностроения.

Перемещение мирового промышленного производства в азиатский регион способствовало снижению цен на сварочные роботы в перспективе. Это позволяет сократить время окупаемости роботизации процессов сварки и способствует увеличению применения сварочных роботов на предприятиях малого и среднего бизнеса.

Оснащение современных сварочных роботов системами слежения (машинного зрения) позволяет осуществлять постоянный мониторинг и контроль параметров сварки. Широкое распространение получила интеграция в робототехнические системы для дуговой сварки 3D визуальных систем контроля. В долгосрочной перспективе прогнозируется значительный рост доходов в секторе роботов для дуговой сварки в отрасли общего машиностроения, где ручная и механизированная сварка все чаще заменяются роботизированной.

Поддержание рентабельности в условиях снижения стоимости сварочных роботов стало сегодня серьезной проблемой для производителей ПР во всем мире. Цена становится основным критерием для клиентов при выборе сварочных роботов. Производителям робототехники приходится активнее сотрудничать с разработчиками систем автоматизации производственных процессов, разрабатывать индивидуальные решения в соответствии с требованиями конечных пользователей.

Таблица 3. Мировой рынок сварочных роботов в 2023 г.*

* Source: The Japan Welding News for the World

Для повышения совместимости различных компонентов, участвующих в технологическом процессе сварки, производители сварочных роботов устанавливают более тесные отношения с поставщиками сварочной техники. Сегодня на рынке ПР все большим спросом пользуются гибкие и адаптивные роботы, подходящие для смешанных и многоцелевых производственных линий.

Постоянная работа по совершенствованию и разработке принципиально новых конструкций ПР в сотрудничестве с разработчиками позволила существенно улучшить технико-экономические показатели ПР. Примером этого может служить приведенное в табл. 4 сопоставление некоторых технико-экономических показателей ПР, разработанных компанией KUKA в 2000 и 2023 гг. по сравнению с 1980 г.

Таблица 4. Сопоставление технико-экономических показателей ПР компании KUKA, % (показатели 1980 г. приняты за 100%)

Промышленные роботы сегодня являются ключевым элементом революционных преобразований производства. Функции, выполняемые ПР, уже давно вышли за пределы выполнения традиционных повторяющихся задач. Новому поколению ПР присущи такие чисто «человеческие» черты и возможности как разум, ловкость, память, обучаемость и распознавание объектов. Уменьшение размеров, повышение быстродействия, снижение стоимости ПР с одной стороны и необходимость повышения качества, производительности и гибкости производства стали основными факторами роста спроса на робототехнику, расширение областей ее применил, которое отмечается во всех отраслях промышленности по всему миру.

Робототехника дает возможность революционным образом изменить процесс промышленного производства, способствует комплексному решению задач улучшения качества и повышения производительности, экономии материальных, энергетических и людских ресурсов на новом технологическом уровне. Зачастую применение роботов – это сегодня единственно верный способ выживания в условиях конкуренции не только крупносерийного, но уже среднего и малого производства. Применение ПР уже не прерогатива только крупных индустриальных корпораций; адекватная цена и гибкость построения РТК позволяют применять их не только при производстве промышленно-поточным методом, но также на небольших и средних предприятиях.

Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

Классификация сварных конструкций под дуговую сварку. Узлы, изготовляемые с помощью дуговой сварки, условно можно разделить на пять групп в зависимости от их форм и размеров (табл. 8.1). Большое разно­образие конструкций и требований к ним не позволяет представить принци­пы создания РТК в общем виде, поэтому их целесообразно рассматривать по выделенным группам.

Трубчатые кон­струкции

Кузова в сборе, контей­неры, вагоны, рамы тележек, надрамники самосвалов

Картеры ве­дущих мостов, корпусы редук­торов, баланси­ры, колеса

Рамы мото­циклов и складных вело­сипедов, карка­сы сидений водителей и пассажиров, поручни, раз­ветвления тру­бопроводов и т. п.

Обычно ОШ1 состоят из плоских панелей и поэтому поддаются расчленению для одновременного их изготовле­ния с последующей оконча­тельной сборкой-сваркой. При этом наиболее трудоемко про­изводство самих панелей, а не их соединение воедино

Характерна работа на уста­лостную прочность и большая степень ответственности кон­струкции, при которой разру­шение сварных соединений грозит аварией. Для обеспече­ния высокого качества сварки и точности размеров свари­ваемые кромки деталей перед сборкой подвергаются механи­ческой обработке

Осуществляется сварка пе­ресечений тонкостенных труб и пластин по сложной кривой. Соединения сильно нагружен­ные и ответственные, их вы­полнение зачастую возможно лишь с изменением режима сварки во время движения го­релки или с непрерывным из­менением их пространствен­ных положений

Малоответственные не­больших габаритов и неслож­ной формы

Сварочное оборудование РТК. Комплект сварочного оборудования РТК дуговой сварки состоит из:

• сварочного источника питания;

• аппаратуры подачи сварочной проволоки;

• набора сварочных горелок;

• агрегата охлаждения горелки;

• газовой аппаратуры;

• устройства автоматической очистки горелки от брызг;

• устройства зашиты горелки «антилом»;

• средства контроля положения горелки на руке ПР;

• пылесоса, коммуникаций и крепежных элементов;

• системы управления и контроля сварочным процессом.

Все эти устройства должны стабильно работать длительное время без участия человека, управляться системой управления РТК и иметь систему контроля параметров.

Сварочный источник питания должен обладать повышенной надеж­ностью зажигания дуги, стабильностью поддержания заданного режима, гибкостью управления и т. п. Современные инверторные источники питания управляют процессом сварки на уровне объема капель и времени переноса каждой из них, что позволяет значительно уменьшить разбрызгивание и вы­полнять сварку в любых пространственных положениях.

Аппаратура подачи сварочной проволоки должна обеспечивать рав­номерную и надежную подачу проволоки диаметром 0,8…2,0 мм, и при этом отклонение ее конца не должно превышать 0,2 мм на 15 мм вылета. Таким требованиям удовлетворяет метод «тяни-толкай», состоящий из двух механизмов; причем толкающий — планетарный типа ИЗОПЛАН. При ра­боте этого механизма сварочная проволока одновременно с подачей еще и выпрямляется, тем самым достигается высокая равномерность скорости, а значит, улучшение формы шва и уменьшение разбрызгивания. Для умень­шения простоев РТК за счет сокращения времени заправки и увеличения надежности работы механизмов используют катушки большой емкости или катушки обычных размеров с фабричной намоткой проволоки.

Сварочные горелки могут быть нескольких типов: прямые, Г – и S-об­разные; в зависимости от условий работы и режимов сварки -— как правило, с водяным охлаждением. Они должны иметь большую жесткость и проч­ность и не терять размеров при аварийных столкновениях до срабатывания выключателя, быть быстроразборными и быстросъемными, сохранять по­ложение конца проволоки относительно кисти робота в пределах допусти­мого износа токосъемника и при повторной сборке/установке горелки. Кон­троль точности положения конца сварочной проволоки осуществляется с помощью специального приспособления.

Агрегат охлаждения горелки использует жидкость, не дающую наки­пи (часто — дистиллированную воду), циркулирующую по замкнутому кон­туру и может быть смонтирован как в источнике сварочного тока, так и от­дельным блоком.

Газовая аппаратура обеспечивает смешивание и подачу защитного газа (или смеси газов) с заданным расходом и составом. Поскольку газы расслаиваются, готовые смеси, как правило, не используются, их смешива­ют непосредственно перед использованием. Кроме этого, горелку продува­ют сжатым воздухом для очистки и наносят противопригарную жидкость на внутреннюю поверхность сопла.

Устройство автоматической очистки горелки от брызг (механиче­ской «фрезой», пневматической продувкой и нанесением противопригарной жидкости) дополняется механизмом обрезания конца электрода для повы­шения надежности зажигания дуги.

В случае оснащения робота системой адаптации применяется прямая горелка. Адаптация «по дуге» осуществляется во время ее горения при ис­пользовании механизма страховки от поломок в качестве датчика «началь­ного положения». Имеется большое разнообразие систем адаптации, однако такая схема наиболее удобна.

Система управления сварочным процессом решает две задачи: выбор оптимальных параметров режима в зависимости от заданных номинальных технологических условий и их изменение или стабилизацию по определен­ному закону в случае возмущений.

Контролируются, а иногда и регистрируются текущие значения сле­дующих параметров: сварочного тока и напряжения, скорости сварки, ско­рости подачи и вылета проволоки, количества израсходованной проволоки; расхода, давления и состава газа; расхода, давления и температуры охлаж­дающей жидкости, износа наконечника и забрызгивания сопла. Задание этих параметров возможно как при программировании РТК, так и непосредст­венно через регуляторы аппаратуры.

Использование манипуляторов изделия. Смысл использования ма­нипулятора изделий состоит в том, что каждый шов может быть расположен в наиболее благоприятном для его формирования и наиболее удобном для робота пространственном положении. Для этого достаточно двух осей вра­щения. А поскольку чаще всего при относительно небольшой массе узлов (до 150…400 кг) РТК комплектуется механизмом «смены позиций», то та­кой поворотный стол с двумя манипуляторами изделий имеет пять осей вращения: две пары управляемых осей и одну шаговую ось. Для контактной точечной сварки достаточно стола с одной или тремя осями. Возможны слу­чаи, когда кантовка узла не требуется. Однако по такой схеме собирают только относительно простые узлы с небольшим числом входящих деталей.

Возможны и промежуточные варианты, когда оказывается необходи­мым поставить прихватки перед сваркой во избежание увеличения зазора в результате тепловых деформаций, или когда сварка ведется с последова­тельным откидыванием части прижимов после выполнения одних швов для обеспечения доступности к другим швам, или когда на этапе сборки на при­хватках часть коротких швов выполняется вручную.

При разработке роботизированной сварочной технологии необходимо выбрать или определить:

• способ сварки и сварочные материалы;

• приемлемое пространственное положение каждого шва и режимы сварки;

• вероятность получения брака и пути снижения процента брака;

• последовательность сборки, сварки и кантовки изделия и т. п.

К процессу роботизированной дуговой сварки предъявляется ряд тре­бований, невыполнение каждого из которых может привести к браку, оста­новке работы или к другим нежелательным последствиям:

• минимальное разбрызгивание металла;

• возможность сварки в положениях, отличных от нижнего;

• широкий диапазон режимов устойчивого горения дуги;

• надежное зажигание дуги;

• качественное формирование сварного шва;

• стабильность поперечного сечения шва и его химического состава;

• надежность контакта проволоки с токосъемником и т. п.

Одним из наиболее эффективных технологических приемов влияния на формирование шва является изменение пространственного положения стыка. Он дает эффект даже при небольшом отклонении от «нижнего» положения (при сварке «на спуск» до 20°). В этом случае улучшается форма шва: обеспе­чивается плавный переход от шва к основному металлу, уменьшается расход проволоки при повышении несущей способносности шва и увеличении скоро­сти сварки, уменьшается опасность прожога и получения брака вследствие не­точности расположения стыка относительно сварочной горелки. Преимуществ много, и именно использование манипулятора изделия с соответствующим числом осей обеспечивает получение этих преимуществ и увеличение произво­дительности процесса роботизированной сварки. Известны и другие техноло­гические приемы управления формированием сварного шва (наклоном элек­трода, колебаниями горелки, изменением полярности и т. п.).

Наиболее существенным требованием при разработке технологии ро­ботизированной сварки является уменьшение вероятности брака. Достиже­ние максимальной производительности и экономичности процесса главным образом достигается за счет создания условий почти непрерывной двух-, трехсменной работы сварочных РТК.

Оценка требуемой точности положения свариваемых стыков при роботизированной сварке. Современные промышленные роботы обладают такими техническими характеристиками, которые способны обеспечить прак­тически любую траекторию перемещения горелки с высокой точностью, необ­ходимой для процесса дуговой сварки. Однако условия самого производства далеко не всегда соответствую!’ этим высоким требованиям. К числу факторов, затрудняющих применение неадаптивных роботов, следует прежде всего отне­сти нестабильность расположения свариваемых стыков в пространстве и не­точность сборки свариваемых кромок (табл. 8.2). Эти факторы приводят к слу­чайным отклонениям — смещению горелки поперек стыка Т)т — и зазорам в соединении Ъ. Параметры Jnp и состав газа выбраны, 5) и S2 заданы, а остальные параметры изменяются согласно технологии, в том числе и для расширения допустимых смещений электрода и зазора в свариваемом стыке.

Таблица 8.2. Технологические параметры основных типов сварных

соединений

Эскиз таврового соеди­нения

Эскиз нахлесточного соединения

Существующие системы «геометрической» адаптации роботов, хотя и расширяют допустимые пределы отклонений горелки от линии свариваемо­го стыка, но в ограниченных пределах, не обладают универсальностью при­менения и значительно уменьшают производительность процесса. В связи с этим очень важно определить рациональные области использования свароч­ных роботов без адаптации и выявить условия, при которых необходимо применять адаптивные роботы.

В качестве наиболее простого и наглядного примера рассмотрим среднюю часть прямолинейного шва (рис. 8.13). Здесь изображены три линии: 1 — траектория электрода горелки, 2 — теоретическое положение свариваемого стыка, 3 — фактическое положение стыка. Основной при – I чиной некачественного (дефектного) соединения является случайное по­

перечное отклонение г) траектории горелки от фактического положения свариваемого стыка на величину, превышающую допустимое значение. Это отклонение в процессе сварки получается в результате суммирова­ния: Д1 — погрешности траектории горелки и Д2 — погрешности поло­жения самой линии стыка.

Тот участок шва, где конец электрода отклоняется от линии стыка на величину г) > §! (предельно допустимого смещения в данную сторону), ока­зывается дефектным. Отсюда следует, что отклонение конца электрода не должно выходить за пределы заштрихованной зоны шириной 6i 62 = б.

Погрешности траектории горелки Д1, в свою очередь, обусловлены:

• неточностью воспроизведения траектории движения горелки ро­ботом ДвоспР;

• неточностью обучения робота Дс;

• поперечным отклонением конца сварочной проволоки относительно оси горелки Дп.

Суммарное отклонение горелки можно представить в виде векторной суммы этих отклонений (на рис. 8.13 изображена лишь проекция Д1).

У современных роботов для дуговой сварки погрешность Дв воспроизведения траек­тории электрода не пре­вышает ±0,2 мм, и нет необходимости стремить­ся к дальнейшему уже­сточению этого показа­теля, так как другие от – рис. 8.13. Участок шва, выполняемый на РТК дуговой клонения оказываются сварки

существенно большими. Так, в реальных условиях у серийных отечествен­ных сварочных полуавтоматов отклонение Дп сварочной проволоки на выле­те 15 мм достигает ±1,0 мм вследствие изгиба конца и изнашивания отвер­стия токосъемника. Неточность обучения робота, в свою очередь, также за­висит от отклонения Дп сварочной проволоки, поскольку роботов обучают (программируют) по концу проволоки, и от квалификации обслуживающего персонала.

Возможны следующие пути уменьшения значений До и Дп:

• за счет обучения по концу проволоки, предварительно выпрямлен­ной в «контрольной точке», куда переносится горелка перед обучением ро­бота;

• за счет применения специальных подающих механизмов, выпрям­ляющих проволоку (типа ИЗОПЛАН).

Допустимое отклонение конца сварочной проволоки с сохранением высокого качества сварного шва может изменяться в самых широких преде­лах и зависит прежде всего от конструкции и размеров сварного узла. По­этому определение этой величины необходимо производить в каждом кон­кретном случае путем предварительных расчетов или непосредственных измерений следующих параметров:

• стабильности размеров входящих в узел деталей и их позициониро­вания в сборочном приспособлении, а также деформаций под действием за­жимов и прихваток;

• точности фиксации узла в сборочном приспособлении;

• точности позиционирования сварочного приспособления;

• сварочных деформаций, возникающих в процессе сварки.

Такие поэтапные замеры дают представление об основных причинах возникновения нестабильности положения стыка и могут быть использованы при разработке технологии роботизированной сварки. Статистическая обработ­ка результатов замеров партии узлов и деталей позволяет установить закон рас­пределения отклонений сварочной проволоки от оси свариваемого стыка.

Адаптация роботов. Зная значения допустимых и ожидаемых откло­нений сварочной проволоки, можно оценить целесообразность сварки дан­ного изделия с помощью робота без адаптации (рис. 8.14).

Уменьшить отклонение сварочной проволоки можно путем модерни­зации конструкции узла, повышением точности изготовления его элементов и сборки, изменением технологии сборки-сварки и прочими мероприятиями. Если они оказываются недостаточно эффективными или экономически не­целесообразными, то необходимо применение адаптивных роботов.

Использование систем адаптации кроме увеличения капитальных за­трат на оборудование, усложнения (а значит, уменьшения надежности) ро­бота и увеличения габаритных размеров инструмента (если имеется датчик

на горелке) также уменьшает производительность работы комплекса в зави­симости от ожидаемых погрешностей. Поэтому использование робота с сис­темой адаптации является вынужденной мерой, к которой прибегают во из­бежание чрезмерного процента брака сварки.

Чаще всего адаптация необходима для сварки крупногабаритных сварных конструкций, но и она вовсе не исключает необходимости меро­приятий по повышению точности базирования сварных швов на этапе под­готовки производства. Из практики известно, что разброс отклонений сва­рочной проволоки от оси свариваемого стыка путем различных усовершен­ствований технологии был уменьшен от ±20 до ±5 мм, а затем применение

робота с системой адаптации обеспечило ведение горелки по стыку при от­клонениях не выше ± 1,0 мм.

Обычно допуск бдОП на поперечное отклонение конца электрода от ли­нии стыка (рис. 8.15) для тавровых соединений принимают равным ±1,0 диаметра электродной проволоки или ±0,2 толщины свариваемого металла. Следует отметить, что это весьма неточные ориентиры, так как допуск зави­сит от большого количества факторов.

Для экспериментального определения зависимостей технологических факторов при роботизированной дуговой сварке был создан стенд, позво­ляющий вести сварку на образцах в любом пространственном положении стыка и горелки без нарушения значений г) и b (рис. 8.16). Стенд может

быть использован для различных исследовательских и экспериментальных ра­бот. В отличие от сварки с помощью ПР, он позволяет поэтапно проверить воз­действие всех технологических факторов (режимов, положений, отклонений, материалов и т. п.) и при этом много проще и дешевле в эксплуатации.

Методика экспериментов заключалась в сварке тавровых соединений, у которых исследуемый параметр (rj или Ъ) устанавливался переменным по длине пластин (табл. 8.3). Эксперимент повторялся при измененных услови­ях (например, изменяли наклон горелки).

По результатам экспериментов можно сделать несколько общих вы­водов о влиянии различных технологических факторов на допустимые от-

клонения и зазоры.

1. Наличие зазора в соединении Ъ резко сужает допуск на отклонения 5 (рис. 8.17).

2. Сварку таврового соединения следует вести по линии, соответст­вующей положению центральной оси зоны допуска (г)т = 2,5 мм) (см. рис. 8.15).

3. Наиболее эффективны сле­дующие пути расширения допустимого смещения оси сварочной проволоки:

а) наклон соединения — сварка «на спуск» (угол у до 45°),

б) поворот горелки в сторону полки (угол а до 30°).

4. Применение колебаний не эффективно, так как при толщине метал­ла порядка 4 мм ведет к подрезам.

5. Использование смеси газов углекислоты и аргона увеличивает жидкотекучесть металла и ужесточает допуск на позиционирование элек­трода.