Роботизирани заваръчни системи

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 4/2017 • 23.06.2017

Роботизирани заваръчни системи
Роботизирани заваръчни системи

Pоботизираното заваряване се състои в използването на механизирани програмируеми системи и инструменти (роботи), които напълно автоматизират процеса, като извършват самото заваряване и боравят с материалите и детайлите.

Автоматизираните заваръчни процеси от рода на електродъговото заваряване (МИГ/МАГ) не са непременно еквивалентни на роботизираното заваряване, тъй като при тях понякога човек подготвя материалите, които впоследствие се обработват.

Роботизираното заваряване обикновено е точково електросъпротивително или електродъгово и се прилага в масовото производство например в автомобилната индустрия.

История и развитие на технологиите в областта
Роботизираното заваряване е сравнително ново приложение на роботите, които са въведени за първи път в индустриалното производство през 60-те години на миналия век. Използването на роботизирани системи за заваряване започва през 80-те години, когато в автомобилната индустрия намират приложение роботи за точково заваряване. От тогава броят на роботите и приложенията им е нараснал значително.

По-сериозният ръст обаче се забавя главно от по-високите разходи за закупуване на роботизирано заваръчно оборудване и произтичащото от това ограничение при използването им в серийното и масово производство. Множеството предимства на роботизираното заваряване го превръщат в предпочитана от редица индустриални производители технология за увеличаване на точността, повторяемостта и производителността.

Устройство и компоненти на роботизираните заваръчни системи

Роботизираното електродъгово заваряване започва развитието си съвсем наскоро, а вече обхваща около 20% от приложението на промишлени роботи по света. Основните компоненти на роботите за електродъгово заваряване са манипулаторът (механичното устройство, което осъществява движението на робота) и контролерът, който изпълнява функцията на “мозък”.

Конструкцията на тези системи може да се категоризира в няколко често срещани типа например SCARA (кинематична схема с успоредни вертикални оси на ротация) и роботи в декартови координати. Роботът може да заварява в предварително програмирана позиция/траектория, да бъде насочван от система за машинно зрение или да използва комбинация от двата метода.

Независимо от приложението, повечето компоненти и функции са общи за всички роботизирани системи. Управлението, комуникационните устройства, операторските интерфейси, сензорите, периферното оборудване, оборудването за боравене с материалите и обработваните детайли, фиксаторите, устройствата за безопасност и кабелните кутии са елементи, които намират място в почти всички достъпни на пазара конфигурации. Някои от системите за роботизирано заваряване, използвани в практиката, изискват и участие на персонал.

› Реклама

Управление, комуникация и операторски интерфейс
Управлението, комуникационните инструменти и компонентите на операторския интерфейс в системите за автоматизация обикновено са взаимно свързани. Системните управления са съставени от управлението на самия робот и други системни контролери като PLC (програмируеми контролери) и персонални компютри.

Управлението на робота контролира роботизираните инструменти и осигурява работните движения, докато системните контролери са логически. Те въвеждат и извеждат данни за различни събития (например движение на детайли), осъществяват комуникацията с производствената среда, събират системни данни и обезпечават човеко-машинния интерфейс.

Функцията на системните контролери е да проверят дали са спазени системните изисквания и да комуникират с управлението на робота, като асистират изпълнението на съответната програма. Функциите на операторския интерфейс включват възможността персоналът на фабриката да следи състоянието на системата отдалечено и са средство за въвеждане на всякакви външни модификации на процесите.

При програмиране на операторския интерфейс се вземат предвид нивото на участие на човека (оператора) в системата, възможността за оценка качеството на детайлите преди роботът да ги обработи и необходимата сигнализация, когато системата изисква операторска намеса.

Контролер на заваръчния робот
В контролера на робота са съсредоточени всички програмни и контролни функции. Там програмите се трансформират във физически движения на робота. Този компонент от системата обикновено се предлага заедно с робота.

Контролерът не бива да се бърка с обучаващото устройство. То разполага с интерфейс за запомняне на движения и за регистриране на работни точки и изпълнява функцията на своеобразно дистанционно управление за робота, като на практика е по-скоро входен интерфейс за контролера. Повечето управления на роботи се предлагат в комплект с обучаващо устройство.

Енергиен източник, заваръчна горелка и станция за почистване
Енергийният източник осигурява необходимата електрическа енергия, нужна за генериране на топлината, която се използва за стопяване на метала в края на заваръчната горелка. Така става възможно сливането на двата детайла. От заваръчния енергиен източник зависят: типът заваряване, който е възможно да се приложи, видът на материала, който ще се заварява, както и номиналната и приложимата мощност.

Заваръчният накрайник се избира в зависимост от вида на избраната заваръчна техника. Всеки тип заваряване е свързан със специални изисквания и процедури.
За да е добра всяка следваща заварка, заваръчната горелка или накрайник винаги трябва да е чиста. Станцията за почистването му е сред задължителните елементи в роботизираните заваръчни клетки.

Експлоатирането на станциите се вгражда в програмата на робота, за да се гарантира, че горелките се почистват автоматизирано и правилно. За да се оптимизира времето за заваряване, най-често заваръчният накрайник се почиства по време на смяна на детайлите.

Работна клетка
Заваряването е процес, свързан с определено ниво на опасност, която произтича най-вече от генерирането на искри, газове или дим в помещението. В индустриалните заваръчни приложения загражденията са много полезни с оглед повишаване на сигурността и безопасността за персонала и оборудването.

Заедно с тях се инсталират и системи за поглъщане на вредните газове и предпазване на очите от искрите и заваръчната светлина, така че процесът да не носи риск за работниците в останалите зони на цеха. Тъй като движенията, свързани с работата на робота, представляват риск за нараняване на персонала и повреждане на материалните активи, е необходимо да се спазват съответните норми за безопасност на работните места.

В тази насока работните клетки за заваръчни роботи изпълняват двояка функция – осигуряват безопасността на роботите и безопасността на заваръчния процес, предпазвайки работниците. Заграждението може да бъде изпълнено като солидна, изцяло метална плоча вместо ограда, така че светлината, димът и газовете да не могат да преминават през нея.

В клетките за заваряване с по-голяма дължина често се използват линейни (декартови) оси. Те представляват неподвижен компонент (профил) от клетката, а самият робот се движи по оста. При добре проектирана система от линейни оси обхватът на робота и на заваръчната зона се разширява до всички страни на детайла.

Правилното проектиране на конфигурацията от линейни оси редуцира грешката, натрупана от движението на робота, с оглед гарантиране на максимална прецизност при позиционирането на заваръчната горелка и заваряването.

Пневматика, сензори и електрически компоненти
Пневматичните компоненти от рода на клапани, фитинги, въздушни филтри, сензори за налягане, регулатори, смазочни материали и филтри за смазочни вещества, както и задвижващите механизми за инструменти и устройствата за закрепване на детайли са части от автоматизираните системи.

Пневматиката се използва за задействане на захващането, позициониране и генериране на вакуум, както върху роботизирания инструмент, така и при работа с материалите или за задействане на скобите за затягане на детайлите и вакуумните хващачи.

Сензорите се използват за проверка на параметрите и етапите на процеса и локализиране на обработваните детайли. Използването на електромеханични устройства като ключове с чупещо се рамо, превключватели тип сензор за близост, датчици тип въздушни цилиндри с ефект на Хол и такива, които реагират, когато се прекъсне светлинен сноп, са сред видовете сензори, използвани за регистриране наличието на детайл за обработка или проверка на извършваното от робота действие.

Интегрирана в процеса камера или видео система могат да установят местоположението, ориентацията и дори да извършат проверка на качеството на детайла.

Pick-and-place операции
Pick-and-place операциите са пример за приложението на сензори в роботизираните заваръчни операции. Един робот не може да се задвижи, за да вземе даден детайл, докато сензорът за присъствие не индикира, че роботът е в желаната позиция и друг сензор не потвърди, че хващачът е отворен и е готов да повдигне детайла.

Когато роботът се премести до позицията за вземане, сензорът за захващане потвърждава, че хващачът е затворен около детайла, а сензорът за наличие на детайли показва наличието на такъв. Затвореният хващач, наличието на детайл в него и липсата на детайл в изходната позиция показват, че детайлът се придвижва правилно в системата.

На позицията за поставяне на детайла датчик проверява дали мястото е свободно. Отново, детайлът трябва да е на позиция, хващачът да е отворен и да не е открит детайл в него, за да може роботът да инициира последващо действие. Това е положителна индикация, че частта е преместена според очакванията. Този пример илюстрира как сензорите могат да се използват и за осигуряване на обратна връзка, че даден детайл е бил взет и поставен според очакванията.

При заваряването е обичайно да се използват сензори за детекция местоположението на захващащите приспособления, наличие на детайли в гриперите и работните позиции. В някои случаи датчиците извършват проверка какви заваръчни приспособления се използват, за да се узнае дали те съответстват на детайла, отговарящ на избраната от робота програма за заваряване.

В допълнение към често използваните типове сензори, техниката, известна като “опипване”, може да помогне за проверка на местоположенията и размерите на детайлите и да тества физическите характеристики на даден детайл като подготовка преди заваряване.

Електрически компоненти и системи за безопасност
Системите за автоматизация включват набор от електрически компоненти като свързващи кутии, трансформатори, стартери за двигатели, сервомотори с външна ос и задвижвания, заедно с необходимите контролни механизми за безопасност.

Сред елементите на системите за безопасност са: прегради за персонала, врати за достъп, ключове за вратите, сигнални лампи, блокировки на системата за управление и предупредителни табели. Системите за безопасност е препоръчително да бъдат проектирани така, че да съответстват на съответните действащи стандарти за индустриални роботи и роботизирани системи.

Когато човешкото взаимодействие с робота е разрешено при определени контролирани, безопасни условия, е налице колаборативна конфигурация. Спецификациите и изискванията към този род процеси са подробно описани в наскоро публикуваната техническа спецификация ISO/TS 15066:2016, Колаборативни роботи.

В допълнение към компонентите на стандартните системи за безопасност в автоматизираните цехове е нужно инсталиране на оборудване за изсмукване на димовете и газовете и защита на очите от заваръчната светлина.

Периферно оборудване
В конфигурацията на автоматизираните заваръчни системи влизат основата или тялото на роботите, въртящите се маси, конвейерите за придвижване на детайлите, закрепващите устройства, инструментална екипировка, гнездата за заваряване и други спомагателни устройства и приспособления, необходими за извършване на процеса.

Инструменталната екипировка в автоматизираните заваръчни системи, базирани на роботи, включва: заваръчното захранване, телоподаващото устройство, горелката, станцията за почистване и спомагателните компоненти.

Плотове, въртящи се маси и приспособления за закрепване
Масите, независимо дали са обикновени плотове със скоби или въртящи се маси, комуникиращи с външни оси, са най-разпространеният тип устройства, които се използват за закрепване на детайли и заваряването им заедно. Външните оси позволяват на детайлите да се въртят, докато роботът заварява. Въртящата се маса може да се използва заедно с други работни плотове или външни оси, като повечето конфигурации позволяват прехвърляне на процеса от едни детайли към други.

Така докато роботът заварява, операторът може да зареди следващия комплект детайли, който ще бъде заваряван. След като роботът завърши заварката, масата се завърта и роботът заварява новия комплект детайли, докато операторът изважда заварения и зарежда нов. Това позволява почти нулево време на престой между заваръчните цикли и спомага за значително увеличаване на производителността.

Кабелни системи
Проблемите с кабелите в автоматизираните системи включват повреждането им вследствие на повтарящо се огъване; окъсяване, причинено от износване; разкачване, причинено от движение и др.

Кабелите следва да бъдат свързани и осигурени по следните направления: вход и изход от системата; между робота и контролера; между контролера на робота и системния контролер; между различните части от периферното оборудване; между кабелните кутии и предпазните елементи.

Кабелите, свързани с рамото на робота, следва да бъдат с висока гъвкавост и да поемат напълно движенията рамото. Захранващите кабели, кабелите между системните компоненти и свързващите кутии обикновено са неподвижни, така че тук не се изисква висока гъвкавост.

Оптимално е да се използва вътрешното окабеляване, осигурено от производителя на робота, но често се налага и допълнително свързване на кабели към рамото на робота.

Тези кабелни превръзки и системи включват кабела на горелката, заваръчния проводник и всички външни сензори, както и други елементи, монтирани от външната страна на рамото, като пневматични линии, линии за охлаждане и маркучи за подаване на работни флуиди и консумативи. При монтажа на всички тези елементи трябва да се има предвид траекторията на движение на роботизираната ръка.

Роботът
Роботът е основният компонент на роботизираната клетка и автоматизираната заваръчна система. Той се избира по три основни критерия: обхват (работна област); полезен товар (или тегловен капацитет) и скорост. При заваръчните приложения ръката на робота трябва да компенсира натоварването, породено от въртящия момент, и теглото на горелката, изолационния диск, захранващия кабел и кабела на горелката.

Обхватът на робота трябва да е достатъчен, за да може той да разгъне напълно рамото си, да има достъп до всички страни на детайла и да се придвижва, за да достигне всички необходими точки за заваряване.

При определяне производителността на роботизираната система трябва да се вземе предвид скоростта на робота при извършване на всички заварки плюс скоростта на свободните движенията между заварките.

В управлението на заваръчни роботи обикновено се използва софтуер, който осигурява средства за комуникация със заваръчния токоизточник и за тълкуване на необходимостта от промени в движението, за да се оптимизира заваръчният процес.

 

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top