Сварочные роботы для производства: подбор под изделие

Сварочный робот — это программируемый промышленный манипулятор, который перемещает сварочную горелку по заданной траектории и имеет специальные функции для сварочного процесса (колебательные движения, функции поиска шва и т. п.).

Промышленный робот — это автоматически управляемый перепрограммируемый многоцелевой манипулятор, программируемый по трём и более осям. Сварочные роботы, как правило, имеют 6 осей; при работе с позиционером или треком к ним добавляются внешние оси. Пример такой компоновки — сварочные роботы GSX (GSK) серии RH с шестью степенями свободы.

Сам робот не выполняет весь сварочный процесс. Ему нужны источник сварочного тока, горелка, система управления, средства безопасности и оснастка. Оснастка — это приспособления для установки и фиксации детали.

При необходимости комплекс дополняют позиционером, системой поиска и слежения за швом, станцией очистки горелки и другим оборудованием. Поэтому промышленный робот не следует путать с готовым роботизированным сварочным комплексом: манипулятор — это одна позиция в спецификации, а не участок.

Ключевые термины:

Сварочные роботы подходят для повторяемых операций со стабильной геометрией деталей и прогнозируемой загрузкой участка. Главный фактор — не объем выпуска сам по себе, а повторяемость заготовки.

Наибольший практический эффект возможен при следующих условиях:

• предприятие выпускает повторяющиеся изделия крупными или мелкими сериями;
• положение сварных швов можно заранее определить;
• заготовки имеют контролируемую геометрию и хорошую подготовку;
• детали можно одинаково устанавливать по заданным опорным точкам и надёжно фиксировать;
• горелка получает доступ к шву без препятствий;
• переналадка не занимает большую часть рабочего времени;
• требования к сварному соединению можно перевести в стабильную технологию.

Числовой критерий, который проверяют первым

Наиболее частая причина, по которой роботизация не дает результата, — неточность сборки деталей и неточность геометрических размеров заготовок, а не характеристики робота. Без системы слежения фактическое положение шва должно повторяться от заготовки к заготовке в пределах ориентировочно 1–2 мм. Конкретное значение зависит от геометрии валика шва, толщины металла, типа соединения и от того, применяются ли колебательные движения.

Если фактический разброс больше этого допуска, есть три пути:

• стабилизировать заготовку (изменить раскрой, гибку, порядок прихваток, доработать сборочную оснастку);
• применить систему поиска и слежения за швом;
• перевести соединение на технологию, менее чувствительную к зазору (например, увеличенный катет углового шва, многопроходная сварка с адаптацией, колебательные движения при сварке).

Этот ориентир проверяют на контрольных деталях конкретного производства: допуск зависит от материала, толщины, типа соединения и требований к шву.

Роботизированный комплекс может применяться для рам, корпусов, кронштейнов, трубных узлов, тел вращения, емкостей и металлоконструкций. Окончательное решение принимают после анализа конкретного изделия или технического задания.

Сварочный робот стабильно повторяет программу, но требует подготовленных деталей, оснастки и настройки процесса. Сварщик быстрее адаптируется к единичным изделиям и неожиданным отклонениям.

Разница в коэффициенте дугового времени — основной источник экономического эффекта. При ручной сварке большая часть смены уходит на подготовку, позиционирование детали, зачистку и вспомогательные операции. Ячейка с двумя позициями сваривает одну деталь, пока оператор загружает вторую, и вспомогательное время выводится из цикла.

Сварочный робот не исключает участие квалифицированных специалистов. Технолог разрабатывает процесс, оператор управляет комплексом, а контролёр проверяет результат. Роботизация меняет структуру занятости, а не отменяет требования к квалификации.

Роботизированный сварочный комплекс — это система из промышленного робота, сварочного оборудования, оснастки, управления и средств безопасности.

Точный состав зависит от изделия, сварочного процесса, положения швов и требований производства.

Роботизированный сварочный комплекс WELDIX комплектуют под конкретное изделие, поэтому поставка одного манипулятора не равна поставке готовой сварочной ячейки. Перед заказом необходимо проверить полную спецификацию комплекса — включая позиции, которые легко упустить: дымоудаление, газовое хозяйство, защитные экраны и запас изнашиваемых частей на первый период эксплуатации.

Сварочного робота выбирают по геометрии детали, рабочей зоне, траекториям швов и составу инструмента. Сравнение только по цене или радиусу действия даёт неполную картину.

При подборе сварочного робота проверяют следующие параметры.

Геометрия изделия и швов

Нужно определить размеры детали, положение соединений и последовательность сварки. Отдельно проверяют внутренние углы, глубокие полости и зоны с ограниченным доступом.

В расчет включают не только начало и конец шва. Учитывают заход горелки, изменение угла наклона и поворота, обход зажимов и безопасный выход. Практически это означает, что каждый шов проверяют не как отрезок, а как участок траектории с заданной ориентацией инструмента в каждой точке.

Рабочая зона

Рабочий радиус (зона досягаемости) должен обеспечивать доступ ко всем швам при выбранном расположении оборудования. Избыточный радиус сам по себе не делает решение эффективнее.

Важно учитывать, что паспортная зона досягаемости не равна полезной. Из неё исключаются:

• зона вокруг и позади основания робота, недоступная по кинематике;
• окрестности сингулярных положений, где движение по прямой траектории становится некорректным;
• положения, при которых нужный угол наклона горелки недостижим;
• объём, занятый оснасткой, позиционером и ограждением.

Типовая досягаемость сварочных роботов — 1400–2000 мм; например, серия RH06 выпускается в исполнениях с радиусом действия 1490 и 2076 мм.

Интегратор должен проверить схему размещения оборудования в пространстве. В схеме учитывают робота, изделие, позиционер, оснастку, ограждение и зоны обслуживания. Проверку выполняют моделированием в CAD или в среде офлайн-программирования, а не по чертежу вручную.

Грузоподъемность робота

Грузоподъемность робота относится к оборудованию на его запястье. В нагрузку входят горелка, датчик столкновения, кабели и другие элементы. Типовой вес горелки в сборе с креплением, антиколлизионным датчиком и участком шлейфа — 3–6 кг. У роботов серии RH06 — RH06A2 и RH06A3 — эффективная нагрузка составляет 6 кг во всех исполнениях.

У роботов серии RH06A2 кабели проходят внутри руки. Полая рука снижает риск зацепов шлейфа за оснастку и деталь, что особенно заметно при сварке в стесненных зонах и при работе с координированным движением позиционера.

Массу изделия обычно воспринимает стол, позиционер или отдельная опорная конструкция. Поэтому массу детали нельзя использовать как единственный критерий выбора робота — она определяет выбор позиционера, а не манипулятора.

Повторяемость позиционирования и точность траектории

Повторяемость позиционирования — способность робота возвращаться в одну и ту же точку. Паспортное значение сравнивают с требованиями к траектории и шву. Само по себе оно не гарантирует качество.

Здесь важно различать два разных показателя:

• повторяемость позы (repeatability) — разброс при многократном возврате в одну точку; у сварочных роботов обычно ±0,02–0,08 мм, у роботов серии RH06 точность повторного позиционирования составляет ±0,05 мм;
• точность траектории (path accuracy) — отклонение фактического пути от запрограммированного при движении с рабочей скоростью; всегда хуже повторяемости и для сварки значит больше.

Повторяемость на уровне сотых долей миллиметра на один-два порядка точнее любого реального допуска на сварной шов. Она почти никогда не является ограничивающим фактором. На результат влияют подготовка кромок, прихватки, разброс деталей, оснастка и стабильность сварочного процесса — именно эти параметры и нужно проверять при подборе.

Тип сварочного процесса и интерфейс источника

Сначала определяют технологию сварки, материал, соединение и требования к шву. После этого подбирают источник сварочного тока и проверяют его связь с системой управления робота.

Типовые процессы для роботизации:

Отдельно проверяют, может ли сварочное оборудование работать с системой управления робота. Связь реализуется либо аналоговым интерфейсом, либо цифровой промышленной шиной (DeviceNet, EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET). Цифровой интерфейс позволяет управлять сварочными программами источника, читать фактические ток и напряжение и вести протоколирование параметров — при аналоговом подключении эти функции недоступны или ограничены. Возможность подключения должна быть указана в документации или подтверждена расчётом проекта.

Отдельно проверяют ПВ (продолжительность включения) источника, измеренную по ГОСТ IEC 60974-1 при 40 °C и цикле 10 минут. Для роботизированной ячейки источник подбирают так, чтобы рабочий ток находился в диапазоне 100 % ПВ: робот, в отличие от сварщика, не делает пауз. Источник, рассчитанный на ручную работу с паузами, в ячейке может уходить в тепловую защиту.

Нормативная база по процессу: ГОСТ 14771 (дуговая сварка в защитном газе), ГОСТ 2246 (сварочная проволока), а также требования к уровню качества сварных соединений, действующие у заказчика или в отрасли.

Длительность рабочего цикла

Производительность считают для конкретного изделия. В цикл включают сварку, перемещения, очистку горелки, загрузку, выгрузку и проверку детали.

Также учитывают переналадку, смену расходных частей и возможные остановки. Сравнение только по скорости движения робота может дать ошибочный результат: у большинства изделий время горения дуги составляет меньшую часть такта.

Позиционер нужен, когда изделие требуется поворачивать, наклонять или удерживать в удобном для сварки положении.

Позиционер помогает обеспечить доступ горелки и выбрать подходящее положение шва. При подборе позиционера проверяют массу, габариты, центр тяжести и способ крепления изделия, а также опрокидывающий момент относительно оси наклона.

Позиционер особенно полезен для:

• тел вращения;
• трубных узлов;
• рам со швами на нескольких сторонах;
• корпусов и ёмкостей;
• изделий с внутренними или нижними швами;
• деталей, которые нельзя сварить из одного положения.

Типы позиционеров

Координированное движение

Позиционер может работать в двух режимах, и это различие влияет на выбор оборудования.

• Индексное позиционирование — деталь поворачивается между швами, сварка идет в неподвижном положении.
• Координированное (синхронное) движение — позиционер подключён как внешние оси робота, и деталь непрерывно поворачивается в процессе сварки. Шов удерживается в нижнем положении, что позволяет вести сварку на большей скорости и с лучшим формированием.

Не каждый проект требует позиционера. Для плоской детали с доступными швами может быть достаточно неподвижного стола и специализированной оснастки.

Оснастка обеспечивает повторяемое положение заготовок и сохраняет доступ горелки к сварным швам. По затратам и срокам оснастка — часто самая недооцененная позиция проекта: для сложных изделий её стоимость может приближаться к стоимости самого манипулятора, а изготовление определять критический путь всего внедрения.

Базирование — установка детали по заданным опорным точкам. Если деталь установлена нестабильно, траектория смещается вместе с ней. Это может сместить шов.

При проектировании оснастки проверяют:

• точки базирования;
• последовательность установки деталей;
• расположение зажимов;
• доступ горелки;
• возможность удаления готового изделия;
• влияние сварочных деформаций;
• удобство очистки и обслуживания;
• время загрузки и выгрузки;
• безопасность оператора.

Зажимы не должны перекрывать рабочую траекторию. Конструкция оснастки также должна учитывать кабели, сопло горелки и возможные столкновения. Отдельно предусматривают защиту опорных и прижимных элементов от брызг: приварившиеся брызги на базовых поверхностях изменяют положение детали и являются частой причиной ухода шва в эксплуатации.

Если разброс сборки превышает допустимый, применяют системы поиска и слежения за швом. Они не заменяют оснастку, а компенсируют остаточные отклонения.

В спецификации важно различать две разные функции.

• поиск шва — определение фактического положения соединения перед началом сварки; робот сдвигает траекторию по найденным точкам;
• слежение за швом — коррекция траектории непосредственно в процессе сварки, когда линия соединения отклоняется от запрограммированной или деталь ведёт от нагрева.

Типовые способы реализации:

Ограничения, которые проверяют до заказа:

• ни одна система не создаёт материал: при чрезмерном зазоре шов не заполнится, поэтому границу по зазору задаёт технология, а не датчик;
• поиск шва увеличивает такт — на коротких швах время поиска может быть сравнимо со временем сварки;
• датчику нужен обзор соединения и место перед горелкой, что учитывают при проектировании оснастки и выборе угла наклона горелки;
• программа усложняется: траекторию строят от найденных точек, а не от жёстко заданных координат.

Стабилизация заготовки и доработка оснастки почти всегда дешевле системы слежения. Поэтому системы коррекции применяют для остаточного разброса, а не вместо стабилизации производства.

Чтобы сравнение было честным, сопоставляйте не цену робота, а одинаковый объем поставки и работ. Оба предложения должны опираться на одно и то же техническое задание — иначе вы сравниваете разные вещи.

Если два предложения различаются по цене более чем на 20–30 %, разница почти всегда объясняется не маржой поставщика, а разным объёмом поставки: чаще всего — оснасткой, безопасностью, программированием и пусконаладкой.

Характеристики роботов серии RH06

Данные приведены по WELDIX. Каждая модель выпускается в двух исполнениях, различающихся радиусом действия и массой; остальные параметры внутри серии совпадают.

При выборе исполнения учитывают, что увеличение радиуса действия сопровождается снижением максимальных скоростей по осям J1–J3 и ростом массы робота. Больший радиус не является улучшенной версией меньшего — это другой компромисс между зоной обслуживания и динамикой.

Полный перечень оборудования и характеристик — в разделе «Модельный ряд».