Adaptacyjne sterowanie robotem

CZĘŚĆ 2. SPAWANIE BLACH

SPAWANIE - PRZEGLĄD TECHNIK

Wstępnie ukształtowane arkusze blach łączy się, spawając je ze sobą. Polega to na ich miejscowym stopieniu i zestaleniu. Złącze wypełnia się spoiwem, które stapia się wraz z materiałem rodzimym. Wyróżnia się kilka metod spawania, m.in. gazowe i elektryczne.

W spawaniu gazowym źródłem ciepła jest płomień palnika powstający w wyniku spalania gazu, zazwyczaj acetylenu, rzadziej wodoru albo propanu. Do zalet tej metody zalicza się: szybkość, wydajność, możliwość łączenie zarówno blach cienkich, jak i grubych, i niższą cenę urządzeń w porównaniu z innymi technikami. Niestety pewnych materiałów nie da się w ten sposób spawać albo jest to utrudnione. Problem ten dotyczy stali o wyższej zawartości węgla, tych odpornych na korozję oraz aluminium. Ponadto spoiny są mniej estetyczne od tych wykonanych pozostałymi metodami.

W kolejnej metodzie źródłem ciepła jest łuk elektryczny. Odmianą tej techniki jest spawanie w osłonie gazowej. Można je zrealizować na kilka sposobów.

Jakość obróbki elementów ze stali powinna być sprawdzana. Kontroli poddawane muszą być m.in.: wykończenie krawędzi, gładkość powierzchni, kształt oraz wymiary. W tym celu używane są różne metody inspekcji i pomiarowe. Przykładem są systemy wizyjne.

Inspekcja wizyjna części samochodowych

W pewnym zakładzie, w którym produkowane są podzespoły do samochodów, szukano sposobu na skrócenie czasu kontroli jakości spawanych komponentów instalacji odprowadzania spalin. Części te powinny ściśle spełniać wytyczne norm regulujących ich wymiary i stopień szczelności. Do tej pory pomiary tych wielkości wykonywane były ręcznie, na oddzielnych stanowiskach. Trwało to średnio około 15 minut dla każdego elementu, kilka razy dłużej niż proces jego spawania. Aby pomiar ten skrócić, zautomatyzowane stanowisko spawania zostało uzupełnione o stanowisko automatycznej inspekcji. Komponenty poddawane badaniom są do niego dostarczane na przenośniku.

Każdy z nich jest oznakowany tagiem RFID odczytywanym przez skaner w celu jego identyfikacji. Następnie kamera zamontowana na ramieniu robota wykonuje serię zdjęć detalu. Na ich podstawie weryfikowane są jego wymiary. Dalej otwory komponentu są domykane i za pomocą sprężonego powietrza i przepływomierza sprawdzana jest jego szczelność. Na każdym z etapów inspekcji części, które uznano za wybrakowane, są oklejane etykietą z odpowiednią informacją oraz separowane od detali bez skaz. Wyniki kontroli jakości są zapisywane w bazie danych. Później analizuje się je, by wykryć przyczynę defektów.

Aby zapewnić najwyższą dokładność inspekcji, po sprawdzeniu każdego detalu wykonywany jest pomiar kontrolny. Dzięki temu natychmiast wykrywane są wszelkie problemy w działaniu systemu. Ich przyczyną są zwykle zdarzenia mechaniczne, jak na przykład kolizja ramienia robota z jakimś innym elementem systemu, uszkodzenie albo obluzowanie kamery, soczewek itp. Wówczas automatycznie kontrola jakości jest wstrzymywana.

Inwestycja w opisany system inspekcji szybko się zwróciła. Udało się bowiem, dzięki skróceniu czasu badania do poniżej 1 minuty, znacznie poprawić wydajność produkcji. Ważne jest także to, że został on zaprojektowany tak, aby w przyszłości łatwo można było go przystosować do kontroli innych elementów. W tym celu wystarczy przeprogramować robota i zmodyfikować program do przetwarzania obrazów w systemie wizyjnym.

SPAWANIE TIG I MIG/MAG

Jednym z nich jest spawanie metodą TIG (Tungsten Inert Gas). Łuk elektryczny w tym wypadku wytwarzany jest przez nietopliwą elektrodę wolframową w osłonie gazu obojętnego. Tym ostatnim jest zazwyczaj argon albo hel. Jego zadaniem jest ochrona roztopionego metalu przed utlenianiem.

Metoda TIG ma wiele zalet, m.in. umożliwia łączenie różnych metali w zasadzie bez ograniczeń, pozwala też na scalanie cienkich blach. Oprócz tego spoina jest wysokiej jakości i nie wymaga w zasadzie żadnego czyszczenia. Wadą tej techniki jest mała szybkość spawania.

W metodach MIG/MAG łuk elektryczny wytwarzany jest przez elektrodę topliwą. W spawaniu MIG (Metal Inert Gas) jako gaz osłonowy używany jest gaz chemicznie obojętny, na przykład argon albo hel. W spawaniu MAG (Metal Active Gas) natomiast funkcję tę spełnia gaz chemicznie aktywny, przykładowo CO₂. Do zalet technik MIG/MAG zalicza się m.in. możliwość łączenia różnych metali, wydajność i dobrą jakość spoin.

Źródłem ciepła w spawarkach są też: plazma, laser i wiązka elektronów.

JAK UNIKNĄĆ WYPACZENIA CIENKICH BLACH?

Rys. 6. Spawanie techniką backstep zapobiega wypaczaniu blach

Gdy gorąca spoina chłodzi się, zastygając kurczy się. Powoduje to ściągnięcie połączonych krawędzi blachy, co ją wypacza. Cienkie arkusze są na to podatniejsze, podobnie jak stal nierdzewna, która w porównaniu do stali węglowych ma większy współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz mniejszą przewodność termiczną. Chociaż skrzywiania się blach nie da się całkiem uniknąć, można je zminimalizować.

W tym celu przykładowo powinno się unikać przewymiarowywania spoin - im większa spoina, tym silniej będzie się kurczył. Ponadto zamiast ciągłych spoin trzeba wykonywać przerywane. Arkusze warto także spawać z obu stron, wówczas bowiem siły wypaczające blachę wzajemnie się niwelują. Połączenie należy wykonywać w postaci mniejszej liczby większych spoin, zamiast większej liczby tych mniejszych, bowiem efekt kurczenia się każdej z nich kumuluje się. Można również, przede wszystkim w spawaniu niezautomatyzowanym, ścieg spoiny wykonać specjalną techniką (backstep) (rys. 6). Ponadto warto dobrze zaplanować sekwencję wykonywania kolejnych spoin w taki sposób, by kurczenie się spoiny w jednym miejscu przeciwdziałało temu w innym. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest jednak unieruchomienie arkuszy w czasie spawania przy użyciu zacisków albo innych mocowań.

ROBOTYZACJA SPAWANIA

Ręczne spawanie z kilku powodów wciąż jest popularne. Przede wszystkim operator szybciej niż system zautomatyzowany adaptuje się do zmiennych warunków. Na przykład po wstępnej ocenie jakości krawędzi, które ma połączyć, jest on w stanie, wykonując kolejne fragmenty spoiny, na bieżąco regulować ustawienia spawarki. Jeżeli zauważy jakiś ubytek na krawędzi, przez który arkusze dzieli większa szczelina, wykonuje grubszą spoinę. Jeśli z kolei z powodu nierówności brzegi są zbyt blisko siebie, wykona on spoinę odpowiednio cieńszą.

Z drugiej strony automatyzacja tego procesu ma liczne zalety. Są to m.in. większa wydajność oraz powtarzalność, które mają szczególne znaczenie w produkcji na masową skalę. Ciągłość i jakość produkcji nie jest ponadto uzależniona od dostępności i kwalifikacji operatorów. Wyręczenie tych ostatnich robotami poprawia również ich bezpieczeństwo. Zastąpienie człowieka nie jest jednak proste.

Podobnie jak operatora, także robota trzeba "nauczyć" spawania, aby wykonywał to zadanie w sposób powtarzalny. W wypadku tych maszyn cel ten jest osiągany przez ich programowanie. Wyróżnia się dwie metody programowania tych urządzeń: online i offline.

JAK NAUCZYĆ ROBOTA SPAWANIA?

Rys. 7. Przykład ścieżki ruchu robota spawalniczego

Pierwsza z nich polega na programowaniu robota na jego stanowisku pracy przez "nauczenie" go właściwej kolejności ruchów. Zadanie to należy do operatora. Za pomocą panelu sterującego albo joysticka porusza on ramieniem robota. Układ sterujący zapisuje współrzędne kolejnych punktów wyznaczających tory poszczególnych przemieszczeń albo współrzędne pozycji docelowej, jeżeli sposób jej osiągnięcia nie jest ważny. Do wad tej metody zalicza się: długi proces programowania, wymóg dostępności robota, a tym samym jego wyłączenie z realizacji innych zadań produkcyjnych i konieczność zaangażowania doświadczonego operatora.

Rysunek 7 przedstawia przykład ścieżki ruchu. Pierwszy z jej punktów oznacza pozycję wyjściową. W tym położeniu ramię robota znajduje się w bezpiecznej odległości od stołu. W pozycji numer dwa przysuwa się ono trochę bliżej arkuszy, które zostaną połączone, ale wciąż na tyle daleko, by mieć pewność, że nie uderzy ono w nie. Położenie numer trzy jest pierwszym punktem właściwej ścieżki spawania. W kroku numer 4 włączana jest spawarka.

Tomasz Nowak

KUKA Polska

W jakich zastosowaniach związanych z obróbką blach i wytwarzaniem elementów metalowych stosowane są roboty? Jakie obszary mogą zrobotyzować firmy, w tym również te mniejsze i średniej wielkości?

Coraz większy nacisk na wydajność w zakładach produkcyjnych w branży metalowej sprawia, że automatyzacja bazująca na wykorzystaniu robotów staje się nieodzowna. Wymagania stawiane niezawodnemu systemowi zrobotyzowanemu są bardzo różne i stanowią nie lada wyzwanie pod względem kompleksowości. Wyjątkowa precyzja ruchu, najwyższa powtarzalność i optymalne czasy cykli - to dowody na to, że KUKA wie, co jest ważne systemach zrobotyzowanych.

Branża związana z obróbką blach staje się jedną z najbardziej popularnych do zrobotyzowania. Zastosowania robotów są tutaj bardzo różnorodne. Wykorzystywane w procesach spawania roboty o niższej klasie udźwigu muszą być dostosowane do masy palnika (wraz z crash-boxem i przewodami giętkimi) - od 3 do 6 kg przy kołnierzu. W większości aplikacji stosuje się typy robotów o udźwigu od 5 do 16 kg i zasięgu od 0,8 do 3 m. Wprowadzając na rynek roboty typu ARC-Welding, firma KUKA oferuje zoptymalizowane dla potrzeb spawania łukowego pakiety technologiczne i aplikacyjne ułatwiające obsługę i programowanie.

Roboty wykorzystywane są ponadto w całym ciągu technologicznym. Odpowiednio wyspecyfikowane roboty pod względem zasięgów i nośności obsługują załadunek oraz rozładunek maszyn. Wyposażone w odpowiednie narzędzie z powodzeniem zastosowane są w operacjach obróbki jak cięcie czy frezowanie. Specjalnie przygotowany interfejs pozwala połączyć robota bezpośrednio z giętarkami lub obrabiarkami.

Należy zwrócić również uwagę na fakt, że zarówno cena, jak i elastyczność przezbrajania oraz łatwość programowania pozwalają zaplanować użycie robota z powodzeniem nie tylko w dużych zakładach produkcyjnych. Chcąc zapewnić wymaganą jakość, stabilność oraz elastyczność produkcji przy niskich kosztach wytwarzania robotyzacja staje się nieodzowna.

ZALETY I WADY PROGRAMOWANIA OFFLINE

Oba segmenty ścieżki są liniami prostymi. W kroku numer 8 spawarka jest wyłączana. Przejście z pozycji numer 8 na pozycję 9 pozwala na wycofanie ramienia robota na bezpieczną odległość od połączonych blach. Następnie wraca ono do położenia wyjściowego.

Programowanie offline odbywa się poza stanowiskiem roboczym robota, w specjalnym programie symulacyjnym, w którym trajektorie wyznacza się na podstawie modeli cyfrowych przedmiotów malowania oraz modeli kinematycznych robotów. Zaletą tej metody jest możliwość przetestowania programu przez wizualizację procesu w komputerze. Ponadto wielokrotnie modyfikować można wcześniejsze programy. W komputerze łatwiej jest też przedstawić bardziej skomplikowane ruchy, korzystając z różnych funkcji danego oprogramowania. Co prawda koszt zakupu takiej aplikacji jest wysoki, jest to jednak wydatek jednorazowy. Zwykle zwraca się on dość szybko, ponieważ robot w trakcie prac nad programem nie musi być wyłączony z dotychczasowych zadań.

Nadplanowe koszty to… dodatkowy zysk

Koszty wdrożenia zautomatyzowanego systemu spawania są zwykle dość duże. W związku z tym jakiekolwiek dodatkowe wydatki na opcjonalne wyposażenie z reguły nie są mile widziane. Jednak warto je uwzględnić, planując budżet takiej inwestycji. Pozwalają one bowiem w pełni wykorzystać potencjał zrobotyzowanego systemu spawania dzięki temu, że poprawiają jego wydajność, jakość wykonania spoin oraz ograniczają liczbę i czas trwania nieuzasadnionych przestojów.

Przykładem takiego "dodatku" jest stacja do czyszczenia, w której z dyszy, końcówek i innych części automatu do spawania usuwane są rozpryski spoiwa. Aby czyszczenie nie zmniejszało wydajności systemu, powinno się je przeprowadzać w rutynowych przerwach w jego pracy. Dla maksymalnego wykorzystania tych planowanych przestojów ważne jest, aby stacja znajdowała się w pobliżu robota. Czyszczenie powinno się przeprowadzać możliwie jak najczęściej - im czystsza jest dysza, tym zazwyczaj dłużej pracuje.

ADAPTACYJNE STEROWANIE ROBOTEM

Aby robot - podobnie jak człowiek - również dostosowywał się do zmiennych warunków, kontroler tej maszyny powinien stosownie modyfikować parametry ruchu ramienia spawającego. Realizuje się to poprzez sterowanie adaptacyjne na podstawie informacji z czujników, w jakie wyposaża się robota. Ich zadaniem jest m.in.: detekcja krawędzi złącza, śledzenie jego przebiegu, żeby odpowiednio do niego zmieniało się położenie płomienia palnika oraz pomiar szerokości złącza w celu wykrycia wszelkich nieregularności i nieciągłości krawędzi.

Do znalezienia początku złącza albo krawędzi arkusza używane są przede wszystkim czujniki dotykowe i zbliżeniowe. Sensor dotykowy realizuje się, doprowadzając napięcie na przykład do dyszy, którą dostarczany jest gaz osłonowy, drutu spawalniczego albo dodatkowego próbnika. Kiedy końcówka tego elementu dotknie blachy, zwarcie jest wykrywane przez sterownik robota. Sensory zbliżeniowe to zwykle sensory indukcyjne. Do śledzenia przebiegu oraz wyznaczania wymiarów złącza używane są natomiast głównie systemy wizyjne i skanery laserowe.

Monika Jaworowska