Использование различных датчиков для роботизированного оборудования позволяет получить характеристики сварочной ячейки схожие с человеческими возможностями. Правильно подобранные датчики, настроенный робот-манипулятор (его программа) и периферийное оборудование не только значительно расширяют эксплуатационные возможности, но и обеспечивают робот-манипулятор новыми адаптивными функциями осязания и зрения. Рассмотрим, как решается проблема смещения сварного шва или свариваемого компонента.

Как правило, использование в промышленности датчиков с возможностью корректировки ТСР (Tool Center Point) во время движения робота-манипулятора ограничивается следующими факторами:
— высокие первоначальные инвестиционные затраты;
— физический размер устанавлимоего дополнительного оборудования;
— невозможность достичь желаемой точности процесса;
— наложение допусков, традиционно не применяемых в автоматизированной сварке.

Рис. 1. Пример металлоконструкции.
 

Однако применение нового сенсорного оборудования для сварки позволяет получить недоступные до этого точность и конфигурацию сварочной ячейки, обеспечивающие высокую эффективность процесса, качество и надежность. Кроме того, постоянно развивающаяся элементная база сделала это оборудование доступным не только для больших корпораций автомобилестроения, но и для использования в общей промышленности.

На сегодняшний день существуют три основных этапа, где применение сенсорного оборудования позволяет производить сварку сложных стыков в автоматизированном цикле.

Обнаружение — найти край или начало стыка. В данной области есть много решений, которые отличаются только точностью, скоростью обнаружения, сложностью и стоимостью. Как правило, широко используют контактные и бесконтактные датчики.

Контактная на основе напряжения     Бесконтактный датчик,
                                                         устанавливаемый на горелку
 

Рис. 2. Примеры сенсорных систем для обнаружения шва.

Слежение — поддержание требуемого сварного пути. Эта задача решается достаточно просто — периодической калибровкой ТСР и применением надежной оснастки. Однако, сам шов может сдвигаться в зависимости от методологии производственного процесса, либо тепловых воздействий сварки, что ведет к уменьшению производительности. Использование сенсорного оборудования позволяет избежать таких отклонений и обеспечивает возможность сварки ранее недоступных стыков и компонентов.

Измерение — измерение ширины или профиля стыка. Это позволяет влиять на траекторию робота-манипулятора и его скорость в заданных пределах, а также на весь процесс в соответствии с локальными изменяющимися условиями.

Стык                                                                    Внахлёст 6 мм

  Угловой стык                                                      Внахлёст 3 мм

Рис. 3. Примеры швов, полученных при использовании сенсорного оборудования.
 

Существуют три основные методики для надежного отслеживания шва и его измерения, каждая из которых обеспечивается разным уровнем инвестиций: с использованием видеокамеры, лазерного сканирования и датчика дуги.

Другие решения, такие как ультразвук и прочие пока не получили широкого распространения в промышленности.

Приведем пример эффективного использования метода на основе датчика дуги WeldGuide III компании ABB. 

Определение шва при помощи видеокамеры         Лазерный сенсор

Рис. 4. Примеры систем отслеживания шва и его измерений.

Этот метод позволяет отслеживать шов и объем его заполнения, а также оперативно изменять общую конфигурацию процесса сварки. В случаях, когда использование лазера или видеокамеры ограничено какими-либо причинами, применение оборудования на базе датчика дуги позволяет сделать выбор между производством качественных, конкурентных деталей за счет автоматизации производства, либо полностью отказаться от опции автоматизации. За последние годы оборудование на базе датчика слежения за швом претерпело значительные изменения и зарекомендовало себя как надежное и точное. Среди дополнительных преимуществ — экономия, расширенные технические возможности и повышенная эффективность.

Техническое решение WeldGuide III не требует дополнительных внешних устройств, устанавливаемых на сварочную горелку, что позволяет применять его в условиях ограниченного доступа и обеспечивает дополнительную экономию в пределах 10% по сравнению с использованием видеокамеры и лазера.

Принцип действия WeldGuide III заключается в наблюдении за дугой в процессе сварки. При математическом моделировании процесса учитывают сопротивление, а не только напряжение и ток, что обеспечивает более точные данные.

Рис. 5. Данные с WeldGuide III.

Отслеживание шва функционирует за счет изменения покачиваний, тип которых легко программируется по времени, геометрии, симметрии и амплитуде. Значения для покачиваний по умолчанию находятся в базе данных робота-манипулятора. Актуальное отслеживание шва осуществляется за счет контроля сопротивления сварки между сварочной проволокой и сторонами стыка. Правила выбранных или запрограммированных ранее исходных покачиваний определяет то, каким образом робот будет реагировать на изменяющееся сопротивление.

Изменяющееся в реальном времени сопротивление определяет изменения в скорости подачи сварочной проволоки (ток и заполнение) и скорости движения робота. Эта комбинация позволяет в достаточной степени оптимизировать систему для различных стыков и материалов.

Рис. 6. Пример шнека.

Преимущества применения системы WeldGuide III в производстве можно рассмотреть на примере сварки промышленных шнеков. Этот тип детали представляет собой сложные кривые в двух плоскостях. Важно отметить, что материал, из которого изготовляется шнек, достаточно жесткий и толстый. Его трудно точно согнуть, соответственно компоненты меняются от партии к партии. Громоздкость компонентов шнека и ограниченность пространства не позволяют использовать специальные средства и большое количество оснастки. Все это накладывает требования к ужесточению допусков, что делает задачу практически не реализовываемой в плане автоматизации.

Рис. 7. Применение WeldGuide III как альтернатива модификации программистом программы (более 600 точек).

В этом примере при программировании используется симметричное зигзагообразное покачивание с отслеживанием центра шва. В результате этого ТСР робота-манипулятора в процессе сварки просто остается неподвижным в середине шва. Без применения WeldGuide III решение этой задачи потребует создания большого количества точек программы по длине шва. В случае если другой шнек в партии будет немного отличаться, то и все запрограммированные ранее точки потребуют модификации. При использовании WeldGuide III требуется программирование всего нескольких важных точек, указывающих на начало и конец траектории. Использование датчика контакта на основе напряжения определяет начальную точку сварного шва. Когда дуга установлена, робот и заготовка, закрепленная на позиционере, управляемом контроллером робота, начинают синхронное вращение. Отслеживание и корректирующиеся покачивания удерживают дугу в корне шва по всей длине шнека до последней запрограммированной точки.

В процессе работы WeldGuide III сводит на нет влияние разных допусков, игнорируя смещение свариваемых компонентов из-за тепловых искажений. Производитель шнеков может быть уверен, что сварка выполнена с высокой целостностью для всех партий при одной ранее запрограммированной конфигурации.

В принципе, методы на основе видеокамеры и лазерного сканирования, возможно, дали те же результаты, но экономические инвестиции в данном случае были бы значительно выше, программирование гораздо сложнее, а само устройство отслеживания, установленное на горелку, — слишком громоздким для того, чтобы иметь достаточное место для сварки между лентами шнека.

Выводы:
1. Общие достижения в технологии и инновациях снизили порог, при котором сенсорное оборудование можно безопасно и эффективно использовать для производства качественных компонентов, отвечающих необходимым требованиям и допускам.
2. Для производства изделий, противоречивых по своей природе, теперь есть возможность с помощью сенсорных технологий автоматизировать процесс сварки.
3. Сенсорные технологии поиска, слежения и измерения шва можно рассматривать как сформировавшиеся, надежные методы для эффективного решения сложных задач в сварочном производстве. Они стали доступны для более широкой аудитории. Выбор методики отслеживания сварного шва определяется условиями технической задачи и возможным уровнем инвестиций.

П. В. Леонидов
ООО «АББ», руководитель отдела сервиса,
департамент робототехники

Литература

1. www.abb.com/robotics