Приспособления за роботизирано заваряване: защо повторяемостта започва преди робота
Едно от най-честите погрешни очаквания при роботизираното заваряване е, че високата повторяемост на робота автоматично гарантира повторяемост на целия процес. Роботът действително може да изпълнява една и съща траектория с висока точност. Но ако детайлът всеки път е разположен малко по-различно, фугата се променя, скобите деформират конструкцията или заваръчната горелка няма стабилен достъп, еднаквото движение ще произведе различен резултат.
Точно затова приспособлението за фиксиране не е второстепенна механична част от клетката. То е част от технологията на заваряване. От него зависят реалната позиция на съединението, достъпът и ъгълът на горелката, времето за зареждане, поведението при термични деформации и възможността процесът да бъде възпроизвеждан при всяка следваща бройка.
Повторяемостта на робота не е повторяемост на процеса
При автоматизираното заваряване крайният резултат се формира от цяла последователност от зависимости:
- геометрията и допуските на заготовките;
- референтните повърхнини, по които детайлът се базира;
- състоянието на приспособлението и опорните точки;
- последователността и силата на затягане;
- деформациите при прихващане и заваряване;
- точността на позиционера и координатните системи;
- калибрирането на горелката и нейния TCP;
- реалната позиция на шева спрямо програмираната траектория.
Ако само един от тези елементи се изменя неконтролирано, роботът може съвсем точно да повтори траектория, която вече не съвпада с фугата. Затова стабилната клетка не започва с програмирането, а с определяне на допустимите вариации и начина, по който детайлът ще бъде позициониран и задържан.
Какво трябва да осигурява едно добро приспособление
Yaskawa Motoman обобщава няколко основни функции на приспособленията за роботизирано заваряване: ясен достъп до съединението при правилни ъгли на горелката, позициониране на фугата в работния прозорец на процеса, повторяемо разполагане и затягане на детайлите, както и ориентация, която улеснява едновременно заваряването и работата на оператора.
На практика това означава, че доброто приспособление трябва да:
- позиционира изделието еднозначно спрямо избрани бази;
- поддържа необходимите фуги и взаимно положение на елементите;
- ограничава движението по време на прихващане и заваряване;
- осигурява свободен достъп на горелката по цялата траектория;
- позволява бързо и безопасно зареждане и разтоварване;
- издържа на топлина, пръски и повтарящо се механично натоварване;
- позволява почистване, проверка и подмяна на износващи се елементи;
- не възпрепятства изваждането на детайла след настъпилите деформации.
Тези функции трябва да бъдат разглеждани като обща система. Много твърдо затягане например може да подобри позиционирането преди заваряване, но да деформира тънкостенна конструкция или да задържи напрежения, които се освобождават след разхлабване на скобите.
Базирането е по-важно от броя на скобите
Повече точки на затягане не означават автоматично по-висока точност. Първо трябва да бъде определена логиката на базиране: кои повърхнини, отвори или ръбове задават положението на детайла и кои размери са критични за крайното изделие.
При твърди детайли често се използва принципът 3-2-1, при който опорните и позициониращите елементи ограничават шестте степени на свобода без излишно предефиниране. При големи, заварени или по-гъвкави конструкции може да са необходими допълнителни опори, но те трябва да поддържат изделието, без да го принуждават да заеме неестествена геометрия.
Основните практически рискове са:
- базиране по повърхнина с голяма производствена вариация;
- опити за компенсиране на неточни заготовки чрез силово затягане;
- конфликт между чертежните бази и реалните опорни точки в приспособлението;
- натрупване на замърсяване и заваръчни пръски върху базиращите елементи;
- износване на втулки, щифтове и опори, което постепенно измества детайла;
- възможност операторът да зареди частта в неправилна ориентация.
Добрата конструкция използва ясни и проверими бази, минимизира зависимостта от субективното наместване и включва защита срещу погрешно зареждане. Когато е възможно, асиметрични опори, направляващи елементи или датчици за наличие могат да предотвратят стартиране на цикъл с неправилно поставен детайл.
Затягането трябва да бъде достатъчно, но контролирано
Задачата на скобите е да притиснат детайла към определените опори и да запазят положението му по време на процеса. Те не трябва да заместват правилното базиране или да коригират чрез сила нестабилна геометрия.
При проектирането трябва да се преценят:
- посоката на силата спрямо опорите;
- разстоянието между точката на затягане и опорния елемент;
- рискът от локална деформация;
- достъпът на оператора и горелката;
- поведението при загуба на пневматично или хидравлично налягане;
- последователността на затваряне и отваряне;
- защитата на маркучи, кабели и датчици от топлина и пръски.
Ръчните скоби могат да бъдат подходящи при по-малки серии и по-прости приложения. Пневматичните или хидравличните решения съкращават и стандартизират зареждането, но изискват управление, диагностика и потвърждение на състоянието. Yaskawa препоръчва сигнали за отворена скоба, затворена скоба и наличие на детайл да бъдат свързани с управлението на робота. Така цикълът не зависи само от команда, а от проверено реално състояние.
Достъпът на горелката трябва да се проверява по цялата траектория
Фактът, че роботът може да достигне началната точка на шева, не означава, че шевът е технологично достъпен. Трябва да бъдат проверени работният и водещият ъгъл на горелката, свободното пространство за газовата дюза, stick-out разстоянието, подходът към началото, излизането от края и поведението около прихватки, ъгли и препятствия.
Необходимо е да се отчете и реалният обем на оборудването около TCP:
- горелка и шийка;
- пакет маркучи;
- антиколизионен механизъм;
- сензор за следене на шева, ако е предвиден;
- защити и кабели;
- геометрията на скобите в отворено и затворено положение.
Приспособление, което осигурява добра геометрия, но принуждава робота да заварява с компромисен ъгъл или близо до колизия, прехвърля проблема към програмирането и качеството. Тези зависимости е най-добре да се проверят още чрез 3D моделиране и offline симулация, а след това да се валидират с реални детайли.
Термичната деформация трябва да бъде предвидена, а не откривана след старта
По време на заваряване локалното нагряване и последващото охлаждане променят геометрията на изделието. Приспособлението може да ограничи част от движението, но не може да премахне физиката на процеса. Неподходящото затягане дори може да задържи напрежения, които да се проявят едва след освобождаване на детайла.
Практическата подготовка може да включва:
- избор на подходяща последователност на шевовете;
- балансиране на топлинния вход спрямо геометрията;
- определяне на местата и реда на прихващане;
- добавяне на опори близо до критични зони;
- предварително компенсиране на очаквана деформация, но само след изпитване;
- проверка на размерите както в затегнато, така и в освободено състояние.
Fronius посочва разработването на подходящо затягащо устройство и определянето на заваръчна последователност, която ограничава деформациите, като специфични инженерни задачи, които не могат да бъдат решени само чрез стандартни модули на клетката.
Позиционерът е част от приспособлението и процеса
Позиционерът позволява детайлът да бъде завъртан или накланян така, че шевовете да се изпълняват в по-благоприятно положение и с по-добър достъп. Това може да намали сложността на движението на робота, да подобри стабилността на процеса и да съкрати цикъла.
При избора му обаче не е достатъчно да се отчете само масата на изделието. Трябва да бъдат включени общата маса на детайла и приспособлението, центърът на тежестта, инерционните моменти и отстоянието спрямо оста на въртене. ABB например използва функция Load Identification за определяне на центъра на тежестта и инерцията на детайла заедно с инструменталната екипировка, така че позиционерът да изпълнява бързи и точни координирани движения.
Допълнително трябва да бъдат проверени:
- максималният габарит при въртене;
- пресичането със защитни ограждения и други части на клетката;
- преминаването на пневматични линии и електрически сигнали;
- заключването и безопасното състояние при зареждане;
- достъпът за поддръжка;
- възможността готовият детайл да бъде изваден без допълнително преориентиране.
Бързата смяна не трябва да нарушава координатната система
При high-mix, low-volume производство едно твърдо приспособление за всеки отделен детайл може да направи автоматизацията икономически неефективна. Решението често е модулна конструкция с обща базова плоча, сменяеми модули, стандартизирани интерфейси или бързосменни палети.
Истинската цел обаче не е само по-бързо физическо пренастройване. След всяка смяна приспособлението трябва да възстанови същото положение спрямо координатната система на робота. Затова е необходимо да се предвидят:
- повторяем интерфейс между основата и сменяемия модул;
- еднозначно механично позициониране;
- идентификация на монтирания вариант;
- автоматичен избор или проверка на правилната програма;
- контролен детайл или процедура за периодична проверка;
- ясни инструкции за почистване на контактните повърхности.
Модулността е полезна само когато не превръща всяка смяна в ново ръчно калибриране.
Сензорите компенсират остатъчната вариация, но не заменят стабилната механика
Touch sensing, through-the-arc seam tracking и лазерните системи могат да откриват действителната позиция на фугата и да коригират траекторията. Те са ценни, когато част от вариацията е неизбежна поради допуски, термична деформация или спецификата на изделието.
Но сензорът не трябва да се използва като универсално решение за неповторяемо базиране, разхлабени опори или неконтролирана фуга. Колкото по-голяма и непредвидима е вариацията, толкова повече време е необходимо за търсене и корекция, а вероятността измерването да излезе извън допустимия прозорец нараства.
По-устойчивият подход е:
- механиката да отстрани вариацията, която може разумно да бъде контролирана;
- сензорите да измерват остатъчната и неизбежна вариация;
- корекциите да се прилагат в предварително определени граници;
- системата да спира или сигнализира, когато детайлът е извън тези граници.
Така адаптивността надгражда стабилния процес, вместо да прикрива неговите слабости.
Как да бъде проверено приспособлението преди серийна работа
Приемането не трябва да се извършва само с един идеално подготвен образец. Необходимо е изпитване с реални детайли, които представят допустимите производствени вариации, както и поредица от повторни зареждания.
Проверката трябва да обхване:
- повторяемостта на критичните бази и фуги;
- правилната работа на всички скоби и датчици;
- достъпа на горелката и отсъствието на колизии;
- времето за зареждане, затягане, заваряване и разтоварване;
- размерите на изделието след освобождаване;
- натрупването на пръски и достъпа за почистване;
- поведението при грешно или непълно зареждане;
- смяната между различни варианти;
- необходимите проверки след поддръжка или подмяна на елемент.
Полезно е да бъдат определени измерими критерии за приемане: допустимо отклонение на позицията, максимално време за смяна, гранични размери след заваряване и реакция при липсващ сигнал. Без такива критерии приспособлението може формално да бъде „готово“, но реалните проблеми да се появят едва след увеличаване на обема.
Каква информация е необходима още в началото на проекта
За да бъде разработена работеща концепция, интеграторът трябва да разполага не само с 3D модел на готовото изделие. Полезният вход включва:
- чертежи на изделието и отделните заготовки;
- критични бази, допуски и приемливи фуги;
- реални образци от различни производствени партиди;
- места и последователност на прихващане;
- изисквания към шевовете и приложимите WPS;
- очаквани обеми и продуктови варианти;
- целево време за смяна и производствен цикъл;
- начин на зареждане и разтоварване;
- изисквания за позициониране, контрол и проследимост;
- планове за бъдещи изделия, които клетката трябва да поеме.
Колкото по-рано тези данни бъдат включени, толкова по-малък е рискът приспособлението да бъде проектирано около номинален CAD модел, който не отразява реалното производство.
Приспособлението е инженерната връзка между детайла и робота
Успешното роботизирано заваряване не зависи само от точността на робота или възможностите на заваръчния източник. То изисква детайлът да бъде поставен, затегнат, ориентиран и освободен по предвидим начин. Добре проектираното приспособление създава тази предвидимост и превръща повторяемото движение на робота в повторяем производствен резултат.
Сензорите, offline програмирането и адаптивното управление могат значително да разширят работния прозорец на клетката. Най-голяма стойност обаче дават, когато надграждат стабилна механична основа. Затова приспособленията, позиционерите и логиката за зареждане трябва да бъдат проектирани едновременно с роботизираната система, а не добавяни след избора на оборудване.
Bullitt Robotics разработва и интегрира роботизирани решения, съобразени с реалната геометрия на детайлите, производствените допуски и целевия цикъл. Ако планирате нова заваръчна клетка или искате да подобрите повторяемостта на съществуващ процес, свържете се с екипа ни на +359 89 667 0392 или на office@bullitt-engineering.com.
