Zrobotyzowane stanowisko spawania aluminium z wykorzystaniem zewnętrznej osi robota

Stanowisko zbudowane przez PIAP w 2010 r. służy do spawania elementów aluminiowych: połączenia blachy o grubości 1,5 mm z odlewanymi korpusami aluminiowym o ściance grubości 4–5 mm. Połączenie to, oprócz odpowiednich własności mechanicznych, musi być przede wszystkim szczelne (sprawdzanie odbywa się z wykorzystaniem helu, co umożliwia wykrycie nawet bardzo niewielkich przecieków).

Spawane elementy mają kształt prostopadłościanu (rdzeń z cienkiej blachy wypełniony strukturą wspomagającą wymianę ciepła), w którego dwie otwarte, naprzeciwległe ścianki wciskane są dwa grube korpusy. W efekcie spoina przebiega wokół czterech krawędzi łączących rdzeń z korpusem po jednej stronie i czterech krawędzi po drugiej stronie rdzenia.

PIAP zaproponował zastosowanie współpracującego z robotem pozycjonera z dwiema stacjami roboczymi (oba urządzenia firmy ABB). Do wymiarów elementów spawanych dobrano odpowiedni robot – IRB1600 – oraz pozycjoner – IRBP R300. Ze względu na cienkie spawane blachy zastosowano źródło spawalnicze firmy Fronius typ TPS3200 z nową, opatentowaną przez Fronius technologią spawania – CMT (Cold Metal Transfer). W tej technologii (którą PIAP zastosował na innym stanowisku, jako pierwszy w Polsce do spawania zrobotyzowanego) przy palniku znajdują się dodatkowe, napędzane rolki podające drut. Rolki te powodują pulsacyjne wysuwanie i cofanie drutu z częstotliwością około 60 Hz. Takie podawanie drutu, skojarzone z odpowiednim sterowaniem parametrami elektrycznymi spawania, powoduje odrywanie się kropli od rozgrzanego drutu i umożliwia bardzo precyzyjne umieszczanie tych kropli w wykonywanej spoinie. Dodatkowym elementem w układzie podawania drutu, odróżniającym od klasycznych urządzeń spawalniczych, jest bufor kompensujący pulsację drutu w palniku względem głównego podajnika drutu. Przy spawaniu cienkich blach (zwłaszcza aluminiowych) technologia CMT jest praktycznie niezastąpiona w robotyzacji spawania. Jak sama nazwa sugeruje – „Przenoszenie Zimnych Metali” – ten rodzaj spajania charakteryzuje się mniejszą ilością wprowadzanego ciepła w porównaniu do tradycyjnej metody spawania MIG/MAG, co jest niezwykle korzystne przy łączeniu blach o grubości ok. 1–2 mm.

Każda ze stacji pozycjonera, o poziomej osi obrotu, jest traktowana przez układ sterowania robota, jako tzw. oś zewnętrzna. Po odpowiednim zadeklarowaniu tych stacji, ruchy robota i stacji są skoordynowane, pozwalając w efekcie na płynne przemieszczanie spawanych elementów względem palnika spawalniczego, w trakcie wykonywania spawania. Pozycjonery, współpracujące z robotem jako zewnętrzna oś, były stosowane już wcześniej (także w stanowiskach PIAP), ale głównie do ustawiania elementów między wykonywaniem kolejnych spoin. Stanowisko wykorzystujące spawanie w trakcie obrotu elementu było jednym z pierwszych w kraju. Wykonanie jednej, ciągłej spoiny dookoła korpusu sprzyja zapewnieniu szczelności łączonych elementów ze względu na to, że każdy punkt rozpoczęcia spawu jest potencjalnym miejscem wycieku. Spawanie, w którym palnik i detale są w ciągłym ruchu względem siebie, stwarza również wiele problemów, zwłaszcza przy pokonywaniu narożników, z którymi należało sobie poradzić podczas rozruchu stanowiska.

Na stacjach pozycjonera zamontowane zostały dwa identyczne przyrządy spawalnicze, które zostały zaprojektowane i wykonane od podstaw z uwzględnieniem wymagań klienta i specyfiki produktu. Narzędzia te muszą m.in. zapewniać prawidłowe pozycjonowanie detali w czasie spawania.

Te dwie technologie (robot z zewnętrzną osią i spawanie CMT) umożliwiły zbudowanie zrobotyzowanego stanowiska spawania i dotrzymanie dość wysokich wymagań. Konieczne były praktyczne próby – najpierw dobrania odpowiednich materiałów spawalniczych i parametrów spawania, a po osiągnięciu właściwej jakości spoin – przejście do prób na stacjach pozycjonera, jako zewnętrznych osiach z wykorzystaniem dedykowanych przyrządów spawalniczych. Oczywiście najwięcej wysiłku pochłonęło osiągnięcie właściwej jakości spoin na narożach produktu przy przejściu z jednej płaskiej ścianki na drugą. Konieczne były zmiany ustawienia kąta nachylenia palnika, zmiany odległości rozpoczynania i kończenia obrotu stacji, zmiany prędkości robota, itp. Ponieważ dla uzyskania szczelności spoiny lepszym rozwiązaniem jest spoina szeroka, zastosowano oscylacje palnika w trakcie spawania (mimo że zwykle stosuje się ją dla bardzo grubych blach). Zastosowanie oscylacji przyniosło znaczny spadek wadliwych elementów oraz miało pozytywny wpływ na jakość spoiny i lepsze rozprowadzanie ciepła podczas spawania.

Aby spełnić bardzo ostre wymagania klienta pod względem m.in. szczelności wyrobu gotowego, przeprowadzone zostały liczne testy uwzględniające dobór materiałów i parametrów procesu spawania. W efekcie końcowym, po kilku miesiącach prób technologicznych i wprowadzeniu wielu zmian, głównie dzięki użytkownikom stanowiska, poziom braków spadł kilkukrotnie.

Przez ponad rok intensywnego użytkowania stanowiska nie odnotowano żadnej awarii, utrzymując zarazem założoną wydajność i jakość produkcji. Aktualnie na stanowisku prowadzone są prace mające na celu wdrożenie do produkcji nowych typów produktów spawanych.

Jako podstawowe urządzenia na stanowisku działają:

• robot IRB1600 firmy ABB,
• pozycjoner IRBP R300 firmy ABB,
• zestaw spawalniczy TPS3200 z CMT firmy Fronius,
• autonomiczny filtr i wyciąg gazów firmy Klimawent.

Całością pracy stanowiska zarządza sterownik PLC firmy Allen-Bradley z panelem operatora, poprzez który operator komunikuje się z urządzeniami stanowiska. W algorytmie pracy uwzględnione są różne możliwe sytuacje (zakończenie pracy stanowiska, sprawdzanie poprawnej kolejności montażu detali przez operatora, błędy spawarki czy robota).

Stanowisko jest chronione przez system bezpieczeństwa oparty na sterowniku bezpieczeństwa firmy PILZ, do którego podłączone są wszystkie urządzenia bezpieczeństwa na stanowisku (rygiel drzwi wejściowych, przyciski stopów awaryjnych, pionowe i poziome kurtyny świetlne). Stanowisko jest również otoczone szczelnym ogrodzeniem, które ochroni pracowników przed skutkami łuku spawalniczego.

W stanowisku zastosowano również czujniki zabezpieczające przed skończeniem się drutu spawalniczego i gazu osłonowego w trakcie spawania. Indukcyjny czujnik drutu na bieżąco sprawdza obecność drutu podawanego z dużego pojemnika (tzw. Marathon Pac), a czujnik ciśnienia sprawdza poziom ciśnienia gazu w przewodzie spawarki. Oba te sygnały są sprawdzane przez PLC przed rozpoczęciem każdego cyklu spawania. W razie braku drutu, bądź zbyt niskiego ciśnienia gazu praca robota jest blokowana, a operator otrzymuje informację o przyczynie zatrzymania na wyświetlaczu swojego panelu. Zastosowanie dużych zewnętrznych beczek z drutem zamiast rolek montowanych w podajniku spawarki umożliwiło maksymalne wydłużenie czasu pracy stanowiska, minimalizując przestoje spowodowane wymianą materiałów eksploatacyjnych. Dzięki zastosowaniu dwóch identycznych przyrządów spawalniczych zamontowanych na stacjach pozycjonera (zewnętrznych osiach) oraz dynamicznych podajników, grawitacyjnie dostarczających komponenty bezpośrednio do strefy pracy operatora, możliwe było uzyskanie maksymalnej wydajności pracy.

Zastosowanie robota wraz z zewnętrznymi osiami, technologii spawania CMT, dedykowanych narzędzi spawalniczych, jak również przeprowadzenie szeregu prób technologicznych umożliwiło wprowadzenie do seryjnej produkcji niezwykle skomplikowanego procesu spawania cienkich blach aluminiowych.

Marcin Lubiński

Valeo THS Skawina

www.valeo.com

Marek Petz

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

www.piap.pl

źródło: Valeo THS Skawina; PIAP