Zrobotyzowane zgrzewanie laserowe w zakładzie Fiata

Spółki związane z przemysłem samochodowym borykają się aktualnie z dwoma głównymi problemami. Są zmuszone do ciągłego dostosowywania oferty do bieżących potrzeb rynku, proponując klientom szeroką gamę modeli, a jednocześnie stoją przed koniecznością ograniczania kosztów produkcji poprzez zastosowanie najnowszych technologii, które bardzo często okazują się nazbyt wydajne w stosunku do potrzeb. Dlatego producenci samochodów starają się przezwyciężyć ten problem, wykorzystując te same komponenty do produkcji kilku modeli. Najczęściej są to komponenty niewidoczne dla potencjalnego nabywcy, gdyż łatwiej jest zastosować do kilku modeli samochodu to samo podwozie, niż wykorzystać do dwóch modeli ten sam kształt pokrywy silnika czy bagażnika, co byłoby to widoczne już na pierwszy rzut oka.

Zgrzewanie laserowe vs. zgrzewanie punktowe

W poprzednich latach wiązano wielkie nadzieje z zastosowaniem lasera w przemyśle samochodowym. Gwałtownie rozwijała się technologia zdalnie sterowanego zgrzewania laserem, polegająca na wykorzystaniu wysoko skoncentrowanej wiązki laserowej o bardzo długiej ogniskowej, przemieszczającej się z dużą prędkością, dzięki zastosowaniu optycznego układu luster galwanometrycznych.

Nowa technologia ma zastosowanie tylko w przypadku niektórych aplikacji, zwłaszcza tam, gdzie konieczne jest zespolenie kilku takich samych elementów za pomocą zgrzewania punktowego wykonywanego z dużą prędkością. Obecnie tylko kilka firm produkujących samochody wykorzystuje tę metodę. W większości przypadków znajduje ona zastosowanie tylko do zgrzewania elementów powtarzalnych, czyli paneli drzwi (średnio cztery elementy na samochód). Rzadziej wykorzystuje się ją do zgrzewania konstrukcji siedzeń samochodowych. W tym drugim przypadku na jeden samochód przypadają tylko dwa takie komponenty. Często wykorzystuje się tę samą konstrukcję metalową siedzenia do produkcji rożnych modeli.

Laser znacząco zwiększa wydajność pracy spawalniczej. Podczas gdy na wykonanie jednego punktu zgrzewania dawną technologią potrzeba było ok. 2 s, laser wykonuje cztery takie punkty na sekundę, czyli ośmiokrotnie szybciej. Należy jednak pamiętać, że koszt zastosowania techniki laserowej jest niewątpliwie o wiele wyższy, tym bardziej że do podstawowej ceny należy dodać jeszcze koszt urządzeń pomocniczych, gwarantujących właściwe ułożenie elementów podczas zgrzewania. Operacja ułożenia elementów nie jest konieczna albo przynajmniej nie jest tak ważna w przypadku zgrzewania punktowego, czyli techniki, w której kleszcze same wykonują dojazd do elementu zgrzewanego. Można powiedzieć, że oba systemy, zasadniczo tak różne pod względem technologii działania, jak i kosztów, w efekcie dają porównywalny koszt wykonania jednej zgrzeiny. Naturalnie stwierdzenie to jest prawdziwe tylko w przypadku, gdy szacunkowe koszty wyliczy się w stosunku do dużej liczby wykonanych zgrzein.

Smart Laser

Na całym świecie zostało zainstalowanych około stu linii wyposażonych w system zgrzewania laserowego zintegrowanych przez Comau Robotics. Ponadto należy jeszcze wspomnieć o około piętnastu systemach opatentowanych przez samą spółkę Comau Robotics.

W szerokiej gamie urządzeń laserowych przedstawionej w ofercie Comau Robotics już od wielu lat znajdują się także urządzenia do zdalnie sterowanego zgrzewania elementów karoserii. Początkowo do zgrzewania laserowego wykorzystywano roboty bramowe (systemy AgiLaser) zrealizowane dzięki współpracy z grupą Prima Industrie. Firma wykonała około piętnastu takich urządzeń, wszystkie z zastosowaniem lasera CO₂ – równocześnie były to jedyne urządzenia gwarantujące odpowiednie warunki do ogniskowania bardzo długiej wiązki. Na kolejnym etapie opatentowała własne rozwiązanie pod nazwą Smart Laser, polegające na zintegrowaniu robotów produkcji Comau Robotics serii Smart z wykorzystaniem innowacyjnych laserów na ciele stałym. Do dzisiaj zainstalowano około dziesięciu takich urządzeń, z czego cztery pracują w zakładach Fiat w Cassino i są wykorzystywane do zgrzewania wewnętrznych elementów drzwi do modelu Lancia Delta. Warto podkreślić, że w momencie powstawania tego artykułu łącznie ponad 5,5 miliona egzemplarzy drzwi samochodowych wyprodukowanych w ciągu jednego roku powstaje przy wykorzystaniu omawianych urządzeń do zgrzewania.

Szczegóły systemu

Smart Laser to system zrobotyzowanego zgrzewania laserem 3D. Rozwiązanie to polega na integracji 4-osiowego robota z optycznym układem zwierciadeł do pozycjonowania wiązki promieniowania poruszającej się z dużą prędkością. System został opracowany na bazie robota Comau Smart NH1 wraz z jednostką kontrolną C4G oraz z własnym panelem programowania. Warto zauważyć, że robot ten pracuje tylko w 4 osiach AX1…AX4. Dodatkowym parametrem jest odległość źródła lasera od zgrzewanego elementu (przeważnie zawiera się w granicach pomiędzy 750 mm a 1100 mm), która traktowana jest jako dodatkowa oś. Fizycznie jest ona realizowana przez grupę soczewek i pryzmatu sterowanych za pomocą trzech silników. W ten sposób uzyskano kontrolowaną oś jednostki ogniskowania, która charakteryzuje się bardzo małą inercją i może przesuwać się z prędkością liniową 4 m/s, z przyspieszeniem ośmiokrotnie przewyższającym przyspieszenie ziemskie. Punkt ogniskowy wiązki można zatem pozycjonować z wielką precyzją, nawet z prędkością od 5 do 8 razy większą niż w przypadku tradycyjnego robota antropomorficznego. Dzięki temu osiągnięto niezwykle krótki czas przemieszczania i naprowadzania wiązki z jednego punktu zgrzewania do następnego.

Skoncentrowana wiązka laserowa kierowana jest na lustro stałe, od którego odbija się pionowo i pada na drugie lustro, a więc dwuosiowy układ skanujący naprowadza wiązkę z przyspieszeniem od 150 do 250 rad/s². Drugie lustro układu optycznego kieruje wiązkę bezpośrednio na różne pozycje pracy. Smart Laser różni się więc znacznie od innych systemów zrobotyzowanych pracujących w oparciu o skaner 2D z tradycyjnym robotem poruszającym się z normalną prędkością TCP, osiągającym przyspieszenie o wartości rzadko przekraczającej 1 G. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na fakt, że w systemie Smart Laser źródło promieniowania, czyli tarcza lub włókno, montowane jest na czwartej osi robota, a nie na układzie skanującym, jak to ma miejsce w innych zrobotyzowanych systemach. Ogranicza to w dużym stopniu wpływ drgań mechanicznych na źródło promieniowania, a dodatkowo znacznie ułatwia programowanie w trybie off-line. Ponadto dzięki bardzo dużej odległości ogniskowej nie zachodzi niebezpieczeństwo wystąpienia kolizji z przyrządami pozycjonującymi element zgrzewany, a laser swobodnie dociera nawet do trudno dostępnych stref.

Zrobotyzowane gniazdo do zgrzewania laserowego elementów karoserii

Aplikacja zdalnie sterowanego zgrzewania Smart Laser jest zainstalowana w zakładach Fiat w Cassino do zgrzewania wewnętrznych elementów drzwi samochodu - model Lancia Delta. – W tym konkretnym przypadku zgrzewane są dwa elementy karoserii z blachy ocynkowanej. Aby przeciwdziałać osłabieniu zgrzewanych punktów na skutek wytworzenia się porów, przez które ulatniają się opary cynku zgromadzone między zgrzewanymi powierzchniami, należy wykonać kilka „przetłoczeń” za pomocą impulsów laserowych na elemencie dolnym. W ten sposób powstaje wąska szczelina szerokości ułamka milimetra pomiędzy dwoma elementami zgrzewanymi, która pozwala oparom cynku ulotnić się ze strefy topienia. Połączenie dwóch blach składających się na drzwi samochodowe zachodzi poprzez zgrzeinę o długości ok. 20 mm, co gwarantuje taką samą wytrzymałość mechaniczną jak tradycyjne zgrzewanie punktowe. Dla każdego 20-milimetrowego odcinka spawu zostają wykonane najczęściej dwa lub trzy „przetłoczenia” po przeciwnej stronie w odległości ok. 2,5 mm.

Zrobotyzowany system zdalnie sterowanego zgrzewania oferowany przez Comau składa się z dwóch kabin ustawionych naprzeciwko siebie. W jednej zgrzewane są drzwi prawe, w drugiej lewe. W każdej kabinie zainstalowane są dwie jednostki Smart Laser, jedna wykonuje „przetłoczenia” na elemencie ułożonym pionowo na dwupodziałowym stole obrotowym, a druga odpowiedzialna jest za zgrzewanie laserowe właściwe wykonywane w poziomie. Poza kabiną pracują także inne roboty odpowiedzialne za podawanie i odbieranie elementów. Wszystkie cztery roboty zasilane są z trzech źródeł lasera TruDisk 4002 o mocy 4 kW. Z jednego źródła biegną wiązki podłączone do dwóch robotów odpowiedzialnych za wykonanie „przetłoczeń”, a dwa pozostałe źródła sterują wiązkami idącymi do robotów wykonujących właściwe zgrzewanie laserowe. Takie rozwiązanie umożliwia przejęcie funkcji jednego robota przez drugiego w przypadku awarii. Łączny czas cyklu zgrzewania elementów jednej pary drzwi – prawe i lewe – wynosi 78 s, co pozwala na wykonanie 880 par drzwi na dzień przy wydajności sięgającej 90 %.

Podsumowanie

W momencie powstawania niniejszego artykułu, system ten sprawdzał się z powodzeniem od dwóch lat i pozwolił na wykonanie drzwi do ok. 120 000 samochodów Lancia Delta. Nie stwierdzono żadnych niezgodności, które mogłyby wpłynąć na zmniejszenie wydajności. Ostatnio ten sam system wykorzystano także do zgrzewania wewnętrznych elementów drzwi do modelu nowej Alfa Romeo Giulietta. Świadczy to o dużej elastyczności zastosowania, ponieważ konstrukcje drzwi obu modeli znacznie różnią się między sobą, jednakże różnice te zostały uwzględnione już na etapie projektowania grup pozycjonujących elementy zgrzewane.

źródło: Comau Poland; BU Robotics & Service