Zrobotyzowane spawanie

Szkodliwe promieniowanie, ryzyko porażenia, rozpryski gorącego materiału, rakotwórcze opary, gazy i substancje chemiczne to czynniki ryzyka towarzyszące na co dzień spawaczom. Konieczność nieustannego stosowania środków ochrony osobistej, praca w niekorzystnych warunkach środowiskowych oraz potrzeba wkładania dużego wysiłku fizycznego w wykonywanie czynności zawodowych nie zachęcają do podejmowania nauki zawodu spawacza. W związku z powyższym oraz w trosce o bezpieczeństwo i wysoki komfort pracy ludzi, przedsiębiorcy coraz częściej sięgają po rozwiązania zrobotyzowane.

Układ stanowiska

Jednym z kluczowych czynników decydujących o rozpoczęciu robotyzacji spawania w przedsiębiorstwie jest chęć przyspieszenia procesu. Odpowiednio zaprojektowane stanowisko umożliwia znaczącą redukcję czasu przestoju między realizacją kolejnych zadań spawania. W momencie gdy operator przygotowuje elementy do spawania w obrębie jednego z pól roboczych, w obrębie drugiego z nich może być realizowany proces spawania. Podobnie czas przeznaczony na demontaż pospawanych detali może być jednocześnie wykorzystywany do realizacji kolejnego zadania spawania. Przy współpracy z robotem kluczowa jest przegroda, która zapewnia ochronę wzroku operatora przed szkodliwym łukiem spawalniczym oraz całego ciała przed potencjalnym uderzeniem ramieniem robota. Przegroda jest opuszczana lub zasuwana na czas realizacji procesu spawania i podnoszona lub rozsuwana podczas zmiany aktywnego pola roboczego.

Realizacja tych założeń może odbywać się na trzy sposoby. Jednym z nich jest postawienie robota między dwoma obrotnikami. Zmiana pola roboczego polega na obrocie robota i współpracy z wybranym obrotnikiem w danym cyklu spawania. Drugi sposób polega na ustawieniu robota po jednej stronie stanowiska, a stołu po drugiej. Zmiana pola roboczego polega na obrocie stołu wokół pionowej osi o 180° lub na odpowiednim ustawieniu pozycjonera nożycowego. Trzeci ze sposobów to umieszczenie obrotników wzdłuż toru jezdnego, na którym umieszczony jest robot. Zmiana pola roboczego polega na przemieszczeniu robota nad wybrany obrotnik.

Zrobotyzowane stanowisko spawalnicze oprócz robota i obrotników musi być wyposażone w źródło spawalnicze oraz zintegrowane wygrodzenia zabezpieczające przed szkodliwym łukiem spawalniczym i możliwością wejścia w strefę pracy robota. Ponadto konieczne jest zastosowanie systemu bezpieczeństwa.

Roboty spawalnicze

Główny element stanowiska zrobotyzowanego stanowi robot. Wybierając konkretne urządzenie, należy zwrócić uwagę na jego możliwości techniczne i parametry. Serie robotów dedykowanych realizacji zadania spawania dostępne w ofertach różnych producentów i dystrybutorów działających na polskim rynku robotyki mają szerokie zakresy udźwigu oraz maksymalnego zasięgu, pozwalające na dobór do konkretnego procesu. Warto zwrócić uwagę na zakresy poszczególnych osi danego robota, przewidując tym samym pozycję, jaką może osiągnąć końcówka robocza w przestrzeni. Wydajność pracy z kolei można oszacować analizując maksymalne prędkości (wyrażane w stopniach na sekundę), jakie mogą osiągnąć poszczególne osie robota. Ze względu na trudne warunki środowiskowe istotne są materiały konstrukcyjne poszczególnych elementów robota oraz szczelność, co przekłada się na stopień ochrony urządzenia, który w przypadku robotów spawalniczych nie może być niższy niż IP65.

Zazwyczaj roboty spawalnicze są urządzeniami sześcioosiowymi. Firma Cloos-Polska oferuje system robotów spawalniczych firmy QIROX z możliwością zastosowania siódmej osi. Dodatkowa, acentryczna oś została umieszczona na podstawie robota, co pozwala na zwiększenie obszaru roboczego o 550 mm. Tym samym możliwe staje się spawanie bardziej złożonych konstrukcji w zdecydowanie prostszy sposób. Na większą elastyczność robota wpływa również sposób poprowadzenia przewodów – zasilających, sterujących, okablowania czujników, czy doprowadzających gaz osłonowy. Wszystkie znajdują się wewnątrz ramienia robota, co powoduje, że znacząco wzrasta poziom bezpieczeństwa. Ciekawym rozwiązaniem jest również wbudowany podajnik drutu. Omawiana seria robotów, mimo zwiększonej szybkości oraz dynamiki, nie straciła na dokładności pozycjonowania, która wynosi 0,01 mm.

Firma Kuka oferuje roboty serii arc HW (Hollow Wirst), których zaletą jest możliwość wykonywania spoin w bardzo trudno dostępnych miejscach. Jest to możliwe dzięki temu, że szósta oś może obracać się w nieskończoność, a jedynym ograniczeniem może być zastosowany palnik. Oprócz zalety dostępności większej liczby punktów w przestrzeni, można zaoszczędzić czas, ponieważ eliminacji ulega konieczność powracania osi do położenia wyjściowego.

Koboty spawalnicze

Do realizacji spawania małych oraz średnich serii produktowych, również o charakterze usługowym, sprawdzają się koboty, czyli roboty współpracujące. Ich zaletą jest proste programowanie ścieżki, odbywające się przez przeciąganie palnika po kolejnych punktach, które mają stworzyć spoinę. Ten przyjazny i przejrzysty sposób programowania może być wykonywany przez osoby, które nigdy nie miał do czynienia z programowaniem robotów spawalniczych. Ponadto stanowisko, w skład którego wchodzi kobot nie wymaga najczęściej kotwienia, wystarczy zapewnienie mechanicznego połączenia ze stołem spawalniczym. Mobilność całego zestawu spawalniczego czyni go bardzo elastycznym rozwiązaniem.

Do budowy konstrukcji kobota, dla obniżenia jego wagi, częstokroć wykorzystywane jest tworzywo sztuczne. Powstające podczas realizacji procesu spawania odpryski, dymy, pyły, szkodliwe promieniowanie to czynniki, które należy uwzględnić podczas doboru miejsca, w którym będzie znajdował się kobot. Należy zadbać o odpowiednie zabezpieczenie konstrukcji przed wpływem tych czynników. Zabezpieczenie dla spawacza przed uderzeniem kobota może stanowić funkcja ograniczania jego mocy i siły w przypadku wykrycia przez niego kontaktu.

W ofercie firmy Closs można znaleźć sześcioosiowego robota współpracującego DOOSAN M1013, firmy DOOSAN ROBOTICS o zasięgu 1300 mm, obciążeniu użytkowym 10 kg, dokładności 0,1 mm, powtarzalności 0,05 mm i stopniu ochrony IP54. Urządzenie może być montowane na podłodze, suficie i ścianie. Każdy z napędów jest wyposażony w czujniki siły. Bezpieczeństwo zapewnia wysoki poziom czułości urządzenia na siłę zewnętrzną. Kobot DOOSAN M1013 ma w zestawie kontroler, tablet z dostępem do platformy DART, która umożliwia „uczenie” robota. Do urządzenia można również zamówić materiałową powłokę zapewniającą ochronę przed odpryskami oraz kokpit umożliwiający zapis współrzędnych oraz wybór różnych trybów uczenia z użyciem przycisków.

Firma Fanuc ma w swojej ofercie dedykowane do zrobotyzowanego spawania sześcioosiowe koboty serii CRX, o obciążeniu użytkowym 10–25 kg i zasięgu 1249–1889 mm. Wskazane urządzenia mają funkcję bezpiecznego zatrzymania – jakikolwiek niepożądany kontakt z operatorem lub obiektem powoduje natychmiastowe zatrzymanie robota. Opcjonalnie opisywane urządzenia mogą być wyposażone w systemy wizyjne iRVision oraz czujniki siły FS-15iA. Funkcja ręcznego prowadzenia robota umożliwia pozycjonowanie urządzenia i wymuszanie zapamiętania ustalonych pozycji na tablecie.

Również firma Yaskawa oferuje koboty, które mogą realizować zadanie zrobotyzowanego spawania. Sześcioosiowe urządzenia HC10 o maksymalnym udźwigu 10 kg oraz zakresie roboczym 1379 mm gwarantują powtarzalność na poziomie 0,05 mm. Kobota można uczyć, prowadząc go ręcznie lub za pomocą Ręcznego Programatora (Teach Pendant). Natychmiastowe potwierdzanie pozycji do nauczania zapewniają przyciski umieszczone bezpośrednio na nadgarstku urządzenia.

Pozycjonery

Dla zwiększenia dokładności i zachowania wysokiego poziomu powtarzalności w skład spawalniczych stanowisk zrobotyzowanych wchodzą pozycjonery. Umożliwiają one stabilizację spawanego elementu podczas trwania procesu. Nie stanowi większego problemu obracanie i przechylanie ciężkich elementów, co pozwala na łatwe znalezienie optymalnej pozycji do pracy. Przechył stołu odbywa się w sposób bezstopniowy, możliwy jest wybór kierunku i prędkości obrotu.

Pozycjonery to programowalne mechanizmy, które współdziałają z robotem, pracują z nim w sposób synchroniczny. Wśród omawianych urządzeń można znaleźć modele jednoosiowe umożliwiające obrót spawanego elementu wokół jednej z osi, możliwa jest ewentualna korekcja wysokości osi obrotu, jeżeli postumenty obrotnika mają taką funkcjonalność. Nieco bardziej zaawansowaną konstrukcję i więcej możliwości umiejscawiania detalu w przestrzeni mają pozycjonery dwuosiowe, które umożliwiają obrót zarówno wokół osi pionowej, jak i poziomej. W tym przypadku korekcja wysokości osi jest również możliwa. Największą wydajność zapewniają pozycjonery wieloosiowe, które umożliwiają istnienie dwóch lub więcej stanowisk spawalniczych oraz równoległą realizację spawania na jednym z nich i przygotowywania materiałów na pozostałych. Jedna z osi pozycjonera odpowiada za ustawienie w przestrzeni roboczej robota jednego ze stanowisk, zaś kolejne osie odpowiadają za odpowiedni obrót i pochylenie detalu, który jest aktualnie spawany. Przykładowy pozycjoner wieloosiowy składa się z trzech osi, jedna z nich umożliwia obracanie dwóch stanowisk wokół osi pionowej urządzenia, zaś każda z dwóch pozostałych za obrót wokół osi poziomej spawanego elementu na danym stanowisku. Inny wariant to kompilacja trzech osi poziomych. Każde ze stanowisk ma po jednej poziomej osi obrotu, a zamiana stanowisk odbywa się również wokół osi poziomej.

Dla przykładu firma Comau proponuje cztery typy pozycjonerów: moduł pozycjonujący MP – pozwalający na prosty obrót detalu, pozycjoner z dwoma poziomymi osiami obrotu PTDO, pozycjoner z dwoma pionowymi osiami obrotu PDTV oraz stół obrotowy TR – w wersji pojedynczego obrotu i obrotu wielokrotnego. Obszar roboczy robota można zwiększyć stosując slider.

Metody adaptacyjne

Na ostateczną jakość spawu uzyskiwanego za pomocą systemów zrobotyzowanych wpływ ma precyzja podążania zadaną ścieżką oraz odpowiedni dobór parametrów procesu. Efekty mogą jednak nie być zadowalające i konieczna może okazać się korekcja zaprogramowanej ścieżki oraz parametrów procesu uwzględniająca na bieżąco zmienne warunki. Kontroler powinien modyfikować parametry ruchu w taki sposób, aby efekt końcowy spawania był możliwie jak najlepszy. Aby było to możliwe, kontroler potrzebuje informacji z czujników. Detekcja krawędzi spawanego złącza oraz bieżące śledzenie jego umiejscowienia pozwala na korygowanie położenia płomienia palnika. Jest to realizowane z wykorzystaniem czujników dotykowych pomagających wykrywać kontrolerowi zwarcie przy styku i zbliżeniowych indukcyjnych.

Do tych ostatnich można zaliczyć czujniki serii uprox3 oferowane przez firmę Turck. Są one pokryte powłoką teflonową, a więc zamontowanie ich na ramieniu robota pozwala na sprawdzanie położenia robota w odniesieniu do spawanych przedmiotów bez obawy o uszkodzenie. Duża odległość detekcji pozwala na precyzyjne wykrywanie położenia przedmiotów na początku procesu oraz na ewentualną korekcję ułożenia końcówki roboczej w trakcie trwania spawania. Omawiane czujniki mają współczynnik redukcji równy 1, co oznacza, że zakresy przełączania dla wszystkich rodzajów materiałów są ujednolicone. Brak rdzeni ferrytowych w czujnikach omawianej serii uniezależnia je od silnego pola magnetycznego, które powstaje podczas spawania. Czujniki nie są wrażliwe na iskry i zużycie mechaniczne. Zaletą czujników omawianej serii jest ich wysoka stabilność EMC oraz różne opcje montażowe.

Czujniki indukcyjne o współczynniku redukcji równym 1 ma w swojej ofercie firma Pepperl+Fuchs. Wyposażenie ich w interfejs IO–Link zapewnia większą elastyczność, dodatkowe opcje diagnostyczne i funkcje. Przykładowo w przypadku konieczności wymiany czujnika funkcja przechowywania danych umożliwia błyskawiczną konfigurację nowego czujnika. Komponenty są chronione przed uszkodzeniem dzięki alarmowi stabilności i wskaźnikowi temperatury, które w razie potrzeby umożliwiają sygnalizację potencjalnych usterek zanim dojdzie do awarii. Możliwa jest interwencja operatora i konserwacja czujnika zanim dojdzie do  nieodwracalnej destrukcji. Wysoka klasa ochrony IP68 lub IP69K zapewnia odporność na trudne warunki środowiskowe, a więc również wytrzymałość na warunki panujące podczas spawania zrobotyzowanego.

Firma Balluff również oferuje czujniki indukcyjne przeznaczone do spawania. Serię o nazwie BES wyróżnia odporność na pola magnetyczne. Powłoka ceramiczna zapewnia ochronę przed odpryskami metalu, żużlem oraz pozostałościami ze spalania. Szeroka gama komponentów z omawianej serii zapewnia możliwość doboru odpowiedniej dla danej aplikacji wielkości oraz formy konstrukcyjnej czujnika.

Obserwacja i pomiar szerokości złącza realizowana za pomocą systemów wizyjnych i skanerów laserowych pozwala wykrywać nieciągłości krawędzi oraz jej nieregularności. Monitorowanie i bieżąca analiza prądu spawania pozwala na określenie pozycji palnika w pionie, ponieważ wraz ze wzrostem odległości między końcówką roboczą a spawem natężenie prądu maleje. Obserwacja zmian pozwala na bieżące korygowanie wysokości umiejscowienia palnika nad spawanym materiałem. Kontrola natężenia pozwala również na korygowanie ruchu palnika w poziomie względem wcześniej zaprogramowanej ścieżki. W środku spawu prąd ma wartość minimalną, zaś na krawędziach osiąga maksimum.

Ciekawie prezentuje się opcja Fanuc iRVision Torch Mate. Wykorzystuje ona standardowy system wizyjny umieszczany w kontrolerze robota spawalniczego Fanuc do kontroli i korygowania punktu centralnego narzędzia TCP podczas procesu spawania. Operacja kalibracji TCP skraca się tym samym do absolutnego minimum, a ewentualne odchyłki TCP pojawiające się podczas spawania większe niż połowa średnicy drutu, czyli niedopuszczalne ze względu na znaczne pogorszenie efektu końcowego spawania, są na bieżąco kompensowane. Tym samym nie jest już zagrożona wytrzymałość połączenia, a w przypadku pracy dwóch robotów w jednej celi, których ścieżki uzupełniają się nawzajem lub przenikają, nie ma możliwości pojawienia się problemów z niespójnością.

Ze względu na trudne warunki, w których pracują czujniki podczas spawania pożądane jest, aby posiadały złącza, wtedy konieczność wymiany komponentu nie wymusza dłuższego postoju. Uszkodzony czujnik nie oznacza konieczności czasochłonnej wymiany przewodu.

Oprogramowanie

Dostawcy systemów zrobotyzowanego spawania oferują różnorodne oprogramowanie do współpracy.

Narzędziem wykorzystywanym do symulacji oraz programowania pracy robotów prezentowanych przez firmę ABB jest RobotStudio. Jest to wierna kopia oprogramowania znajdującego się na rzeczywistych urządzeniach, dzięki czemu symulacje są realistyczne. W procesach spawania bardzo pomocna okazuje się nakładka ArcWelding PowerPac, która umożliwia zaprojektowanie spawów w geometrii CAD, na podstawie których wyliczane są kolejne pozycje robota. Typowym oprogramowaniem spawalniczym jest program RobotWare Arc, który za pomocą jednej instrukcji ustawia pozycjonowanie i kontrolę procesu. Poza tym program umożliwia generowanie wielościegowych spawów, kontrolę nad cofnięciem końcówki drutu czy precyzyjną regulację ruchu w czasie rzeczywistym.

Z kolei Fanuc oferuje dedykowane oprogramowanie Arc Tool, ułatwiające w sposób znaczący proces konfiguracji oraz samo programowanie robota. Wbudowana funkcja uczenia pozycji, możliwość bieżącej korekcji pozycji i regulacji parametrów procesowych w trakcie realizacji procesu spawania to wybrane zalety tego rozwiązania.

Firma Comau oferuje program Robosim Pro, który umożliwia programowanie 3D w trybie off-line. Ponadto obsługuje zatrzymanie awaryjne robota w przypadku wykrycia kolizji oraz dostosowuje ruchy robota w zależności od obciążenia.

Spawanie hybrydowe

Jednym z najnowocześniejszych sposobów efektywnego łączenia metali jest spawanie hybrydowe HLAW (Hybrid Laser Arc Welding). Metoda ta stosuje spawanie łukowe oraz laserowe. Spawanie łukowe może być realizowane tradycyjnymi metodami: TIG – spawanie elektrodą nietopliwą w osłonie gazów obojętnych, MIG – spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego, MAG – spawanie w osłonie gazu aktywnego. Samo spawanie hybrydowe rozpoczyna się od nakierowania wiązki lasera na miejsce łączenia materiału. Dochodzi do jego głębokiego i wąskiego wtopienia, po czym szczelina jest wypełniana spoiwem z użyciem jednej z wcześniej wymienionych tradycyjnych metod spawania.

Spawanie hybrydowe jest procesem szybkim i skutecznym, nie wymaga dokładnego spasowania spawanych elementów. Niezbyt szybki rozwój tej technologii wynika z kilku czynników. Jednym z nich są stosunkowo duże wymiary głowicy do spawania hybrydowego. Ruchy o małej amplitudzie mogą być problematyczne, zaś robot musi mieć odpowiednio duży udźwig. Ze względu na wymiary oprzyrządowania stanowisko zrobotyzowane zajmuje więcej miejsca niż w przypadku realizacji spawania tradycyjnymi metodami.

Oprzyrządowanie

Bardzo ważnym elementem procesu doboru elementów rozwiązania do zrobotyzowanego spawania jest odpowiednie oprzyrządowanie oraz sama spawarka. Producenci i dystrybutorzy mają w swoich ofertach dedykowane rozwiązania.

Przykładowo firma Fronius oferuje swoim odbiorcom palniki spawalnicze do zrobotyzowanych aplikacji. Ich zaletą jest możliwość automatycznej wymiany końcówek prądowych oraz korpusów. Odpowiedni system czyszczenia uchwytów palnika umożliwia wydłużenie okresu trwałości części eksploatacyjnych. O wyborze systemu uchwytu spawalniczego decyduje między innymi materiał i długość przewodów. W wybranych systemach bezpośrednio przy korpusie palnika znajduje się drugi podajnik drutu, który odpowiada za stabilizację procesu spawania, również w przypadku dużych odległości podawania drutu i miękkich spoiw.

Z kolei firma Kemppi proponuje kompleksowy system spawalniczy, który można zintegrować z robotem dowolnego producenta. A7 MIG Welder zawiera uchwyt spawalniczy, podajnik drutu, źródło zasilania oraz układ chłodzenia. Zastosowanie takiego rozwiązania znacząco ułatwia proces integracji systemu zrobotyzowanego.

Wybrane rozwiązania systemowe

Technika spawalnicza jest integratorem zrobotyzowanych systemów spawalniczych wyposażonych w roboty firmy Panasonic. TAWERS (The Arc Welding Robot System) to oferowany przez nią system umożliwiający spawanie metodami MIG/MAG/TIG, składający się z robota i sterownika, w którym ten drugi jest jednocześnie zintegrowany ze źródłem prądu oraz podajnikiem drutu. Jest to interesujące rozwiązanie, w którym źródło prądu nie jest osobnym modułem. Pozwala to na znaczną redukcję liczby wiązek przewodów prowadzonych na zewnątrz oraz urządzeń znajdujących się wokół konstrukcji robota, poza tym zwiększa prędkość komunikacji i ogranicza potencjalne problemy z interfejsem, co wpływa korzystnie na cały proces spawania.

Firma Yaskawa proponuje technologię MultiRobot, która umożliwia zsynchronizowanie do ośmiu robotów lub do 72 osi. Taki sposób sterowania znacząco ułatwia kontrolę nad większą liczbą urządzeń, zwiększa gęstość dostępnego obszaru roboczego i, co najważniejsze, zapobiega ewentualnym kolizjom robotów umieszczonych sąsiadująco w jednej celi spawalniczej lub pomieszczeniu. Istotne jest również to, że programowanie całego systemu jest o wiele bardziej przyjazne i szybsze. Nie bez znaczenia pozostają koszty oprzyrządowania. Sterownik potrafi kontrolować pracę nawet ośmiu robotów, obsługując przy tym do 2048 wejść i 2048 wyjść cyfrowych i analogowych oraz do 15 kart przemysłowych. Cały system spawalniczy jest o wiele bardziej elastyczny niż ma to miejsce zazwyczaj.

Jeżeli odbiorcy zależy na znacznym zwiększeniu wydajności spawania, powinien pochylić się nad propozycją firmy Kemppi, w ofercie której jest system spawania tandemowego z dwoma drutami elektrodowymi do spawania MIG/MAG. Dzięki takiemu rozwiązaniu można zyskać czas, a co za tym idzie znacząco podnieść wydajność produkcji. Tego typu systemem sterowania jest KempArc Pulse TCS. Umożliwia on automatyczną kontrolę obu łuków, jednocześnie zapewniając ich niezależność. Parametry jednego z łuków, którego funkcję można określić jako podrzędną, są dostosowywane do parametrów łuku nadrzędnego. Warto podkreślić, że podczas spawania z użyciem omawianej metody nie dochodzi do interferencji oraz wzajemnego zakłócania się przez oba łuki. Istnieje ponadto możliwość zastosowania różnych procesów spawalniczych dla każdego z łuków. Oczywiście możliwe jest korzystanie wyłącznie z jednego drutu elektrodowego podczas procesu spawania, co więcej może to być dowolny z nich. Kemppi oferuje specjalny uchwyt spawalniczy, który jest przeznaczony do spawania tandemowego.

Firma Fronius w swojej ofercie ma technologie wspomagające zwiększenie wydajności oraz jakości zrobotyzowanego spawania. Pierwsza z nich o nazwie WireSense zapewnia rozpoznawanie i niwelowanie różnic w wymiarach elementów i ich mocowanie bez optycznych systemów pomiarowych. Rolę czujnika pełni drut elektrodowy. Druga technologia TeachMode ułatwia proces programowania robota. Rewersyjny ruch drutu zapobiega jego zginaniu w przypadku zetknięcia z materiałem podczas ustalania kolejnych pozycji w trybie programowania. Natomiast technologie SeamTracking i TouchSense zapewniają osiąganie perfekcyjnej spoiny spawania przez rozpoznawanie i niwelowanie różnic w wymiarach elementów i ich zamocowaniu przed i w trakcie spawania.

Podsumowanie

Zwiększenie wydajności, osiągnięcie wysokiej powtarzalności i dokładności, uniezależnienie się od czynnika ludzkiego to niezaprzeczalne dowody na opłacalność inwestycji w robotyzację spawania. Dalszy rozwój zrobotyzowanego spawania w przemyśle wydaje się nieunikniony. Niezwykle istotne dla opracowania nowych technologii i urządzeń jest wyróżnianie się na rynku szczególną niszową cechą, która może stać się impulsem dla potencjalnego klienta do wyboru rozwiązania konkretnego producenta. 

źródło: Automatyka 12/2024