Сварочные роботы: применение и возможности

Роботизированная сварка – это разновидность автоматизированного процесса, характеризующаяся высокой точностью. Программируемые роботы заменяют сварщиков, увеличивают производительность работ в десятки раз. Сварочный робот – обязательная часть конвейерного производства, где есть сварочные операции. Например, при сборке машин, бытовой техники, оборудования.

Как работает сварочный робот

Принцип работы устройств зависит от их типа, но всех роботов объединяет похожее строение.

Основу механизма составляет “рука” — нескольких металлических балок, соединённых с помощью подвижных элементов. На конце манипулятора находится рабочая головка, которая и осуществляет сварку.

“Рука” сварочного робота Kuka WTG 1200. Фото kuka.com.

Рука подвижна — чем больше на ней “суставов”, тем более сложную работу она способна выполнять. К устройству крепится оптический наводчик, позволяющий точно выбирать место для наложения шва.

Робот подключен к пульту управления, в котором установлено соответствующее ПО. Оно пишется для каждого проекта отдельно, что позволяет тонко кастомизировать возможности машины.

Преимущества и недостатки

Роботизация сварки оптимизирует технологический процесс, роботизированные автоматы заменили сварщиков. Преимущества автоматизации работ:

повышается качество соединений;
однотипные операции выполняются с одинаковой скоростью (человек на такое не способен);
оборудование перенастраивается в процессе работы в считанные минуты;
уменьшается процент брака;
поддерживается стабильное горение дуги, сохраняется интервал между заготовкой и электродом;
длительность работы намного выше;
расходы на оборудование быстро окупаются за счет исключения ручного труда, повышения производительности;
расходы на техническое обслуживание несоизмеримо меньше фонда зарплаты сварщиков с обязательными отчислениями;
оператор, настраивающий технику, действует по переделенным алгоритмам, не требующим специальных знаний, его недолго обучать;
безопасность – нет термического и лучевого воздействия на людей;
экономический эффект;
не нужна система контроля, эту функцию выполняет компьютер.

Теперь о недостатках, они тоже имеются:

высокая стоимость роботов;
повторяемость операций, потесано автоматику перенастраивать не будешь, роботы-сварщики используются только на конвейерной сборке, серийном производстве;
качество сварных работ зависит от опыта оператора, умения настраивать оборудование.

Виды сварочных роботов

Лазерные

Лазерный сварочный робот. Фото kuka.com.

Лазерная сварка применяется во многих областях: от автомобилестроения до конструирования космических кораблей. Её используют для создания деталей среднего и крупного размера.

Во время сварки лазер нагревает материал до температуры плавления. Луч фокусируется с помощью оптики и во время движения по прямой создаётся сварной шов. Для защиты от окисления используется инертный газ, обычно аргон.

Лазерная технология сочетается с другими видами соединения: точечной сваркой, склейкой и герметизацией.

Преимущества лазерной сварки:

Небольшие затраты, благодаря большой скорости соединения и высокому КПД;
Надежность — металл не подвергается ударам, не деформируется и не трескается;
Большая глубина шва при незначительной ширине.

Дуговые

Дуговой сварочный робот. Фото fanuc.eu.

Дуговая сварка — это обобщённый термин, включающий в себя такие методы, как MIG, TIG, MMA и другие. Во время работы устройства между электродом и металлом образуется электрическая дуга, которая расплавляет материал заготовки на свариваемых краях. Электрод может быть нерасходуемым и расходуемым. Во втором случае он плавится вместе с материалом и образует сварной шов.

Наиболее популярным методом дуговой нерасходуемой сварки является TIG с вольфрамовым электродом. Поскольку элемент не расплавляется, для защиты металла от окисления используют инертный газ, обычно аргон.

Главная проблема таких роботов — ПО, способное заставить машину правильно выполнить соединение деталей. Лучшие дуговые машины выпускают Kuka, Fanuc, Hanwha.

Точечные

Точечный робот от Fanuc. Источник fanucamerica.com.

Роботизированная точечная сварка — это самый распространённый вид контактной сварки Он применяется в производстве большинства металлических изделий.

Чаще всего роботы осуществляющие точечную сварку применяются в автомобильной промышленности, для соединения нескольких металлических листов. Но и в других отраслях такие машины востребованы.

Точечный робот от Kuka. Фото directindustry.com.

Автоматизация точечной сварки — это быстрое, простое и недорогое решение. Роботы позволяют сэкономить на рабочей силе и времени производства.

Роботов для точечной сварки выпускают Kuka, Fanuc, Universal Robots и др.

Газовые

Преимуществом такого вида сварки является быстрое схватывание материала. Во время работы устройства газ непрерывно подаётся к сварочному наконечнику. Получается пламя, которое и служит источником нагрева. Металл раскаляется до температуры 2500-3000 градусов.

Газовая сварка — один из самых популярных видов соединения металлов в промышленности. Она легко интегрируется в роботизированные системы, поэтому автоматические устройства уже давно вошли в массовое производство. Благодаря роботам этот тип сварки — самый быстрый из существующих.

Газовая сварка. Фото youtube.com

Сварочные роботы способны действовать в любом положении, что добавляет процессу гибкости. В современных устройствах есть защита от вредных паров, сварные швы обладают большой прочностью, а КПД машины позволяет извлекать из нее максимум пользы.

Плазменные

Плазменный робот Kuka. Фото eurobots.net

Технологии плазменной сварки применяются для сложных соединений. Благодаря высоким температурам сварка происходит практически мгновенно.

Роботизированная плазменная сварка (PAW) похожа на технологию TIG. Для работы используется сжатый ионизированный газ, проходящий через медное сопло. Тем самым достигается максимальная температура, позволяющая добиться минимального поперечного сечения сварного шва. Для плазменной сварки обычно используется тот же нерасходуемый вольфрам, что и для дуговой.

Роботы обеспечивают большую гибкость работы благодаря возможности настроить скорость и температуру.

Применение роботизированных машин

Для выпуска штампованной продукции, где используется повторяющийся вид соединения, часто устанавливают сварочные роботы. Благодаря возможности программирования они способны с точностью накладывать прямые, кольцевые и круговые швы.

Дуговая сварка в этих устройствах используется и для криволинейных швов любой сложности. В отличие от механических шаблонов, по которым движется головка в других сварочных аппаратах, роботизированная сварка осуществляет движение осей и горелки по электронной схеме. Это нашло широкое применение в машиностроении и изготовлении станков.

Реальные примеры использования сварочных роботов

Мост, изготовленный с помощью сварочных роботов и 3D-печати

Каркас моста. Вид сверху. Фото digitaltrends.com

В течение трёх лет голландская компания MX3D работает над созданием самого необычного стального пешеходного моста в мире. Его каркас выполнен в виде скрученных металлических балок, создающих футуристический стиль. У конструкции будет реальное применение — её установят над каналом в Амстердаме.

Но самое интересное, что мост создаётся только с помощью сварочных роботов. Разработчики взяли аппараты, обычно применяемые в автомобильной промышленности и работающие на технологии дуговой сварки MIG.

В изготовлении используется метод 3D-печати. Программное обеспечение позволяет наращивать новые слои металла сложной формы по уже готовым макетам.

Готовая конструкция. Фото digitaltrends.com

Первоначально планировалось установить роботов прямо над каналом и печатать мост на месте. Но, из-за сложности с реализацией, конструкция создается в мастерской.

Длина готового моста составляет 12,5 метров, на его создание ушло шесть месяцев. На печать затрачено 4500 кг нержавеющей стали и 1100 км проволоки. В 2022 году разработчики планируют ввести изделие в эксплуатацию.

Процесс печати кромки моста. Фото digitaltrends.com

Велосипед, напечатанный на 3D-принтере

Готовый велосипед с напечатанной из стали рамой. Фото newatlas.com

Ещё один необычный пример использования сварочных роботов — велосипед из нержавеющей стали, сделанный с помощью 3D-технологий.

На таком велосипеде можно будет ездить по городским улицам и бездорожью. Фото newatlas.com

Это не первый байк, который изготавливается автоматическими системами. Раньше рамы делались на основе лазерной сварки из уже готовых компонентов. Этот же студенческий проект предусматривает использование 3D-печати вместе с роботизированной сварочной системой.

Это первый велосипед, созданный с помощью 3D-технологий и сварочных роботов. Фото newatlas.com

Робот создаёт шарик расплавленного металла, затем добавляет еще один поверх него, как только тот затвердеет. Таким образом появляются балки, которые свариваются, и получается рама.

Создатели не сомневаются в прочности конструкции. Фото newatlas.com

Конечный продукт, под названием Arc Bicycle, весит примерно столько же, сколько обычный велосипед со стальной рамой, и вполне способен ездить по бездорожью.

Команда создателей велосипеда. Фото newatlas.com

Мини-робот от Kuka — один из самых маленьких и производительных аппаратов для автоматической сварки

Компактный размер этой модели позволит сэкономить рабочую площадь. Фото maschinenmarkt.vogel.de

Компания Kuka выпустила один из самых небольших стационарных сварочных роботов — WTG 1200. Размеры его рабочей ячейки всего 1200×800 мм — это самый маленький автоматический сварочный аппарат с технологией дуговой сварки.

Грузоподъёмность устройства — 6 кг, при этом оно оптимизировано для работы на особо высоких скоростях. Управление осуществляется с помощью пульта, можно включить автоматический или ручной режим.

Разработчики реализовали защиту для работников. Пока двери в камеру хранения материалов открыты, машина не запустится.

Устройство уже внедрено на различные производства. Как показала практика, с помощью этого робота производительность увеличилась до 50% благодаря высокой скорости работы системы.

Hyundai использует сварочных роботов в производстве кораблей

Hyundai Heavy Industries (HHI), одна из крупнейших судостроительных компании в мире, разработала миниатюрный сварочный робот для своих сотрудников. Устройство можно возить с собой, а потом прикрепить его к кораблю с помощью магнитов. Маленький робот увеличивает производительность труда в два-три раза.

Устройство весит всего 15 кг, высота — 15 см, длина — 50 см. Рабочая “рука” состоит из шести суставов, делающих её такой же подвижной, как и у человека. Устройство способно функционировать непрерывно, тем самым его производительность намного больше, чем у человека.

Небольшие размеры дают преимущество не только в транспортировке. Робот способен добраться до труднодоступных мест, где человек работать неспособен. HHI применяется не только в судостроении, но и в обслуживании морских нефтяных вышек. Поэтому робот получил несколько видов ПО, позволяющих ему выполнять различные действия на морских строительных площадках: резку стали, взрывные и покрасочные работы.

К тому же производительность увеличивается как минимум вдвое, так как один работник может одновременно контролировать двух-трех роботов.

Мини-робот способен дотянуться до самых дальних частей конструкции. Фото newatlas.com

Общая информация

Роботизированная сварка — это вид автоматической сварки, суть которого заключается в использовании на производстве программируемых роботов вместо привычных сварщиков. Такая сварка очень востребована на предприятиях, где необходимо наладить крупное конвейерное производство.

Существует огромное количество разновидностей роботов для сварки, поскольку каждый производитель стремится оснастить свое оборудование особыми функциями. Несмотря на техническую сложность, конкуренция среди производителей сварочных роботов очень высока, ведь такое оборудование стоит дорого и зачастую приобретается не на один год. Поэтому производители пытаются оснастить своих роботов максимальным количеством полезных функций.

Бюджетные, но при этом относительно функциональные роботы производит японская компания Fanuc. Их самая популярная модель — AM-0iA. Среди европейских производителей популярны немецкие сварочные роботы фирмы Kuka, особенно их бюджетная модель KR5. Также отметим сварочных роботов от всемирно известной компании Panasonic, в частности их модель TA1400G2 хорошо зарекомендовала себя на отечественных заводах. Неплохо показала себя продукция компании Motoman, особой похвалы достойна модель EA 1400N.

Размещение комплекса

Сварочных роботов можно устанавливать на бетонный пол, который не тоньше 300 мм, и имеет поверхность без перепадов (допустимая погрешность составляет 5 мм на один квадратный метр). Основание комплекса крепят на винты, чтобы придать ему жесткую фиксацию и предотвратить смещения из-за вибрации.

Рабочую зону робота необходимо ясно обозначить и оградить от движения людей. Это делается для безопасности. «Рука» машины может иметь значительный вылет в длину, а в сложенном положении оставлять много свободного места вокруг комплекса. В программу заложены координаты окружающего оборудования и инструментальной части, но нет возможности вносить информацию о проходящих людях, поэтому зона вокруг робота относится к территории повышенной опасности, ведь комплекс, действуя по программе, может неожиданно переместить головку на другой участок, задев идущего рабочего. Такие области ограждаются желтыми решетчатыми заборами и вывешиваются соответствующие надписи.

При роботизированной работе может потребоваться канал для подачи осушенного воздуха. Это используется на определенных сплавах для охлаждения зоны шва и предотвращения перегрева микросхем в случае радиоэлектронной промышленности. Такой канал заводится по полу и подается с задней стороны в аппарат. Электрические кабеля для питания комплекса закладываются в металлические каналы и проводятся аналогичным способом.

Роботы для сварки повышают производительность на однотипных сварочных процессах. Возможности программирования позволяют настроить установку на выполнение прямых и криволинейных швов, а разнообразие моделей дает возможность подобрать комплекс для конкретного материала и задач.

Перспектива

Специалисты обещают, что сварочные роботы будут управляться с помощью мысли.

Скоро для управления роботами потребуется только мозг человека. Фото 4teller.com

Учёные и инженеры планируют максимально автоматизировать процесс сварки. Уже сейчас разрабатывается технология, позволяющая управлять сварочным роботом силой мысли. Это возможно благодаря использованию нейроинтерфейса работающего по принципу энцефалографа.

Разработчики ставят задачу обезопасить процесс работы со сварочными роботами и ускорить создание металлических конструкций. Благодаря ЭЭГ человек будет находиться вдали от опасного производства, в связи с чем риск получить травму минимальный. Также увеличится скорость управления машинами, соответственно, вырастет КПД.

По словам разработчиков, объединение умов человека и машины позволит максимально эффективно использовать роботов для создания сложных конструкций. Машину не придётся программировать, что сильно сократит время на подготовку к работе — процесс будет осуществлять в реальном времени, с помощью мысли.

К человеку прикрепляются датчики ЭЭГ. Когда пользователь просматривает на экране компьютера фотографии соединений, которые потенциально могут быть сварены, программа распознаёт намерение, анализируя реакцию на нужный результат.

Пока технология испытывалась только в лаборатории, но в ближайшее время разработчики хотят внедрить её в промышленное производство для тестирования. Создатели утверждают, что их наработки помогут существенно снизить стоимость создания деталей с помощью роботов, особенно небольших партий. Из-за необходимости написания программ создание штучных продуктов неоправданно дорого. Использование живого оператора сократит стоимость процесса в десятки раз.

В будущем разработчики будут усложнять технологию, чтобы роботы могли создавать сложные конструкции без написания специализированного ПО.

Будущее автоматизированной сварки

Даже самыми большими аппаратами операторы могут удобно управлять с помощью пульта. Фото millerwelds.com

Как показывают примеры, роботизация идёт полным ходом. Автоматические устройства уже давно стали неотъемлемой частью на производствах, а с появлением 3D-печати и новых ПО их возможности ограничиваются только человеческой фантазией.

Настройка установки

Чтобы робот для сварки корректно функционировал и содействовал ускорению производства, требуется грамотная настройка его действий. Выполняется это при помощи пульта и дисплея, закрепленных на корпусе аппарата.

Это начинается с калибровки осей комплекса. Процедура выполняется один раз при установке робота на позицию. Проверяется диапазон его движений и соответствие этих показателей на экране. Если будет существовать различие (комплекс запрограммирован на шов длиной в 100 мм с радиусом окружности в 30 мм, а в реальности получиться радиус 35 мм), то аппарат проложит шов не в том месте. За день такой работы будет выпущено много бракованных изделий.

Второй стадией настоек является установка координат инструмента. Это подложка над которой работает сварочная головка, и сопутствующие приспособления, используемые для автоматического захвата и прижима изделия. Если действия комплекса будут несогласованными, то манипуляции с заготовками могут быть выполнены не в том месте (возможна даже ошибочная сварка на инструменте вместо изделия).

Третьей стадией программирования служит настройка координат окружения. Благодаря введению этих данных можно создавать конкретные модели сварочных процессов, позволяющие комплексу беспрепятственно перемещаться над изделием, выполняя заложенные операции, и не сталкиваясь с другим оборудованием или параллельно работающими роботизированными установками.

Разновидности моделей

Роботизация сварочных работ позволяет ускорить производительность, но для этого важно выбрать правильное оборудование. Сварочные машины могут отличаться по высоте, длине действующей «руки», и количеству поворотных участков.

Кроме различий в габаритах, имеются варианты и в виде осуществляемой сварки. Это роботы, которые:

Выполняют сварку плавящимся электродом (проволокой) в среде аргона и углекислоты. В зависимости от диаметра проволоки и силы тока, такие установки можно использовать как на тонких, так и на толстых пластинах и конструкциях. Основное применение — работа на конвейерах по сборке автомобилей.
Аналогичные машины, где вместо проволоки применяются вольфрамовые не плавящиеся электроды. Их применяют для аккуратной сварки на нержавеющей стали или медных конструкциях.
Роботизированные установки для контактной сварки, происходящей между двумя угольными электродами. Технология внедрена в области машиностроения и радиооборудования. Ими выполняется быстрая сборка корпусов к любым аппаратам.
Сварочные машины для выполнения швов струей плазмы. Применяются для работ, где свариваемый металл плохо поддается воздействию других методов.
Агрегаты для сварки трубопроводов плавящимся электродом под флюсом. С их помощью можно быстро создать огромные участки трубной магистрали, которые транспортируются на место прокладки, и там соединяются в ручную.
Устройства для сваривания лазером. Используются там, где нужна высокоскоростная сварка без выделения вредных веществ в воздух.
Гибридные версии, где применяются сразу два вида сварки. Это может быть лазер, плавящий поступающую в него проволоку, на которую параллельно подается напряжение, создающее собственную электрическую дугу между проволокой и изделием.

Смотрите про коптеры: Робот-шпион — Official TF2 Wiki