Сварка роботами

Сва́рка ро́ботами или роботизи́рованная сва́рка[1][2] — сварка с использованием роботов, которые обеспечивают автоматизацию как самого процесса сварки, так и работ по перемещению и обработке деталей и изделий. Газовая дуговая сварка металлическим электродом часто автоматизирована, но для работы робота оператор готовит материалы, программирует его работу. Роботизированная сварка обычно используется для контактной точечной сварки и дуговой сварки в автомобильной промышленности.

История

Роботизированная сварка — одно из самых распространённых в настоящее время применений робототехники. Первой областью широкого применения промышленных роботов стала именно точечная контактная сварка (уже в 1969 году компания General Motors установила на автоматизированной линии для точечной контактной сварки автомобильных кузовов 26 роботов Unimate)[3]. Использование сварочных роботов (прежде всего — в автомобильной промышленности) значительно расширилось начиная с 1980-х годов; с тех пор количество таких роботов, используемых в промышленности, и спектр областей их применения выросли многократно. В 2005 году более 120 000 роботов использовалось в североамериканской индустрии, около половины из них — для сварки[4]. Что касается России, то 80 % промышленных роботов, ввозимых в настоящее время в страну, составляют именно сварочные роботы[5].

Рост применения роботов в первую очередь ограничивался высокой стоимостью оборудования и их ограничением для высокопроизводительных приложений; однако уже в 2014 году японская корпорация FANUC представила недорогой робот для дуговой сварки, чтобы обеспечить небольших производителей экономичной роботизированной дуговой сваркой[6].

Роботизация сварки в последнее время быстро развивается, сваркой занято около 20 % промышленных роботов.

Устройство сварочных роботов

По своей структуре большинство сварочных роботов — это манипуляционные роботы, относящиеся к двум классам: 1) роботы последовательной структуры (с открытой кинематической цепью исполнительного механизма); 2) роботы параллельной структуры (у последних выше жёсткость конструкции, но рабочий объём меньше, а стоимость — значительно выше)[7][8]. Для сварки крупногабаритных конструкций (например, в судостроении) используют также мобильные сварочные роботы[9].

Всё более широкое распространение в промышленности получают робототехнические комплексы, включающие несколько (иногда — сотни) одновременно работающих сварочных роботов[10][11], а также роботы для выполнения вспомогательных (загрузочных и сборочных) операций[12]. Робототехнический комплекс для сварки включает манипуляционную систему, сварочное оборудование, устройства управления и измерительные устройства[13].

Роботизация сварочных работ затронула несколько видов сварки, среди которых:

  • точечная контактная сварка (роботизация такой сварки получила наибольшее развитие: на долю роботов для точечной контактной сварки приходится примерно 30 % от общего парка промышленных роботов[3]), при которой манипулятор оснащают сварочными клещами (такая сварка может выполняться в любом пространственном положении, так что манипулятор должен иметь не менее шести степеней подвижности, хотя иногда удаётся обойтись и пятью степенями подвижности)[14];
  • дуговая сварка (её роботизация также получила широкое развитие, хотя автоматизацию дуговой сварки, несмотря на относительную простоту сварочного процесса, осложняет большое число факторов, оказывающих влияние на этот процесс[15]), для которой манипулятор оснащают сварочной головкой с электродом, причём для выполнения швов в оптимальном положении (при котором электрод должен быть перпендикулярен рабочей поверхности[16]) манипулятор должен иметь не менее пяти степеней подвижности при осесимметричном сварочном инструменте и не менее шести — при неосесимметричном)[17];
  • сварка трением с перемешиванием, при которой рабочий орган манипулятора несёт быстро вращающийся инструмент — стержень, состоящий из утолщённого опорного бурта и выступающего наконечника, который медленно погружается в стык свариваемых деталей, после чего инструмент перемещают вдоль линии стыка (за счёт давления опорного бурта на поверхность кромок их материал разогревается за счёт внутреннего трения и претерпевает пластическую деформацию, так что соединение деталей происходит без расплавления — в твёрдой фазе; манипулятор должен при этом иметь от пяти до шести степеней подвижности, обеспечивая поддержание небольшого (1,5—4,5°) наклона инструмента в направлении сварки)[8];
  • ультразвуковая сварка (применяемая, в частности, при монтаже внутренних соединений интегральных микросхем), при которой рабочий орган манипулятора несёт сварочный инструмент, состоящий из генератора ультразвука, волновода и сварочной иглы[18].

В простейших случаях сварочный робот сваривает детали по заданной программе; используют также технологии обучения роботов в режиме on-line (например, перед выполнением дуговой сварки электрод проводят — без включения дуги — вдоль будущего сварного шва, а получаемая информация используется в системе программного управления роботом)[19]. В более сложных случаях робот учитывает информацию, поступающую с различных датчиков[20]; при этом используют системы технического зрения и силомоментного очувствления, лазерные дальномеры, щупы с тензометрическими датчиками, а система управления роботом становится системой адаптивного управления[2][21].

Преимущества роботизированной сварки

Роботизация сварочных работ способна в несколько раз повысить эффективность производства. Применение сварочных роботов, выступающих в роли ключевого элемента гибкого автоматизированного производства, позволяет обеспечить высокое качество сварных соединений, снизить процент брака, избавить человека от монотонного труда[8]. Роботизация сварки позволяет добиться значительной экономии сварочных материалов и электроэнергии, уменьшения сварочных деформаций[22]. Она открывает возможность вести производство на меньшей площади, не требуя значительных затрат (неизбежных при ручной сварке) на мероприятия по охране труда и на оплату труда сварщиков-профессионалов. Хотя стоимость сварочных роботов относительно высока, но вложения окупаются достаточно быстро[15].

Весьма важны также достигаемые в условиях роботизированного производства сокращение времени изготовления продукции и обеспечение идентичности готовой продукции. Вместе с тем роботизация сварки влечёт расходы на обучение персонала, который программирует и обслуживает роботы, предъявляя жёсткие требования к сборке и позиционированию свариваемых заготовок[11].


Примечания
  1. Гладков, Бродягин, Перковский, 2014, с. 340, 381.
  2. Брейдо И. В., Жабелова Г. А.  Принципы адаптивного управления электроприводами сварочного робота-манипулятора // Автоматика. Информатика. — 2007. — Т. 1-2. — С. 38—40.
  3. Романов Р. Р.  Компьютерное моделирование движения робота для точечной контактной сварки // Постулат. — 2018. — № 6. — Ст. 119 (9 с.).
  4. Cary H. B., Helzer S. C. . Modern Welding Technology. 6th ed. — Upper Saddle River: Pearson/Prentice Hall, 2005. — xiii + 715 p. — ISBN 0-13-113029-3. — P. 316.
  5. Ленчик И. В., Родионова И. Н., Горохов А. А.  Проблемы и перспективы развития сварочного производства в России // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. — 2016. — № 11-12. — С. 69—72.
  6. Crain’s Detroit Business : Subscription Center
  7. Mendes N., Neto P., Loureiro A., Moreira A. P.  Machines and control systems for friction stir welding: A review // Materials & Design. — 2016. — Vol. 90. — P. 256—265. — doi:10.1016/j.matdes.2015.10.124.
  8. Комова О. И., Маслов А. Н., Осадченко Н. В.  Атомарные функции и построение программного движения сварочного робота // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. — 2018. — № 5 (80). — С. 15—36. — doi:10.18698/1812-3368-2018-5-15-36.
  9. Нгуен Доан Кыонг, Лубенко В. Н.  Совершенствование процесса сварки угловых швов кривых и гофрированных конструкций судна мобильным сварочным роботом // Вестник Астраханского гос. техн. ун-та. Серия: Морская техника и технология. — 2009. — № 1. — С. 66—71.
  10. Гладков, Бродягин, Перковский, 2014, с. 342—343.
  11. Колтыгин Д. С., Романюк Д. Ю.  Анализ и особенности применения роботов-сварщиков // Труды Братского гос. ун-та. Серия: Естественные и инженерные науки. — 2016. — Т. 2. — С. 138—141.
  12. Иванов, 2017, с. 185—187.
  13. Гладков, Бродягин, Перковский, 2014, с. 346.
  14. Гладков, Бродягин, Перковский, 2014, с. 343—344.
  15. Кощеев А. А.  Построение программного движения робота для дуговой сварки // Постулат. — 2018. — № 6. — Ст. 47 (10 с.).
  16. Зенкевич, Ющенко, 2004, с. 25.
  17. Гладков, Бродягин, Перковский, 2014, с. 343.
  18. Иванов, 2017, с. 189—193.
  19. Зенкевич, Ющенко, 2004, с. 29.
  20. Turek F. D.  Machine Vision Fundamentals: How to Make Robots ‘See’ // NASA Tech Briefs magazine. — 2011. — Vol. 35, no. 6. — P. 60—62.
  21. Зенкевич, Ющенко, 2004, с. 29—30.
  22. Гладков, Бродягин, Перковский, 2014, с. 340.

Литература
  • Гладков Э. А., Бродягин В. Н., Перковский Р. А.  Автоматизация сварочных процессов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 424 с. — ISBN 978-5-7038-3861-7.
  • Зенкевич С. Л., Ющенко А. С.  Основы управления манипуляционными роботами. 2-е изд. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 480 с. — (Робототехника). — ISBN 5-7038-2567-9.
  • Иванов А. А.  Основы робототехники. 2-е изд. — М.: ИНФРА-М, 2017. — 223 с. — ISBN 978-5-16-012765-1.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.