Сварочные роботы: применение и возможности

Во всех производственных отраслях важно, чтобы детали изделий были соединены качественно и быстро. Особенно, когда дело касается крупных конвейерных производств.

Этот фактор влияет на производительность предприятия: чем быстрее по конвейеру продвигаются изделия, тем их больше можно сделать. А значит — получить большую прибыль. Промышленные сварочные роботы созданы как раз для таких целей. Основные преимущества установки роботизированной техники для сварки:

вывод человеческой рабочей силы из зоны сварки.
автоматизация производства, снижение издержек.
повышает производительность.

Что такое сварочный аппарат-робот, какова специфика его использования и подойдет ли он для Вашего предприятия — разберем в этой статье.

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.

Роботизированная сварка: что это такое

Роботизированная сварка (сварка роботами) представляет собой автоматизированный сварочный процесс, осуществляемый роботами — манипуляторами с использованием сварочного оборудования, без участия человека. При ее проведении роботы обеспечивают выполнение всего цикла работ, включая перемещение и подачу деталей в рабочую зону, а также удаление их после завершения операции и проведение необходимых испытаний. Данный тип сварочных работ стал одним из наиболее распространенных направлений использования робототехники: более 20 % всех промышленных роботов специализированы на такие операции.

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.

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 Покибот фиолетовый артикул 88529-3

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

Загрузка, выгрузка, позиционирование изделий.

Второе место по объемам применения промышленных роботов занимают предприятия, у которых высокий объем движения продукции, например, пищевые производства, где роботом-манипулятором укладываются тарированные грузы на транспортный поддоны.

На сегодняшний день почти в каждом производстве, где требуется высокая производительность при работе с большим весом и размером продукта, актуален вопрос автоматизации загрузки и выгрузки изделий.

Если , например, необходимо организовать загрузку заготовок в металлообрабатывающие станки, пресса или термопласт-автоматы при этом позиционировать тяжелые заготовки или, наоборот, выгрузить готовые обработанные детали и уложить в транспортное положение, используют промышленного робота. И при заказчику вместо целого коллектива сотрудников потребуется всего один промышленный робот, который будет обслуживать несколько станков и работать с различными изделиями полностью в автоматическом режиме.

Компания РОБОТОТЕХНИКА выполняет работы по автоматизации процессов подачи заготовок в металлорежущие станки и смены режущего инструмента для станков с ЧПУ в автоматическом режиме с применением промышленных роботов фирм KUKA и ABB.

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.

Обычно для калибровки выделяют три последовательны этапа:

калибровка внешних осей движения робота-манипулятора;
координация движений инструмента;
координация окружения.

Первые два пункта калибровки являются строго обязательными, их исполнение обязательно, как правило, производится сразу же после монтажа и включения.

Предварительная калибровка по параметрам умолчания производится на заводе-изготовителе.

Калибровка инструмента позволяет наладить взаимодействие сварочных портов и заготовки в плоть до расстояния в доли миллиметра, это очень важно для промышленности ракетостроения и военной промышленности.

Настройка координационной системы так же очень важна поскольку отвечает за пространственное передвижение шарнирного манипулятора с большой траекторией возможных движений.

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.

Недостатки

Однако стоит учитывать, что механизированная сварка в среде защитных газов имеет негативные качества. Конечно по сравнению с преимуществами их не так много, но все же они есть.

Среди основных минусов отмечают:

Первый и значительный недостаток — высокая цена приборов. Конечно, они быстро окупаются, но не каждое производство может приобрести необходимое количество роботов, которые смогут заменить сварщиков.
Роботы подходят только для конвейерных производств. Для остальных типов производств данные устройства не особо подходят, они будут малоэффективными. Это значит, что они смогут не скоро окупить свою стоимость.
Перед тем как применять роботизированное сварное оборудование необходимо обучить сварщиков как правильно им пользоваться. На это требуется некоторое время, оператор должен понимать правильный алгоритм управления роботом.
Чтобы получить хорошие результаты требуется установить правильные настройки на устройстве. Однако если сварщик устал или недостаточно обучен, то при использовании роботизированных устройств могут возникнуть проблемы и результаты получатся низкого качества.
Существуют режимы сварки в защитных газах, при осуществлении которых активные продукты деятельности и среды могут нанести вредное воздействие на здоровье человека. По этой причине работы осуществляются в изолированном пространстве. Сварщик производит настройку программы, запускает робота и уходит из помещения, весь процесс осуществляется самостоятельно.