Металлоконструкции: снижение себестоимости за счет роботизации сварки

Компания «ФАМ-Роботикс» является промышленным интегратором роботизированных систем на оборонных, автомобильных, металлообрабатывающих и пищевых предприятиях. Благодаря десятилетнему опыту фирма может предложить решения по автоматизации или роботизации самых разных производственных операций. Для реализации поставленных задач используются промышленные роботы таких известных производителей, как Kawasaki, Toshiba Machine и Universal Robots. На собственной производственной базе происходит изготовление необходимой технологической оснастки и позиционеров. В совокупности это позволяет создавать как роботизированные решения для небольшого участка, так и полномасштабные комплексы, заменяющие цеха с большим количеством сотрудников.

Предлагаемые решения позволяют не просто автоматизировать операции, ранее выполнявшиеся вручную, но и повысить производительность предприятия за счет высокой точности и скорости работы роботов, а также возможности их использования на вредных и опасных производствах.

Проработка проекта

Компания-заказчик является одним из ведущих производителей металлической мебели и стеллажей для использования на промышленных предприятиях и в складских комплексах. В связи с решением о запуске нового модельного ряда инструментальных тумб был произведен расчет себестоимости. Итоги показали, что самыми дорогими являются операции с участием квалифицированного человеческого труда: сборка и сварка. Для снижения издержек было принято решение об автоматизации этих операций.

Поскольку детали ощутимо отличаются по габаритам, было решено сделать два комплекса: один для сварки корпусов тумб, другой — для сварки выдвижных ящиков. Для упрощения внедрения и эксплуатации роботизированные комплексы были разработаны максимально похожими друг на друга. Поэтому в дальнейшем речь пойдет лишь об одном из них — для сварки корпусов.

Было использовано следующее оборудование:

• робот Kawasaki BX200L;
• постамент для робота;
• комплект сварочных сервоклещей Obara с системой заточки наконечников;
• два блока охлаждения TBi (отдельно для клещей и отдельно для контроллера);
• робот Kawasaki RA06L;
• Г-образная колонна для закрепления робота;
• комплект сварочного оборудования Fronius 4000CMT;
• трехзонный вращательный позиционер с кольцевым токосъемником;
• три сварочных стола Forester, каждый с двумя сервоосями и комплектом автоматической пневматической оснастки;
• стойка управления с графической панелью;
• световой барьер для защиты от несанкционированного доступа.

На начальном этапе совместно с инженерами-конструкторами «ФАМ-Роботикс» была доработана существующая конструкция изделий. Задачами доработки были:

1. Снижение общего количества деталей для сокращения операций обработки (сварка, сборка, покраска).
2. Увеличение некоторых размеров деталей для организации их производства на автоматических линиях. За счет этого значительно снижается стоимость изготовления данных деталей. (Пример: стоимость детали размерами 800?600 мм, изготовленной на автоматической линии ниже, чем стоимость детали размерами 600?200 мм, согнутой вручную).
3. Замена электродуговой сварки на контактную ввиду более высокой экономичности последней. Контактная сварка не требует последующей обработки; единственным расходным материалом для контактной сварки являются медные колпачки, тогда как дуговая сварка «потребляет» защитный газ, проволоку, контактные наконечники. В процессе электродуговой сварки выделяется ультрафиолетовое излучение и газы, поэтому требуется организовать вентиляцию и защитное световое ограждение.
4. Упрощение сборки конструкции. Сварочная оснастка одновременно выступает в роли сборочной. Исключение дополнительных приспособлений облегчило и ускорило производственный процесс.
5. Унификация конструктивов: оснастка должна быть универсальной для разных изделий и не требовать длительной переналадки при смене свариваемого изделия.

Из-за физических ограничений не удалось полностью отказаться от электродуговой сварки. Поэтому было принято решение сделать три последовательных рабочих поста (рис. 1):

1. пост оператора для укладки заготовок и выгрузки изделий;
2. пост контактной сварки;
3. пост электродуговой сварки.
4. Несколько слов стоит сказать о составляющих комплекса.
   

   Рис. 1. Три последовательных рабочих поста

Позиционер

Свариваемые детали располагаются и фиксируются на позиционере, специально сконструированном для данного проекта (рис. 2).

Точность вращения позиционера обеспечивается индексным столом. На радиусе вращения 2700 мм погрешность позиционирования составляет 0,2 мм.

Из-за наличия трех последовательных зон позиционер должен вращаться всегда в одну сторону. В этом случае используется токосъемник бесконечного вращения. По нему передаются дискретные сигналы (24 В), протокольные сигналы (RS485, Profibus), силовая электрика (~380 В), пневматика (8 атм).

Рис. 2. Специально сконструированный позиционер

Оснастка

Важным решением для оптимизации сварки и сборки металлоконструкций явилось применение автоматической оснастки.

Каждый из трех сварочных столов имеет по два электропривода с инкрементальными энкодерами, с помощью которых устанавливаются габариты оснастки и собираемого изделия. Подвижная оснастка позволяет менять каждый габарит в диапазоне от 400 до 1200 мм за 6 с с погрешностью менее 0,25 мм.

На каждом столе установлен комплект сборочной оснастки — опорные площадки, упоры, 10 пневмоцилиндров с прижимами. Сжатие и раскрытие оснастки осуществляются нажатием одной кнопки. Усилие каждого пневмоцилиндра регулируется индивидуальным редуктором, скорость срабатывания — двумя пневмодросселями; последовательность и задержка срабатывания с шагом в 0,1 с задаются с центральной стойки управления. Такое количество настроек позволило настроить эргономику работы оснастки близко к идеалу и забыть про этот вопрос. Прижимы оснастки также имеют большие возможности по регулированию, что позволило достичь высокой точности сборки: разница между диагоналями изделия менее 1 мм.

Робот контактной сварки

Рис. 3. Промышленный робот Kawasaki BX200L

Для контактной сварки был применен промышленный робот Kawasaki BX200L — первый робот Kawasaki с полым запястьем (рис. 3). Полое запястье позволяет провести все кабели до сварочных клещей внутри корпуса робота. Это делает сборку компактнее, облегчает программирование, потому что конструкция исключает намотку кабелей на предплечье робота и минимизирует риск повреждения их о внешние объекты, а также просто улучшает экстерьер робота. Робот изготовлен в Японии под конкретного заказчика. На нем был установлен дополнительный сервопривод для сварочных клещей. Вдоль руки манипулятора были протянуты все необходимые коммуникации: электропитание и энкодерный кабель сервопривода, трубки для жидкостного охлаждения клещей, силовые кабели для передачи сварочных токов, сигнальные кабели для подключения вспомогательных устройств. На «локте» робота была установлена необходимая периферия: датчики потока охлаждающей жидкости, клапан охлаждения, коммутационный бокс для термореле сварочных клещей. Сборка робота под заказчика облегчила и ускорила процесс ввода оборудования в эксплуатацию.

Сервоклещи

Как было сказано выше, в проекте были применены клещи на серво­приводе (рис. 4). Единственный недостаток сервоклещей по сравнению с пневматическими — более высокая стоимость. Но он с лихвой компенсируется их главным преимуществом — высокой производительностью. За счет синхронизации работы манипулятора и сервоклещей и возможности точно регулировать раскрытие клещей между точками сварки производительность увеличивается на треть.

Также использование сервоклещей дает следующие преимущества:

• Можно заранее прописать величину раскрытия клещей до и после сварки. То есть нет необходимости тратить время на создание точек подхода и отхода, что экономит время программиста и объем памяти робота.
• Точная регулировка силы сжатия клещей позволяет улучшить качество сварки.
• При износе сварочных колпачков меняется координата точки сжатия клещей. Со временем из-за этого смещения клещи начинают давить заготовку, оставляя на ней вмятину. Сервоклещи позволяют роботу определить износ каждого колпачка, подвижного и фиксированного; исходя из этих данных робот автоматически корректирует программу сварки, чтобы не оставлять следов на заготовке.

Рис. 4. Сервоклещи

Как было сказано выше, в процессе сварки происходит износ контактных колпачков — их поверхность теряет гладкость. Все неровности отпечатываются на свариваемых заготовках. Поэтому периодически требуется фрезеровать контактные поверхности колпачков для придания им изначального качества.

В комплекте со сварочными клещами идет механизм заточки колпачков. Робот считает каждую сваренную точку. При достижении определенного числа точек автоматически запускается программа фрезеровки и определения уровня износа колпачков. Количество сваренных точек между очистками зависит от значений сварочного тока, силы сжатия клещей, материала заготовок и пр. Существующие таблицы дают лишь приблизительные рекомендации, а более точное значение определяется эмпирически в процессе эксплуатации. Оператор комплекса может в любой момент с пульта робота установить максимальное количество свариваемых точек между фрезеровками.

Электродуговая сварка

Из-за особенностей конструкции не удалось полностью отказаться от электродуговой сварки. Но ее использование было сведено к минимуму. Поэтому заложенная в конструкцию роботизированного технологического комплекса (РТК) возможность подключения вытяжной вентиляции не была использована. Другой удачной находкой оказалась конструкция изделия — вся сварка осуществляется внутри корпуса. Поэтому стенки изделия защищают операторов от негативного воздействия ультрафиолетового излучения.

Так как есть большая разница в количестве и, как следствие, времени контактной и электродуговой сварок, была возможность ввести функцию поиска шва, не снижая производительности комплекса в целом. Робот «ощупывает» проволокой заготовку и находит правильное место сварки.

Даже с временными затратами на поиск шва дуговая сварка выполняется на 1–2 мин быстрее. На это время робот самостоятельно уходит в паузу: выключает сервоусилители и двигатели, чтобы снизить собственные износ и энергопотребление. При развороте позиционера робот выходит из паузы по сигналу стойки управления.

При сварке первого и последнего изделий в серии пустует один из столов. Стойка управления автоматически определяет, есть ли перед каждым роботом заготовка, и при ее отсутствии переводит роботов в паузу для экономии ресурсов.

Стойка управления и система безопасности

Стойка управления служит для управления комплексом в целом. Она имеет графическую панель. С ее помощью оператор выбирает модель свариваемого изделия, устанавливает ширину и высоту столов под габариты заготовки, управляет вращением позиционера, задает последовательность срабатывания оснастки. Стойка «сообщает» роботам о свариваемом типоразмере. Также стойка отвечает за безопасность роботов: запрещает вращение позиционера, если роботы не сообщают о своем нахождении в безопасной «домашней» позиции.

За безопасность операторов отвечает отдельное логическое устройство на основе световой завесы: при входе в рабочую зону оператор пересекает световой барьер, который блокирует вращение позиционера. Для снятия блокировки оператор должен выйти из опасной зоны, вставить защитный ключ и нажать кнопку запуска.

После ввода комплекса в эксплуатацию по желанию заказчика была доработана эргономика: установлена дополнительная выносная педаль, дублирующая кнопку запуска на стойке управления.

Написание сварочных программ для новых типоразмеров осуществляется путем модификации уже существующей программы максимального типоразмера: командой линейно смещаются точки сварки и удаляются «лишние» точки.

Результаты внедрения

В результате внедрения РТК предприятие-заказчик получило роботизированный сварочный цех. Это позволило сократить зависимость производства от человеческого фактора, такого как возможные простои, отпуска и пр. Учитывая используемые средства производства и технологические решения по безопасности и программному управлению, предприятие повысило свою производительность, что естественным образом привело к снижению себестоимости единицы продукции.