Промышленные роботы для автоматизации процессов

Сварки

 

Использование роботов позволяет решить три важнейшие проблемы современной технологии:

1) автоматизировать изготовление изделий при частой смене производства;

2) автоматизировать операции, не поддающиеся рациональной автоматизации другими методами (сварку швов сложной формы; сварку изделий с большим количеством коротких швов, различным образом расположенных в пространстве);

3) применять для автоматизации изготовления различных сварных конструкций однотипные технические средства.

РТК для сварки представляет собой манипуляционную систему, оснащенную средствами осуществления сварочного процесса, с программным управлением координатами инструмента относительно изделия и параметрами сварки.

 

Рис. 4.1. Структурные схемы основных типов манипуляторов сварочного инструмента с прямоугольной (а,б), цилиндрической (в), двухполярной цилиндрической (г), сферической (д) и двухполярной сферической (антропоморфной) (е) системами координат переносных движений.

 

Роботы для сварки строят в различных системах координат переносных движений (рис.4.1): прямоугольной, цилиндрической, двухполярной цилиндрической, сферической и двухполярной сферической (называемой также антропоморфной). На рис. 4.1 для обозначения поступательных перемещений, осуществляемых вдоль координатных осей, использованы символы X, Y, Z; для вращательных перемещений вокруг осей, параллельных X, Y, Z—символы А, В, С соответственно.

Наибольшее распространение для дуговой сварки получили роботы с антропоморфной и прямоугольной системами координат переносных движений. Для контактной точечной сварки чаще других применяются роботы со сферической и антропоморфной системами координат.

Манипуляторы сварочного инструмента с прямоугольной системой координат при модульной конструкции реализуются в наибольшем количестве вариантов. Направления переносных движений манипуляторов параллельны линиям швов или плоскостям, в которых расположены швы сварных конструкций, что, упрощает процедуру обучения, систему управления и средства адаптации. Они позволяют обслуживать большие рабочие зоны, что особенно важно при сварке одним роботом изделий больших габаритов. Недостатки: значительная металлоемкость и большое занимаемое пространство; необходимость в механизмах, преобразующих вращательное движение в поступательное, и устройствах для защиты прямолинейных направляющих.

Манипуляторы с антропоморфной системой координат имеют небольшую металлоемкость, малые собственные габаритные размеры, простые и компактные механизмы привода. В этих манипуляторах не нужны механизмы и направляющие прямолинейного перемещения, а следовательно, и защита от внешних воздействий. Недостатки: невозможность обслуживания больших рабочих пространств; неизбежное повышение требований к точности передач при увеличении размеров рабочего пространства. Современные системы управления манипуляторами с антропоморфной структурой позволяют оператору при обучении осуществлять прямолинейные перемещения рабочего органа вдоль координатных осей в привычной для человека декартовой системе за счет автоматического согласования работы приводов всех звеньев антропоморфного манипулятора. Поэтому преимущества манипуляторов с антропоморфной системой координат приобретают решающее значение.

Для обеспечения сварки в наиболее удобном (нижнем) положении и доступа ко всем швам свариваемого изделия сварочные роботы обычно оснащаются манипуляторами изделия (позиционерами), которые выполняются в виде одно- или двухкоординатных кантователей, периодически или непрерывно ориентирующих закрепленное на них свариваемое изделие. Манипуляторы изделия являются как бы дополнительными степенями подвижности робота, работают с ними по единой программе, управление ими осуществляется от системы управления робота.

Важнейшим элементом манипуляторов сварочного инструмента и изделия являются приводы перемещения звеньев манипуляционной системы, так как они определяют точность отработки программы движений. В современных РТК скорость перемещения рабочих органов может изменяться от 0,5—1,5 м/сек при маршевых перемещениях сварочного инструмента до долей миллиметра в секунду при дуговой сварке. Поэтому приводы имеют диапазон регулирования до 10⁴, и их параметры обеспечивают статическую и динамическую точность.

Наиболее распространенные типы приводов – тиристорные, или транзисторные электроприводы с высокомоментным двигателем постоянного тока. Применяют также дискретный (шаговый) привод. В роботах с большой грузоподъемностью используют также гидравлический привод.

Для организации работы робота необходимы контурные системы управления. Эти системы обеспечивают перемещение горелки по заданной траектории при заданной ее ориентации и с постоянной скоростью, выдачу технологических команд для управления сварочным оборудованием. Параметры задаются при обучении, причем для каждого типа шва или его отрезка можно записать свои значения скорости сварки, тока и напряжения дуги и др.

Система управления роботов строится на основе микро-ЭВМ или микропроцессоров. Реализуя программное обеспечение, ЭВМ рассчитывает траекторию движения горелки путем интерполяции, вырабатывает сигналы на выполнение тех или иных команд и управляет движением робота с учетом параметров конкретного манипулятора. Кроме того, программное обеспечение выполняет ряд сервисных функций, включая диалог оператора с роботом, аварийно-диагностические функции по отслеживанию состояния оборудования, входящего в состав комплекса. Это, прежде всего выработка сигналов типа: «приварка электродной проволоки», «обрыв проволоки», «касание горелкой изделия», «зажигание дуги», «обрыв дуги», «отсутствие защитного газа» и т.п.

Каждый раз перед сваркой изделий нового типа оператор должен запрограммировать работу робота, т.е. обучить робот по конкретному изделию. Применяются следующие виды программирования:

1) обучение посредством прямого силового воздействия на руку робота;

2) обучение при воздействии оператора на механизмы через следящие системы с помощью датчиков, встроенных в рукоятку обучения, которая установлена на руке робота;

3) обучение при дистанционном управлении манипуляционной системой;

4) внешнее программирование, основанное на аналитических или графоаналитических расчетах и исключающее оператора-сварщика при программировании.

После обучения программу можно вывести на внешний программоноситель, создавая библиотеку программ сварки различных изделий на данном РТК. Каждая такая программа содержит координаты опорных точек траектории сварных швов изделия, геометрические признаки.

Опорными называются точки, лежащие на траектории сварочного шва, в которых характер траектории меняется (прямая линия претерпевает излом или переходит в дугу, дуга переходит в прямую линию или в дугу другого радиуса и т.п.). В качестве геометрических признаков траектории в большинстве систем используют классические признаки задания прямой или дуги окружности. Для программирования отрезка прямой достаточно записать две опорные точки, дуги окружности — три, полной окружности — четыре опорные точки. Тогда опорные точки планируемой траектории будут являться точками сопряжения отрезков прямых и дуг окружностей.

Система управления автоматически рассчитывает и расставляет промежуточные точки с шагом, который зависит от заданных погрешностей и скорости перемещений, т.е. решает интерполяционную задачу (линейную или круговую).

У современных ПР дуговой сварки оператор осуществляет программирование на специальном технологически ориентированном языке, который содержит символы специальных микроопераций, позволяющих перемещать горелку от пульта обучения с заданной ориентацией относительно траектории ее перемещения, менять ориентацию и наклон горелки, перемещать горелку вдоль ее собственной оси, перемещать строго вдоль декартовых координат даже при антропоморфной структуре манипулятора, задавать частоту и амплитуду колебаний горелки при сварке, время технологических задержек и т.д. Использование этих микроопераций позволяет оператору значительно упростить процесс обучения робота.

Следующей ступенью автоматизации обучения сварочных роботов является интерактивное обучение, при котором опорные точки задаются в координатах изделия с «чертежа», т.е. ПР обучается без активизации движений. Как при первом, так и при втором способе обучения предполагается высокая точность изготовления и сборки свариваемых деталей.

На рис. 4.2 показана функциональная схема робота.