|
|
ОглавлениеПрименение промышленных роботов. Предисловие Глава 1. Автоматизированные производственные системы и промышленные роботы Глава 2. Промышленные роботы в литейном производстве Глава 3. Промышленные роботы в автоматизации процессов нагрева и термообработки Глава 4. Автоматизация кузнечно-прессового оборудования Глава 5. Автоматизация сварки промышленными роботами Глава 6. Обслуживание металлорежущих станков Глава 7. Автоматизация сборочных операций Глава 8. Автоматизация нанесения защитных покрытий Глава 9.Роботизированный технический контроль Глава 10. Автоматизация транспортно-складских работ Глава 11. Гибкие производственные системы и заводы-автоматы Глава 12. Оценка экономической эффективности промышленных роботов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГЛАВА 5. АВТОМАТИЗАЦИЯ СВАРКИ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ5.1. Автоматизируемые виды сваркиВиды и особенности роботизации сварочных процессов. Сварку широко применяют во всех отраслях народного хозяйства для изготовления новых и ремонта эксплуатируемых конструкций, механизмов и оборудования. Преимущества сварных конструкций общепризнанны, ими часто заменяют литые, клепаные и кованые изделия. С помощью сварки соединяют между собой различные металлы, их сплавы, некоторые керамические материалы, пластмассы и разнородные материалы. Промышленные роботы при автоматизации сварки могут применяться в качестве вспомогательного или основного технологического оборудования. В первом случае ПР служит подъемно-транспортным средством при обслуживании стационарных сварочных машин и автоматов, обеспечивая сборку и установку свариваемых деталей в рабочую зону машины и съем готового изделия. При этом ПР оснащают широкодиапазонным захватным устройством, позволяющим манипулировать как отдельными деталями, так и сварным изделием, или обеспечивают автоматическую смену захватных устройств. Во втором случае ПР выполняет непосредственно сварку и оснащается рабочим инструментом: например, для точечной сварки — сварочными клещами, а для дуговой — сварочной горелкой с плавящимся или неплавящимся электродом. В состав РТК могут одновременно входить два и более роботов как для выполнения манипуляционных действий (подачи деталей, сборки их под сварку, манипулирования свариваемыми деталями, манипулирования подсборкой под сварку), так и для выполнения сварки (включая перемещения сварочного инструмента). Применение промышленных роботов для автоматизации сварки определяется двумя критериями: экономической целесообразностью и обеспечением безопасности сварщика. Поэтому применять ПР целесообразно во всех случаях, когда человек не может находиться в зоне сварки без специального оборудования (электроннолучевая сварка и сварка взрывом, сварка в космосе и под водой и т.п.), а также для тех видов сварки, которые наиболее распространены, так что их автоматизация даст значительный экономический эффект. В машиностроении наиболее целесообразно применение роботов для автоматизации контактной и дуговой точечной сварки (ПР с позиционными СПУ), а также дуговой и электроннолучевой (ПР с контурными или универсальными СПУ). Виды и способы сварки. Разработано и внедрено большое количество ее видов и способов (рис. 5.1). Подробнее о видах сварки — [см. 14, 18, 26, 34, 37, 47, 56]. Далее приведены характеристики некоторых видов сварки, для автоматизации которых часто используют промышленные роботы. Контактная точечная сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения, возникающего в результате нагрева металла электрическим током, протекающим через свариваемые детали в точках их контакта с электродами, и пластической деформацией зоны соединения. Лучше всего для точечной сварки подходят железосодержащие материалы — они проводят ток и вместе с тем обладают не настолько низким сопротивлением (как, например, алюминий или медь), чтобы для их сварки требовалась слишком большая сила тока. Чаще всего сваривают холоднокатаные заготовки из низкоуглеродистых сталей, нередко — из высокопрочной стали или гальванически осаждаемых материалов. Толщина заготовок 0,3—6,0 мм. Заготовки вырубают или штампуют так, чтобы их было удобно сваривать. Наиболее типичные области применения точечной сварки — изготовление изделий из листового металла (автомобилестроение, вагоностроение, судостроение, строительство). Схема контактной точечной сварки показана на рис. 5.2. При точечной сварке используется нахлесточное соединение: листы 3 предварительно сжимаются с силой F электродами 2 и 4 из медных сплавов и нагреваются проходящим электрическим током до появления внутри деталей расплавленной зоны 1 — точки (или ядра) сварки. По способу подвода тока точечная сварка может быть двусторонней, когда ток подводят к каждой детали (рис. 5.2, а), и односторонней (рис. 5.2, б), когда ток подводят к одной из них. Во втором случае, чтобы обеспечить достаточное тепловыделение в зоне контакта деталей, со стороны нижнего листа используют шунтирующую медную подкладку 5. Рис. 5.1. Классификация видов сварки Различают одноточечную сварку, когда за одну операцию выполняют одну точку, и многоточечную — с двумя или более одновременно свариваемыми точками. Рис. 5.2. Схема двусторонней (а) и односторонней (б) контактной точечной сварки: 1 — точка (ядро) сварки; 2,— верхний электрод; 3 — свариваемые детали; 4 — нижний электрод; 5 — шунтирующая медная подкладка Параметры сварки. Для успешного выполнения точечной сварки важны четыре параметра: давление между электродами, сила тока, продолжительность сварки, соблюдение размеров конструктивных элементов сварного соединения. От давления электродов на соединяемые поверхности зависит сопротивление вертикального участка стыка свариваемых материалов. При слишком большом давлении воздушный зазор уменьшается, сопротивление снижается и для создания достаточного нагрева требуется большая сила тока. При недостаточном давлении сопротивление возрастает и избыточное разогревание может привести к прожиганию материала. Существует оптимальное соотношение трех параметров сварки, зависящее от материала и толщины деталей. Если точки сварки расположены по прямой линии и к ним обеспечен удобный доступ, то сварка может проводиться со скоростью 60 точек в 1 минуту. Сварка с такой скоростью двух стальных листов толщиной 1—2 мм должна проводиться при силе тока 10 кА импульсами переменного тока 10—50 Гц относительно малой продолжительности (0,01—0,5 с). Сила сжатия клещей 3000—3500 Н. Сварка двух стальных листов толщиной 1 мм каждый со скоростью 560 точек в минуту требует следующих базовых параметров: • сварочный ток Iс = 10 000 А; • время сварки T = 0,16 с. Эти параметры позволяют рассчитать трансформатор, который должен обеспечить следующее непрерывное значение силы тока Iт (А) во вторичной обмотке (как минимум): Мощность трансформатора и, в частности, напряжение вторичной обмотки будет зависеть от полного сопротивления вторичной цепи. При контактной точечной сварке перемещение клещей осуществляется от позиции к позиции, а производительность определяется числом точек, сваренных в единицу времени. Размеры сварных точек выбирают по толщине свариваемого материала, они должны соответствовать ГОСТ 15878-79. На рисунке 5.3 приведены конструктивные элементы сварных соединений, а в табл. 5.1 — их размеры и предельные отклонения [26]. Рис. 5.3. Конструктивные элементы соединений при контактной точечной сварке Таблица 5.1 Размеры конструктивных элементов сварных соединений и их предельные отклонения (см. рис. 5.3) При сварке кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей (толщина металла около 1 мм) можно принять необходимую точность размещения точки, равную ±1 мм. Последовательность сварки. Обычно процесс сварки включает в себя четыре этапа: • сжатие — две детали зажимают между электродами; • сварка — в течение определенного времени пропускают ток, чем вызываются разогрев и плавление металла; • удержание — электроды держат в сомкнутом положении в течение времени, необходимого для остывания материала, при этом обычно внутри электродов создается циркуляция холодной воды; • разжатие — электроды размыкают и разводят. Сварочный аппарат состоит из трансформатора, вторичной цепи и клещей. Он имеет автоматическое управление, обеспечивающее точное и многократное выполнение всех этапов с учетом условий сварки. Клещи массой от 20 до 100 кг. Электроды смыкаются пневмо- или гидроцилиндром по команде СПУ робота. Для оснащения ПР рекомендуются клещи облегченной конструкции массой до 40 кг. При необходимости, они должны иметь возможность самоустановки по свариваемой детали в пределах ±5 мм. Способы установки трансформатора на сварочном роботе. Требуемой мощностью, параметрами электрических элементов и удобством доступа определяется выбор варианта установки трансформатора (табл. 5.2): подвесной трансформатор, трансформатор в корпусе робота, трансформатор, встроенный в сварочную головку. Таблица 5.2 Способы подключения трансформатора к роботам для точечной сварки Трансформатор отдельный подвесной перемещается по монорельсу, следуя за перемещениями руки робота таким образом, чтобы не слишком натягивать кабели. Это самый первый, простой и дешевый способ, позволяющий применять для сварки универсальные роботы и основанный на использовании ручных сварочных клещей, соединенных со сварочными трансформаторами на подвеске. Длина кабелей подбирается с учетом возможных поступательных и вращательных движений запястья. Кабели поддерживаются балансировочным устройством, принимающим на себя часть нагрузки. При движении робота (особенно при вращении запястья) в сварочной головке неизбежно возникают растягивающие и крутящие напряжения, которые передаются запястью. Более того, в процессе сварки многократное приложение тока силой 10 кА создает значительные наводки, передаваемые сварочной головке и механизму запястья. Такое решение позволяет использовать мощные трансформаторы, обеспечивающие большую силу тока и сварку листов и арматуры значительной толщины (6-10 мм). Усовершенствование описанной ранее конфигурации состоит в установке трансформатора внутри корпуса самого робота, как можно ближе к сварочной головке. Для роботов с декартовой системой координат такой вариант, как правило, не представляет сложности, так же как и для роботов с полярной или сферической системой координат. Установка трансформатора на манипуляторе позволяет существенно уменьшить длину кабелей вторичной цепи. Становится возможным подсоединение выводов вторичной обмотки трансформатора к запястью робота неподвижно закрепленными проводниками. Вместе с тем увеличение нагрузки за счет массивного трансформатора приводит к снижению скорости перемещения манипулятора. В некоторых типах роботов с полярной системой координат и ангулярной схемой построения манипулятора трансформаторы используют как противовес для уравновешивания массы головки и кабелей, расположенных на конце манипулятора. Существуют и такие конструкции роботов, где трансформатор и кабели вторичной цепи смонтированы внутри манипулятора. Удобным решением (которое не может быть распространено на все случаи) является использование специально разработанной для роботизированной сварки сварочной головки со встроенным трансформатором. Трансформатор, встроенный в сварочную головку, монтируется непосредственно на присоединительный фланец запястья с таким расчетом, чтобы его центр тяжести был как можно ближе к фланцу, что позволяет уменьшить момент инерции. Основное преимущество такого решения состоит в том, что вместо тяжелых кабелей вторичной цепи к головке подводятся кабели первичной цепи меньшего сечения. Снижается полное сопротивление вторичной цепи (поскольку в этом случае оно определяется лишь зазором сварочных клещей), что ведет к уменьшению массы и габаритных размеров трансформатора. Например, трансформатор мощностью 30 кВ будет иметь габаритные размеры 325 х 135 х 125 мм и массу 18 кг. Использование сварочных клещей со встроенным трансформатором позволяет в соотношении 5 : 1 уменьшить мощность, необходимую для сварки, и, следовательно, потребляемую электроэнергию. Кроме того, следует учесть значительную экономию на расходе вторичных кабелей, износ которых на роботах является чрезвычайно быстрым. Описанный вариант имеет два недостатка: • сварочная головка становится более громоздкой, что может вызывать сложности с доступом к месту сварки (особенно там, где пространство ограничено, например, в арках крыльев, передней и задней панелях, брызговиках); • за счет трансформатора заметно увеличивается масса. Трансформатор удваивает массу клещей с кабелем. Допустимая общая масса составляет примерно 40 кг. Если масса доходит до 50 кг или выше — это становится неприемлемым для большинства роботов. На присоединительный фланец робота действует не столько статическая нагрузка, сколько скручивающий момент, создающий значительное механическое напряжение. Роботы для точечной сварки должны выдерживать скручивающий момент не менее 120 Н-м, что соответствует сварочной головке массой 50 кг, центр тяжести которой смещен на 240 мм относительно оси запястья. Для многих роботов допустим скручивающий момент свыше 200 Н-м, соответственно такие роботы лучше подходят для работы со сварочными головками, имеющими встроенные трансформаторы. Вопрос о применении той или иной схемы подключения к роботу сварочного оборудования должен решать сам пользователь в зависимости от: свариваемых деталей, возможностей моделей роботов, обычно применяемых им методов. Независимо от выбранной схемы подключения сварочные клещи должны быть легкими, прочными и легко взаимозаменяемыми. Так как роботы должны работать непрерывно не менее двух смен в сутки, необходимо, чтобы такие клещи могли бесперебойно работать, не требуя ни технического обслуживания, ни даже смазки в течение как минимум 5 миллионов срабатываний, что соответствует 6 месяцам работы в две смены. Дуговая непрерывная сварка плавлением обеспечивает герметическое шовное соединение деталей любой толщины из практически всех, используемых для изготовления конструкций, металлов и сплавов. Виды и схемы дуговой непрерывной сварки плавлением приведены в табл. 5.3. При дуговой сварке источник тепла в большинстве случаев передвигается вдоль свариваемого изделия, что позволяет сваривать объекты больших габаритов. Металл в зоне сварки доводится до жидкого состояния. Расплавление основного металла происходит по кромкам соединяемых деталей. Сварка может осуществляться за счет основного и дополнительного металлов. В практике преимущественное применение находит второй вариант. По мере удаления источника тепла жидкий металл остывает и затвердевает — кристаллизуется, после чего образуется монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий детали в единое целое. При дуговой сварке требуется локальный нагрев небольшого участка металла, окруженного со всех сторон значительным объемом холодного металла, до температуры, превосходящей температуру его плавления. Для большинства металлов и сплавов используют источники нагрева, имеющие температуру не ниже 3000 °С и тепловую мощность, достаточную для образования сварочной ванны. К сварке плавлением относится и наплавка металлов, заключающаяся в нанесении одного или нескольких слоев металла на доведенную до расплавления поверхность изделия. Цель наплавки — восстановить размеры детали после износа в процессе эксплуатации, устранить дефекты литья, поковок и проката или создать на поверхности изделия слой металла, обладающий особыми свойствами (стойкостью против износа или коррозии, жаропрочностью, кислотостойкостью и др.). Нагрев и плавление металла осуществляются дуговым разрядом, возникающим между изделием электродом. Энергию, необходимую для образования и поддержания дугового разряда, получают от источников питания постоянного или переменного тока. Широкое практическое применение находит дуга прямого действия, горящая между свариваемым металлом и электродом. Меньше применяют дугу косвенного действия, горящую между двумя электродами (см. табл. 5.3). При дуговой сварке происходит активное взаимодействие расплавленного металла сварочной ванны с кислородом и азотом воздуха, что приводит к изменению химического состава и ухудшению механических, коррозионных и других свойств металла шва. Поэтому возникает необходимость в защите зоны сварки от окружающего воздуха (см. табл. 5.3). Таблица 5.3 Виды и схемы процессов дуговой непрерывной сварки Широкое применение находит защита зоны сварки гранулированным покрытием — флюсом. При этом способе флюс 1 (см. табл. 5.3) подается в зону дуги отдельно от голой электродной проволоки 2. Флюс создает главным образом шлаковую защиту. Дуга горит между электродом и основным металлом в пузыре 3. Столб дуги со всех сторон окружен слоем флюса толщиной 30—50 мм. В сварочной ванне 4 металл плавится, а по мере ее удаления происходит его кристаллизация и формирование шва 5. Расплавленный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны и при остывании образует шлаковую корку 6, легко отделяющуюся от шва. Перспективный способ — сварка с газовой защитой, когда зона сварки окружена газом 1, подаваемым под небольшим избыточным давлением из сопла 2, обычно расположенного концентрично электроду. Роль газа сводится в основном к физической изоляции сварочной ванны от окружающего воздуха. В качестве защитной среды служат инертные и активные газы и их смеси. Этот способ обычно применяют при роботизированной сварке. Дуговую сварку можно выполнять плавящимся и неплавящимся электродами. Сварку плавящимся электродом можно осуществлять без присадочного металла либо с присадочным металлом, который подают в зону сварки вручную, механизмом в виде проволоки, ленты или вводят в разделку между свариваемыми кромками в виде прутка, порошка, кромки, стружки, окатышей и др. (см. табл. 5.3). Дуговая сварка позволяет получать различные виды соединений одинаковой или разной толщины (рис. 5.4). Толщина металла неограниченна. Рис. 5.4. Виды соединений дуговой шовной сваркой: а, б, в — стыковые соединения элементов одинаковой, различной толщины и с отбортовкой кромок (последнее — применяют при толщине металла до 3 мм); г — тавровое соединение элементов под прямым (или косым) углом; д — нахлесточное соединение (из металла толщиной до 20 мм); е — соединение впритык; ж — условно-нахлесточное соединение; з — угловое соединение (под любым углом) Сварочный инструмент — горелка для дуговой сварки обеспечивает непрерывную подачу электродной проволоки. Она может быть снабжена соплом для подачи углекислого или инертного газа или работать во взаимодействии с аппаратами подачи флюса и присадок. Качество дуговой сварки зависит от следующих факторов: скорости подачи электрода, расстояния между электродом и деталью, скорости перемещения электрода по траектории сварки. Последовательность сварки. Дуговая сварка состоит из ряда последовательных операций: • включение подачи защитного газа в сварочное пространство; • включение подачи электродной проволоки, возбуждение и поддержание дугового разряда, обеспечение постоянного расстояния между электродом и поверхностью шва; • включение перемещения сварочной головки вдоль шва; • поддержание скоростей подачи электрода и перемещения сварочной головки, соблюдение траектории сварочного шва; • прекращение подачи прутка, отключение тока, отключение подачи газа. Параметры сварки. При дуговой сварке плавлением траектория перемещения электрода в большинстве случаев не может быть рассчитана заранее ввиду случайного характера информации о стыке и неустановившегося характера формирования шва. Поэтому для автоматизации дуговой сварки требуется тщательная подготовка и ужесточение допусков на форму и размеры исходных заготовок, а также создание развитых систем обратной связи, контролирующих качество шва и формирующих команды на коррекцию режимов сварки. При дуговой сварке сложных поверхностей необходимо перемещать электрод не менее чем по пяти управляемым координатам (рис. 5.5). Точность перемещения по стыку 0,3—0,5 мм, скорость сварки 10—180 м/ч, диапазон линейных перемещений 0,1—10 м. На форму, размеры подготовки кромок и на швы сварных соединений распространяется ГОСТ Внимание! Авторские права на книгу "Применение промышленных роботов. Учебное пособие" (Козырев Ю.Г.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||
