close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

71.Робототехнические комплексы для дуговой и контактной сварки

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Э.А. Гладков, О.Н. Киселев
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
ДЛЯ ДУГОВОЙ И КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э, Баумана
в качестве учебного пособия
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.791:658.52.011.56(075.8)
ББК 30.61:32.965
Г522
Рецензенты: Ю.Н. Зорин, В.М. Ямпольский
Г522
Гладков Э.А., Киселев О.Н.
Робототехнические комплексы для дуговой и контактной
сварки: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. — 107 с.: ил.
ISBN 978-5-7038-3269-1
Учебное пособие посвящено особенностям использования робототехники в сварочном производстве. Рассмотрены составные части
робототехнических комплексов, их манипуляционные системы, системы управления, методы обучения и программирования, специфика
использования сварочного производства в робототехнических комплексах. Определены области наиболее эффективного использования
робототехнических комплексов в сварочном производстве, а также
освещены вопросы интеграции операций при роботизированной
сварке и комплексной роботизации сварочного производства.
Для студентов 5-го и 6-го курсов, обучающихся по специальности «Оборудование и технология сварочного производства». Материал учебного пособия может быть использован при выполнении научно-исследовательских работ, домашних заданий, курсовых и дипломных проектов.
УДК 621.791:658.52.011.56(075.8)
ББК 30.61:32.965
ISBN 978-5-7038-3269-1
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
В предлагаемом учебном пособии исследована проблема использования робототехнических комплексов (РТК) для повышения
производительности процесса и качества изделий при дуговой и
контактной сварке.
В первой главе рассмотрены особенности использования РТК в
сварочном производстве, составные части современных РТК, их
манипуляционные системы, системы управления, методы обучения и программирования таких комплексов. Описаны специфика
использования сварочного оборудования в РТК, средства адаптации, включающие современные измерительные устройства с малогабаритными датчиками, работа которых основана на различных
физических принципах. Рассмотрен новый класс адаптивных автоматизированных систем управления в сварочной аппаратуре,
позволяющих построить и внедрить в производство наиболее эффективные РТК.
Во второй главе рассмотрены области использования РТК в
сварочном производстве, а также вопросы интеграции операций
при роботизированной сварке и комплексной роботизации сварочного производства. Описаны наиболее совершенные сварочные
РТК, разработанные в России и за рубежом в последние годы. Даны методические указания, которые помогают оценить целесообразность использования и выбора РТК при дуговой сварке различных сварных конструкций и машиностроительных изделий.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. РОБОТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СВАРКИ
1.1. Особенности роботизированного процесса сварки
Использование робототехники в сварочном производстве позволяет автоматизировать сварку швов любой формы, а также
большого числа коротких швов, различным образом расположенных в пространстве; выполнять дуговой сваркой швы с любой
формой линии соединения в горизонтальном (нижнем) положении.
Это дает возможность применять наиболее производительные режимы сварки, при которых формируются сварные швы с минимальным отклонением геометрических размеров. При автоматической сварке роботизация обеспечивает дополнительный рост
производительности, экономию сварочных материалов и электроэнергии и уменьшение сварочных деформаций. Сокращается потребность в применении специального сварочного оборудования и
изготовлении специальных и специализированных станков, установок и машин для сварки.
Проблема роботизации сварочного производства включает в
себя выбор универсальных или компоновку специализированных
средств робототехники и комплексное решение технико-экономических вопросов, связанных с внедрением средств робототехники
на конкретном сварочном производстве.
Требования, предъявляемые к средствам роботизации сварочных процессов при различных способах сварки, обусловливаются
особенностями сварных конструкций, которые по геометрическим
признакам можно разделить следующим образом:
• плоскостные (полотнища, панели с элементами жесткости);
• листовые типа тел вращения (резервуары, цилиндры и т. д.);
• каркасно-решетчатые (плоские и объемные фермы, каркасы
кабин транспортных и сельскохозяйственных машин, каркасы шка4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фов, блоков и пультов управляющей аппаратуры, ограждения и другие конструкции, состоящие из стержневых элементов различного
профиля);
• рамные, состоящие из соединенных сваркой продольных и
поперечных балок, распорок и других усиливающих элементов;
• корпусные, изготовляемые с использованием заготовок из
листа, сортового проката, поковок, отливок, штамповок (станины,
стойки, крупные кронштейны, корпуса редукторов, ковши экскаваторов и т. д.);
• детали машин (сварные валы, шкивы, шестерни, рукоятки,
рычаги, коромысла, мелкие кронштейны и т. д.).
В зависимости от вида и толщины свариваемых материалов
для изготовления перечисленных конструкций применяют способы дуговой (ДС) и точечной контактной (ТКС) сварки.
Среди сварных конструкций, изготовляемых с применением
ручной дуговой сварки, преобладают каркасно-решетчатые, рамные и корпусные, а также различные детали машин. Некоторые
виды узлов этих конструкций, изготовляемых с помощью дуговой
сварки, показаны в табл. 1.1. Сварные конструкции имеют большое число коротких швов, а также швов сложной формы, различным образом расположенных в пространстве, что затрудняет механизацию и автоматизацию сварки традиционными методами.
Именно здесь решающая роль в освобождении человека от ручного труда принадлежит роботам для дуговой сварки.
Наибольшее число роботов требуется для ДС конструкций небольших габаритных размеров. Вместе с тем необходимы РТК для
ДС крупногабаритных конструкций типа судокорпусных секций,
платформ тяжелых грузовых автомобилей и других крупных
транспортных средств. Число таких конструкций в общем объеме
сварочного производства хотя и невелико по сравнению с числом
малогабаритных конструкций, но трудоемкость сварки составляет
значительную долю в общей трудоемкости сварочных работ. Следует отметить, что для роботизированной сварки крупногабаритных конструкций эффективны РТК с несколькими одновременно
работающими сварочными роботами.
При изготовлении сварных конструкций с помощью ТКС оптимальными объектами роботизации являются тонколистовые и
каркасно-решетчатые конструкции: двери, кузова (в сборе) легко5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вых и кабины грузовых автомобилей, панели кузовов пассажирских вагонов, кабины, щитки, панели транспортных и сельскохозяйственных машин, каркасы и корпуса холодильников, стиральных машин, другой бытовой техники и т. п. Большинство этих
сварных конструкций имеют средние габаритные размеры, поэтому требуется применять роботы с соответствующей рабочей зоной. Для достижения необходимой производительности такие конструкции, как кузова и кабины автомобилей, нужно сваривать
одновременно несколькими роботами. Для сварки конструкций
типа панелей кузовов пассажирских вагонов и автобусов требуются портальные РТК достаточно больших габаритов.
Таблица 1.1
Узлы, изготовляемые с применением дуговой сварки
Вид узлов
6
Примеры
Комментарии
Плоские больших
габаритов
Рамы,
платформы,
борта,
панели
Производство таких узлов
наиболее трудоемко
Пространственные
больших габаритов
Кузова
в сборе,
контейнеры, вагоны,
рамы
тележек,
надрамники
самосвалов
Обычно они состоят из плоских
панелей и поэтому поддаются
расчленению для одновременного их изготовления с последующей окончательной сборкойсваркой. Наиболее трудоемко
производство самих панелей, а
не их соединение
Детали машин
Картеры
ведущих
мостов,
корпусы
редукторов,
балансиры,
колеса
Характерна работа на усталостную прочность и большая
степень ответственности конструкции, при которой разрушение
сварных соединений грозит аварией. Для обеспечения высокого
качества сварки и точности
размеров свариваемые кромки
деталей перед сборкой подвергают механической обработке
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 1.1
Вид узлов
Трубчатые
конструкции
Примеры
Комментарии
Рамы мотоциклов
и складных
велосипедов, каркасы сидений
водителей
и пассажиров, поручни, разветвления
трубопроводов и т. п.
Сварка пересечений тонкостенных труб и пластин осуществляется по сложной кривой. Соединения сильно нагруженные
и ответственные, их выполнение
зачастую возможно лишь
с изменением режима сварки
во время движения горелки или
с непрерывным изменением их
пространственных положений
Типа кронштейнов
—
Малоответственные узлы
небольших габаритов
и несложной формы
При ДС для выполнения швов необходимы перемещения рабочей части сварочного инструмента относительно изделия и их взаимная ориентация, а также ориентация соединения в зоне сварки
относительно направления силы тяжести. Наиболее интенсивные
режимы ДС со свободным формированием, которые обеспечивают
максимальную производительность при требуемом формировании
шва, могут быть реализованы при сварке в нижнем положении или с
определенным отклонением от нижнего положения, например при
сварке на спуск. Поэтому манипуляционные системы РТК для ДС
должны ориентировать свариваемую конструкцию и сварочный инструмент периодически или непрерывно во время сварки таким образом, чтобы обеспечивалось выполнение швов в оптимальном положении. В общем случае сварки швов сложной формы — при двух
ориентирующих степенях подвижности манипулятора свариваемого
изделия — манипулятор сварочного инструмента должен иметь не
менее пяти степеней подвижности при осесимметричном сварочном
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
инструменте и не менее шести — при неосесимметричном (например, при сварке неплавящимся электродом с присадкой, подаваемой
сбоку). Таким образом, манипуляционная система РТК для дуговой
сварки (РТК ДС) одного изделия одним сварочным инструментом
может иметь семь-восемь степеней подвижности, что больше, чем у
такого сложного вида технологического оборудования, как металлорежущие станки.
Для ТКС швов сложной формы в общем случае требуется применять манипуляторы клещей с шестью степенями подвижности,
так как сварочные клещи — инструмент неосесимметричный (изза наличия элементов, соединяющих электроды механически). Тем
не менее во многих конкретных случаях удается осуществить
сварку с помощью манипулятора клещей, имеющего пять степеней
подвижности благодаря значительным допускаемым отклонениям
плоскости симметрии клещей от перпендикулярности к линии свариваемых кромок (до 45°).
Во всех случаях часть степеней подвижности сварочного инструмента относительно изделия, принципиально необходимых для
выполнения сварки, можно обеспечить за счет не манипулятора
инструмента, а манипулятора изделия. Такие решения встречаются
в специализированных РТК для сварки.
ТКС может выполняться в любом пространственном положении. Поэтому в РТК ТКС манипуляторы изделия применяют реже
и в основном для того, чтобы сделать все точки сварки доступными для сварочного инструмента.
Одной из наиболее специфических особенностей объектов сварочного производства являются невысокая точность изготовления
свариваемых элементов и их сборки под сварку, а также сварочные
деформации. Совместное воздействие этих факторов вызывает
существенные случайные отклонения линии сопряжения свариваемых элементов и геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, от расчетных (программных). Следует
отметить, что ДС отличается от обработки металлов резанием тем,
что при резании траектория движения инструмента относительно
изделия и режимы обработки первичны, а форма и размеры обработанного изделия вторичны, тогда как при сварке форма, размеры
и положение заготовок первичны, а траектория инструмента и режимы сварки вторичны, зависимы от случайных отклонений фор8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мы, размеров и положения свариваемых заготовок. В тех случаях,
когда указанными отклонениями пренебречь нельзя, необходимо
применять методы и средства автоматической корректировки траектории движения сварочного инструмента относительно изделия
(т. е. геометрической адаптации) и параметров режима сварки (т. е.
технологической адаптации) индивидуально для каждого изделия
данного типоисполнения. Такую корректировку осуществляют по
результатам измерения каждого изделия в процессе сварки или до
ее начала. В первом приближении принимают, что при дуговой
сварке допустимое отклонение электрода от линии соединения
свариваемых элементов не должно превышать 0,5dэ при сварке без
колебаний и 1,0dэ — при сварке с колебаниями электрода (здесь
dэ — диаметр электродной проволоки). Современные роботы для
дуговой сварки обеспечивают повторяемость траектории с погрешностью не более 0,1…0,25 мм.
При контактной точечной сварке к совмещению электродов и
линии соединения предъявляются менее жесткие требования. Современные роботы для ТКС обеспечивают повторяемость запрограммированных положений электродов сварочных клещей с погрешностью 0,5…1,25 мм.
Условия, в которых работают средства роботизации сварки,
характеризуются высокой температурой вблизи зоны сварки,
мощным нестационарным электромагнитным и световым излучением, разбрызгиванием расплавленного металла и защитных материалов, интенсивным выделением аэрозолей, пыли, агрессивных газов (при дуговой сварке). Поверхности изделия, положение
которых требуется измерять для корректировки траектории и режима сварки, могут быть покрыты окалиной, на них могут
наблюдаться заусенцы, задиры и прилипшие брызги, а также прожоги металла. Все это существенно усложняет функционирование манипуляционных систем, средств измерения и управления,
ограничивает их выбор как по принципу действия, так и по конструктивному исполнению, поэтому необходимо принимать специальные схемные и конструктивные меры для обеспечения надежной работы оборудования.
Экономические особенности внедрения средств роботизации
дуговой и точечной контактной сварки определяются следующим
обстоятельством. Подавляющее большинство разновидностей ДС
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
можно выполнять вручную или с применением сварочных полуавтоматов, представляющих собой, по существу, механизированные сварочные инструменты. ТКС выполняют сварочными клещами, также представляющими собой механизированный
сварочный инструмент, или с помощью одно- либо многоточечной стационарной машины. Стоимость такого сварочного оборудования, за исключением многоточечных машин для ТКС, весьма
низкая, в то время как для роботизации сварочной операции требуется комплекс оборудования, стоимость которого вместе со
средствами его автоматизации во много раз превышает стоимость
механизированного сварочного инструмента или одноточечной
стационарной машины для ТКС. Указанное обстоятельство обусловливает необходимость поиска и применения простых, недорогих и в то же время типовых технических решений по роботизации сварочных операций. Одним из таких решений является
применение агрегатно-модульного принципа создания РТК и их
составных частей.
Важным фактором повышения эффективности РТК для сварки
служит также скорость выполнения вспомогательных действий и
приемов. Действительно, такие действия, как перемещение сварочного инструмента (горелки, сварочных клещей) от одного места или точки сварки к другому, выполняются квалифицированным
рабочим за очень малое время, прежде всего на основе интуитивного выбора оптимального закона движения рук и тела в целом.
Поэтому в РТК должны предусматриваться высокие скорости перемещений сварочного инструмента и изделия, малое время разгона и торможения и оптимальные законы движения, обеспечивающие минимальные рывки и удары при движении. Это особенно
важно для ТКС, при которой время сварки одной точки обычно
составляет менее одной секунды и основная часть времени операции состоит из времени перемещения клещей между точками.
Максимальная скорость установившегося движения горелки в современных РТК примерно равна 1,5 м/с, клещей — 3 м/с, изделия
при его переориентации — 90 º/с.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2. Состав робототехнического комплекса
Робототехнический комплекс для сварки (рис. 1.1) состоит из
манипуляционной системы, сварочного оборудования, устройства
управления и измерительных устройств системы геометрической и
технологической адаптации. Манипуляционная система, в свою
очередь, состоит из манипулятора для сварочного инструмента
(сварочной горелки) и манипулятора для свариваемого изделия.
В составе одного РТК может быть несколько манипуляторов для
инструмента и (или) изделия. Перемещаемые измерительные устройства системы адаптации могут быть неподвижны относительно
горелки или изделия либо перемещаться с помощью дополнительных звеньев манипуляционной системы.
Распределение функций между манипулятором инструмента и
манипулятором изделия зависит от способа осуществления относительного перемещения сварочного инструмента и изделия, который определяется способом сварки, размерами и массой изделия,
формой и расположением сварных швов, организацией сварочных
операций и всего производственного процесса.
Возможны следующие способы осуществления относительного
перемещения сварочного инструмента и изделия манипуляционной системой робота.
1. Изделие не меняет своей ориентации в пространстве в течение
всей операции (остается неподвижным или равномерно перемещается на конвейере), а сварочный инструмент выполняет все перемещения, необходимые для сварки. Данный способ используют, когда
все швы доступны для манипулятора (манипуляторов) инструмента
или когда переориентация изделия затруднена, например при контактной точечной сварке кузовов легковых автомобилей.
2. Изделие периодически меняет свою ориентацию в пространстве с помощью манипулятора изделия, выполненного в виде кантователя или позиционера, но во время отдельных сварочных
переходов остается неподвижным, а сварочный инструмент выполняет все перемещения, необходимые для сварки (с учетом
смещений изделия при его переориентации). Этот способ применяют, когда необходима и достаточна периодическая переориентация изделия. В настоящее время он наиболее распространен при
роботизации операций дуговой сварки.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.1. Состав робототехнического комплекса для сварки
3. Изделие и сварочный инструмент непрерывно находятся в
движении, обеспечивая перемещение сварочного инструмента
вдоль линии соединения с одновременным поддержанием зоны
сварки во всех точках шва, в заданном (например, нижнем) положении. При реализации этого способа требуется контурное взаимно согласованное управление звеньями как манипулятора инструмента, так и манипулятора изделия, т. е. необходима наиболее
сложная система управления. Способ является оптимальным для
ДС изделий малых и средних габаритных размеров со швами
сложной формы, так как позволяет производить сварку всех участков в оптимальном (например, нижнем) положении, когда допускаются наиболее интенсивные режимы сварки при обеспечении
наилучших условий формирования сварного шва.
4. Изделие выполняет все перемещения, необходимые для
сварки, а сварочный инструмент закреплен неподвижно. В общем
случае при этом способе требуется применять манипулятор изделия
с пятью-шестью степенями подвижности, т. е. использовать промышленный робот в качестве манипулятора изделия. Применение
данного способа ограничивается грузоподъемностью современных
роботов. Такой способ применим при ДС достаточно жестких конструкций компактной формы, не требующих при сварке крепления
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в сложных и тяжелых сборочно-сварочных приспособлениях.
Сварка при этом выполняется с помощью стационарно закрепленного сварочного аппарата, а контактная точечная — с помощью
стационарной точечной машины или неподвижно установленных
сварочных клещей. Преимуществом рассматриваемого способа
является то, что один и тот же промышленный робот выполняет
как загрузочно-разгрузочные операции, так и сварочные и вспомогательные перемещения.
Идеальный интеллектуальный сварочный РТК по предъявлении ему конструкции, подлежащей сварке (в пределах определенного класса конструкций), должен без участия человека выбрать
последовательность наложения швов и выработать программу необходимых относительных перемещений сварочного инструмента
и изделия, а также изменения параметров процесса сварки с учетом реального положения в рабочей зоне каждого экземпляра изделия и фактических геометрических параметров соединения (зазора, сечения разделки и т. д.), подготовленного под сварку.
Однако доступные в настоящее время для потребителей сварочные
РТК не могут выбирать последовательность сварки и требуют детального задания программы работы. Только некоторые модели
роботов могут решать частные, наиболее простые задачи адаптации, т. е. корректировки программы перемещений и программы
изменения параметров режима для компенсации случайных отклонений линии сопряжения свариваемых элементов и геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, от
программных значений. Все это значительно сужает область применения роботов для дуговой сварки.
Несовершенство системы адаптации, и прежде всего той ее
части, которая должна воспринимать информацию об изделии, в
современных РТК компенсируется участием человека (оператора)
в создании детальной программы сварки. Но и в таких упрощенных РТК требуется применение весьма сложных технических
средств с разветвленной системой получения информации о текущем состоянии всех элементов составных частей РТК и развитой
системой управления комплексом.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3. Манипуляционные системы робототехнического комплекса
Манипуляторы сварочного инструмента. В качестве манипулятора сварочного инструмента (горелки — для ДС, клещей — для
ТКС) обычно используется сварочный робот, представляющий собой многозвенный манипулятор с системой программного управления перемещениями звеньев.
Манипулятор сварочного инструмента воспринимает нагрузку,
связанную с перемещением сварочной горелки или сварочных
клещей с коммуникациями, измерительных устройств подсистемы
адаптации, а также силы сопротивления изгибу и скручиванию
сварочных кабелей и других коммуникаций, подводимых к сварочному инструменту. Поэтому грузоподъемность роботов для
дуговой сварки обычно составляет 5…10 кг, а роботов для точечной контактной сварки — 50…90 кг.
Манипуляторы сварочного инструмента в структуре РТК реализуют переносные и ориентирующие перемещения сварочного
инструмента.
Механизмы манипулятора для переносных перемещений сварочного инструмента строят в различных с и с т е м а х к о о р д и н а т : прямоугольной, цилиндрической, двухполярной цилиндрической, сферической и двухполярной сферической (называемой
также антропоморфной), рычажной, ангулярной. На рис. 1.2 – 1.4
для обозначения поступательных перемещений, осуществляемых
вдоль координатных осей, использованы символы X, Y, Z; для
вращательных перемещений вокруг осей, параллельных X, Y, Z, —
символы A, B, C соответственно, а для вращательных движений
вокруг произвольно расположенных или меняющих свою ориентацию относительно X, Y, Z осей — символы D, E. Наибольшее
распространение при дуговой сварке получили роботы с прямоугольной (рис. 1.2, а, б) и двухполярной сферической системами
координат переносных движений. Также возможно применение
цилиндрической системы координат (рис. 1.2, в, г). Для ТКС чаще
других применяют роботы со сферической (рис. 1.2, д) и двухполярной сферической (рис. 1.2, е) системами координат переносных
движений.
Манипуляторы сварочного инструмента с прямоугольной
системой координат при модульной конструкции могут быть
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
реализованы в наибольшем количестве вариантов. Направления
переносных движений манипуляторов параллельны линиям швов
или плоскостям, в которых расположены швы большинства сварных конструкций, что упрощает процедуру обучения робота, систему управления и средства адаптации. Они позволяют обслуживать большие рабочие зоны, что особенно важно при сварке одним
роботом изделий больших габаритов. Недостатки манипуляторов с
прямоугольной системой координат: значительная металлоемкость
и большое занимаемое пространство; необходимость в механизмах, преобразующих вращательное движение в поступательное, и
устройствах для защиты прямолинейных направляющих и указанных передач.
а
б
в
г
д
е
Рис. 1.2. Структурные схемы механизмов переносных перемещений сварочного инструмента с прямоугольной (а, б), цилиндрической (в), двухполярной цилиндрической (г), сферической (д) и двухполярной сферической (антропоморфной) (е) системами координат переносных движений
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Манипуляторы с двухполярной сферической системой координат имеют небольшую металлоемкость, малые собственные
габаритные размеры, простые и компактные механизмы привода.
В этих манипуляторах не нужно применять механизмы и направляющие прямолинейного перемещения, а следовательно, и защищать их от внешних воздействий. Недостатки манипуляторов сварочного инструмента с антропоморфной системой координат:
невозможность обслуживания больших рабочих пространств; неизбежное повышение требований к точности передач при увеличении размеров рабочего пространства.
С совершенствованием методов и технических средств управления координатами звеньев манипуляционных систем РТК для
сварки такие преимущества прямоугольной системы координат,
как параллельность осей координат линиям швов и связанные с
этим упрощения процедуры обучения, системы управления и
средств адаптации, теряют свое решающее значение. Современные
системы управления манипуляторами с антропоморфной (и любой
другой) структурой позволяют оператору при обучении осуществлять прямолинейные перемещения рабочего органа вдоль координатных осей в привычной для человека декартовой системе координат за счет автоматического согласования работы приводов всех
звеньев антропоморфного манипулятора. Поэтому преимущества
манипуляторов с антропоморфной системой координат приобретают решающее значение. Например, небольшие собственные габаритные размеры антропоморфных манипуляторов делают их
особенно удобными при сварке небольших изделий или отдельных
швов (участков швов) изделий средних и больших габаритов. В
последнем случае одно изделие может одновременно свариваться
несколькими роботами, что позволяет осуществлять роботизацию
так называемой многоголовочной сварки.
РТК с прямоугольной структурой остаются предпочтительными при сварке изделий средних и крупных габаритов, когда нецелесообразно производить их одновременную сварку несколькими
роботами. В этом случае большие собственные габариты робота
соизмеримы с габаритами изделия. Известны также манипуляторы
сварочного инструмента, в которых прямолинейные перемещения
сочетаются с перемещениями, осуществляемыми антропоморфными устройствами. Такие решения позволяют получить большие
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обслуживаемые пространства при использовании только одного
механизма прямолинейного перемещения.
Рис. 1.3. Компоновочные схемы манипуляторов сварочного инструмента
с прямоугольной системой координат переносных движений:
а — портальная с неподвижным порталом; б — напольная; в — туннельная;
г — портальная с подвижным порталом.
Манипуляторы сварочного инструмента с прямоугольной системой координат могут иметь различную компоновку (рис. 1.3). Основное достоинство компоновки портального типа (рис. 1.3, а) —
расположение всех направляющих выше уровня сварки, что обеспечивает их надежную защиту от механических повреждений и забрызгивания. Кроме того, при данной компоновке остается свобод17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ной нижняя часть пространства между опорами манипулятора сварочного инструмента, где могут быть расположены технические
средства подачи заготовок на сварку и отвода изделия после сварки.
Такая компоновка наиболее часто встречается в обычных установках для дуговой сварки. Недостатки компоновки портального типа:
повышенная металлоемкость; необходимость площадки для обслуживания высоко расположенных механизмов; усложнение механизма уравновешивания вертикально перемещающихся частей.
Для манипуляторов горелки с небольшим размером рабочего
пространства можно применять компоновки с напольным (нижним) расположением модуля перемещения по первой от основания
координате (рис. 1.3, б).
При сварке изделий на конвейере можно рекомендовать компоновку туннельного типа (рис. 1.3, в), предусматривающую сварку одного изделия с трех сторон одновременно тремя сварочными
инструментами. Эта компоновка достаточна жесткая, но доступ к
изделию при обучении и для отладки процесса сварки затруднен.
При ДС изделий больших габаритов, например в судостроении,
целесообразно использовать портальную компоновку манипулятора горелки с подвижным порталом (рис. 1.3, г). Перемещение тяжелого портала может быть лишь установочным (с позиционным
управлением), а сварка отдельных участков изделия выполняется
при неподвижном портале при перемещении по трем координатам
с помощью механизмов переносных движений собственно манипулятора горелки. При больших размерах портала целесообразно
использовать на одном портале одновременно несколько манипуляторов горелки.
Манипуляторы сварочного инструмента с антропоморфной
системой координат (рис. 1.4) можно устанавливать на полу
в нижнем положении (рис. 1.4, а) или на металлоконструкциях в
потолочном положении (рис. 1.4, б). Для получения зоны обслуживания, вытянутой по прямой, антропоморфный манипулятор
устанавливают на модуль прямолинейного перемещения, расположенный на полу или на портале.
Ориентирующими движениями манипулятора сварочного инструмента являются одно–три вращательных движения, осуществляемых вокруг непараллельных осей (рис. 1.5). Иногда в блок механизмов ориентирующих перемещений встраивают механизм
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поступательного движения Y (рис. 1.5, а), который обеспечивает
сварку прямолинейных и круговых угловых швов на плоскости
при относительно простой системе управления (числовой позиционной или даже цикловой). Если оси всех ориентирующих вращений проходят через точку сварки (рис. 1.5, г), то переносные координаты не зависят от ориентирующих. В результате упрощается
задача автоматического управления манипуляционной системой:
снижаются требования к точности отработки ориентирующих
движений; уменьшаются наибольшие рабочие скорости переносных движений; упрощается система управления и процедура обучения робота.
Рис. 1.4. Компоновочные схемы манипуляторов сварочного инструмента
с двухполярной сферической системой координат переносных движений:
а — напольная; б — потолочная
При сварке неплавящимся электродом с присадкой, а также
при использовании многих типов датчиков текущей адаптации
требуются трехкоординатные механизмы ориентирующих движений для поворота горелки вокруг ее оси. Сочетание трех вращений
вокруг непараллельных осей (рис. 1.5, д) обеспечивает необходимую ориентацию горелки также и относительно ее оси.
Блочно-модульный принцип позволяет для каждого рабочего
места в зависимости от конкретной технологической задачи применять оптимальную по структуре и сложности специализирован19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ную манипуляционную систему (рис. 1.6) и, следовательно, оптимальный тип привода и наиболее подходящую по структуре и
функциональным возможностям систему управления, т. е. создавать роботизированные рабочие места с определенным уровнем
специализации. Специализированные роботы блочно-модульной
конструкции применяют в крупносерийном и массовом производствах прежде всего для сварки изделий, требующих перемещения
сварочного инструмента с одной–четырьмя степенями подвижности. Функционально неделимые универсальные сварочные работы с
пятью и более степенями подвижности и позиционной или контурной системой управления преимущественно используют при
частой смене объектов производства (мелкосерийного и серийного, а также многономенклатурного крупносерийного) для сварных
изделий со швами сложной формы.
а
б
в
г
д
Рис. 1.5. Структурные схемы механизмов ориентирующих перемещений манипулятора сварочного инструмента с одной (а), двумя (б, в, г)
и тремя (д) ориентирующими подвижностями
Манипуляторы изделия. Манипуляторы изделия — менее
универсальные элементы РТК для сварки, чем манипуляторы сварочного инструмента. Их кинематическая структура и компоновка
существенно зависят от формы и размеров изделия, а также от
формы и расположения линий соединения свариваемых элементов.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Манипуляторы изделия чаще всего выполняют в виде одно- или
двухкоординатных кантователей (позиционеров) с периодическим
изменением положения изделия либо одно- или двухкоординатных
вращателей с непрерывным изменением координат изделия для
поддержания зоны сварки в нижнем положении при выполнении
швов на поверхностях сложной формы. Манипулятор изделия может вообще отсутствовать, например при сварке на конвейере. На
рис. 1.7, а изображена схема манипуляционной системы с одним
однокоординатным, а на рис. 1.7, б — с двухкоординатным манипулятором изделия. При необходимости можно использовать дополнительную опору второго конца изделия (на рис. 1.7, б показана штриховой линией).
Рис. 1.6. Компоновочные схемы специализированных манипуляторов
сварочного инструмента и фрагменты типовых изделий при цикловом
управлении координатами (R — дополнительное поступательное движение)
Во многих случаях предусматривается использование РТК для
сварки в виде автономного, не полностью автоматизированного
рабочего места, если необходимо участие оператора в установке,
сборке и закреплении заготовок, а также в снятии изделия. В этих
случаях целесообразно применять двухместные РТК (рис. 1.7, в) и
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РТК с двух- или многопозиционным столом либо барабаном (рис.
1.7, г). На рис. 1.7 во всех компоновках изображена схема манипулятора сварочной горелки, соответствующая рис. 1.2, б, однако
манипулятор горелки может иметь другую структуру (см. рис. 1.2,
а – е). В двухместном РТК в то время, пока на одном из манипуляторов ведется сварка, на втором выполняются загрузочноразгрузочные, сборочные, прихваточные и другие вспомогательные работы. В РТК с двухпозиционным поворотным столом или
барабаном обеспечивается совмещение времени сварки на одной
позиции со временем сборочных, прихваточных и других вспомогательных работ на второй позиции. В каждой позиции может
быть предусмотрено закрепление изделий неподвижно или на одно- либо двухкоординатном манипуляторе изделия.
Рис. 1.7. Структурные схемы манипуляционных систем РТК (Ау —
управляющее перемещение; индекс «и» относится к изделию):
а, б, г — одноместные; в — двухместные
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Преимущество двухместных компоновок — применение двух
отдельных, не связанных между собой манипуляторов изделия. Однако при этом сварщик вынужден попеременно перемещаться от
одного рабочего места к другому. Кроме того, необходимо исключить возможность перемещения сварочного инструмента в зону
действия сварщика. Двухместные компоновки целесообразно применять при сварке тяжелых изделий средних и крупных габаритов.
Преимущество компоновок РТК с двухпозиционным столом
или барабаном — постоянное место для рабочего и разделение в
пространстве рабочей зоны манипулятора сварочного инструмента
и зоны действия рабочего. Однако в комплексе появляется дополнительный механизм для поворота стола или барабана в нужную
позицию. Компоновки РТК с двухпозиционным столом наиболее
целесообразны для легких изделий, преимущественно небольших
габаритов. Поворотные барабаны можно применять для сварки
длинных изделий типа балок.
Важнейшим элементом манипуляторов сварочного инструмента и изделия являются п р и в о д ы п е р е м е щ е н и я звеньев манипуляционной системы, так как они определяют точность отработки программы движений и в значительной степени
производительность РТК. В современных РТК скорость перемещения рабочих органов может изменяться от 0,5…1,5 м/с при
маршевых перемещениях сварочного инструмента относительно
изделия (подвод и отвод инструмента, холостые перемещения инструмента между отдельными швами или точками) до долей миллиметра в секунду (по отдельным координатам) — при дуговой
сварке. Поэтому приводы современных РТК для сварки имеют
диапазон регулирования* до 104 (в лучших моделях до 2 · 104), и их
параметры обеспечивают высокую статическую и динамическую
точность. Для этого полоса пропускания частот у современных
приводов роботов должна быть не менее 50 Гц (в лучших образцах
она достигает 120 Гц и более).
Наиболее распространенные типы приводов — тиристорные
(или транзисторные) электроприводы с высокомоментным двигателем постоянного тока.
*
Диапазон регулирования — отношение максимальной скорости привода к
минимальной.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме приводов на основе высокомоментных двигателей в
звеньях манипуляционных систем роботов для дуговой сварки могут быть эффективно использованы приводы с вентильными двигателями (бесколлекторные) и с асинхронными двигателями. В
асинхронном глубокорегулируемом приводе с частотно-токовым
управлением применяют простые, недорогие и очень надежные в
эксплуатации трехфазные асинхронные двигатели переменного
тока. Однако преобразователь этого привода более сложный и дорогой, чем у привода на основе высокомоментных двигателей постоянного тока. Тем не менее асинхронный регулируемый привод
с частотно-токовым регулированием является перспективным.
Современный электропривод, который можно использовать в
качестве привода звеньев манипуляционной системы робота для
дуговой сварки, должен иметь наименьшие габариты. Это относится к электромеханической части и к полупроводниковому преобразователю. Уменьшение габаритов двигателей достигается за
счет применения высокоэнергетических постоянных магнитов и
высококачественных изоляционных материалов, совершенствования системы охлаждения. Чтобы исключить тахогенератор из состава привода, сигнал, пропорциональный частоте вращения, получают от датчика положения ротора двигателя или приводимого
звена манипуляционной системы. Габариты тиристорных и транзисторных преобразователей уменьшают, применяя элементы с
высокой степенью интеграции и используя малогабаритные силовые полупроводниковые приборы.
Современные преобразователи приводов небольшой мощности
выполняют на одной печатной плате.
В манипуляционных системах сварочных роботов применяют
также дискретный (шаговый) привод, который может быть двух
типов: а) с силовым шаговым двигателем; б) с управляющим шаговым двигателем и усилителем вращающего момента или тягового усилия (чаще всего гидравлическим). Преимущества шагового
привода — простота, небольшая стоимость и достаточно высокая
надежность, а основной недостаток — невосполнимая потеря информации при сбоях.
В манипуляционных системах сварочных РТК применяют также г и д р а в л и ч е с к и е п р и в о д ы . Они позволяют относительно
просто получить большой диапазон регулирования, а их динами24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ческие характеристики наиболее полно отвечают требованиям,
предъявляемым к приводам манипуляционных систем роботов.
Однако гидравлический привод имеет эксплуатационные недостатки: нагрев масла и необходимость в охлаждающих устройствах;
сложность подвода и отвода масла к последним звеньям многозвенных манипуляторов; утечки масла, особенно с учетом того,
что попадание масла в зону сварки приводит к образованию дефектов сварного шва. Гидравлический привод применяют в роботах с большой грузоподъемностью, например для контактной точечной сварки клещами, а также для манипуляторов с обратимой
кинематикой, которая используется при непосредственном обучении робота перемещением его рабочего органа рукой оператора.
П н е в м а т и ч е с к и й п р и в о д применяют в манипуляторах
сварочных РТК только для привода звеньев, выполняющих периодическое перемещение в ограниченное число позиций, чаще всего
в две. Управление положением осуществляется с применением
путевых переключателей и жестких упоров.
Динамика манипуляторов при работе РТК. При изучении
динамики манипуляционных роботов из всех движений необходимо выделить основное. Обычно на основное движение, которое
получают в результате изучения абсолютно жесткой схемы робота,
накладывают колебания, обусловленные упругостью звеньев кинематической цепи. В некоторых случаях они могут влиять на точность позиционирования. Этот важный параметр промышленного
робота (ПР) определяет точность выхода рабочего органа манипулятора в заданные точки и точность воспроизведения заданной
траектории. При манипулировании важно, в частности, строить
траектории, обеспечивающие гарантированный обход препятствий. Значительно большая точность позиционирования требуется
при взятии предметов из накопительных устройств и передаче их в
зону обработки. При выполнении роботом основных технологических операций точность позиционирования должна соответствовать техническим требованиям на обработку или сборку изделий.
Рассмотрим в общих чертах динамику манипулятора ПР на
примере манипулятора для контактной точечной сварки (самый
сложный и трудный режим работы робота).
Структурная схема манипулятора с приводом для одной из координат (рис. 1.8) в самом общем случае может быть представлена
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
двумя звеньями: звеном привода и промежуточным звеном, связывающим привод с рабочим органом. Специфика конструкции состоит в том, что ни при разомкнутой шаговой системе привода, ни
при замкнутой следящей (показана на рисунке штриховой рамкой)
рабочий орган манипулятора обратной связью не охватывается.
Задаваемое управляющим сигналом U перемещение отрабатывается приводом на выходе силового элемента, а не рабочего органа.
Отличие исполнительного движения X от отрабатываемого приводом ϕ определяется динамическими свойствами механической
конструкции промежуточного звена.
Рис. 1.8. Структурная схема манипулятора для одной координаты:
U — управляющий сигнал; ϕ — движение привода; X — исполнительное
движение; П — привод; ПЗ — промежуточное звено; РО — рабочий орган; ДОС — датчик обратной связи
В сферической или цилиндрической системах координат такой
механической конструкцией является консоль, несущая на свободном конце кисть с рабочим органом и перемещаемая приводом со
стороны своего закрепления.
Подобная механическая конструкция представляет собой низкочастотную колебательную систему с невысоким демпфированием,
переходной процесс которой при остановке привода проявляется в
виде низкочастотных затухающих колебаний. Колебания рабочего
органа при подходе к позиции для сварки вносят динамическую составляющую ошибки позиционирования и оказываются существенной помехой при быстром темпе смены позиций. Именно они лимитируют скорость обработки при ведении роботом ТКС.
Сказанное можно пояснить на примере перемещения сварочных клещей от точки к точке с постоянной скоростью. Остановка
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
движения, совершаемого со скоростью V, вызовет в этом случае
затухающие колебания.
Зависимость амплитуды колебаний от скорости сварки имеет вид
Am =
L
e −πψ / 4 ,
(60 / n − τ) ω p
где L — расстояние между точками; n — темп сварки, точек/с;
τ — время сварки одной точки; ωр — круговая частота собственных колебаний конструкции; ψ — коэффициент потерь в механических передачах.
Таким образом, управление движением путем простого включения и выключения скорости привода вызывает появление затухающих колебаний, начальная амплитуда которых при заданном
режиме сварки однозначно определяется частотой собственных
колебаний ωр и коэффициентом потерь ψ.
Для количественной оценки примем следующие значения рассматриваемых величин: расстояние между сварными точками
L = 50 мм, время сварки одной точки τ = 0,35 с; круговая частота
собственных колебаний промежуточной механической конструкции ωр = 40 с–1; коэффициент потерь ψ = 0,2.
Результат расчета показывает, что амплитуда колебаний, а значит и динамическая ошибка, возрастает с увеличением темпа скорости сварки n (при n = 17 точек/с, Аm = 4 мм). Уже при сравнительно умеренном темпе (n = 1 точка/с) вибрации сварочных
клещей становятся недопустимо большими.
Для подавления вибраций имеется несколько способов: охват
рабочего органа манипулятора корректирующими обратными связями; выполнение конструкции манипулятора более жесткой с
тем, чтобы повысить частоты ее собственных колебаний; регламентация закона движения, т. е. запрограммированное изменение
скорости привода на протяжении каждого перехода от точки к
точке. Первые два способа трудно осуществимы. Охват рабочего
органа манипулятора обратными связями приведет к значительному усложнению всего робота. Увеличение жесткости манипулятора, как правило, влечет за собой утяжеление его конструкции и,
главное, не может дать существенного выигрыша. Самая эффективная мера — регламентация закона движения, которую можно
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
осуществить с помощью специальных средств, вводимых в систему управления роботом.
а
б
Рис. 1.9. Кривые перемещения клещей от точки к точке:
а — линейный разгон и торможение; б — плавное изменение скорости
(ϕ(t) — закон изменения скорости привода; x(t) — закон линейного перемещения привода; L — установившееся значение линейного перемещения;
T — время разгона и торможения)
Обычно для уменьшения вибраций применяют программированные разгон и торможение привода, в частности переход на
медленную («ползучую») скорость в конце движения. Но с увеличением скорости сварки длительность процессов разгона и торможения становится соизмеримой с периодом собственных колебаний манипулятора. Соответствующие переходные процессы
сливаются и происходят одновременно. Следовательно, необходимо полностью детерминировать скорость привода от начала его
движения до остановки, т. е. найти наиболее целесообразный закон изменения скорости привода φ(t) (рис. 1.9, а).
Плавный процесс перемещения клещей от точки к точке соответствует случаю, иллюстрируемому рис. 1.9, б.
1.4. Системы управления, методы обучения
и программирования сварочного робота
В развитии систем управления манипуляционными роботами, в
том числе сварочными, выделяют пять специализированных уровней иерархии управления (в порядке справа налево) (рис. 1.10):
1 — приводом манипуляционной системы (исполнительный уро28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вень); 2 — элементарными программными операциями; 3 — то же,
с учетом информации о внешней среде; 4 — отдельными законченными технологическими операциями; 5 — искусственным интеллектом.
Рис. 1.10. Иерархическая структура управления промышленным
роботом
О задачах искусственного интеллекта для роботов третьего поколения в настоящее время можно говорить только в плане прогноза дальнейших исследований. На этом уровне должен осуществляться выбор стратегии обработки сварной конструкции — поиск
заданных деталей, подлежащих сварке, выбор оптимального плана
перемещения сварочного инструмента и(или) изделия, выбор оптимальных технологических режимов ведения собственно процесса сварки.
Управление ПР в настоящее время осуществляется преимущественно на первых трех уровнях. Если требуется задать программу
в виде наименования операций или их последовательности, используют четвертый уровень, на котором синтезируются законченные сложные действия по достижению конечной цели управления, в частности сварки изделия. На этом уровне операции
управления делят на ряд технологических переходов, реализуемых
нижним уровнем управления ПР (например, ориентирование сварочной горелки, формирование режимов относительного перемещения рабочих органов, расчет траектории перемещения, контроль
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
качества сварного шва и др.). На четвертом уровне используют
информацию от устройств адаптации ПР.
Основным классификационным признаком систем управления
является тип управления.
Тип управления. Большинство эксплуатируемых ПР — это
роботы с программным управлением, в которых программа задается либо в форме готовых для обработки приводами траекторий
для каждой из координат манипуляционной системы, либо в виде
траекторий в координатах рабочей зоны, которые затем преобразуются в реальном режиме времени в координаты степеней подвижности манипулятора. При этом в зависимости от типа привода
обработка движения может быть как непрерывной (контурные
системы управления), так и дискретной (позиционные системы). В
первом случае программа реализуется в виде непрерывной траектории, во втором — в виде конечной последовательности позиций,
заданных программой. Системы, в которых число программируемых точек по каждой из управляемых координат ограничено несколькими фиксированными значениями, являются цикловыми и
представляют собой частный случай позиционных систем управления.
Цикловое программное управление ПР является простейшим и
обеспечивает в основном двухточечное позиционирование (по
упорам) по отдельным степеням подвижности. В общем случае
состав устройства циклового программного управления включает
в себя управляюще-вычислительный модуль, программоноситель,
блоки сопряжения с роботом и технологическим оборудованием,
панель управления и пульт ручного управления обучением.
Примером цикловой системы управления с упрощенной реализацией основных функциональных узлов и блоков может служить
устройство ЭЦПУ-6030, ориентированное на управление простейшими роботами типа МП-9С и сопутствующим технологическим оборудованием.
В целях увеличения числа точек позиционирования в отдельных
случаях применяют промежуточные выдвижные упоры. Для управления роботами с промежуточным позиционированием отдельных
звеньев манипулятора и технологическим оборудованием со сложной логикой управления предназначены унифицированные цикловые системы. Типичным примером систем такого типа является се30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рийно выпускаемое устройство УЦМ-663. Обозначение типов устройства расшифровывается так: У — унифицированное;
Ц — цикловое; М — модульное; 6 — шестикоординатное; 6 — в
том числе управляющее всеми шестью координатами одновременно; 3 — цифра, поясняющая выход на привод циклового устройства.
Цикловые системы управления просты и надежны. Основной
недостаток цикловых систем — неспособность к перемещениям по
сложным траекториям. Кроме того, значительные продолжительность и трудоемкость перенастройки робота при переходе на новую программу ограничивают его гибкость.
Системы циклового программного управления в основном используют при выполнении транспортных и погрузочноразгрузочных работ.
При позиционном управлении обеспечивается от десятков до
сотен программируемых точек по каждой степени подвижности.
Позиционные системы управления используют при операциях,
требующих лишь позиционирования объекта с заданной точностью, т. е. ориентированного его расположения в определенном
числе точек пространства. При этом неважно, по какой траектории
будут перемещаться рабочие органы ПР между заданными позициями. В специальной литературе встречаются следующие сокращенные обозначения типа системы: ptp (point-to-point) — позиционные с небольшим числом программируемых точек; mp (multipoint) — позиционные с большим набором запоминаемых точек.
Для управления манипулятором ПР при автоматизации транспортных и загрузочно-разгрузочных операций, связанных с обслуживанием группы станков (до четырех), установок для ТКС и
других установок, предназначено устройство числового программного управления УПМ-772.
Позиционное управление позволяет повысить универсальность
и технологические возможности, а следовательно, значительно
расширить область применения роботов в производстве. К недостаткам этого типа управления относятся нерегулируемость траектории между заданными точками и затруднения, связанные с приданием ей плавности.
Цикловое и позиционное управление неприемлемо для ПР,
выполняющих операции нанесения защитных покрытий, газовой
резки, дуговой, плазменной сварки и других, где требуется вы31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
держивать непрерывную траекторию перемещения инструмента с
заданной скоростью. В этих случаях используют системы контурного управления, которые позволяют непрерывно управлять
перемещением инструмента, ориентацией объекта и параметрами
технологического процесса. Контурное управление можно представить как синхронное позиционное управление с большим числом программируемых и расположенных близко друг к другу точек позиционирования. Контурную систему иногда обозначают
CP (continuous path).
Для управления манипулятором и сварочным оборудованием
при автоматизации ДС, плазменного напыления и окрасочных работ предназначено устройство числового программного управления УКМ-772 — контурное, с системой отсчета в абсолютных
размерах, построенное на базе микроЭВМ «Электроника-60М». В
качестве внешнего программоносителя используется кассетный
накопитель на магнитной ленте (КНМЛ).
В целом контурные системы управления обладают значительными универсальностью и технологическими возможностями. К
их недостатком следует отнести сложность и высокую стоимость.
Иногда применяют различные комбинированные системы
программного управления, в которых оптимально сочетаются
позиционные и контурные типы управления. Примерами могут
служить случаи, когда для основных технологических операций
(например, выполнение сварочного шва) требуется принять контурное управление, а для ввода и вывода инструмента в рабочую
зону — позиционное.
По числу совместно управляемых роботов системы управления
делят на системы индивидуального и группового управления.
При индивидуальном управлении каждый из ПР имеет систему
локального управления (стойку), назначением которой является
координация действий отдельных функциональных элементов робота друг с другом, с обслуживаемым технологическим оборудованием и транспортными системами.
При групповом управлении (широко используемом в последнее
время) осуществляется синхронизированное управление группой
ПР и технологическим оборудованием, связанными единым технологическим процессом изготовления изделия, от одного управляющего устройства ЧПУ или, чаще всего, от ЭВМ.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При выборе типа системы управления важное значение имеют
следующие критерии: универсальность ПР, суммарная продолжительность технологического цикла, количество точек обслуживания и точность позиционирования, себестоимость, наличие помех.
Стоимость устройства управления составляет значительную часть
стоимости самого ПР (до 50 %), что определяет важность правильного выбора типа системы управления, обеспечивающего при минимальной стоимости и сложности наиболее полную реализацию
промышленным роботом требований конкретного технологического процесса. Наиболее дешевыми являются цикловые системы,
затем следуют позиционные, а наиболее дорогостоящие — контурные и адаптивные системы управления.
Методы программирования и обучения промышленного робота. Под программированием применительно к ПР понимают составление и ввод управляющей программы в целях управления ПР.
Программа — полное и точное описание на некотором формальном
языке процесса обработки информации, приводящего к решению
поставленных задач. При программировании необходимо зафиксировать в виде программы следующие виды информации (команд):
последовательность осуществления отдельных элементов движений; положение звеньев манипулятора и устройства передвижения
корпуса робота; время выполнения элементов движения. Кроме
этой информации в ряде случаев задают скорости перемещения
звеньев; силы, связанные с выполнением операций; команды,
управляющие работой технологического оборудования, и др.
Программа строится из последовательности кадров. Кадр —
это одна или несколько команд, обрабатываемых последовательнопараллельно. Управляющая программа может быть зафиксирована
как с помощью механических аналогов (упоров, копиров и т. п.) и
различных коммутаторов (штекерных панелей, барабанов и т. п.),
так и на быстросменных программоносителях (перфолентах, магнитных лентах, магнитных дисках и т. д.).
Объем памяти программоносителя (запоминающего устройства) определяется в каждом конкретном случае в зависимости от
назначения робота и его технических характеристик. Объем памяти характеризуется количеством информации, запоминаемой в
ней, и измеряется в тысячах единиц двоичной информации (килобит) или тысячах байтов (килобайт). Один байт составляет 8 еди33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ниц двоичной информации (бит). Иногда указывают также объем
памяти в количестве слов (кадров), которые можно запомнить.
При этом слово равно одному или двум байтам.
По мере увеличения объема памяти расширяются технологические функции ПР, управляемого системой программного управления. Так, вспомогательные роботы с цикловой системой управления имеют малый объем памяти (20 – 50 кадров, или слов); с
позиционной системой управления — средний (100 – 200 кадров);
технологические роботы (например, для сварки или окраски сложных поверхностей) с контурной системой управления — большой
(1000 – 2000 кадров).
В зависимости от особенностей ввода информации в устройство управления ПР различают следующие основные способы подготовки программ: программирование обучением, внешнее автономное программирование, программирование самообучением.
Программирование обучением. Программа, по которой ПР
выполняет свои движения, может быть введена в его запоминающее устройство несколькими способами. Ее можно задать предварительно, способом внешнего программирования, как это осуществляется у станков с цифровым управлением. Можно записать ее
непосредственно на рабочем месте, пользуясь органами ручного
управления для перемещения манипулятора, например с помощью
выносного пульта обучения, или непосредственно провóда оператором исполнительного органа робота по требуемой траектории
(«обучение показом»). Наконец, программа может быть переписана из «библиотеки программ» — долговременного хранилища информации.
Первый способ требует привлечения квалифицированных программистов, больших затрат времени, средств математического и
аппаратурного обеспечения, а иногда и применения ЭВМ для расчета. Поэтому он целесообразен лишь для специализированных
ПР. Программирование универсальных роботов в настоящее время
осуществляется, как правило, согласно второму способу, который
получил название «обучение».
Обучение состоит в том, что, пользуясь выносным пультом,
оператор выполняет первый технологический цикл, вручную
управляя движениями инструмента, закрепленного в кисти робота,
а перемещения инструмента последовательно записывает в запо34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
минающее устройство робота. Этот способ прост, доступен рабочему соответствующей квалификации и не требует никаких дополнительных устройств.
Однако процесс обучения связан с появлением субъективной
ошибки, возникающей вследствие неточного позиционирования
инструмента в процессе обучения. Эта ошибка войдет в качестве
составляющей в полную ошибку позиционирования, так как ПР
может воспроизвести только те позиции, что заданы ему при обучении.
Ошибка при обучении зависит от возможностей человека, проводящего обучение робота. Даже у опытного оператора она может
оказаться существенной, если динамические свойства ПР таковы,
что оператору тяжело управлять им вручную. Динамика робота в
режиме ручного управления должна быть согласована с физиологическими свойствами человека.
В процессе обучения ПР человек, управляющий им вручную,
составляет совместно с роботом следящую систему, являясь ее замыкающим звеном. Входным воздействием этой системы служит
рассогласование Δ в положении рабочего органа робота относительно заданной позиции, которое воспринимается оператором.
Рис. 1.11. Структурная схема системы обучения робота:
Xп — программная уставка перемещения Х; υ — скорость движения
робота; X — координата перемещения; N — шумовой генератор; Wo —
передаточная функция оператора; Wм — передаточная функция манипулятора
Структурная схема системы обучения по одной из координат
представлена на рис. 1.11. Она состоит из двух звеньев: первое
звено Wо вместе с элементом сравнения отражает свойства человека-оператора, управляющего роботом, второе Wм — динамику манипулятора ПР.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Действия человека в системе обучения можно представить при
анализе системы некоторой математической моделью. В нашем
случае удобно воспользоваться квазилинейной моделью, которая
состоит из линейного звена с передаточной функцией Wо(jω) и некоторого шумового генератора N. Последний представляет те компоненты выхода звена, которые не могут быть получены как следствие действия линейного оператора Wо на входной сигнал ввиду
нелинейной их природы.
Параметры Wо(jω) не являются константами, а зависят от ситуации управления, которую определяет динамика управляемой
системы, входной сигнал и критерий качества.
Участвуя в работе системы ручного управления, человек изменяет свое поведение вполне определенным образом, как бы проводя самонастройку. Самонастройка есть суть освоения человеком
тонкостей управления, она состоит из процесса адаптации, а затем
оптимизации системы. Адаптация соответствует выбору оператором такой характеристики обучения, при которой обеспечивается
требуемая динамика приводов робота с учетом их инерционности.
Оптимизация состоит в подгонке параметров выбранной характеристики таким образом, чтобы согласовать их с параметрами манипуляционных систем робота. Существенно, что в конкретной
ситуации управления характеристики различных операторов, прошедших предварительно обучение, практически совпадают.
Оператор проявляет себя как низкочастотное звено с граничной частотой до 1 Гц. На низких частотах (менее 0,1 Гц) наблюдается резкое возрастание шумов, т. е. нелинейных эффектов. Поэтому оптимальная полоса частот воздействующего сигнала, при
которой оператор субъективно ощущает легкость в управлении, а
объективно совершает наименьшие ошибки, лежит в пределах
0,05…0,60 Гц. Это обстоятельство позволяет найти диапазон желаемых скоростей перемещения робота при его обучении.
Имея передаточную функцию ПР и учитывая свойства самонастройки человека-оператора, можно найти ошибку позиционирования при обучении, соответствующую выбранному воздействию.
Далее следует свести эту ошибку к минимуму средствами коррекции динамики робота.
Переход от автоматического управления к ручному означает
изменение структуры системы управления роботом. Ряд звеньев
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
системы управления при обучении не используется и отключается; в систему вводятся новые корректирующие звенья, необходимые для осуществления ручного управления с минимальной
ошибкой.
Таким образом, ПР в режиме обучения является сложной динамической системой, параметры которой изменяются в процессе
работы. Так, частоты собственных колебаний в угловых координатах зависят от значения перемещения по радиальной координате.
Доминирующим звеном, определяющим вид передаточной функции ПР, является его механическая часть — манипулятор. С учетом интегрирования в системе привода передаточную функцию
промышленного робота в режиме обучения можно представить
звеном третьего порядка:
Wм ( p ) =
K м.о
р ⎡⎣1 + 2ξТр + (Тр ) 2 ⎤⎦
,
где p — оператор Лапласа; Kм.о — статический коэффициент передачи манипулятора робота, который в значительной мере зависит
от конструкции органа ручного управления; ξ — коэффициент
демпфирования; T — постоянная времени колебательного звена.
Параметры ξ и Т колебательного звена в большинстве случаев
имеют следующие значения: ξ = 0,1; Т ≈ 0,02 с; коэффициент передачи манипулятора робота Kм.о в значительной мере зависит от
конструкции органа ручного управления.
На рис. 1.12 показана типичная логарифмическая амплитудночастотная характеристика (ЛАЧХ), относящаяся к одной из угловых координат ПР. Существенно, что область частот, где сказывается влияние колебательного звена, здесь лежит выше диапазона
частот, доступного оператору, и при правильном выборе конструкции манипулятора (коэффициентов Kм.о, ξ, Т) оператор при
обучении будет воспринимать динамическую нагрузку, соответствующую простому интегрирующему звену.
Обучение промышленного робота с асинхронной системой
управления. Запоминающее устройство асинхронной системы
управления ПР содержит информацию лишь о координатах заданных позиций. Скорость и траектория движения между этими
позициями определяются свойствами самого привода и никак не
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
связаны с действиями оператора при обучении. Это дает возможность оператору осуществлять вывод рабочего органа робота в
желаемую позицию любым образом, например перемещая его по
каждой из координат поочередно, пользуясь простейшим способом управления. Таким простейшим способом служит кнопочное
управление скоростью: нажатием кнопки включают действие соответствующего привода робота. Перемещение при этом происходит с некоторой постоянной скоростью движения, и задача
оператора сводится к выбору момента остановки привода.
Рис. 1.12. Типичная ЛАЧХ ПР при обучении (одна координата):
L(ω) — логарифмический коэффициент передачи
привода манипулятора робота; ωк = 1/Т — резонансная частота колебаний; ωс — частота среза
Если аппроксимировать полную частотную передаточную
функцию разомкнутой системы обучения функцией, состоящей из
интегрирующего и запаздывающего на время τ звеньев:
Wо ( jω )Wм ( jω ) =
ω c − jωτ
е
,
jω
то она будет адекватно описывать действия оператора, адаптировавшегося к динамике системы в переходных процессах вследствие его способности к упреждению (управлению скоростью обу38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чения). Ошибку в слежении при этом можно оценить величиной ∆
= υ/ωс, где υ — скорость движения робота; ωс — частота среза
привода робота (рис. 1.12). Следовательно, максимально допустимая скорость движения ПР при обучении ограничивается разрешаемой ошибкой обучения ∆max:
υmax ≤ ∆max ωc,
где частота среза ωс зависит от конкретной ситуации управления.
Это очень жесткое ограничение, требующее вести процесс
обучения с большим замедлением. На практике пользуются двумя
уровнями скорости: выход в позицию начинают на сравнительно
большой скорости, а к самой позиции подходят на ползучей.
После вывода рабочего органа в искомую позицию координаты
этой позиции записывают в запоминающее устройство (ЗУ) робота. В большинстве случаев для этого достаточно нажать на кнопку
«Запись», размещаемую на том же выносном пульте, где находятся кнопки управления приводами всех координат. Предусматривают также возможность записи в ЗУ на любом шаге программы
сигналов связи с внешним оборудованием.
Следует отметить, что управление включением скорости требует от оператора определенных навыков в ручном управлении
роботом и, как правило, ведется с частыми исправлениями совершаемых ошибок. Поэтому управление включением скорости непригодно для обучения в случае синхронной системы управления.
Обучение позиционного промышленного робота с синхронной
системой управления. В синхронной системе управления запоминающее устройство выдает непрерывный поток информации,
определяющий как само перемещение, так и скорость движения.
Это свойство системы позволяет ввести торможение при подходе
к позиции, а если нужно, то и полностью регламентировать все
движение.
Программирование скорости предполагает наличие средств
управления скоростью при обучении. Таким средством служат органы пропорционального управления, дающие оператору возможность изменять скорость движения робота по своему усмотрению.
Хотя пропорциональное управление само по себе позволяет
осуществить подход к искомой позиции с любым замедлением,
обучение ведут на пониженных скоростях. Это облегчает действия
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
оператора и дает ему возможность программировать достаточно
быстрые движения с резкими изменениями скорости (например,
при торможении перед выходом в позицию).
В синхронной системе запись информации в ЗУ происходит
непрерывно, как и выдача ее при считывании. Однако если скорости движения носителя информации в ЗУ при записи и воспроизведении различны, то соответствующие скорости движения робота
при обучении и в автоматическом режиме работы окажутся в том
же соотношении.
Масштаб изменения скорости можно найти из условия, приведенного выше, согласно которому спектр частот воздействия,
воспринимаемого оператором, должен находиться в пределах
0,05…0,60 Гц.
Метод пропорционального ручного управления в сочетании с
замедлением темпа движений при обучении является простым и
эффективным для программирования сравнительно несложных
движений. Управлять вручную одновременным движением по
трем-пяти координатам непросто. Крупным недостатком является
то обстоятельство, что в связи с синхронностью записи все ошибки, совершенные при обучении, повторятся в каждом рабочем
цикле и коррекцию программы осуществить трудно.
Обучение позиционного ПР с синхронной системой управления значительно упрощается, если применять промежуточную
память.
Устройство обучения с промежуточной памятью позволяет
«развязать» действия оператора при обучении и движения промышленного робота в автоматическом режиме. При таком методе
обучения информация о движении поступает в промежуточный
накопитель, который фиксирует лишь значение совершенного перемещения; информация о скорости движения при этом теряется.
После выхода в позицию данные из накопителя переводят в основное ЗУ, одновременно вводя, если необходимо, желаемый закон изменения скорости. Процесс обучения по одной из координат
соответствует блок-схеме, показанной на рис. 1.13.
Обучение проводят в два этапа. Вначале оператор органом
ручного управления РУ, воздействующим на управляемый генератор перемещений ГП, подает сигнал на устройство привода УП,
перемещая исполнительный орган ИО и контролируя его положе40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние визуально. Данные датчика Д, воспринимающего перемещение исполнительного органа, фиксируется в промежуточном накопителе Н. По достижении заданной позиции робот останавливают
и переключателем К подключают генератор ГП на накопитель так,
чтобы его сигнал считывал информацию, введенную в промежуточный накопитель, подавая ее в ЗУ для записи последовательно
во времени. Запись в ЗУ начинается по команде «З», которая
включает движение носителя в ЗУ и блок формирования сигнала
скорости БФС; последний на основании информации, поступившей от накопителя Н, вырабатывает сигнал требуемого закона изменения скорости, который теперь управляет генератором перемещения ГП. Окончание считывания из накопителя служит
сигналом завершения записи в ЗУ и перевода устройства в начальное положение для программирования следующей позиции.
Рис. 1.13. Блок-схема синхронной системы управления:
Д — датчик; Н — накопитель информации; ГП — генератор перемещений; ИО — исполнительный орган; УП — устройство привода;
РУ — пульт ручного управления; ЗУ — запоминающее устройство;
К — коммутатор режима; БФС — блок формирования сигнала
скорости; «З» — команда запуска работы ЗУ
Применение промежуточного накопителя позволяет оператору производить перемещения робота при обучении раздельно
по координатам и в любой последовательности. Перезапись из
промежуточных накопителей в основное ЗУ произойдет одновременно по всем координатам, и при воспроизведении перемещения робота будут происходить одновременно по всем координатам по закону, заложенному в блок формирования сигнала
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
скорости. При этом можно применять как пропорциональное, так
и кнопочное управление.
Обучение контурного промышленного робота. Обучение контурного ПР с асинхронной системой управления отличается от
обучения позиционного робота только тем, что на программированной траектории искусственно выделяют точки, подлежащие
записи. С этой целью криволинейную траекторию аппроксимируют ломаной линией, отрезки которой равны между собой или
кратны. На практике пользуются мерной лентой, которой обклеивают деталь, применяемую для обучения.
Обучение контурного робота с синхронной системой выполняют с пропорциональным ручным управлением. Ручное управление осуществляют с таким расчетом, чтобы максимально облегчить действия оператора. Система должна быть согласованной
с человеком по динамике и удобной в управлении. Для удобства
органы управления оформляются в виде рукоятки, имеющей три
степени свободы и размещаемой возле кисти на руке робота. Рукоятка конструируется так, чтобы ее перемещения по трем осям
совпадали по направлению с вызываемыми ею перемещениями
робота. Такое устройство позволяет вести обучение по трем региональным координатам. Для управления в локальных координатах на кисти робота монтируют вторую рукоятку такого же типа. В зависимости от характера выполняемой роботом задачи
(если необходимо) при обучении пользуются замедлением темпа
движений.
В некоторых случаях, если траектория программируемого
движения выражена на объекте физически, процесс обучения выполняют с помощью следящих систем, пользуясь датчиками, позволяющими выполнять операции в трех региональных координатах. Подобный способ нашел применение, например, в случае
дуговой сварки разделанного шва.
Контурное управление можно представить как синхронное позиционное управление с большим числом программируемых и
расположенных близко друг к другу точек позиционирования. При
таком управлении программируются только опорные точки воспроизводимой траектории, а промежуточные определяются интерполированием (рис. 1.14) с помощью специальных логических
устройств — и н т е р п о л я т о р о в. В этом случае рабочие органы
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПР будут перемещаться по сглаженной кусочно-непрерывной траектории.
Таким образом, можно применить позиционную систему
управления с интерполятором, и процесс обучения ПР с такой системой управления практически мало отличается от процесса обучения ПР без интерполятора.
а
б
в
Рис. 1.14. Программирование траектории движения рабочего органа промышленным роботом по опорным точкам интерполированием:
а — линейным; б — круговым; в — волновым
Внешнее программирование. Характерные точки прохода робота задаются в координатах изделия с чертежа. Обеспечивается
заблаговременная подготовка программы аналитическим расчетом
с помощью ЭВМ. Весьма перспективным вариантом внешнего
программирования роботов для сварки является обучение в интерактивном режиме с «проигрыванием» движений сварочной
горелки и изделия на экране дисплея без активации манипуляционной системы. Наиболее распространенными роботоориентированными языками программирования являются языки РОКОЛ
(СССР), EHOS, PLAW (Япония), VAL, AL (США).
Самообучение промышленного робота. Программа формируется на основе информации, анализируемой системой технического зрения восприятия внешней среды с последующей обработкой и
запоминанием полученной информации и организацией соответствующих команд самим роботом (адаптивный робот).
Таким образом, общение человека-оператора с роботом на
нижних уровнях управления (см. рис. 1.10) сводится к режиму кодирования, т. е. человек-оператор формулирует задание роботу
либо в виде уставок перемещений рабочих органов по соответствующим координатам (первый уровень), либо в виде вектора скорости движения рабочего органа или его координат с помощью
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
специальных задающих устройств (второй и третий уровни). При
наличии сенсорных устройств (третий уровень) система управления роботом приобретает свойства адаптации, которая может осуществляться без участия человека-оператора. На четвертом уровне
реализуется супервизорный способ управления, т. е. человекоператор взаимодействует с роботом, формируя и выдавая директивные задания на проблемно-ориентированном или графическом
языке. Далее работа с роботом приобретает форму диалогового
режима, когда директивные задания на проблемно-ориентированном языке ЭВМ трансформируются с помощью транслятора
в соответствующие перемещения исполнительных устройств робота, а система управления запрашивает человека-оператора о дополнительной недостающей информации для выполнения операции. На пятом уровне указывается только операция, а ее
выполнение планируется самим роботом.
1.5. Сварочное оборудование робототехнического комплекса
Передачу функций сварщика роботу, как правило, нельзя рассматривать как простую замену рабочего роботом в системе «рабочий — полуавтомат для ДС» или «рабочий — машина для
ТКС». Такая замена, как правило, бывает недостаточно эффективной, потому что, с одной стороны, роботу не хватает сенсорных и
манипуляционных способностей квалифицированного сварщика, а
с другой — оснащение робота предназначенным для человека механизированным инструментом, имеющим ограниченные возможности автоматического управления сварочным процессом, а в ряде
случаев и недостаточную воспроизводимость заданных параметров режима и положения электрода (электродов) относительно оси
или базовых поверхностей сварочного инструмента, а также невысокие показатели надежности, означает недоиспользование возможностей системы управления РТК, а также его фонда времени в
целом.
Поэтому сварочное оборудование РТК для сварки необходимо
рассматривать как отдельный вид сварочного оборудования, что,
однако, не исключает возможности и целесообразности использования в нем отдельных составных частей традиционных видов
сварочного оборудования. В свою очередь, создание и развитие
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
оборудования для РТК оказывает положительное влияние на совершенствование традиционных видов оборудования для сварки.
Общим требованием к сварочному оборудованию РТК для сварки является возможность работать длительное время (не менее одной смены) без участия человека с сохранением стабильных свойств
свариваемых соединений, т. е. длительная воспроизводимость параметров режима, наличие развитых средств контроля состояния
составных частей сварочного оборудования, высокий уровень автоматизации и совместимость с системой управления РТК, насыщенность вспомогательными и сервисными устройствами.
В зависимости от характера производства и условий эксплуатации РТК для сварки составные части сварочного оборудования
могут иметь различный диапазон функциональных возможностей.
При использовании РТК в условиях сварочного производства с
частой сменой сварных конструкций этот диапазон должен быть
достаточно широким. Специализированные РТК для сварки, предназначенные для применения в стабильном производстве сварных
конструкций относительно простой формы или при дуговой сварке
швов в одном и том же пространственном положении, могут быть
оснащены более простым сварочным оборудованием, что повышает экономическую эффективность роботизации.
Сварочное оборудование робототехнического комплекса
для дуговой сварки. В комплект сварочного оборудования РТК
ДС входят следующие агрегатируемые устройства или составные
части: 1) источник питания сварочной дуги; 2) аппаратура подачи
сварочной проволоки; 3) набор сварочных горелок; 4) аппаратура
охлаждения горелки; 5) газовая аппаратура; 6) устройства автоматической очистки горелки от брызг; 7) аппаратура удаления газов
и аэрозолей; 8) устройство защиты горелки от поломки; 9) коммуникации; 10) средства контроля начального положения горелки;
11) устройства крепления сварочной аппаратуры на составных
частях РТК; 12) аппаратура контроля и управления сварочным
оборудованием.
По функциональным признакам перечисленные устройства можно объединить в следующие три группы: I — средства подачи энергии и сварочных материалов в зону дугового процесса (пп. 1 – 5); II —
сервисные (вспомогательные) средства, включая средства контроля
состояния и защиты (пп. 6 – 11); III — средства управления (п. 12).
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотрим основные особенности составных частей сварочного оборудования РТК ДС.
Источник питания сварочной дуги. Источник питания во
многом определяет технологические параметры процесса роботизированной сварки. Такие показатели источников питания, как надежность зажигания дуги, стабильность поддержания заданного
режима, гибкость изменения параметров процесса сварки, приобретают для РТК ДС решающее значение.
Разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона тиристорный источник
питания И-136, рассчитанный на ток 400 А и предназначенный для
работы в составе РТК ДС, обеспечивает плавное регулирование напряжения дуги в диапазоне 15…40 В по аналоговому или цифровому
сигналу, поступающему от системы управления РТК ДС, стабилизацию напряжения дуги при изменении напряжения сети, шунтирование сварочного дросселя в начале процесса сварки для улучшения
зажигания дуги и шунтирование части сварочного дросселя при сварке вертикальных швов. Оценка сварочных свойств источника И-136
по сравнению со свойствами широко известного ВДУ-504 и инверторного источника PS-3500 фирмы KEMPPI (Финляндия), выполненная в соответствии с методикой ГОСТ 25616–83 по показателям
уровня потерь металла на разбрызгивание, надежности установления
процесса сварки, качества формирования шва, показала, что источник
питания И-136 имеет высокие сварочные свойства. Хорошие показатели у источника PS-3500 при сварке на малых токах (до 200 А). Для
ВДУ-504 в этом диапазоне потери металла значительно выше.
При использовании источника И-136 зажигание дуги с шунтированием сварочного дросселя происходит после первого касания
изделия электродной проволокой. Надежное зажигание дуги обеспечивается при работе источника И-136 и в автономном режиме
без повышения скорости нарастания тока шунтированием сварочного дросселя.
Коэффициент формы усиления шва (отношение высоты усиления наплавленного валика к его ширине) для каждого из источников составляет примерно 0,3. Швы, полученные при питании дуги
от источников И-136 и PS-3500, имеют более гладкую и мелкочешуйчатую поверхность по сравнению с ВДУ-504.
Современные средства электронной техники позволяют также
отказаться от управления индуктивностью в сварочной цепи и
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
осуществить управление процессом тепловложения и переноса
металла на уровне объема капель и времени переноса каждой из
них. В составе РТК ДС применяют инверторные источники питания. Создают транзисторные источники питания, которые обеспечивают скорость изменения сварочного тока до 50 А/мс. В результате представляется возможным значительно уменьшить
разбрызгивание и выполнять роботизированную сварку в самых
различных пространственных положениях.
Аппаратура подачи сварочной проволоки. На роботах для дуговой сварки обычно предусмотрено использование сварочной проволоки сплошного сечения диаметром 0,8…1,6 мм. Наиболее широко используют проволоку диаметром 1,2 мм. Непременным
условием надежной подачи проволоки такого диаметра является
тщательная ее намотка на барабаны или катушки (по ГОСТ 25445–
82) непосредственно на заводе-изготовителе. Это исключает выход
из строя тракта подачи проволоки и обеспечивает минимальные
случайные отклонения вылета проволоки после выхода ее из наконечника горелки. Самостоятельная перемотка проволоки потребителем, выполняемая на примитивном оборудовании, как правило,
не обеспечивает указанного качества намотки и поэтому неприемлема для сварки роботами.
В связи с высокой интенсивностью работы сварочного оборудования РТК по сравнению с полуавтоматической сваркой увеличиваются затраты времени, связанные с заменой барабана с проволокой. Поэтому целесообразно применять катушки большой
массы. Например, катушки проволоки массой 80 кг (при том же
режиме сварки) достаточно для непрерывной работы в течение
15…30 ч. Для сравнения: катушка с проволокой массой 5 кг на тех
же сварочных режимах позволяет работать в течение только 2 ч.
Поскольку для размотки тяжелой катушки ее вращением требуется
большая мощность, применяют специальные разматывающие устройства, подающие проволоку путем отделения витка за витком с
неподвижной катушки (рис. 1.15).
В РТК ДС применяются различные типы механизмов подачи
сварочной проволоки: роликовые редукторные, планетарные безредукторные и т. д. Использование планетарных безредукторных
механизмов обеспечивает стабильную подачу с одновременной
правкой проволоки и, как результат, более стабильное положение
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
конца электродной проволоки, меньший износ тракта подачи и
бóльшую его длину благодаря крутильным колебаниям проволоки
в канале, существенно снижающим силы трения проволоки о
внутреннюю поверхность канала.
Рис. 1.15. Устройство разматывания проволоки с неподвижной катушки большой емкости (фирма Cloos, ФРГ)
Однако применение планетарных подающих механизмов требует высокой стабильности формы и размеров сечения сварочной
проволоки.
В ряде случаев, например, при сварке в труднодоступных местах (внутри крупногабаритных конструкций), а также при использовании катушек большой массы и при обширной рабочей зоне,
требуется обеспечить подачу проволоки на расстояние 10 м и более. В этих случаях применяют принцип подачи проволоки «тянитолкай», при котором толкающий механизм расположен вблизи
катушки, а дополнительный тянущий механизм встроен в горелку
либо расположен на одном из звеньев манипулятора.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Опыт показывает, что наибольшее число отказов в работе сварочного оборудования связано с нарушением подачи проволоки. В
большинстве случаев причиной отказов является смятие проволоки на входе в направляющий канал у сварочной горелки. Для исключения отказов подачи проволоки необходимо выполнять известные рекомендации по выбору диаметров отверстий элементов
всего тракта подачи. При этом особое внимание следует обращать
на размеры токоподводящих наконечников и приемных втулок
направляющих каналов.
Сварочные горелки. Для эффективного использования РТК ДС
необходимо использовать различные варианты исполнения сварочных горелок. Выбор варианта определяется типом и структурой манипуляционной системы данного РТК, конструктивными
особенностями свариваемого изделия и режимом сварки.
Применение сварочных горелок для РТК ДС по сравнению с
горелками для полуавтоматической и механизированной сварки
должно удовлетворять следующим требованиям:
1) обеспечивать значительно бóльшую продолжительность непрерывной работы, достигающую при рационально организованной
эксплуатации РТК ДС 90…95 % общего фонда рабочего времени;
2) предусматривать возможность быстрой замены сопла и токоподводящего наконечника, а также всей горелки с гарантированным сохранением положения рабочей точки относительно
последнего звена манипулятора горелки (применение ручных корректоров положения горелки на РТК ДС нежелательно; необходима точная обработка заменяемых элементов с четким базированием по местам присоединения);
3) иметь достаточную жесткость и прочность горелки, исключающие ее деформирование под действием сил, возникающих при
срабатывании устройства защиты от поломки в случае столкновения горелки с препятствием;
4) обеспечивать возможность конструктивного сопряжения с
датчиками положения свариваемых элементов;
5) гарантировать надежный токоподвод к электродной проволоке в строго определенном месте наконечника горелки, неизменном по мере его износа (особенно важно для систем, в которых
сварочная дуга используется в качестве датчика положения свариваемых элементов);
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6) предусматривать наличие дополнительного подвода сжатого
воздуха к газовому соплу для его пневматической очистки и впрыскивания противопригарной жидкости.
Наряду с прямыми применяют изогнутые горелки (рис. 1.16), у
которых рабочая часть отогнута под углом 20…40º к оси участка
крепления или имеет S-образную форму. Горелки для сварки при
силе тока до 250 А в защитной среде СО2 или до 200 А в смеси газов, как правило, имеют естественное охлаждение. Для сварки при
бόльших значениях силы тока требуется применять водяное охлаждение газового сопла токопроводящего наконечника горелки.
Существуют горелки, охлаждаемые защитным газом повышенного
давления (до 5 МПа), однако эффективность такого охлаждения
значительно меньше водяного.
Рис. 1.16. Сварочные горелки для робототехнического
комплекса дуговой сварки (фирма Alexander Binzel, ФРГ):
1 и 2 — прямая и изогнутая водоохлаждаемые; 3 — с охлаждением защитными газами; 4 — устройство защиты
горелки от поломки
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По мнению ряда исследователей, применение изогнутых горелок обеспечивает более надежный токоподвод к электродной проволоке и отклонение проволоки по мере износа наконечника в сторону, противоположную изгибу горелки. Если принимать во
внимание последнее соображение, то манипулятор горелки должен
иметь три ориентирующие степени подвижности, обеспечивающие
расположение вектора наиболее вероятного износа по касательной
к линии свариваемого соединения. Однако широкое распространение прямых горелок в РТК ДС и применение изогнутых горелок на
роботах, имеющих только две ориентирующие подвижности, позволяет сделать вывод, что при достаточно износостойких токоподводящих наконечниках выбор горелки (прямой или изогнутой)
должен диктоваться только удобством сварки данного типа изделия на данном РТК ДС.
Защитные газы для роботизированной дуговой сварки. Основным способом роботизированной дуговой сварки является сварка в аргоносодержащих двойных [Ar + 20…30 % CO2] или тройных
[Ar + 20…30 % CO2 + 3…7 % O2] окислительных смесях. Наиболее
полно технологические преимущества таких смесей проявляются в
диапазоне режимов сварки, обеспечивающих струйный перенос металла электрода. Низкий уровень потерь металла на разбрызгивание
(в 3 – 4 раза меньший, чем при сварке в СО2), гладкая, мелкочешуйчатая поверхность швов, возможность применения технологических
приемов сварки, повышающих производительность процесса (прямая полярность сварочного тока, удлиненный вылет проволоки,
сварка модулированным током), выгодно отличают этот способ от
сварки в СО2. Дополнительные расходы, связанные с повышенной
стоимостью смеси (приблизительно в три раза больше, чем СО2),
невелики по сравнению со стоимостью РТК ДС, приходящейся на
единицу продукции. Они окупаются за счет повышения качества
сварки, а также сокращения трудозатрат на очистку сварных конструкций от брызг после сварки. Подавляющее большинство РТК для
дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах работает
в аргоносодержащих смесях. Для смешивания газов используются
серийно выпускаемые постовые и рамповые смесители конструкции
ВНИИавтогенмаша.
Устройства автоматической очистки горелки от брызг.
Известны две системы очистки горелки: пневматическая очистка
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сжатым воздухом с впрыскиванием противопригарной жидкости
(силиконового масла) и механическая очистка с помощью перемещающейся внутри сопла очищающей втулки с приводом от пневмоцилиндра либо с помощью внешнего устройства типа вращающейся полой фрезы или полой щетки. При сварке в СО2 очистка
сжатым воздухом приемлема при небольших значениях силы тока
(до 220 А). При этом включение очистки производится после сварки
100…500 мм шва. При сварке в аргоносодержащих смесях длина
швов, свариваемых между включениями очистки, в 2 – 3 раза больше. При сварке на бóльших токах целесообразно применять механическую очистку, которую следует проводить перед началом сварки очередного изделия, но не реже, чем после сварки 7…8 м шва.
Наиболее эффективен комбинированный способ: очистка сжатым воздухом после сварки каждого шва и механическая очистка
после сварки каждого изделия. Поскольку при установке в корпусе
горелки дополнительных устройств с подвижными частями значительно усложняется ее конструкция, механическую очистку обычно выполняют внешним устройством, а нанесение противопригарной жидкости — методом окунания или опрыскивания. Емкость
(аэрозольный баллон) с жидкостью размещают в непосредственной близости от очистных устройств. Однако применение внешних устройств связано с необходимостью подвода к ним горелки
для очистки и связанных с этим дополнительных потерь времени,
тем более что такие устройства располагают у границы рабочей
зоны РТК ДС.
Аппаратура удаления газов и аэрозолей. Удаление аэрозолей
из зоны сварки роботом может осуществляться двумя способами.
Первый способ основывается на применении всасывающего сопла,
встроенного в горелку. Этот способ обеспечивает хорошие санитарные условия в зоне сварки, но существенно затрудняет манипулирование горелкой в труднодоступных местах свариваемой конструкции. Кроме того, при длинных коммуникациях отсос ухудшается
из-за ограниченного диаметра отсоса, поскольку с увеличением
диаметра уменьшается гибкость отсасывающего трубопровода.
При втором способе предусмотрено использование местной
вытяжной вентиляции с помощью зонтов и отсосов в столах и манипуляторах изделий. При этом предполагается, что сварщик находится вне зоны интенсивного выделения аэрозолей при автома52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тической работе РТК ДС, а следовательно, нет необходимости
встраивать в горелку всасывающее сопло.
Устройство защиты горелки от поломки. Случайные ошибки оператора при обучении робота, сбои средств контроля положения изделия и элементов приспособления, а также сбои в системе управления РТК ДС могут привести к повреждению горелки, ее
манипулятора и других составных частей комплекса при случайном столкновении горелки с ними. Поэтому крепление горелки к
последнему звену манипулятора не должно быть жестким. Целесообразно использовать предохранительное устройство пружинного типа, обеспечивающее фиксированное положение горелки, если
к ней не приложена сила, превышающая допустимую. При столкновении горелки с препятствием происходит упругая деформация
пружин, в результате чего смещается держатель горелки, о чем
сигнализирует состояние микровыключателя. Поэтому горелку
необходимо размещать относительно устройства защиты таким
образом, чтобы сила, направленная вдоль оси горелки или сбоку с
любой стороны, обеспечивала гарантированное срабатывание устройства (рис. 1.17). Одно из наиболее известных устройств защиты
горелки показано на рис. 1.16.
а
б
Рис. 1.17. Рекомендуемая (а) и нерекомендуемая (б) схемы крепления горелки в устройстве защиты горелки от поломки
Известен метод защиты горелки от поломки путем подачи
электрического потенциала на изолированное сопло горелки и получения сигнала при соприкосновении сопла с изделием. Однако в
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ряде случаев сварка ведется с малыми вылетами электрода, при
которых трудно избежать случайных легких касаний сопла и изделия, и эти касания не приводят к повреждению горелки.
Коммуникации. Подвод электроэнергии, сварочных материалов, воды и сжатого воздуха к сварочному инструменту, закрепленному на конечном звене манипулятора с пятью и более степенями подвижности, представляет собой сложную и ответственную
инженерную задачу. Вопросы прокладки коммуникаций необходимо решать в этом случае как составную часть разработки всех
механизмов манипуляционной системы. При использовании роботов, разработанных для других целей, прокладку коммуникаций
для сварочного оборудования проектируют отдельно, руководствуясь требованиями, предъявляемыми к устройствам крепления
сварочной аппаратуры.
Средства контроля начального положения горелки. Манипуляционная система РТК ДС имеет нулевое (исходное) положение звеньев. Однако нулирование манипуляционной системы не
гарантирует исходного положения конца электродной проволоки.
Его смещение может произойти по многим причинам, например,
из-за нарушения фиксации и повреждения горелки, износа наконечника, случайного изгиба проволоки и др. Поэтому при наладке и в процессе работы РТК ДС целесообразно периодически
контролировать нулирование конца электрода. В простейшем
случае нулирование можно проводить визуально по реперу —
острию, направленному навстречу концу электрода и расположенному по оси стыка. Возможна автоматическая проверка положения конца электрода, например с помощью двух взаимно
перпендикулярных пар светодиод — фотодиод, пересекающих
ось электрода.
Для роботов со средствами адаптации в виде устройств периодического прямого копирования перед началом сварки очередного
изделия или шва необходимо автоматически установить щуп в
среднее положение, включив устройство в точке нулирования над
эталонным имитатором свариваемого соединения.
Устройства крепления сварочной аппаратуры на составных частях робототехнического комплекса для дуговой сварки.
Конструкция этих устройств не должна ограничивать рабочую зону манипулятора горелки и досягаемость всех швов изделия го54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
релкой, а также нагружать манипулятор горелки дополнительным
весом, силами инерции и сопротивления перемещению звеньев.
Источник питания сварочной дуги обычно неподвижен. Однако в РТК ДС, предназначенных для сварки крупногабаритных конструкций (например, корпусов судов), источник питания дуги целесообразно размещать на носителе манипуляторов горелок.
Большие контейнеры с электродной проволокой (см. рис. 1.15)
размещают неподвижно, малые барабаны с проволокой — рядом с
подающим механизмом.
Пример крепления аппаратуры подачи проволоки с малым барабаном на составных частях робота с рычажно-угловой (антропоморфной) кинематической системой переносных движений показан на рис. 1.18.
Рис. 1.18. Крепление на верхнем плече робота ТУР-10 аппаратуры подачи проволоки типа ПОЛИИЗАПЛАН UP 104 (Болгария)
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.19. Варианты крепления
горелки к последнему звену манипулятора:
а, в — оси вращения не проходят
через точку сварки; б — одна из
осей вращения проходит через точку сварки; в — при сварке угловых
соединений с большой высотой
полки (1 — устройство защиты горелки от поломки; 2 — сварочная
горелка)
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отдельную задачу представляет собой выбор варианта крепления горелки к последнему звену манипулятора. Чтобы уменьшить
максимальные требуемые скорости переносных движений и повысить точность отработки, удаления точек сварки А и Б (рис. 1.19, а)
от осей поворота механизмов ориентирующих движений следует
сделать минимальными. Однако в результате уменьшения этих
расстояний сокращаются предельные размеры выступающих свариваемых элементов (рис. 1.19, б, в). Совмещение точки сварки с
осью поворота одной из ориентирующих степеней подвижностей
позволяет сваривать швы изделий сложной формы в нижнем положении с минимальным использованием переносных движений, а
также сокращать количество ориентирующих степеней подвижностей при сварке некоторых типов изделий. Таким образом, выбор
типа горелки и способа ее крепления зависит от типа свариваемых
конструкций и способов адаптации.
Универсальные РТК ДС целесообразно укомплектовывать набором сменных горелок и узлов их крепления к последнему звену
манипулятора горелки. Математическим обеспечением системы
управления должно предусматриваться оперативное внесение поправок в алгоритм расчета траектории движения рабочей точки на
случай ее смещения при замене горелок или узлов их крепления.
Аппаратура контроля и управления сварочным оборудованием. В функции этой аппаратуры входит управление стандартными циклами работы сварочного оборудования (зажигания дуги,
заварка кратера, очистка горелки и др.), преобразование команд
системы управления РТК ДС в заданные значения параметров режима сварки, формирование для системы управления РТК ДС и
оператора информации о текущем состоянии всех устройств сварочного оборудования, автономное управление в режиме отладки
и контрольных проверок РТК ДС.
Возможно несколько принципов построения контроллера сварочного оборудования. На первых этапах применения РТК ДС использовали контроллеры с предварительной плавной настройкой
параметров (напряжения на дуге, скорости подачи проволоки, амплитуды и частоты колебаний и др.) для нескольких (обычно пятишести) режимов сварки. При воспроизведении программы в заранее выбранных точках траектории по командам от системы управления происходит переход с одного режима на другой (из числа
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предварительно настроенных). При этом не вызывает затруднений
корректировка значений параметров при сварке в процессе отладки программы. Однако существенным недостатком подобных контроллеров является отсутствие в программе сварки определенного
типоразмера изделия значений параметров режима, что при повторной переналадке РТК на сварку этого изделия требует повторной ручной установки указанных значений. В результате возможны случайные отклонения значений параметров режима от заданных, грубые ошибки или сознательная недопустимая интенсификация режима оператором-сварщиком с целью увеличения производительности. Другим недостатком такого решения является
невозможность автоматического плавного изменения параметров
режима, что необходимо прежде всего для решения задач технологической адаптации.
Применение современных контроллеров сварочного оборудования позволяет обеспечить свободное управление режимом сварки с
практически плавным его изменением по программе, содержащей
данные как о перемещениях горелки относительно изделия, так и о
значениях параметров режима, и исключить доступ операторасварщика к содержанию программы. Количество ступеней изменения параметров выбирают достаточно большим (например, 99, 127,
255), что обеспечивает практически плавную настройку режима.
Предусматривается также «горячее» (в процессе сварки) редактирование программы. Для универсальных, а также адаптивных РТК ДС,
предназначенных для переменного производства, наиболее перспективны в качестве основного средства управления сварочным
оборудованием свободно программируемые контроллеры.
Для специализированных РТК ДС с редкими переналадками на
сварку другого изделия целесообразно применять упрощенные
контроллеры с несколькими заранее выбранными режимами. Следует отметить, что такие контроллеры весьма просто стыкуются с
серийно выпускаемыми устройствами числового программного
управления станками. Для ряда специализированных РТК ДС, где
не требуется переход с режима на режим во время сварки одного и
того же изделия, можно применять однорежимный контроллер,
например типа БУСП-1, дополненный при необходимости устройствами управления зажиганием дуги и заваркой кратера. Более
подробно это изложено в специальной литературе.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известно, что возможности определения и тем более регулирования свойств сварного соединения в реальном масштабе времени
весьма ограничены. Поэтому основным способом управления процессом дуговой сварки является способ разомкнутого управления,
при котором решаются две задачи: 1) выбор и задание оптимальных параметров режима в зависимости от заданных номинальных
технологических условий; 2) стабилизация параметров режима
или их изменение по заданному закону при наличии возмущений.
Для стабилизации параметров режима, помимо информации о
пространственном положении горелки, необходима информация о
текущих значениях параметров и состоянии сварочного оборудования. Для дуговой роботизированной сварки плавящимся электродом в общем случае необходимо определять: мгновенное и действующее значения сварочного тока и напряжения на дуге;
скорость сварки; вводимую энергию, приходящуюся на единицу
длины шва; скорость подачи и вылет электродной проволоки; количество израсходованной и оставшейся проволоки; расход, давление и состав защитного газа или смеси газов; температуру, расход и давление охлаждающей жидкости; износ наконечника;
забрызгивание сопла.
Косвенный контроль двух последних величин может быть
осуществлен путем измерения времени сварки, отсчитываемого
после очередной замены наконечника и сопла, и сопоставления
этого времени с ресурсом работы указанных деталей.
При изготовлении ответственных сварных конструкций целесообразно применять устройства допускового контроля режима
сварки, а также информационно-измерительные системы, осуществляющие не только контроль, но и документирование значений
основных параметров режима.
Сварочное оборудование робототехнического комплекса для
контактной точечной сварки. В РТК для ТКС робот перемещает
либо сварочные клещи относительно изделия, либо свариваемое
изделие относительно электродов стационарной сварочной машины. В первом (основном) случае конструкция сварочного оборудования зависит от принятой схемы его компоновки. Во втором случае в качестве сварочного оборудования обычно используют
серийно выпускаемые сварочные машины. Однако второй способ
применяют относительно редко.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Клещами на роботах в автомобилестроении сваривают листовые конструкции с толщиной листов от 0,6 до 1,2 мм при скорости
до 60 точек/мин, силе тока во вторичной цепи не менее 4 кА и силе
сжатия электродов 3000…3500 Н.
Мощность сварочного трансформатора и напряжение в его
вторичной обмотке зависят от полного сопротивления вторичной
цепи, которое является функцией сечения и длины токоподводящих элементов во вторичной цепи и рабочей длины и раствора
электродержателей (величины окна сварочных клещей). Конфигурация рабочей части сварочного инструмента зависит от геометрии свариваемых деталей и типа используемого робота.
Известны три варианта размещения сварочного трансформатора в оборудовании для ТКС (рис. 1.20): 1) трансформатор подвешен над роботом; 2) трансформатор установлен на одном из звеньев робота; 3) трансформатор встроен в сварочные клещи. При
подвеске трансформатора над роботом используют компоновку
сварочного оборудования, принятую в подвесных машинах для
ТКС. Клещи закрепляют на роботе. Для частичной разгрузки робота от веса кабелей, соединяющих клещи со сварочным трансформатором, применяют пружинные разгрузочные устройства. Подвеска трансформатора над роботом характерна для универсальных
роботов, предназначенных для широкого круга технологических и
транспортных работ.
Для того чтобы подвешенный трансформатор не ограничивал
рабочую зону ПР, кабели должны иметь достаточную длину. Однако с увеличением длины кабелей повышаются сопротивление
вторичного контура и его нагрев при работе. Для уменьшения сопротивления и нагрева сечение кабелей увеличивают (иногда до
250 мм2). Такие кабели плохо изгибаются и создают дополнительную нагрузку на механизм кисти. Рабочая зона РТК для ТКС с
трансформатором, подвешенным над роботом, загромождена кабелями и тросами уравновешивающих механизмов, а манипуляционные возможности робота и доступ к внутренним полостям изделия ограничены. Поэтому при выборе подвесной сварочной
машины следует найти компромиссное сочетание длины кабеля,
его сечения, нагрева, гибкости и фактической рабочей зоны.
Кроме того, при периодической подаче тока силой до 10 кА и
более возникают значительные электродинамические нагрузки,
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которые разрушают кабель, а также передаются на кисть и, повторяясь при скорости сварки 60 точек/мин до 20 тыс. раз в смену,
приводят к быстрому износу механизма кисти, увеличению люфта
и, следовательно, погрешности воспроизведения программы. Повторяющиеся изгибы и скручивания токоведущего кабеля также
значительно уменьшают его долговечность. Известно, что срок
службы кабеля при роботизированной сварке в две смены составляет от двух недель до двух месяцев. При этом шланги водяного
охлаждения или водоохлаждаемая оболочка коаксиального кабеля
выходят из строя еще быстрее.
а
б
в
Рис. 1.20. Варианты размещения сварочного трансформатора при роботизированной контактной точечной сварке:
а — над роботом; б — на одном из звеньев робота; в — в сварочном инструменте (клещи)
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как показывает опыт, число отказов роботизированных линий
для ТКС определяется в основном надежностью сварочного оборудования — клещей для сварки, токоведущих шлангов, системы
охлаждения, устройств блокировки. Если не принимать мер по повышению надежности сварочного оборудования, то из-за мелких,
хотя и легко устранимых его неполадок, сблокированная линия с
8 – 10 роботами будет часто простаивать.
При установке трансформатора на одном из звеньев робота
длина токоведущих элементов вторичного контура значительно (в
2,5 – 3,0 раза) уменьшается, но возрастают нагрузки на робот. Поэтому трансформатор устанавливают вблизи места крепления руки
к колонне (на роботах со сферической системой координат) или
вблизи места крепления верхнего плеча к нижнему (на роботах со
сферической угловой системой координат). В ряде случаев трансформатор используют и как противовес.
На роботах, специально предназначенных для ТКС, токоведущие элементы вторичного контура размещают в руке (верхнем
плече) робота. В роботах с выдвигающейся рукой в этом случае
необходимо обеспечить постоянное сопротивление вторичного
контура. Для этого применяют скользящие контакты V-образной
формы и жесткие токопроводящие элементы, один из которых
имеет петлю.
В конструкции токоведущих элементов вторичного контура,
предложенной фирмой АSЕА (Швеция), содержатся жесткие кабели и контактные устройства, которые при выполнении перемещений разомкнуты (рис. 1.21, а), а при выполнении сварки замкнуты
с помощью пневматики (рис. 1.21, б). Время срабатывания контактных устройств практически не увеличивает времени сварки
изделия.
Срок службы контактных поверхностей при двухсменной работе, продолжительности включения 30 % и силе тока 15 кА составляет около 1 года, время замены контактных поверхностей —
20 мин.
Таким образом, при размещении трансформатора на руке робота уменьшаются длина вторичного контура и, следовательно, габаритные размеры трансформатора; снимаются ограничения на манипуляционные возможности робота, связанные с кабелями,
которые соединяют клещи с подвесным трансформатором. Кроме
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
того, при жестких встроенных элементах вторичного контура значительно увеличивается срок службы токоведущих элементов и
исключается нерегулярное дестабилизирующее влияние кабелей
вторичного контура на погрешность позиционирования.
а
б
Рис. 1.21. Клещи со встроенным трансформатором для роботизированной ТКС (фирма ASEA, Швеция):
а — с осевым ходом инструмента; б — с радиальным ходом инструмента
Использование клещей со встроенным трансформатором позволяет применять роботы широкого назначения для точечной контактной сварки без ограничения манипуляционных возможностей
робота, так как при этом тяжелые и жесткие кабели вторичного контура заменяются легкими и гибкими кабелями малого сечения первичного контура. Полное сопротивление первичного контура пре63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дельно снижается, что позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу трансформатора. Клещи со встроенным трансформатором обычно компактны. Их конструкция предусматривает
возможность крепления к последнему звену робота так, чтобы центр
тяжести сварочного инструмента находился возможно ближе к осям
вращения ориентирующих перемещений (см. рис. 1.21). Клещи со
встроенным трансформатором для сварки тонколистовых конструкций имеют массу не более 50 кг, чем и определяется грузоподъемность роботов, пригодных для ТКС с применением рассматриваемого сварочного инструмента. При использовании клещей с
встроенным трансформатором кисть робота должна обеспечивать
вращающий момент не менее 120 Н⋅м, что соответствует массе
клещей 50 кг с расположением центра тяжести на расстоянии не
более 240 мм от осей вращения ориентирующих подвижностей.
Представляется перспективным оборудование для роботизированной ТКС с инверторным источником тока, в котором напряжение питающей сети промышленной частоты вначале преобразуется в напряжение повышенной частоты (до 750 Гц), а затем
подается на первичную обмотку сварочного трансформатора; напряжение повышенной частоты, снимаемое с вторичной обмотки,
выпрямляется и используется для сварки. Масса и габаритные
размеры высокочастотного трансформатора при той же мощности
меньше, чем у низкочастотного, а питание сварочного контура выпрямленным током позволяет при необходимости увеличить вылет
электродов и раствор клещей практически без изменения мощности. Инверторный источник тока может быть встроен в клещи или
расположен на одном из звеньев робота.
При питании сварочного контура постоянным током кабели,
соединяющие клещи с источником (в случае его размещения на
одном из звеньев робота), не подвергаются электродинамическим
нагрузкам и поэтому имеют больший срок службы, чем при питании клещей переменным током.
К клещам для роботизированной ТКС независимо от места
расположения трансформатора предъявляются повышенные требования в отношении быстродействия и надежности. Для обеспечения надежной роботизированной ТКС клещи должны обеспечивать без профилактического ремонта (даже смазывания) работу в
две смены в течение полугода, т. е. около 5 млн срабатываний.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К основным типам конструкций клещей для роботизированной
ТКС относятся клещи с радиальным ходом и клещи с осевым ходом электродов (С-образные). При этом оба типа конструкции
должны предусматривать различные варианты крепления к последнему звену робота.
Для клещей с радиальным ходом электродов плавающая подвеска реализуется шарнирным креплением оси качания механизма
клещей с подпружиниванием с целью фиксации механизма в свободном положении клещей при разведенных электродах и исключения колебаний клещей при их перемещении между точками
сварки. Плавающая подвеска С-образных клещей осуществляется
с помощью дополнительного звена, перемещающегося прямолинейно вдоль оси электродов и фиксирующегося пружинами в свободном положении. При раздельном пневмоприводе каждого из
электродов самоустановка их по изделию реализуется без дополнительной подвижности клещей — только за счет пневмосистемы.
Сварочные клещи должны быть снабжены устройством защиты от поломки при случайных столкновениях с изделием, сборочно-сварочным приспособлением и другими частями РТК. По
устройству и принципу работы такие устройства аналогичны
устройствам, применяемым в составе оборудования для роботизированной дуговой сварки. Кроме того, изделие и сварочный
робот должны быть защищены от повреждения в случае прихватывания электродов к металлу изделия. Даже при оптимальном
выборе режима сварки такое прихватывание не исключено. По
некоторым данным, возможно одно прихватывание на 150 тыс.
точек. Для защиты от поломок при прихватывании электродов
можно использовать устройство защиты от столкновений. Однако более эффективно оснастить клещи датчиками и использовать
специальную подпрограмму (вращение роботом клещей вокруг
оси электродов).
В первом случае в клещи встраивают датчики исходного положения электродов, датчики раскрытия (разведения электродов) на
рабочий ход и датчики сжатия электродов. Наличие этих датчиков
позволяет контролировать весь цикл работы механизма клещей.
Если электроды не расходятся после сварки очередной точки (например, в результате прихватывания электродов), операция сварки
данного изделия прерывается и подается сигнал о неисправности.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Во втором случае, если после выполнения указанной подпрограммы электроды не разводятся, робот останавливается. Подпрограмму вращения роботом клещей вокруг точки сварки используют
также для периодической зачистки электродов о металл изделия,
что особенно важно при сварке только что зачищенными электродами, когда вероятность их прихватывания к изделию выше.
Применяют также устройства для механической зачистки электродов. Такое устройство устанавливается у границы рабочей зоны
и робот по программе в определенные моменты цикла подводит
клещи в положение зачистки и включает зачистное устройство.
Устройство управления оборудованием для роботизированной
ТКС может быть автономным однопрограммным (режим выбирают при наладке и по программе не меняют); многопрограммным
(режим выбирают при наладке, по программе возможен переход на
любой из заранее настроенных режимов); интегрированным с системой управления роботом, когда в общей программе задаются как
перемещения, так и параметры режима сварки.
Для роботизированной ТКС перспективно применение системы замкнутого управления параметрами процесса сварки в зависимости от электрического сопротивления зоны сварки.
1.6. Методы и технические средства адаптации сварочных роботов
Оценка требуемой точности положения свариваемых стыков
при роботизированной сварке. Современные ПР обладают такими
техническими характеристиками, которые способны обеспечить
практически любую траекторию перемещения горелки с высокой
точностью, необходимой для процесса дуговой сварки. Однако условия самого производства далеко не всегда соответствуют этим высоким требованиям. К числу факторов, затрудняющих применение неадаптивных роботов, следует прежде всего отнести нестабильность
расположения свариваемых стыков в пространстве и неточность
сборки свариваемых кромок (табл. 1.2). Эти факторы приводят к случайным отклонениям — смещению горелки поперек стыка ηт и изменению зазора b в соединении. Диаметр электрода dэ и состав газа выбраны, толщины S1 и S2 заданы, а остальные параметры изменяют
согласно технологии, в том числе для увеличения зазора и допустимых смещений электрода в свариваемом стыке.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.2
Технологические параметры основных типов сварных соединений
Группа
параметров
Сварные соединения
Тавровое
Сварка
«углом вперед»,
«в угол»
ηт — поперечное
отклонение
проволоки
от стыка,
l — вылет проволоки;
α — поворот горелки;
β — наклон горелки
Ап — амплитуда
колебаний;
vсв — скорость сварки;
Iсв — ток сварки;
Uд — напряжение
дуги;
dэ — диаметр
электрода;
Q — защитный газ
ξ — поворот
соединения;
γ — наклон
соединения
Сварочный
режим
Пространственное
положение
соединения
Наименование
параметров
S1 — толщина листа 1;
S2 — толщина листа 2;
b — зазор между
кромками
свариваемых
деталей
Размеры
соединения
Положение
горелки
относительно
соединения
Нахлесточное
Сварка
«на спуск»,
«в лодочку»
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хотя существующие системы адаптации роботов и расширяют
допустимые пределы отклонений горелки от линии свариваемого
стыка, но в ограниченных пределах, не обладают универсальностью
применения и значительно уменьшают производительность процесса. В связи с этим очень важно определить рациональные области
использования сварочных роботов без адаптации и выявить условия, при которых необходимо применение адаптивных роботов.
В качестве наиболее простого и наглядного примера рассмотрим среднюю часть прямолинейного шва (рис. 1.22). Основной
причиной некачественного (дефектного) соединения является случайное поперечное отклонение η траектории горелки от фактического положения свариваемого стыка на величину, превышающую
допустимое значение. Это отклонение в процессе сварки получается в результате суммирования погрешности траектории горелки
∆1 и погрешности положения самой линии стыка ∆2.
Рис. 1.22. Участок шва, выполненный на РТК ДС:
1 — траектория электрода горелки; 2, 3 — теоретическое и фактическое
положения стыка; 4 — дефектные участки шва; δ1, δ2 — предельно допустимые смещения; Δ1 — погрешность траектории горелки; Δ2 — погрешность положения линии стыка; ηт — поперечное отклонение траектории
горелки от сварочного стыка
Тот участок шва, где конец электрода отклоняется от линии
стыка на величину ηт > δ1 (предельно допустимого смещения в
данную сторону), оказывается дефектным. Отсюда следует, что
отклонение конца электрода не должно выходить за пределы заштрихованной зоны шириной δ1 + δ2 = δ.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Погрешности траектории горелки ∆1, в свою очередь, обусловлены:
• неточностью воспроизведения траектории движения горелки
роботом ∆в;
• неточностью обучения робота ∆о;
• поперечным отклонением конца сварочной проволоки относительно оси горелки ∆п.
Суммарное отклонение горелки можно представить в виде векторной суммы этих отклонений (рис. 1.23).
Рис. 1.23. Основные условия получения качественного сварного шва:
1 — реальное положение средней линии допуска ±δдоп; 2 — траектория
электрода; 3 — линия, вводимая в программу ПР; (1), (2) — условия
получения качественного сварного шва
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
У современных роботов для дуговой сварки погрешность ∆в
воспроизведения траектории электрода не превышает ±0,2 мм, и
нет необходимости стремиться к дальнейшему ужесточению этого
показателя, так как другие отклонения оказываются существенно
большими. Так, в реальных условиях у серийных отечественных
сварочных полуавтоматов отклонение ∆п сварочной проволоки при
вылете 15 мм достигает ±1,0 мм вследствие изгиба конца и изнашивания отверстия токосъемника. Кроме этого неточность обучения робота также зависит от отклонения ∆п сварочной проволоки,
поскольку роботов обучают (программируют) по концу проволоки, и от квалификации обслуживающего персонала.
Возможны следующие пути уменьшения значений ∆о и ∆п:
• за счет обучения робота по концу проволоки, предварительно
выпрямленной в контрольной точке, куда переносится горелка перед обучением робота;
• за счет применения специальных подающих механизмов, выпрямляющих проволоку (типа ИЗОПЛАН).
Допустимое отклонение конца сварочной проволоки с сохранением высокого качества сварного шва может изменяться в самых широких пределах и зависит прежде всего от конструкции и
размеров сварного узла. Поэтому определять эту величину необходимо в каждом конкретном случае путем предварительных расчетов или непосредственных измерений следующих параметров:
• стабильности размеров входящих в узел деталей ∆д и их позиционирования в сборочном приспособлении, а также деформаций под действием зажимов и прихваток;
• точности фиксации узла в сборочном приспособлении;
• точности позиционирования сварочного приспособления ∆сб;
• сварочных деформаций, возникающих в процессе сварки ∆пр.
Такие поэтапные замеры дают представление об основных
причинах возникновения нестабильности положения стыка и могут быть использованы при разработке технологии роботизированной сварки. Статистическая обработка результатов измерений
партии узлов и деталей позволяет установить закон распределения
отклонений сварочной проволоки от оси свариваемого стыка.
Адаптация роботов. По значениям допустимых и ожидаемых
отклонений сварочной проволоки можно оценить целесообразность
сварки данного изделия с помощью робота без адаптации (рис. 1.24).
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Можно ли использовать РТК дуговой сварки без адаптации?
Точность размеров
деталей и технология
их сборки-сварки
Погрешности
позиционирования
изделия
Оценка допустимых
отклонений и зазоров
Оценка смещений h
и зазоров b
1. Модернизация
технологии
и заготовительного
производства
Нет
h > dдоп
b > bдоп
Нет
2. Модернизация
оснастки РТК
дуговой сварки
Да
3. Использование
адаптации
Да
Рис. 1.24. Последовательность действий применительно к роботизации
дуговой сварки конкретного узла
Уменьшить отклонение сварочной проволоки можно модернизацией конструкции узла, повышением точности изготовления его
элементов и сборки, изменением технологии сборки-сварки и прочими мероприятиями. Если они оказываются недостаточно эффективными или экономически нецелесообразными, то необходимо
применять адаптивные роботы.
Использование систем адаптации кроме увеличения капитальных затрат на оборудование, усложнения (а значит, уменьшения
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
надежности) робота и увеличения габаритных размеров инструмента (если имеется датчик на горелке) также уменьшает производительность работы комплекса в зависимости от ожидаемых погрешностей. Поэтому использование робота с системой адаптации
является вынужденной мерой, к которой прибегают во избежание
получения чрезмерного процента брака сварки.
Чаще всего адаптация необходима для сварки крупногабаритных конструкций, но и она вовсе не исключает необходимости мероприятий по повышению точности базирования сварных швов на
этапе подготовки производства. Из практики известно, что разброс
отклонений сварочной проволоки от оси свариваемого стыка путем
различных усовершенствований технологии был уменьшен от ±20
до ±5 мм, а затем применение робота с системой адаптации обеспечило ведение горелки по стыку при отклонениях не выше ±1,0 мм.
Обычно допуск δдоп на поперечное отклонение конца электрода
от линии стыка (рис. 1.24) для тавровых соединений принимают
равным ± 1,0 диаметра электродной проволоки или ±0,2 толщины
свариваемого металла. Следует отметить, что это весьма неточные
ориентиры, так как допуск зависит от большого числа факторов.
Способы и виды адаптации. Выделяют два существенно различных способа адаптации: установочный и текущий.
У с т а н о в о ч н ы й способ адаптации основан на оценке до
сварки всех возможных факторов, приводящих к возникновению
погрешностей сварочного процесса, в целях их ограничения в результате предварительной точной настройки параметров — программы позиционирования роботом электрода в начальную точку
сварки по данным измерения датчиками координат базовых точек
на свариваемом изделии; уставок режима сварки на сварочном
оборудовании.
Т е к у щ и й способ адаптации предусматривает оперативную
коррекцию параметров режима сварки и программной траектории
при работе ПР в процессе сварки изделия.
Существуют два наиболее широко распространенных вида
адаптации роботизированной дуговой сварки: технологическая и
геометрическая.
Особенность т е х н о л о г и ч е с к о й адаптации состоит в том,
что компенсация отклонений геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, от заданных технологий, а
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
также погрешностей формы свариваемых изделий осуществляется
на основе изменения технологических параметров режима сварки
(скорости подачи электродной проволоки, напряжения дуги, амплитуды и частоты колебаний сварочной горелки, скорости сварки). При технологической адаптации слежение за геометрией
линии соединения выполняют путем оценки изменений электрических параметров дуги при сварке или измерения геометрии сборки
стыка специализированными датчиками контактного или бесконтактного типа.
При г е о м е т р и ч е с к о й адаптации подстройку к фактическому положению линии сварки осуществляют при непрерывном наблюдении в реальном времени за траекторией сварного шва. На
основе этих наблюдений устройство управления предупреждает
ошибочные движения и корректирует форму кривой, запрограммированной в процессе обучения сварочного робота. Геометрическая адаптация, усложняя аппаратуру и программное обеспечение
робота, вместе с тем позволяет уменьшить точность программирования (обучения) и благодаря этому сделать процедуру обучения
более простой. Геометрическая адаптация применяется в большем
количестве случаев, чем технологическая.
Рассмотрим два вида адаптации на условной модели робота для
дуговой сварки с пятью степенями подвижности, каждая из которых
обеспечивается следящим приводом. Три главных движения вдоль
осей X, Y, Z обеспечивают возможность перемещения сварочной
горелки в любую точку рабочего пространства, два локальных движения А и Б определяют ориентацию горелки, а также угол между
осью горелки и линией соединения свариваемых элементов.
В системе управления с технологической адаптацией (рис.
1.25, а, б) используется контур обратной связи по току. В процессе
непрерывного слежения за сварочным током формируется информация о геометрии соединения, поступающая через шунтирующее
сопротивление 1 в технологический контроллер 2, который выполняет необходимые поправки, посылая информацию в корректор режима сварки 3. При постоянной скорости подачи электродной проволоки отклонение длины дуги l приводит к изменению
силы сварочного тока, что позволяет определить отклонения геометрии профиля шва. Для этого сварочная горелка совершает поисковые движения в направлении, перпендикулярном линии шва.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рис. 1.25. Функциональная схема системы управления (а) и схема
движений сварочной горелки при технологической (б) и геометрической (в) адаптации робота:
1 — шунтирующее сопротивление; 2 — контроллер; 3 — корректор режима сварки; X, Y, Z — главные движения; A, B — локальные движения;
С — дополнительная подвижность; l — длина дуги
В случае геометрической адаптации манипуляционная система
робота дополняется шестой степенью подвижности, обеспечивающей движение вдоль оси Y (рис. 1.25, в) и осуществляющей
сканирование траектории в плоскости, перпендикулярной сварочному шву. На рабочем органе установлена бесконтактная сенсорная система, включающая в себя лазерный излучатель и оптический приемник. Сигнал излучателя, отражаясь от поверхности
свариваемого элемента, регистрируется приемником. Информацию на выходе приемника используют для коррекции программной траектории робота.
Геометрическая адаптация роботов для сварки возможна на любом уровне управления (см. рис. 1.10). В отдельных (простых) случаях ее выполняют как показано выше, на первом (исполнительном)
уровне с помощью свободных степеней подвижности манипуляционной системы. К преимуществам систем с использованием адаптации на первом уровне относятся простота и низкая стоимость, возможность применения серийно изготовляемых систем управления,
простое программирование, а недостатком является возможность
решения лишь частных, наиболее простых задач адаптации.
Сенсорные системы. Реализованные в настоящее время системы адаптации сварочных роботов отличаются друг от друга прежде всего своими воспринимающими устройствами — датчиками,
или, как их еще иногда называют, сенсорами.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одной из наиболее сложных научно-технических проблем является создание датчиков, пригодных для эксплуатации в условиях
реального сварочного производства. К датчикам, применяемым в
сварочных процессах, предъявляют следующие требования:
• конструкция и габариты датчиков не должны оказывать существенного влияния на геометрию сварочной горелки и нарушать
условия ее функционирования;
• датчик должен быть инвариантен к внешним воздействиям:
тепловым и световым потокам, магнитным полям, шумам и загрязнениям системы управления.
Датчик можно рассматривать как тактильный прибор или устройство другой физической природы, например датчик расстояния до
поверхности изделия. Работы в области датчиков для адаптации сварочных роботов ведутся в четырех основных направлениях: 1) создание электромеханических датчиков и устройств прямого копирования; 2) создание индукционных датчиков; 3) создание сенсорных
систем с использованием сварочной дуги в качестве датчика; 4) создание видеосенсорных систем. Конструктивные особенности и принципы работы этих датчиков приведены в рекомендуемой литературе.
Наиболее простой является задача поиска начальной точки шва при
отсутствии помех, возникающих в ходе сварочного процесса. Ее решают
с помощью тактильных, индукционных и оптических датчиков.
Принцип работы проволочного т а к т и л ь н о г о датчика (датчика касания) показан на рис. 1.26. По координатам двух базовых
точек А′ и В′, определяемых тактильным датчиком на угловом соединении, робот автоматически по скорректированной программе
отыскивает требуемое место начала сварки (точку С), если отклонение стыкового соединения от исходного положения вызвано его
параллельным смещением. Если смещение стыкового соединения
от исходного вызвано его параллельным смещением с разворотом
относительно точки сварки, то для корректировки программы позиционирования роботом горелки в начальную точку сварки необходимо определить датчиком координаты как минимум трех базовых точек на элементах соединения.
Методика определения необходимого числа базовых точек при
решении задач установочной адаптации на свариваемых изделиях
любой сложной формы и их различной ориентацией в пространстве приведена в рекомендуемой литературе.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.26. Принцип работы тактильного датчика:
А, Б — места начала и конца траектории
поиска начальной точки сварки С; А′, B′ —
базовые точки;
траектория поиска;
траектория скоростной подачи
В ИЭС им. Е.О. Патона разработано тактильное устройство
прямого копирования периодического действия, позволяющее
корректировать положение сварочной горелки по фактическому
положению свариваемых элементов с погрешностью не более ± 0,5
мм в поперечном и ±1 мм в вертикальном направлении при сварке,
тавровых, угловых и нахлесточных соединений (диапазон корректировки в обоих направлениях ±7 мм). Более подробная информация приведена в рекомендуемой литературе.
Каждый цикл корректировки положения сварочной горелки
состоит из освобождения фиксатора горелки по двум степеням
подвижности (вдоль и поперек оси электрода), выдвижения щупа
до упора в поверхности свариваемых элементов, последующей
фиксации горелки по двум указанным степеням подвижности, а
затем отвода щупа от изделия на расстояние примерно 20 мм.
Время непрерывного пребывания щупа вблизи точки сварки
исчисляется долями секунды, поэтому щуп практически не нагревается и не забрызгивается металлом.
Принцип действия и н д у к ц и о н н ы х датчиков, измеряющих
расстояние до поверхности изделия, основан на использовании
явления электромагнитной индукции. При внесении в поле датчика контролируемого металлического изделия изменяются параметры этого поля, которые регистрируются датчиком. Сигнал датчика
преобразуют к виду, удобному для дальнейшей обработки.
Для применения индукционных датчиков в системах адаптивного управления роботами для дуговой сварки в общем случае
требуется обеспечить три переносные степени подвижности манипулятора для сварочного инструмента с закрепленными на нем
датчиками адаптации.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С использованием индукционных датчиков в ИЭС им. Е.О. Патона на базе манипулятора рабочего инструмента «Универсал
15М» и устройства ЧПУ УКМ-772 разработана система адаптивного управления роботом для дуговой сварки (рис. 1.27). В ее состав (наряду с внутренними контурами управления по скорости и
положению звеньев манипулятора) введены контуры управления
по информации от внешней среды.
Рис. 1.27. Упрощенная схема системы адаптивного управления с индукционными датчиками:
УВВ — устройство ввода-вывода; ПО — пульт обучения; ИОСП — интерфейсные блоки обратной связи по положению; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; КУ — коммутирующее устройство; Пz — преобразователь датчика; ИМ — исполнительный механизм манипулятора сварочного
инструмента; СГ — сварочная горелка; Дy, Дz — индукционные датчики расстояния
Согласно схеме, показанной на рис. 1.27, адаптация робота осуществляется на исполнительном уровне системы управления. Для
отработки рассогласования используют приводы манипуляционной
системы робота по соответствующим степеням подвижности.
Разработанная система предназначена для управления роботом
при сварке угловых соединений. В связи с этим она оснащена двумя датчиками расстояния до поверхности изделия по координатам
Y и Z. Это дает возможность корректировать положение электрода
по фактическому положению линии углового соединения в двух
взаимно перпендикулярных направлениях, каждое из которых, в
свою очередь перпендикулярно направлению программного движения рабочего инструмента.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для управления положением сварочного инструмента (по
информации, получаемой датчиками в системе управления) использован метод переключения приводов отдельных степеней
подвижности манипулятора сварочного инструмента с режима
программного управления на режим управления от датчиков, измеряющих фактическое расстояние до поверхности свариваемых
элементов.
Испытания данной системы адаптивного управления с индукционными датчиками расстояния до поверхности изделия при дуговой
сварке угловых соединений показали, что погрешность наведения
сварочной горелки на линию соединения не превышает 0,7 мм.
Нередко датчиком положения горелки служит сама э л е к т р и ч е с к а я д у г а, параметры которой изменяются при ее сдвиге по
отношению к средней линии сварного шва (см. рис. 1.25, б).
Сравнивая значения электрических параметров дуги, измеренных в разных позициях, вычисляют требуемое положение дуги
относительно сварного шва. Полученные в результате измерений
сигналы используют для коррекции позиций горелки по высоте и в
направлении, перпендикулярном линии шва. Сигналы отрабатываются контурной системой управления робота по степеням подвижности до тех пор, пока отклонение не будет сведено к нулю.
Необходимость сканировать дугу поперек линии соединения
требует осуществлять колебания механически (что не всегда приемлемо по технологическим соображениям) либо электромагнитным
способом (что обусловливает присутствие в зоне сварки дополнительных устройств). В то же время по сравнению с другими типами
датчиков электродуговой сенсор наилучшим образом удовлетворяет
требованиям к адаптивным устройствам, используемым в сварочных процессах. Большим преимуществом этого способа измерений
является отсутствие запаздывания измеряемого сигнала и отсутствие проблем защиты от тепловых и световых потоков.
Использование описанной системы адаптации на ПР модели
KUKA 601/60-СР позволяет успешно осуществлять сварку при отклонении положения сварного шва до ±5 мм. Рассматриваемый принцип
наиболее эффективен при сварке V-образных и угловых швов.
Наиболее информативными и поэтому самыми универсальными, но сложными и дорогими являются в и д е о с е н с о р н ы е системы (рис. 1.28).
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.28. Размещение видеосенсора, основанного на триангуляционном методе измерения, на роботе для сварки:
1 — горелка; 2 — измерительный блок с осветителем и фотоприемником
Поскольку сенсорная система определяет положение стыка,
находясь перед сварочной горелкой, головка датчика жестко связана с последней, причем расстояние между ними составляет примерно 20…50 мм. Разрешающая способность системы по толщине
стыка составляет около 0,2 мм, а максимальная ширина обзора —
по 13 мм в каждую сторону от середины поля.
На основе видеосенсорной системы принцип геометрической
адаптации реализован для ПР модели РБ-251. Робот имеет семь
степеней подвижности, пять из них аналогичны представленным
на рис. 1.25, а, а две дополнительные дистанционно управляют
сварочным столом, что облегчает ориентирование и позициониро79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вание деталей в процессе сварки. Для осуществления адаптации
введена восьмая степень подвижности, принадлежащая кисти робота. Благодаря этой степени подвижности осуществляют сканирование траектории в плоскости, перпендикулярной сварочному
шву. На рабочем органе установлена бесконтактная сенсорная система, включающая в себя излучатель (инфракрасный лазер непрерывного действия) и приемник. Луч лазера, отражаясь от поверхности свариваемого элемента, регистрируется приемником.
Бесконтактный датчик излучения выполняет четыре сканирующих
движения в секунду и позволяет определять отклонение фактической линии соединения свариваемых элементов до ±40 мм. Расстояние между точкой измерения и сварочной горелкой составляет
40 мм. Таким образом, при максимальной скорости сварки 4 мм/с
показания снимают на каждом миллиметре по длине шва. На базе
этих вычислений прогнозируют фактическую траекторию с точностью, удовлетворяющей высоким требованиям, предъявляемым к
сварочному процессу.
Системы технического зрения при роботизированной сварке.
Современный этап развития робототехники характеризуется устойчивой тенденцией к повышению роли технологических роботов, непосредственно выполняющих основные производственные
операции (сварку, окраску, механообработку, сборку, монтаж
электронных схем и т. п.), по сравнению с вспомогательными роботами, обслуживающими основное технологическое оборудование. Соответственно возрастает значение эффективного применения
систем технического зрения (СТЗ) в комплексе с технологическими
роботами, что придает последним качественно новые возможности,
особенно в гибких производственных системах.
Сварочное производство является одним из главных потребителей роботов, которые уже давно стали массовым и привычным
оборудованием точечной контактной сварки и все шире внедряются на операциях дуговой сварки.
Для очувствления сварочных роботов используют самые различные датчики контактного и бесконтактного типа (механические
щупы, тактильные, электромагнитные и дуговые датчики), рассмотренные в рекомендуемой литературе для автоматической и
механизированной дуговой сварки. Важное место в системах адаптации сварочных роботов отводится и техническому зрению. При
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
создании СТЗ для роботизации сварки приходится преодолевать
специфические трудности, обусловленные сильными помехами от
яркого света дуги (горелки) и сварочной ванны, необходимостью
защиты видеосенсора от брызг расплавленного металла, загрязнения, воздействия теплоты и агрессивной газовой среды, большой
неравномерностью отражения света от поверхности свариваемых
элементов. Поэтому наряду с попытками использования стандартных промышленных телевизионных установок активно разрабатываются специальные СТЗ, ориентированные на решение задач сварки. Эти СТЗ включают осветители с направленным и
монохроматическим излучением или модулированным световым
потоком, избирательные фильтры, световоды, устройства охлаждения и защиты, различные видеосенсоры, которые устанавливаются как в непосредственной близости от точки сварки (часто
монтируются вместе со сварочной головкой), так и на некотором
удалении от нее для обнаружения шва «с опережением» и снабжаются системами зеркал, двигателями для сканирования зоны, а
также аппаратные и программные средства обработки видеоинформации для быстрого поиска центральной линии свариваемого
соединения. Проиллюстрируем сказанное рядом примеров.
Система АРТИСТ (ARTIST — Adaptive Real-Time Intelligent
Seam Tracker) — адаптивная интеллектуальная система отслеживания шва в реальном времени (разработка университета штата
Пенсильвания, США) предназначена для роботизации сварки без
необходимости предварительного программирования сварочного
робота путем его проведения по требуемой траектории. Это достигается благодаря тому, что система АРТИСТ (рис. 1.29) способна
управлять движением сварочной головки в реальном времени на
основании видеоинформации об искажении лазерного луча на
стыке свариваемых деталей.
Видеосенсор с лазерным излучателем фирмы «Чисэпик лазер
системс» (Chesapeake Laser Systems, США) измеряет профиль стыка методом триангуляции. Максимальное число точек измерения
при сканировании — 1000; скорость измерения — несколько миллисекунд на точку; погрешность измерения не более ±0,125 мм на
линии шириной 32 мм. Видеосенсор снабжен защитным щитком
от брызг расплавленного металла, светофильтром для задымленной среды и специализированным препроцессором, преобразую81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щим исходную видеоинформацию в последовательность значений
отклонений оси объектива от средней линии стыка. Эти сигналы
поступают в микроЭВМ типа IBM PC, где они вместе с текущими
координатами видеосенсора используются для расчета пространственного положения стыка в системе координат рабочего органа
робота.
Рис. 1.29. Схема системы дуговой сварки роботом с СТЗ:
1 — видеосенсор; 2 — сварочная головка; 3 — щиток; 4 — позиции коррекции;
5 — линия сканирования; 6 — стык; 7 — лазерный луч; 8 — телекамера;
ИЭВМ — интерфейс микроЭВМ; СУУ — супервизорное устройство управления;
ИСС — интерфейс сварочного стола; КСС — контроллер сварочного стола;
СС — сварочный стол; УУР — устройство управления робота; СО — сварочное
оборудование; ПОИ — процессор обработки изображения; СП — специализированный препроцессор; Р — робот
Программное обеспечение имеет модульную структуру и реализует следующие алгоритмы: сбора данных о профиле стыка
(с управлением частотой съема и временами задержек); фильтрации ошибочных отсчетов, вызванных, например, отражением луча
от блестящих участков сварочной ванны; обработки видеоинформации с сегментацией изображений, что позволяет достаточно
точно определять V-образную разделку, валики прихваточного
шва, среднюю линию и кромки стыка; преобразования геометрии
стыка в систему координат сварочной головки.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Система АРТИСТ ориентирована на использование вместе с
портальным роботом Unimate 6000 (шесть степеней подвижности)
и рассчитана на многопроходную сварку швов с V-образной разделкой со скоростью до 25,4 мм/с.
Рис. 1.30. Схема включения СТЗ в адаптивный роботизированный
комплекс для сварки двигателя космического корабля «Шаттл»:
1 — ПЗС-камера; 2 — оптоволоконный световод; 3 — соосный оптический
приемник; 4 — шов; 5 — «окно» слежения за швом; 6 — тень от электрода;
7 — «окно» измерения ширины сварочной ванны; 8 — очувствленная сварочная головка; 9 — дисплей; ПОИ — процессор обработки изображения;
УУР — устройство управления робота; КСО — контроллер сварочного оборудования; СО — сварочное оборудование; СУУ — супервизорное устройство управления
Структура очувствления роботизированного комплекса для
сварки двигателя космического корабля «Шаттл», разработанная
совместно НАСА и компанией «Рокуэлл интернешнл» (Rockwell
International, США), показана на рис. 1.30. Для каждого двигателя,
который состоит из большого числа деталей, выполненных из раз83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
личных жаропрочных сплавов и имеющих большой разброс по
толщине, типам разделки кромок, отражательной способности,
нужно сварить до 3000 швов, многие из них — многопроходные.
Эти факторы вместе с повышенными требованиями к качеству изделия не позволяют применять традиционные средства автоматизации сварки, и около 50 % сварочных операций приходится выполнять вручную.
Для роботизации части этих операций предложено использовать робот Cyro 750 фирмы «Эдванс роботикс» (Advanced
Robotics, США) и СТЗ с видеосенсором, разработанным в университете штата Огайо, приемник которого устанавливается непосредственно в сварочной головке соосно с электродом и связан
гибким оптоволоконным световодом с ПЗС-камерой. Полученное
изображение далее обрабатывается процессором PDP 11/45, который, в свою очередь, обменивается информацией с центральной
ЭВМ VAX 11-780 производственной ячейки. Имеющиеся средства
графического моделирования и САПР дают возможность оператору в интерактивном режиме выбирать вид и параметры алгоритмов
выделения характерных признаков, чтобы СТЗ наилучшим образом
выявляла швы разных типов и определяла их геометрические характеристики. Адаптивная коррекция движений робота в режиме контурного управления рассчитана на скорость сварки до 5 мм/с.
Рис. 1.31. Стереосистема пространственной коррекции траектории сварки робота AID 800:
1 — телекамеры; 2 — рама; 3 —
вкладыш
Компания «Норфолк и Вестерн рейлуэй» (Norfolk & Western
Railway, США) применила стереозрение для формирования пространственной траектории движения робота, приваривающего
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вкладыши размером 190×230 мм в тяжелые (500 кг) рамы колесных тележек бункерных вагонов во время их ремонта. Длина каждого шва около 90 см, скорость сварки 25 см/мин. Поскольку
точная пространственная фиксация вкладышей крайне затруднена, специалисты сочли целесообразным использовать сварочный
робот AID-800 в адаптивном режиме, снабдив его СТЗ с парой
твердотельных телекамер, укрепленных на расстоянии 76,2 см
друг от друга (рис. 1.31).
Бинокулярная СТЗ фирмы «Отоматикс роботик системс»
(Automatix Robotic Systems, США) по двум изображениям методом
триангуляции находит трехмерные координаты крайних точек
прорези в середине вкладыша и по известным его размерам определяет траекторию будущего сварного шва. Этот процесс — от
начала движения робота к рабочей позиции до начала сварки —
занимает менее 6 с. Вычислительная часть системы строится на
базе микропроцессора Motorola 6800. Для программирования как
СТЗ, так и робота оператор может пользоваться удобным языком
RAIL. Вся процедура калибровки и обучения системы новому
классу деталей занимает не более часа.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. РОБОТИЗАЦИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
2.1. Области применения роботов в сварке
Промышленные роботы (ПР) позволяют автоматизировать как
основные, так и вспомогательные операции, чем и объясняется
постоянно растущий интерес к ним.
Наиболее целесообразно ПР использовать в условиях мелко-,
средне- и крупносерийного производства, так как при единичном
производстве много времени затрачивается на обучение роботов, а
в условиях массового производства лучше применять более производительные станки-автоматы. Время изготовления партии изделия при этом должно составлять не менее одной-двух смен. Последнее условие связано с необходимостью снизить затраты
времени на замену приспособлений и оснастки при переходе от
одной партии к другой.
Для расширения области эффективного использования роботов
(в том числе в массовом многономенклатурном производстве) технологическая подготовка роботизированного производства должна
предусматривать широкое применение принципов типизации технологических процессов и группового метода производства.
Критериями выявления отдельных рабочих мест и технологических процессов, которые необходимо роботизировать, являются:
• наличие опасных, вредных и тяжелых условий труда в производственном процессе;
• монотонные, часто повторяющиеся, однообразные движения
рабочих по не изменяющейся от цикла к циклу траектории;
• изменение параметров объектов роботизации одного типа
(например, массы, формы, прочности, состояния поверхности);
• возможность перехода к групповой технологии обработки
(сборки, сварки) объектов роботизации;
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• необходимость обеспечения высокой ритмичности работы
технологического оборудования, повышение производительности
труда и качества выпускаемой продукции.
При внедрении роботов необходимо учитывать следующие основные трудности:
• высокую стоимость как самого робота, так и сопутствующего
оборудования (манипулятор, источник питания и др.);
• недостаточную надежность существующих роботов;
• нехватку квалифицированного обслуживающего персонала;
• дополнительные затраты в производстве заготовок из-за необходимости повышения точности сборки перед сваркой;
• нежелание производственного персонала менять хорошо освоенные методы работы и др.
При роботизации сварочного производства рекомендуется следующий общий порядок подготовительных работ:
1) выбор сварных узлов (и их группирование по однотипным
признакам) и выбор методов их обработки и подготовки к сварке.
При этом следует учитывать программу выпуска, обеспечивающую полную загрузку роботизированного оборудования;
2) выбор схемы и состава роботизированных технологических
комплексов, определение моделей и количества ПР, расчет численности обслуживающего персонала. При этом следует предусматривать групповое внедрение ПР как наиболее рациональное и
эффективное (единичное внедрение ПР нерентабельно);
3) оценка технико-экономической эффективности внедрения
роботов;
4) выполнение мероприятий по вводу роботизированной системы в эксплуатацию, т. е. обучение персонала, разработка и внедрение мероприятий для безопасного труда, составление полного
комплекта документации на систему (в том числе и опись запасных частей, план профилактических работ и др.).
2.2. Интеграция операций
при роботизированной сварке
Одним из путей повышения эффективности роботизации сварочного производства является интеграция сварочных и сопутствующих операций.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При «жесткой» автоматизации сварки технологический процесс обычно разделяют на простые элементы, выполняемые на отдельных технологических позициях. Степень дифференциации
процесса на автоматических и поточных линиях во многом определяется скоростью выполнения технологических операций и требуемым тактом линии. Дифференциация позволяет использовать
наиболее простое и надежное оборудование, которое могут обслуживать операторы невысокой квалификации. Однако это не является оптимальным решением в отношении затрат времени на
транспортировку изделия от позиции к позиции, установку и закрепление изделия. Кроме того, автоматические линии, построенные по принципу дифференциации операций и без накопителей
между позициями или группами позиций (рис. 2.1, а), простаивают
целиком при отказе хотя бы на одной позиции. Наличие накопителей (рис. 2.1, б) позволяет продолжать работу отдельных позиций
или участков линии в течение времени, определяемого объемом
накопителя и операционным временем.
Рис. 2.1. Схемы роботизированных сварочных участков:
а — последовательного действия
с дифференциацией операций без
накопителей; б — то же, с накопителями между группами позиций;
в — параллельного действия с
полной интеграцией операций;
г — параллельно-последовательного действия с частичной интеграцией операций; прямоугольниками обозначены роботизированные позиции, 1 – 5 — порядковые
номера операций
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следует иметь в виду, что применение роботов на линиях с малым тактом приводит к тому, что широкие манипуляционные возможности и объем памяти роботов используются не полностью,
так как за короткое время на одной позиции может быть сварен
шов малой длины.
С помощью сварочных роботов можно организовать роботизированное производство сварных конструкций с высоким уровнем
интеграции операций, т. е. объединением многих сварочных (и не
только сварочных) операций на одном рабочем месте.
Целесообразно различать два основных способа интеграции
операций: последовательный (на одном рабочем месте последовательно выполняется ряд операций) и параллельный (различные
операции выполняются одновременно). Последний способ называют концентрацией операции. Возможно совместное использование обоих способов.
При указанных способах интеграции реализуется возможность
максимально полной обработки изделия с одного установа. Этот
принцип при последовательном способе интеграции находит широкое применение в обработке металлов резанием в виде так называемых обрабатывающих центров — многооперационных станков
с ЧПУ. Основное отличие робототехнического комплекса (РТК)
для сварки от обрабатывающего центра состоит в том, что на РТК
различные сварные швы на одной конструкции в большинстве
случаев могут быть выполнены с помощью одного сварочного инструмента, тогда как обрабатывающие центры используют для обработки различных поверхностей различные инструменты.
Уменьшение числа транспортировок изделия и полная сварка с
одного установа сокращает вспомогательное время на эти работы,
способствует уменьшению сварочных деформаций и повышению
точности изделий.
Поскольку интеграция операций увеличивает время нахождения изделия на одной позиции, для получения заданной производительности роботизированного производства параллельно используют несколько позиций (рис. 2.1, в). Это увеличивает
надежность функционирования производственной системы: при
отказе на одной из параллельно работающих позиций остальные
продолжают работать независимо от нее. При этом выдача готовых изделий не прекращается, но общая производительность робо89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тизированного производства несколько падает. Предельная интеграция сварочных операций, т. е. выполнение сварки изделия полностью на одном рабочем месте, является наиболее оптимальной.
В тех случаях, когда это невозможно, операции могут быть распределены между минимальным количеством последовательно
работающих групп роботов, внутри каждой из которых операции
выполняются параллельно (рис. 2.1, г).
Параллельная интеграция операций роботизированной сварки
реализуется при сварке одного изделия несколькими роботами или
несколькими руками одного робота, т. е. осуществляется роботизированная разновидность так называемой многоголовочной сварки. Однако, если считать, что каждый робот благодаря его манипуляционным возможностям и объему памяти последовательно
сваривает несколько швов, то, строго говоря, применение нескольких роботов для сварки одного изделия является примером последовательно-параллельного способа интеграции. Ранее всего это
было реализовано при контактной точечной сварке кузовов легковых автомобилей. В дальнейшем начали применять несколько сварочных роботов и при дуговой сварке одного изделия.
Распространение получили и двурукие сварочные роботы, например робот Limat 2000 австрийской фирмы IGM. Такой робот
удобен для сварки двух идентичных или некоторых «зеркальных»
швов; производительность сварки в этих случаях возрастает в два
раза. Однако связанность рук (две общие координаты) лишает подобный робот универсальности, свойственной комплексу с двумя
независимыми роботами. Для сварки изделий больших габаритов
удобен комплекс с двумя роботами, перемещаемыми с помощью
подвижной траверсы над изделием.
Как разновидность последовательно-параллельной интеграции
можно рассматривать также применение двух- и многопозиционных столов и барабанов с одной или несколькими сварочными позициями, с одним или несколькими роботами в каждой позиции.
Каждый экземпляр изделия последовательно проходит одноименные группы операций, а в обработке одновременно находится несколько изделий. Простейшим примером такой интеграции является РТК с двухпозиционным столом (рис. 2.2, а) или барабаном:
сварка на одной позиции происходит параллельно с разгрузочными, загрузочными и сборочными работами на другой. Если время
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сварки всех швов значительно больше времени загрузки, сборки и
выгрузки, а применять несколько роботов одновременно для сварки изделия невозможно или нецелесообразно, используют трех- и
многопозиционные столы (рис. 2.2, б).
Рис. 2.2. Схемы последовательно-параллельной интеграции операций
при роботизированной сварке:
а — с двухпозиционным столом; б — с трехпозиционным столом; в — с четырехпозиционным столом и роботизированной разгрузкой; г — с шестипозиционным столом, роботизированной разгрузкой-загрузкой и ручной загрузкой
мелких деталей; 1 — заготовка; 2 — сварочная позиция; 3 — сварочный робот; 4 — загрузочно-разгрузочная позиция; 5 — сваренные изделия; 6 — позиции роботизированной разгрузки; 7 — разгрузочный робот; 8 — позиция
загрузки; 9 — позиция роботизированной разгрузки и загрузки; 10 — позиция освобождения части прижимов и фиксаторов перед сваркой; 11 — робот,
выполняющий прихватки; 12 — позиция загрузки мелких деталей
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Масса готового (сваренного) изделия во многих случаях значительно больше массы любой из его составных частей, а ориентация изделия после окончания сварки вполне определенная. В этих
случаях целесообразно использовать для выгрузки изделия простейшие разгрузочные роботы и автооператоры. При этом рабочие
зоны разгрузки и загрузки должны быть разделены в пространстве
(рис. 2.2, в).
Если сварная конструкция состоит из тяжелой базовой детали
и многих мелких деталей, привариваемых к ней, рекомендуется
загрузку базовой детали и выгрузку изделия осуществлять загрузочно-разгрузочным роботом, а сборку мелких деталей с базовой
осуществлять вручную (рис. 2.2, г). Прихватка может быть также
роботизирована. При этом может потребоваться ручное удаление
части прижимных элементов после прихватки для обеспечения
возможности сварки роботами.
Одновременное использование нескольких роботов для
сварки одного изделия, а также применение РТК с многопозиционными столами и несколькими сварочными позициями (с
одним или несколькими сварочными роботами в каждой), рáвно
как и участков из нескольких РТК, последовательно сваривающих каждый экземпляр изделия без накопителей между отдельными РТК, возможно только при высоком уровне надежности
применяемых технических средств. В противном случае фактическая производительность комплекса с интеграцией операций
быстро падает.
На основании изложенного можно сказать, что увеличение
производительности РТК пропорционально числу одновременно
работающих роботов только в том случае, когда применяемые
технические средства абсолютно надежны, а время загрузкиразгрузки (смены позиций) равно нулю. С увеличением времени
простоев каждого робота эффективность РТК с несколькими роботами быстро уменьшается.
При окончательном выборе числа работающих одновременно
роботов следует учитывать заданный темп выпуска продукции,
стоимость оборудования, занимаемую площадь, удобство технического обслуживания РТК и другие факторы организационнотехнических условий данного производства.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.3. Пересечения рабочих зон роботов при одновременной сварке одного изделия двумя роботами
с системами координат переносных движений:
а — прямоугольной; б, в — угловой при боковом
и встречном расположении роботов соответственно
При использовании нескольких роботов для одновременной
сварки одного изделия рабочие зоны этих роботов могут пересекаться (рис. 2.3). Это накладывает дополнительные требования по
технике безопасности и блокировкам, которые должны исключить
возможность столкновения роботов. В математическом обеспечении современных систем управления роботов предусматривается
постоянный контроль положения рабочих органов соседних робо93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тов. В случае их опасного сближения в связи со сбоями или выходом из строя отдельных элементов, а также в результате ошибочных действий оператора отработка программы прекращается.
2.3. Комплексная роботизация
производства сварных конструкций
Гибкие производственные системы (ГПС), на которых выполняются сборочно-сварочные работы, помимо сварки должны в общем случае обеспечить автоматизацию (роботизацию) следующих
операций: сборки под сварку; загрузочно-разгрузочных работ, связанных с подачей заготовок в зону сборки или сварки и выводом
из этой зоны собранных или сваренных конструкций; складирования заготовок, подготовленных к сварке, и сваренных конструкций
до передачи их на следующие производственные участки; складирования и замены (переналадки) оснастки; межоперационной
транспортировки.
Как показывают данные машиностроительных производств,
сборка занимает до 35 % в общей трудоемкости изготовления
изделий.
Одной из разновидностей сборки является сборка под сварку,
при которой необходимо манипулировать деталями, имеющими
значительно меньшую точность изготовления и жесткость, худшую обработку (заусенцы, забоины, необработанные поверхности
и т. п.), менее компактную форму (полосовые и стержневые элементы) по сравнению с роботизированными сборочными операциями в других областях машиностроения и приборостроения.
Анализ основных приемов сборки под сварку показывает, что
их можно разделить на три группы (рис. 2.4): свободное позиционирование очередного собираемого элемента до упора в одном (а,
б) или последовательно в двух (в, г), в трех (д) направлениях; позиционирование с использованием (е, ж) и без использования (з, и,
к) направляющих поверхностей сопрягаемых деталей. Наиболее
распространены приемы, отнесенные к первой группе. Наиболее
сложны для роботизации сборки приемы третьей группы; по возможности их нужно избегать, изменяя конструкцию изделия либо
порядок сборки (например, перейти от одного приема (рис. 2.4, и)
к другому (рис. 2.4, г)).
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.4. Основные элементарные приемы сборки под сварку
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подача заготовок в рабочую зону технологической манипуляционной системы РТК и установка их в положение сварки непосредственно связаны со сборкой одних заготовок с другими либо
представляют собой технологическую сборку ранее собранной (на
прихватках или в приспособлении-спутнике) конструкции с ориентирующими элементами, установленными на манипуляторе изделия (столе). Вывод заготовок из рабочей зоны — более простая
операция, так как по своей сути она не является сборочной.
Полная автоматизация загрузочно-разгрузочных работ осуществляется автооператорами и ПР. Требуемые заготовки должны
подаваться в заданные места пространства в заданном положении
и в заданное время цикла. Обеспечение упорядоченности движения заготовок становится весьма эффективным, если оно охватывает не только одну операцию, а весь процесс изготовления изделия. Наиболее простым средством упорядоченности движения
заготовок служит ориентирующая тара (стеллажи, палеты и т. п.),
которую при поступлении в рабочее пространство РТК размещают
в заданном положении.
С упорядоченностью движения заготовок связано их временное
хранение, а также хранение собранных или сваренных конструкций
в ориентированном положении в зонах, прилегающих к роботамсборщикам и роботам-сварщикам. Такой вид хранения можно назвать оперативным. Примером технических средств оперативного
хранения заготовок, а также собранных или сваренных конструкций
являются магазины, которые расположены на рабочих местах и
имеют объемы, достаточные для работы в течение определенного
промежутка времени длительностью до одной-двух смен.
По конструкции магазины разделяют на активные, пассивные и
полуактивные. Первые имеют привод, перемещающий запас заготовок перед каждым циклом загрузки так, что очередная заготовка
выводится в точку, где ее берет робот. Пассивные магазины не
имеют приводов. Частично активные магазины имеют привод, подающий очередную часть запаса заготовок в плоскость или на линию, с которых робот берет их поочередно, перемещаясь в каждом
цикле на шаг к следующей заготовке. Такие магазины обычно
имеют наибольшую емкость.
По конструктивным связям со сварочным оборудованием различают магазины, которые встраиваются в станок и стоят отдель96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но. Также существуют стационарные, переносные и приводные
магазины.
Конструкцию магазинов следует выбирать или создавать в зависимости от типа применяемого загрузочно-разгрузочного робота
или автооператора. Суммарное число степеней подвижности магазина и загрузочно-разгрузочного устройства обычно определяется
емкостью магазина, а распределение подвижностей между ними
зависит от числа подвижностей магазина. Применение магазинов,
обеспечивающих вывод очередной заготовки в постоянную точку,
где ее берет робот, позволяет применять робот или автооператор с
простым двухпозиционным управлением, а смещение на шаг между изделиями в магазине иногда проще осуществить его приводом,
чем загрузочно-разгрузочным роботом, особенно при применении
круговых многопозиционных магазинов.
Магазины заготовок и изделий могут быть самыми разнообразными в зависимости от их формы. Тем не менее классификация
и группирование изделий сварочного производства позволяет наметить пути сокращения количества типов и разновидностей магазинов, а опыт роботизации различных технологических процессов
показывает возможность агрегатирования различных магазинов из
унифицированных узлов.
Для изделий сложной формы, автоматическая ориентация
которых при транспортировке и в позициях сварки затруднена,
применяют приспособления-спутники, которые имеют базовые
элементы, удобные для ориентации. Укладка изделий в ориентирующую тару или в приспособление-спутник выполняется с участием рабочего только в начале процесса изготовления.
Изделия простой формы и мелкие детали, главным образом тела вращения, могут автоматически ориентироваться в устройствах,
имеющих бункерную загрузку (навал).
Учитывая трудность автоматизации загрузочно-разгрузочных
работ с изделиями сложной формы и особенно сборочных работ,
выполняемых перед сваркой, можно предположить, что и в будущем большая доля этих работ при роботизации производства
сварных конструкций будет выполняться с участием человека. Для
механизации загрузочно-разгрузочных работ должны найти широкое применение сбалансированные манипуляторы, освобождающие рабочего от большей части физических усилий, требуемых
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для перемещения объекта. Сбалансированные манипуляторы
сравнительно дешевы и могут применяться практически для любой формы изделий с нестрого упорядоченной подачей их в зону,
из которой они захватываются с помощью манипулятора.
В отличие от оперативного хранения заготовок и сваренных
конструкций (у технологических рабочих мест), между различными фазами производства (например, между сваркой и механообработкой) может понадобиться длительное хранение.
Термин «длительное хранение» условен, так как время хранения между различными фазами производства может быть менее
одной смены, т. е. того же порядка, что и оперативное. Для такого
хранения в автоматизированных сварочных производствах могут
применяться механизированные и автоматизированные склады, в
которых заготовки и сваренные изделия должны храниться в унифицированной таре, на поддонах в сборочно-сварочных приспособлениях-спутниках.
В многономенклатурном роботизированном производстве
сварных конструкций целесообразен метод подачи на сборочные
рабочие места унифицированных контейнеров с уложенными в
них по ячейкам деталями, из которых собирается сварная конструкция. Сборка может осуществляться человеком, а при редкой
переналадке — роботом.
Смена оснастки является разновидностью сборочных операций
со всеми присущими ей сложностями и особенностями. Установка
приспособления отличается от сборки основной продукции большой массой объекта, необходимостью применения автоматических
разъемов в коммуникациях энергоносителей для приводов перемещаемых элементов приспособлений, прежде всего зажимных
устройств. Последнее особенно затрудняет автоматизацию установки и снятия приспособлений. Преимущество имеют приспособления без электрических, пневматических и особенно гидравлических приводов, т. е. с чисто механическими приводами,
приведение в действие которых может осуществляться не только
человеком, но и роботом.
Если сменных приспособлений немного, они могут быть установлены на поворотном столе или барабане, в челночном устройстве, в цепном магазине с выводом в рабочую позицию того приспособления, которое требуется для сварки конструкции данного
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
типоразмера. Другим вариантом является размещение в рабочей
зоне РТК нескольких различных приспособлений и, если необходимо, то на каждом отдельном манипуляторе изделия.
Межоперационный транспорт в роботизированном производстве может быть как традиционным, жестким, так и гибким, придающим наибольшую гибкость автоматизированному производству. Гибкий межоперационный транспорт отличается прежде всего
гибким адресованием транспортируемых объектов и может быть с
установленной и произвольной траекторией перемещения средств
транспорта.
Наиболее распространенным видом роботизированного сварочного производственного модуля в настоящее время является
производственная ячейка с двухпозиционным столом, однопредметная с обслуживанием человеком в каждом цикле, механизированная по загрузочно-разгрузочным операциям без сборки или со
сборкой на фиксаторах и зажимах. Такие модули применяют при
сварке конструкций небольшой массы.
В ряде случаев сборка выполняется на прихватках на отдельном рабочем месте. В подобных случаях при переходе на роботизированную сварку целесообразно рассмотреть возможность совмещения сборки на сварочных прихватках и загрузочноразгрузочных работ на одной позиции со сваркой на второй. При
таком решении сокращается количество транспортных и переустановочных работ, а функции сборщика и оператора совмещаются
при очевидной экономии затрат труда. Рабочее место при этом
должно быть оборудовано шланговым сварочным аппаратом.
При большой массе свариваемых элементов или свариваемой конструкции целесообразно применять сбалансированные манипуляторы
или другие средства механизации загрузочно-разгрузочных работ.
Перспективны квазибезлюдные производственные модули, позволяющие осуществить безлюдное производство в рамках одного
рабочего места за счет применения ориентирующих магазинов
большой емкости и загрузочно-разгрузочных роботов. Создание
таких модулей целесообразно для сварки компактных конструкций, собранных на прихватках. Создание квазибезлюдных модулей со сборкой под сварку, а также с прихваткой усложняет технологический модуль, однако является перспективным для
крупномасштабного производства мелких простых конструкций.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотренные модули в настоящее время используются преимущественно в виде автономных сварочных технологических
ячеек. Построения типовой роботизированной производственной
ячейки на основе робота ТУР-10 приведены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Типовая роботизированная ячейка на основе робота ТУР-10:
1 — манипулятор горелки; 2 — источник питания сварочной дуги; 3 —
сварочная аппаратура; 4 — сбалансированный манипулятор; 5 — манипулятор изделия; 6, 7 — шкаф электроприводов манипулятора горелки и манипуляторов изделия; 8 — баллоны с защитным газом; 9 — устройство
управления; 10 — инструментная тумбочка; 11 — проем; 12 — панель ограждения
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Производственные системы, состоящие из ряда (группы) производственных модулей для дуговой сварки, объединенных единой транспортно-складской системой и системой управления,
только начинают применяться в отличие от таких производственных систем для контактной точечной сварки.
Автоматизация сборки под сварку и установки свариваемых
деталей и подготовленных под сварку конструкций в положение
сварки во многих случаях представляет собой весьма сложную
задачу. Поэтому на ближайшие годы основной практической задачей комплексной роботизации производства сварных конструкций с применением дуговой сварки является создание гибких
частично автоматизированных сварочных производств. Это утверждение нисколько не уменьшает важности создания ГПС, работающих без участия человека или с его минимальным участием. Широкое внедрение таких ГПС для дуговой сварки требует
применения загрузочно-разгрузочных и сборочных роботов с
развитыми средствами адаптации, которые в настоящее время
разрабатываются или находятся в стадии подготовки к внедрению в производство.
Типовые гибкие сварочные производственные участки представляют собой ряд технологических сварочных модулей, объединенных механизированным или автоматизированным транспортом
и складом, в котором хранятся заготовки, сваренные изделия и
приспособления.
На рис. 2.6 показан пример построения такого участка с двумя
независимыми двухстеллажными автоматическими складами и
рельсовым транспортным манипулятором, обслуживающим технологические модули, расположенные по обе стороны от линии
движения транспортного манипулятора. Модульное построение
участков позволяет при необходимости наращивать число модулей
до 12 с одновременным расширением стеллажной части склада и
удлинением путей штабелера.
В составе ГПС для сварочного производства целесообразно
применять стеллажные склады, краны-штабелеры, транспортные
манипуляторы, перегружатели, передаточные тележки, роботы и
манипуляторы для загрузки и выгрузки заготовок, унифицированную тару и другие виды оборудования и оснастки, выпускаемые
для автоматизации машиностроительных производств.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.6. Типовой роботизированный участок с ячейками на основе
РТК «Дуга»:
1 — манипулятор горелки; 2 — стеллажный склад; 3 — сбалансированный манипулятор; 4 — манипулятор изделия; 5 — передающее устройство; 6 — трансманипулятор; 7 — ограждение трансманипулятора; 8 —
пульт управления ячейкой; 9 — тара с заготовками; 10 — тара для сваренных изделий; 11 — ограждение РТК «Дуга»; 12 — сварочный модуль;
13 — автоматический кран-штабелер; 14 — шкафы управления склада
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Важным аспектом работ в области создания ГПС для сварочного производства, особенно на первом этапе, является разработка
классификаций, формулировка определений и создание стандартов, которые должны предусматривать различные уровни гибкости
ГПС для сварки, обеспечивать возможность выбора или разработки оптимальных по уровню гибкости ГПС для конкретных производственных условий и стимулировать создание гибких производственных систем для сварки на основе не только планируемых к
разработке, но и существующих методов и технических средств
механизации, автоматизации и робототехники.
Основное свойство ГПС — автоматизация переналадки на другой типоразмер изделия. Целесообразно различать частичную и
полную автоматизацию переналадки подобно тому, как ГОСТ
23004–78 «Механизация и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении. Основные термины
и определения» предусматривает частичную и полную автоматизацию технологических процессов.
Полезность такого подхода применительно к ГПС для сварки
можно проиллюстрировать следующим примером. В зависимости
от характера сварных конструкций и конкретных производственных условий замена сборочно-сварочных приспособлений в ГПС
для сварки может быть лишь частично автоматизирована или даже
выполняться с непосредственным участием человека, тогда как
переход на другую программу перемещений сварочных инструментов и изменений параметров режима сварки может быть выполнен автоматически. Такую производственную систему относят
к категории гибких, так как имеет место частичная автоматизация
переналадки. Экономическая целесообразность и техническая
осуществимость такого решения не вызывают сомнений.
Таким образом, при создании автоматизированных и роботизированных сварочных производственных систем следует не противопоставлять друг другу различные по степени автоматизации и
уровню гибкости методы и технические средства, а рассматривать
их как единую систему методов и средств автоматизации и роботизации сварочных и сопутствующих операций.
ГПС для сварки позволяют в наибольшей степени использовать преимущества роботизации сварочного производства прежде
всего потому, что при этом в наиболее полной мере обеспечивает103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ся концентрированное и комплексное применение средств робототехники. Однако реализация этих преимуществ возможна только
при соблюдении следующих условий: высокой надежности применяемых технических средств, высоком техническом и организационном уровнях заготовительного и сварочного производства,
наличие обученного персонала и его материальной заинтересованности в эффективной эксплуатации ГПС, достаточном объеме сварочного производства, обеспечивающем загрузку ГПС не менее,
чем в две смены.
Вопросы автоматизированного проектирования сварочных
РТК разработаны в 1990-х годах (САПР РТК). Они подробно рассмотрены в специальной литературе. Наиболее известными системами автоматихированного проектирования, используемыми при
проектировании РТК, являются пакеты RobCAD фирмы
Technomatics Technologies, CimStation фирмы Silma и IGRIP фирмы Deneb Robotics. Пакет RobCAD может быть установлен на графических станциях HP, Silicon Graphics, Sun и позволяет осуществлять моделирование РТК дуговой и точечной контактной сварки,
лазерной резки, окраски и металлообработки.
В России работы по созданию САПР РТК начались в конце
1980-х годов. Фирма «Буран» для автомобильной промышленности предложила САПР РТК сварки «РОБОМАКС», а фирма «Авторобот» предложила пакет AutoRob. Эти системы были ориентированны на IBM PC-совместимые компьютеры и графическую
среду пакета AutoCAD фирмы Autodesk. При помощи этих пакетов
были решены задачи технологической подготовки роботизированного сварочного производства для новых моделей автомобилей
ВАЗ, ГАЗ, «Москвич».
Комплекс программных средств РОБОМАКС является инструментом для решения задач технологической подготовки сборочносварочного производства. Объектами РОБОМАКС являются РТК
дуговой и точечной контактной сварки, а также линии точечной
контактной сварки. Структура комплекса РОБОМАКС состоит из
комплекта каталогов, подкаталогов и файлов, управление которыми
осуществляется с помощью меню и реализуется программами монитора, что подробно изложено в рекомендуемой литературе.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Автоматизация сварочных процессов: Учеб. пособие / Под ред. В.К. Лебедева, В.П. Черныша. Киев: Вища шк., 1986. 394 с.
Воротников С.А. Информационные устройства робототехнических
систем: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 383 с.
ГОСТ 25686–85. Манипуляторы и промышленные роботы. Термины
и определения. М.: Изд-во стандартов, 1985. 80 с.
Кулагин А.П. Робототехника в сварочном производстве: Учеб. пособие / А.П. Кулагин, Ю.А. Лех. Ростов н/Д.: Ин-т сельхозмашиностроения,
1987. 88 с.
Львов Н.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных
процессов: Учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1982. 379 с.
Пашкевич А.Н. Автоматизированное проектирование роботов и робототехнических комплексов для сборочно-сварочных производств: Учеб.
пособие. Минск: Изд-во БГУИР, 1996. 101 с.
Робототехника и гибкие автоматизированные производства: Учеб.
пособие: В 9 кн. Кн. 4 / Под ред. Н.М. Макарова. М.: Высш. шк., 1986.
144 с.
Системы ориентации электрода по линии стыка: Учеб. пособие
/ Э.А. Гладков, О.Н. Киселев, Р.А. Перковский и др. М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2005. 131 с.
Техническое зрение роботов / Под ред. А. Пью; Пер. с англ. Д.Ф. Миронова. М.: Машиностроение, 1987. 320 с.
Тимченко В.Л., Сухомлин А.П. Роботизация сварочного производства.
Киев: Техника, 1988. 171 с.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ..........................................................................................3
1. Роботизация процесса сварки ..................................................................4
1.1. Особенности роботизированного процесса сварки...........................4
1.2. Состав робототехнического комплекса...........................................11
1.3. Манипуляционные системы робототехнхических комплексов ......14
1.4. Системы управления, методы обучения и программирования
сварочного робота............................................................................28
1.5. Сварочное оборудование робототехнхических комплексов...........44
1.6. Методы и технические средства адаптации сварочных роботов....66
2. Роботизация сварочного производства..................................................86
2.1. Области применения роботов в сварке ...........................................86
2.2. Интеграция операций при роботизированной сварке .....................87
2.3. Комплексная роботизация производства сварных конструкций ....94
Список рекомендуемой литературы ........................................................105
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Гладков Эдуард Александрович
Киселев Олег Николаевич
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
ДЛЯ ДУГОВОЙ И КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
Редактор С.А. Серебрякова
Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой
Подписано в печать 16.12.2008. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 6,22. Уч.-изд. л. 5,83.
Изд. № 6. Тираж 100 экз. Заказ
.
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5
107
Документ
Категория
Машиностроение
Просмотров
826
Размер файла
33 263 Кб
Теги
комплекс, дуговой, сварки, контактные, робототехнических
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа