Spawanie robotem

Spawanie robotem

Proces spawania to jedna z najczęściej wykonywanych czynności w przemyśle. Wykorzystuje się ją w produkcji rozmaitych elementów, od małych części i detali, poprzez samochody, maszyny, ogrodzenia a skończywszy na wielkich konstrukcjach: halach, mostach, statkach itp.

spawanie robotem

Spawanie polega na łączeniu tworzyw konstrukcyjnych, zwykle metali, poprzez ich nagrzanie, miejscowe nadtopienie materiału rodzimego i stopienie podawanego spoiwa a następnie ich krystalizację, przez co powstaje spoina będąca częścią złącza spawanego.

Opracowano wiele metod spawania które stosuje się w zależności od: spawanych materiałów, rodzaju i koniecznej wytrzymałości spoiny, warunków pracy spawanego elementu, zastosowanych gazów osłonowych, kosztów wykonania spawu i wielu innych. Dokładne ich omówienie nie jest tu konieczne.

Należy jednak wspomnieć że spawanie to bardzo trudne zadanie. Zawód spawacza wymaga nie tylko odpowiedniej wiedzy i umiejętności, ale także talentu i wyczucia. Dlatego też dobrzy spawacze są bardzo cenieni, trudno ich znaleźć na rynku pracy, problemem wielu firm jest też ciągła rotacja pracowników.

Do tego nawet najlepszy fachowiec nie wykona dwóch identycznych spoin, możliwe są błędy i niedociągnięcia wynikające ze zmęczenia pracownika, trudnych warunków pracy, itp. Procesu spawania nie można zaliczyć także do zbyt przyjaznych zdrowiu. Wysoka temperatura i jasne światło mogą uszkodzić wzrok, a dodatkowo w czasie procesu wydzielane są szkodliwe związki, które w długim okresie czasu mogą nieść za sobą negatywne skutki zdrowotne.

Robotyzacja spawania

Wszelkie te niedogodności możemy jednak zredukować do minimum dzięki robotyzacji spawania i zastosowaniu robotów spawalniczych. Spawanie robotami to jedno z nowszych zastosowań w zakresie robotyki, które szerzej rozpoczęło się dopiero w latach 80-tych XX wieku. Dziś proces spawania to jeden z najczęściej automatyzowanych procesów produkcji stosowany w ponad dwudziestu procentach aplikacji robotów przemysłowych.

Zastosowanie robotów i automatów spawalniczych to najlepsze rozwiązanie przy spawaniu wielkoseryjnym i powtarzalnym. Do najważniejszych czynników charakteryzujących spawanie zrobotyzowane zalicza się wysoka wydajność produkcji. Spowodowane jest to wzrostem jakości spoin oraz zwiększeniem możliwości dostępu do stanowiska spawalniczego (podczas spawania jednego elementu, jednocześnie mocowany jest kolejny).

Roboty spawalnicze nie popełniają błędów natury ludzkiej, redukują ryzyko dokonywania poprawek i eliminują braki spowodowane zmęczeniem pracowników. Robot spawalniczy jest w stanie pracować całą dobę przy zachowaniu tej samej precyzji spoin. Ponadto robotyzacja spawania pozwala na większą kontrolę nad parametrami procesu spawania. Spawanie zrobotyzowane daje też oszczędności związane z mniejszym zużyciem materiałów spawalniczych. Wszystko to przekłada się na wzrost wydajności i konkurencyjności firmy dla użytkownika końcowego. Klient otrzymuje produkt w krótszym czasie i za mniejszy koszt.

Spawanie zrobotyzowane – metody spawania

Najczęściej stosowane jest wciąż podstawowe spawanie metodą MIG/MAG ale coraz częściej spotykamy spawanie w systemie TIG, CMT, lutospawanie, spawanie punktowe. Robotem wykonuje się również spawanie laserowe oraz plazmowe.

Nowoczesne źródła spawalnicze w połączeniu z możliwościami robota spawalniczego, pozwalają także na wdrożenie rozwiązania technologicznego i procesów spawania niedostępnych dla spawania manualnego. Spawanie robotem umożliwia wdrożenie wysokowydajnego spawania w technologii TWIN z dwoma palnikami, jednocześnie pracującymi w spoinie.

Roboty spawalnicze

Robotyzacja spawania opiera się na odpowiednio dobranym robocie spawalniczym i wysokiej klasy osprzęcie spawalniczym.

Robot spawalniczy to zaawansowany technologicznie sprzęt, który po uprzednim zaprogramowaniu trajektorii ruchu, może dynamicznie dostosowywać parametry procesu, w zależności od spawanego obiektu.

Stosowane są różne konfiguracje i projekty konstrukcji robotów spawalniczych w zależności od wymiarów i skomplikowania spawanego detalu. Najczęściej stosowany do typowych aplikacji spawalniczych jest robot przemysłowy przegubowy, rzadziej wykorzystuje się do spawania roboty kartezjańskie (bramowe) i inne ich typy.

Dzięki dużym możliwościom kinematycznym układu ramienia, oraz zastosowaniu osi pomocniczych takich jak np. obrotniki spawalnicze lub przejazdy liniowe robot przemysłowy przegubowy pozwala na wykonanie spawania detalu w jednym zamocowaniu, co często jest problemem dla spawacza, przez ograniczony dostęp i brak możliwości wizualnej kontroli spoiny. Robot spawalniczy wpływa na wysoką jakość spoiny i jej wytrzymałość, poprzez powtarzalność prowadzenia fajki spawalniczej i zapewnienie stabilnego ruchu w czasie spawania.

Roboty przemysłowe wykonujące spawanie rozwijają się wraz z rosnącymi wymaganiami produkcji. Stosuje się rozwiązania konstrukcyjne ramion z drążoną kiścią, które chronią osprzęt spawalniczy prowadzony wewnątrz korpusu. Nowe wykonania korpusów ramion dają możliwość montowania coraz bardziej rozbudowanych pakietów osprzętu spawalniczego. Nowoczesne rozwiązania napędów i przekładni zwiększają dynamikę ruchu poprawiając jednocześnie powtarzalność pozycjonowania.

Oprogramowanie pozwala na kontrolę i synchronizację większej liczby osi dodatkowych (obrotników spawalniczych, wózków liniowych) co pozwala na jeszcze lepszą wydajność i maksymalizację wykorzystania robota spawalniczego.

Roboty spawalnicze o sterowaniu adaptacyjnym

Robot może zostać wyposażony w systemy pomocnicze dodatkowo usprawniające całą operację. Jeśli nie można zapewnić powtarzalnego pozycjonowania detalu lub może on ulegać odkształceniom podczas spawania istnieje możliwość rozbudowy robota o funkcje takie jak wyszukiwanie lub śledzenie spoin.

Wyszukiwanie spoin jest przydatne przy elementach o skomplikowanej geometrii. Robot korzystając z odpowiednich czujników odnajduje docelowe miejsce położenia spoiny i na tej podstawie odpowiednio ustawia się względem detalu. Pozwala to na precyzyjne spawanie detali, które trudno umocować w sposób jednoznaczny.

Śledzenie spoin – robot spawający przy użyciu czujników będzie śledzić tworzone spoiny i rejestrować powstające w materiale odkształcenia. Dzięki temu oprogramowanie będzie samoczynnie dostosowywać pracę robota do zmian, jakie zachodzą w detalu.

Stosowanie takich systemów umożliwia uzyskanie najwyższej jakości spawania, także przy spawaniu elementów niepowtarzalnych i jednostkowych.

Robot spawalniczy współpracujący – cobot

W przyszłości znaczenia w przemyśle mogą nabrać roboty współpracujące tzw coboty. Wyposażone są one w systemy pozwalające ludziom i robotom bezpiecznie pracować na tym samym stanowisku. Obsługa takich robotów jest bardzo prosta. Robot spawalniczy może uczyć się dokładnego przebiegu spawania podczas tak zwanego etapu „szkolenia”podczas niego spawacz po prostu ręcznie prowadzi ramię cobota od początku do końcowego punktu spawanego elementu. Kiedy system nauczy się przebiegu spawania i parametrów dla danego komponentu, może potem odtworzyć spoinę z dużą dokładnością tyle razy, ile potrzeba.

Osprzęt spawalniczy stosowany z robotami

Osprzęt spawalniczy wykorzystywany przez roboty przemysłowe składa się z kilku podstawowych elementów:

Źródło prądu z interfejsem komunikacyjnym umożliwia ciągłą współpracę z kontrolerem robota oraz daje możliwość dokładnego sterowania parametrami procesu.

Palniki spawalnicze, dzięki odpowiednio dobranej geometrii pozwalają na spawanie nawet w trudno dostępnych miejscach.

Podajnik drutu zapewnia stabilne podawanie materiału spoiwa. System czyszczenia i obcinania drutu dba o dobry stan palnika, zapewnia stabilność osłony gazowej oraz odpowiednią pozycję końcówki drutu spawalniczego. Zespół czyszczenia palnika z odprysków usuwa tworzące się w miarę pracy narośla z odprysków. Stosuje się również inne systemy zapewniające wsparcie techniczne spawania.

Zrobotyzowane stanowisko spawalnicze

W spawaniu zrobotyzowanym wykorzystuje się różne rozwiązania stanowisk spawalniczych zbudowanych w oparciu o różne roboty spawające.

Cela spawalnicza

Uniwersalna cela spawalnicza wyposażona w obrotnik pozwala na elastyczność prowadzenia produkcji spawalniczej w większości firm i zakładów wykonujących usługi i produkcję spawalniczą. Odpowiednio dobrane dane techniczne i prawidłowo wdrożona cela spawalnicza może zapewnić wydajność spawania porównywalną z pracą 2-3 spawaczy.

Głównym elementem stanowiska jest pozycjoner spawalniczy działający w zakresie 3 osi, posiadający dwie strefy robocze, które obracając się pozwalają na zmiany strony. W jednej strefie robot zajmuje się spawaniem, w drugiej możliwe jest mocowanie kolejnego detalu. Zamiana strefy pozycjonera, realizowana jest zwykle za pomocą silnika, z taką samą dokładnością pozycjonowania. Sterowniki osi pozycjonera połączone są z kontrolerem robota i pozwalają na synchronizację obrotu i prowadzenia spawania.

Cela spawalnicza posiada wbudowany system bezpieczeństwa zabezpieczający strefę, w której dokonuje się przezbrojenia przyrządów spawalniczych, mimo że po drugiej stornie może odbywać się proces spawania robotem przemysłowym. Zaprojektowane odpowiednio spawalnicze zabudowy bezpieczeństwa chronią operatora przed błyskami ze źródła spawalniczego oraz zabezpieczają przed przedostawaniem się odprysków do strefy załadunku. Kurtyny optyczne oraz zamykane elektromagnetycznie drzwi serwisowe zabezpieczają obie strefy stanowiska.

Gdy mamy do czynienia z bardziej wymagającymi procesami spawania często stosuje się wielorobotowe zautomatyzowane stanowisko spawalnicze z magazynem części i dodatkowymi robotami (handlingowymi) przekładającym detal pomiędzy kolejnymi etapami procesu spawania.

Małe cele mogą być budowane jako jednostki mobilne, działamy wtedy w różnych miejscach w ramach hali produkcyjnej przesuwając celę w miarę potrzeby co jest wygodne dla klientów.

Stanowiska zrobotyzowane o wielu strefach roboczych

Kolejną odmianą są stanowiska z kilkoma strefami roboczymi. Wyposażone są najczęściej w jezdnię naziemną lub podwieszoną, służącą do przemieszczania robota między strefami. Rozwiązanie takie jest stosowane przy dużej różnorodności produkcji: min: spawaniu konstrukcji, kotłów, maszyn budowlanych.

Zrobotyzowane stanowisko do spawania podzespołów wielkogabarytowych

Stanowiska zrobotyzowane do spawania podzespołów wielkogabarytowych wyposażane są w urządzenia peryferyjne mające zwiększyć możliwy zasięg pracy robota. Należą do nich wysięgniki obrotowe oraz jezdnie naziemne lub podwieszone, często o długości przejazdu nawet do kilkudziesięciu metrów. W celu umożliwienia dostępu do wszystkich koniecznych miejsc wykonania spawów stosowane są dodatkowe jezdnie pionowe i poprzeczne. Stanowiska do spawania podzespołów gabarytowych wyposażone są w pozycjonery o udźwigach od kilkuset kilogramów do kilkudziesięciu ton.

Spawanie robotem – zalety

Największą zaletą jaką daje spawanie robotem jest wykonywanie powtarzalnych spoin o wysokiej jakości co umożliwia minimalizację koniecznych poprawek i przekłada się na oszczędności w zakresie kosztów i czasu produkcji.

Robotyzacja spawania zwiększa wydajność całego procesu ze względu na wzrost szybkości wykonywania spoiny i możliwość ciągłej pracy robota bez przerw na odpoczynek.

Spawanie zrobotyzowane jest bezpieczniejsze dla operatora. Pracownicy nie są bezpośrednio narażeni na szkodliwe warunki pracy.

Spawanie w oparciu o roboty przemysłowe wymaga mniejszej ilości wykwalifikowanych pracowników. którzy potrzebni są jedynie do programowania i ustalania parametrów spawania. Samej obsługi stanowisk mogą dokonywać pracownicy mający mniej doświadczenia. Eliminowane są kosztowne szkolenia dużej liczby pracowników.

Używanie nowoczesnych rozwiązań technologicznych podnosi prestiż firmy. Może być przydatne w marketingu i relacjach z klientami.

Spawanie robotem – wady

Duży koszt zakupu, konfiguracji, konserwacji i napraw zrobotyzowanych stanowisk spawalniczych może być problemem dla klientów.

Gdy operacja spawania wymaga modyfikacji, operator musi przerwać pracę i przeprogramować robota.

Czas potrzebny na skonfigurowanie i programowanie robota może być dłuższy niż spawanie ręczne w przypadku mniejszych serii i jednostkowych projektów.

Ze względu na ograniczenia przestrzenne spawanie zrobotyzowane jest trudne zastosowania w przypadkach takich jak zbiorniki ciśnieniowe, zbiorniki wewnętrzne i korpusy statków itp.