Сварочные роботы и позиционеры: полное руководство по интеграции

Сварочные позиционеры представляют собой механические устройства, которые вращают, наклоняют или перемещают заготовку, чтобы разместить каждое сварное соединение в оптимальном плоском или горизонтальном положении, в то время как типы сварочных роботов обратитесь к различным конфигурациям автоматизированных рычагов — шарнирным, SCАRА, декартовым, совместным и т. д. — которые выполняют саму сварку. При независимом использовании каждый из них улучшает качество сварки и эргономику оператора. При совместном использовании в интегрированной сварочной ячейке они полностью исключают сварку вне рабочего места, сокращают продолжительность цикла на 30–60 % и обеспечивают непрерывное, автоматическое производство в различных отраслях: от тяжелого производства до точной электроники.

Что такое сварочные позиционеры?

A сварочный позиционер представляет собой механизированную систему крепления, которая управляет ориентацией заготовки во время сварки таким образом, чтобы соединения всегда находились перед сварщиком или сварочным роботом в наиболее доступном и благоприятном для гравитации положении. Основная цель состоит в том, чтобы преобразовать верхние, вертикальные и горизонтальные сварные швы, которые выполняются медленнее, менее стабильны и требуют более высоких навыков сварщика, в плоские (1G) или горизонтальные угловые (2F) положения, которые позволяют получить сварные швы высочайшего качества при самых высоких скоростях перемещения.

Типы сварочных позиционеров

Сварочные позиционеры классифицируются по оси движения, грузоподъемности и применению. Шесть наиболее распространенных типов:

1. Позиционеры проигрывателей

Позиционеры поворотного стола вращают заготовку по одной горизонтальной оси, что делает их идеальными для кольцевых сварных швов на цилиндрических деталях, таких как фланцы, сосуды под давлением и трубные катушки. Грузоподъемность варьируется от От 50 кг до более 100 000 кг для тяжелых промышленных моделей. Скорость вращения обычно 0,1–5 об/мин , регулируется для точного соответствия скорости перемещения сварного шва.

2. Поворотно-наклонные позиционеры

Позиционеры с наклоном и поворотом обеспечивают две оси движения — ось наклона (обычно 0–135 °) и ось вращения, что позволяет перемещать сложные детали практически под любым углом без разжима. Они являются наиболее универсальным стандартным типом позиционеров и широко используются для взвешивания строительных конструкций, рам сельскохозяйственного оборудования и автомобильных компонентов. 100–10 000 кг .

3. Позиционеры передней и задней бабок

Позиционеры передней и задней бабки поддерживают длинные и тяжелые заготовки между двумя приводными концами — передней бабкой (приводной) и задней бабкой (опорной или приводной). Такая конфигурация необходима для сварки валов, осей, стрел и балок, длина деталей которых превышает 1–2 метра и должна постоянно вращаться. Грузоподъемность варьируется от от 500 кг до 50 000 кг с межцентровым расстоянием до 10 метров и более.

4. Позиционеры колеса обозрения (Н-образная рама)

Позиционеры колеса обозрения устанавливают два приспособления для заготовки на противоположных сторонах вращающейся рамы, что позволяет сваривать одну деталь, пока другая загружается или разгружается, что значительно сокращает время включения дуги для 85–95% против 40–60% при установке с одной станцией. Они широко используются в крупносерийных роботизированных сварочных камерах для деталей автомобильного шасси, ступиц колес и компонентов выхлопной системы.

5. Позиционеры цапфы

Позиционеры цапф вращают большие и громоздкие узлы, такие как стрелы строительной техники, рамы гондол ветряных турбин и секции корабля, вокруг горизонтальной оси с помощью двух цапф. Рассчитан на экстремальные нагрузки 10 000–500 000 кг В тяжелых производственных цехах они обычно монтируются на полу с доступом к мостовому крану.

6. Системы манипуляторов позиционера (колонна и стрела)

Манипуляторы со колонной и стрелой сочетают в себе сварочный позиционер с регулируемой стрелой, которая позиционирует сварочную горелку над большими неподвижными или медленно вращающимися заготовками. Стрела обеспечивает перемещение по осям X, Y и Z 1–10 метров на ось , что делает эту систему стандартным решением для продольных швов сосудов под давлением, изготовления крупных резервуаров и сварки морских конструкций.

Таблица 1. Сравнение типов сварочных позиционеров по осям перемещения, грузоподъемности и основному применению.

Какие существуют типы сварочных роботов?

типы сварочных роботов охватывают широкий спектр механических архитектур, каждая из которых спроектирована для различных сочетаний радиуса действия, полезной нагрузки, точности и гибкости. Выбор правильного типа робота так же важен, как и выбор процесса сварки: неправильная архитектура ограничивает доступ, снижает повторяемость или неоправданно увеличивает время цикла.

1. Шарнирно-сочлененные сварочные роботы (6-осевые).

Шарнирно-сочлененные роботы являются доминирующим типом автоматизации сварки, на их долю приходится более 70% всех установленных сварочных роботов глобально. Их шесть вращающихся шарниров повторяют полный диапазон движений человеческой руки, обеспечивая доступ к суставам сложной геометрии практически под любым углом. Грузоподъемность варьируется от от 3 кг до 20 кг для применения со сварочными горелками, с диапазоном охвата от 600 мм до 3100 мм . Позиционная повторяемость обычно ±0,02–0,08 мм .

2. Сварочные роботы СКАРА

Роботы SCARA (шарнирный робот-манипулятор с селективным соответствием требованиям) работают в горизонтальной плоскости с вертикальной осью Z, что делает их хорошо подходящими для точечной сварки плоских или слегка изогнутых узлов, таких как корпуса электроники, детали из тонкого листового металла и детали салона автомобиля. Их жесткая вертикальная ось обеспечивает превосходную повторяемость ±0,01–0,02 мм но ограничивает доступ к глубоко утопленным суставам по сравнению с 6-осевыми шарнирными роботами.

3. Декартовы (портальные) сварочные роботы

Декартовы сварочные роботы перемещаются по трем линейным осям (X, Y, Z), установленным на потолочной портальной конструкции, охватывая рабочие зоны от 1 м × 1 м до 20 м × 10 м или больше. Они превосходно справляются со сваркой больших плоских панелей, судостроительных секций и мостовой стали там, где ни один однорукий робот не имеет достаточной досягаемости. Их линейное движение делает программирование простым, а точность траектории чрезвычайно высокой — обычно ±0,1 мм на больших пролетах.

4. Коллаборативные сварочные роботы (коботы)

Коллаборативные сварочные роботы (коботы) предназначены для безопасной работы вместе с людьми-операторами без полной защиты и используют силомоментные датчики для обнаружения контакта и мгновенной остановки. Сварочные коботы обычно предлагают полезную нагрузку 5–16 кг и охват 850–1300 мм . Они идеально подходят для мелкосерийного и смешанного производства, где требуется частое перепрограммирование — время наладки новой детали можно сократить до менее 30 минут с использованием ручного обучения программированию.

5. Семиосные сварочные роботы

Семиосные роботы добавляют линейную направляющую или резервный шарнир руки к стандартной 6-осевой архитектуре, давая роботу дополнительную степень свободы, чтобы обходить препятствия, поддерживать угол резака в ограниченном пространстве и избегать сингулярных положений. Они все чаще используются в аэрокосмической сварке, сложных конструкциях и интегрированных ячейках позиционера, где оси робота и позиционера координируются одновременно. Гусеничные 7-осные системы могут преодолевать линейные расстояния до 50 метров .

6. Роботы для точечной сварки

Роботы для точечной сварки — это шарнирно-сочлененные роботы с большой полезной нагрузкой, специально сконфигурированные для установки пистолетов для контактной точечной сварки, которые обычно весят 40–150 кг . Они являются основой производства автомобильных кузовов в белом цвете, где для изготовления одного кузова автомобиля требуется 3000–5000 точечных сварных швов завершено менее чем за 60 секунд с использованием скоординированной группы из 10–20 роботов. Полезная нагрузка варьируется от от 100 кг до 500 кг для тяжелых орудийных конфигураций.

Таблица 2. Сравнение типов сварочных роботов по осям, полезной нагрузке, повторяемости и рекомендуемому процессу сварки.

Как сварочные позиционеры и сварочные роботы работают вместе

Интеграция сварочный позиционерs с сварочные роботы создает скоординированную многоосную сварочную ячейку, в которой оси позиционера рассматриваются как внешние оси робота — синхронизируются в реальном времени с контроллером робота, так что движение заготовки и движение горелки происходят одновременно. Это известно как скоординированное движение или координация внешней оси , и это дает несколько важных преимуществ:

• Постоянный угол горелки: robot and positioner move simultaneously to maintain the optimal torch-to-joint angle (typically 5–15° drag or push angle) throughout curved or complex welds — impossible with either machine acting alone.
• Сварка в плоском положении на всех соединениях: Наклоняя позиционер во время движения робота, каждое соединение оказывается в плоском положении 1G независимо от его местоположения на детали, что обеспечивает максимальную скорость подачи проволоки и скорость наплавки.
• Устранение ограничений по досягаемости робота: Колесо обозрения или позиционер передней и задней бабки расширяют эффективную рабочую зону неподвижного робота, вращая деталь, чтобы сделать удаленные соединения доступными для робота без перемещения робота.
• Параллельная загрузка и сварка: Позиционеры с H-образной рамой позволяют загружать одно приспособление, в то время как робот сваривает противоположное приспособление, обеспечивая более высокое время горения дуги. 90% — по сравнению с 50–65% при одностанционных планировках.

Сварочный позиционер и отсутствие позиционера: влияние на производительность

productivity and quality difference between welding with and without a positioner is substantial and measurable across every key performance indicator:

Таблица 3. Сравнение производительности сварки с интеграцией позиционера в роботизированную сварочную ячейку и без нее.

Применение в промышленности: где используются сварочные позиционеры и роботы

Различные комбинации типа позиционера и типа робота являются оптимальными для каждой отрасли в зависимости от геометрии детали, объема и требований к качеству:

Автомобильное производство

Производство автомобильных кузовов в белом цвете опирается на роботы для точечной сварки (6-осный, полезная нагрузка 100–500 кг) в сочетании с позиционеры колеса обозрения для достижения пропускной способности, необходимой для массового производства. Типичный кузовной цех развертывает 200–400 сварочных роботов через несколько скоординированных ячеек, производя новый кузов автомобиля каждые 60–90 секунд.

Нефть, газ и сосуды под давлением

Применение кольцевой сварки труб и сосудов позиционеры поворотной платформы или передней и задней бабки с шарнирно-сочлененные сварочные роботы MIG или TIG . Позиционер вращает трубу, в то время как робот удерживает фиксированное положение горелки — метод, который обеспечивает качество сварного шва, соответствующее требованиям норм ASME Раздел IX и API 1104, с постоянным проваром корня шва от Диаметр от 50 мм до 2000 мм .

Судостроение и морские сооружения

Сварка крупных панелей в судостроении Декартовы портальные сварочные роботы с submerged arc welding (SAW) torches for high-deposition flat seam welding of hull plates up to 20 метров в длину . В изогнутых секциях корпуса и Т-образных балках используются позиционеры цапфы вращать массивные конструкции (50–200 тонн), а шарнирно-сочлененные роботы MIG выполняют угловые и стыковые сварные швы.

Магазины вакансий и подрядчики

Контрактные производители с большим ассортиментом и небольшими объемами получают наибольшую выгоду от коллаборативные сварочные роботы (коботы) в сочетании с компактным поворотно-наклонные позиционеры . Сварочную ячейку кобота можно перепрограммировать на новую деталь менее чем за 30 минут, что делает ее экономически выгодной для небольших партий. 5–50 частей — намного ниже порога в 500 деталей, который обычно требуется для оправдания инвестиций в традиционные ячейки для роботизированной сварки.

Ключевые факторы при выборе сварочных позиционеров и типов роботов

Чтобы подобрать правильный позиционер и тип робота для вашего применения, необходимо оценить пять основных параметров:

• Вес и геометрия детали: Определите максимальный вес детали, включая приспособления — всегда добавляйте запас прочности 20–30 % к номинальной нагрузке позиционера. Для деталей длиннее, чем в 1,5 раза больше их ширины, передняя и задняя бабки превосходят конфигурации проигрывателей.
• Совместная доступность: Для деталей с внутренними сварными швами, узкими угловыми соединениями или сварными швами на противоположных поверхностях требуются 6- или 7-осевые шарнирно-сочлененные роботы. Простые плоские или кольцевые сварные швы можно обрабатывать с помощью SCARA или декартовой системы с меньшими затратами.
• Объем производства: Годовые объемы производства менее 10 000 деталей отдают предпочтение коботам с ручными быстросменными приспособлениями. Объемы производства более 50 000 деталей оправдывают использование специализированных ячеек позиционера колеса обозрения с жесткой оснасткой и полной интеграцией роботов.
• Процесс сварки: Для сварки TIG требуются роботы с повторяемостью ±0,05 мм или выше; Сварка MIG допускает ±0,1–0,2 мм. SAW требует декартовых портальных систем из-за веса и системы подачи блока флюс/проволока.
• Площадь помещения и высота потолка: Колесу обозрения и позиционерам цапфы требуется значительный зазор над головой — обычно 4–8 метров . Для колонно-стреловых систем необходимы потолки высотой 6–12 метров. Компактные ячейки кобот-позиционера могут работать всего за 4х4 метра площади пола.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между сварочным позиционером и сварочным приспособлением?

A сварочное приспособление представляет собой статическое зажимное устройство, удерживающее заготовку в фиксированном положении во время сварки. А сварочный позиционер представляет собой механизированную систему перемещения, которая активно перемещает и вращает заготовку во время или между сварками. В светильниках приоритет отдается точности размеров и повторяемости; позиционеры отдают приоритет совместной доступности и оптимизации положения. На практике приспособления почти всегда монтируются на позиционерах, чтобы получить преимущества и того, и другого.

Может ли сварочный кобот заменить традиционного шарнирно-сочлененного сварочного робота?

Да, для смешанных и небольших объемов работ — коботы могут быть более экономичными и гибкими. Однако коботы работают на более низких скоростях (обычно на 30–50 % медленнее чем промышленные роботы в режиме сварки из-за безопасных ограничений скорости в присутствии людей) и несут меньшую полезную нагрузку. Для крупносерийного специализированного производства традиционные 6-осевые шарнирно-сочлененные сварочные роботы остаются превосходными по производительности, рабочему циклу и долгосрочной стоимости сварного шва.

Сколько осей добавляет сварочный позиционер к роботизированной ячейке?

Стандартный поворотно-наклонный позиционер добавляет 2 внешние оси к контроллеру робота, в результате чего общее количество согласованных осей 6-осевой ячейки робота достигло 8. Передняя-задняя бабка с обоими приводными концами добавляет 2 оси; позиционер колеса обозрения (вращение приспособления рамы) добавляет 2–3 оси. Современные контроллеры роботов поддерживают до Всего 18–27 скоординированных осей , что позволяет создавать сложные ячейки с несколькими роботами и несколькими позиционерами.

Какие сварочные процессы совместимы с роботизированной сваркой?

Все основные процессы дуговой сварки используются со сварочными роботами. МИГ/МАГ (GMAW) является наиболее распространенной — примерно 65% всей роботизированной дуговой сварки. ТИГ (ГТАВ) используется для нержавеющей стали и титана, требующих высочайшего качества. Плазменная сварка обеспечивает прецизионную сварку тонких материалов. Лазерная сварка быстро растет в автомобильной промышленности и электронике. Погруженная дуга (SAW) используется исключительно на портальных декартовых роботах для плоской сварки высоким наплавлением.

Каков типичный период окупаемости инвестиций в роботизированную сварочную ячейку с позиционерами?

Для производства средних объемов (5 000–50 000 деталей в год) полноценная роботизированная сварочная ячейка с интеграцией позиционера обычно обеспечивает окупаемость инвестиций в 18–36 месяцев . Окупаемость инвестиций обусловлена ​​снижением затрат на рабочую силу (один оператор управляет 2–4 роботами по сравнению с 4–8 сварщиками), снижением затрат на доработку (процент дефектов снижается с 5–8% до менее 1,5%) и увеличением производительности (на 40–80% больше деталей за смену). Крупносерийные автомобильные приложения часто достигают окупаемости менее чем за 12 месяцев .

Требуют ли сварочные позиционеры специального программирования для работы с роботами?

Да. Для скоординированного движения позиционер должен быть сконфигурирован как внешняя ось сin the robot controller, with accurate kinematic calibration of the positioner's rotation center relative to the robot base frame. Most modern robot controllers include built-in external axis coordination software, and setup typically requires 4–16 часов калибровки и тестирования обученным интегратором. После настройки программа робота автоматически синхронизирует движение позиционера и резака — отдельного программирования позиционера не требуется.

Заключение

Сварочные позиционеры и различные типы сварочных роботов — это взаимодополняющие технологии, которые при правильном сочетании и интеграции обеспечивают производственные возможности, которых невозможно достичь в одиночку. Позиционеры гарантируют, что каждое соединение всегда находится в оптимальном положении сварки; Роботы обеспечивают стабильную и неутомимую работу со скоростью и уровнем качества, с которыми не может сравниться ни один ручной процесс. Независимо от того, оснащаете ли вы цех компактной ячейкой с коботом и наклонным позиционером или проектируете крупносерийную автомобильную линию точечной сварки с позиционерами колеса обозрения и 20 шарнирно-сочлененными роботами, ключ к успеху заключается в правильном подборе типа позиционера, архитектуры робота и процесса сварки с геометрией вашей конкретной детали, объемом производства и требованиями к качеству.