В последние десятилетия наблюдается значительный рост интереса к автоматизации технологических процессов в различных отраслях производственной деятельности. Одним из наиболее актуальных направлений является роботизация сварки, которая предоставляет возможность интеграции робототехнических систем в сварочные операции с целью повышения эффективности производства, улучшения качества сварных соединений и снижения трудозатрат. Применение сварочных роботов основано на современных технологиях, преимущественно на программируемых манипуляторах (собственно роботах), а также системах компьютерного зрения и продвинутых алгоритмах управления. Они обеспечивают высокую точность и стабильность сварочных процессов и открывают новые горизонты для применения автоматизированных решений в сварочной отрасли.

Актуальность роботизации сварки обусловлена множеством факторов.
• Во-первых, сварка является неотъемлемой частью процессов изготовления изделий в таких отраслях, как автомобилестроение, судостроение и производство тяжелого оборудования. Высокие требования к качеству и прочности сварных соединений стимулируют внедрение автоматизированных систем, которые способны минимизировать человеческий фактор и обеспечить высокую степень повторяемости процесса.
• Во-вторых, все отрасли промышленности все чаще сталкиваются с дефицитом квалифицированных сварщиков, что, в свою очередь, создает потребность в автоматизации для поддержания производственных мощностей.
• В-третьих, роботизированные сварочные системы способствуют оптимизации рабочего пространства на производственных площадках, обеспечивая более эффективное использование ресурсов и снижая производственные затраты.

Основные преимущества использования сварочных роботов

С развитием технологий роботизации сварки на передний план выходит вопрос улучшения не только производительности, но и качества выполняемых работ. Роботизированные системы способны обеспечивать неизменное качество, что делает их незаменимыми в высокоточных отраслях.

Повышение точности и качества сварки

Сварочные роботы способны осуществлять сложные траектории сварки с высокой точностью, что, в свою очередь, позволяет минимизировать дефекты и несоответствия в процессе соединения материалов. Все параметры (скорость перемещения рабочего органа, угол его наклона и интенсивность подачи сварочного материала) выставляются человеком либо автоматически (с задействованием программируемых алгоритмов) исходя из предустановленных параметров сварки, что обеспечивает стопроцентное соблюдение заданных допусков.

Кроме того, использование систем компьютерного зрения и датчиков для контроля сварочного процесса позволяют мгновенно оценивать качество сварного шва. Например, лазерные сканеры и камеры могут отслеживать параметры сварки в реальном времени, выявляя отклонения от заданных параметров и автоматически корректируя процесс. Это обстоятельство особенно важно в отраслях, где качество сварных соединений критично, например, в аэрокосмической или атомной промышленности. Поэтому применение сварочных роботов позволяет существенно снизить процент брака и повысить общую надежность конечной продукции.

Экономия времени и снижение трудозатрат

Роботизация сварочных процессов позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на выполнение сварочных операций. Благодаря высокоскоростным манипуляторам, которые могут выполнять сварку в два-три раза быстрее, чем высококвалифицированный сварщик, автоматизированные системы фактически устраняют время простоя и позволяют реализовывать краткосрочные производственные планы гораздо эффективнее.

Кроме того, возможность программирования сварочных роботов под конкретную задачу делает возможным быструю перенастройку на разные типы задач и изделий. Это сокращает время, необходимое для перенастройки оборудования, что также способствует оптимизации производственного процесса. Как результат — снижение времени цикла сварки в сочетании с возможностью бесшовного перехода между различными задачами на одном производственном участке, что приводит к ощутимому сокращению трудозатрат.

Снижение производственных затрат на долгосрочной основе

Хотя первичные инвестиции в оборудование, обучение персонала и настройку роботизированной системы под конкретную задачу могут быть достаточно высокими, эффективность и надежность автоматизированных систем позволяют значительно сократить затраты, связанные с издержками на исправление дефектов.

Важным аспектом является также снижение расходуемых материалов. Роботы точно дозируют количество подаваемого сварочного материала, что минимизирует его перерасход, а интеграция технологий контроля качества позволяет максимально эффективно использовать ресурсы. Это, в свою очередь, снижает общие производственные затраты и увеличивает маржинальность бизнеса.

Кроме того, современные сварочные роботы отличаются высокой предсказуемой надежностью (рассчитывается при проектировании конкретной робототехнической системы) и долговечностью, что минимизирует затраты на техническое обслуживание и ремонт технологического оборудования. Применение таких систем позволяет оптимально выстраивать производственные процессы, экономя значительные суммы в долгосрочной перспективе.

Снижение риска для человеческого здоровья и безопасности

Автоматизация сварочных процессов в значительной мере снижает риски для здоровья и безопасности работников. Сварка — это процесс, в котором могут возникать потенциально опасные ситуации, поскольку присутствуют высокие температуры, электромагнитные поля и выделение вредных паров. Работа с сварочными роботами позволяет изолировать человека от опасных производственных факторов, сводя к нулю вероятность получения травм или негативного воздействия на здоровье. Человек в этом случае выполняет функции наблюдателя или контролера, что минимизирует его присутствие в потенциально опасной зоне. Это обеспечивает более безопасное рабочее окружение, что не только защищает здоровье работников, но и способствует снижению затрат на страхование и компенсации.

Далее рассмотрим ключевые аспекты автоматизации сварки, поговорим о технологиях, которые применяются в роботизированных системах, и расскажем о перспективах дальнейшего развития роботизированной сварки в производственной сфере.

Роботы-манипуляторы

При выполнении сварочных работ применяются роботы-манипуляторы, которые имеют единый принцип работы и, в зависимости от типа сварки, различаются по типу рабочего органа.

Роботы-манипуляторы представляют собой одну из наиболее распространенных категорий сварочных роботов и широко используются в различных областях производства, включая автомобильную, аэрокосмическую индустрию и металлургическую отрасль. Они характеризуются высокой универсальностью и способны выполнять 99% операций сварки. Такие роботы представляют собой механические устройства, которые могут передвигаться, как минимум, в трех плоскостях.

Кинематическая структура

Роботы-манипуляторы могут различаться по числу осей, что определяет их свободу перемещения и способность выполнять сложные траектории. В зависимости от прикладной задачи, могут использоваться как 6-осевые, так и 7-осевые манипуляторы. Система из шести осей позволяет выполнять операции с высокой степенью подвижности, включая вертикальное и горизонтальное перемещение, поворот и наклон рабочего инструмента. Семь осей увеличивают гибкость и делают возможным более сложное позиционирование (например, позволяют осуществлять сварку в труднодоступных местах).

Системы управления

Современные роботы-манипуляторы оснащены высокопроизводительными системами управления, основанными на различных архитектурах, включая ПЛК (программируемые логические контроллеры) и ПК-ориентированные решения. Разнообразие систем управления на базе этих архитектур позволяет интегрировать роботов в существующие производственные линии и системы управления, обеспечивая синхронизацию процессов и адаптивность к изменяющимся условиям работы.

Первичную настройку сварочного робота выполняет человек. С помощью специального пульта управления оператор настраивает требуемые параметры сварки (рабочий ток и напряжение, направление и конфигурация сварного шва) и контролирует весь процесс. Все пульты управления имеют дополнительные кнопки, позволяющие экстренно отключить питание робототехнического оборудования.

Применение и преимущества

Роботы-манипуляторы в сварке применяются для автоматизации процессов как в производственных, так и в малосерийных масштабах. Их использование обеспечивает высокую точность сварки, что критично для обеспечения прочности соединений и исключения дефектов. Благодаря программируемости и возможности выполнения сложных траекторий такие работы практически универсальны и могут выполнять сварочные работы с деталями любой конструктивной формы, что повышает гибкость производственного процесса.

Рабочий орган робота-манипулятора

Особенности рабочего органа робота включают в себя:

1. Для дуговой сварки:
○ Сварочная горелка,
○ Система подачи металлической проволоки,
○ Система подачи газа,
○ Датчики тока и напряжения для контроля сварочного процесса,

2. Для точечной сварки:

○ Электроды,
○ Система прижатия (механизм регулировки силы прижатия электродов),
○ Система импульсного управления силой тока и длительностью процесса,
○ Система охлаждения электрода,

3. Для лазерной сварки:

○ Лазерный источник (волоконный лазер, CO2 лазер),
○ Оптическая система:
i. Линзы для фокусировки лазерного луча,
ii. Зеркала для задания и корректировки направления лазерного луча,
○ Системы подачи защитного газа для предотвращения окислительных процессов,
○ Инфракрасные датчики для контроля результата.

Другие особенности роботов для сварочных работ

В процессе выполнения сварочных работ могут оставаться «‎отходы» — металлические брызги, которые «‎оседают» на рабочем органе и затвердевают, со временем ухудшая его работу. Поэтому роботы могут дополнительно оснащаться системой очистки рабочего органа, в состав которой входят:

1. Механизм для обрезки металлической проволоки, который позволяет дозировать количество сварочного материала;
2. Распылитель защитного состава, который препятствует адгезии (налипанию) металлических брызг;
3. Фреза для очистки рабочего органа от остатков сварочного материала.

Кроме того, в состав сварочной робототехнической системы входит калибровочный механизм для настройки положения рабочего органа. Также возможно оснащение робота дополнительными механизмами безопасности — ограждениями, системами контроля доступа для предотвращения контакта человека с робототехнической системой в процессе работы, а также датчики столкновений, которые при срабатывании отводят в сторону манипулятор.

Применение роботизированной сварки в различных отраслях

Технологии роботизации сварки применяются во всех отраслях, связанных с производством критически важных изделий и конструкций, а также везде, где требуется минимизировать влияние человеческого фактора:

1. Автомобильная промышленность,
2. Судостроение,
3. Строительство и металлоконструкции,
4. Аэрокосмическая промышленность.

Автомобильная промышленность

В автомобильной промышленности роботизированные сварочные системы для автоматизации процессов сварки кузовов. Например, на заводе Volkswagen в Памплоне применяются роботы KUKA для лазерной и точечной сварки кузовных панелей.

Судостроение

В судостроительной компании Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering (DSME) используются роботизированные сварочные установки, спроектированные и изготовленные специалистами самой компании, для автоматизации процессов сварки труб из углеродистой стали и стальных листов.

Строительство и металлоконструкции

В производстве стальных конструкций для крупных инфраструктурных объектов, таких как мосты и высотные здания, применяется роботизированная сварка с использованием робототехнических систем производства компании ABB. В частности такие роботы используются для выполнения продольной и поперечной сварки.

Аэрокосмическая промышленность

В компании Boeing используются роботизированные системы сварки для соединения алюминиевых и композитных компонентов. В частности, роботы FANUC применяются для выполнения точечной сварки и сварки в мостовом шве, что минимизирует вероятность появления дефектов в критически важных соединениях и повышает общую прочность конструкции.

Как выбрать роботизированную систему для сварки

При выборе робототехнической системы для выполнения сварки необходимо учитывать:

1. Тип сварки. Определите, какой процесс сварки вам нужен (аргонодуговая, MIG/MAG, ТIG и т.д.). Разные технологии требуют разных типов роботов и оборудования;
2. Габариты и вес деталей. Оцените вес и габаритные размеры деталей. Это поможет выбрать робота с необходимыми рабочими диапазонами и грузоподъемностью;
3. Характеристики электрической сети предприятия. В сети должно присутствовать достаточное количество стабилизаторов, поскольку некоторые сварочные процессы требуют значительных пиковых нагрузок, которые могут превышать обычные лимиты электросети. Также важно учитывать напряжение и частоту сети, чтобы избежать проблем с «‎совместимостью» оборудования;
4. Условия эксплуатации. Важно учитывать уровень загрязненности, температуру, влажность и другие факторы, которые могут повлиять на работу системы. Например, если оборудование будет находиться в агрессивной среде или в условиях повышенной запыленности, потребуется защита от воздействия внешних факторов;
5. Тип привода. Выбирается в зависимости от задач и характеристик «‎рабочего места». Там, где важна скорость, используют роботов на электромеханическом приводе, однако они требуют внедрения дополнительных компонентов (например, безлюфтовых редукторов). Самую высокую точность обеспечивает гидравлика. Пневматические же имеют самую простую конструкцию, но требуют специальных подпорок для механической «‎руки».

Советы по интеграции роботов в производственные линии

Определите цели и задачи внедрения

Какие проблемы вы хотите решить с помощью роботов (например, сокращение времени производства, снижение затрат на труд, улучшение качества продукции)? Какие измеримые показатели успеха вы установите (например, увеличение производительности на 20% в течение года)? Четкое понимание целей и задач позволит вам более эффективно планировать внедрение и оценивать его успешность.

Проанализируйте производственный процесс

Будут ли роботы работать рядом с людьми или выполнять автоматизированные процессы в отдалении от рабочего персонала? Где на производстве есть узкие места, где роботы потенциально могут увеличить эффективность?

Заранее обучите персонал

Организуйте тренинги и семинары по работе с промышленными роботами, разработайте четкую инструкцию или руководство по работе с робототехническим оборудованием, чтобы избежать ошибок и повысить безопасность работы.

Оцените перспективы

Проанализируйте потенциальную масштабируемость решений: смогут ли роботы справляться с увеличением объемов производства без значительных дополнительных инвестиций? Насколько легко можно будет адаптировать или заменить роботов по мере изменения рыночных условий или технологий, а также условий производства?

Услуги по настройке и техподдержке

При покупке оборудования для роботизации сварки в TIGERPROM вы получаете полный комплекс услуг по настройке, пусконаладке и обслуживанию роботов. Наши специалисты по автоматизации помогут в установке и конфигурации оборудования, обеспечат корректную интеграцию с существующими производственными линиями, настроят системы управления, запрограммируют функционал робота и выполнят оптимизацию его работы под конкретные производственные задачи.

Будущее роботизации сварки

Современные технологии сварки продолжают совершенствоваться с учетом новых требований промышленности, роста конкуренции и стремления к повышению качества и эффективности производственных процессов. Роботизация сварки — это одно из самых перспективных направлений, связанных с автоматизацией.

Новейшие разработки в области роботизированной сварки

Передовая разработка в области робототехнических решений сварных работ — внедрение алгоритмов искусственного интеллекта. Роботов на базе AI не нужно предварительно программировать под конкретную задачу, поскольку они способны адаптироваться к изменяющимся условиям и обучаться на основе получаемых данных. Кроме того, они оснащаются специальными 3D-сканерами, которыми сканируют детали, предназначенные для сварки, и на основе полученных данных о конфигурации деталей фактически программируют сами себя. Причем начало самого процесса сварки у таких роботов тоже автоматизировано — сразу после завершения создания программы сварки робот начинает работу.

Что касается работы уже имеющихся на рынке роботов, то здесь также есть новшества. Современные робототехнические системы оснащаются механизмами регулировки зазоров, а также предотвращения тряски, позволяют снизить шум в процессе работы и обеспечивают максимальную точность работ до 0,08мм.

Тренды и перспективы развития технологий

В России и в мире наблюдается постоянный стабильный рост числа промышленных роботов в области сварочных работ. Ежегодно растет число предприятий, которые применяют технологии робототехники в своей работе, каждый год на предприятия стабильно появляется 10-20 тысяч новых роботов. Главная перспектива развития роботов в сварке на данный момент связана с растущей популярностью искусственного интеллекта и машинного обучения — на данный момент в разработке находятся робототехнические решения, позволяющие анализировать детали и в автоматическом режиме выбирать тип и параметры сварки, а также выявлять дефекты сварного шва (как в реальном времени на самих деталях, так и по рентгеновским снимкам).