Институт электросварки имени Е. О. Патона — один из крупнейших научно-технических комплексов в составе Академии наук Украины, признанный в мире научный центр в области сварки и специальной электрометаллургии. Фундаментальные и прикладные исследования, инженерные и конструкторские разработки, образцы новейшей аппаратуры и материалов разрабатываются здесь в интересах научно-технического прогресса ведущих отраслей производства.
Принципиально новые технологии неразъемного соединения сталей, сплавов и пластмасс предусматривают высокий уровень механизации и автоматизации производства. Одна из актуальных проблем, решаемых сегодня в киевском Институте электросварки,— замена ручной и частично механизированной сварки сваркой, полностью автоматизированной с использованием сварочных роботов.
В мире эксплуатируются тысячи промышленных роботов для автоматизации точечной сварки, а вот роботов, выполняющих дуговую электросварку, насчитывается намного меньше. Это может показаться странным: ведь дуговая сварка, как известно, один из ведущих технологических процессов, который играет первостепенную роль в машиностроении.
Создание роботов для дуговой сварки связано с преодолением серьезных трудностей. Если при контактной сварке надо обеспечить попадание электродов только в определенные точки — точки сварки, то при дуговой сварке необходима высокая точность перемещения электрода по всей траектории, которая к тому же может быть и весьма замысловатой.
Чтобы получить качественный шов, электрод не должен отклоняться от стыка более чем на 0,5 мм. Скорость перемещения электрода при сварке следует выдерживать постоянной: допустимо изменение ее не более чем на 5 процентов от заданной величины. К этому надо добавить, что и отклонения углов, под которыми ориентируется горелка, не может быть более 5°. И всем этим требованиям должна удовлетворять не исследовательская или экспериментальная установка, а серийный комплекс, который предназначен для трехсменной эксплуатации.
Трудности, о которых шла речь, усугубляются еще и тем, что свариваемые изделия, детали, заготовки, как правило, не слишком точны. Поэтому надо предусмотреть, чтобы робот в каждом отдельном случае мог приспосабливаться к конкретной геометрии свариваемых деталей, учитывать погрешности и точность их изготовления.
Вот как охарактеризовал проблему создания роботов-сварщиков академик Б. Е. Патон:
«Дуговой сварочный автомат будущего должен не только воспроизводить заранее заданный цикл сварки, но и корректировать его без участия человека в зависимости от местных размеров и формы разделки кромок, точности сборки заготовок и многих других факторов. Для этого нужны системы управления, которые обеспечивают приспособление, адаптацию автомата к условиям выполнения сварки. Создание таких систем — одна из актуальных задач, от решения которой зависит дальнейшее техническое совершенствование сварочного производства.
С проблемой автоматической адаптации тесно связано широкое применение в промышленности автоматических манипуляторов — роботов. В современном исполнении роботы могут найти лишь ограниченное применение для дуговой сварки точно изготавливаемых и точно устанавливаемых на рабочем месте деталей. Минимально необходимую для робота степень адаптации должна обеспечить система автоматического управления, собирающая и обрабатывающая информацию от комплекса измерительных устройств».
Вначале робот нужно запрограммировать, то есть научить его выполнять в определенной последовательности ряд технологических операций, которые и обеспечат сварку данного вида изделий. Для этого на манипулятор устанавливают образец изделия и, не включая сварочного оборудования, нажатием соответствующих клавиш на пульте управления заставляют манипулятор горелки провести ее по будущей траектории сварки. Координаты опорных точек этой траектории записываются в память ЭВМ верхнего уровня. Одновременно с того же пульта в ее память вводят значения технологических параметров режима сварки. Теперь робот обучен и может вести сварку сам — в автоматическом режиме.
Запрограммировать робот можно на сварку разных изделий. Вся эта информация будет храниться во внешней памяти на верхнем уровне системы управления, образуя библиотеку программ.
Одна из причин, ограничивающих сферу использования роботов для сварки, это, как правило, слишком большая величина допусков на изготовление, сборку и установку свариваемых изделий. Из-за этого жесткое воспроизведение траектории перемещения горелки и режима сварки может привести к образованию некачественного шва. Чтобы этого не произошло, робот должен в процессе сварки адаптироваться к реальной геометрии изделия. А это значит, что нужен датчик, который бы успевал заблаговременно передавать в систему управления информацию о пространственных отклонениях в форме и положении стыка. При этом датчик должен надежно работать в крайне тяжелых условиях: высокие температуры, сильные электрические и магнитные поля, мощное световое излучение, загрязненная атмосфера. Пока таких датчиков нет, и поэтому невозможно решить проблему адаптации сварочных роботов в полном объеме.
Однако в некоторых случаях наделить робот адаптивными свойствами удается и без использования таких датчиков.
Это относится, в частности, к сварке конструкций, изделий, у которых швы относительно небольшой протяженности, а потому можно считать, что, переходя от одного экземпляра такого изделия к другому и в процессе сварки, каждый из сварных узлов сохраняет свою форму, но положение его в пространстве относительно робота зависит от неточностей сборки и установки изделия перед сваркой. Примером могут быть рамные конструкции. Для них удается относительно несложно осуществить установочную адаптацию.
Перед сваркой очередного узла в соответствии с заложенной программой манипулятор горелки автоматически «ощупывает» три взаимопересекающиеся плоскости изделия. На основании полученной информации о положении этих плоскостей ЭВМ верхнего уровня вносит поправки в координаты траектории сварки.
В заключение следует отметить, что для уменьшения времени простоев оборудования комплекса, а следовательно, повышения его производительности целесообразно иметь в его составе не один, а два манипулятора изделия: в то время как на одном из них будет идти сварка, на другом можно вести предварительную сборку следующего изделия.
