Проектирование компоновки роботизированной сварочной ячейки: рекомендации

Проектирование компоновки роботизированной сварочной ячейки: рекомендации Ошибки в компоновке роботизированной сварочной ячейки обходятся производителям зданий в десятки тысяч долларов из-за доработок, потери производственного времени и несчастных случаев, которых можно было избежать. Еще до раскроя металла или крепления робота к полу цеха несколько решений определяют, будет ли ячейка стабильно работать с коэффициентом загрузки 90 % или едва поддерживать 60 %. В этом руководстве рассмотрены ключевые аспекты — охват робота, сварочные приспособления, моделирование последовательности сварки, безопасность и капитальные затраты на готовые и заказные ячейки, — чтобы вы с самого начала всё спроектировали правильно.

Что входит в компоновку роботизированной сварочной ячейки?

Компоновка роботизированной сварочной ячейки — это расположение роботов, позиционеров, сварочных приспособлений, датчиков, защитных ограждений и путей перемещения материалов в пределах четко определенной площади пола. Ячейка должна стабильно выполнять сварку с заданным временем цикла и защищать людей от воздействия сварочной дуги, дыма и движущегося оборудования. Каждое решение о размещении компонентов влияет на производительность, технологические возможности и эксплуатационные расходы. Грамотное проектирование компоновки начинается с планирования рабочего процесса. Составьте подробную схему пути каждой детали: от поступления сырья через установку в приспособление, сварку и охлаждение до выгрузки готового изделия. Если операторам придется пересекать рабочую зону машины, чтобы загружать детали в роботизированную сварочную ячейку, это в итоге приведет либо к травме на производстве, либо к серьезному падению производительности. Размещайте компоненты с учетом рабочего процесса. В каждой системе роботизированной сварки манипулятор робота должен охватывать все сварные соединения без перемещения основания. Позиционер располагается в пределах этого радиуса действия, а сварочные приспособления крепятся к позиционеру. Датчики, станции очистки сопла и устройства смены инструмента группируют со стороны, противоположной рабочей зоне оператора: так к ним удобно получить доступ для обслуживания, и при этом они не мешают движению материалов. Необходимая площадь определяется движением материалов. По возможности располагайте зоны загрузки и выгрузки рядом: оператор должен убирать готовую сборку и брать новую заготовку, делая всего один-два шага. Зоны безопасности образуют периметр роботизированной сварочной ячейки. Световые завесы, физические ограждения, блокировки и аварийные остановы определяют, где людям разрешено находиться во время работы робота. Эти зоны должны соответствовать ANSI/RIA R15.06-2012 — стандарту интеграции промышленных роботизированных систем в США (Стандарты OSHA для робототехники). Опыт реализации более 1000 проектов по автоматизации сварки показывает: решения по компоновке, принятые на начальном этапе проектирования, определяют почти 80 % долгосрочной производительности ячейки. Перемещение позиционера после заливки бетонного пола и прокладки кабельных каналов обойдется в 10X дороже, чем внесение изменений на чертеже.

Основные компоненты каждой сварочной ячейки

Эффективность роботизированной сварочной ячейки определяется ее самым слабым звеном. Каждое устройство для перемещения материалов нужно правильно подобрать по размеру и интегрировать с учетом совместной работы всех компонентов ячейки. Вот как выбрать элементы производственной ячейки с сварочным роботом. Промышленный робот — центральный элемент ячейки, но именно позиционер зачастую определяет, удастся ли обеспечить заданное время цикла. Сервоприводный позиционер позволяет роботу выполнять сварку каждого соединения по запрограммированной траектории в нижнем положении — это самая быстрая ориентация, обеспечивающая наилучшее качество. Для этого поворачивается свариваемое изделие, а сварочным манипуляторам не приходится работать в опасных верхних и вертикальных положениях. Сварочные приспособления требуют большего внимания при проектировании, чем обычно уделяют им на производстве. Для роботизированной сварки нужны более жесткие допуски, чем для ручной сварки. Робот следует заданной траектории и не может корректировать движения на ходу, как опытный сварщик. Согласно опубликованным требованиям Lincoln Electric, точность сварочного приспособления должна составлять не более 0.022″ при использовании проволоки диаметром 0.045″ — примерно половину диаметра проволоки.

Всегда подбирайте позиционер с учетом массы самой тяжелой детали и сварочного приспособления: недостаточная грузоподъемность — самая распространенная и дорогостоящая ошибка при планировании сварочной ячейки.

Если вы выбираете первую ячейку для роботизированной сварки, однопостовой роботизированный сварочный пост со встроенным позиционером и защитным ограждением подойдет для большинства стандартных задач и избавит от сложностей компоновки нескольких роботов.

Как радиус действия робота и размеры детали влияют на компоновку

Промышленные роботы с 6 осями, предназначенные для сварки, имеют радиус действия от 650mm у компактных настольных моделей до более 3 000mm при работе с крупными металлоконструкциями (руководство Standard Bots). Размер свариваемой детали определяет выбор робота, а его габариты, в свою очередь, влияют на все остальные размеры ячейки. При выборе робота придерживайтесь одного правила: ориентируйтесь на самую крупную деталь. Устанавливать маленький робот для работы с крупной деталью неразумно: он сможет достать лишь до части сварных соединений, если не перемещать основание. Такое перемещение увеличивает время цикла, требует напольных анкеров и усложняет программирование. Устанавливать крупный робот для небольших деталей тоже неразумно: высокая инерция может ухудшить качество сварки тонколистового материала, поскольку на высоких скоростях робот перелетает заданную точку. Проектируйте ячейку для самой тяжелой детали. Bernard и Tregaskiss рекомендуют подбирать всю ячейку — грузоподъемность позиционера, усилие зажима приспособления и грузоподъемность робота — с учетом самых крупных и тяжелых свариваемых изделий. Небольшую деталь гораздо проще сваривать в увеличенном приспособлении, чем пытаться разместить тяжелую в малогабаритной ячейке. Если при проектировании учесть самую крупную деталь, вы избежите дорогостоящей модернизации при переходе на более тяжелые сборки. В некоторых сочетаниях габариты и грузоподъемность не менее важны, чем радиус действия. Манипулятор робота с радиусом действия всего 2 000 mm и грузоподъемностью 6 kg не сможет нести тяжелую горелку MIG вместе с подающим устройством для проволоки. В грузоподъемность робота входят масса горелки, кабельный пакет и всё оборудование на фланце. Превышение допустимой нагрузки всего на сто или триста граммов грозит ошибками сервопривода, отклонением от траектории и преждевременным износом шарниров, из-за которого снижается стабильность сварки на протяжении всего производственного цикла.

Сварка на границе радиуса действия приводит к нестабильным углам наклона горелки, ухудшению качества сварки и ускоренному износу кабелей. Всегда размещайте критически важные сварные соединения в пределах 85 % максимального радиуса действия робота.

При планировании компоновки начертите на плане пола окружность, соответствующую 85 % радиуса действия. Все сварные соединения на всех деталях в производственной номенклатуре должны находиться внутри этой окружности. Если соединение оказывается за ее пределами, выберите робот большего размера или добавьте позиционер, чтобы приблизить свариваемое изделие.

Сокращение времени цикла за счет последовательности сварки и компоновки

Компоновка ячейки и последовательность сварки неразделимы. Порядок сварки каждого соединения влияет на баланс тепловложения, управление деформацией и общее время цикла, а физическая компоновка ячейки может как облегчать, так и затруднять соблюдение этой последовательности. Эффективность такого подхода подтверждают данные. В исследовании, опубликованном на ResearchGate, описано сокращение времени цикла на 12,7 % за счет простой перестановки последовательности сварки в автомобильной роботизированной сварочной ячейке: два роботизированных сварных соединения позволили убрать 68 секунд из 532-секундного цикла и сократить его до 464 секунд. В другом примере из книги TOA-SE переход от компоновки ячейки с двумя роботами к многопостовой линии с шестью роботами сократил время цикла на 45 % и одновременно увеличил производительность: Сервоприводные позиционеры регулируют последовательность сварки, поворачивая свариваемое изделие с заданным шагом, пока робот выполняет основную часть сварочных операций. Тепловложение распределяется эффективнее, деформация сводится к минимуму, а каждое соединение располагается горизонтально, что позволяет быстро наплавлять металл и снижает количество дефектов. Сварка идет быстрее, когда сила тяжести помогает переносу металла, а не мешает ему. Один роботизированный сварочный пост с двухпозиционным позиционером позволяет небольшим производствам работать в таком параллельном режиме без конвейера; посты разделены защитным экраном: Главное: высокое качество сварки и короткое время цикла не противоречат друг другу. Компоновка, спроектированная с учетом последовательности сварки, обеспечивает и то и другое, а производительность растет с каждой отработанной сменой:

Моделирование и офлайн-программирование до начала сборки

Программное обеспечение для офлайн-программирования позволяет инженерам программировать робота на виртуальной модели ячейки до установки физического оборудования. По данным Visual Components, офлайн-программирование может быть до 10x быстрее программирования с помощью пульта обучения: в одном задокументированном случае использование программного обеспечения для офлайн-программирования сократило время программирования с 13 часов до менее чем 3 часов. Однако при моделировании главное не скорость, а расчёт столкновений. Моделирование позволяет обнаружить столкновение сварочной горелки с зажимами сварочного приспособления и даже со сварочным позиционером до возникновения физического столкновения. Программное обеспечение для моделирования может подтвердить, что робот способен выполнить все сварные соединения в заданной последовательности, прежде чем ему передадут реальную деталь. Кроме того, программа может проверить, что повороты позиционера не подводят детали слишком близко к основанию робота и не создают чрезмерный риск для кабелей из-за ограничений на их изгиб. Проверка досягаемости на раннем этапе проектирования позволяет избежать самых дорогостоящих ошибок при компоновке. Если моделирование показывает, что робот не может достать до сварного соединения при заданном угле позиционера, компоновку ячейки можно перепрограммировать на компьютере — например, переместить основание робота на 200mm, изменить высоту позиционера или повернуть приспособление. Все эти изменения ничего не стоят при моделировании, но каждое из них может обойтись в тысячи при работе с оборудованием. Прежде чем закупать оборудование, найдите время смоделировать компоновку роботизированной сварочной ячейки с помощью офлайн-программирования. Параллельно с проверкой досягаемости проводят проверку столкновений со сварочным приспособлением. При моделировании импортируют CAD-модель приспособления и проверяют, не блокируют ли точки зажима доступ к какому-либо сварному соединению. Если блокируют, конструкцию приспособления пересматривают до его изготовления. Эта простая проверка позволяет устранить, на наш взгляд, наиболее распространённую причину задержек при установке новых ячеек: приспособления кажутся подходящими на чертежах 2D, но создают всевозможные проблемы в 3D.

Смоделируйте компоновку сварочной ячейки до раскроя металла. Вложение $5 000 в моделирование может предотвратить расходы $50 000 на доработку.

Когда проект ячейки запрограммирован и проверен с помощью моделирования, физическая сборка сводится к монтажу. Системы управления роботом поставляются с готовыми программами, приспособления — откалиброванными и готовыми к установке, а пусконаладочные работы занимают не недели, а дни.

Готовые и заказные роботизированные сварочные ячейки

При создании роботизированной сварочной ячейки заказчику нужно выбрать один из двух вариантов: купить стандартный комплект или заказать разработку индивидуальной системы. Оба варианта отвечают реальным потребностям производства, но каждый может привести к лишним расходам, если выбрать его неправильно. Ячейки для сварки коллаборативными роботами стали отраслевым решением этой задачи. Для начального уровня инвестиций в размере $25 000-$50 000 достаточно, чтобы приобрести такую ячейку — альтернативу промышленной роботизированной ячейке с ограждениями и ограничениями по площади пола. Коллаборативные роботы компактнее и медленнее промышленных, но позволяют автоматизировать сварку с возможностью перенастройки под другие задачи; после настройки исходного процесса для этого требуется минимум перепрограммирования. Если стандартные размеры позиционера соответствуют габаритам типовых деталей, а в заказе менее пяти семейств деталей, готовая ячейка обычно выгоднее с точки зрения ROI. Система промышленной автоматизации поступает на вашу погрузочную площадку протестированной и откалиброванной, готовой к выпуску деталей через несколько дней. Если же изделия крупнее и разнообразнее, а требования к сварке и перемещению материалов специфичны, стоит вложиться в заказную роботизированную ячейку. Сравнение затрат подтверждает эти варианты: по надежным данным отраслевых партнеров, окупаемость большинства систем роботизированной сварки составляет 1-3 года, а при больших объемах производства экономия на материалах может достигать 50 %. На общую окупаемость сильнее влияет загрузка оборудования, чем капитальные затраты. Заказная ячейка стоимостью $150 000, работающая в две смены, окупится быстрее готовой ячейки за $75 000, которая работает одну смену с загрузкой 60 %. Компоновка сварочной ячейки позволяет учесть будущее расширение, если при планировании оставить свободное место хотя бы с одной стороны под второго робота или дополнительный пост с позиционером. Если сегодня предусмотреть запас мощности в кабельных каналах для газа, электропитания и данных, в будущем можно перейти к высокопроизводительной сварке без полной разборки и перестройки предприятия. Если вы собираетесь запустить первый проект роботизированной сварки, рассмотрите готовые сварочные ячейки для производственных задач — они подходят для наиболее распространенных операций с металлоконструкциями, листовым металлом и другими изделиями и поставляются с проверенной компоновкой. Выбор ячейки с проверенными роботами и комплектом расходных материалов позволит сэкономить месяцы на начальном проектировании.

Зоны безопасности и соответствие требованиям при проектировании сварочной ячейки

В США соответствие промышленного робота требованиям безопасности определяется стандартом ANSI/RIA R15.06-2012. Он охватывает как производство роботизированных систем, так и их внедрение; именно к нему обращается OSHA при проверках роботизированных установок. У OSHA нет отдельного регламента для роботизированного оборудования, однако инспекторы и работодатели руководствуются ANSI/RIA R15.06 и общими требованиями к обеспечению безопасности труда при оценке компоновки роботизированной сварочной ячейки (ANSI Webstore). До заказа любого защитного оборудования для роботизированной сварочной ячейки необходимо провести и задокументировать оценку рисков. Она должна выявлять опасности — воздействие сварочной дуги, вредные пары, точки защемления, разлетающиеся брызги и движения робота — и определять меры по их устранению. Если оценку рисков не провести, стремление выполнить проект в срок может привести к упущениям при проектировании, которые поставят под угрозу безопасность готовой установки. Часть 2 стандарта ANSI/RIA R15.06 требует проводить такую оценку при каждой новой или измененной установке робота — вне зависимости от типа роботизированного применения или объема производства. Перед утверждением компоновки ячейки вместе с нами проверьте соблюдение следующих требований безопасности:

• ✔ Провести оценку рисков согласно части 2 стандарта ANSI/RIA R15.06, задокументировать ее и получить подпись квалифицированного интегратора
• ✔ Установить физические средства защиты: ограждение по периметру, световые завесы в проемах для загрузки и выгрузки, блокировки дверей с отключением питания
• ✔ Разместить аварийные остановы в пределах досягаемости оператора на всех постах и во всех точках доступа для обслуживания
• ✔ Организовать удаление сварочного дыма согласно требованиям AWS Z49.1: установить местную вытяжку у дуги, а не полагаться только на общую вентиляцию цеха
• ✔ Предусмотреть средства индивидуальной защиты: маски сварщика с автоматическим затемнением для находящихся поблизости работников и защитные экраны от сварочной дуги для соседних постов
• ✔ Защитить от брызг датчики, кабели и открытые шарниры робота: скопление брызг вызывает отклонение показаний датчиков и ускоренный износ кабелей
• ✔ Регулярно проверять контактные наконечники расходных материалов, развертки станции очистки сопла и газовые диффузоры
• ✔ Разместить инструкции по блокировке и маркировке источников энергии у каждых ворот доступа, через которые обслуживающий персонал входит в рабочую зону робота

При MIG-сварке и точечной сварке образуется больше всего брызг по сравнению с другими способами сварки; они оседают на всех поверхностях внутри ограждения. Необходимо защищать сварочные приспособления, линзы датчиков, кабельные жгуты и поверхность позиционера. Состав против брызг, нанесенный на поверхности приспособлений, и регулярная очистка сопла предотвращают постепенное образование отложений, которые ухудшают качество сварки после нескольких недель производства. Грамотное обеспечение безопасности — не статья расходов, а инвестиция в производительность. Роботизированная сварочная ячейка, в которой оператор чувствует себя спокойно и не испытывает лишних ограничений, позволяет отрабатывать больше часов за смену, чем компоновка, из-за которой работники опасаются зоны загрузки. Предотвращение происшествий и упорядоченное движение деталей и последовательность сварки сокращают простой и продлевают срок службы всей системы.

Часто задаваемые вопросы

Запросить консультацию по планировке заказной ячейки →