Программирование сварочных роботов: онлайн- и офлайн-методы

При выборе сварочного робота или сравнении вариантов производители обычно сначала оценивают радиус действия, грузоподъёмность и рабочий цикл. Эти характеристики важны. Но что поможет довести проект автоматизации от чертежа до цеха — или понять, почему он месяцами буксует? Способ программирования. От того, как вы программируете робота, зависит, сколько времени потребуется, чтобы запустить новую деталь, какие навыки понадобятся сотрудникам и сколько простоя должна выдерживать роботизированная сварочная ячейка при каждой переналадке. Робот, который безупречно справляется со сваркой, но требует шесть часов на перепрограммирование, станет обузой для цеха с гибким производством. А система, которая программирует себя за две минуты, полезна только в том случае, если команда доверяет результату. В этом обзоре мы разберём три основных метода программирования сварочных роботов, чтобы вы могли выбрать подходящий для своего сварочного цеха. Это руководство поможет оценить программирование роботизированной сварки и спроектировать систему автоматизации.

Почему способ программирования — главный фактор внедрения системы

По данным Международной федерации робототехники, в 2023 году в мире было установлено 541 302 робота; дуговая и роботизированная сварка по-прежнему остаются одними из самых распространённых областей применения. Темпы внедрения в разных цехах неодинаковы, и препятствием на удивление часто оказывается не стоимость, а сложности интеграции. Поставщики роботов и системные интеграторы уже предлагают инструменты для автоматизации программирования, однако выбранный подход должен соответствовать условиям конкретного цеха. Большинство неудачных проектов роботизированной сварки, с которыми мы сталкивались, были связаны не с технологией, а с тем, что метод программирования роботов не подходил производству. Цех, где ежемесячно обрабатывают 200 разных артикулов, не может позволить себе тратить четыре часа на обучение каждой новой траектории сварки. На линии, где один и тот же кронштейн выпускают 50 000 раз, не нужна система без обучения с машинным зрением: подойдёт обычная настройка с пульта. Выбор зависит от трёх факторов: разнообразия деталей (частоты запуска новых заказов), навыков сотрудников и допустимого простоя при настройке. Правильный выбор позволит встроить робота в производственный процесс, как надёжное стационарное оборудование. При несоответствии робот будет простаивать, пока ваш лучший сварщик программирует его вручную. За это время производительность может как вырасти, так и резко упасть.

Метод 1: программирование с пульта — принцип работы, плюсы и минусы

Программирование с пульта, также называемое обучением на роботе, появилось раньше других методов и до сих пор применяется чаще всего. Оператор управляет роботом с помощью переносного пульта обучения и вручную проводит его через каждую точку сварки. В каждой позиции он фиксирует координаты, углы сварочной горелки, вектор подхода и соотношение круговой интерполяции по осям (свободное вращение осей) и линейной интерполяции (прямолинейное перемещение). После сбора всех точек оператор задаёт точки начала и окончания дуги, устанавливает параметры сварки (скорость подачи проволоки, силу тока, напряжение и скорость перемещения) и выполняет пробный прогон, чтобы проверить результат. Перед началом оператор должен проверить положение и ориентацию TCP — Tool Center Point, то есть центральной точки инструмента, которая определяет точное положение сварочной горелки в роботизированной ячейке относительно запястья робота. Если фактическое положение TCP отличается на 1–2 мм, эта погрешность будет заложена в каждую запрограммированную позицию. После калибровки ячейки может потребоваться скорректировать одну или две позиции, если угол горелки изменился при замене канала подачи проволоки. Повторно калибровать TCP необходимо после каждой замены горелки или столкновения. В зависимости от способностей обученному оператору сварки требуется 40–80 часов практики, прежде чем он сможет самостоятельно обучить робота всему циклу сварки. Обучение включает ручное перемещение робота, работу с системами координат, последовательности включения дуги и взаимодействие с источником сварочного тока. Для цехов, где используют процессы дуговой сварки MIG или TIG и производят простые повторяющиеся детали, программирование с пульта остаётся проверенным решением.

Метод 2: офлайн-программирование (OLP) — построение траектории по CAD-модели

При OLP программирование переносится с цеха на компьютер. Программист загружает в ПО OLP исходный файл CAD-модели изделия, отмечает на модели места швов и задаёт параметры сварки, а затем запускает полную симуляцию: проверку столкновений, анализ досягаемости и расчёт времени цикла. Когда виртуальная программа готова, её экспортируют в контроллер робота и загружают в реальную сварочную систему. Несколько программистов могут синхронизировать роботов на общих рабочих местах и согласовывать работу позиционеров, чтобы исключить столкновения манипуляторов. Главное преимущество: робот продолжает сварку, пока команда готовит следующую программу. Если ваш цех работает в несколько смен, одного этого преимущества может быть достаточно, чтобы вложиться в технологию. Выполнение программ в офлайн-режиме больше подходит для предприятия, где есть отдел автоматизации и отлажен процесс CAD–CAM. Если вы получаете детали по эскизам от руки или после плазменной резки, а допуски составляют около 3 мм, результаты симуляции могут разочаровать. Рассмотрите гибридный подход: задавайте критически важные сварные соединения с помощью пульта обучения, а для более простых швов используйте офлайн-программирование. Прежде чем выбирать программное обеспечение для программирования роботов, убедитесь, что платформа поддерживает сварочные роботы тех марок, которые используются на вашем предприятии. Крупные производители роботов, такие как FANUC, ABB и KUKA, используют собственные языки программирования контроллеров, и не каждый пакет офлайн-программирования одинаково хорошо преобразует программы. На некоторых предприятиях сертифицированных инспекторов по сварке привлекают к работе уже на раннем этапе программирования, чтобы проверить соответствие смоделированных программ требованиям нормативной документации до первой сварки и избежать дорогостоящей доработки роботизированной сварочной ячейки. Такой подход приносит существенную отдачу от инвестиций (ROI), если помогает предотвратить брак хотя бы одной партии деталей.

Метод 3: программирование без обучения и адаптивное программирование — машинное зрение и AI

При программировании без обучения не нужны ни ручное обучение робота, ни CAD-модели. Система использует датчики машинного зрения со структурированной подсветкой в 3D или лазерные сканеры, чтобы отсканировать изделие, найти швы, определить углы сварочной горелки и автоматически построить всю траекторию сварки без предварительного программирования. Оператор загружает изделие и нажимает «Старт», а робот сам определяет, что делать. Это не научная фантастика. Технологии слежения за сварным швом существуют уже десятки лет, но ранние версии лишь корректировали заранее заданную траекторию. Современные системы без обучения сканируют геометрию соединения и самостоятельно определяют траекторию, находят швы даже в разных местах одного изделия, классифицируют типы соединений (угловые, стыковые, нахлёсточные, с разделкой кромок), выбирают параметры сварки и выполняют колебательные движения горелки. Для каждой детали отдельная программа не нужна. Мы наблюдали, как в цехах благодаря системам без обучения время построения траектории сокращалось с 45 минут до менее чем 2. Но дело не только во времени цикла: роботизированной ячейкой может управлять оператор с меньшим опытом. На рынке, где постоянно не хватает сварщиков, это ценнее, чем одно лишь сокращение времени цикла. Даже базовая роботизированная сварка уже обеспечивает более высокую повторяемость и производительность при сварке больших объёмов по сравнению с ручной сваркой.

Сравнение времени программирования одной детали тремя методами

Посмотрим на цифры. Столько времени требуется на программирование одной детали каждым методом: стандартного кронштейна из металлоконструкций (пластина 8 mm, 4 угловых шва общей длиной около 600 mm). Работу выполняли опытный оператор или программист, а не новичок.

Примечание: время рассчитано для обученного оператора или программиста. Первоначальная настройка занимает в 2–3× раза больше времени. Процесс сварки: GMAW (MIG) низкоуглеродистой стали. Предполагается, что радиуса действия и доступа робота достаточно для всех методов. Данные о производительности основаны на опубликованных отраслевых результатах испытаний в условиях тестирования по ISO 9283 (критерии производительности роботов).

При роботизированной сварке прослеживается чёткая закономерность: пульт обучения подходит, если переналадки происходят редко. OLP выигрывает, когда у вас есть CAD-модели и возможность выполнить калибровку. Программирование без обучения оптимально при большом разнообразии деталей, когда операторы не могут позволить себе терять дорогостоящие часы производства на программирование. В любом случае, способность быстро и точно программировать робота отличает эффективные сварочные ячейки от дорогих украшений цеха.

Какие навыки нужны вашей команде? Требования к обучению для каждого метода

Главная сложность — не найти сотрудника, который выучит последовательность нажатий кнопок, а подобрать того, кто одновременно освоит и процесс сварки, и работу с роботом. Каждый метод программирования по-своему меняет это соотношение. При сравнении роботизированных сварочных систем разных производителей часто недооценивают затраты на обучение. Робот может стоить $80K-$200K, но если единственный обученный программист уйдёт к конкуренту, ячейка может простаивать неделями, пока не найдут и не обучат замену. Системы без обучения решили эту проблему за счёт упрощения работы для максимально широкого круга операторов. В цехах, которые постоянно вкладываются в обучение и сертификацию сварщиков, программисты роботов дольше остаются в штате, а случаев пропуска дефектов становится меньше. При выборе конфигурации сварочного робота важна и простота программирования. Независимо от того, ориентируетесь ли вы на внутренние требования к качеству сварки или рекомендации American Welding Society, от простоты программирования зависит, насколько быстро новый программист роботов сможет приступить к работе.

Как система Zhouxiang без обучения сокращает время программирования

  В сварочных роботах Zhouxiang применяются датчики машинного зрения 3D с лазерным слежением за швом. Они автоматически определяют геометрию свариваемого изделия и в реальном времени строят траектории сварки. Не нужны CAD-файлы, пульт обучения и заранее загруженные программы для каждого артикула. Вот как это выглядит на практике: оператор устанавливает стальное изделие на сварочное приспособление, нажимает «Старт» на сенсорном экране HMI, а датчик машинного зрения сканирует деталь в рабочей зоне робота. Система определяет тип соединения — угловое, стыковое или нахлёсточное, рассчитывает угол сварочной горелки и вектор подхода, задаёт параметры сварки с учётом толщины материала и типа соединения и начинает сварку. От загрузки детали до зажигания дуги проходит менее двух минут. Если ваш цех обрабатывает металлоконструкции, рамы тяжёлой техники или другие серийные изделия с меняющейся от партии к партии геометрией, такая роботизированная сварка полностью устраняет узкое место в виде программирования. Сварщики занимаются настройкой приспособлений и контролем качества, а не тратят часы на работу с пультом обучения. Если вам нужно запрограммировать сварочный робот для деталей, которые выпускаются только один раз, такой подход — единственный экономичный вариант.

Ошибки программирования, которые отнимают время и снижают качество сварки

Работая над многочисленными проектами внедрения роботизированной сварки, мы снова и снова наблюдали одни и те же проблемы в разных цехах. Избегая этих потерь времени, вы сэкономите недели и избавитесь от лишних хлопот независимо от выбранного метода.

• Не выполняют калибровку TCP. Каждая замена горелки или канала подачи проволоки, а также каждое столкновение смещает центральную точку инструмента. Выполняйте калибровку до программирования первой траектории сварки, а не в самом конце, когда обнаружится большое отклонение.
• Используют одни и те же настройки сварки для разных типов соединений. Режим сварки, настроенный для угловых швов, не обеспечит такого же качества при стыковых, угловых швах с разделкой кромок или нахлёсточных соединениях. Отдельно подбирайте скорость подачи проволоки и напряжение для каждого типа соединения. Именно правильная настройка скорости подачи и напряжения отличает приемлемые сварные соединения от брака.
• Не учитывают перемещения робота между швами без сварки. Неудачные переходные траектории приводят к столкновениям с приспособлениями и зажимами. Планируйте перемещения робота без сварки так же тщательно, как траекторию сварки.
• Не создают резервные копии программ сварки. Одно столкновение с контроллером — и пропадут десятки часов работы с пультом обучения. Ведите журнал или учёт изменений каждой программы робота и сохраняйте резервные копии на сетевых дисках, а не только в контроллере.
• Проводят обучение в спешке. Новый программист, который поверхностно изучил основы, будет получать нестабильные сварные швы и повреждать оборудование. Выделите на обучение всё рекомендованное для вашей системы время: качество программ робота зависит от того, кто их пишет.

Часто задаваемые вопросы