53 Ventil 3 /2007/  Namenski varilni avtomat ali varilni robot – kriteriji za izbiro HALAS Robert, KOVAČ Denis, TREIBER Jože, KOZNICOV Tomaž Robert Halas, univ. dipl. in`., Denis Kovač, univ. dipl. in`., Jo`e Treiber, dipl. in`., Toma` Koznicov; vsi VARSTROJ, d. d., Lendava PODJETJA PREDSTAVLJAJO Proizvajalci varjenih konstrukcij in varjenih izdelkov so pod ved- no ve~jimi pritiski za pove~anje produktivnosti, pove~anje kval- itete in zni`anje stro{kov izde- lave. Izdelki se morajo proizvajati v velikih in majhnih koli~inah ter odgovarjati strogim zahtevam glede kvalitete, kar je mo`no (tudi v primeru varjenih sklopov) realizirati le ob ustrezni izbiri ap- likacije: namenskega varilnega avtomata ali varilnega robota. 1 Uvod Proizvajalci v kovinski industriji, med katere spadajo tudi proizva- jalci varjenih konstrukcij in varjenih izdelkov, so zaradi konkuren~nosti na trgu pod vse ve~jim pritiskom po pove~evanju produktivnosti in izbolj{evanju kakovosti svojih izdelkov. Pri tem so prisiljeni {e k zni`evanju stro{kov obratovanja. Nove izdelke je potrebno uvesti v relativno kratkem ~asu. Izdelki proizvajalcev se nenehno spreminjajo, tako da ne moremo govoriti o kontinuiteti proizvodov oz. koli~inah (majhne serije, ve- like serije). Prav s tega vidika je zelo pomembna pravilna izbira: na- menski varilni avtomat ali varilni ro- bot. [ele s pravilno izbiro aplikacij se bo mo`no pribli`ati optimalnim rezultatom ter biti konkuren~en na tr`i{~u. V nadaljevanju prispevka bosta pri- kazana dva primera avtomatiziranih varilnih naprav, ki ju je Varstroj izde- lal v zadnjem obdobju. 2 Kriteriji za izbiro varilskega sistema Za uvedbo avtomatizacije in ro- botizacije varjenja so pomembne tehni~ne, ekonomske in sociolo{ke zahteve, ki se med seboj prepletajo in vplivajo na izbiro enega ali druge- ga sistema za varjenje. Iz tabele 1 in 2 je razvidno, da je eden od glavnih kriterijev za izbiro vrste varilskega sistema fleksibilnost. Pri robotskem varjenju je fleksibil- nost velika, kar pa je odvisno tudi od same robotske celice (konfiguracije varilske robotske celice s postavitv- ijo varilskega robota ter eventualnih pozicionirno vpenjalnih naprav). Z zamenjavo vpenjalnega orodja za en tip izdelka se v relativno kratkem ~asu lahko izdela drug tip izdel- Tabela 1. Tehni~ne zahteve pri robotizaciji in avtomatizaciji varjenja Zahteve Varilni robot Namenski varilni avtomat Visoka kvaliteta DA DA Natančnost / ponovljivost DA DA Fleksibilnost DA NE Ergonomičnost DA DA Enakomernost dela DA DA Možnost izvedbe zvara DA DA (delno) Zahteve Varilni robot Namenski varilni avtomat Visoka p ivnost DA DA Visoka izkoriščenost DA DA Fleksibilnost DA NE Zanesljivost DA DA Minimalni čas priprave za drug izdelek DA NE Nižji investicijski in tekoči stroški DA DA Tabela 2. Ekonomi~nost robotizacije in avtomatizacije 54 Ventil 3 /2007/  PODJETJA PREDSTAVLJAJO ka. Namenski avtomat za varjenje je najve~krat strogo namenski in primeren za en tip varjenca oz. za podobne varjence (oblikovno in di- menzijsko). S tem je namenski avto- mat za varjenje omejen. Poleg prej navedenih kriterijev je zelo pomembno tudi {tevilo osi (prostostnih stopenj) avtomata. ~e imamo prostorsko varjenje, ki ga ne moremo izvesti s 3 osmi, se odlo~imo za robotsko varjenje s 5- oz. 6-osnim robotom. V nasprotnem primeru bi bili stro{ki investicije za varilni avto- mat previsoki – vi{ji od investicije v varilski robot, ki je poleg tega flek- sibilen. Za uspe{no izvedbo avtomatizacije in robotizacije varjenja je potrebno medsebojno sodelovanje ustreznih tehnikov, ki izberejo najugodnej{o re{itev za varjenje dolo~enega izdel- ka oz. skupine izdelkov. 3 Varilni avtomat – primer iz prakse 3.1 Varilni avtomat za varjenje «naslon za roke« Za potrebe naro~nika, ki je proizva- jalec avtomobilskih komponent, je bilo potrebno za varjenec “naslon za roke”: 1. dolo~iti tehnologijo za avtomatiza- cijo varjenja; 2. konstruirati vpenjalne priprave in namenski avtomat za varjenje; 3. izdelati vpenjalne priprave in avtomat; 4. predati kompletno opremo in dokazati sposobnost varjenja za varjenec s podanimi zahtevami s strani kupca (kvalitativno in kvantitativno). Osnova je delavni{ka risba varjen- ca z vsemi podanimi podatki (ob- lika zvarov, tolerance zvarjenca: centri~nost 0,2 mm, pravokotnost 0,2 mm, dol`inske mere +/–0,2 mm, …), vklju~no z delavni{kimi risbami sestavnih pozicij varjenja. Ostale splo{ne zahteve, ki niso bile podane na risbah in jih je potrebno upo{tevati pri snovanju in izdelavi: – 2500 ustrezno zavarjenih kosov na dan za dobo 5 let; – pnevmatsko vpenjanje; – vgradnja sen- zorjev za pri sotnost kosov in pravilno vstavljenost; – kontrola vpe- tja in izpetja na varilnih pripravah in ustrezna in- dikacija ne- pravilnosti; – lahko dostop- ne in nastav- ljive naslon- ske to~ke; – nastavljanje parametrov delovanja preko tipko- vnice in displeja; – avtomatski in kora~ni na~in dela; – zadovoljivi uvari (makrografija); – izdelava analize FMEA ob sodelovanju kupca, … 3.2 Dolo~itev tehnologije za avtomatizacijo varjenja za naslon za roke Na osnovi zahtev in kriterijev za iz- biro avtomatizacije varjenja smo se odlo~ili za izvedbo namenskega av- tomata za varjenje zaradi: – tehnologije varjenja – p o s t o p e k MIG/MAG z dvema gorilnikoma hkrati – manj{e deformacije, ve~ja produktivnost; – manj{i investicijski stro{ki glede na varilski robot; – velikih dnevnih serij – 2500 kosov na dan za 5let. 3.3 Konstruiranje in izdelava avtomata za varjenje naslona za roke Na osnovi zahtev, opisanih pod to~ko 3.1, in ugotovitev pri varjenju smo konstruirali avtomat. Karakteristike oz. posebnosti av- tomata: – varjenje z dvema gorilnikoma hkrati (gorilnik posebne izvedbe); – uporaba dveh vpenjalnih mest z zasu~no vrtljivo mizo; – digitalno vna{anje vseh tehnolo{kih parametrov s pomo~jo displeja; – mo`nost shranjevanja v spomin 99 varilnih programov; – digitalna nastavitev varilnih para- metrov na varilni opremi (VPS 4000 Varstroj); – uporaba razli~nih varilskih para- metrov varilnega izvora na enem zvarjencu – programsko »klicanje« ustreznih »jobov«; – avtomatski in kora~ni na~in dela; – servomotor z enkoderjem za vzdol`ni pomik varilne pi{tole – X-os; Slika 1. Sodelovanje tehnikov: pozicionirni tehnik, varilni tehnolog, sistemski in`eniring Slika 2. Varjenec “naslon za roke” 55 Ventil 3 /2007/  PODJETJA PREDSTAVLJAJO Slika 3. Vpenjalni gnezdo z rotacijo φ-osi Slika 4. Pregled (prikaz) osi na avtomatu Slika 5. Avtomat za varjenje naslona roke VARSTROJ AVKV-2GM Slika 6. Avtomatizirano varjenje mul~arja – robota AX- V4L in AX-V16 – servomotor z enkoderjem za pre~ni pomik varilne pi{tole – Y-os; – servomotor z enkoderjem za vi{inski pomik varilne pi{tole – Z- os; – servomotor z enkoderjem za obra~anje pri kro`nem varjenju – φ-os; – vodno hlajena osovina pri φ-osi. 4 Varilni robot + robot manipulator – primer iz prakse 4.1 Varilni robot + robot manipulator Za potrebe naro~nika je bilo potreb- no izbrati in koncipirati fleksibilno aplikacijo, ki bo v prvi vrsti namen- jena za varjenje mul~arjev razli~nih tipov (razli~ne dol`ine in premeri), omogo~ati pa mora tudi visoko fleksibilnost zaradi novih izdelkov, ki se bodo varili na izbrani opremi. V sodelovanju s kupcem se je napravi- la analiza morebitnih produktov, ki se bodo robotsko varili. Tako smo pri{li do zaklju~ka, da mora op- rema omogo~ati varjenje izdelkov dol`ine do 3000 mm ter premera do 1400 mm. V sami varilni robotski celici se je predvidel en varilni in en manipulativni robot. S tem je bila omogo~ena visoka fleksibilnost same robotske celice, ki se lahko uporablja za zelo {irok spekter izdelkov. 4.2 Dolo~itev tehnologije za varilno robotsko celico za varjenje mul~arjev Rotacija φ -os z-os y-os x-os 56 Ventil 3 /2007/  PODJETJA PREDSTAVLJAJO Ko so bile dolo~ene osnove za projektiranje varilne robotske celice, se je specificirala oprema, ki je vgrajena v sistem. Izbrana je bila robotska varilna opre- ma v konfiguraciji: 1. varilni robot Almega AX-V4L AP (slika 8): – 6-osni zglobni robot z delovnim podro~jem 6,53 m 2 x 340°, – nosilnost 4 kg na {esti osi ter ponovljivost +/–0,1 mm, – robotska roka je votle izvedbe (pomembno zaradi vmesnega cevnega paketa), ki omogo~a neskon~no vrtenje {este osi in – podajalni mehanizem za dodajni material na robotski roki; 2. robotsko krmilje AX-C: – visoko zmogljiva CPU-enota (os- nova PC, krmiljenje do 54 osi), – sistem deluje na osnovi Windows NT, – spremljanje velikega {tevila funkcij (nastavljanje varilnih parametrov, arhiviranje …) in – funkcionalna u~no-komandna eno- ta; 3. varilni izvor VPS 4000: – 400 A izmeni~ni pulzni varilni iz- vor, – sinergijski ali ro~ni na~in izbire varilnih parametrov in – vgrajen robotski vmesnik (nemote- na komunikacija z robotskim krmiljem); 4. vodno hlajen varilni gorilnik MTX- CW-5031 (slika 7): – ukrivljen gorilnik (omogo~a opti- malno lego varjenja), – vgrajen {ok senzor (izklop ser- vopogona ob koliziji), – eksterni hladilni agregat in – samodejno kalibriranje; 5. dodatna varilna oprema AX4L- XCW5031-DP4: – {tirikolesni podajalni mehanizem za dodajni material, – vmesni cevni paket in – vodilo z nosilcem dodajnega ma- teriala. Po dolo~itvi robotske varilne opreme so se dolo~ile periferne naprave, ki slu`ijo za manipulacijo z varjenci: 1. Vrtljivi pozicioner P1000 V Robo s podpornim delom: – ponovljivost pozicioniranja je +/– 0,1 mm in – robotsko krmiljena eksterna servo os. Da bi zadostili `e v uvodu omenjeni zahtevi, da mora biti varilna robotska celica ~im bolj fleksibilna, smo k prej opisanim komponentam dodali {e robot za manipulacijo. Ta zajema: 2. Robot-manipulator Almega AX- V16 (slika 9): – 6-osni zglobni robot z delovnim podro~jem 4,15 m2 x 340° in – nosilnosti 16 kg na {esti osi ter ponovljivostjo +/–0,1 mm. 3. Pnevmatsko prijemalo MHZ2-25D (slika 7): – pnevmatske kle{~e za prijem in – za{~ita pred preobremenitvijo {este robotske osi. V celico je integrirana glavna ko- mandna omara, v katero so vgrajene vse varnostne komponente (varnos- tni modul, krmilje za komunikacijo med robotskim krmiljem in varnos- tnimi komponentami ter mo~nostne komponente za priklop celotnega sistema na elektri~no napetost). Podajanje oz. nastavljanje funkcij, kot je u~enje oz. programiranje robota, se izvaja s pomo~jo u~nega pulta (teach panel). Varilna robotska celica je izdelana z namenom, da je ~im bolj fleksibilna. Sistem je opremljen s funkcijo Multi-Synchromotion, ki omogo~a sinhrono gibanje robota z eksterno osjo pozicionerja. Funkcija »multi« nam omogo~a izbiro posameznega mehanizma tako, da lahko posebej uporabljamo varilni robot s pozicionerjem, varilni robot samostojno (brez pozicionerja) ali varilni robot skupaj z robotom za manipulacijo in pozicionerjem. Oba robota sta komunikacijsko povezana in se medsebojno kontrolirata, tako da med njima ne more priti do Slika 7. Vodno hlajeni gorilnik MTXCW-5031 in pnevmatsko prijemalo MHZ2-25D Slika 8. Varilni robot Almega AX-V4L AP Slika 9. Robot manipulator Almega AX-V16 57 Ventil 3 /2007/  PODJETJA PREDSTAVLJAJO kolizije. S tem sistemom lahko npr. z robotom za manipulacijo podajamo in dr`imo posamezno pozicijo, medtem ko nam to pozicijo varilni robot zavari na predhodno polo`en kos oz. varjenec, ki je vpet na varilni pripravi. Manipulativni robot lahko jemlje varjence iz avtomatske ali ro~ne podajalne priprave. Na sliki 10 lahko vidimo varilno robotsko celico po zaklju~ku projektiranja. Pri zasnovi varilne robotske celice, ki naj omogo~a ~im vi{jo fleksibilnost, je potrebno zelo paziti, da se dolo~ene zahteve ne postavijo pre{iroko oz. prezahtevno. V nasprotnem primeru je lahko varilna robotska celica zelo neu~inkovita. Preproste re{itve vodijo k la`jemu obvladovanju situacije in posredno k manj{im stro{kom zagona in vzdr`evanja – primer ro~ne podajalne naprave. Viri: Dokumentacija podjetja Varstroj Slika 10. Varilna robotska celica VRC-1GM (V4L + V16)