Покоритель огненной дуги

Профессию сварщика промышленные роботы освоили давно. Сегодня многотысячная армия роботов выполняет контактную точечную сварку тонколистовых деталей, главным образом - в автомобилестроении.

...Один за другим движутся по конвейеру каркасы кузовов для автомобилей "Москвич". Они еще без дверей, крыльев, детали только присоединены друг к другу в сборочном приспособлении. Теперь их надо прочно сварить в десятках точек. Здесь и вступают в дело роботы: каждый проворно протягивает "руку", оснащенную сварочными клещами, ставит ее в нужные положения, передвигает вдоль кромок - и вспыхивает ослепительное пламя...

Почти двести метров сварных соединений только на одном кузове автомобиля. А число точек сварки превышает 4170. Всю эту сложную и трудоемкую работу выполняют 150 роботов. Они разбиты на специализированные группы. 16 роботов сваривают задний пол кузова, 4 - приваривают к нему лонжероны, 2 робота справляются со сборкой капота. Остальные заняты на других частях кузова, приваривают к нему различные детали.

Каждый робот действует по программе, которая легко вводится в его электронную память. Если изменить программу, то робот будет сваривать другую деталь.

Сварку кузова автомобиля в основном производят многоэлектродные агрегаты, они одновременно соединяют детали во многих точках. Робот работает последовательно, варит точку за точкой. Своей проворной "рукой" с большим числом степеней свободы он добирается в такие места кузова, которые недоступны обычному оборудованию. Робот-сварщик удивительно четко взаимодействует с роботом-манипулятором, программа координирует их движения: перенос детали, ее установка, сварка, перенос на следующую операцию или на транспортер - все делается четко, быстро, точно. Так, на конвейере сварки кузовов Московского автозавода имени Ленинского комсомола роботы выполняют ответственные операции по сварке кузовов автомобилей.

А имеются ли сегодня роботы для дуговой сварки изделий?

Да, и такие появились! Но роботов, выполняющих дуговую электросварку, насчитывается пока всего несколько десятков. Почему так? Ведь дуговая сварка, как известно,- один из ведущих технологических процессов, который играет первостепенную роль в машиностроении.

Оказалось, что создать робот для дуговой сварки - не такое простое дело. Если, например, при контактной сварке надо обеспечить попадание электрода только в определенные точки - точки сварки, то при дуговой сварке необходима высокая точность перемещения электрода по всей траектории, которая к тому же может оказаться весьма сложной.

Чтобы понять это, посмотрим, как работает рабочий-сварщик.

Сваривая дуговой сваркой изделия из материала различной толщины, он все время изменяет режим работы. Опытный сварщик делает это мастерски, хотя и медленно; менее опытный может ошибиться и сделать брак.

Сварочный автомат, действующий по жесткой программе, производит сварку намного быстрее человека. Но автомат не меняет режима работы, если толщина свариваемой им детали немного изменилась, поскольку он, не обладая соответствующими чувствительными элементами, просто "не знает" этого. Следовательно, быстрота операций возрастает, но с качеством дело обстоит хуже. А если допуск на поступающие на сварку изделия очень широк, то доля брака может даже увеличиться. Можно приставить к автомату оператора, но от этого качество существенно не улучшится.

Ну, а робот-сварщик с помощью специальных устройств осмотрит деталь, оценит изменения ее внешних параметров, а уж затем автоматически настроится на такой режим работы, который обеспечит наивысшее качество сварки. Такой робот был создан в результате большого и сложного труда ученых и конструкторов Киевского института электросварки имени Е. О. Патона Академии наук УССР и Института технической кибернетики Болгарской академии наук.

Одна из трудных задач, с которой столкнулись разработчики дугового робота,- это найти эффективный способ управления важнейшим рабочим органом устройства - горелкой. "Рука", предназначенная для переноса сварочной горелки, должна описывать в пространстве сложные траектории. И конструкторы наделили манипулятор способностью действовать в смешанной системе координат, а саму горелку - пятью степенями свободы. Она может одновременно перемещаться вперед-назад, влево-вправо, вверх-вниз, вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей. И даже при самых больших скоростях сохранять высокую точность.

Чтобы получить качественный шов, электрод не должен отклоняться от стыка более чем на 0,5 мм. Постоянной должна быть и скорость перемещения электрода: допустимо изменение ее не более чем на 5 процентов от заданной величины. Отклонение углов, под которыми ориентируется горелка, также не должно быть более 5 градусов. Всем этим высоким требованиям должен удовлетворять сварочный робот.

Возникали и другие проблемы и трудности, которые также нельзя было игнорировать при создании сварочного робота. Дело в том, что свариваемые детали части имеют невысокую точность изготовления. Поэтому надо было предусмотреть, чтобы робот в каждом отдельном случае мог приспосабливаться к конкретной геометрии свариваемых деталей, учитывал бы погрешности в точности их изготовления.

Надо было обеспечить и соответствующее перемещение изделия с тем, чтобы его можно было сварить с наибольшими удобствами. Иначе говоря, сварочный робот должен был иметь все необходимое для самостоятельной и осмысленной работы, которая обеспечивалась бы широким применением автоматических манипуляторов-роботов и систем автоматического управления.

Первые образцы роботов-автоматов получились довольно сложными. Это целый комплекс устройств, состоящий из большого числа отдельных блоков-модулей, в том числе "руки" - манипулятора, который должен перемещать сварочную горелку относительно стыков; манипулятора, который устанавливает изделие, фиксирует и перемещает его при сварке; устройства для подачи электродной проволоки; микропроцессорного командного центра и специализированной ЭВМ.

Нетрудно заметить, что весь сварочный технологический комплекс, включающий в свой состав манипуляторы, сварочную и другую аппаратуру и представляющий собой довольно сложный объект, надо обеспечить системой управления многими взаимозависимыми его элементами. Наиболее сложным из них является манипулятор горелки. В процессе его работы нужна постоянная динамическая коррекция траектории движения горелки, т. е. надо на все приводы манипуляторов периодически подавать управляющие сигналы, которые компенсировали бы отклонения горелки от заданной траектории движения.

В практике производства сварочных работ приходится, например, приваривать к плоскости детали кубической формы. В этом случае, когда горелка закончит сварку вдоль одного из ребер, ее надо переориентировать так, чтобы она двигалась вдоль другого ребра. И чтобы в момент прохождения вершины кубического тела горелка по инерции не проскочила место поворота и обошла угол без нарушения заданной точности. Привод должен очень быстро реагировать на управляющие сигналы. Во многих случаях надо оперативно изменять еще и наклон горелки. У сварочного робота такие корректирующие сигналы на его приводы поступают примерно каждую долю секунды.

Специальная система управления сварочным роботом надежно обеспечивает его эксплуатацию в экстремальных условиях. Состоит такая система из двух уровней: верхнего и нижнего. Основой верхнего уровня являются микроЭВМ, имеющие библиотеку программ. Эти ЭВМ настраивают нижний уровень на необходимый режим работы, планируют и изменяют траекторию перемещения горелки относительно изделия. Нижний уровень состоит из блока управления сварочным оборудованием. Каждый блок имеет свой микропроцессор и модули, с помощью которых он стыкуется с управляемым оборудованием. Микропроцессоры управляют и приводами манипуляторов горелки, и положением изделия, и сварочной аппаратурой в соответствии с заданной циклограммой технологического процесса сварки. В аварийной ситуации они блокируют работу соответствующих устройств.

Мы подробно рассказали об устройстве сварочного робота. Теперь проследим за тем, как работает такой комплекс.

Интересно, что умение сваривать различные детали сварочный робот приобретает в процессе обучения: по командам с пульта оператор заставляет его выполнять необходимые движения. И одновременно с данными о геометрии изделия вводит в систему управления программу его обработки. Получив "задание", робот затем уже действует самостоятельно, в автоматическом режиме.

Система обучения обеспечивает не только движение электрода по любой сложной траектории, но и выдает команды на возбуждение дуги, изменение скорости подачи проволоки, заварки кратера шва и т. д.

Запрограммировать робот можно на сварку самых различных изделий. Вся эта информация будет храниться во внешней памяти на верхнем уровне системы управления, образуя таким образом библиотеку программ.

Робот-сварщик способен вести шов в самых экстремальных условиях: при большой загазованности, высокой температуре, обеспечивая стабильность и высокое качество шва. По оценке специалистов, он может обслуживать также технологические процессы, куда автоматизация проникает с большим трудом.

Пройдя промышленные испытания, сварочные роботы уже получили путевку в жизнь. Одни из них с успехом трудятся в цехах завода "Ленинская кузница" в Киеве. Они сами устанавливают изделие в наиболее удобное для работы положение, приваривают лопатки турбин, сваривают корпуса фильтров и секции корпусов судов.

Сегодня осуществляется переход от создания отдельных автоматизированных сварочных установок к их серийному выпуску. Система сварочных машин-роботов будет обеспечивать высокий уровень механизации и автоматизации процессов дуговой сварки по всей цепочке производства.

Сварочные автоматы уже на практике доказали свои преимущества. Робототехнические комплексы, намного ускоряющие процессы дуговой сварки, существенно облегчают труд представителей одной из самых массовых и трудных профессий - сварщиков.

На основе внедрения автоматических сварочных роботов уже в самое ближайшее время будут создаваться целые системы для комплексной автоматизации сварочных процессов, особенно в условиях мелкосерийного и серийного производства.

Сегодня перед учеными и производственниками стоит не менее сложная задача - создать адаптивный сварочный робот.

Одна из причин, ограничивающих сегодня сферу использования роботов для дуговой сварки,- это слишком большие допуски на изготовление, сборку и установку свариваемых изделий.

Затрудняют работу сварочного робота и сильные помехи при изменении напряжения в сети, что может резко ухудшить качество сварки, может появиться и брак. Робот-сварщик должен "парировать" подобные отклонения. Сделать это можно путем установки датчиков, которые бы могли заблаговременно передать в систему управления информацию о пространственных отклонениях, о форме и положении стыка, о помехах в сети и т. д. Такой датчик должен работать в крайне тяжелых условиях: при высоких температурах, в сильных электрических и магнитных полях, мощном световом излучении и в загрязненной атмосфере. Ученые успешно работают над созданием таких датчиков.

Ближайшую перспективу создания роботов-сварщиков академик Б. Е. Патон охарактеризовал следующими словами:

"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"...