Automatyzacja i robotyzacja procesów spawalniczych

W zależności od uczestnictwa człowieka w procesie rozróżnia się:

• proces ręczny

• zmechanizowany

• zautomatyzowany

Mechanizacja - zastąpienie pracy człowieka pracą maszyny(człowiek steruje)

Automatyzacja - proces wytwarzania odbywa się bez ingerencji człowieka ( maszyna ma własny układ sterowania)Automatyzacja kompleksowa - dotyczy całego procesu wytwarzania

Automatyzacja częściowa - odnosi się do części procesu lub urządzenia

Spawalnicze urządzenia specjalizowane: jest przeznaczone do automatycznego spawania (zgrzewania, lutowania, cięcia) jednego wyrobu lub grupy wyrobów. Posiada stałoprogramowy układ sterowania.

Czynności podlegające automatyzacji :

• proces podawania materiału dodatkowego

• kontrola położenia łuku względem osi rowka spoiny

• regulacja parametrów spawania zgodnie z danym programem

• przemieszczenie łuku spawalniczego wraz z głowicą lub uchwytem wzdłuż rowka spoiny.

W stanowiskach lub liniach spawalniczych najważniejsze są elementy :

automaty spawalnicze , głowice spawalnicze.

Automaty do spawania lub napawania :

• elektrodą nietopliwą: TIG, PTA

• elektrodą topliwą: GMA, ŁK (samoregulowana długość łuku, automatyczna regulacja długości łuku)

• elektrożużlowe: z głowicą nieruchomą, z głowicą ruchomą

Zautomatyzowane procesy spawalnicze

• Spawanie i napawanie: GMA, GTA, PTA, ŁK, Laser

• zgrzewanie: punktowe

• cięcie i ukosowanie:Tlenem, Plazmą, Laserem

• Lutowanie

Głównymi czynnikami pobudzającymi rozwój automatyzacji i robotyzacji są:

• tzw „humanizacja pracy”

• dążenie do podnoszenia jakości wyrobu i poprawy efektywności procesów spawalniczych

Czynniki powodujące rozwój automatyzacji i robotyzacji spawalniczej:

1. Dążenie do podnoszenia jakości i poprawy efektywności procesu spawalniczego,

• Ekonomiczne

• Wzrost wydajności

• Efektywne wykorzystanie narzędzi

• Rytmiczność produkcji

• Możliwość optymalizacji parametrów procesu

• Zmniejszenie jednostkowego zużycia energii i materiałów dodatkowych

• Niższe kwalifikacje pracowników

• Zmniejszenie ilości wadliwych produktów

• Ograniczenie zakresu kontroli jakości

• Możliwość zmniejszenia współczynnika bezpieczeństwa konstrukcji spawanej na etapie projektowania

• Wzrost jakości wyrobu

• Zmniejszenie zapasów magazynowych

• Częste zmiany asortymentu

• Szybkie reagowanie na potrzeby rynku

• … w krótkich seriach(?)

• większa konkurencyjność

tzw. „humanizacja pracy”

• jarzenie elektrycznego łuku spawalniczego (szkodliwe promieniowanie cieplne i świetlne)

• zjawiska fizyczne i chemiczne zachodzące w łuku

• hałas (cięcie plazmą)

• wysiłek fizyczny

• obciążenie psychiczne - monotonia pracy

• praca w niekorzystnych warunkach (ciasne pomieszczenia, wysoka temperatura powietrza)

• „deficyt spawaczy”

• wzrost wykształcenia

• mniejszy wiek produkcyjny

Czynniki powodujące trudności przy automatyzacji i robotyzacji:

1. odkształcenie części spawanych spowodowanych wywołane (?) cieplnym

2. niska dokładność przygotowania elementów - duże tolerancje wymiarów

3. niska jakość urządzeń technicznych - zakładania w funkcjonowaniu zespołów mechanicznych lub w ukł. Sterowania (?-chyba tak pisze)

4. niska dokładność pozycjonowania narzędzi przy spawaniu GMA - dopuszczalna odchyłka osi elektrody w stosunku do osi spoiny wynosi 1/2Dd (?)

5. wysoki koszt stanowiska zautomatyzowanego, (5-7 lat zwrotu kosztów nawet przy pracy ciągłej co wymaga odpowiedniej organizacji procesu produkcyjnego).

Podział stanowisk

• Montażowo spawalnicze - przeznaczone do montażu, spajanie za pomocą metod GMA, GTA oraz EO

• Uniwersalne - można wykonać 2 lub więcej rodzajów spoin

• Linie spawalnicze: automatycznie realizują cały proces technologiczny (np. ukosowanie) i są zbudowane w oparciu o stanowiska spawalnicze specjalizowane (opcjonalnie)

Zespoły do budowy stanowisk montażowo - spawalniczych

Stoły montażowo - spawalnicze :

• zmechanizowane systemy mocowań

• z pneumatycznymi i hydraulicznymi elementami mocującymi

• z mocowaniem elektromagnetycznym

Pozycjonery spawalnicze - urządzenia służące do ustawiania przedmiotu w pozycji dogodnej do np. : spawania , pozbawione możliwości ruchu roboczego:

• rolkowe

• tarczowe

• pierścieniowe

• łańcuchowe

Zespoły do budowy stanowisk uniwersalnych

1. Manipulatory spawalnicze

• konwencjonalne

• przegubowe

• pierścieniowe

• kołyskowe

2. Obrotniki :

• rolkowe

• wrzecionowe

• karuzelowe

3. Stojaki

4. Słupowysięgniki

• stacjonarne

• przejezdne

5. Portale spawalnicze

• stacjonarne

• przejezdne

Oprzyrządowanie stanowisk musi zapewniać :

• szybkie, proste i łatwe usytuowanie poszczególnych elementów w położeniu narzuconym kształtem konstrukcyjnym przy zachowaniu powtarzalności z wymaganą tolerancją.

• sztywne precyzyjne mocowanie uniemożliwiające ruch elementu w czasie procesu

• dostęp do wykonania spoin w ustalonej pozycji przyjętą metodą spawania.

• łatwe i szybkie usunięcie przedmiotu

• obrót lub przesuw spawanego przedmiotu z regulacją prędkości w zakresie prędkości spawalniczych.

Automaty do spawania łukiem krytym:

Charakterystyka procesu spawania łukiem krytym:

• spoiny czołowe i pachwinowe

• spawanie elementów elem. o grubości 3-100mm

• stale niestopowe, niskostopowe

Spawanie łukiem krytym:

• automatyczne podawanie elektrody drutowej

• automatyczne przemieszczanie łuku wzdłuż osi rowka spoiny

• korekcja położenia głowicy względem osi rowka

• zasypywanie obszaru spawania topnikiem

Charakterystyka:

• średnica elektrody 1 -9,5 mm

• grubość złączy 5-40 mm

• prędkość spawania do 5m/min

• natężenie prądu spawania do 2000 A

• napięcie łuku U=25 do 45 V

• prędkość podawania elektrody do 10m/min

Zalety ruchu oscylacyjnego:

• sterowanie odrywaniem kropli

• zwiększenie moż. Sterowania kształtem spoiny

Urządzenia i automaty do spawania elektrożużlowego:

• natężenie prądu do 1000 V

• napięcie 30 do 50 V

• prędkość spawania 0,1do 50m/min

• liczba elektrod

• konieczność stosowania płytek odbiegowych i wybiegowych

Automaty do spawania GMA:

• prąd 60 do 630 A

• napięcie 14 do 60 V

• charakterystyka płaska

• długość drutu 0,6 do 2,5mm

• prędkość spawania 0,5 do 2m/min

• prędkość podawania drutu 18m/min

• dokładność pozycjonowania 0,5 średnica elektrody

• Specjalne urządzenia do podawania drutu. W wersji automatycznej 2, 4 i 6 rolek, najczęściej 4, w TIME i RapidMelt zawsze 6 rolek.

• System podawania drutu, prędkość podawania drutu zależna od natężenia prądu, więc znamienna prędkość podawania drutu.

Rolki mają odpowiednie kształty




• Chłodzenie głowicy palnika GMA gazem (naturalnie) do 300A

• Chłodzenie anodą dla 350-400A

System podawania drutu push - pull

Konfiguracja:

• zasilacz i podajnik w 1 obudowie - długość przewodu do 4,5m

• dwie osobne obudowy system „push-pall” - do 10m

• zasilacz i podajnik są rozdzielone - 15m / 4,5

• podajnik umieszczony na wysięgniku 4,5m

• dwa stanowiska spawalnicze 3,5m

• W GMA jest zjawisko samoregulacji łuku - prędkość podawania jest zawsze stała.




Sposoby przenoszenia metalu w łuku:

• Rozprysk ok. 15-16% - zwarciowe, grubokroplowe

0-1% - natryskowe

• Siła Lorentza - siła która odcina kroplę stopionej elektrody




• Prąd krytyczny - prąd przy którym następuje zmiana sposobu przenoszenia metalu z kroplowego na natryskowy

• Metoda GMA: prądem pulsującym, rozprysk praktycznie zerowy

Metoda spawania wąskoszczelinowego GMA:

• z systemem przeginania łuku

• ze skręconym podwójnym drutem

• z oscylacją wygiętego drutu

Automaty do spawania GTA (TIG):

• gaz ochronny - argon (obojętny)

• elektroda nietopliwa wolframowa + tlenki

• stosowanie materiału dodatkowego

• średnica drutu 0,8-6mm (12mm)

• natężenie prądu 20(10) - 450 (600) A

• napięcie łuku 15-20 V

• prędkość spawania do 2 m/min

• wydajność do 2 kg/h ( gorącym drutem do 8 kg/h)

• prędkość podawania drutu do 3m/min (materiał dodatkowy)

• średnica 0,8 - 9,5mm (materiał dodatkowy

Automatyczne sterowanie spawaniem TIG:

• sterowanie programu: program rozpoczęcia, program roboczy, program zakończenia

• stabilizacja: napięcie łuku inne parametry

• śledzenie: wg. do łuku, wg. szczeliny

Półautomaty do cięcia termicznego

Automaty do cięcia profilowego rur:

• przesuw liniowy podajnika wzdłuż osi przesuwu

• obustronny wózek obiegający rurę

sterowanie za pomocą rolki magnetycznej (według wzornika)

sterowanie fotoelektryczne.

Wady:

• brak możliwości włączenia do systemu pełnej automatyzacji

• przechowywanie rysunku

sterowanie komputerowe NC/CNC:

• korzysta z interpolatora liniowego i kołowego

• sterowanie kilku urządzeń

• łatwość archiwizacji programów

• proste programowanie

• sterowanie punktowe

• sterowanie według zadanej trajektorii

• możliwość sterowania urządzeniami peryferyjnymi (przepływ gazu, zapalenie gazu, przełączanie zakładanej prędkości)

Urządzenia do cięcia laserem:

Manipulacja - czynności w procesie, uchwycenie, transport, pozycjonowanie

Manipulator - urządzenie techniczne sterowane ręcznie lub automatycznie za pomocą własnego układu sterującego stałoprogramowego

Robot - układ sterowania zmiennoprogramowy

Generacje robotów przemysłowych: I, II, III

Programowanie:

Program użytkowy - zapis czynności wraz z parametrami

• programowanie robota poprzez uczenie

• programowanie analityczne

• symulacja komputerowa

Zautomatyzowane stanowiska spawalnicze

spawanie łukowe (GMA) laserowe

zgrzewanie oporowe punktowe

cięcie termiczne tlenem plazmą laserem

Wymagania robota:

• 5 i 6 stopni swobody

• możliwości ruchów wahadłowych

• powtarzalność pozycjonowania

• możliwość sterowania urządzeniami peryferyjnymi, programowalnie

• interpolacja liniowa i kołowa

• programowanie 3D

• przyłącza do układów sensorowych

• zabezpieczenia przed zakłóceniami elektromagnetycznymi

	Zgrzewanie punktowe	Spawanie GMA	Spawanie i ciecie laserem
Dokładność pozycjonowania	1	0.5	<0.1
Udźwig [kg]	40-90	6-20	5-10
Prędkości robocze [mm/s]	Max 750	3-250	0.5-500
Sterowanie	punktowe	Ciągle z interpolacja liniowa i kołowa 3D

Z naciskiem „Do Kolosa”:

Skład stanowiska spawalniczego:

• robot przemysłowy

• urządzenia spawalnicze

• urządzenia peryferyjne

• układy adaptacyjne

• zabezpieczenia sprzętu i obsługi

Uradzenia do pozycjonowania:

• manipulatory

• obrotniki

Zadania urządzeń peryferyjnych (???)

• ochronne złącza antykolizyjne

• zespoły jezdne

układ wizyjny:

• źródło światła laserowego

• kamera i jej linijka świetlna (??) ( jednoczesne korygowanie trajektori ruchu procesu spawalniczego w czasie) rzeczywistym

• wysoki koszt

• rodzaj materiałów (aluminium, miedź) (??)

• duża wrażliwość na dym i temperature

GMA

półautomat 30-40% cyklu pracy

automat (??) 80-90% cyklu pracy - wymaga odpowieniego (niezawodnego) oprzyrządowania

podajniki:

• push/pull

• podwieszane

(mniejsze obciążenie robota)

Stosowanie układu konserwacji palników:

• zespół czyszczenia dysz palnika

• spryskiwacz dyszy

• zespół odcinający końcówkę drutu elektrodowego

• TCP - zespół kalibracji palnika

Wymagania stanowiska do spawania GMA:

• stosowanie sensorów

• stosowanie spawalniczych i p(????) źródeł prądu

+ możliwość pracy ciągłej

+ 100% pewności (???)

• podajnik drutu elektrodowego

• zapewnienie wymaganej jakości drutu elektrodowego

Układy adaptacyjne - odczytuje rzeczywiste położenie osi złacza i przekazuje do układu sterującego robotem. Sygnały korygują położenie głowicy spawalniczej prowadząc ją wzdłuż osi rzeczywistej.

Sterowanie robotem w układzie otwartym I generacji i zamkniętym II generacji robotów.

Rodzaje układów adaptacyjnych:

• taktylne

• kontrolujące parametry łuku (napięcie i natężenie)

• wizyjne

Kryteria wyboru układu adaptacyjnego:

• konfiguracja i rodzaj złącza

Taktylne:

• z sensoramki kontaktowymi (piezo elektrycznie lub stykowo)

• bezkontaktowe (pneumatyczne)

• Pomiar łuku (i jego parametrów)

• prosta budowa,

• niski koszt

• ograniczenia możliwości manewru

• szybkie zużywanie

• brak możliwości przejścia po z(??????) warstwach

Pomiar napięcia łuku i prądu łuku:

• pomiar natężenia prądu (przy stablilizacji napięcia łuku)

(zmiana długości wolnego wylotu elektrody powoduje zmianę natężenia prądu)

(Lw - długość wolnego wylotu) Lw ↑ ==> R↑ ==>I ↓

• spoiny teowe

• spoiny zakładkowe

• spoiny czołowe

• niski koszt

• niewrażliwość na zakłócenia ( dym, rozpryski ciekłego metalu, działanie łuku)

• konieczność wykonywania ruchów wachadłowych

• min. grubość ścianki złącza zazwyczaj 6mm

• duża wrażliwość na skręcanie drutu elektrodowego

• konieczność stosowania stablilizowanego układu zasilania( ? ) łuku

Urządzenia do spawania TIG

• źródła prądu stałego lub przemiennego

• głowica spawalnicza

• ...???

Konieczność stosowania jonizatora i układ przeciwdziałający składowej stałej.

Składowa stała w najgorszym wypadku powoduje wyo???szenie luku w półokresach (t)

Zasilacze inwersyjne w TIG'u z możliwością programowania:

• zmiana częstotliwości imp???

• zmiana kształtu imp???

• zmiana XXX imp???

Jonizator

• tranzystorowy

• iskrownikowy

Palniki TIG:

• z ochładzaniem naturalnym (powietrznym) do 200A

• z ochładzaniem woda (dużej mocy powyżej 200/250A

Spawanie wąskoszczelinowe, spawanie orbitalne

Urządzenia do ciecia termicznego:

• ciecie tlenem

• ciecie plazma

• ciecie laserem(najbardziej precyzyjne, plamka skupiona na 1,2 mikrometrach)

Cechy ogólne:

• maszyny przenośne - półautomaty

• stacjonarne - automaty

Sposób napędu

• przemieszczenie ręczne

• z napędem elektrycznym

System sterowania

• ręcznie prowadzone

• prowadzenie mechaniczne po jezdni lub za pomocą cyrkla

• sterowanie za pomocą rolki magnetycznej

• sterowanie fotoelektryczne według rysunku

• sterowanie numeryczne

• sterowanie komputerowe

Podział oprzyrządowania:

Elementy:

• EO - oporowe

• ES - ślimakowe

• EP - pomocnicze

Przyrządy:

• PO - oporowe

• PZ - zaciskowe

• PS - ściągi

• PR - rozpory: pneumatyczne, hydrauliczne, magnetyczne

Urządzenia: (potrzebna pomoc jak ktoś się rozczyta niech uzupełni i da znać)

• UM - bazy montażowe

• UT - zbieraki topnika

• UP - podkładki do spawania

• UE - dopasowanie przyrządu

• UK - ??? i stajniki???

• UV -

• UB -

• UF -

• UR -

Mechanizmy:

• MN - napędowe

• MP - przesuwne

• MO - obrotowe

• MM - manipulatory

---