201106 25Przegląd sPawalnictwa 6/2011 Paweł.Cegielski. Andrzej.Kolasa Tadeusz.Sarnowski dostosowanie robotów do spawania elementów o obniżonej dokładności adaptation of welding robots control systems  to joining parts of lower dimensional accuracy Dr inż. Paweł Cegielski, dr hab. inż. andrzej Kolasa prof. nzw. PW–.Politechnika.Warszawska, dr inż. tadeusz Sarnowski –. ZAP. Robotyka,. Ostrów.Wielkopolski. Streszczenie Spawanie. zrobotyzowane. elementów. o. obniżonej. dokładności. lub.niedokładnie.pozycjonowanych.jest. jed- nym.z.ważniejszych.wyzwań.stojących.przed.projektan- tami. wdrażanych. stanowisk.. Dobór. skutecznej. metody. korekcji. kształtu. lub. położenia. części. nie. musi. zawsze. oznaczać. radykalnego. wzrostu. kosztów. inwestycyjnych.. i.stopnia.skomplikowania.stanowiska.. W.artykule.omówiono.najważniejsze,.z.punktu.widze- nia.powszechności.stosowania,.metody.korekcji.kształtu. i.położenia.spawanych.elementów.oraz.koncepcję.autor- skiego.opracowania,.będącego.przedmiotem.prac.wdro- żeniowych. abstract Automatic.welding.of.parts.of.lower.dimensional.accu- racy.preparation.with.the.use.of.industrial.robots.is.one.of. an. important.challenge.for.robotic. installation.designers. as.well.as.manufacturing.engineers..The.best.method.of. the.workpieces.position.correction.to.be.choose.for.a.par- ticular.application.not.always.has.to.cause.the.increase.in. cost.investment.or.the.robotic.system.complication..Some. of.most.widely.used.methods.of.the.work.position.correc- tion.with.the.use.of.robot.control.software.and.hardware. are.described.in.this.paper..A.concept.of.authors.proposal. of.such.a.method.to.be.soon.implemented.to. industrial. practice.is.also.presented. Wstęp Roboty.przemysłowe.są.jednym.z.najważniejszych. środków.do.elastycznej.automatyzacji.dyskretnych.pro- cesów.produkcyjnych..Dzięki. łatwości.programowania.. i. przystosowania. do. nowych. zadań,. znajdują. zasto- sowanie. zarówno. przy. produkcji. wielkoseryjnej,. jak.. i. jednostkowej.. Sukces,. a. więc. wykorzystanie. prze- wagi.robota.nad.człowiekiem,.możliwy. jest. tylko.wte- dy,.gdy.ograniczenia.maszyny.nie.stanowią.przeszko- dy.w.realizacji.zadania..Jednak.pomimo.wieloletniego. rozwoju,. nadal. funkcjonuje. wiele. mitów. związanych.. z. nadzwyczajnymi. możliwościami. robotów.. Jednym.. z.nich.jest.przekonanie,.że.powtarzalność.wymiarowa. spawanych.elementów.nie.jest.istotna..W.praktyce.wie- le. procesów. technologicznych,. w. tym. spawalniczych,. realizowanych.jest.przy.wykorzystaniu.robotów.pozba- wionych.jakichkolwiek.układów.sensorycznych,.a.więc. niezdolnych.do.samoczynnego.dostosowania.do.zmie- niających.się.warunków.zewnętrznych.. Istnieje.wiele.powodów.utrudniających.lub.uniemoż- liwiających. uzyskanie. niezbędnej. powtarzalności. wy- miarowej.części.przeznaczonych.do.spawania,.w.tym: –. brak.możliwości.technicznych.wytwórcy,.w.tym.ma- szyn.i.procesów.produkcyjnych, –. niskie.wymagania.wymiarowe.w.stosunku.do.wyro- bu.końcowego,.nieuzasadniające.wysokiej.dokład- ności.elementów.składowych, –. trudności. z. dokładnym. mocowaniem. i. pozycjono- waniem.części.spawanych.ze.względu.na.ich.zło- żony. kształt,. dużą. liczbę. elementów. składowych,. znaczną.masę.czy.wymiary, 26 Przegląd sPawalnictwa 6/2011 –. zmiana.wymiarów.i/lub.położenia.części.pod.wpły- wem.realizowanego.procesu.technologicznego,.np.. na.skutek.odkształceń.spawalniczych.wynikających. z.naprężeń.cieplnych.. Sensory wbudowane Wśród. środków. zaradczych. dostępne. są. wbudo- wane.do.wielu.systemów.sterowania.robotów.progra- mowe.metody.korekcji.położenia.i.kształtu.spawanych. elementów..Ich.działanie.przeważnie.wymaga.użycia. specjalnie. przystosowanych. źródeł. spawalniczych,. związanych.z.układem.sterowania.robota.połączeniem. sieciowym,.np..DeviceNet. Najprostsze.metody.oparte.zostały.na.detekcji.do- tykowej.narzędziem.(końcem.drutu.elektrodowego.lub. dyszą. gazową. dla. głowic. MIG/MAG). położenia. ele- mentów.łączonych.[1,.3÷6]..Przed.spawaniem.nowego. zespołu. robot. wykonuje. zaprogramowane. ruchy. po- miarowe,.a.po.porównaniu.pozycji.zaprogramowanej.. z.rzeczywistą.i.dokonaniu.niezbędnych.przeliczeń.przy- stępuje. do. spawania. według. skorygowanej,. przesu- niętej.i/lub.obróconej.trajektorii.(rys..1a)..Nowoczesne. roboty.mogą.być.wyposażone.w.biblioteki.schematów. „poszukiwania”,.różniących.się.kształtem.oraz.rodza- jem.odchylenia..Niektóre.systemy.oferują.dodatkową. funkcjonalność,.jak.ustawianie.stałej.długości.wolnego. wylotu. drutu. elektrodowego. czy. potwierdzanie. obec- ności.detali. (rys..1b. i.1c). [3]..Największymi.zaletami. metod. dotykowych. jest. niski. koszt. oraz. łatwość. za- stosowania.(rys..2)..Wśród.ograniczeń.zwraca.uwagę. stosunkowo. wolne. działanie. (pomiar. poprzedzający. spawanie),.korekta.ograniczona.tylko.do.kilku.charak- terystycznych.punktów.i.nieuwzględniająca.zależności. pomiędzy.nimi,.brak.reakcji.na.ewentualne.odkształ- cenia. spawalnicze,. czy. też. brak. możliwości. detekcji. obszarów.o.bardzo.małych.rozmiarach,.np..większości. rowków.spawalniczych. W. zależności. od. jakości. spoiny,. możliwe. jest. za- stosowanie. ciągłej. korekty. trajektorii. robota. podczas. spawania,.opartej.na.precyzyjnej.analizie.parametrów. jarzącego. się. łuku. spawalniczego. [1,. 4÷6].. Zamiast. wcześniej. zaprogramowanej,. często. zgrubnej,. reali- zowana.jest.trajektoria.odpowiadająca.rzeczywistemu. przebiegowi. całej. spoiny,. a. ewentualne. odchylenia. przebiegu. spawanego. rowka. pod. wpływem. procesu. są.na.bieżąco.korygowane..Istotą.korekty.jest.detekcja. zmian.prądu.spawania.powstających.w.czasie.układa- nia.ściegów.zakosowych..Jest.to.zarazem.największe. ograniczenie.metody,.uniemożliwiające.jej.stosowanie. w.przypadku.połączeń.cienkościennych,.albo.złączach. doczołowych.bez.wyraźnie.zaznaczonego.rowka.spo- iny..Istnieje.również.wiele.problemów.technologicznych. związanych.z.doborem.parametrów.spawania.gwaran- tujących.skuteczne.działanie.funkcji.korekcyjnych. Laserowe czujniki triangulacyjne Alternatywą. dla. funkcji. wbudowanych. mogą. być. zewnętrzne. sensory. oparte. na. triangulacji. laserowej.. [2,.7]..W.odróżnieniu.od.systemów.punktowych.(jed- nowymiarowych.–.1D).z.projekcją.pojedynczej.plam- ki. laserowej.na.mierzoną.powierzchnię,.nowoczesne. czujniki. pozwalają. na. pomiar. odległości. czujnika. dla. zdefiniowanej.linii.(2D)..Projekcja.linii.laserowej.nie.wy- maga.obecnie.ruchomych.części.czujnika,.a.detektory. CMOS.umożliwiają.bardzo.szybki.i.dokładny.pomiar.. Projekcja.linii.pomiarowej.prostopadle.do.kierunku. spawania.umożliwia.ocenę.zaburzeń.w.dwóch.kierun- kach. –. poprzecznym. oraz. wysokości,. obrazujących. przekrój.rowka,.przesunięcie.łączonych.krawędzi.itp.. Uzyskana.dwuosiowa.korekta.położenia.osi.elektrody,. jej.wysokości.i.przesunięcia.poprzecznego,.uzupełnio- na.zostaje.o.trzecią.oś.–.ruch.czujnika.wzdłuż.skano- wanej.powierzchni,.dając.ostatecznie.system.analizy. 3D.(rys..3). Dzięki. wysokiej. rozdzielczości. pomiarowej. otrzy- muje.się.precyzyjne.narzędzie.do.detekcji.nawet.nie- wielkich.odchyłek.od.pierwotnego.położenia.elemen- tów,. obrabianych. krawędzi,. w. tym. rowków. spoin. itp.. Możliwe. jest. rozpoznawanie. szczelin. o. szerokości.. Rys. 1. Zasada. działania. detekcji. dotykowej. stosowanej. w. robo- tach.przemysłowych.do:.a).kompensacji.pozycjonowania.elementu,.. b).ustawiania.stałej.długości.wolnego.wylotu.drutu.elektrodowego,.. c).potwierdzania.obecności.detalu.[3] Fig. 1. The.principle.of.the.touch.detection.method.employed.in.indu- strial.robots.for:.a).work.positioning.compensation,.b).electrode.wire. extension.adjustment,.c).work.present.detection.[3] Rys. 2..Przykład.części.o.bardzo.małej.powtarzalności.wymiarowej,. wymagających. zastosowania. funkcji. detekcji. dotykowej. do. każdej. korekty.położenia.spoin.łączących.zaczepy.z.podstawą Fig. 2..An.example.of.lower.dimensional.accuracy.parts.to.be.welded. with.the.use.of.the.touch.detection.for.each.weld.accomplishment .a) .b) .c) 27Przegląd sPawalnictwa 6/2011 dziesiętnych. części. milimetra,. co. ma. ogromne. zna- czenie. przy. wykonywaniu. połączeń. spawanych. czę- ści.cienkościennych..Rozpoznawanie.nawet.skompli- kowanych.przestrzennie.obiektów.może.w.niektórych. przypadkach. wyeliminować. konieczność. stosowania. precyzyjnych.układów.pozycjonowania.części.spawa- nych..Odpowiednie.zastosowanie.czujnika.zmniejsza. czas.cyklu.produkcyjnego.w.porównaniu.z.korektą.do- tykową.–.o.ile.była.możliwa,.oraz.znacząco.poprawia. jakość.i.powtarzalność.procesu.. Wadą.metody.są.znaczne.wymiary.głowic.pomiaro- wych,.powodujący.wyraźne.utrudnienia.w.operowaniu. narzędziem.(rys..4).oraz.bardzo.wysoka.cena,.czasem. przewyższająca.koszt.samego.robota.spawalniczego. Pomimo.ograniczeń,.laserowe.czujniki.triangulacyj- ne.stanowią.nie.tylko.alternatywę.dla.systemów.wbu- dowanych,.znacznie.wykraczając.poza.ich.ogranicze- nia,.ale.także.rozwiązanie.dla.wielu.złożonych,.często. nietypowych.zagadnień..Skanowanie.przeważnie.ma. charakter. ciągły,. uwzględniający. przebieg. całej. spo- iny.(rowka),.bez.istotnych.ograniczeń.co.do.grubości. spawanych.elementów.i.szerokości.szczeliny..Podob- nie. jednak.jak.w.przypadku.najprostszej.detekcji.do- tykowej,.pomiar.następuje.przed.spawaniem.nowego. zespołu,.wydłużając.czas.jego.wykonania,.a.także.nie. uwzględnia.ewentualnych.deformacji.przebiegu.złącza. podczas.procesu.. Nowe rozwiązanie Rosnące.zainteresowanie.spawaniem.zrobotyzo- wanym.zespołów.o.obniżonej.dokładności.lub.niedo- kładnym. pozycjonowaniu. skłoniło. do. opracowania. autorskiego,. innowacyjnego. systemu. skanującego. z. laserowym. czujnikiem. triangulacyjnym.. Podjęte. działania.realizowane.są.w.ramach.projektu.celowe- go.FSNT-NOT.nr.ROW-III-141/2010.(ZAP.Robotyka,. Zakład. Inżynierii. Spajania. Politechniki. Warszaw- skiej),.a. ich.bezpośrednim.celem.jest.opracowanie. oraz.wdrożenie.do.produkcji.uniwersalnego.systemu. laserowego. 3D. do. śledzenia. obiektów. w. zroboty- zowanych. procesach. spawalniczych.. Dotychczas. wdrażane.stanowiska.zrobotyzowane,.pomimo.bar- dzo. dobrych. parametrów. technicznych,. budowane. były.zgodnie.z.klasyczną.koncepcję.sterowania.pro- gramowego. (bez. sensorów). lub. z. wykorzystaniem. systemów. wbudowanych,. głównie. opartych. na. de- tekcji. dotykowej.. Zastosowanie. sensorów. lasero- wych.pochodzących.od.innych.producentów,.głów- nie.z.importu,.z.uwagi.na.bardzo.wysoką.cenę.oraz. często.ścisłe.dopasowanie.do.określonego.typu.ro- botów,.nie.było.uzasadnione.ekonomicznie.lub.wręcz. niemożliwe.. Do. najważniejszych. cech. nowo. opracowywanego. systemu.laserowego.zaliczyć.należy: –. uniwersalność.zamocowania.do.ramienia.robota,.za- równo.bez,.jak.i.z.typowym.złączem.antykolizyjnym,. także.w.przypadku.tzw..pustego.przegubu.(HW), –. konstrukcję.i.montaż.czujnika.w.jak.najmniejszym. stopniu. ograniczającą. swobodę. manewrowania.. i.dostęp.uchwytu.elektrodowego.do.miejsc.spa- wania, –. uniwersalność.systemu.sterowania,.umożliwiającą. współpracę.z.wieloma.typami.robotów, –. automatyczną.przesłonę,.mechanicznie.separującą. czujnik.podczas.spawania. Wiele. uwagi. wymaga. dobór. sensora. zapewnia- jącego. odpowiednie. parametry. użytkowe,. takie. jak. zakres. roboczy. (odległość. od. obiektu,. szerokość. skanowania),.czułość.i.rozdzielczość.pomiarowa,.od- porność.na.rodzaj.skanowanego.materiału.i.stan.jego. powierzchni.. Możliwa. będzie. detekcja. szczelin. od.. 0,1.mm.oraz.rozpoznawanie.różnych.profili,.w.tym: –. rowków.o.ścianach.równoległych.i.skośnych.w.sto- sunku.do.osi.głowicy.skanującej, –. naroży.wewnętrznych.(złącza.ze.spoinami.pachwi- nowymi).i.zewnętrznych.(złącza.narożne), –. uskoków. w. przypadku. złączy. zakładkowych. lub. spawania.elementów.o.różnych.grubościach, –. szczelin.o.nieregularnych.kształtach, –. wypukłości,.np..będących.wynikiem.wcześniejsze- go.wykonania.warstw.lub.ściegów.w.spoinach.wie- lowarstwowych.lub.wielościegowych, –. innych,. powstałych. w. pozostałych. procesach,. jak. napawanie,.montaż,.obsługa,.kontrola.itp. Rys. 3.. Idea.śledzenia.rowka.spoiny.za.pomocą.triangulacyjnego. czujnika.liniowego Fig. 3..The.general.idea.of.welding.groove.observation.with.the.use. of.the.triangular.laser.line.sensor Rys. 4..Głowice.spawalnicze.z.laserowym.czujnikiem.triangulacyj- nym.(Kawasaki,.Fanuc). Fig. 4. The.example.of.robot.welding.heads.with.triangular.laser.sen- sors.(Kawasaki,.Fanuc) 28 Przegląd sPawalnictwa 6/2011 Podsumowanie Opracowano.wiele.programowych.i.sprzętowych. metod.korekcyjnych.umożliwiających.zrobotyzowa- ne. spawanie. części. o. obniżonej. dokładności. ich. przygotowania.lub.niedokładnie.pozycjonowanych... W.zestawieniu.celowo.pominięto.bardziej.zaawan- sowane.rozwiązania,.np..oparte.na.analizie.obrazu. czy.skanowaniu.laserowym.bezpośrednio.podczas. spawania,. głównie. z. powodu. bardzo. wysokich. kosztów.i.ograniczonego.zastosowania.. Pomimo. wyraźnych. ograniczeń. funkcjonalnych. systemów.prostych.–.wbudowanych,.należy.pamię- tać.o.ich.zaletach..W.sprzyjających.okolicznościach. mogą.być.zastosowane.łącznie:.po.wstępnym.rozpo- znaniu.położenia.części.metodą.detekcji.dotykowej. może.następować.spawanie.z.ciągłą.korektą.rowka. opartą.na.pomiarze.parametrów.łuku.spawalniczego. Laserowe. czujniki. triangulacyjne. są. obecnie. szczególne. wartym. uwagi. uzupełnieniem. syste- mów.wbudowanych,.gdyż.skutecznie.łączą.wyso- ką.funkcjonalność.i.uniwersalność.z.malejącą.ceną. wdrożenia,.dzięki.nowym.opracowaniom.i.rosnącej. konkurencyjności. Literatura [1]. Grohs.K.:.Roboty.spawalnicze.Fanuc.–.Wysoka.funkcjonal- ność.i.łatwa.obsługa..Spajanie.Materiałów.Konstrukcyjnych. 2/2009. [2]. Jones.C.,.Degórski.P.:.System.pomiarowy.scanCONTROL.. Elektro.Info.11/2006. [3]. Kruczyński.M.:.Roboty.spawające.Kawasaki:.Funkcja.Touch. Sensing..Biuletyn.Automatyki,.ASTOR.3/2009. [4]. Lewandowski.W.:.Robotyzacja.spawania.–.Aktualny.kieru- nek..Spajanie.Materiałów.Konstrukcyjnych.3-4/2010. [5]. Materiały.firmowe.Kawasaki,.Fanuc,.Kuka,.ABB. [6]. Petz.M.:.Współczesne.zrobotyzowane.spawanie..Przegląd. Spawalnictwa.11/2009. [7]. Roboty.Kawasaki.na.targach.ExpoWELDING.2010..Biuletyn. Automatyki,.ASTOR,.4/2010. Jednodniowe. szkoleniu W następnym numerze Benedykt Ślązak Analiza. wartości. chwilowych. parametrów. napięciowo-prądowych. w. ocenie. stabilności. procesu. spawania.. elektrodą.otuloną Marek Banasik, Sebastian Stano Lasery.dyskowe.–.źródło.ciepła.dla.procesów.spawalniczych Izabela Kalemba, Stanisław Dymek Mikrostruktura. i. właściwości. połączeń. stopów. aluminium. wykonanych. metodą. zgrzewania. tarciowego.. z.mieszaniem.materiału.zgrzeiny Sławomir Krajewski, Jerzy Nowacki Mikrostruktura.i.właściwości.stali.o.wysokiej.wytrzymałości.AHSS Łukasz Blacha, aleksander Karolczuk Porównanie. energetycznego. modelu. wyznaczania. trwałości. zmęczeniowej. złączy. spawanych. do. zaleceń.. międzynarodowych Jerzy Dobosiewicz, Wojciech Brunné Przyczyny.nieszczelności.rurociągu.wody.amoniakalnej.w.obszarze.połączeń.spawanych Lechosław tuz, Paweł Kołodziejczak, andrzej Kolasa Struktura.złączy.doczołowych.odlewniczych.stopów.magnezu