PS 5 2018 WWW str 75PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 5/2018 Automatyzacja zgrzewania i robotyzacja spawania  ościeżnic stalowych Automation and robotization of welding of the steel door frames Inż. Mirosław Nowak, mgr inż. Mariusz Nowicki – TECHNIKA SPAWALNICZA. Autor korespondencyjny/Corresponding author: miroslaw.nowak@techspaw.com.pl Streszczenie Artykuł obejmuje opis innowacyjnego systemu do zgrze- wania prądem stałym okuć do profili ościeżnic ze stali nie- stopowych oraz łączenie profili w gotową ościeżnicę z za- stosowaniem zrobotyzowanego spawania MAG z użyciem innowacyjnej technologii Active Wire Process (AWP). Słowa  kluczowe: automatyzacja zgrzewania; robotyzacja spawania; spawanie ościeżnic Abstract The article includes a description of an innovative system for direct current spot welding of fittings for unalloyed steel frame profiles and for joining profiles to a finished frame with robotic MAG welding using the innovative Active Wire Process (AWP) technology. Keywords: weld automation; robotization of welding; weld- ing of door frames Wstęp W ostatnich latach obserwujemy olbrzymi boom inwesty- cyjny w branży budowlanej. Mówi się powszechnie, że Pol- ska to wielki plac budowy oraz modernizacji. Rozpędzeni deweloperzy budują domy, kamienice, bloki mieszkalne, a także setki tysięcy metrów kwadratowych po- wierzchni biurowej. W tych wszystkich segmentach potrzebne są drzwi, któ- re osadza się w ościeżnicach, a znaczący procent ościeżnic wykonuje się jako stalowe. W dobie rosnącego poziomu konkurencji wzrasta zapo- trzebowanie na nowatorskie i innowacyjne rozwiązania, zwiększające wydajność oraz produktywność przedsię- biorstw. Nie bez znaczenia jest także oczekiwanie inwe- storów na zwiększenie estetyki wykonania wyrobów. Firma TECHNIKA SPAWALNICZA Poznań dla jednego z wiodących producentów drzwi w Polsce opracowała i wdrożyła system do produkcji ościeżnic stalowych ze stali niestopowych. System do produkcji ościeżnic stalowych W skład systemu wchodzą: 1. Automat do zgrzewania elementów okuć do profili (stale niestopowe). 2. Zrobotyzowane stanowisko do spawania MAG profili ze sta- li niestopowych. Efektem finalnym jest ościeżnica stalowa. Automat do zgrzewania elementów okuć do profili  Automat jest przystosowany zamiennie do zgrzewania okuć (sześć typów) do profili, które występują w różnych Mirosław Nowak, Mariusz Nowicki przeglad Welding Technology Review kształtach i w różnych wersjach, a także jako lewe i prawe. Okucia występują w sześciu rodzajach (kątowniki, za- wieszki, kieszenie, kotwy itp.). Przykład profilu ze zgrzanymi okuciami przedstawia ry- sunek 1. Prace koncepcyjne – dobór zgrzewarki Koncepcja automatu do zgrzewania opracowana przez fir- mę TECHNIKA SPAWALNICZA i zatwierdzona przez zlecenio- dawcę oparta jest na wykonaniu sześciu niezależnych głowic zgrzewalniczych, zamontowanych w szeregu na konstrukcji nośnej. Taka konstrukcja stanowiska powoduje, że odle- głości poszczególnych głowic od źródła zasilania – trans- formatora, jest różna i maksymalnie wynosi ok. 1500 mm i pod tym kątem analizowano dobór odpowiedniej zgrzewar- ki. Obecnie produkowane są trzy podstawowe typy zgrzewa- rek, różniące się ceną i możliwościami technicznymi. 1. Zgrzewarki prądu przemiennego (400 V, najtańsze). 2. Zgrzewarki trójfazowe prądu stałego. 3. Zgrzewarki inwertorowe z wewnętrzną przemianą często- tliwości (najdroższe). Rys. 1. Przykład profilu ze zgrzanymi okuciami Fig. 1. Example of a profile with welded fittings 12 DOI: http://dx.doi.org/10.26628/ps.v90i5.902 76 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 5/2018 Rys. 3. Automat do zgrzewania profili z okuciami Fig. 3. Automatic welding machine for profiles with fittings Rys. 2. Zależność średnicy jądra zgrzeiny od natężenia prądu zgrze- wania przy stosowaniu zgrzewarek: inwertorowej (poz. 1), prądu stałego (poz. 2) i prądu przemiennego 400 V (poz. 3) Fig. 2. The dependence of the weld core diameter on the welding current intensity when using welding machines: inverter (pos. 1), di- rect current (pos. 2) and alternating current 400 V (pos. 3) Tablica  I. Przykładowe wartości prądu zgrzewania wymaganego w obwodzie wtórnym obu zgrzewarek Table I. Examples of welding current values required in the second- ary circuit of both welders W tablicy I [1] podano przykładowe wartości prądu zgrze- wania wymaganego w obwodzie wtórnym zgrzewania, a na ry- sunku 3 [1] przedstawiona jest zależność średnicy jądra zgrze- iny od natężenia prądu zgrzewania dla trzech wymienionych typów zgrzewarek. Z tablicy I i rysunku 2 wynikają zalety bądź wady różnego typu zgrzewarek. W tej sytuacji ze względu na zjawisko dużego spadku wartości prądu zgrzewania wraz ze zwiększaniem odle- głości pomiędzy transformatorem a punktem zgrzewania, zastosowanie transformatora prądu przemiennego, wyma- gałoby użycia bardzo dużej jednostki kompensującej straty. Jednak duży transformator prądu przemiennego obciąża nierównomiernie sieć zasilającą (tylko dwie fazy) i wymaga zastosowania znacznie większych przekrojów przewodów zasilających oraz zabezpieczeń sieci. Ewentualne użycie sześciu transformatorów prądu prze- miennego (każdy przy kolejnej głowicy) powoduje proble- my konstrukcyjne, ale również jest nieekonomiczne (sześć transformatorów, sześć sterowników itd.) i generuje wysokie koszty wykonania. Dlatego wzięto pod uwagę zastosowa- nie droższego pojedynczego transformatora prądu stałego o mocy 100 kVA, który jest w minimalnym stopniu wrażliwy, jeżeli chodzi o zmianę parametru prądu zgrzewania w zależ- ności od odległości pomiędzy miejscem zgrzewania a źró- dłem. Wybór transformatora prądu stałego skutkuje również redukcją jego mocy oraz równomiernym rozkładem obciąże- nia sieci zasilającej (3 x 400 V). Proces zgrzewania realizo- wany przy zastosowaniu prądu stałego umożliwia uzyska- nie takich samych zgrzein przy użyciu prądów zgrzewania o ok. 20% mniejszych niż w przypadku prądu przemiennego [2], daje to zauważalne oszczędności przy poborze prądu w obwodzie pierwotnym (rys. 2) [1]. Mniejszy prąd wtórny przy tym samym efekcie zgrzewa- nia skutkuje mniejszym zużyciem elektrod, które pracują pod mniejszym obciążeniem prądowym. Podczas doboru transformatora rozpatrywane było zasto- sowanie transformatora inwertorowego, ale uznano, że w przy- padku produkcji, gdzie stosowane są materiały jednorodne, a zgrzewanie jest garbowe (czasy powyżej 100 ms, prądy po- wyżej 8 kA), niepotrzebne jest stosowanie tak precyzyjnego, a jednocześnie o ok. 20% droższego, źródła zasilania jakim jest inwerter. Budowa automatu  do zgrzewania profili z okuciami Głównymi zespołami automatu (rys. 3) są: – Zgrzewarka specjalna prądu stałego wyposażona w je- den transformator o mocy 100 KVA i sześć głowic zgrze- walniczych (firmy TECNA) (poz. 1). – Sześć przyrządów (poz. 2) do mocowania odpowiednich okuć (poz. 2a) przytwierdzonych do głowic zgrzewal- niczych z możliwością regulacji w zależności od wersji zgrzewanego profilu. – Sześć siłowników zgrzewalniczych (poz. 3) o sile docisku do 1242 daN każdy. Rodzaj  prądu  zgrzewania Natężenie  prądu  zgrzewania Napięcie  wtórne,   V Pierwotny  prąd fazo- wy, A Moc transfor- matora ener- getycznego, % 50 Hz 40 11,9 1250 422 Prąd stały 40 4,0 296 100 3 1 2 10 4a 4 2a 4b 6 8 7 9 5 77PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 5/2018 Rys. 6. Uchwyt Servo Pull Fig. 6. Servo Pull grip Rys. 4. Ekran główny HMI Fig. 4. HMI main screen Rys. 5. Budowa ościeżnicy Fig. 5. Construction of the door frame – Specjalny tor jezdny (poz. 4) z przesuwem wzdłużnym (poz. 4a) i przesuwem poprzecznym (poz. 4b). Oba prze- suwy napędzane są serwonapędami. – Wózek jezdny napędzany serwonapędem (poz. 5). Wózek jezdny przytwierdzony jest do modułu przesuwu po- przecznego. – Uniwersalny przyrząd (poz. 6) do ręcznego zaciskania profili przytwierdzony do wózka jezdnego. – Układ sterowania (poz. 7) z panelem HMI (ang. Human Ma- chine Interface), (poz. 8). HMI posiada kilkadziesiąt okien, a między innymi: ekran główny (rys. 4), ekran sterowania ręcznego, ekran receptury, ekran serwisowy, ekran dia- gnostyki. – Szafa logiki (poz. 9). – Agregat chłodzący (poz. 10). Ponadto, automat obudowany jest stalowymi ściankami ochronnymi. Wejście do automatu zabezpieczone jest kurty- nami świetlnymi. Automat spełnia wymogi CE. Cykl pracy zgrzewarki jest następujący: – operator wybiera na pulpicie dotykowym wersję profilu oraz jego długość; – stanowisko automatycznie przystosowuje się do wykony- wania określonych ilości ruchów oraz sukcesywnego i pra- widłowego zwalniania dostępu dla pracownika do kolej- nych głowic zgrzewalniczych podczas procesu wykony- wania kompletnego profilu lewego lub prawego; – operator zakłada wybrany profil w uniwersalnym przyrzą- dzie (poz. 6); – przy każdej głowicy (poz. 1), która bierze udział w zgrze- waniu, pulsujący przycisk sygnalizuje, że należy w danej głowicy umieścić odpowiednie okucie; – operator zakłada kolejne okucia do odpowiednich przy- rządów (poz. 6) (maksymalnie sześć) i kasuje przyci- skiem pulsowanie białej lampki – detal przygotowany jest do zgrzewania; – po wyjściu poza obszar chroniony barierą optyczną, pra- cownik uruchamia przyciskiem start cyklu (poz. 5); – wózek z założonym profilem podjeżdża w zadanej kolej- ności pod kolejne głowice i następuje zgrzewanie garbo- we okuć do profilu; – po zgrzaniu wszystkich założonych na automacie okuć zaczynają pulsować przyciski informując operatora gdzie jeszcze należy umieścić kolejne okucia (na niektórych profilach występują te same okucia kilkakrotnie); – operator tak długo uzupełnia okucia aż żadna lampka nie pulsuje po zakończeniu kolejnego cyklu zgrzewania, co oznacza, że profil jest gotowy, a wózek z profilem od- jeżdża na pozycję wyładunku. Orientacyjne parametry zgrzewania garbowego okucia posiadają w zależności od typu 2 do 6 garbów. W zależności od grubości blach okuć (od 0,8 do 2 mm) osiągnięto zamie- rzony efekt zgrzewania przy sile docisku od 120 do 350 daN, ilości cykli 5 do 8 i natężeniu prądu zgrzewania 5 do 15 kA. Stanowisko zrobotyzowane do spawania  metodą MAG ościeżnic stalowych Każda ościeżnica (rys. 5) składa się z profilu lewego (poz. 1) i prawego (poz. 2), do których zgrzane zostały we wcześniej- szym procesie okucia oraz z profilu środkowego (łącznika) (poz. 3). Z uwagi na skomplikowany kształt profili – spoina cią- gła, składająca się z krótkich odcinków, a także niewielką grubość profili (1,5 mm), zastosowano robot TAWERS firmy PANASONIC z innowacyjną technologią spawania AWP (ang. Active Wire Proces). Na system TAWERS ACTIVE WIRE składa się standardo- wy system TAWERS MAG, uchwyt spawalniczy Servo Pull (rys. 6) z aktywnym podawaniem drutu, jednostka Wire Bo- oster (rys. 8) oraz oprogramowanie ACTIVE WIRE [3]. TAWERS ACTIVE WIRE umożliwia spawanie stali drutem litym oraz drutem proszkowym o średnicy 0,8÷1,2 mm prą- dem do 350 A w cyklu P60%. Najlepsze rezultaty uzyskuje się w zakresie prądowym do 200 A. Ideą układu jest uchwyt spawalniczy Servo Pull, który powtarza z dużą częstotliwo- ścią ruch wysuwania i cofania drutu, zapewniając stały krót- ki cykl łuku spawalniczego, co ogranicza ilość odprysków (rys. 7). Bardzo istotną częścią całego systemu jest urządze- nie Wire Booster (rys. 8) do wspomagania podawania drutu. Urządzenie jest montowane bezpośrednio na beczce z drutem lub na kasecie szpuli z drutem, gdzie przez prowad- nik spiralny doprowadza płynnie drut do uchwytu spawalni- czego [3]. Metoda AWP dzięki aktywnemu podawaniu drutu umożli- wia osiągnięcie krótkiego cyklu łuku, co pozwala na spawanie 1 3 2 78 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 5/2018 Rys. 9. Budowa stanowiska zrobotyzowanego Fig. 9. Construction of a robotic stand` Rys. 7. Porównanie metody MAG i systemu AWP Fig. 7. Comparison of MAG and AWP system Rys. 8. Wire Booster Fig. 8. Wire Booster materiału ulegającego naprężeniom przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości spoin i ograniczeniu ilości po- wstających odprysków. Dzięki AWP występuje nie tylko mniej odprysków, ale po- wstające odpryski są drobniejsze o mniejszej objętości, co za- pobiega ich przyklejaniu się do spawanych elementów [3]. Metoda AWP dzięki aktywnemu podawaniu drutu zmniej- sza odkształcenia i naprężenia spawalnicze. Ograniczenie ilości odprysków jest możliwe dzięki kontroli sekwencji odry- wania kropli płynnego metalu oraz gwałtowne obniżenie war- tości prądu wyjściowego. Stabilizacja łuku przez ciągłą zmianę prędkości podawania drutu zapobiega nieregularnemu skra- caniu drutu, co w przeciwnym wypadku prowadzi do genera- cji odprysków [3]. Przykładowe parametry spawania, które pozwoliły na wy- konanie ościeżnicy o grubości profilu 0,8 mm w klasie B to: natężenie prądu 90 A, napięcie 16,5 V, prędkość spawania 0,6 m/min. Budowa stanowiska  do zrobotyzowanego spawania MAG Stanowisko (rys. 9) posiada dwie stacje robocze A i B z usytuowanym w środku robotem TA-1400 WG3 Tawers (Panasonic) (poz.1). Robot jest zintegrowany ze źródłem wy- twarzającym prąd spawania (350 A przy pracy P60%) (poz. 2) wyposażonym w system Active Wire Proces. Widoczny na rysunku 9b pakiet hybrydowy wykonany jest w ten spo- sób, że za wyjątkiem prowadnika drutu, który jest prowa- dzony na zewnątrz, wszystkie przewody prowadzone są wewnątrz robota. Takie rozwiązanie umożliwia płynne poda- wanie drutu nawet przy niekorzystnym ustawieniu ramienia robota. W obu stacjach zainstalowane są pozycjonery Pana Dice 500 (Panasonic) (poz. 3), a po drugiej stronie umiesz- czone są słupki podporowe z ułożyskowaniem (poz. 4). Na ramach nośnych (poz. 5) zainstalowane są przyrządy uni- wersalne (poz. 6) z możliwością przezbrojenia na dany typ ościeżnicy. Profile (poz. 7) są zaciskane ręcznie w przyrzą- dach. Stacje A i B rozdzielone są pneumatycznie rozsuwanymi kurtynami (zaciemnienie 9 DIN) (poz. 8), które chronią wzrok operatora. System z trzech stron obudowany jest ściankami stalowymi (poz. 9), a wejścia do stacji A i B zabezpieczone 8 9 2 4 12 13 5 1 3 11 6 7 10 są kurtynami świetlnymi (poz. 10). Ponadto, na rysunku 9 zaznaczono stację czyszczenia palnika (poz. 11) i szafę lo- giki (poz.12) z widocznym panelem sterującym (poz. 13). System posiada znak CE. 79PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 5/2018 Literatura [1] Piątek M.: Urządzenia stosowane w procesie zgrzewania rezystancyjne- go: Zgrzewanie Nr 1, 1, 2002. [2] Nowak M., Nowicki M.: Kierunki rozwoju technik i technologii zgrzewania na przykładzie rozwiązań firmy TECNA, Przegląd Spawalnictwa nr 11, 2011. Wnioski  1. Omówiony system przyczynił się do wzrostu wydajności i produktywności zarówno w procesie zgrzewania, jak i w proce- sie spawania. 2. Dzięki wdrożeniu automatu do zgrzewania i zastąpieniu spawania półautomatycznym spawaniem zrobotyzowanym firma wzmocniła swoją konkurencyjność na rynku krajowym i europejskim. 3. Niniejsze wdrożenie wzmocniło postrzeganie zleceniodawcy, jako bardzo innowacyjnego. [3] Nowak M., Wiśniewski D., Buchowski J., Jędrzejak K.: Innowacje techno- logiczne firmy PANASONIC w zrobotyzowanym spawaniu Cieńskich ele- mentów metalowych na przykładzie wdrożeń firmy TECHNIKA SPAWAL- NICZA.