Применение промышленных роботов для точечной сварки

Содержание 
 
Введение 3 
 
1.Основы технологии точечной сварки 4 
 
2.Машины для контактной точечной сварки 7 
 
3.Применение промышленных роботов для точечной сварки 10 
 
4.Заключение 13 
 
5.Список использованной литературы 14 
ВВЕДЕНИЕ 
Контактная точечная сварка (КТС) — это один из способов контактной сварки, который наиболее широко применяется в машиностроении, в особенности в массовом производстве. Так, например, в автомобилестроении около 70 % объема сварочных работ выполняется именно этим способом. Значительное применение КТС получила и в других отраслях: в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, при производстве пассажирских и товарных вагонов и других отраслях промышленности и строительства. Этому способствовали положительные особенности процесса КТС: незначительные остаточные деформации, высокая производительность, высокий уровень механизации и автоматизации, гибкость и универсальность технологического процесса, отсутствие вспомогательных сварочных материалов, высокая экологичность и культура производства. 
 
Технологии традиционных способов КТС (к ним относят способы точечной сварки, при осуществлении которых детали сжимают токопроводящими электродами и в периоды сжатия, действия импульса тока и проковки соединений параметры режима сварки, как правило, не изменяют) к началу 70-х годов ХХ века достигли своего совершенства и практически исчерпали возможности своего развития. Они вполне удовлетворяли требованиям массового производства, но во многих случаях не могли обеспечить требуемый уровень качества при сварке изделий ответственного назначения. Поэтому в этот период и стали развиваться способы КТС с программированным изменением параметров режима (сварочного тока, усилия сжатия электродов) в период формирования соединений, которые позволяют управлять термодеформационными процессами, протекающими в зоне сварки. Они открывают новые возможности повышения качества получаемых точечных соединений. 
 
1.Основы технологии точечной сварки 
 
Родоначальник контактной сварки - английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), который в 1856 г. впервые применил стыковую сварку. В 1877 г. в США Элиху Томсон самостоятельно разработал стыковую сварку и внедрил ее в промышленность. В том же 1877 г. в России Н.Н.Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной (роликовой) сварки. На промышленную основу в России контактная сварка была поставлена в 1936 г. после освоения серийного выпуска контактных сварочных машин.  
 
Точечную сварку применяют для соединений внахлестку, осуществляемых в отдельных местах детали в виде точек (рис. 1). Зажатые между медными электродами свариваемые листы разогреваются под электродами так, что центральная часть точки, обычно доводимая до расплавления за счет тепла, выделяемого в контакте между свариваемыми листами, образует литое ядро точки. Давление, приложенное к электродам, уплотняет металл в точке и делает ее достаточно прочной. Сварочный ток включают только после того, как к электродам приложено необходимое давление. После окончания сварки сначала выключают ток, а затем снимают давление. Точечную сварку применяют для соединения различного рода изделий из штампованных и прокатанных профилей сортового железа малой толщины с листами, для приварки круглых стержней друг к другу и к листам и т. д. 
 
 
Риунок 1 - Типовые детали для точечной сварки: приварка точками сортового железа к плоским листам. 
 
 
Рисунок 2 - Точечная сварка пакетов из нескольких листов 
 
Точечной сваркой можно соединять два или несколько листов одновременно (рис. 2). Точечную сварку осуществляют также и при приложении электродов с одной стороны свариваемой детали (односторонняя сварка). В последнем случае число деталей не может быть больше двух. 
 
Выбор режима точечной сварки при заданной суммарной толщине листов определяется: а) мощностью машины; б) длительностью нагрева; в) давлением между электродами во время и после нагрева. Мощность машины W для точечной сварки зависит от толщины свариваемых изделий и выбирается по следующему соотношению: W=KS (кВт), где S — суммарная толщина листов в мм. К — коэффициент, равный: для сварки малоуглеродистой и низколегированных сталей 8—14, для сварки нержавеющей стали и низколегированных сталей 25—40, для сварки алюминиевых сплавов на машинах большой мощности 100—150, на машинах малой мощности 20—25. 
 
Время нагрева или прохождения сварочного тока изменяется в больших пределах (от десятков до тысячных долей секунды) и зависит от мощности машины и условий сварки. При сварке сталей, склонных к закалке и образованию трещин, время нагрева увеличивают, с тем чтобы замедлить последующее охлаждение металла (например, углеродистые стали). Сварку нержавеющих аустенитных сталей производят, наоборот, с возможно меньшей длительностью нагрева из-за опасности нагреть наружную поверхность точки до температуры структурных превращений и тем самым нарушить высокие антикоррозионные свойства наружных слоев металла. 
 
Величина давления между электродами должна обеспечивать хороший контакт изделий в месте сварки. Она зависит от толщины свариваемых изделий и от рода свариваемого металла: обычно давление изменяется в пределах от 20 до 120 МПа. Особое значение имеет давление после нагрева. При соответствующей величине этого давления структура металла в месте сварки получается мелкозернистой и прочность точки приближается к прочности основного металла. Увязка величины давления во времени с длительностью нагрева в основном определяет прочность сварного соединения. Существует несколько вариантов с различным соотношением величины давления в разные моменты сварки. Наиболее правильными из них являются те, в которых давление к моменту прекращения нагрева повышается. 
 
На качество сварки влияет также и правильный выбор диаметра медного электрода. Диаметр сварной точки зависит от диаметра конца электрода. Необходимо, чтобы диаметр сварной точки был в 2—3 раза больше толщины наиболее тонкого элемента сварного соединения. 
 
Расстояние между сварными точками следует выбирать так, чтобы уменьшить шунтирование тока через соседние точки. Так, в случае сварки двух деталей при толщине каждой от 1 до 8 мм расстояние между точками соответственно изменяется от 15 до 60 мм, а при сварке трех деталей — от 20 до 100 мм. Электроды для точечной сварки должны обеспечивать высокую электро- и теплопроводность, прочность при рабочей температуре, а также легкость механической обработки. Материалами, отвечающими этим требованиям, являются холоднокатанная электролитическая медь, специальные бронзы с присадкой кобальта или кадмия, медные сплавы с присадкой хрома и сплава на вольфрамовой основе. Медь значительно превосходит эти бронзы и сплавы по своей электро- и теплопроводности, но в 5—7 раз уступает им в отношении стойкости против износа. Поэтому наилучшим из этих сплавов, мало уступающим меди по своим теплофизическим свойствам, но превосходящим ее по прочности, является сплав типа ЭВ, представляющий собой почти чистую медь с добавкой 0,7% хрома и 0,4% цинка. Для уменьшения износа электроды большей частью интенсивно охлаждают водой. Электроды целесообразно изготовлять со сменными наконечниками из износостойких сплавов. 
 
Преимущества контактной сварки перед другими способами. 

•  
  Высокая производительность (время сварки одной точки или стыка составляет 0,02... 1,0 с)
•  
  Малый расход вспомогательных материалов (воды, воздуха)
•  
  Высокое качество и надежность сварных соединений при небольшом числе управляемых параметров режима, что снижает требования к квалификации сварщика
•  
  Это экологически чистый процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации

 
2 Машины для  контактной точечной сварки 
 
Машины для контактной сварки бывают стационарными, передвижными и подвесными (сварочные клещи). По роду тока в сварочном контуре могут быть машины переменного или постоянного тока от импульса тока, выпрямленного в первичной цепи сварочного трансформатора или от разряда конденсатора. По способу сварки различают машины для точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки.  
 
Любая машина для контактной сварки состоит из электрической и механической частей, пневмо- или гидросистемы и системы водяного охлаждения (рис. 3).  
 
 
 
Рисунок 3 - Типовые схемы машин для контактной точечной  
 
(а)шовной(б) и стыковой (в) сварки:  
 
1 - трансформатор; 2 - переключатель ступеней; 3 - вторичный сварочный контур; 4 - прерыватель первичной цепи; 5 - регулятор; 6 - привод сжатия; 7- привод зажатия деталей; 8 - привод осадки деталей; 9 - привод вращения роликов; 10- аппаратура подготовки; 11 - орган включения 
 
Электрическая часть включает в себя силовой сварочный трансформатор 1 с переключателем ступеней 2 его первичной обмотки, с помощью которого регулируют вторичное напряжение, вторичный сварочный контур 3 для подвода сварочного тока к деталям, прерыватель 4 первичной цепи сварочного трансформатора 1 и регулятор 5 цикла сварки, обеспечивающий заданную последовательность операций цикла и регулировку параметров режима сварки.  
 
Механическая часть состоит из привода сжатия 6 точечных и шовных машин, привода 7 зажатия деталей и привода 8 осадки деталей стыковых машин. Шовные машины снабжены приводом 9 вращения роликов.  
 
Пневмогидравлическая система состоит из аппаратуры 10 подготовки (фильтры, лубрикаторы, которые смазывают движущиеся части), регулирования (редукторы, манометры, дросселирующие клапаны) и подвода воздуха к приводу 6 (электропневматические клапаны, запорные вентили, краны, штуцера).  
 
Система водяного охлаждения включает в себя штуцера разводящей и приемной гребенок, охлаждаемые водой полости в трансформаторе 1 и вторичном контуре 3, разводящие шланги, запорные вентили и гидравлические реле, отключающие машину, если вода отсутствует или ее мало.  
 
Все машины снабжены органом включения 11. У точечных и шовных машин это ножная педаль с контактами, у стыковых - это комплект кнопок. С органов управления поступают команды на сжатие "С" электродов или зажатие "3" деталей, на включение "Т" и отключение "О" сварочного тока, на вращение "В" роликов, на включение "а" регулятора цикла сварки. Эти команды отрабатываются соответствующими блоками машины, обеспечивая выполнение операций цикла сварки.  
 
Кроме универсальных применяются специальные машины, приспособленные для сварки конкретных конструкций и типов размеров изделий. Примером могут служить машины для контактной точечной сварки кузовов автомобилей, встроенные в автоматические линии, машины для стыковой сварки оплавлением продольных швов труб в прокатном производстве.  
 
При подготовке поверхностей к контактной сварке должны выполняться три основных требования: в контактах электрод-деталь должно быть обеспечено как можно меньшее электрическое сопротивление К_э-д —> min), в контакте деталь-деталь сопротивление должно быть одинаковым по всей площади контакта. Сопрягаемые поверхности деталей должны быть ровными, плоскости их стыка при сварке должны совпадать.  
 
Выбор конкретного способа подготовки поверхностей определяется материалом деталей, исходным состоянием их поверхностей, характером производства. Для штучного и мелкосерийного производства необходимо предусмотреть операции правки, рихтовки, обезжиривания, травления или зачистки, механической обработки. В условиях крупносерийного и массового производства, где обеспечивается высокое качество исходных материалов в заготовительном и штампопрессовом производствах, подготовку поверхностей перед сваркой можно не делать. Исключение составляют детали из алюминиевых сплавов, требующих обработки поверхности не ранее чем за 10 ч до сварки.  
 
Критерием качества подготовки поверхности является величина контактных сопротивлений R_э-д и R_д-д. Для их измерения детали зажимают между электродами сварочной машины, но сварочный ток не включают. Сопротивление измеряют микроомметром при помощи щупов. Для сталей сопротивление более 200 мкОм свидетельствует о плохом качестве поверхности. Высокое R_э-д приводит к перегреву электродов и подплавлению поверхности деталей, вследствие чего происходит наружный и внутренний выплеск металла и образуется чрезмерная вмятина под электродами.  
 
Качество сварных соединений, выполненных контактной сваркой, определяется подготовкой поверхностей к сварке, а также правильным выбором параметров режима и их стабильностью. Основной показатель качества точечной и шовной сварки - это размеры ядра сварной точки. Для всех материалов диаметр ядра должен быть равен трем толщинам S более тонкого свариваемого листа. Допускается разброс значений глубины проплавления в пределах 20...80 % S. За меньшим из этих пределов следует непровар, за большим - выплеск. Глубина вмятины от электрода не должна превышать 0,2 S. Размер нахлестки в точечных и шовных соединениях должен выбираться в пределах 2,5...5,0 диаметров ядра.  
 
Основные дефекты сварных соединений при точечной и шовной сварке - это непровар, заниженный размер литого ядра, трещины, рыхлоты и усадочные раковины в литом ядре и выплеск, который может быть наружным, из-под контакта электрод - деталь, и внутренним, из-под контакта между деталями. Причины этих дефектов - недостаточный или избыточный нагрев зоны сварки из-за плохой подготовки поверхностей и плохой сборки деталей или из-за неправильно выбранных параметров режима сварки.  
 
При стыковой сварке по тем же причинам могут возникать непровары. Перегрев зоны сварки может вызвать структурные изменения (укрупнение зерна) и обезуглераживание сталей. Это ухудшает механические свойства соединений.  
 
Контролируют качество контактной сварки чаще всего внешним осмотром, а также любыми методами неразрушающего контроля. Сложность контроля состоит в том, что этими методами непровар не выявляется, так как поверхности деталей плотно прижаты друг к другу, в их контакте образуется "склейка", проникающие излучения, магнитное поле и ультразвук не отражаются и не ослабляются. Наиболее оперативный метод контроля - разрушение контрольных образцов в тисках молотком и зубилом. Если непровара нет, разрушение происходит по целому металлу одной из деталей, можно измерить диаметр литого ядра при точечной и шовной сварке 
 
 
3 Применение промышленных роботов для точечной сварки 
 
Большинство роботов для точечной сварки применяется в автомобильной промышленнсти. При сборке автомобиля необходимо выполнить огромное количество операций точечной сварки , чтобы надлежащим образом соединить между собой различные детали кузова, например боковины, крышу и капот. На современных конвейерах эти детали вначале соединяются временно несколькими прихваточными сварными соединениями . Далее кузов перемещается по конвейеру мимо группы роботов, каждый из которых осуществляет сварку встрого определенных местах. Поскольку все кузова, монтируемые на одной производственной линии , для получения высококачественных соединений просто требуется , чтобы робот каждый раз повторял заданную последовательность перемещений . 
 
При очевидных преимуществах такого использования роботов существует ряд и серьезных технических проблем. Запрограммировать робот весьма непросто. Необходимо не только задать точный маршрут движения манипулятора, но и подготовить инструкции, в соответствии с которыми регулируется напряжение и сила тока в каждой точке маршрута. А эти параметры могут меняться, например, в зависимости от толщины свариваемого материала или от того, какую форму имеет прокладываемый шов - прямую или криволинейную. 
 
Также необходимо сконструировать фиксаторы , удерживающие детали в процессе сварки таким образом, чтобы сварка осуществлялась при высокой точности позиционирования. Когда сварочный пистолет держит человек , он способен учитывать незначетельные смещения заготовки. Сварщик-человеку лишь слегка сместит инструмент, с тем чтобы выполнить шов в заданном месте. . 
Робот же не способен принимать подобные решения , если фиксаторы допускают перекос или смещение, то существует вероятность того ,что сварные швы будут расположенны с отклонением. Кроме того, фиксатор должен быть таким, чтобы манипулятор имел доступ к детали с разных сторон. 
 
Следующая проблема касается допусков на изготавливаемые детали. 
Сварщик-человек принимает во внимание неизбежные отклонения в размерах, но роботу подобная коррекция не под силу. Таким образом, когда сварка осуществляется с помощью автоматики, допуски на детали, изготавливаемые на других участках предприятия, должны быть минимальными. 
 
В настоящее время контактная сварка получила очень широкое распространение и развитие. В авто-, судо-, авиа-, и других отраслях промышленности контактная (точечная) сварка (КТС) является одним из ведущих технологических процессов.  
Большое значение контактной сварки в производстве обуславливается следующими её основными достоинствами:  
- высокой производительностью; 
- широкой возможностью автоматизации;  
- высоким и стабильным качеством сварки  
- отсутствием потребности в специальных технологических материалах (присадочная проволока, флюс, газы и т.д.)  
 
Все способы контактной сварки основаны на нагреве и расплавлении металла теплотой, выделяющейся при протекании электрического тока по деталям, находящимся под давлением.  
 
Контактная сварка представляет собой своеобразный процесс, в котором сочетается расплавление металла и получение литой структуры сварного соединения. Давление должно быть достаточным для преодоления жесткости изделия и осуществления необходимой пластической деформации, обеспечивающей соответствующую прочность сварной точки.  
 
Для автоматизации процесса контактной сварки наиболее гибким носителем инструмента (сварочных клещей) является Шести-осевой промышленный робот с соответствующей грузоподъемностью. 
При этом система управления (контроллера) промышленного робота должна позволять управлять как сварочными клещами, так и сварочным контроллером. 
Среди существующего разнообразия сварочных роботов, выделим сварочные роботы KAWASAKI серии ZX, а среди сварочного оборудования для контактной сварки – сварочное оборудование OBARA. 
 
Контроллер робота включает в себя опцию, разработанную именно для сварочных клещей, как пневматических, так и клещей с управляемым сервоприводом (сервоклещей). 
 
Что такое сварочные сервоклещи? Сварочные сервоклещи, используемые в автоматизированных линиях контактной, точечной сварки, являются 7-ой осью робота, управляемой контроллером робота, и работающей синхронно вместе с остальными 6-ью осями робота. Благодаря приводу серводвигателя, в отличие от пневматических клещей, сила сжатия и величина хода электродов контролируются и задаются в контроллере робота. Кроме того, осуществляется автоматическая компенсация износа электрода с коррекцией обученных точек, компенсация смещения клещей.  
 
При сравнении с пневматическими клещами сварочные сервоклещи обеспечивают следующие возможности:  

1.  
   Т.к. движущийся электрод сервоклещей замедляется до контакта с деталью при точечной сварке, звук от удара уменьшается. При этом уменьшается деформация деталей.
2.  
   Т.к. воздух не используется для перемещения электродов, они не создают шума. Вместе с уменьшением шума, стало возможным реализовать бесшумную рабочую обстановку. 
3.  
   Т.к. промышленный робот управляет всеми движениями клещей, при программировании точек электроды можно разводить на минимальное расстояние, которое обеспечивает беспрепятственный переход от точки к точке, что существенно сокращает время цикла.
4.  
   Т.к. промышленный робот может компенсировать износ электрода и смещение клещей, может быть достигнуто более высокое качество сварных точек, по сравнению с пневматическими клещами.
5.  
   Т.к. сила сжатия, величина и время протекания сварочного тока являются хорошо управляемыми процессами для сварочных сервоклещей, может быть достигнуто наилучшее качество сварки. 
6.  
   Т.к. в сварочных сервоклещах используются стандартные компоненты, расходы на техническое обслуживание могут быть минимизированы. 
7.  
   Т.к. положение электродов клещей при сжатии может быть управляемо с высокой точностью, позиция детали остается неизменной. Это позволяет использовать простую, установленную в точном положении оснастку, которая исключает необходимость сложных оснасток и помогает реализовать более универсальную рентабельную систему точечной сварки. 
8.  
   Т.к. для обеспечения постоянного качества сварных точек, наконечники электродов необходимо периодически затачивать, для этого используется устройство автоматической заточки. Оператор в контроллере робота задает количество точек, через которое робот выполнит заточку наконечников. По достижении данного количества точек робот автоматически перемещает клещи к устройству заточки, сжимает с заданным усилием и включает заточку. После заточки выполняется проверка износа наконечников путем сжатия клещей в воздухе и на калибровочной пластине. Затем робот продолжает выполнять сварочные операции с компенсацией обученных точек на величину износа наконечников. 
   Отметим еще некоторые преимущества роботизированной контактной сварки при помощи сервоклещей:

 
• Простой процесс обучения, не требуется  большой точности при задании  траектории 
 
•Не требует операторов со специальной квалификацией (запрограммированные операции)  
 
• Этот вид сварки идеален для сварки металлических листов  
 
• Чрезвычайно надежные и прочные сварочные точки  
• Низкий износ электродов  
 
• Сохраняются особенности металла (малая зона термообработки)  
• Сохраняются антикоррозионные покрытия  
 
• Отсутствуют вредные дымовые газы  
 
• Чрезвычайно низкий риск пожара  
 
• Высокая производительность (не требует сверления и заполнения отверстий, не требует шлифовки и пр.) 
 
Один из результатов использования сварочного робота KAWASAKI и сервоклещей OBARA - реальная возможность выполнять контактную сварку двух поверхностей без появления следов деформации металла на лицевой стороне изделия, при сохранении всех преимуществ контактной сварки. 
 
4 Заключение 
 
Применение контактной точечной сварки в современной промышленности является одним из основных высокопроизводительных технологических процессов, позволяющих успешно решать многие вопросы развития производства.  
 
Применение промышленных роботов для точечной сварки и интегрированных производственных систем, позволяет добиться существенно большей экономии затрат, гибкости и повышенной производительности во многих прикладных отраслях, что в условиях современного экономического кризиса является одной из приоритетных задач для бизнеса. 
Список использованной литературы 
 
1. Сварка на контактных машинах: Учебник для проф.-техн. училищ. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1979.— 215 стр. 
 
2. Сварка и резка материалов. М.Д. Банов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин. -М. 
 
3. Технология и оборудование контактной сварки. Банов М.Д.