При сборке изделий под сварку возникают погрешности, определяемые точностью изготовления и точностью позиционирования деталей, имеются и погрешности позиционирования руки робота при по­даче сварочного инструмента к месту сварки и погрешности, возникающие при воспроизведении робо­том заданной траектории движения электрода (сварочного инструмента) вдоль предполагаемой линии сварного соединения. Это нередко приводит к неточной укладке сварного шва, получению шва непра­вильной геометрии, непровару, что может снижать прочность сварного соединения.

Для направления сварочного инструмента по линии сварного соединения и стабилизации расстоя­ния между сварочной горелкой и поверхностью изделия применяются различные датчики (лист 71, рис. 1), отличающиеся принципом действия. По способу отыскания линии соединения датчики разделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные датчики могут снимать информацию о месте укладки шва, используя свариваемые кромки (рис. 2, а, б, г и 3, а, б), линию сплавления валиков или валика с кромкой (рис. 2, б) .

Контактные датчики с копирными роликами 2 (рис. 4) могут быть жестко соединены со сварочной горелкой 7 и непосредственно задавать положение электрода (рис. 4, а, б, и 8) или позволяют получать сигнал о линии соединения, который используется для смещения горелки в нужном направлении с по­мощью управляющих устройств (рис. 4, в). Наряду с непрерывным копированием линии соединения возможна корректировка положения горелки периодически, как это предусмотрено конструкцией пневмощупа "Motoman" (рис. 5 ... 8), разработанного специально для дуговой сварки плавящимся элек­тродом в среде углекислого газа. К пневматическому датчику-щупу сварочная горелка крепится жестко (лист 72, рис. 8). В начале сварки горелка должна найти правильное исходное положение. При установ­ке ее рукой робота в исходное положение погрешность корректируется действием усилия, возникающе­го при выдвижении щупа. Для этого сначала осуществляется разблокировка фиксирующего устройства 5 (рис. 7, а) снятием давления воздуха в кольцевой полости А и сдвиг корпуса 3 с щупом 1 в крайнее нижнее положение под действием пружины 4 и при подаче воздуха в полость Б. Затем подачей воздуха в полость В выдвигается щуп до упора его в угол (рис. 7, б), в котором следует уложить шов. При этом корпус 3 с щупом 1 вместе со сварочной горелкой поворачивается относительно направляющей по­верхности цилиндра 6, закрепленного на руке робота. Этим осуществляется корректировка, обеспечи­вающая установку электрода на линию соединения.

Установление заданного вылета электрода происходит путем смещения корпуса 3 относительно на­правляющей поверхности цилиндра 6 снятием давления в полости Б. При этом перемещение корпуса 3 ограничивается упором его кромки а (рис. 7, в) в поршень 7 щупа. Это правильное положение корпуса 3 с горелкой фиксируется подачей воздуха в полость А и прижатием элементов фиксирующего устрой­ства 5 к цилиндру 6 (рис. 7, 8). Затем щуп втягивается внутрь корпуса под действием пружины 2 при снятии давления в полости В. Начинается процесс сварки. В процессе сварки возможна периодическая корректировка положения электрода аналогичным образом без прекращения горения дуги с остановкой движения руки робота на 300 мс. На качестве сварки такие остановки обычно не сказываются.

Электромеханический датчик (рис. 9, д) содержит копирующий элемент — щуп 1, который под дей­ствием пружин, пневмоцилиндров или собственной массы прижимается к копируемой поверхности с небольшой силой 1 ... 10 Н. Копирование осуществляется впереди места сварки или сбоку от него.

На рис. 9, а... г показаны различные варианты преобразования механического сигнала в электри­ческий. В фотоэлектрическом преобразователе (рис. 9, а) поворот щупа 1 в корпусе датчика смещает светодиод 2 относительно светочувствительных элементов 3; в электроконтактном преобразователе (рис. 9, б) поворот щупа 1 приводит к замыканию якорем 2 соответствующих групп контактов 3; в пре­образователе резисторного типа (рис. 9, в) — к смещению движка 2 потенциометра 3; в дифферен­циально-трансформаторном преобразователе (рис. 9, г) — к перемещению сердечников 2 восприни­мающих катушек 3. Полученный электрический сигнал используется для перемещения сварочного ин­струмента в нужном направлении.

Примером датчика такого типа является электромеханический двукоординатный датчик конструк­ции Института электросварки им. Е. О. Патона (рис. 9,д) с дифференциально-трансформаторными пре­образователями, расположенными в корпусе 2. Для повышения износостойкости щуп 1 армирован твер­досплавными пластинками. Корпус датчика и верхняя часть щупа охлаждаются водой. Датчик предна­значен доя слежения за боковой стенкой и дном разделки глубиной до 300 мм, а также для сварки обычных стыковых швов с разделкой и угловых швов. Датчик обеспечивает слежение с погрешностью, не превышающей ± 0,5 мм.

При использовании электромеханических датчиков глубина разделки кромок, копируемой канавки или незаполненной части разделки должна быть не менее 3 мм (при качественной подготовке кромок и сборке — не менее 1,5 мм).

К бесконтактным датчикам относятся телевизионные, фотоэлектрические, индуктивные, индукци­онные, пневматические и др.

Телевизионные датчики 2 (рис. 10, а... в) снимают информацию о движении сварочной горелки 1 при наличии контрастных линий или границ при подсветке их осветителем 3. Слежение возможно за линией стыка (рис. 10, а, б), за копирной линией или риской а (рис. 10, в), нанесенной параллельно сва­риваемой кромке, за границей "черное — белое” на копирной ленте, наклеиваемой на одну из кромок, за зазором, подсвечиваемым со стороны, обратной расположению датчика (рис. 10, а). Для получения кон­трастной линии можно окрашивать или зачищать до металлического блеска одну из свариваемых кро­мок. При слежении по стыку при сборке без зазоров для улучшения видимости на кромках снимают не­большие фаски.

Телевизионные датчики дают большой объем информации о положении и геометрических парамет­рах сварного соединения, современны и перспективны. Однако при использовании телевизионных дат­чиков возникают ложные сигналы, которые создают царапинки, риски и блики на поверхности свари­ваемых изделий, попадающие в поле зрения передающей камеры. Изменение освещенности поверхно­сти, подсвечиваемой дутой при сварке, тоже отрицательно влияет на работу систем управления с теле­датчиком. Наиболее резкие колебания освещенности поверхности наблюдаются при сварке в среде уг­лекислого газа.

Условия применения фотоэлектрических датчиков аналогичны условиям применения телевизион­ных датчиков. Для получения сигнала контрастная линия а (лист 73, рис. 11) освещается источником света 2 через объектив 1. Отраженный световой поток в амплитудно-фазовой следящей системе У892 проходит через объектив 6, диафрагму 5 электромеханического модулятора, окуляр 4 фотоприемника и попадает на фоточувствительный слой фотоприемника 3. Величина смещения датчика с контрастной линии оценивается по углу сдвига фаз между сигналом, снимаемым с фотоприемника, и опорным на­пряжением. При использовании фотоэлектрических датчиков возникают трудности из-за тех же свето­вых помех, которые мешают применению телевизионных датчиков.

Электромагнитные датчики получают информацию о стыке или поверхности изделия в результате изменения параметров магнитного поля, созданного самим датчиком. Их можно применять при сварке стыковых соединений. Ими можно измерять одновременно несколько параметров (смещение с линии соединения и расстояние до свариваемого изделия). Они пригодны при сварке магнитных и немагнит­ных металлов, малогабаритны; конструкция их проста.

Электромагнитные датчики подразделяются на индуктивные (рис. 12) и индукционные (рис. 13). В индуктивном датчике (рис. 12, а) при смещении - х: стыка от средней линии равенство магнитных пото­ков Ф1 и Ф2 и сопротивлений катушек Li и L2, нарушается, и возникает напряжение на дифференциаль­ном выходе (клеммы 1 ... 3). Индуктивные датчики чувствительны к превышению кромок. Для увеличе­ния точности работы индуктивных датчиков предложены конструкции с незамкнутым магнитопрово­дом (рис. 12, б), менее чувствительные к превышению кромок h.

Индукционные датчики содержат задающие обмотки Wi, питаемые переменным током, и индика­торные обмотки W2, в которых наводится электродвижущая сила, пропорциональная смещению стыка относительной плоскости симметриии магнитной системы. Индикаторные обмотки могут располагаться как на среднем стержне магнитопровода (рис. 13, а), так и на крайних (рис. 13,6).

В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана гамма унифицированных по принципу действия бессердечниковых индукционных датчиков положения стыкового соединения (рис. 13, в), датчиков расстояния до поверхности изделия (рис. 13, г) и комбинированных (рис. 13, д), которые дают информацию одновременно о смещении Ду, Az стыка и расстоянии hu до изделия. На рис. 14, в... з и 15, а ... г (лист 74) показано размещение датчиков 1 положения стыкового соединения, датчиков 2 рас­стояния до поверхности изделия и комбинированных датчиков 3 при сварке различных сварных соеди­нений. В конце шва часть стыка на длине Х откл (рис. 15, в, г) сваривается без слежения. Размещение индукционных датчиков и сварочной горелки на руке робота "Универсал-15М" показано на рис. 16.

Пневматические датчики (рис. 17) используют взаимодействие потока газа, вытекающего из сопла диаметром do с поверхностью изделия. Давление р газа в выходном сопле служит сигналом для управле­ния сварочным инструментом. Величина сигнала сильно зависит от смещения датчика с кромки, от расстояния до середины зазора и расстояния до изделия. В пневматическом датчике дроссельного типа (рис. 17, а) воздух под давлением ро подается через дроссель диаметром dд = 0,25 мм. Давление р на вы­ходе пропорционально расстоянию до изделия х Расстояние, контролируемое этим датчиком, изме­ряется десятыми долями миллиметра. Поэтому его можно использовать только на чистых поверхностях. Струйный датчик (рис. 17, б) контролирует давление отраженной струи и может использоваться на рас­стоянии х до 6 мм.

Пневматические датчики (рис. 18) компактны и обладают хорошей чувствительностью. Их можно ис­пользовать для направления электрода по разделке, используя кромку (рис. 19, в) или зазор, для под­держания постоянным вылета электрода (рис. 19, б), при сварке в узкую разделку (рис. 19, в), при кон­тактной точечной сварке (рис. 19, г). Датчик обеспечивает постоянство параметра а (рис. 19,а... г) при сварке.

Большой объем информации о расположении свариваемых элементов и форме наплавленного вали­ка можно получить, используя лазерный луч.

Применение монохроматического освещения с помощью лазера уменьшает чувствительность к све­товым помехам при дуговой сварке и дает возможность получать остросфокусированный световой луч диаметром 0,3 ... 0,5 мм у поверхности свариваемых элементов. На горелке 3 (рис. 20) установлен дви­гатель 1 кругового сканирования луча полупроводникового лазера 2 мощностью 1 ... І0 Вт в импульсе. Информация о положении яркого светового пятна на поверхности изделия воспринимается другой оп­тической системой. За один поворот датчика вокруг горелки проводится около 200 измерений, дающих полную трехмерную модель сварного соединения в зоне вокруг места сварки. Эта модель позволяет оп­ределить: угол

разделки или угол между свариваемыми элементами, превышение кромок, форму наплавленного вали­ка, расстояние между горелкой и поверхностью изделия, угол между осью горелки и линией соединения.

Общим недостатком рассмотренных выше различных типов датчиков является то, что они не обес­печивают контроля за блужданием электродной проволоки из-за ее искривленности или вследствие из­носа токоподвода.

Таким недостатком не обладают системы наведения с использованием дуги в качестве датчика (рис. 21). Эти системы основаны на изменении электрических параметров дуги (напряжения, сварочно­го тока, сопротивления) либо частоты коротких замыканий (при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов) с изменением длины дуги во время смещения дуги к одной из свариваемых кромок или при увеличении расстояния между горелкой и поверхностью свариваемого изделия.

Более четкая информация о месте стыка достигается сканированием дуги (рис. 21) или электрода (рис. 22) поперек стыка.

Для сканирования дуги, питающейся от источника 1 (рис. 21), можно использовать электромагнит 4, который питается от своего источника 3. В блоке управления 2 происходит сравнение мгновенных значений сварочного тока и напряжения на дуге, соответствующих отклонению дуги вправо и влево. Разница в их величине при смещении электрода к одной из кромок разделки преобразуется в сигнал управления, который используется в корректоре горелки, или для коррекции движения руки робота.

Использование дуги в качестве датчика положения линии соединения позволяет получать инфор­мацию непосредственно в точке сварки, что исключает необходимость запоминания информации, и строить следящие системы без дополнительных устройств на сварочной горелке. Эти системы перспек­тивны для использования в робототехнике.

Роботизированные технологические комплексы (листы 75 ... 80).

Роботизированными технологическими комплексами (РТК) называются снабженные роботами тех­нологические ячейки, участки, линии. Компоновка РТК зависит от характера изделия и серийности его выпуска. При дуговой сварке в ряде случаев целесообразно разделять функции между механизмами пе­ремещения сварочной горелки и манипулятором, служащим для перемещения свариваемого изделия (лист 75, рис. 1 и 2). При этом оба устройства работают по единой программе. Такой прием позволяет не только упростить кинематику и уменьшить число степеней подвижности самого робота, но и снизить требования к системе управления. На рис. 1, а, б приведены варианты использования робота с пря­моугольной системой координат в сочетании с вращателем. Различные типы сварочных манипуляторов показаны на рис. 2 (а... г).

Целесообразно для позиционирования деталей использовать поворотные столы (лист 76, рис. 3) с двумя приспособлениями для сборки. В этом случае оператор работает в паре с роботом-сварщиком, они разделены свето - и брызгозащитным экраном. Оператор собирает изделие, которое поворотным столом подается на сварку, а после сварки возвращается для контроля, подварки и съема изделия. Та­кая компоновка позволяет ввести оперативный контроль качества и облегчает задачу внедрения РТК, так как дает возможность обходиться без накопителей и загрузочных устройств. Изделия могут быть достаточно сложными. Оператор может осуществлять подгонку при сборке с целью поддержания посто­янства зазоров и устранения смещений положения сварных швов. Хотя оператор не избавляется от ручного труда, но его производительность при таком РТК увеличивается в 2,5 ... 3 раза, а условия рабо­ты облегчаются.

При использовании роботов можно идти по пути концентрации выполнения операций на одном ра­бочем месте, например, производя сварку всего собранного изделия, закрепленного на манипуляторе (рис. 4). Обработка изделий с одной установки сокращает вспомогательное время, способствует умень­шению сварочных деформаций и увеличивает точность изготовления изделия.

Расчленение операций с помощью использования многи-позиционных столов, конвейера (рис. 5 и лист 77, рис. 6) позволяет увеличить темп изготовления деталей, упростить программу и работу роботов. Однако в этом случае возрастают затраты на установку, закрепление и транспортировку деталей.

Для обеспечения полной загрузки сварочного робота целесообразно использовать РТК с несколькими сбо-рочно-сварочными приспособлениями (вращателями, манипуляторами изделия). На рис. 7, (лист 77), 8 (лист 78), 11 (лист 79) и 12 (лист 80) представлены варианты РТК для сварки различных изделий 3. Каждый робот 1 со своей рабочей зоной А имеет расположенные на участке сварочное оборудование 5, устройства управления роботом и устройство 4 управления вращателем 2.

На рис. 7, а... в (лист 77) представлены РТК с вращателями 2, расположенными на двухпозицион­ном поворотном столе. Изделие 3 при сварке вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Передача изделия с позиции сборки на позицию сварки и обратно происходит поворотом стола вокруг вертикальной оси. При сварке изделий длиной более 1200 мм передачу изделия с позиции сборки на по­зицию сварки и обратно более целесообразно осуществлять поворотом приспособления вокруг горизон­тальной оси (рис. 7, в).

Варианты РТК с неподвижно установленными роботами, представленные на рис. 7 ... 10, предна­значены для сварки изделий, свариваемые швы которых размещаются в рабочей зоне А робота 1.

РТК, показанный на рис. 8, а, состоит из двухпозиционного поворотного стола 6 с двумя горизон­тальными вращателями изделий 3 и вращателя 2, имеющего две взаимно перпендикулярные оси вра - щаения изделий. Этот РТК может сваривать одновременно изделия различных типов.

РТК на рис. 8, б имеет два одинаковых вращателя 2 с двумя взаимно перпендикулярными осями вращения изделия 3.

РТК, представленный на рис. 9, имеет вращатели 3 с двумя осями вращения: вертикальной — для вращения планшайбы 2, к которой крепится изделие, и наклонной — для вращения планшайбы вместе с изделием. Причем планшайба смещена с наклонной оси для уравновешивания массы изделия с план­шайбой относительно оси вращения. Сварочный полуавтомат 5 для уменьшения нагрузки на руку робо­та установлен отдельно от робота 1, на консоли 6, прикрепленной к сварочному источнику питания 7. Стойки управления 8 и пульт управления 4 расположены вне рабочей зоны робота.

На рис. 10 (лист 79) показан вариант РТК фирмы "Нокиа" (Финляндия). РТК оснащен поворотно - наклоняющи-мися вращателями 6 с пневматическими зажимными приспособлениями 9 для крепления изделия 4. Робот 5 и вра-щатели закреплены на общем основании 8 так, чтобы изделия находились в рабочей зоне робота. Механизм 1 подачи проволоки сварочного полуавтомата закреплен на консоли. Имеется сварочный источник питания 2 и устройство 7 для очистки горелки от брызг. Стойки управ­ления 11 с видеотерминалом 12 и пульт 10 управления работой РТК и вращателей расположены в зоне, недоступной для робота. РТК имеет защитное ограждение 5.

При сварке длинномерных изделий необходимо расширить рабочую зону А (рис. 11) робота. Поэто­му применяют роботы, перемещающиеся вдоль изделия. На рис. 11 показан РТК, имеющий два стацио­нарных вращателя 2, пульт управления 4 и оборудование 5. Одна из рабочих позиций поочередно ис­пользуется для установки и съема изделия 3, в то время как на другой позиции робот 1 производит сварку.

Более универсальная схема показана на рис. 12 (лист 80). Робот 1 поочередно сваривает изделия различных типов и размеров. РТК оборудован вращателем 2 для сварки крупногабаритных изделий, двухпозиционным поворотным приспособлением 7 с двумя вращателями, смена которых осуществляет­ся поворотом вокруг горизонтальной оси (см. лист 77, рис. 7, в), вращателем 6, осуществляющим пово­рот изделия относительно двух взаимно перпендикулярных осей (см. лист 76, рис. 4), пультами 4 и обо­рудованием 5 РТК.

Еще большее увеличение рабочей зоны достигается перемещением робота в двух направлениях: вдоль изделия и поперек изделия. Такая схема использована в РТК фирмы "Нокиа" (рис. 13). Робот 1 пе­ремещается от изделия (до 2 м) и вдоль изделия (до 15м). РТК имеет два одинаковых вращателя 6, в ко­торых можно закреплять изделия 5, собранные в кондукторе 7, или изделия 5, собранные на прихват­ках. Вращатели и направляющие для перемещения робота собраны на жесткой сварной раме 4. РТК имеет устройство 3 зачистки сварочной горелки. Механизм подачи 8 обеспечивает подачу сварочной проволоки в горелку по шлангу на расстояние до 20 м. РТК имеет защитное ограждение 2.

При применении РТК необходимо соблюдение мер, которые бы обеспечили безопасность обслужи­вающего персонала. Аварийные ситуации РТК могут возникнуть из-за непредусмотренных движений робота во время обучения или автоматической работы. Основной целью мероприятий по технике безо­пасности является исключение возможности одновременного нахождения человека и механизмов робо­та в одном месте рабочего пространства. Это достигается остановкой робота при входе человека в ра­бочее пространство.

Отключение робота выполняется устройствами защиты, использующими контактные, силовые, ультразвуковые, индукционные, светолокационные и другие датчики. На рис. 14 показана система за­щиты со светолока-ционными датчиками 3, состоящими из светоизлучателей и фотоприемников, при­меняемых попарно. Пересечение светового луча при входе рабочего в опасную зону к станкам 1 приво­дит к остановке робота 2.