Dotychczas wszystkie elementy produkowanych w Grazu przyrządów pomiarowych i regulacyjnych były spawane ręcznie. Przyczyna: zrobotyzowane systemy spawalnicze zostały uznane za nieekonomiczne w przypadku małych partii o wielkości od jednej do 400 sztuk.. Stały wzrost obrotów, coraz bardziej dotkliwy niedobór fachowej siły roboczej na krajowym rynku pracy oraz postępy w dziedzinie robotyki — dzięki którym zautomatyzowane spawanie jest opłacalne nawet przy małych wielkościach partii — zachęciły firmę do zainwestowania w nowoczesny system do spawania zrobotyzowanego. Jako główne kryterium specjaliści od przyrządów pomiarowych i regulacyjnych przyjęli elastyczność pod każdym względem w połączeniu z wysoką rentownością: elastyczność pod względem liczby, formy i wielkości elementów, ich ustawienia oraz stosowanych metod spawania.
Jak mówi Dominik Santner, COO Anton Paar GmbH — „Niedobór fachowej siły roboczej i ciągle rosnące liczby sztuk wymagają nowych rozwiązań w produkcji. Nowa cela do spawania zrobotyzowanego stanowi ważny krok w naszej strategii automatyzacji produkcji. Gdybyśmy nadal spawali ręcznie czujniki procesowe, mielibyśmy w najbliższych latach ogromne trudności ze zrealizowaniem założeń dotyczących wielkości produkcji”.
Autonomia spawania i zróżnicowanie elementów
Eksperci z Anton Paar od początku stawiali na autonomię systemu: po uzbrojeniu system spawania miał być w stanie realizować całe zlecenie od początku do końca w jednym ciągu cyklu, np. spawanie partii różnych obiektów, jak obudowa przetwornika drgań, wspornik główny lub chłodnica przeciwprądowa. Całkowicie samoczynnie i bez ingerencji spawacza.
Elementy o różnej formie, masie i wymiarach, zróżnicowane możliwości chwytania, ustawiania i odkładania, możliwość spawania jednego elementu przy użyciu różnych metod spawania (TIG i MIG/MAG) oraz stosowanie niezbędnego w przypadku walcowych korpusów gazu formującego jako ochrony przed przebarwieniami — to wszystko sprawiło, że budowa systemu była prawdziwym wyzwaniem dla inżynierów i programistów.
„Szukaliśmy solidnego partnera, który reprezentowałby zbliżone do naszego podejście do precyzji i jakości. Chcieliśmy kogoś, kto naprawdę nas wysłucha, odpowie na nasze preferencje i zaproponuje zrównoważone rozwiązania. Takie, które zapewniłyby nam na lata przewagę nad konkurencją” — tłumaczy Daniel Moik, szef działu Joining Technologies. „Fronius International GmbH idealnie pasował do tej wizji zrównoważonej współpracy. W ścisłej współpracy z naszymi technikami zespół z Welding Automation skonstruował celę do spawania zrobotyzowanego, która spełniała nasze wymagania pod każdym względem. W dodatku Fronius deklaruje chęć wspólnego dopracowywania systemu, aby dostosowywać go do nowych potrzeb”.
Synonim efektywności: Fronius Pathfinder
W Anton Paar nowe spoiny są programowane offline — z dala od systemu spawania — a nie, jak zwykle, w samym urządzeniu. Pozwala to uniknąć wstrzymywania prac spawalniczych będących w toku, z korzyścią dla wydajności. W ramach tego procesu spawacze importują dane CAD spawanych elementów przyrządów pomiarowych do programu Fronius Pathfinder®. Następnie testowane są różne scenariusze spajania i wyznaczana jest kolejność spawania, która jest następnie optymalizowana w trakcie symulacji.
Badane są drogi dojścia, kąty przyłożenia uchwytu spawalniczego, odsadzenia uchwytu spawalniczego w rogach oraz wszystkie zmiany orientacji robota spawalniczego. Pathfinder wykrywa ewentualne przekroczenia zasięgu robota, czyli tak zwanych limitów osi. Jeśli operator oprogramowania skoryguje miejsce odłożenia elementu spawanego i znajdzie się on w zasięgu długości ramienia robota spawalniczego, potencjalne kolizje uchwytu spawalniczego z różnymi krawędziami elementu będą wykrywane z wyprzedzeniem.
Wykrywanie przyczyn wad z wyprzedzeniem
W razie konieczności skorygowania toru, można przesuwać dane punkty w programie wygodną metodą „przeciągnij i upuść”. Jeśli należy zmodyfikować dojście do elementu, operator musi tylko nacisnąć „Reset”. Wirtualny robot zostanie wówczas sprowadzony do pozycji wyjściowej, aby rozpocząć nowy dojazd. W rzeczywistości wymagane byłoby czasochłonne wyprowadzanie robota, przemieszczenie go do pozycji wyjściowej za pomocą sterownika robota i rozpoczęcie od nowa procesu programowania. Dzięki wybraniu oprogramowania do programowania i symulacji Pathfinder eksperci z Anton Paar nie tylko oszczędzają cenny czas, ale także są w stanie wykrywać przyczyny wad z wyprzedzeniem.
Gdy tylko program spawania zostanie skończony w Pathfinder, jest konwertowany w tak zwanym postprocesorze na wewnętrzny kod robota spawalniczego Fanuc. Następnie może zostać przesłany do systemu spawania — np. za pomocą połączenia LAN. Funkcją szczególnie przydatną w całym planowaniu produkcji jest „Obliczanie czasu cyklu” obejmujące prędkości spawania oraz czasy wypływu gazu przed spawaniem i wypełniania krateru. Zależnie od geometrii elementu i wymagań spawalniczych Pathfinder pozwala zaoszczędzić do 90% czasu w porównaniu do programowania za pomocą sterownika robota.
Przystosowanie do indywidualnych wymagań Anton Paar
Do spawania różnych elementów w Anton Paar służą indywidualnie zaprojektowane przepływy pracy, z których 3 są głównymi przepływami pracy pokazującymi ogromną elastyczność pod względem zakresu elementów.
Przepływ pracy 1: Elementy są spawane na pozycjonerze obrotowo-uchylnym. W tym celu paleta z elementami jest pobierana z regału paletowego i wkładana tymczasowo do schowka. W dalszej kolejności robot manipulacyjny jest uzbrajany w chwytak pasujący do elementu, wybierany spośród 6 chwytaków ulokowanych w stacji wymiany chwytaków. Wyposażony w ten sposób robot manipulacyjny chwyta element i mocuje go na pasującym do niego zacisku, w który został już uzbrojony stół obrotowo-uchylny. Kolejne elementy są brane z palety, spawane i odkładane na paletę jeden po drugim.
Przepływ pracy 2: Elementy są spawane bezpośrednio na paletach, przy czym robot manipulacyjny transportuje palety z regału paletowego i ustawia je przed robotem spawalniczym. Podczas spawania ruchy robota manipulacyjnego i robota spawalniczego są skoordynowane, aby mogły być wykonywane spoiny nie tylko o prostej, ale także o skomplikowanej geometrii.
Przepływ pracy 3: Elementy są pobierane pojedynczo, ustawiane przez robota manipulacyjnego i przemieszczane podczas spawania w sposób zsynchronizowany z ruchami robotami spawalniczego (Coordinated Motion).
Aby system wiedział, co ma robić
Oprócz nowatorskich urządzeń spawalniczych Fronius, sterowników, czujnika do wyznaczania Tool Center Point (TCP), stacji czyszczenia uchwytu spawalniczego i obudowy, system spawania zrobotyzowanego składa się z 7 modułów zasadniczych, których działanie jest koordynowane przez oprogramowanie: robota manipulacyjnego, robota spawalniczego, pozycjonera obrotowo-uchylnego z jednostką gazu formującego, magazynu palet z dwoma regałami, stacji manewrowej chwytaków, zmieniacza uchwytów spawalniczych i schowka palet we wnętrzu systemu. Warunkiem precyzyjnej synchronizacji działania tych modułów podczas cykli pracy jest wykonanie następujących czynności:
Najpierw palety i elementy są tworzone razem w sterowaniu systemowym HMI-T21 RS. Spawacz wprowadza do tego sterowania 4 ważne informacje: (1) typ palety, (2) rodzaj, (3) liczba i (4) pozycja elementów na palecie — np. ile wsporników głównych lub obudów przetwornika drgań znajduje się w którym miejscu na której palecie. Jeśli jest to paleta offsetowa, pozycja elementów jest obliczana z tak zwanych odstępów offsetowych elementów względem siebie, przy czym jako pozycja bazowa przyjmowany jest pierwszy element. Offset może wynosić np. 200 mm na osi Y i +200 mm na osi X. Wykonywane przez Anton Paar palety są zbudowane z płyt perforowanych o grubości centymetra i działają jako system wtykowy. Znajdują się one w składającym się z dwóch regałów magazynie palet i są tak skonstruowane, aby pasowały do nich wszystkie możliwe elementy, przy czym pozycje pobierania i odkładania poszczególnych elementów często są różne, zależnie od właściwości elementu i chwytaka robota manipulacyjnego.
Sterownik robota zawiera hierarchicznie nadrzędne programy robota do poszczególnych typów przepływów pracy. Zapisywane są w nim programy spawania utworzone w programie Pathfinder. Jeśli w HMI zostanie utworzona paleta dla przepływu pracy 2 (elementy są spawane bezpośrednio na palecie), są filtrowane odpowiednie programy spawania zrobotyzowanego i spawacz z Anton Paar może wygodnie wybierać te, które są dostępne w przepływie pracy 2, oraz przyporządkować do palety wymagany program spawania. Ponadto istnieje możliwość nie tylko zastosowania pojedynczego programu spawania, ale także utworzenia całej sekwencji roboczej. Dla palety może na przykład zostać najpierw utworzony program TIG, który w sekwencji następuje po programie MAG (np. CMT). W takim przypadku system spawania zrobotyzowanego wykona oba te programy po sobie, a proces spawania zostanie zmieniony automatycznie. Ponadto eksperci z Anton Paar mogą wstawiać w sekwencji HMI określone kroki specjalne. System zna przykładowo krok specjalny „Odwrócić element”, który może zostać w razie potrzeby wykonany między metodami spawania (TIG i CMT).
Jeśli do manipulowania paletami opisanego w przepływie pracy 1 jest potrzebny określony chwytak, musi on zostać wybrany w systemie przez operatora systemu. W sumie, jak już wspomniano, do dyspozycji jest 6 różnych chwytaków ulokowanych w stacji wymiany chwytaków.
Programowanie pozycji chwytania i odkładania
Klasyczna sekwencja manipulowania, czyli pobranie palety, sprowadzenie jej do pozycji spawania, odtransportowanie i odłożenie, jest standardowym programem i nie wymaga żadnej interwencji od operatora. W żargonie fachowym nazywa się to funkcją „osadzoną”. Wskazane muszą zostać jedynie pozycje chwytania.
Jeśli zostanie wprowadzony nowy element, którego nie rozpoznają stacje odkładania i pobierania, praca automatyczna zostaje wstrzymana. Spawacz jest wzywany do rozpoczęcia procesu programowania za pomocą sterownika robota Fanuc iPendant i otrzymuje stosowne podpowiedzi od oprogramowania systemu. W ten sposób system „uczy się” pozycji chwytania/odkładania wymaganej w danej stacji (np. w schowku). Jest ona zapisywana w rejestrze i program manipulacji może natychmiast z niej korzystać. Następnie praca automatyczna jest kontynuowana do następnej stacji. Jeśli w tej stacji element jest także nieznany, musi zostać zaprogramowana także ta pozycja. Jeśli zgodnie z opisanym schematem zostaną opracowane wszystkie stacje, robot manipulacyjny będzie transportował wszystkie inne takie same elementy całkowicie automatycznie w systemie — bez przerw.
Gdyby na palecie przewidzianej na 7 elementów znajdowały się tylko 3 elementy, nie sprawi to żadnego problemu. System wykryje „pusty chwyt” i automatycznie przejedzie do następnej pozycji elementu.
Indywidualne wyposażenie: paleta kalibracyjna
Oprócz standardowego obłożenia z odsadzeniem, które nadaje się najlepiej do elementów o prostej formie, firma Anton Paar chciała mieć możliwość układania do 30 metalowych elementów w dowolnych miejscach na palecie. Fronius spełnił to życzenie za pomocą „palety kalibracyjnej”. Po jej wybraniu można zaprogramować pozycję dowolnego elementu na palecie oddzielnie.
„Te dwa warianty — paleta z odsadzeniem i paleta kalibracyjna — zapewniają nam maksimum elastyczności pod względem wkładania elementów” — podkreśla dr Ingo Riemenschneider, szef działu Production Automation. „Definiowanie pozycji elementów za pomocą odstępów odsadzenia nie zawsze ma sens. Istnieją elementy, które ze względu na ich skomplikowaną formę, musimy mocować w różnych orientacjach”.
Precyzja jak pierwszego dnia — również po miesiącach
Jeśli spawacz chce rozpocząć proces spawania, skanuje numer artykułu z karty elementu swoim skanerem ręcznym.
„Jeśli system rozpozna numer artykułu, czyli element, proces manipulacji i spawania jest mu znany i może rozpocząć pracę. Wszystkim steruje HMI-T21 RS. Dla każdego elementu jest podane, jakiego wymaga chwytaka i urządzenia” — dodaje Riemenschneider. „To samo dotyczy czasu przedmuchiwania argonem podczas formowania i czasu spawania. System wie również, czy i jakie dane są potrzebne do ewidencji parametrów spawania”.
Po miesiącach cela do spawania zrobotyzowanego działa z taką samą precyzją jak pierwszego dnia: spoina znajduje się dokładnie w tym samym miejscu. Również dlatego, że w Anton Paar elementy są wykonywane z milimetrową dokładnością i we wzorowy sposób obrabiane.
Możliwość wielokrotnego odwracania elementów — również podczas formowania
Pozycjoner obrotowo-uchylny wyposażony jest w prowadnicę na 4 przewody mediów, 2 do powietrza i 2 do argonu, i jest w stanie przekazywać 32 sygnały wejścia-wyjścia (IO). Wykonana została z tworzywa sztucznego przez Anton Paar w technologii druku 3D. Jeśli jest wymagane formowanie, robot manipulacyjny najpierw pobiera potrzebny do tego zacisk z regału paletowego i zaciska go na manipulatorze za pomocą specjalnego systemu zaciskania. Od tego momentu podłączone są przewody do zasilania powietrzem cylindra pneumatycznego oraz przewody gazu do przedmuchiwania argonem. Zacisk przesyła teraz także sygnały elektryczne. W dalszej kolejności robot manipulacyjny ustawia elementy i system wysyła sygnał, aby rozpocząć zaciskanie. Teraz można formować, a następnie spawać. System jest tak skonstruowany, aby możliwe było wielokrotne odwracanie elementu na jednym zacisku.
„Było dla nas bardzo ważne, aby wszystkie procesy i właściwości zaplanowane w systemie były powtarzalne. Systemowi musi być obojętne, czy dany proces odwracania jest wykonywany po raz pierwszy czy po raz setny. Ponieważ złożoność elementów ciągle się zmienia, razem z ekspertami z Fronius włożyliśmy bardzo dużo pracy w to, aby procesy zawierały jak najmniej ograniczeń” — podkreśla Riemenschneider.
Pomiar resztkowego tlenu made by Anton Paar
Podczas formowania w pozycjonerze obrotowo-uchylnym zawartość resztkowego tlenu w elemencie jest mierzona za pomocą miernika Oxy 5100 własnej produkcji. Pomiar jest wykonywany bez dryftu w trakcie całego procesu spawania, a tlen rozpuszczony w strumieniu gazów jest mierzony w czasie rzeczywistym. Zazwyczaj mocuje się element między dwiema częściami przewodu. Na jednym końcu przewodu zasilającego wpływa do niego gaz formujący, a na drugim końcu wypływa z niego strumień spalin i na nim jest dokonywany pomiar stężenia resztkowego tlenu. W zautomatyzowanym procesie spawania taki sposób postępowania byłby przeciwskuteczny, ponieważ robot musiałby podczas każdego procesu spawania podłączyć, a następnie odłączyć dodatkowy przewód spalin. Dlatego zdecydowano się na umieszczenie przyrządu pomiarowego w przewodzie zasilającym. Gdy tylko przyrząd zgłosi, że zostało osiągnięte wymagane stężenie resztkowego tlenu, rozpoczyna się spawanie, ale wcześniej jest jeszcze doliczany czas oczekiwania na przepływ argonu przez element. Jest to niezbędne, aby wiadomo było, że stężenie resztkowego tlenu nie spadnie poniżej wymaganej wartości. Czas potrzebny na spenetrowanie całego elementu — czas oczekiwania — jest ustalany w przypadku każdego elementu za pomocą ręcznego pomiaru i zapisywany w systemie. Jeśli element wystąpi ponownie, sterownik może odczytać te wartości i stosownie reagować.
Technika spawania na najwyższym poziomie
Szczególnie ważna dla spawaczy z Anton Paar była możliwość spawania dowolnego elementu dwoma metodami — np. spawania warstwy graniowej spoiny metodą TIG i spawania warstwy kryjącej metodą MAG. Ostateczny wybór metody spawania zależy jednak od obliczeń spawalniczych i wymaganej wytrzymałości poszczególnych elementów.
„Decyzja o użyciu procesów specjalnych, jak CMT (Cold Metal Transfer), PMC (Pulse Multi Control) lub LSC (Low Spatter Control), jest podejmowana na podstawie wyników naszych testów spawania. Na jaki proces się wtedy zdecydujemy, zależy od grubości ścianki elementu, rodzaju spoiny, jak np. spoina czołowa lub pachwinowa, oraz wymaganych głębokości wtopienia i badań mikrograficznych” — mówi Moik. „Potrzebujemy około 6 do 7 testów, zanim przejdziemy do produkcji seryjnej. Jeśli ciepło wprowadzane do spoiny byłoby zbyt duże ze względu na właściwości materiału, stosujemy oczywiście „zimny” proces spawania CMT. Jeśli chcemy zwiększyć wydajność, zwiększając prędkość spawania, bierzemy pod uwagę PMC. Jeśli zależy nam na jak najmniejszej ilości odprysków, w grę wchodzi LSC. Przede wszystkim dlatego, że chcemy w ten sposób uniknąć kosztownych poprawek”.
Parametry spawania są ewidencjonowane w HMI. Jeśli spawacz w trakcie oględzin stwierdzi wadę, może w ewidencji parametrów spawania sprawdzić, czy doszło do przekroczenia wartości granicznych. Zasadniczo, każdy element jest poddawany kontroli wizualnej (VT), a co dziesiąty element kontroli penetracyjnej (PT). Ta metoda pozwala wykryć pęknięcia, pory i wady spojenia o wielkości do 1 µm. Na końcu cyklu badania są regularnie wykonywane mikrografie metalowych elementów poddanych badaniu PT.
Nowatorskie procesy Fronius, które zapewniają inteligentne działanie i elastyczność systemu spawania zrobotyzowanego, a zarazem umożliwiają jego rozbudowę w przyszłości, pozwolą firmie Anton Paar przez wiele lat wykonywać idealne spoiny podczas produkcji czułych i precyzyjnych przyrządów pomiarowych. Poprawi się też poziom bezpieczeństwa i ochrony zdrowia spawaczy, ponieważ dzięki obudowie i odciągowi będą oni odseparowani od łuku spawalniczego i jego emisji.