Роботизированная сварка конструкционной стали в настоящее время является одним из самых эффективных решений задачи автоматизации производства металлоконструкций, в частности балок и стальных каркасов с поддержкой высоких темпов работы и стабильно высокого качества продукции.
В этом материале изложена детальная информация об эволюции технологии и практике внедрения сварочных роботов, об основных различиях между автоматизированной и ручной сваркой, о роботизированных системах для работы с балками и листовым металлом, а также об интеграции роботизированных таких систем в реальные производственные процессы.
Итак.
Что такое современный сварочный робот и как он меняет процесс производства металлоконструкций?
Сварочный робот — это промышленный манипулятор, оснащенный специализированным сварочным аппаратом, горелкой, механизмом подачи проволоки и сложной системой управления, которая выполняет дуговую сварку с запрограммированным контролем движений и параметров.
Связка промышленного робота и источника тока создает полноценную систему, способную автоматизировать многочисленные шаблонные, повторяющиеся и/или физически тяжелые задачи. В производстве же металлоконструкций робот-сварщик кардинально меняет весь рабочий процесс.
Машина способна качественно и в полностью автоматическом режиме выполнять массовые, типовые швы на балках, массивных колоннах и соединительных узлах, и таким образом не только обеспечивает стабильно высокое качество продукции, но также позволяет стандартизировать ряд процессов во всех цехах и, что не менее важно, освободить квалифицированных сварщиков для выполнения более сложных, трудоемких и дорогих работ и в целом способствует снижению зависимости производства от проблемы нехватки специалистов.
Современные роботизированные системы реализуют процессы дуговой сварки, в том числе:
- полуавтоматическая сварка в среде защитных газов (MIG/MAG);
- сварка порошковой проволокой (FCAW);
- сварка под флюсом (SAW) для достижения экстремально высоких скоростей наплавки.
А так как именно эти методы чаще всего применяются для работы со стальными балками (поскольку позволяют точно контролировать тепловложение и минимизировать температурные деформации в готовой конструкции), то задействование роботов в производственном процессе дает возможность оптимизировать последовательность сборки и сварки, сократить время цикла и создать детальную базу данных по всем швам для последующих ускоренной их инспекций и сертификации.
Не пропустите! Промышленные роботы: где от них выгоды больше
Роботизированная сварка и ручна при работе со стальными конструкциями?
Основная разница между автоматизированным решением и ручным трудом проявляется в трех вещах: повторяемости, возможности контроля параметров сварки и наличии человеческого фактора. Сварщик, работающий вручную полагается только на свои навыки, зрение и мышечную память, что неизбежно сказывается на частоте микроколебаний в профиле валика, глубине проплавления и тепловложении.
Сварочный робот, напротив, точно воспроизводит запрограммированную траекторию и параметры на тысячах швов с околонулевыми отклонениями.
Благодаря этому роботизация снижает процент брака и коробление металла, повышая качество несущих стальных конструкций, стабильность угловых и стыковых швов которых непосредственно определяет структурную целостность всего здания. Грамотно и точно настроенный робот выполняет каждый шов в строгом соответствии с технологической картой (WPS), что упрощает ультразвуковой или рентгеновский контроль работ.
Вместе с тем ручная сварка по-прежнему незаменима в точечном ремонте конструкций, изготовлении сверхсложных пространственных узлов и их монтаже на объекте. Автоматика, забирая на себя монотонную конвейерную работу в цеху, освобождает людей для выполнения нешаблонных работ, для которых программировать роботов трудно и/или нерентабельно.
Роботизированные системы для сварки балок и листового металла
Конфигурации автоматического оборудования для сварки металлоконструкций сильно варьируются от базовых 6-осевых шарнирных роботов на фиксированных тумбах до больших многоосевых позиционеров, линейных треков и портальных систем, спроектированных под крупногабаритные элементы.
Для сварки стальных балок и толстого листа чаще всего применяют следующие компоновки:
- робот + вращающийся позиционер — эффективная система сварки полок балок и соединений стенки с полкой, где деталь нужно постоянно крутить для сварки в нижнем положении;
- портальные роботы — перемещаются вдоль всей длины многометровых стальных балок, охватывая огромную рабочую зону.
- специализированные станции-роботы для сварки под флюсом (SAW) — тяжелые установки для выполнения продольных сварных швов на двутаврах с максимальным проваром.
Эти роботы обычно работают в комплексе с источниками тока, лазерными датчиками слежения за швом и станциями офлайн-программирования. Такие решения компании-интеграторы и профильные вендоры обычно поставляют под ключ. В качестве опций отдельно заказать можно манипулятор увеличенной грузоподъемности, с расширенный радиус действия и усиленной защитой механики для надежной работы в цеху.
Сварка балок и листов: процессы
На производстве тяжелых металлоконструкций роботизированные системы применяются в основном для повышения производительности работа и ускорения наплавки.
Поэтому самыми ходовыми на сегодня процессами являются MIG/MAG и сварка порошковой проволокой (FCAW). Оба обеспечивают достаточно высокое качество выполнения прежде всего угловых и стыковых швов на балках разной толщины.
Для длинных же продольных швов на массивных полках или плитах часто также применяется автоматическая сварка под флюсом (SAW), дающая большой объем наплавленного металла за один проход.
Роботизированная дуга обеспечивает равномерное тепловложение и идеальную геометрию валика, что важно для контроля поводок крупногабаритных конструкций. Для выполнения сверхточных проходов и сварки спецсплавов иногда применяются роботы с TIG-сваркой.
Но для сварки именно балок чаще всего применяются роботы с FCAW и SAW именно из-за их скорости. Глубокая интеграция источника тока с контроллером робота гарантирует точную синхронизацию напряжение, тока и скорости подачи проволоки с движением горелки. Что дает как стабильную дугу, так и точность всех необходимых допусков.
Автоматизовання сварка балок и производительность
Автоматизация поднимает производительность за счет увеличения пропускной способности, сокращения цикла производства каждой детали и резкого снижения трудоёмкости работ. Робот не просто качественно выполняет типовые задачи, но и может работать без перерывов в стабильно высоком темпе.
Системы автоматической очистки горелки и обрезки проволоки минимизируют время простоев , точное соблюдение технологии сварки существенно повышает выход годной конструкции с первого раза.
Кроме того, предприятие также получает снижение затрат человеко-часов на единицу продукции и сокращение времени на переделки. Это позволяет планомерно масштабировать выпуск продукции без необходимости в срочном порядке нанимать десятки новых сварщиков. Соответственно, предприятие может укладываться в жесткие сроки сдачи объектов и при этом успешно конкурировать как по цене, так и по качеству продукции.
Интеграция автоматики также дает стандартизированные протоколы проверок и обеспечивает большой объем новых данных для повышения эффективности контроля за процессами, вплоть до возможности точечно замерять и улучшать эффективность каждой производственной линии отдельно.
Какой прирост производительности дает автоматизация сварочных работ?
Точные показатели определяются номенклатурой деталей, уровнем сложности узлов и уровнем самой автоматизации, но на практике предприятия отмечают:
- радикальное сокращение времени сварки,
- рост объемов наплавки в час,
- снижение объемов брака до околонулевого уровня,
- кратное снижении доли ручного труда на каждый метр сварного шва.
При серийном же производстве одинаковых стальных балок робот с оптимизированными именно для этой задачи режимами сварки способен увеличить выпуск продукции в разы без ущерба для качества, а зачастую с постоянным его ростом.
Что, повторимся, также позволяет переводить квалифицированных специалистов на выполнение более сложных, дорогих и нестандартных задачи, где опыт действительно нужен.
Однако при расчете прироста продуктивности нужно обязательно оценивать весь рабочий процесс в целом — с этапа логистики заготовок и до сборки в кондукторах до зачистки и покраски. Когда робот регулярно простаивает в ожидании крана, с заявленным уровнем продуктивности работать он не будет.
Роботизированная сварка балок, время цикла и темпы
Время цикла робот снижает прежде всего за счет поддержания стабильно высокой скорости перемещения горелки, отсутствия физической усталости и исключения лишних, непроизводительных движений. Форсированные режимы сварки позволяют закрывать швы гораздо быстрее, чем это возможно вручную.
А интеграция роботов в синхронные ячейки с многопозиционными столами позволяет нарастить темпы производства кардинально. Пока манипулятор варит деталь в зоне А, оператор спокойно снимает готовую конструкцию и заряжает новые заготовки в зоне Б. Коэффициент использования оборудования (OEE) при этом стремится к максимуму.
Более того, точный контроль дуги и лазерное слежение за стыком практически исключают необходимость в последующей шлифовке или ремонте подрезов, что дополнительно экономит часы рабочего времени и сглаживает производственный поток.
Сроки окупаемости сварочных роботов
Сроки возврата инвестиций (ROI) на роботизацию сварочных работ в производстве металлоконструкций варьируются в зависимости от объемов, стоимости рабочей силы в регионе и сложности самих роботов. Однако большинство предприятий выходят на полную окупаемость роботов-сварщиков за период от двух до четырех лет. При условии, что машина настроена грамотно и полностью загружена роботой по изготовлению серийных конструкций.
Факторы, которые резко сокращают период окупаемость:
- объединение нескольких ручных постов в одну роботизированную станцию;
- радикальное снижение затрат на исправление брака и утилизацию испорченного металла;
- увеличение темпов производства, что позволяет брать больше заказов или сокращать сроки поставки.
Корректный анализ затрат и выгод должен включать не только цену самого робота, источника электроэнергии и позиционеров, но и расходы на оснастку, пусконаладку, обучение программистов, плановое ТО и, конечно, экономию ФОТ. На конвейерных объемах автоматизация обеспечивает стабильную прибыль за счет снижения себестоимости тонны готовой стали.
Специализированные роботы и системы для изготовления строительных металлоконструкций
Специализированные решения для этой отрасли конструируются с расчетом в первую очередь на тяжелые условия. Такие роботы отличаются увеличенным вылетом стрелы, большей грузоподъемностью, бронированным корпусом и функционалом, оптимизированным под массивные габариты.
Другими словами, робот для сварки строительных металлоконструкций оснащен манипулятором с т.н. «длинной рукой», портальной базой (под широкие полки двутавров), сверхмощными вращателями для кантования многотонных колонн и улучшенной защитой от механических воздействий.
Такие системы также поставляются с уже вшитыми программами сварки и алгоритмами для работы по толстому металлу, которые соответствуют заданным строительным нормативам.
Робот зачастую тоже предлагается в пакете «под ключ»: сам манипулятор, сварочный трактор, лазерные сканеры геометрии, софт для офлайн-программирования и шефмонтаж. Все параметры заранее откалибровано под конкретный заказ предприятия, работающего с тяжелым прокатом.
Отличия специализированного робота от систем широкого профиля
Роботы для сварки конструкционной стали отличаются от стандартных промышленных и сборочных манипуляторов прежде всего большим запасом прочности, защитой от агрессивной среды и способностью долго и качественно варить тяжелые детали.
Робот для сварки конструкционной стали, как правило, оснащается:
- удлиненной базой, обеспечивающей точное движение тяжелой горелкой вдоль всего габаритного блока;
- особо прочными кабель-каналами и термозащитными кожухами, устойчивыми к брызгам раскаленного металла;
- приводами с высоким рабочим циклом, способными часами выдерживать тепловое излучение от длинных непрерывных швов.
- усиленной системой подключения к мощному источнику тока, в т.ч. для выполнения специфических алгоритмов переноса металла.
Контроллеры таких систем также оснащены усовершенствованным ПО, которое умеет мгновенно компенсировать неидеальную геометрию тяжелого проката.
Как выбрать роботизированную систему для сварки крупных балок и колонн?
Данный процесс начинается с жесткого аудита всего круга задач и определения всех без исключения параметров продукции: точные габариты деталей, типы сварных соединений, требуемые объемы наплавки, режим работы цеха и размер серий.
Специалисты также измеряют радиус досягаемости робота (достанет ли он до всех узлов на широкой колонне без перестановки), проверяют, как робот выполняет сварку в нужном процессе (FCAW, SAW или MIG/MAG) и подбирают позиционеры, способные безопасно зажимать и вращать массивные балки с нужной точностью.
Ключевой момент — это программное обеспечение. Без адекватных инструментов для офлайн-программирования робот мгновенно станет дорогой обузой.
Для эффективной компенсации зазоров и кривизны заготовок роботу также категорически необходим комплект датчиков для лазерного поиска шва — без них машина будет варить воздух.
И наконец на этапе выбора в обязательном порядке следуют оценить, как работает сервисная поддержка производителя и/или компании-интегратора, как обстоит вопрос с заказом и сроками поставок запчастей, расходных материалов, с обновлением ПО и пр.
Программирование сварочных роботов и контроль рабочих процессов
Сроки и эффективность интеграции новых сварочных роботов во многом определяются эффективностью связи между CAD/CAM-данными конструкторов, офлайн-программированием, датчиками на роботе и действиями операторов. Главная цель — минимизировать время простоев каждого робота.
В этой связи предприятия активно осваивают методы программирования, которые позволяют успешно применять большие фрагменты кодов для оперативного программирования машин на работу с целыми сериями однотипных балок. А время переналадки роботов на выполнение новых заказов сокращается применением модульной оснастки.
В свою очередь процесс совершенствования систем управления и контроля за работой машин направлен на:
- сохранение эталонных операций сварки прямо в памяти робота (автоматизированной рабочей ячейки);
- адаптивную подстройку параметров тока и напряжения на основе данных с лазерных сканеров в реальном времени.
- сбор телеметрии по каждому шву для паспорта качества и отслеживания готовых деталей.
Успешное встраивание этих алгоритмов в процесс планирования производства гарантирует бесперебойный выпуск продукции, упрощает эксплуатацию нового оборудования и не требует постоянного присутствия мастера-наладчика в цеху.
Программирование роботов для сварки нестандартных деталей
Сложные детали с плавающей геометрией изготавливаются комбинированным применением офлайн-программирования, точечной корректировки с пульта и системы адаптивного лазерного слежения.
Офлайн-софт позволяет быстро сгенерировать базовую траекторию прямо из 3D-модели детали, экономя часы машинного времени. А окончательные правки, которые компенсируют реальные отклонения сборки, оператор вносит уже непосредственно у стойки.
Для качественного изготовления еще более сложных узлов сегодня задействуются технологии машинного зрения, лазерные профилометры и системы обратной связи по току дуги. Они позволяют роботу буквально «видеть» реальный зазор и смещение кромок и точно корректировать траекторию горелки прямо по ходу сварки, что обеспечивает высокое качество работы даже при плохой подгонке.
Опытные пользователи также стандартизируют допуски в кондукторах и пишут макросы, в кратчайшие сроки адаптируя рабочее ПО под неизбежные изменения в конструкторской документации.
Не пропустите! О современных СКУ: зачем они и как обеспечивается надежность
Автоматизация параметров сварки и отслеживания сварного шва
Автоматизация этих функций предполагает максимально плотный цифровой обмен данными между источником сварочного тока, контроллером манипулятора и системой машинного зрения. Характеристики дуги, скорость подачи проволоки и скорость перемещения горелки должны корректироваться синхронно.
Для этого применяются следующие технологические решения:
- слежение по дуге — для определения стенок разделки робот совершает колебательные движения и считывает изменения напряжения;
- лазерное зрение — для точной для корректировки пути и объема заполнения сканер перед горелкой строит 3D-профиль стыка и передает координаты контроллеру;
- замкнутый контур управления током — сварка выполняется со стабильным тепловложением, независимо от вылета проволоки.
Эти решения обеспечивают стабильно высокое качество сварки конструкционной стали, даже когда прокат имеет саблевидность или зазоры гуляют после прихватки. Это радикально снижает процент дефектов из-за смещения оси шва.
Не пропустите! Автоматизация промышленности: у кого роботов больше [видео]
Роль датчиков и офлайн-программирование в автоматизации
Они, по сути, выступают фундаментом гибкой автоматизации. Офлайн-программирование переносит всю черновую работу по написанию кода с реального сварочного робота на рабочий компьютер технолога. Пока робот в цеху варит предыдущий заказ, программа для следующего пишется, тестируется на предмет конфликтов и оптимизируется в виртуальной среде.
Датчики (лазерные профилометры, камеры, системы контроля напряжения) — это «глаза» и «осязание» робота. Они нивелируют разницу между идеальной CAD-моделью и материальной реальностью кривого металла в цеху.
А в комплексе эти решения позволяют варить мелкие серии деталей с минимальным временем на переналадку и без ранее неизбежного этапа проб и ошибок.
В итоге до самого минимума снижается зависимость производства от мастерства конкретного наладчика — человеку больше не нужно сутками стояли с пультом робота, и роботизация становится рентабельной даже для средних предприятий.
Основные проблемы при внедрении роботизированной сварки
Внедрение роботов — это всегда стресс-тест не только для отдельного сварочного цеха, а зачастую и для всего предприятия. Причины объективные:
- точно позиционировать тяжелые детали сложнее — нужны кантователи, которые надежно держат многотонные балки и никогда не прогнутся;
- высокие капитальные затраты — робот с сопутствующей инфраструктурой стоят дорого;
- дефицит кадров — необходимо обучить (или переобучать) персонал, выстраивать новую логистику цеха и ломать старые привычки;
- постоянный контроль деформаций — дуга робота мощная, и если не продумать последовательность швов, конструкцию в процессе работы может «повести» так, что она не пройдет приемку.
Плюс к этому, настройка датчиков и сложного ПО требует сильной инженерной базы. Потому все эти вопросы необходимо эффективно решить еще на этапе проектирования новой автоматизированной ячейки, иначе дорогостоящее оборудование не выйдет на проектную мощность.
Проблему надежной фиксации и безопасного перемещения больших стальных балок
Работа с габаритным прокатом требует серьезных вложений во вспомогательное оборудование: массивные головные и задние бабки (позиционеры), мостовые краны, роликовые опоры и модульную оснастку. Кондукторы должны обеспечивать точное базирование, надежный зажим и контролируемое вращение.
Инженеры чаще всего применяют систему регулируемых упоров и быстросъемных фиксаторов, которые задают нулевую точку детали и ускоряют процесс загрузки-выгрузки.
Для сварки очень длинных ферм и балок применяются синхронизированные подъемники в сочетании с роботом на линейном рельсе. Такое решение позволяет одному манипулятору проваривать все узлы 15-метровой конструкции без ее переустановки.
Надежная и продуманная фиксация не только ускоряет цикл, но и жестко удерживает металл, не давая ему деформироваться в процессе остывания шва. И разумеется, она банально безопаснее для стропальщиков.
Обучение кадров для эксплуатации и обслуживания сварочных роботов
Эксплуатацию сварочных роботов доверить можно только высококвалифицированным специалистам. Более того, всем тонкостям работы с конкретными моделями машин, основам их программирования и всем правилам безопасной их эксплуатации людей — операторов, технологов и наладчиков — необходимо обучать отдельно.
Часто предприятия вводят новые штатные единицы: оператор роботизированной ячейки, инженер по автоматизации сварочных процессов, техник-наладчик.
Очень эффективное решение — обучать программированию опытных сварщиков, которые уже умеют «чувствовать» металл, понимают, как ведет себя ванна и где может потянуть конструкцию. Научить таких мастеров работать с интерфейсом машины гораздо проще и дешевле, чем учить IT-специалиста физике дуги. Это сохраняет ценный институциональный опыт внутри коллектива.
Не пропустите! ИИ в реальном бизнесе: чем действительно полезны агенты
Качество сварного шва, деформации и контроль в автоматизированных системах
Управление качеством базируется на строгом соблюдении аттестованных технологий сварки, непрерывном мониторинге параметров и превентивных мерах по борьбе с короблением. Робот гарантирует, что скорость ведения и ток будут ровно такими, как задал технолог. А датчики в реальном времени просигналят, если подача газа прервется или проволока забуксует.
Деформации предупреждаются путем:
- обратного выгиба балок перед сваркой;
- строго заданная последовательность наложения швов (от центра к краям, вразбежку);
- сварки в жестких кондукторах.
Дефектоскопия производится ультразвуком (УЗК) и рентгеном. Однако автоматическое логирование параметров дуги позволяет быстро и максимально сузить зону поиска дефектов: если система зафиксировала скачок напряжения на 15-й секунде сварки, контролер ОТК будет проверять именно этот участок шва, а не всю 10-метровую балку.
Не пропустите! Вспучивающиеся покрытия или как защищают сталь от огня в современном строительстве
Методы производства, оптимальные для роботизированной сварки
Сварочные роботы оптимально подходят для серийных заказов с высокой повторяемостью узлов, крупных партий одинаковых двутавров и проектов, где помимо стабильно высокого качества сварки необходимо обеспечить также высокий темп производства конструкций.
Роботы максимально эффективны для сварки типовых колонн, ферм, связей и закладных деталей, где время написания программы окупается серийностью производства.
Поэтому уникальные архитектурные конструкции с большим количеством нестандартных врезок, меняющихся от чертежа к чертежу, часто выгоднее варить вручную.
На практике же зачастую применяется комбинированный подход: роботы варят поточную базу (прямые длинные швы, типовые фланцы), а высококлассные сварщики занимаются сложными узлами и финальной подсборкой.
Таким образом, роботы выгоднее, когда завод может один раз спроектировать кондуктор, один раз написать и отладить программу, а затем выпустить сотни или тысячи идентичных элементов без перенастройки системы. В таких условиях стоимость сварки одной детали снижается в разы при стабильно высоком её качестве.
Если же каждая балка имеет свою длину, расположение косынок и ребер жесткости, выгоднее ручная или полуавтоматическая сварка. Постоянная переналадка тяжелой оснастки и написание новых траекторий для робота под единичные изделия крайне невыгодны.
Роботы или ручная сварка?
Решение принимается исключительно на основе реальных расчетов. Необходимы предварительный анализ объемов выпуска продукции, повторяемости соединений, стоимости нормо-часа рабочих, требований к качеству и бюджета на модернизацию.
Алгоритм оценки обычно выглядит так:
- аудит цеха — проводится подсчет самых длинных, шаблонных и частых швов, на которые уходит больше всего средств из ФОТ;
- хронометраж и финансовое моделирование — сравнение себестоимости ручного метра шва и машинного с учетом амортизации робота;
- предварительное тестирование — расчет реального времени цикла на чертежах конкретного заказа (крайне желательно, с привлечением специалистов компании-интегратора сварочных роботов).
В процессе анализа также можно и нужно учитывать все косвенные выгоды автоматизации: робот не уходит на больничный, снижает риск травматизма на производстве, улучшает имидж компании перед крупными генподрядчиками и обеспечивает предсказуемый график отгрузок.
Роботизированная сварка стальных конструкций: примеры внедрения
В современном бизнесе по изготовлению стальных металлоконструкций для строительства таких примеров много — вся информация есть в открытых источниках. Внедрением роботизированных сварочных комплексов предприятия успешно сокращают сроки выполнения заказов на недели и месяцы и эксплуатируют роботов с высоким ROI. И все эти примеры всегда объединяет одно: правильный подход к организации производства.
Успешные предприятия не экономят на жесткой технологической оснастке, грамотно внедряют офлайн-программирование и технологии лазерное слежение за стыком и плотно работают с компаниями-интеграторами на этапе пусконаладки новых роботов.
Реальный опыт доказывает, что главным драйвером роста прибыльности современного завода металлоконструкций являются тщательное предварительное планирование, обученный персонал и поэтапное масштабирование технологии автоматизация дуговой сварки.
