Сварка роботами

Сварка роботами — одно из наиболее распространённых современных применений робототехники. Первая широкая область внедрения промышленных роботов — точечная контактная сварка: в 1969 году компания General Motors установила на автоматизированной линии для точечной контактной сварки автомобильных кузовов 26 роботов^[2]. С 1980-х годов использование роботизированной сварки — преимущественно в автопроме — быстро нарастает, вместе с этим росло и количество промышленных сварочных роботов, и спектр их применения.

В 2005 году свыше 120 000 роботов использовалось в промышленности Северной Америки, причём около половины из них — для сварочных задач^[3].

В России, по данным на середину 2010-х годов, 80 % промышленных роботов, импортируемых в страну, составляют именно сварочные роботы^[4].

Рост внедрения сварочных роботов сдерживался в первую очередь высокой стоимостью оборудования, а также оптимальностью для преимущественно высокопроизводительных производств.

В 2014 году японская корпорация FANUC представила недорогого робота для дуговой сварки, чтобы сделать роботизированную дуговую сварку доступнее небольшим производителям^[5].

В настоящее время доля сварочных роботов составляет около 20 % от общего количества промышленных роботов, причём эта отрасль быстро развивается.

Большинство сварочных роботов представляют собой манипуляционные роботы, которые подразделяются на два класса:

1. Роботы последовательной структуры (с открытой кинематической цепью исполнительного механизма);
2. Роботы параллельной структуры (отличаются большей жёсткостью конструкции, но рабочий объём у них меньше, а стоимость — выше)^[6][7]. Для сварки крупногабаритных конструкций (например, в судостроении) применяются мобильные сварочные роботы^[8].

В промышленности получают всё большее распространение робототехнические комплексы, в которых может одновременно задействоваться несколько (иногда сотни) сварочных роботов^[9], а также роботы для подачи и сборки деталей^[10]. В состав комплекса обычно входят манипуляционная система, сварочное оборудование, устройства управления, измерительные системы^[11].

Роботизация охватила несколько разновидностей сварки, в том числе:

• точечная контактная сварка — наибольший объём роботов используется именно для этой операции (около 30 % всех промышленных роботов^[2]), при которой манипулятор оснащён сварочными клещами. Такая сварка может выполняться в любом пространственном положении, для чего манипулятор должен иметь не менее шести степеней подвижности (иногда достаточно пяти)^[12];
• дуговая сварка — также широко роботизированная; автоматизации здесь препятствует множество факторов, усложняющих процесс^[13]. Манипулятор оснащается сварочной головкой с электродом. Для выполнения швов в оптимальном положении (когда электрод должен быть перпендикулярен поверхности^[14]) требуется не менее пяти степеней подвижности при осесимметричном инструменте и не менее шести — при неосесимметричном^[15];
• сварка трением с перемешиванием — рабочий орган манипулятора несёт быстро вращающийся инструмент, который постепенно погружается в стык деталей, далее движется вдоль сварного шва. Разогрев и пластическая деформация происходят за счёт внутреннего трения, что позволяет соединять детали без плавления — в твёрдой фазе; требуется 5–6 степеней подвижности, поддержание небольшого наклона инструмента^[7];
• ультразвуковая сварка — применяется, в частности, при монтаже соединений интегральных схем; рабочий орган состоит из генератора ультразвука, волновода и сварочной иглы^[16].

В простейших случаях работы выполняются по заранее составленной программе, но используются и методы обучения робота в режиме on-line (например, электрод проводят вдоль будущего шва без зажигания дуги, а система запоминает траекторию)^[17]. В более сложных вариантах учитываются данные от различных датчиков^[18]; используются системы технического зрения, силомоментные датчики, лазерные дальномеры, щупы с тензометрическими датчиками, управление становится адаптивным^[1][19].

Применение роботизированной сварки может в несколько раз повысить эффективность производства. Такие роботы — важнейший элемент гибкого автоматизированного производства, позволяющий добиваться высокого качества сварных соединений, снижения брака, ликвидации монотонного ручного труда^[7]. Также достигается значительная экономия сварочных материалов и электроэнергии, уменьшается деформация изделий^[20]. Производство может вестись на меньших площадях при сниженных требованиях к охране труда и зарплате сварщиков. Несмотря на относительно высокую стоимость роботов, инвестиции часто быстро окупаются^[13].

Важным плюсом считается сокращение времени изготовления продукции и обеспечение идентичных характеристик изделий. Однако роботизация требует расходов на программирование и обслуживание, предъявляя жёсткие требование к точности сборки и позиционированию заготовок^[9].