Роботизированная лазерная сварка: головка, трекинг шва и точность

Что такое роботизированная лазерная сварка

В автомате на портале головка движется по прямолинейным осям, в роботе её держит шестиосевой манипулятор. Он достаёт швы в нескольких плоскостях, заходит в коробчатые детали и сваривает пространственные контуры, как на кузове автомобиля. Станки с декартовыми осями разобраны в статье про портал, стол с ЧПУ и линии, а общую логику роботизированной ячейки, оснастку и окупаемость для дуговой сварки читайте в статье Сварочный робот для небольшого производства.

У лазерной ячейки по сравнению с дуговой отличается почти всё, что не касается самого робота. Луч передаётся по волоконному кабелю от источника, который стоит рядом с ячейкой, а не на руке. На кабель и головку действует нагрузка робота. Вместо горелки с токоподводом стоит оптика: коллиматор и фокусирующая линза, а при сканаторной схеме ещё гальваносканер.

Две схемы: ведение шва и сканатор

При удалённой сварке луч перемещает лазерный сканер, поэтому рука не должна повторять форму шва. Такой способ быстрее и точнее, чем когда рука следует за швом.

Сканаторная схема не подходит для всего. Луч приходит к шву под углом с рабочего расстояния головки, поэтому глубокие узкие ниши и швы за ребром ему недоступны. Для таких деталей остаётся вариант с головкой на роботе.

Откуда берётся ошибка и чем её гасят

Луч должен попасть в стык с точностью, которая заметно меньше диаметра пятна. Диаметр пятна находят из паспорта оптики: он равен диаметру волокна, умноженному на отношение фокусного расстояния линзы к фокусному расстоянию коллиматора. Например, волокно 100 мкм, коллиматор 100 мм и фокусирующая линза 200 мм дают пятно 0,2 мм, а с линзой 300 мм получится 0,3 мм. Волокна у промышленных источников бывают разные: у IPG, например, в каталоге подающие волокна на 50, 100, 150 и 200 мкм (подробнее о диаметре пятна).

Теперь о ячейке. Ошибка складывается из нескольких слагаемых.

Цифры по роботу взяты у производителя (по данным из статьи про сварочного робота) и из исследования Yang и Jing, где сказано, что геометрические ошибки составляют 80–90 % общей ошибки позиционирования. В справочной статье о промышленных роботах повторяемость и точность разделяют: робот может возвращаться в заученную точку с точностью 0,1 мм, но при расчётной траектории ошибка положения будет другой.

Из этого выводится практическое правило. Если траекторию записали показом на реальной детали, работает повторяемость, и ошибка мала. Если траекторию построили в программе по модели, на первый план выходит абсолютная точность, и без калибровки или датчика промах будет заметен.

Трекинг шва

Датчик трекинга нужен, когда положение стыка от детали к детали плавает больше, чем допускает пятно. В обзоре Wang, Li и Xu датчики для сварочных роботов делятся на дуговые (по току дуги), контактные, электромагнитные, ультразвуковые и лазерные. Дуговой датчик в лазерной сварке не работает, потому что нет дуги, контактный щуп изнашивается и не подходит для высоких скоростей. Поэтому на лазерных ячейках ставят лазерные датчики: они проецируют на поверхность линию и по её излому находят положение кромки и зазор.

У лазерного датчика есть особенность, которую в обзоре называют «ошибкой опережения» (sensor positioning lead error). Датчик смотрит на шов с опережением, а луч приходит в эту точку позже. Простой расчёт: если датчик установлен на 25 мм впереди пятна, а скорость сварки 50 мм/с, то поправка применяется через 0,5 с, и контроллер должен хранить измеренную линию и отдавать её роботу с задержкой (значения условные, расстояние зависит от конструкции головки). На резком повороте шва этот хвост даёт ошибку, поэтому датчик на изгибах ведёт себя хуже, чем на прямых участках.

Пример: деталь с десятью короткими швами

Условия подобраны для расчёта и не относятся к паспорту конкретной установки. Деталь из листовой стали с десятью швами по 40 мм, итого 400 мм шва.

1. Робот ведёт шов. Скорость 50 мм/с, значит 400 / 50 = 8 с на сварку. Переходы между швами рука делает с остановками, допустим по 1,5 с на переход, то есть 10 × 1,5 = 15 с. Цикл 23 с, доля горения луча 8 / 23 ≈ 35 %.
2. Сканаторная головка. Скорость сварки ориентир 100 мм/с, 400 / 100 = 4 с. Переходы между швами внутри поля сканера занимают по 0,15 с на прыжок, всего 1,5 с, и ещё три позиции робота по 1 с на деталь, итого 3 с. Цикл 4 + 1,5 + 3 = 8,5 с.
3. Разница. 23 / 8,5 ≈ 2,7 раза. В выпуск разница переводится так: за смену 8 часов (28 800 с) при коэффициенте использования 0,8 получается 23 040 с рабочего времени, то есть около 1000 деталей в первом случае и около 2700 во втором.

Все цифры времени и скорости в примере ориентировочные. Расчёт показывает порядок эффекта: сканатор выигрывает на холостых перемещениях, которых в первой схеме больше, чем самой сварки. Но выигрыш сохраняется, только если все швы лежат в поле сканера, а положение детали повторяется. Иначе датчик и корректировка съедят выигрыш.

Что должно быть в ячейке

• Манипулятор с нагрузкой на кисть, достаточной для головки, датчика и защитного кожуха кабеля. Данные по нагрузкам и вылетам моделей ищите в паспортах производителей.
• Источник и кабель. Оптоволоконный кабель нельзя сгибать резко: у него есть минимальный радиус изгиба, который указывает производитель.
• Головка. Для сканаторной схемы нужен гальваносканер с калибровкой поля относительно детали. Для проволочной сварки добавляется подача проволоки.
• Оснастка. Базы, прижимы и упоры, которые держат деталь в одном положении. Для робота оснастка так же важна, как и для портала.
• Датчик трекинга и камера для деталей с разбросом.
• Кабина с блокировками. Источник относится к классу 4, ячейку закрывают так, чтобы снаружи был класс 1 по IEC 60825-1. Для самого робота действуют отдельные требования к безопасности роботизированных систем.
• Вытяжка из зоны шва.

Сервис для такой ячейки нужен не меньше, чем сам робот: кто калибрует поле сканатора, настраивает трекинг и обучает программиста, лучше записать в договор. Спросите, делают ли это штатные инженеры и есть ли склад запчастей для головки и кабеля.

Как программируют

На практике способы смешивают. Крупные узлы программируют офлайн, а точки подтверждают показом, на деталях с разбросом включают датчик.