Сварочный робот для небольшого производства: ячейка, серии, зазоры, окупаемость

Из чего состоит ячейка

Когда говорят «купить сварочного робота», обычно имеют в виду всю ячейку. Манипулятор в ней один из семи узлов, и ошибка в любом из остальных съедает пользу от дорогой руки.

Повторяемость манипулятора составляет десятые и сотые доли миллиметра, у ARC Mate 100iD это ±0,02 мм по ISO 9283. К шву она не относится. Робот честно приводит горелку в запрограммированную точку, а лежит ли там стык, определяют детали и оснастка.

Позиционер нужен не всегда. Если швы идут по плоскости и достаются без поворота детали, хватит стола с оснасткой, а вот для коробов и рам, где швы лежат в разных плоскостях, позиционер сокращает число проходов и даёт варить в удобном положении. Подробнее о процессах сварки — в статье о видах сварки металлов.

Какие детали и серии оправдывают робота

Вопрос про «минимальную серию» ставят неправильно. Робот не знает, сколько у вас деталей одного наименования. Он снимает часы сварщика, и важно, сколько их набирается в месяц по всей номенклатуре, которая влезает в ячейку.

Хороший кандидат выглядит так:

• деталь повторяется: заказ идёт ежемесячно или регулярными партиями, оснастка и программа работают много раз;
• швы длинные или многочисленные, а время дуги составляет заметную часть операции, не только прихватка и зачистка;
• зазоры и положение стыка повторяются от детали к детали;
• деталь помещается в зону достижения и не требует доступа в закрытые полости;
• сварщик сегодня занят этой работой не фрагментами по 10 минут, а часами.

Ручной сварщик держит дугу заметно меньше половины рабочего времени: остальное уходит на сборку, прихватку, перестановки и зачистку. В литературе встречается и цифра «30% против 90% у робота», но она восходит к докладу Конгресса США 1982 года, и в реальном цеху у робота доля дуги ниже. Поэтому считайте по минутам на конкретную деталь.

Пример для расчёта. Кронштейн из стали 3 мм с несколькими швами. Условные минуты на деталь, замеры подставьте свои:

На каждой детали освобождается 12,5 минуты. Одну полную ставку, то есть 160 часов в месяц, освобождает серия около 770 таких кронштейнов. Робот при этом занят дугой около 65 часов, поэтому ячейку имеет смысл загружать и другими деталями.

Сколько это стоит и за какой срок окупается

Цена ячейки зависит от модели, источника, позиционера, оснастки и защиты, а публичных прайсов у интеграторов нет. Берите коммерческие предложения минимум у двух поставщиков и смотрите, какие строки в них есть: оснастка, ограждение, вытяжка, обучение, пусконаладка. Ниже сумма условная, чтобы показать порядок расчёта.

Допущения (ориентир): ячейка с оснасткой и защитой стоит 5 млн ₽, а на обслуживание и износ горелок уходит 150 тыс. ₽ в год. Сварщик получает 90 000 ₽, взносы 30%, в месяце в среднем 164 часа (1972 часа в 2026 году на 12). Час стоит около 712 ₽. Такие же исходные использует калькулятор нормо-часа, подставьте в него реальные.

Таблица показывает, что один сварщик, занятый одной серией, робота не окупает, ведь 49 месяцев — это четыре года. Картина меняется, когда робот снимает работу двух-трёх человек или когда сварка стала узким местом и ячейка добавляет выручку. Эту часть таблица не учитывает: подставьте прибыль с дополнительных деталей в калькулятор окупаемости станка или в свой расчёт. Ещё один довод — нехватка сварщиков, но в деньги он переводится только вашим собственным расчётом.

Требования к сборке и зазорам

Здесь чаще всего ломаются проекты. Человек видит стык и подстраивается: опускает горелку, вытягивает шов, добавляет проволоку. Робот идёт по траектории и не подстраивается, пока ему не дали датчик.

Источники разброса в листовых деталях хорошо известны. На плоской развёртке лазер держит размеры в пределах десятых долей миллиметра: по сводке Protolabs, ±0,13 мм между элементами одной плоскости. Каждый гиб добавляет погрешность. Для пар «гиб — гиб» и «гиб — отверстие» это ±0,38 мм, для элементов на разных полках ±0,38–0,76 мм, для угла ±1° на гиб. Сводка приведена в статье о листовых деталях и гибке. К сборке из нескольких гнутых деталей эти допуски накладываются, и зазор у стыка может доходить до миллиметра и больше.

Практический ориентир автора, он не взят из стандарта: если положение стыка и зазор плавают на величину порядка диаметра проволоки (1,0–1,2 мм), без датчика поиска шва и без стабилизирующей оснастки не обойтись. Для тонкой стали зазор больше диаметра проволоки приводит к прожогу, поэтому проверяйте допуск на пробных деталях из вашей партии, а не на образце интегратора.

Что делают, чтобы зазор повторялся:

• закладывают в деталь пазы и шипы, которые сами фиксируют сопряжение, как в корпусных деталях и кронштейнах;
• ставят оснастку с жёсткими упорами и прижимами вместо струбцин;
• прихватывают детали отдельно, до робота, если нужна подгонка;
• берут датчики: касание проволоки, лазерный сканер шва или камеру. Полая кисть FANUC (отверстие 57 мм) рассчитана на прокладку кабелей такого датчика.

Заготовки с неровной кромкой после газовой или плазменной резки лучше сначала подготовить: у них разброс выше, чем у лазерного реза.

Как программируют сварочного робота

FANUC отмечает, что у моделей с полой рукой кабели лежат внутри руки, поэтому в офлайн-симуляции не нужно моделировать их ход. Такой подход экономит время на сложных деталях.

Сварочные коботы выбирают ради простого обучения и небольших серий. IFR отмечает, что коботы используют в сварке, но не для процессов с большими нагрузками и скоростями. У Universal Robots для сварки есть координированное движение кобота с внешними осями, то есть с позиционером. Какие ограничения у кобота в сварке, разбираем в статье про коботов на малом производстве.

С чего начать до покупки

FANUC указывает, что его сварочные роботы работают с MIG, TIG, плазмой и лазером. Из этих процессов дуговой MIG/MAG прощает разброс заготовок лучше, чем лазер: лазеру нужна точная сборка, как разобрано в статье о ручной лазерной сварке.

Безопасность

Ячейку с промышленным роботом проектируют по ГОСТ Р 60.1.2.1-2016 (требования к роботу) и ГОСТ Р 60.1.2.2-2016 (робототехнические системы и их интеграция). Оба действуют с 1 января 2018 года. Оценку рисков делают для всей системы: сварочная дуга даёт ультрафиолет и дым, поэтому в ячейке нужны экраны и вытяжка, даже если робот коллаборативный.

Частые ошибки внедрения

1. Покупают робота, а не процесс. Оснастку, защиту и обучение вносят в смету последними, и бюджет заканчивается раньше.
2. Не смотрят на ПВ источника. Аппарат для ручной работы с малой ПВ на рабочем токе робота уходит в защиту.
3. Ждут от робота точности, которой нет у деталей. Зазор плавает, шов уходит, на пробной детали это не видно.
4. Не рассчитывают загрузку. Ячейка стоит, потому что в неё помещаются две детали и обе нужны раз в месяц.
5. Забывают про обслуживание горелки. Без чистки сопла и обрезки проволоки качество шва падает через несколько десятков деталей.
6. Недооценивают подготовку людей. Если сварщик не станет оператором ячейки, а останется наблюдателем, ячейка будет простаивать в ожидании закладки деталей.