Dosud se všechny komponenty měřicích a regulačních zařízení vyráběných v Grazu svařovaly ručně. Důvod: Malé série mezi 1 a 400 kusy způsobily, že robotické svařovací systémy se zdají neekonomické. Neustálý nárůst obratu, rostoucí nedostatek kvalifikovaných pracovníků na domácím trhu práce a inovativní robotické technologie – díky kterým už je automatizované svařování hospodárné i pro malé série – přiměly high-tech společnost investovat do moderního robotického svařovacího systému. Požadavkem specialistů na měření a regulaci byla flexibilita na všech linkách v kombinaci s vysokou hospodárností: Flexibilita v počtu, tvaru a velikosti dílů, v jejich polohování a při používání různých svařovacích postupů.
Dominik Santner, provozní ředitel společnosti Anton Paar GmbH, zdůrazňuje: „Nedostatek kvalifikovaných pracovníků a neustále se zvyšující počty kusů vyžadují nová řešení ve výrobě. Nová robotická svařovací buňka je velkým krokem v automatizaci naší výroby. Pokud bychom pokračovali v ručním svařování našich procesních senzorů, měli bychom v nadcházejících letech obrovské potíže s dosažením plánovaných počtů kusů.“
Autonomie svařování a rozmanitost dílů
Odborníci společnosti Anton Paar se od počátku spoléhají na autonomii systému: Jakmile je svařovací systém vybaven, měl by být schopen zpracovat kompletní úlohu od začátku do konce najednou – například svařit šarži různých objektů, jako jsou pouzdra oscilátorů, hlavní nosníky nebo protichlazení. Zcela samostatně a bez zásahu svářečských specialistů.
„Hledali jsme spolehlivého partnera, který je nám velmi podobný co do přesnosti a kvality. Měl by nám opravdu naslouchat, reagovat na naše přání a navrhovat perspektivní řešení. Taková, která nám zajistí konkurenční výhody na roky dopředu,“ vysvětluje Daniel Moik, vedoucí oddělení Joining Technologies. „Společnost Fronius International tyto představy udržitelného partnerství naplnila. V úzké spolupráci s našimi techniky vyvinul tým Welding Automation robotickou svařovací buňku, která splňuje naše požadavky ve všech ohledech. Kromě toho je společnost Fronius připravena systém společně dále rozvíjet a přizpůsobit jej novým potřebám.“
Synonymum efektivity: Fronius Pathfinder
Ve společnosti Anton Paar se nové svarové spoje programují offline – mimo svařovací systém – ne přímo na zařízení, jak je často běžné. Místo toho, aby se probíhající svařovací práce zastavily, svařuje se dál a tímto způsobem se zvyšuje produktivita. Aby to bylo možné, svařovací technici importují CAD data svařovaných komponent měřicího přístroje do systému Fronius Pathfinder®. Následně se testují různé scénáře spojování, v průběhu simulací se definuje a optimalizuje pořadí svarů.
Dotčené jsou najížděcí trasy, úhly nastavení svařovacího hořáku, offsety svařovacího hořáku v rohových oblastech a všechny změny orientace svařovacího robota. Pathfinder detekuje překročení dosahu robota, takzvaných limitů os. Tím, že softwaroví operátoři korigují umístění svařence a polohují ho v rámci délky ramena svařovacího robota, se včas zabrání potenciálním kolizím svařovacího hořáku s různými hranami dílu.
Zdroje chyb jsou detekovány včas
Pokud jsou nutné korekce dráhy, lze dotčené učební body pohodlně přesunout přetažením. Pokud se má změnit najetí k dílu, specialisté jednoduše stisknou tlačítko „Resetovat“. V důsledku toho se virtuální robot přesune do výchozí polohy a zahájí nové najíždění. V reálném provozu by bylo časově náročné robota uvolnit, přesunout do výchozí polohy pomocí řídicí jednotky robota a znovu spustit proces učení. Zvolením offline programovacího a simulačního softwaru Pathfinder získají odborníci společnosti Anton Paar nejen drahocenný čas na svařovací práce, ale také předem identifikují zdroje chyb.
Jakmile je svařovací program v Pathfinderu dokončen, je přeložen takzvaným postprocesorem do specifického kódu svařovacího robota Fanuc. Nyní ho lze přenést do svařovacího systému prostřednictvím přenosu dat – například pomocí připojení LAN. Zvláštní výhodou a účinnou podporou pro celé plánování výroby je funkce „Stanovení doby taktu“, která zahrnuje rychlosti svařování, doby předfuku plynu nebo plnění koncového kráteru. Ve srovnání s učením s řídicí jednotkou robota lze pomocí Pathfinderu dosáhnout až 90% úspory času – v závislosti na geometrii dílu a požadavcích na svařování.
Střiženo na míru pro společnost Anton Paar
Společnost Anton Paar má k dispozici specifické pracovní postupy pro svařování mnoha různých součástí, včetně tří hlavních pracovních postupů, které na příkladech znázorňují obrovskou flexibilitu celého spektra dílů.
1. pracovní postup: Díly se svařují na otočném/sklopném polohovadle. Paleta naložená díly se vyjme z paletového regálu a dočasně uloží na stole pro odkládání palet. V dalším průběhu je manipulační robot vybaven vhodným uchopovačem pro uchopení dílů, přičemž šest různých jich je umístěno v tzv. uchopovací stanici. Takto vybavený manipulační robot zvedne díly a upevní je ve specifickém upínacím zařízení, které už je nainstalované na otočném/sklopném polohovadle. Jeden díl za druhým se odebírá, spojuje a zase vrací na paletu.
2. pracovní postup: Díly se svařují přímo na paletách, přičemž manipulační robot přepravuje palety z paletového regálu a umísťuje je před svařovacího robota. Během svařování pak mohou manipulační a svařovací roboti provádět koordinované pohyby společně, a proto lze svařovat nejen jednoduché, ale i složité geometrie svarů.
3. pracovní postup: Díly jsou odebírány jednotlivě, polohovány manipulačním robotem a při svařování se pohybují synchronně se svařovacím robotem (koordinovaný pohyb).
Aby systém věděl, co má dělat
Kromě inovativní svařovací technologie Fronius, řízení, zaměření středového bodu nástroje (TCP), čisticí stanice hořáku a skříně se robotický svařovací systém skládá ze sedmi základních modulů, které spolupracují softwarově řízeným způsobem: manipulační robot, svařovací robot, otočné/sklopné polohovadlo s jednotkou formovacího plynu, paletový sklad se dvěma regály, uchopovací stanice, systém výměny hořáku a paletový stojan uvnitř systému. Pro přesnou interakci výše uvedených modulů během pracovních cyklů jsou nutné následující kroky:
Nejprve se palety a díly společně uloží v systémovém řízení HMI-T21 RS. Řízení obdrží od zodpovědného svářeče čtyři důležité informace: (1) typ palety, (2) druh, (3) počet a (4) umístění dílů na paletě – například kolik hlavních nosníků nebo pouzder oscilátoru se nachází na kterém místě palety. Pokud se jedná o offsetovou paletu, poloha dílu se vypočítá z takzvaných offsetových vzdáleností mezi díly, přičemž první díl zaujímá hlavní polohu. Offset může být 200 mm na souřadnici y a + 200 mm na souřadnici x. Palety zhotovené společností Anton Paar se skládají z perforovaných desek silných jeden centimetr a fungují jako zásuvný systém. Jsou umístěny v paletovém skladu o dvou regálech a konstruovány tak, aby mohly pojmout kterýkoli ze svařenců, přičemž pozice pro převzetí a odložení jednotlivých komponent se často liší v závislosti na povaze dílu a na uchopovači manipulačního robota.
Řízení robota obsahuje hierarchicky nadřazený program robota pro každý typ pracovního postupu. Ukládá svařovací programy vytvořené pomocí Pathfinderu. Pokud je na HMI vytvořena paleta pro 2. pracovní postup (díly se svařují přímo na paletě), filtruje odpovídající robotické svařovací programy a svářeč společnosti Anton Paar si může pohodlně vybrat mezi všemi, které jsou pro 2. pracovní postup k dispozici, a přiřadit paletě požadovaný svařovací program. Kromě toho je možné použít nejen jeden svařovací program, ale vytvořit celý pracovní řetězec. Například lze vytvořit pro paletu nejprve program TIG, následovaný programem MAG (např. CMT) v aktuálním řetězci. V takovém případě by robotický svařovací systém provedl oba programy jeden po druhém a přitom by automaticky změnil svařovací proces. Kromě toho mohou odborníci společnosti Anton Paar vložit do procesu HMI určité speciální kroky. Systém zná například speciální krok „Obrátit díl“, který lze v případě potřeby vsunout mezi oba svařovací procesy (TIG a CMT).
Pokud je pro manipulaci s paletami vyžadován určitý uchopovač, jak je popsáno v 1. pracovním postupu, musí jej v systému zvolit obsluha zařízení. Jak již bylo zmíněno, k dispozici je celkem šest různých uchopovačů, které jsou všechny umístěné v uchopovací stanici.
Učení pozice pro uchopení a odložení
Samotná klasická manipulační sekvence – zvednutí palety, její polohování pro svařování, přeprava zpět a odložení – je standardním programem a nevyžaduje žádný zásah operátora. V technickém žargonu se tomu říká „zapouzdřená“ funkce. Musí být specifikovány pouze polohy pro uchopení.
Pokud se „zajíždí“ nový díl a není rozpoznán jednou ze stanic pro odložení nebo uchopení, automatický chod se na tomto místě pozastaví. Je povolán svářeč, aby zahájil proces učení s řízením robota – Fanuc iPendant – a obdrží k tomu podrobné pokyny od systémového softwaru. Tímto způsobem se systém „naučí“ požadovanou polohu uchopení/odložení pro dotčenou stanici (např. pro dočasné úložiště). Ta se uloží v registru a je ihned k dispozici pro manipulační proces. Automatický chod pak může pokračovat až do další stanice. Pokud je zde díl také neznámý, musí být tato poloha také naučena. Jakmile jsou všechny stanice zpracovány podle právě popsaného schématu, manipulační robot přepravuje všechny ostatní identické díly zařízením plně automaticky – bez přerušení.
Pokud je paleta určena pro sedm dílů, ale jsou na ní pouze tři díly, nepředstavuje to pro zařízení žádný problém. Detekuje „prázdný úchop“ a automaticky se přesune k pozici dalšího dílu.
Zakázková výroba: Učební paleta
Kromě standardního offsetového obsazení, které upřednostňuje jednoduché tvary dílů, si společnost Anton Paar stanovila za cíl uložit až 30 kovových součástí na libovolných místech palety. Společnost Fronius toto přání vyřešila pomocí funkce „Učební paleta“. Pokud je vybrána, může být poloha každého dílu na paletě naučena samostatně.
„Tyto dvě varianty – offsetová a učební paleta – nabízejí maximální flexibilitu při osazování dílů,“ vysvětluje Dr. Ingo Riemenschneider, vedoucí oddělení automatizace výroby. „Ne vždy je pro nás smysluplné definovat pozice dílů pomocí offsetových vzdáleností. Existují díly, které musíme kvůli jejich složitým tvarům fixovat v různých orientacích.“
Precizně jako prvního dne – i po měsících
Pokud chtějí svářeči zahájit proces svařování, ručním skenerem naskenují číslo položky z datového listu dílu.
„Pokud systém rozpozná číslo položky a tím i díl, ví o manipulačním a svařovacím procesu a zahájí provoz. Vše je ovládáno pomocí HMI-T21 RS. Který uchopovač a které zařízení je potřeba, to je pro každý z dílů uloženo,“ vysvětluje pan Riemenschneider. „Totéž platí pro dobu proplachování argonem během formování a pro dobu průběhu svaru. Systém také ví, zda a jaká data jsou potřebná pro sběr procesních dat.“
O několik měsíců později je robotická svařovací buňka stále stejně přesná jako prvního dne: Svarový spoj dokonale sedí na stejném místě. Částečně proto, že společnost Anton Paar vyrábí díly s mikrometrovou přesností a pracuje na nich příkladným způsobem.
Možné vícenásobné obracení dílů – i při formování
Otočné/sklopné polohovadlo má vedení médií pro 4 průtočná potrubí, 2 pro vzduch a 2 pro argon, a může předat až 32 vstupně-výstupních signálů (IO). Vedení je z plastu a bylo vyrobeno společností Anton Paar na 3D tiskárně. Pokud je nutné formování, manipulační robot nejprve odebere požadované upínací zařízení z paletového regálu a pomocí speciálního upínacího systému je upne na manipulátor. Od tohoto okamžiku jsou připojena jak vzduchová potrubí pro pneumatické válce, tak i plynová potrubí pro proplachování argonem. Elektrické signály jsou nyní také přenášeny upínacím zařízením. V důsledku toho manipulační robot polohuje díly a systém spustí signál pro upnutí. Nyní je možné formovat a poté svařovat. Systém je navržen tak, aby bylo možné vícenásobné otáčení dílů na jednom upínacím zařízení.
„Pro nás je důležité, aby všechny procesy a vlastnosti, které byly do systému implementovány, byly s ohledem na jejich opakovatelnost otevřené. Zda se proces obracení provádí jednou nebo stokrát, musí být z hlediska systému irelevantní. Vzhledem k tomu, že složitost dílů se neustále mění, vynaložili jsme společně s odborníky společnosti Fronius spoustu energie, abychom vytvořili procesy co nejvíce neomezené,“ zdůrazňuje pan Riemenschneider.
Měření zbytkového kyslíku made by Anton Paar
Při formování na otočném/sklopném polohovadle se zbytkový kyslík v dílu měří měřicím přístrojem Oxy 5100 vlastní výroby. Měří rozpuštěný kyslík v proudu plynu bez driftu a v reálném čase během celého procesu svařování. Za normálních okolností je díl upevněn mezi dvěma částmi potrubí. Na jedné straně přívodního potrubí proudí formovací plyn dovnitř a na druhé straně, kde se měří zbytkový obsah kyslíku, proudí zase ven jako proud výfukových plynů. Tento postup by byl pro automatizovaný svařovací proces kontraproduktivní, protože robot by musel během každého svařování nasadit a zase odstranit hadici výfukových plynů. Proto bylo rozhodnuto umístit měřicí přístroj do přívodního potrubí. Jakmile přístroj oznámí, že bylo dosaženo požadovaného zbytkového obsahu kyslíku, zahájí se svařování s přihlédnutím k časové prodlevě průtoku argonového plynu dílem. To je potřeba, aby se zajistilo, že nebude překročen požadovaný zbytkový obsah kyslíku. Čas potřebný pro úplné zaplavení dílu – časová prodleva – je stanoven pro každý z dílů ručním měřením a uložen v systému. Pokud díl přijde znovu, může řídicí jednotka tyto hodnoty použít a odpovídajícím způsobem reagovat.
Svařovací technika na nejvyšší úrovni
Pro svářeče ve společnosti Anton Paar bylo obzvláště důležité, aby mohli u každého dílu kombinovat dva svařovací postupy – například TIG pro svařování kořenové vrstvy a MAG pro svařování krycí vrstvy. Konečná volba svařovacího postupu však závisí na svářečských výpočtech a potřebné odolnosti jednotlivých komponent.
„Zda se použijí speciální procesy, jako je CMT (Cold Metal Transfer), PMC (Pulse Multi Control), nebo LSC (Low Spatter Control), to se ukáže během našich svařovacích pokusů. Proces, pro který se pak rozhodneme, závisí na tloušťce stěny dílu, na typu svarového spoje, například svaru I nebo koutového svaru, na požadovaných hloubkách svařování a na mikrosnímcích,“ vysvětluje D. Moik. „Před uvedením do sériové výroby potřebujeme asi 6 až 7 pokusů. Pokud je vnos tepla vzhledem k povaze materiálu příliš velký, je samozřejmě dobrou volbou studený svařovací proces CMT. Pokud chceme zvýšit produktivitu zvýšením rychlosti svařování, zvažujeme metodu Pulse Multi Control, PMC. Pokud chceme svařovat s obzvláště nízkým rozstřikem, nabízí se metoda Low Spatter Control, LSC. Zejména proto, že se vyhneme nákladné dokončovací práci.“
Svařovací data se zaznamenávají v HMI. Pokud svářeč během vizuální kontroly zjistí chybu, může se podívat do záznamu svařovacích dat a zjistit, zda nedošlo k odchylkám od mezních hodnot. V zásadě je každý díl podroben vizuální kontrole (VT) a každý desátý díl testu průniku barev (PT). Touto metodou lze prokázat trhliny, póry a neprovaření až do 1 µm. U kovových dílů podrobených testu PT se na konci zkušebního cyklu pravidelně pořizují mikrosnímky..
Inovativní procesy Fronius, inteligentní a současně flexibilní koncepce systému a udržitelný potenciál dalšího vývoje robotizované svařování zajišťují společnosti Anton Paar na několik let dopředu dokonalé svarové spoje pro citlivé a vysoce přesné měřicí přístroje. Svářeči zároveň profitují z vyšší bezpečnosti a ochrany zdraví tím, že jsou chráněni před obloukem a jeho emisemi prostřednictvím krytu a odsávání.