Zváracie prípravky sú periférne zariadenia robotizovaných pracovísk, určené pre presné polohovanie zváraných dielcov voči robotu. Sú riadene riadiacim systémom robota alebo nadriadeným systémom pracoviska.

 

Základné funkcie zváracích prípravkov sú: presné polohovanie a upínanie (fixácia) zváraných dielov, ako aj zaistenie ich vzájomnej polohy z hľadiska presnosti; umožnenie rýchleho vkladania a vyberania dielcov a zabezpečenie optimálnej prístupnosti zváracieho horáka – bodovacích klieští k zváraným miestam. Rýchle vkladanie a vyberanie dielcov či už manuálne alebo automatické, je veľmi dôležité hlavne pri bodovom zváraní, kde v niektorých prípadoch čas zvárania je menší, ako čas manipulácie so zvarkom. Súčasná doba núti firmy, využívajúce zváracie prípravky, prispôsobovať sa čoraz náročnejším požiadavkám klientov a inovovať svoje výrobné procesy. Dosiahnutie vysokej prispôsobiteľnosti pre inovované dielce už nie je možne dosahovať jednoúčelovými prípravkami. Túto požiadavku je možne dosiahnuť pomocou viacerých funkčných modulov – upínacích, ustavovacích, s premenlivým rozmerom (výškové nastavenie), ktoré sú klasifikované do jednotlivých typových radov. Modulárny princíp na báze funkčných kompatibilných jednotiek nám umožňuje rekonfigurovať prípravky za veľmi krátky čas.

 

 

Základné prvky zváracích prípravkov

Zváracie prípravky sú periférne zariadenia robotizovaných pracovísk (obr. 1) určené pre presné polohovanie zváraných dielcov voči robotu. Sú riadené riadiacim systémom robota alebo nadradeným systémom. Zvárací prípravok na robotizovanom pracovisku môže byť umiestnený fixne, alebo na vhodnom type polohovadla, vybaveného nosičom prípravku s jednou alebo viacerými osami, čím je možne dosiahnuť lepšiu prístupnosť k zváraným miestam.

K základným častiam zváracích prípravkov patria, obr.1:

• základové rámy, platne,

• horizontálne, vertikálne nosné prvky,

• ustavovacie prvky,

• upínacie zariadenia,

• spájacie prvky, konzoly,

• snímače, rozvody energie.

obr1m

Rôznorodosť výrobkov vyžaduje aj rôznorodé riešenia prípravku. Táto rôznorodosť vyvoláva požiadavku vysokej pružnosti prípravku, teda rýchleho prezoradenia na nový druh zvarku. Konštrukčné usporiadanie zváracích prípravkov závisí od viacerých faktorov. Medzi najdôležitejšie patria: počet, veľkosť a hmotnosť zváraných dielcov, typ použitého robota – pracovný priestor, typ zvárania (bodové, oblúkové, laserové), rýchlosť zvárania, takt pracoviska, spôsob vkladania a vyberania zváraných dielcov, finančné možnosti a podobne.

Všeobecným problémom pri návrhu modulárnych prípravkov je návrh základného konceptu typu a rozmerového radu modulov pre jednotlivé častí prípravku. Prístup k tomuto riešeniu je založený na modulárnom princípe, teda stanovení rozmerového radu jednotlivých prvkov prípravku a spôsobu ich rýchleho spájania a rozpájania, pri zabezpečení vzájomnej kompatibility.

 

Metodický postup návrhu prípravku pre robotizované pracovisko

obr2mMetodický postup pre návrh zváracích prípravkov robotizovaných pracovísk (obr. 2) sa odvíja od základných požiadaviek, medzi ktoré patria:

• tvar zváraných dielcov – rozmery,

• materiál zváraných dielcov,

• postup ich vzájomného spájania do výslednej zostavy,

• spôsob vkladania a vyberania dielcov,

• takt výroby,

• typ zváracej metódy, typ, rozmery a technologické parametre bodovacích klieští (zváracieho horáka),

• druh a spôsob vedenia potrebných rozvodov energií (prívod vzduchu, elektrickej energie, odsávanie a pod.),

• bezpečnostné požiadavky na prevádzku, spôsoby prístupu obsluhy a údržby k prípravku.

 

Na základe analýzy medzných kritérií možno pre návrh zváracieho prípravku stanoviť nasledujúce kroky:

• určenie vzájomnej pozície dielcov a určenie postupu ich vkladania,

• voľba ustavovacích a upínacích bodov,

• výber modulov z databázy, predbežné zostavenie prípravku v 3D,

• testovanie prístupnosti robota k zváraným bodom (miestam),

• konštrukčný návrh prípravku,

• vytvorenie programu pre robot pomocou off-line programovania v simulačnom programe, na testovanie prístupnosti k zvárom a k sledovaniu kolíznych stavov,

• odladenie programu priamo na realizovanom robotizovanom pracovisku.

 

 

Určenie vzájomnej pozície dielcov a určenie postupu ich vkladania (pozícia dielcov v prípravku)

Na základe vstupných parametrov jednotlivých zváraných dielcov a technologického postupu je určená postupnosť ich vzájomného spájania, ako aj ich pozícia a orientácia v priestore pred zváraním (obr. 3). Výstupom je definovanie rozmerových vlastnosti prípravku, napríklad maximálna dĺžka, minimálna výška zváraných dielcov, atď., ako aj voľba vhodného prístupu koncového efektora robota k zváraným dielcom (obr. 4).

obr3ma obr3mb

obr4m

Určenie  ustavovacích a upínacích bodov (voľba ustavovacích a upínacích bodov, resp. plôch)

V tomto kroku možno určiť predbežné body alebo plochy pre umiestnenie a ustavenie dielcov (obr. 5). Jednotlivé dielce sú označené číslami zvarkov od 1 do 5, ktoré predstavujú poradie vkladania jednotlivých dielcov zvarku na vytvorenie celkovej zváranej zostavy. Ďalej sa určujú aj upínacie body (plochy), možné polohy konzol, snímačov a vedení energií.

obr5m

Výber jednotlivých modulov z databázy (výber modulov, predbežný návrh prípravku)

Na základe prvého a druhého kroku sme definovali požiadavky na výber jednotlivých modulov a príslušenstva. V tomto kroku dochádza k výberu jednotlivých typov komponentov z databázy, pričom sa využívajú interaktívne metódy. Vybrané moduly musia byť vzájomné kompatibilné, pričom vzájomná kompatibilita je zabezpečená vhodnými väzbami a reláciami. Výsledkom je súbor vhodných modulov, ktoré možno využiť pre konštrukciu prípravku. Postup výberu jednotlivých modulov z databázy môžeme rozdeliť do niekoľkých krokov:

Prvý krok – na základe priestorového modelu zváranej zostavy, vieme určiť veľkosť základného rámu prípravku alebo základovej platne (rovina X – Y), čo nám umožni vybrať vhodné moduly pre stavbu prípravku.

Druhý krok – na základe výšky zváraných dielcov, maximálnych a minimálnych rozmerov jednotlivých zváraných dielcov, možno vybrať z databázy jednotlivé moduly nosných prvkov.

Tretí krok – po umiestnení zváraných dielcov na nosné prvky, treba zabezpečiť ustavenie zváraných dielcov v správnej polohe pomocou výberu vhodných ustavovacích modulov a konzol.

Štvrtý krok – po ustavení zváraných dielcov na ustavovacích prvkoch, treba vybrať vhodné moduly upínacích zariadení, ktoré by umožňovali bezpečne a rýchle upnutie zvarkov.

 

V tab. č. 1 je zobrazený zjednodušený príklad výberu jednotlivých modulov pre dielec číslo 2. V tomto príklade sa nenachádza základová doska.

tab1m

Pri výbere týchto modulov je možné navrhovaný prípravok umiestniť na základovú dosku, prípadne na konštrukciu linky, v rámci ktorej dôjde k zabudovaniu prípravku. Obdobným spôsobom dôjde k výberu všetkých potrebných modulov z databázy na ustavenie všetkých zváraných dielcov v požadovaných pozíciách (dielce 1, 3, 4, 5).

Ďalším krokom je výpočet, resp. voľba potrebných upínacích síl, ktoré umožňujú pridržiavať dielec v požadovanej polohe bez poškodenia jeho povrchu. Na základe skúšok realizovaných na plechoch používaných v automobilovom priemysle možno konštatovať, že upínacia sila narastá minimálne dvojnásobne pri zvýšení hrúbky plechu o 0,5 mm (ak je plech uložený na dvoch podperách navzájom vzdialených o 200 mm).

 

Konštrukcia celkovej zostavy zváracieho prípravku (konštrukčný návrh prípravku)

Konštrukcia zostavy prípravku sa vykonáva v CA/CAD systéme, pomocou využitia 3D modelov jednotlivých modulov. O použití konkrétnych prvkov je rozhodnuté na základe vzájomnej rozmerovej a funkčnej kompatibility. Zostava prípravku je v tomto kroku testovaná s cieľom dosiahnuť požadované presnosti, v 3D je testovaná dostupnosť zváracích bodov (plôch) a sú určené možné polohy zváracích klieští (horákov) pričom sa urči ich optimálna poloha. Na obr. 6 sa nachádza pohľad na navrhovaný zvárací prípravok pred vložením zváraných dielcov, kde sú označené ustavovacie body zvarkov č. 1 a 2, upínacie konzoly zvarkov č. 3 a 4 a pneumatické upínače na upnutie zvarkov č. 5 a 6. Upínače s konzolami sa nachádzajú v otvorenom stave, aby bolo možne jednoducho vkladať dielce, pričom musí byť zachované správne poradie vkladania jednotlivých dielcov (od zvárku č. 1 až po zvarok č. 5).

obr6m

Na obr. 7 je zobrazený pohľad na navrhnutý zvárací prípravok v ktorom sa nachádzajú všetky zvárane dielce, pričom je v správnej polohe pridržiavaný pomocou konzol umiestnených na pneumatických upínačoch. V tomto bode návrhu zváracieho prípravku pre robotizované zváranie, je možné overiť a testovať funkčnosť prípravku. Pre overenie funkčnosti prípravku je vhodné skontrolovať niekoľko základných bodov, a to hlavne:

• správne umiestenie zváraných dielcov – kontrola ich vzájomnej polohy v priestore,

• stabilitu jednotlivých dielcov v prípravku, kvalitu usadenia jednotlivých dielcov,

• prístupnosť bodovacích kliešti (zváracieho horáku) k zváracím miestam,

• správny prítlak jednotlivých konzol v mieste dotyku zo zvarkom, prítlačnú silu upínačov,

• jednoduchosť vkladania jednotlivých dielcov a jednoduchosť vyberania hotového zvárku.

obr7m

Skontrolujú sa parametre robota a efektora na základe predchádzajúcich požiadaviek. Na 3D modely robota sa skontrolujú maximálne pohyby jednotlivých osi a skontroluje sa mŕtva poloha ramien. V prípade potreby sa vyberie, prípadne navrhne vhodný podstavec pod robot. Všetky tieto kroky sú nutne pre dosiahnutie vhodnej prístupnosti robota ku všetkým miestam zvárania. Posledným krokom je definovanie východiskovej polohy robota v priestore, aby bolo možne zabezpečiť jednoduché a bezpečne vkladanie a vyberanie zváraných dielcov.

 

Off-line príprava programu pre robot (off-line programovanie , vygenerovanie programu pre robot)

Ak sú splnené všetky predchádzajúce požiadavky je možne pristúpiť k vytvoreniu programu pre robot. Program robota je možne vytvoriť v akomkoľvek simulačnom programe – prostredí, ktoré musí byť kompatibilne z vybraným robotom a musí umožňovať prácu z importovanými súbormi. V rámci týchto prostredí, ako napr. RobCAD, ABB Robot Studio a pod., je možne simulovať drahý všetkých osi robota, testovať kolízne vzťahy, prípadne vykonať optimalizáciu pohybov pre zníženie vedľajších časov. Po úspešnom ukončení všetkých predchádzajúcich krokov je nutné vygenerovať program pre robot.

 

Odladenie programu robota na reálnom pracovisku (odladenie programu na pracovisku)

Vygenerovaný program sa vloží do riadiaceho systému robota, kde musí dôjsť k jeho odskúšaniu a odladeniu. Obsluha robota - pracoviska v prípade potreby doladí pohyby robota priamo na reálnom pracovisku a skontroluje dostupnosť, presnosť a kvalitu zvárania. V prípade, že obsluha pracoviska zisti ťažko opraviteľnú chybu musí sa analyzovať jej príčina a musia sa prijať vhodne protiopatrenia.

Daná metodika bola využívaná pri konštrukcii tréningového robotizovaného pracoviska vybaveného robotom KUKA VKR 125 pre bodové zváranie vnútorného zadného blatníka auta terénneho (off-road) typu, v laboratóriu Katedry výrobnej techniky a robotiky Technickej univerzity v Košiciach.

 

Cieľom článku je navrhnúť modulárny zvárací prípravok, vhodný hlavné pre použitie v automobilovom priemysle. Prípravok ma spĺňať požiadavky modularity a rekonfigurovateľnosti, pričom prestavba z jedného typu prípravku na iný ma byť pre obsluhu jednoduchá a časovo nenáročná. Ďalším cieľom návrhu modulárneho zváracieho prípravku je konštruktérom zjednodušiť proces navrhovania zváracích prípravkov, čo vedie k efektívnemu využívaniu práce konštruktérov, ako aj  k zníženiu nákladov pri výrobe prípravkov.

 

Literatúra:

HAJDUK, M., SEMJON, J., VAGAŠ, M.: Design of the welding fixture for the robotic station for spot welding based on the modular concept, In: Acta Mechanica Slovaca, No. 4/2009, p. 30-36., ISSN: 1335 - 2393.

HAJDUK, M., TOLNAY, M., GROHOLOVÁ, M., VOJTECH, D.: Methodological frame of reconfigurable manufacturing systems design, In: Acta Mechanica Slovaca. Roč. 12, č. 2-A (2008), s. 237-244., ISSN 1335-2393

SVETLÍK, J., SEMJON, J: Workspace analysis of a homogenous modular kinematical structure build on the principle of connecting rotary modules, In: International Scientific Herald, 2012, P. 207-214. - ISSN 2218-5348

VAGAŠ, M., HAJDUK, M., SEMJON, J., PÁCHNIKOVÁ, L., JÁNOŠ, R.: The view to the current state of robotics, 2012.In: Advanced Materials Research. Vol. 463-464 (2012), p. 1711-1714. - ISSN 1022-6680.

 

Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu „Centrum výskumu riadenia technických, environmentálnych a humánnych rizík pre trvalý rozvoj produkcie a výrobkov v strojárstve“ (ITMS:26220120060), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

 

TEXT/FOTO Ing. Ján Semjon, PhD., prof. Ing. Mikuláš Hajduk, PhD., Strojnícka fakulta, KVTaR, TU Košice