Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

6.1. Особенности сварочных роботов

В современном производстве дуговая сварка занимает одно из ведущих мест. В ряде отраслей, например, в судостроении, этот метод соединения является наиболее производительным, а часто и единственно возможным. Поэтому автоматизация процессов дуго­ вой сварки имеет большое народнохозяйственное значение.

Автоматизирсванные установки для дуговой сварки, исполь­ зуемые в настоящее время, как правило, могут выполнять швы отно­ сительно простой конфигурации. Автоматизация процесса дуговой сварки при сложной линии соединения, тем более при значительной номенклатуре изделий, с помощью обычных сварочных автоматизи­ рованных установок либо вообще невозможна, либо не дает удовле­ творительных практических результатов.

Применение промышленных роботов, кинематика которых обес­ печивает выполнение рабочим органом сложных пространственных движений, позволило резко расширить границы автоматизации про­ цессов дуговой сварки и в значительной мере приступить к комплекс­ ной автоматизации сварочного производства.

Принципиальным отличием сварочных роботов от роботов дру­ гих типов является необходимость обеспечения движения их рабо­ чего органа (горелки) по линии сварного шва с заданной простран­ ственной точностью при определенной скорости движения и ориен­ тации горелки. Причем, если последний параметр не столь крити­ чен, то требования к допустимым отклонениям от заданной траекто­ рии точки сварки и от заданной скорости перемещения этой точки довольно жесткие. Для большинства объектов, свариваемых в защит­ ных газах, отклонение электрода от линии шва обычно допускается в пределах ±(0,5ч-1Д) мм, а погрешность по скорости не должна превышать ± 5 %. При этом необходимо учесть, что диапазон ско­ рости сварки 2—20 мм/с, что вместе с требованием обеспечения быстрых перемещений (без сварки) предъявляет серьезные требова­ ния к системе управления и к приводу манипулятора.

Другой особенностью робота для дуговой сварки является острая необходимость максимального упрощения и автоматизации процесса обучения робота оператором. Это объясняется тем, что удовлетворе­ ние отмеченных выше требований, с одной стороны, и выбор свароч­ ных роботов как средства автоматизации дуговой сварки простран­ ственных швов сложной конфигурации при многономенклатурном производстве, с другой стороны, обусловливают такое частое распо-

173

Ложение промежуточных точек позйцирования, что сам процесс обу­ чения робота способом последовательного прохождения через эти точки траектории недопустимо растягивается во времени и для са­ мых простых швов может занимать 20—30 мин, а для сложных; до — одной рабочей смены. Кроме того, такой способ влечет за собой непомерное увеличение объема памяти системы управления ро­ ботом.

Из сказанного следует, что обычные позиционные системы управ­ ления непригодны для ПР, используемых при дуговой сварке. Развитие роботов этого типа потребовало разработки контурных систем управления, которые позволяют выполнять обучение IIP по характерным точкам траектории, в которых линия соединения из­ меняется, например, прямая линия шва претерпевает излом, пере­ ходит в дугу или наоборот, либо дуга одного радиуса сменяется ду­ гой иной кривизны и т. п. Контурная система управления сварочных роботов, в память которой при обучении заносятся характерные точки траектории и указание о виде траектории между ними (пря­ мая, дуга, окружность), автоматически рассчитывает положение промежуточных точек, «расставляя» их с шагом, который зависит от необходимой точности и скорости перемещений, т. е. система управления решает интерполяционную задачу (линейную или кру­ говую). Как известно, прямая в пространстве может быть задана двумя точками, а дуга окружности — тремя. Современные контур­ ные системы управления сварочных роботов позволяют во много раз ускорить и значительно упростить весь процесс обучения.

Следующей ступенью автоматизации обучения сварочных роботов является внешнее программирование, при котором характерные точки задаются в координатах изделия с чертежа. Естественно, в этом случае координаты характерных точек задаются в декартовой системе координат. Для обеспечения манипулятора в заданную таким образом точку необходимо автоматическое преобразование декартовых координат в координаты степеней подвижности мани­ пулятора, т. е. решение так называемой обратной кинематической задачи. Эти преобразования также должны выполняться в системе управления робота.

Весьма перспективным вариантом внешнего программирования роботов для сварки является обучение в интерактивном режиме с «проигрыванием» движений сварочной горелки и изделия на экране дисплея без активации манипуляционной системы.

Внешнее программирование увеличивает степень использования технологического оборудования, уменьшает влияние субъективных факторов оператора в программе и повышает безопасность обслу­ живания роботов.

Уже из перечисленных выше функций обработки информации (сюда следует добавить также решение компарационной задачи сле­ дящего привода, присущей всем роботам), необходимых для обеспе­ чения управления сварочными роботами, становится очевидным, что решить эту задачу могут только ЭВМ или близкие к ним по арифметико-логическим ресурсам вычислительные средства. К вы­

174

числительным средствам систем управления сварочных роботов предъ­ являются весьма жесткие эксплуатационные требования, в частно­ сти, по компактности, надежности и ремонтопригодности. Для сварочных роботов вопросы надежности особенно важны, поскольку в этом случае роботы выполняют основную технологическую опера­ цию (а не вспомогательную) и непосредственно влияют на качество изделия. При этом стоимость системы управления робота не должна быть слишком высокой.

В полной мере удовлетворить таким требованиям стало возмож­ ным только на основе использования современной микропроцессор­ ной техники. Именно по этой причине серийные сварочные роботы появились относительно недавно — вместе с надежными и недоро­ гими микропроцессорными вычислительными средствами.

Обеспечить доступ горелки робота ко всем швам большинства сварных изделий при их неподвижности не всегда оказывается возможным, либо для этого требуется манипулятор с большим чис­ лом степеней подвижности, следовательно, сложный в управлении и изготовлении. Наиболее простым решением этой проблемы яви­ лось включение в состав сварочного РТК второго манипулятора — для изделия. Кроме синхронно-согласованного перемещения изде­ лия в процессе сварки, этот манипулятор позволяет либо целиком, либо большую часть сварки производить в наиболее удобном поло­ жении, близком к нижнему, когда обеспечивается наилучшее фор­ мирование сварного шва (с учетом действия сил тяжести). Манипуля­ тор изделия управляется от той же системы управления, что и ма­ нипулятор горелки.

Другой особенностью роботизированной дуговой сварки яв­ ляется требование управления сварочным током (скоростью подачи электрода), напряжением дуги и скоростью сварки в зависимости от толщины свариваемых элементов, пространственного положения шва, зазора между свариваемыми элементами, и других особенностей объектов сварки. В современных сварочных РТК указанными пара­ метрами сварочного процесса также управляет система управления роботов. Эта система кроме того обеспечивает колебания горелки при ее движении вдоль шва с заданной амплитудой и частотой.

При сварке крупногабаритных изделий очень часто допуски на размеры заготовок бывают достаточно большими, по крайней мере значительно больше, чем допустимая погрешность отклонения горелки от линии соединения свариваемых элементов. Например, фактические отклонения размеров элементов ковша мощного по­ грузчика, соединяемых дуговой сваркой, могут доходить до ± 5 мм, в' то время как погрешность наведения электрода на линию соедине­ ния не должна превышать 1,0—1,2 мм. Это означает, что для сварки каждого очередного экземпляра одного и того же изделия робот с программным управлением должен быть заново обучен операто­ ром. Такой подход для большинства производственных задач не­ приемлем. Одним из путей решения этой проблемы является осна­ щение роботов специальными системами восприятия изменений окружающей производственной среды (в качестве основного эле-

175

мента которой выступает само изделие), т. е. создание адаптивных роботов.

В настоящее время известно несколько типов систем адаптации для сварочных роботов, воспринимающих отклонения геометрии свариваемого экземпляра изделия от «эталонного» (им становится тот экземпляр, на котором проводилось первое обучение робота опе­ ратором) и передающих эту информацию в систему управления робота. Система управления осуществляет соответствующую кор­

в пределах определенного класса, по ее реализация на существу­ ющих вычислительных средствах пока еще слишком громоздка и дорога.

Реализованные в настоящее время системы адаптации сварочных роботов прежде всего отличаются друг от друга своими восприни­ мающими устройствами — датчиками, в значительной степени опре­ деляющими особенности самой системы адаптации.

Одной из первых практически использованных систем адаптации роботов для дуговой сварки является система фирмы «Хитачи» (Япо­ ния), построенная на основе двух магнитных датчиков, которая позволяет корректировать движения робота вдоль шва углового таврового соединения. Преимущество данной системы адаптации — ее простота и возможность работы в процессе сварки, а не только при предварительном корректирующем проходе без сварки. Основ­ ным недостатком этой системы является невозможность адаптации при сварке на закруглениях малого радиуса.

6,2.: Методы адаптации промышленных роботов для дуговой сварки

Как показывает практика, широкая роботизация сварочного про­ изводства в значительной степени зависит от наличия надежных средств адаптации, пригодных для использования в составе РТК дуговой сварки.

Случайные отклонения линии сопряжения свариваемых деталей от траектории, запрограммированной роботу, вызывают необходи­ мость геометрической (пространственной) адаптации, в результате чего система управления корректирует траекторию перемещения сварочной горелки относительно изделия. Отклонения геометриче­ ских характеристик (зазора, площади сечения разделки, взаимного положения кромок свариваемых элементов и т. д.) самого соединения, подготовленного под сварку, вызывают необходимость технологиче­ ской адаптации, при которой должны корректироваться параметры процесса сварки (сила сварочного тока, напряжение дуги, скорость сварки, амплитуда и частота колебаний электрода и т. д.).

Целесообразно различать два класса задач геометрической адап­

176

этой линии; 2) отклонение линии соединения от расчетного положе­ ния сопровождается изменениями ее формы.

Рассмотрим вначале первый класс задач, для которых отклонения линии соединения могут быть сведены к ее параллельному переносу или повороту в рабочем пространстве. Принцип адаптации, который может быть использован для решения задач этого класса, основан на том, что при неизменной форме линии соединения для получения информации о необходимой корректировке программы перемещений для данного экземпляра изделия достаточно найти до начала сварки (с помощью какого-либо датчика) положение определенного числа базовых точек на тех поверхностях свариваемых элементов, пересе­ чения которых образуют линию соединения или отстоят от нее на неизменном расстоянии. Датчик можно рассматривать как тактиль­ ный прибор или устройство другой физической природы, например, датчик расстояния до поверхности изделия. Для нахождения поло­ жения базовой точки датчику сообщается заранее «обученное» по­ исковое движение в направлении к поверхности изделия. Базовая точка здесь определяется как точка пересечения линии поиска с по­ верхностью изделия. Ориентация линий поиска в рабочей зоне остается неизменной для всех экземпляров изделия данного типо­ размера.

Для определения положения тела в пространстве в общем случае необходимо и достаточно найти положения трех непараллельных между собой плоскостей, принадлежащих этому телу. Каждая пло­ скость задается положением трех базовых точек, не лежащих на одной прямой. В результате получается девять базовых точек.

В универсальном РТК дуговой сварки поиск всех базовых точек должен производиться последовательно до начала сварки, что требует значительных затрат времени. Поэтому весьма важно для конкретных типовых задач находить возможности уменьшения числа корректируемых базовых точек. Например, в тех случаях, когда все швы прилегают к одному элементу неизменной формы, случайным образом смещенному в пространстве, фактическое поло­ жение всех точек этого элемента можно определить по шести базо­ вым точкам, так как при малых смещениях положения остальных трех точек можно вычислить, если известны координаты указанных шести точек. Если задача может быть сведена к повороту в стационарной плоскости, например, при приварке случайно смещенного жесткого элемента любой формы к плоскому листу, не изменяющему своего положения в пространстве, то достаточно определить смещения трех базовых точек.

Неизменность формы линии соединения при ее случайных сме­ щениях характерна для сварки прежде всего коротких швов на средних и крупных изделиях, в частности, на изделиях каркасно­ решетчатого типа. Иногда смещения весьма коротких отрезков ли­ нии соединения могут быть сведены к параллельному переносу, так как неучитываемый поворот короткой линии соединения дает погрешности, которыми для большинства практических применений можно пренебречь. При пространстенном (трехмерном) параллель-

177