PATRONI ROBOTYKI:
 

WIADOMOŚCI PRZEMYSŁOWE

2012-08-31 12:49

COMAU: Zrobotyzowane zgrzewanie z wykorzystaniem innowacyjnych laserów 3D

Zgrzewanie, roboty i laser to trzy podstawowe pojęcia stanowiące odpowiednią triadę do zbudowania kompletnego zrobotyzowanego gniazda. Takie rozwiązanie znalazło już idealne miejsce w przemyśle motoryzacyjnym. Może również dać początek nowym zastosowaniom w nieograniczonej liczbie aplikacji.

Roberto Menin - kierownik działu zgrzewania laserem oraz spawania łukowego w zakładach Comau Robotics w Grugliasco w Turynie - przedstawia najnowsze osiągnięcia w tej dziedzinie.

Spółki z branży przemysłu samochodowego borykają się aktualnie z dwoma głównymi problemami. Z jednej strony zmuszone są do ciągłego dostosowywania oferty do bieżących potrzeb rynku, proponując Klientowi szeroką gamę modeli. Z drugiej strony stoją przed koniecznością ograniczania kosztów produkcji poprzez zastosowanie najnowszych technologii, które bardzo często okazują się nazbyt wydajne w stosunku do potrzeb. Dlatego też producenci samochodów starają się częściowo przezwyciężyć ten problem wykorzystując te same komponenty do produkcji kilku modeli. Najczęściej są to komponenty niewidoczne dla potencjalnego nabywcy, łatwiej jest bowiem zastosować do kilku modeli samochodu to samo podwozie, niż wykorzystać do dwóch modeli ten sam kształt pokrywy silnika czy bagażnika, co byłoby widoczne już na pierwszy rzut oka.



Zgrzewanie laserowe a tradycyjne zgrzewanie punktowe
Klaus Löffler, specjalista ds. technologii produkcji samochodowej w Grupie Trumpf bardzo wyraźnie nakreślił ten problem: „W poprzednich latach wiązano wielkie nadzieje z zastosowaniem lasera w przemyśle samochodowym. Gwałtownie rozwijała się technologia „zdalnie sterowanego zgrzewania laserem” polegająca na wykorzystaniu wysoko skoncentrowanej wiązki laserowej o bardzo długiej ogniskowej, przemieszczającej się z dużą prędkością dzięki zastosowaniu optycznego układu luster galwanometrycznych.

Trumpf, ze swoimi laserami tarczowymi jest nie tylko jednym z producentów źródeł tego wysokiej jasności światła, ale również integratorem wprowadzającym na rynek własne kompletne zrobotyzowane systemy zdalnie sterowanego zgrzewania. Należy jednak podkreślić, że nowa technologia ma zastosowanie tylko w przypadku niektórych aplikacji, zwłaszcza tam, gdzie konieczne jest zespolenie kilku takich samych elementów za pomocą zgrzewania punktowego wykonywanego z dużą prędkością.

Obecnie tylko kilka firm produkujących samochody wykorzystuje tę metodę. W większości przypadków znajduje ona zastosowanie tylko do spawania elementów powtarzalnych, czyli paneli drzwi (średnio cztery elementy na samochód). Rzadziej wykorzystuje się ją do spawania konstrukcji siedzeń samochodowych. W tym drugim przypadku na jeden samochód przypadają tylko dwa takie komponenty. Często wykorzystuje się tę samą konstrukcję metalową siedzenia do produkcji rożnych modeli.

„Laser – mówi Löffler – jest urządzeniem zwiększającym niezwykle wydajność pracy. Podczas gdy na wykonanie jednego punktu zgrzewania dawną technologią potrzeba było ok. 2 sekund, laser wykonuje 4 takie punkty na sekundę, czyli ośmiokrotnie zwiększa wydajność. Należy jednak pamiętać, że koszt zastosowania techniki laserowej jest niewątpliwie o wiele wyższy, tym bardziej, że do podstawowej ceny należy dodać jeszcze koszt urządzeń pomocniczych gwarantujących właściwe ułożenie elementów podczas zgrzewania. Operacja ułożenia elementów nie jest konieczna, albo przynajmniej nie jest tak istotna w przypadku zgrzewania punktowego, czyli techniki, w której kleszcze same wykonują dojazd do elementu spawanego.

Możemy w końcu pokusić się o stwierdzenie, że oba systemy, zasadniczo tak różne pod względem technologii działania jak i kosztów, w efekcie dają porównywalny koszt wykonania jednego spawu. Naturalnie stwierdzenie to jest prawdziwe tylko w przypadku, jeżeli szacunkowe koszty wyliczymy w stosunku do dużej ilości wykonanych spoin.”

Smart Laser - integracja robotów Comau Robotics serii Smart z wykorzystaniem innowacyjnych laserów 3D
Aby zgłębić temat udaliśmy się do zakładów Comau w Grugliasco niedaleko Turynu, gdzie przeprowadziliśmy wywiad z Roberto Menin, kierownikiem działu zgrzewania laserowego oraz spawania łukowego, prosząc o przybliżenie szczegółów dotyczących urządzeń do zdalnie sterowanego zgrzewania laserowego produkowanych przez Comau Robotics.

„Na całym świecie zostało zainstalowanych około stu linii wyposażonych w system spawania laserowego zintegrowanych przez Comau Robotics. Ponadto należy jeszcze wspomnieć o około piętnastu systemach opatentowanych przez samą spółkę Comau Robotics" – podkreśla Roberto Menin. "Jesteśmy partnerami w instalacjach aplikacji praktycznie w każdym zakątku świata począwszy od Afryki Południowej po Chiny, od Ameryki Północnej po Południową jak również oczywiście w Europie. Gdziekolwiek przemysł samochodowy założył swoja fabrykę produkującą z sukcesem nowe modele samochodów, tam docierało Comau Robotics z własnymi liniami i własnymi technologiami produkcji. W szerokiej gamie urządzeń laserowych przedstawionej w ofercie Comau Robotics – dodaje Roberto Menin – od wielu już lat znajdują się także urządzania do zdalnie sterowanego zgrzewania elementów karoserii. Początkowo do zgrzewania laserowego wykorzystywano roboty bramowe -  słynne systemy AgiLaser – zrealizowane dzięki współpracy z grupą Prima Industrie. Wykonaliśmy około piętnastu takich urządzeń, wszystkie z zastosowaniem lasera CO2, wtedy były to jedyne urządzenia gwarantujące odpowiednie warunki do ogniskowania bardzo długiej wiązki. W kolejnym etapie opatentowaliśmy nasze własne rozwiązanie pod nazwą Smart Laser, polegające na zintegrowaniu robotów produkcji Comau Robotics serii Smart z wykorzystaniem innowacyjnych laserów na ciele stałym. Do dzisiaj zainstalowaliśmy około dziesięciu takich urządzeń, z czego cztery pracują w zakładach Fiat w Cassino i są wykorzystywane do zgrzewania wewnętrznych elementów drzwi do modelu Lancia Delta. Warto podkreślić, że na dzień dzisiejszy łącznie ponad 5,5 miliona egzemplarzy drzwi samochodowych wyprodukowanych w ciągu jednego roku powstaje przy wykorzystaniu naszych urządzeń do zgrzewania. To ogromny sukces!”

Szczegóły systemu Smart Laser
Zanim przejdziemy do przeanalizowania wszystkich zalet ostatniej aplikacji zdalnie sterowanego zgrzewania laserem z zastosowaniem jednostki Smart Laser w zakładach Fiat w Cassino, przyjrzyjmy się bliżej tej nowatorskiej technologii.

„Smart Laser - mówi Roberto Menin – to system zrobotyzowanego zgrzewania laserem 3D. Rozwiązanie to polega na integracji 4-osiowego robota z optycznym układem zwierciadeł do pozycjonowania wiązki promieniowania poruszającej się z dużą prędkością.

System został opracowany na bazie robota Comau Smart NH1 wraz z jednostką kontrolną C4G oraz z własnym panelem programowania. Warto zauważyć, że robot ten pracuje tylko na 4 osiach AX1…AX4.  Dodatkowym parametrem jest odległość źródła lasera od zgrzewanego elementu (przeważnie wynosząca pomiędzy 750 mm a 1100 mm), która traktowana jest jako dodatkowa oś. Fizycznie jest ona realizowana przez grupę soczewek i pryzmatu sterowanych za pomocą trzech silników.

COMAU - Jednostka Smart Laser

Zdjęcie: Schemat jednostki Smart Laser Comau. Podstawowy korpus robota NH1. Widoczna jest jednostka kolimacji i ogniskowania wiązki lasera oraz skaner.

W ten sposób otrzymujemy kontrolowaną oś jednostki ogniskowania, która charakteryzuje się bardzo małą inercją i może przesuwać się z prędkością liniową 4m/s, z przyspieszeniem ośmiokrotnie przewyższającym przyspieszenie ziemskie. Punkt ogniskowy wiązki można zatem pozycjonować z wielką precyzją, nawet z prędkością od 5 do 8 razy wyższą niż w przypadku tradycyjnego robota antropomorficznego. Dzięki temu osiągamy niezwykle krótki czas przemieszczania i naprowadzania wiązki z jednego punktu zgrzewania do następnego.”

W jaki sposób naprowadzana jest wiązka laserowa? „Skoncentrowana wiązka laserowa – dodaje Roberto Menin – jest kierowana na lustro stałe, od którego odbija się pionowo i pada na drugie lustro, a więc dwuosiowy układ skanujący naprowadza wiązkę z przyspieszeniem od 150 do 250 rad/s2. Drugie lustro układu optycznego kieruje wiązkę bezpośrednio na różne pozycje pracy".

Smart Laser różni się więc znacznie od innych systemów zrobotyzowanych pracujących w oparciu o skaner 2D z tradycyjnym robotem poruszającym się z normalną prędkością TCP, osiągając zazwyczaj przyspieszenie o wartości nie wyższej niż 1 G. Dodatkowo warto zwrócić uwagę, że w systemie Smart Laser źródło promieniowania, czyli tarcza lub włókno, jest montowane na czwartej osi robota, a nie na układzie skanującym, jak to ma miejsce w innych zrobotyzowanych systemach. Ogranicza to w dużym stopniu wpływ drgań mechanicznych na źródło promieniowania, a dodatkowo znacznie ułatwia programowanie w systemie off-line.

Ponadto dzięki bardzo dużej odległości ogniskowej nie zachodzi niebezpieczeństwo wystąpienia kolizji z przyrządami pozycjonującymi element spawany, a laser swobodnie dociera nawet do trudno dostępnych stref.

Zrobotyzowane gniazdo do zgrzewania laserowego elementów karoserii Lancia Delta
Aplikacja zdalnie sterowanego zgrzewania Smart Laser jest zainstalowana w zakładach Fiat w Cassino do zgrzewania wewnętrznych elementów drzwi do modelu Lancia Delta. „Warto wspomnieć – zaznacza Roberto Menin – że w tym konkretnym przypadku zgrzewane są dwa elementy karoserii z blachy ocynkowanej. Aby uniknąć osłabienia zgrzewanych punktów na skutek wytworzenia się porów, przez które ulatniają się opary cynku zgromadzone pomiędzy zgrzewanymi powierzchniami, należy wykonać kilka „przetłoczeń” za pomocą impulsów laserowych na elemencie dolnym. W ten sposób powstaje wąska szczelina szerokości kilku dziesiątych milimetra pomiędzy dwoma elementami zgrzewanymi, która pozwala oparom cynku ulotnić się ze strefy topienia.

Comau - zgrzewanie laserowe

Zdjęcie: Widok odcinków zgrzewania wykonanych za pomocą systemu Smart Laser Comau na wewnętrznych elementach drzwi modelu Lancia Delta.

Połączenie dwóch blach składających się na drzwi samochodowe zachodzi poprzez spaw o długości ok. 20 mm. Odcinek taki gwarantuje taką samą wytrzymałość mechaniczną jak tradycyjne zgrzewanie punktowe. Dla każdego 20-milimetrowego odcinka spawu zostają wykonane najczęściej dwa lub trzy „przetłoczenia” po przeciwnej stronie w odległości ok. 2,5 mm.”

Comau - Przykłady przetłoczeń

Zdjęcie: Przykłady „przetłoczeń” wykonane impulsami laserowymi na dolnym elemencie drzwi do modelu Lancia Delta w zakładach Fiat w Cassino. Przetłoczenia te umożliwiają odparowanie gazów cynku powstałych w czasie zgrzewania.

Zrobotyzowany system zdalnie sterowanego zgrzewania oferowany przez Comau składa się z dwóch kabin ustawionych na przeciwko siebie, w jednej zgrzewane są drzwi prawe, w drugiej lewe. W każdej kabinie zainstalowane są dwie jednostki Smart Laser, jedna wykonuje „przetłoczenia” na elemencie ułożonym pionowo na dwuelementowym stole obrotowym, a druga odpowiedzialna jest za zgrzewanie właściwe wykonywane w poziomie.

COMAU - cele zgrzewalnicze

Grafika: Kabina z systemem zdalnie sterowanego zgrzewania zainstalowanego w zakładach Fiat w Cassino do zgrzewania drzwi modelu Lancia Delta.

Oczywiście poza kabiną pracują także inne roboty odpowiedzialne za podawanie i odbieranie elementów. Wszystkie cztery roboty zasilane są z trzech źródeł lasera TruDisk 4002 o mocy 4kW: z jednego źródła biegną wiązki podłączone do dwóch robotów odpowiedzialnych za wykonanie „przetłoczeń”, a dwa pozostałe źródła sterują wiązkami idącymi do robotów wykonujących właściwe zgrzewanie. Takie rozwiązanie umożliwia przejęcie funkcji jednego robota przez drugi w przypadku awarii. Łączny czas cyklu zgrzewania elementów jednej pary drzwi – prawe i lewe – wynosi 78 sekund, co pozwala na wykonanie 880 par drzwi na dzień przy wydajności sięgającej 90%.

„System ten sprawdza się z powodzeniem od dwóch lat i pozwolił na wykonanie drzwi do ok. 120.000 samochodów Lancia Delta” – kończy wypowiedź Roberto Menin. Nie stwierdzono żadnych niezgodności, które mogłyby wpłynąć na zmniejszenie wydajności. Ostatnio ten sam system wykorzystano także do zgrzewania wewnętrznych elementów drzwi do modelu nowej Alfa Romeo Giulietta.  Świadczy to o dużej elastyczności zastosowania, ponieważ konstrukcje drzwi obu modeli znacznie różnią się między sobą, jednakże różnice te zostały uwzględnione już na etapie projektowania grup pozycjonujących elementy zgrzewane.”

Comau - Zgrzewanie za pomocą systemu Smart Laser

Zdjęcie: Zgrzewanie za pomocą systemu Smart Laser elementów drzwi do modelu Lancia Delta.   

Comau Smart Laser
Zdjęcie: Robot COMAU Smart Laser
________________________________________________________________________________________

Robotyka COMAU to rzetelny partner w zakresie robotyzacji procesów technologicznych oraz szeroko rozumianych usług serwisowych, posiadający ponad 35 lat doświadczenia w robotyzacji oraz największą bazę zainstalowanych robotów w Polsce - ponad 2000 robotów pracujących w wielu zaawansowanych technologicznie procesach, m.in. w zgrzewaniu punktowym, spawaniu, klejeniu, obsłudze maszyn i przenoszeniu.

Zdecydowana większość robotów COMAU zainstalowanych w Polsce pracuje w przemyśle motoryzacyjnym, najbardziej wymagającym i restrykcyjnym pod względem jakości i niezawodności.

COMAU w Polsce to ponad 200 pracowników: inżynierów, mechaników, specjalistów ds. maszyn i urządzeń, specjalistów ds. serwisu robotów, maszyn i urządzeń oraz monterów i elektryków.

Comau Poland Sp. z o.o.
ul. Turyńska 100
43-100 Tychy
tel. 32 217 99 55, 32 217 91 30
kom. 510 994 251, fax 32 217 97 07
michal.ochmanski@comau.com
www.comau.com/pol/robotics - nowa witryna internetowa w języku polskim

Źródło: COMAU Poland, http://www.comau.com