وسایل جوشکاری رباتیک چیست و چرا برای تولید مدرن حیاتی هستند؟

تجهیزات جوش رباتیک دستگاه‌های نگهدارنده با مهندسی دقیقی هستند که اجزای فلزی را در یک موقعیت دقیق می‌بندند، مکان‌یابی می‌کنند و از آن پشتیبانی می‌کنند تا یک سیستم جوشکاری رباتیک بتواند جوش‌های ثابت و قابل تکرار را رسوب دهد. بدون نصب دقیق، حتی پیشرفته ترین ربات جوشکاری دانه های خارج از هدف، خرابی های ابعادی و ضایعات پرهزینه تولید می کند. این راهنما توضیح می‌دهد که این لامپ‌ها چگونه کار می‌کنند، کدام نوع وجود دارند، و چگونه می‌توان یک مورد مناسب را برای محیط تولید خود انتخاب کرد.

وسایل جوشکاری رباتیک چیست؟

وسایل جوش رباتیک رابط مکانیکی بین قطعه کار خام و مسیر جوش برنامه ریزی شده ربات هستند. یک دستگاه یک یا چند قسمت را در یک مکان مشخص و قابل تکرار نگه می‌دارد به طوری که در هر چرخه، مشعل ربات دقیقاً به همان نقطه در فضای سه‌بعدی می‌رسد.

فیکسچر سه کار اساسی را انجام می دهد: مکان یابی (قرار دادن قطعه در یک مبدأ شناخته شده)، بستن (جلوگیری از حرکت در حین قوس جوش)، و حمایت می کند (مقاومت در برابر اعوجاج جوش و تغییر شکل حرارتی). شکست در هر یک از این سه عملکرد مستقیماً به عیب جوش تبدیل می شود.

در تولید خودرو، هوافضا و تجهیزات سنگین با حجم بالا، وسایل جوشکاری رباتیک با تلورانس هایی به اندازه مثبت یا منفی 0.1 میلی متر طراحی شده اند. قطعه ای که حتی 0.5 میلی متر به اشتباه جابجا شده باشد می تواند مهره جوش را از خط مرکزی اتصال خارج کند و باعث ایجاد همجوشی ناقص و ضعف ساختاری شود.

چرا وسایل جوش رباتیک اینقدر اهمیت دارند؟

اتصالات جوش رباتیک بزرگترین متغیری هستند که بر قوام جوش در یک سلول خودکار تأثیر می‌گذارند - تأثیرگذارتر از برند ربات، نوع سیم یا انتخاب گاز محافظ.

اعداد را در نظر بگیرید: یک ربات جوشکاری شش محوره معمولی می تواند مسیر برنامه ریزی شده خود را تا 0.05 میلی متر مثبت یا منفی تکرار کند. با این حال، اگر فیکسچر یک تغییر موقعیت قسمت به قسمت به اضافه یا منهای 1.0 میلی متر را معرفی کند، مزیت تکرارپذیری ربات به طور کامل از بین می رود. مطالعات در زمینه تولید بدنه در سفید خودرو به طور مداوم این را نشان می دهد بیش از 70 درصد از عیوب جوش رباتیک ناشی از مشکلات فیکسچر است ، نه از برنامه نویسی ربات یا کیفیت مصرفی.

• زمان چرخه: یک دستگاه به خوبی طراحی شده به سرعت بارگیری و تخلیه می شود و زمان بیکاری ربات را به حداقل می رساند و کارایی کلی تجهیزات (OEE) را بهبود می بخشد.
• بازده پاس اول: مکان ثابت قطعه به معنای حلقه های دوباره کاری کمتر است. کارخانه‌هایی که روی وسایل با دقت بالا سرمایه‌گذاری می‌کنند معمولاً بازده عبور اول را بالای 98 درصد گزارش می‌کنند.
• ایمنی اپراتور: وسایلی که به درستی طراحی شده اند، دست اپراتور را با استفاده از گیره های ابزار که از راه دور یا به صورت پنوماتیک فعال می شوند، از ناحیه جوش دور نگه می دارند.
• قابلیت ردیابی: وسایل مدرن می‌توانند تراشه‌های RFID یا بارکدخوان‌ها را برای ثبت شماره قطعه جوش داده شده، ادغام کنند و از سوابق کیفیت ISO 9001 و IATF 16949 پشتیبانی کنند.

وسایل جوشکاری رباتیک چگونه کار می کنند؟

یک دستگاه جوش رباتیک با ایجاد یک مرجع مختصات ثابت - به نام مبنا - کار می کند و سپس قبل از اینکه ربات برنامه جوش خود را آغاز کند، قطعه کار را در برابر آن نقطه می چسباند.

مرحله 1: بارگذاری قسمت و مکان یابی

اپراتور یا یک سیستم کنترل خودکار مواد، قطعه را در مقابل پین‌های مکان‌یابی، بلوک‌های آشیانه یا بلوک‌های V قرار می‌دهد که موقعیت X، Y و Z آن را مشخص می‌کنند. مکان یاب های طراحی شده مناسب هر شش درجه آزادی را محدود می کنند: سه انتقالی و سه چرخشی.

مرحله 2: بستن

پس از نشستن، گیره های پنوماتیکی یا هیدرولیک درگیر می شوند تا قطعه را در موقعیت قرار گرفته محکم نگه دارند. گیره های پنوماتیکی که با سرعت 80 تا 100 psi کار می کنند می توانند 500 تا 2000 نیوتن نیروی گیره را در کمتر از 0.5 ثانیه اعمال کنند. طراحی گیره نباید مسیر نزدیک شدن مشعل ربات یا پوشش گاز محافظ در اطراف حوضچه جوش را مسدود کند.

مرحله 3: اجرای جوش

با محکم شدن قطعه، ربات برنامه جوش ذخیره شده خود را اجرا می کند. از آنجایی که قطعه در هر چرخه در یک موقعیت قرار می گیرد، ربات نیازی به جستجوی مفصل ندارد - به سادگی مسیر آموزش داده شده را دنبال می کند. گاهی اوقات به این می گویند جوشکاری مسیر ثابت و سریعترین و مقرون به صرفه ترین حالت جوشکاری رباتیک است.

مرحله 4: بارگیری و تنظیم مجدد

پس از اتمام چرخه جوش، گیره ها آزاد می شوند و مجموعه تمام شده برداشته می شود. فیکسچر برای قسمت بعدی ریست می شود. در خطوط پرسرعت، کل این چرخه بارگذاری-جوش-تخلیه در 30 تا 90 ثانیه کامل می شود.

کدام انواع لوازم جوشکاری رباتیک موجود است؟

پنج دسته اصلی از وسایل جوشکاری رباتیک وجود دارد که هر کدام برای ترکیب متفاوتی از هندسه قطعه، حجم تولید و بودجه بهینه شده اند.

1. تجهیزات سخت افزاری اختصاصی

وسایل اختصاصی که برای یک شماره قطعه ساخته شده اند، از ورق فولادی یا آلومینیومی با سوراخ های دقیق و گیره های پنوماتیکی یکپارچه ماشین کاری می شوند. آنها بالاترین دقت (به اضافه یا منفی 0.1 میلی متر قابل دستیابی است) و سریع ترین زمان چرخه را ارائه می دهند. این مبادله هزینه اولیه بالایی دارد - یک دستگاه پیچیده اختصاصی می تواند از 15000 تا 80000 دلار متغیر باشد - و انعطاف پذیری برای سایر قطعات صفر است.

2. لوازم جوش مدولار

سیستم‌های مدولار از یک صفحه پایه با الگوی شبکه (معمولاً در یک زمین 50 میلی‌متری یا 100 میلی‌متری) با بلوک‌های مؤلفه استاندارد - پایه‌ها، تکیه‌گاه‌ها، گیره‌ها و صفحات زاویه‌ای - که به شبکه پیچ می‌شوند، استفاده می‌کنند. این وسایل را می توان برای بخش های مختلف در چند ساعت به جای هفته ها پیکربندی کرد. آنها برای کارگاه‌ها و تولیدات با حجم کم تا متوسط ​​که در آن خانواده‌های چند نفره سلول ربات مشابهی دارند، ایده‌آل هستند.

3. فیکسچرهای Trunnion و Positioner

برای مجموعه‌هایی که نیاز به جوشکاری در چند طرف دارند، یک تراننیون (دو محوره) یا موقعیت‌دهنده سرو (یک تا سه محور) فیکسچر را در طول چرخه جوش می‌چرخاند و بدون نیاز به ربات دوم یا تغییر موقعیت دستی، سطوح اتصال جدیدی را به ربات ارائه می‌کند. پوزیشنر جوش می تواند با حذف نیاز به چرخاندن دستی قطعات، زمان چرخه کلی را 20 تا 40 درصد در مجموعه های پیچیده کاهش دهد.

4. وسایل گردان (نمایه سازی).

یک دستگاه میز گردان دو یا چند مجموعه ابزار را روی یک میز چرخان نگه می دارد. در حالی که ربات در یک ایستگاه جوش می دهد، یک اپراتور قسمت بعدی را در ایستگاه مقابل بارگذاری می کند. این به طور چشمگیری زمان روشن شدن قوس ربات را بهبود می بخشد - اغلب از 50٪ تا 85٪ - زیرا ربات هرگز منتظر بارگیری و تخلیه نیست.

5. وسایل تطبیقی انعطاف پذیر

وسایل تطبیقی که در محیط‌های با ترکیب بالا و حجم کم ظاهر می‌شوند، از پین‌های مبتنی بر سروو یا آرایه‌های گیره قابل تنظیم مجدد استفاده می‌کنند که به طور خودکار با هر نوع قطعه ورودی تنظیم می‌شوند. همراه با یک سیستم بینایی یا اسکنر لیزری که موقعیت قطعه را قبل از شروع جوشکاری تأیید می کند، این سیستم ها می توانند ده ها شماره قطعه را بدون تغییر دستی کنترل کنند.

مقایسه انواع لوازم جوش رباتیک

جدول 1: مقایسه انواع اتصالات جوشکاری رباتیک بر اساس دقت، انعطاف پذیری، هزینه و کاربرد توصیه شده.

نحوه طراحی وسایل جوشکاری رباتیک موثر

طراحی موثر دستگاه جوش رباتیک با درک کامل هندسه اتصال جوش، پوشش دسترسی ربات و رفتار حرارتی مواد قطعه کار آغاز می شود.

دسترسی و پاکسازی مشعل

هر گیره، تکیه گاه و اعضای ساختاری در فیکسچر باید به گونه ای قرار گیرد که مشعل ربات - از جمله گردن و مجرای سیم آن - بتواند بدون برخورد به هر اتصال جوشی در زاویه مورد نیاز برسد. طراحان فیکسچر معمولاً از شبیه‌سازی سه بعدی CAD برای بررسی فاصله مشعل در مسیر کامل جوش قبل از ساخت ابزار فیزیکی استفاده می‌کنند. حداقل فاصله 25 میلی متری در اطراف بدنه مشعل نقطه شروع رایج صنعت است.

کنترل اعوجاج جوش

گرمای ورودی در حین جوشکاری باعث انبساط و سپس انقباض ناهموار فلز در هنگام سرد شدن می شود، پدیده ای که به عنوان اعوجاج جوش شناخته می شود. وسایل باید این حرکت را پیش بینی کنند و یا آن را مهار کنند - با بستن قطعه تا زمانی که به زیر 200 درجه سانتیگراد خنک شود - یا با تغییر عمدی کمی موقعیت قطعه قبل از جوشکاری، از قبل آن را جبران کنند. میله های پشتی مسی یا اجزای فیکسچر خنک شونده با آب در کاربردهای گرمای بالا برای مدیریت بار حرارتی استفاده می شوند.

انتخاب مواد برای قاب فیکسچر

پایه فیکسچر و اعضای سازه اصلی بسته به وزن کاربرد و سفتی مورد نیاز معمولاً از ورق فولادی، چدن یا آلومینیوم ساختاری ساخته می شوند. فولاد بهترین پایداری ابعادی را تحت سیکل حرارتی ارائه می دهد، اما سنگین است و ماشین کاری کندتر است. آلومینیوم سبک‌تر است و ماشین‌ها سریع‌تر عمل می‌کنند، اما ممکن است نیاز به تأیید مجدد دوره‌ای داشته باشند، زیرا تحت بار گیره‌ای پایدار مستعد خزش هستند.

تأیید تکرارپذیری

قبل از یک جدید دستگاه جوش رباتیک برای تولید عرضه می شود، باید با استفاده از یک دستگاه اندازه گیری مختصات (CMM) یا یک ردیاب لیزری قابل حمل اعتبارسنجی شود. فیکسچر باید حداقل 30 بار بارگیری و تخلیه شود و موقعیت قطعه بعد از هر چرخه اندازه گیری شود. یک شاخص قابلیت فرآیند (Cpk) 1.67 یا بالاتر در تمام ابعاد بحرانی معمولاً برای تأیید زنجیره تأمین خودرو مورد نیاز است.

کاربردهای متداول فیکسچرهای جوشکاری رباتیک توسط صنعت

اتصالات جوشکاری رباتیک تقریباً در هر بخش تولیدی که شامل اتصال فلز است استفاده می شود، اما الزامات طراحی به طور قابل توجهی در صنعت متفاوت است.

جدول 2: کاربردهای اتصالات جوشکاری رباتیک بر اساس صنعت، از جمله قطعات معمولی، الزامات کلیدی، و انواع وسایل ترجیحی.

چه چیزی باعث خرابی اتصالات جوشکاری رباتیک می شود؟

شایع ترین علل خرابی فیکسچر، سایش سطوح محل، تخریب سیستم پنوماتیک و اعوجاج حرارتی خود قاب فیکسچر است.

• پوشیدن مکان یاب: پین های مکان یابی فولادی سخت شده در وسایل چرخه بالا می توانند با نرخ 0.01 تا 0.05 میلی متر در هر 100000 چرخه سایش شوند. یک مکان یاب فرسوده اجازه می دهد تا موقعیت قطعه به تدریج جابجا شود و باعث تغییر آهسته در کیفیت جوش می شود که تشخیص آن بدون بررسی های دوره ای CMM دشوار است.
• تخریب مهر و موم گیره: مهر و موم گیره پنوماتیک با گذشت زمان تخریب می شود و نیروی گیره را کاهش می دهد. گیره ای که نمی تواند یک قطعه را محکم نگه دارد، امکان حرکت ریز در طول قوس جوش را فراهم می کند و در نتیجه عرض مهره ناهموار و نقص احتمالی عدم همجوشی ایجاد می کند.
• تجمع پاشش جوش: فرود پاشش بر روی سطوح مکان یابی به عنوان یک داده کاذب عمل می کند و قطعه را بالاتر از موقعیت Z مورد نظر خود می برد. در فرآیندهای پر پاشش مانند اتصال کوتاه MIG بدون پوشش ضد پاشش، تجمع پاشش در مکان یاب‌ها می‌تواند در یک شیفت انجام شود.
• خستگی سیکل حرارتی: گرمایش و سرمایش مکرر قاب فیکسچر - به ویژه در فرآیندهای با حرارت بالا مانند GMAW یا PAW - می‌تواند باعث ایجاد رانش ابعادی تجمعی شود. وسایلی که در معرض قطعات با پیش گرمای بالای 200 درجه سانتیگراد قرار دارند باید هر سه ماه یکبار از نظر اعوجاج بررسی شوند.

نحوه نگهداری لوازم جوش رباتیک برای عمر طولانی

یک برنامه تعمیر و نگهداری پیشگیرانه ساختاریافته مقرون به صرفه ترین راه برای محافظت از سرمایه گذاری در تجهیزات جوشکاری رباتیک و حفظ کیفیت جوش در طول زمان است.

• روزانه: پین های محل و سطوح لانه را با برس و هوای فشرده تمیز کنید. اسپری ضد پاشیدن را قبل از هر جابجایی روی سطوح در معرض ابزار نزدیک منطقه جوش اعمال کنید.
• هفتگی: نیروی تحریک گیره پنوماتیک را با استفاده از نیروی سنج دستی بررسی کنید. خطوط هوا و اتصالات را از نظر نشتی بررسی کنید. اطمینان حاصل کنید که همه گیره ها در شرایط مشخصات کاملاً باز و کاملا بسته هستند.
• ماهانه: ابعاد بحرانی مکان یاب را با استفاده از گیج کالیبره شده یا CMM اندازه گیری کنید. نتایج سند و روند در برابر خط پایه. هر مکان یابی را که بیش از 0.1 میلی متر سایش از اسمی نشان می دهد، جایگزین کنید.
• سالانه: خراب کردن، تمیز کردن و بازرسی کامل دستگاه. با استفاده از ردیاب لیزری یا CMM، صحت فیکسچر را در برابر نقشه‌های طرح اصلی تأیید کنید. تمام مهر و موم های پنوماتیک را به طور فعال تعویض کنید.

سوالات متداول در مورد وسایل جوشکاری رباتیک

تفاوت بین فیکسچر جوشکاری و جیگ جوش چیست؟

A دستگاه جوش قطعه را در موقعیتی ثابت و قابل تکرار قرار می دهد و گیره می دهد - ربات یا جوشکار همیشه به قطعه می آید. یک جک جوشکاری، در استفاده سنتی، خود ابزار جوش را در امتداد اتصال هدایت می کند. در جوشکاری رباتیک، تمایز تا حد زیادی ناپدید شده است زیرا ربات هدایت مسیر خود را ارائه می دهد. اصطلاح "فیکسچر" اکنون برای هر دو عملکرد استاندارد است.

طراحی و ساخت دستگاه جوش رباتیک چقدر طول می کشد؟

برای یک دستگاه اختصاصی نسبتاً پیچیده، جدول زمانی معمولی 8 تا 16 هفته از شروع طراحی تا نصب در سلول ربات است. این شامل 3 تا 4 هفته طراحی CAD، 2 تا 4 هفته ماشینکاری و ساخت، و 2 تا 4 هفته ساخت، اشکال زدایی و اعتبارسنجی قابلیت می باشد. وسایل مدولار را می توان در 1 تا 3 هفته مونتاژ و تأیید کرد.

آیا می توان از یک دستگاه جوش رباتیک مشابه با ربات های مختلف استفاده کرد؟

بله، مشروط بر اینکه فیکسچر بر روی یک صفحه رابط استاندارد نصب شده باشد و سلول ربات پس از تعویض ربات مجدداً به نقطه فیکسچر کالیبره شود. برنامه جوش نیز ممکن است نیاز به آموزش مجدد یا تبدیل به سیستم مختصات ربات جدید داشته باشد. استفاده از یک داده ثابت ثابت در چندین ربات تغییر را به طور قابل توجهی ساده می کند.

دستگاه های جوشکاری رباتیک از چه موادی ساخته می شوند؟

قاب های سازه ای معمولاً از ورق فولادی ملایم یا لوله فولادی سازه ای ساخته می شوند. پین های مکان یابی و سطوح سایش از فولاد ابزار سخت شده (معمولا حداقل 60 HRC) برای مقاومت در برابر سایش ساخته شده اند. برخی از وسایل از پایه های چدنی برای میرایی ارتعاش برتر استفاده می کنند. در کاربردهای هوافضا، آلیاژ Invar به دلیل ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر برای وسایل با دقت بسیار بالا استفاده می شود.

چگونه یک دستگاه جوش رباتیک بر زمان چرخه تأثیر می گذارد؟

طراحی فیکسچر به دو صورت مستقیماً بر زمان چرخه تأثیر می گذارد. اولاً، سرعت بارگیری و تخلیه بستگی به این دارد که چگونه می توان به یراق آلات دسترسی موثر داشت و با چه سرعتی گیره ها فعال می شوند - وسایل با طراحی ضعیف 15 تا 30 ثانیه در هر چرخه اضافه می کنند. ثانیاً، یک یراق گردان امکان بارگیری را در حین جوشکاری فراهم می کند، که می تواند با نگه داشتن ربات به طور مداوم در جوشکاری به جای منتظر ماندن برای تغییرات قطعه، تقریباً دو برابر شود.

نرم افزار شبیه سازی چه نقشی در طراحی فیکسچر ایفا می کند؟

برنامه‌نویسی آفلاین (OLP) و نرم‌افزار شبیه‌سازی ربات به مهندسان این امکان را می‌دهد که یک مدل سه‌بعدی فیکسچر را وارد کنند، کل مسیر جوش را به صورت مجازی برنامه‌ریزی کنند و قبل از ساخت هرگونه ابزار فیزیکی، برخورد مشعل با فیکسچر را بررسی کنند. این فرآیند اعتبار سنجی مجازی می تواند 80 تا 90 درصد از تغییرات طراحی مرتبط با برخورد را که در غیر این صورت فقط در هنگام راه اندازی فیزیکی کشف می شوند حذف کند و در زمان و هزینه قابل توجهی صرفه جویی کند.

آیا دستگاه های جوشکاری رباتیک برای جوشکاری آلومینیوم مناسب هستند؟

بله، اما اتصالات جوشکاری آلومینیوم نیاز به بررسی طراحی بیشتری دارند. رسانایی حرارتی بالای آلومینیوم به این معنی است که گرما به سرعت از بین می رود، بنابراین وسایل نباید به عنوان سینک گرمای بیش از حد عمل کنند که باعث همجوشی ناقص شود. نیروهای بستن نیز باید به دقت کنترل شوند تا از علامت گذاری سطوح آلومینیومی نرم جلوگیری شود. برای جلوگیری از آلودگی کربن و به حداقل رساندن چسبندگی پاشش جوش، میلگردهای پشتیبان آلومینیومی مسی یا آنودایز شده نسبت به فولاد در نزدیکی اتصالات جوش آلومینیومی ترجیح داده می شوند.

پیشنهاد نهایی: چرا سرمایه گذاری در لوازم جوشکاری رباتیک با کیفیت نتیجه می دهد؟

یک دستگاه جوش رباتیک که به خوبی مهندسی شده باشد مرکز هزینه نیست - این پایه و اساس کیفیت جوش، توان عملیاتی و بازگشت سرمایه ربات شما است.

یک محاسبه ساده را در نظر بگیرید: اگر یک سلول ربات 400 مجموعه در هر شیفت تولید کند، و یک وسیله با طراحی ضعیف باعث 2٪ نرخ کار مجدد شود، این معادل 8 مجموعه است که به اصلاح دستی در هر شیفت نیاز دارند. با میانگین هزینه بازسازی 50 دلار برای هر مونتاژ، هزینه مجدد سالانه تقریباً 104000 دلار است. یک ارتقاء ثابت با هزینه 30000 دلار که باعث از بین رفتن دوباره کاری در کمتر از چهار ماه می شود.

صنایعی که بالاترین بهره‌وری روبات‌ها را به دست می‌آورند - تامین‌کنندگان ردیف اول خودرو، سازندگان هوافضا، و تولیدکنندگان تجهیزات سنگین - یک رویه مشترک دارند: آنها درمان می‌کنند. وسایل جوشکاری رباتیک به عنوان ابزار دقیقی که مستحق همان توجه مهندسی و نظم و انضباط تعمیر و نگهداری مانند خود ربات ها هستند. انتخاب نوع اتصال مناسب، طراحی آن با شبیه‌سازی کامل دسترسی به مشعل، اعتبارسنجی آن بر اساس استانداردهای Cpk، و نگهداری آن بر اساس برنامه‌ریزی‌شده، مطمئن‌ترین مسیر برای جوشکاری خودکار سازگار و با کیفیت بالا در مقیاس است.