Universitatea “Lucian Blaga” din Sibiu, Facultatea de Inginerie

Proiectarea unei celule robotizate de sudură

Profesor coordonator: Studenți:

Prof.dr.ing. Dorin Telea Gaboraș Corina

=-2012-=

1

Cuprins

1

.Aspecte generale privind sudarea cu arc electric.........................................................................................2

1.1Definiție................................................................................................................................................2

1.2 Caracterizarea procedeului de sudură cu arc electric (Mig-Mag).......................................................2

1.3Posibilitati de automatizare..................................................................................................................2

Studiul actual privind sudura cu arc electric robotizată................................................................................2

2.1Scurt istoric al procesului de sudura robotizata....................................................................................2

2.2 Ultimele realizări ȋn ceea ce priveşte sudarea cu arc electric robotizată (GMAW Mig-Mag)............2

2.3 Tendinţe privind sudura GMAW robotizată.......................................................................................2

3.Analiză a produsului din punct de vedere al posibilităţilor de sudare.......................................................2

4.Dezvoltarea metodologiei de proiectare a celulei robotizate.....................................................................2

5.Concluzii....................................................................................................................................................2

2

1.Aspecte generale privind sudarea cu arc electric

1.1 Definiție

Sudarea este procedeul tehnologic de realizare a îmbinărilor nedemontabile a unor componente

metalice sau nemetalice prin interacţiunea atomilor mărginaşi ai acestora. Îmbinarea ce rezultă în

urma procesului de sudare poartă denumirea de sudură. Totalitatea operaţiilor care concură la realizarea

sudurii poartă denumirea de proces tehnologic de sudare. Unui proces tehnologic de sudare îi este

caracteristic un anumit procedeu de sudare.

Coeziunea locală în vederea obţinerii sudurii se realizează cu un aport de energie termică sau mecanică

sau şi termică şi mecanică. Prin aceasta atomii mărginaşi ai componentelor de sudat primesc energia

necesară scoaterii lor din starea de echilibru stabil corespunzătoare unui nivel energetic minim. După

aceea, componentele îşi aduc atomii marginali la distanţe egale sau mai mici decât parametrul reţelei

cristaline. În această situaţie ei se rearanjează în cristale comune celor două componente astfel ca să

atingă din nou un minim energetic. Ca atare, procesul de sudare constă în introducerea localizată, prin

concentrare în timp şi spaţiu, a unei cantităţi de energie în zona sudurii pentru a scoate atomii din starea

lor de echilibru stabil şi apropierea atomilor mărginaşi la distanţe egale sau mai mici decât parametrul

reţelei cristaline pentru ca ei să recristalizeze într-o reţea comună corespunzătoare unei noi stări stabile.

1.2 Caracterizarea procedeului de sudură cu arc electric (Mig-Mag)

Principii de bază

Principiul sudării cu arc electric are la bază respectarea următoarelor condiţii:

menţinerea arcului electric într-o stare staţionară astfel încât intensitatea curentului şi tensiunea

arcului (Fig. 1.1) să aibă valori cât mai constante;

aportul continuu cu viteza a materialului de adaos 1 în arcul electric, arc care arde între vergeaua

electrod şi componentele de sudat 2;

deplasarea arcului electric în lungul rostului între componentele de sudat, cu viteză constantă

numită viteză de sudare, . În acest fel se realizează topirea marginilor formând împreună cu

materialul de adaos o baie de sudura 3;

urmărirea rostului şi umplerea lui uniformă astfel ca după solidificarea băii să se realizeze un

cordon continuu şi cu dimensiuni geometrice impuse.

3

Fig. 1.1 Reprezentarea principiilor de bază

Se poate face o clasificare a procedeelor de sudare cu arc în funcţie de gradul în care sudorul participă la

realizarea acestor operaţii:

sudare manuală - când sudorul execută toate operaţiile manual;

sudare semimecanizată - când sudura se execută manual cu excepţia alimentării cu

sârmă electrod a procesului de sudare;

sudare mecanizată - când toate operaţiile de sudare se execută mecanizat, însă nu există circuit de

reacţie (feed back), sudorul trebuind să supravegheze continuu procesul, intervenind şi reglând

parametrii de lucru, funcţie de modul de desfăşurare al acestuia;

sudare automată în care instalaţia este prevăzută cu circuit de reacţie, astfel încât ea autoreglează

parametrii regimului de sudare şi poziţia relativă a elementelor metal de adaos şi metal de bază,

asigurând stabilitatea procesului. Sudorul intervine doar atunci când se defectează elementele

instalaţiei de sudare, sau se impune realimentarea cu materiale de sudare.

Clasificarea procedeelor de sudare cu arc electric poate fi făcută şi în funcţie de modul de protecţie a băii

de sudură. Baia de sudură trebuie protejată faţă de aerul din mediul înconjurător. Oxigenul din aer are ca

efect modificarea compoziţiei chimice a aliajelor metalice, oxidând elementele de aliere în ordinea

afinităţii lor faţă de acest element. Oxizii rezultaţi au ca efect reducerea rezistenţei şi a plasticităţii

îmbinării sudate. Azotul din aer formează nitruri dure şi casante producând tendinţe de rupere fragilă,

precum şi de apariţie a porilor. Influenţe defavorabile au şi alte gaze conţinute în aer, dintre care şi

hidrogenul, care contribuie la fragilizarea oţelului.

4

Protecţia băii de sudură precum şi a cordonului de sudură se realizează fie cu ajutorul unui înveliş aplicat

pe sârma electrod, fie cu un flux ce acoperă arcul electric, fie cu gaz sau amestec de gaze insuflate

continuu în jurul arcului electric şi a băii de sudură.

Un alt punct de vedere al clasificării procedeelor de sudare cu arc electric îl constituie modul de

participare al electrodului la formarea băii. Arcul electric arde între un electrod de secţiune circulară şi

componentele de sudat. Electrodul poate fi fuzibil în condiţiile în care se topeşte în procesul de sudare,

furnizând materialul de adaos, material ce participă ca material depus în formarea cordonului. Electrodul

poate fi nefuzibil când el nu participă la formarea cusăturii, el servind ca element între care se realizează

arcul electric. Electrozii nefuzibili sunt cei de wolfram (tungsten) sau de cărbune. Electrozii de cărbune

au o pondere tot mai mică în realizarea procedeelor de sudare cu arc electric datorită durabilităţii lor

reduse.

Elementele geometrice ale unei îmbinări sudate sunt cordonul de sudură şi zona influenţată termic

(termomecanic).

Cordonul de sudură (Fig. 1.2) este partea îmbinării care leagă componentele de sudat şi care se formează

prin solidificarea băii de sudură.

Zona influenţată termic (ZIT) este zona de trecere dintre cordonul de sudură şi materialul de bază.

Fig. 1.2 Reprezentare a cordonului de sudură

Cordonul de sudură este format de obicei din două straturi: stratul de rădăcină 1 şi stratul de completare 2

(fig. 1.3). Atât stratul de rădăcină cât şi cel de completare pot fi realizat din mai multe treceri. În figura

1.3. stratul de completare 2 este realizat din trecerile a, b, c, d etc.

Fig. 1.3 Reprezentare a straturilor de sudură5

Dimensiunile cordonului şi ale zonei influenţate termic sunt date prin următoarele

mărimi geometrice (Fig.1.4).

b - lăţimea cusăturii;

B - lăţimea ZIT;

p - pătrunderea cusăturii;

P - pătrunderea ZIT.

Fig. 1.4 Reprezentare a mărimilor geometrice ale cordonului de sudură

La formarea cordonului de sudură participă materialul de bază al componentelor de sudat, precum şi

materialul depus. Materialul depus provine din materialul de adaos, materialul sârmei electrod, suferind

transformări de natură chimică, mecano-metalurgică ca urmare a trecerii prin arcul electric.

Forma rostului la sudarea componentelor cu arcul electric este dictată de următorii factori.

1. Cel mai important factor îl constituie capacitatea portantă a îmbinării, respectiv transmiterea fluxului

de forţă prin îmbinarea sudată de la o componentă la alta. Dacă fluxul de forţă este transmis static

îmbinarea poate fi realizată cu pătrundere mai redusă, uneori chiar incompletă astfel încât, sub

aspectul calibrului îmbinării, ea să reziste solicitărilor exterioare. În cazul în care îmbinarea este

solicitată dinamic, cu şocuri sau funcţionează la temperaturi scăzute, este necesară o pătrundere

completă pentru a se evita concentratorii de tensiune în zona cordonului de sudură sau a se diminua

aceştia;

2. Rostul este impus şi de procedeul de sudare. Cu cât procedeul de sudare conferă cusăturii o

pătrundere mai mare cu atât rostul trebuie să fie mai îngust şi mai puţin deschis;

3. Poziţia de sudare influenţează forma rostului. În condiţiile unor tendinţe de curgere gravitaţională a

băii de sudură este posibil să se aleagă rosturi cât mai mici pentru ca baia de sudură să fie mai puţin

bogată, iar arcul electric prin efectul presiunii dinamice şi prin constrângerea lui în câmpul de forţe

proprii să evite tendinţa de curgere a băii;

6

4. Rostul trebuie ales şi în funcţie de accesibilitatea arcului electric în rost pentru a avea posibilitatea

topirii marginilor componentelor şi de a asigura o baie comună, deci o bună legătură între elementele

asamblate prin cordon;

5. La alegerea rostului trebuie avută în vedere şi posibilitatea de susţinere a băii la rădăcina cusăturii în

timpul sudării pentru evitarea curgerii gravitaţionale a băii.

6. Susţinerea rădăcinii cusăturii se poate face:

cu benzi de metal de acelaşi fel cu materialul de bază sudate la rădăcină;

cu plăci de cupru, cu sau fără răcire forţată, plasate la rădăcina rostului;

cu pernă de flux presată asupra rădăcinii rostului;

cu benzi lipite din componente adezive, în interiorul benzilor aflându-se un flux într-un liant;

cu patină de cupru răcită în prealabil şi care urmăreşte arcul de sudare în condiţiile sudării

stratului de rădăcină;

cu patină ceramică care, de obicei, nu se răceşte asigurând formarea şi reţinerea materialului

depus la rădăcina rostului îmbinării;

7. Sub aspect economic este necesar ca secţiunea rostului să fie cât mai mică reducându-se consumul

de material de adaos şi de material de bază. Se reduce şi volumul prelucrărilor ce au contribuit la

formarea rostului.

8. Realizarea rostului se face prin mai multe procedee:

a) debitare mecanică prin forfecare (cel mai ieftin procedeu);

b) tăiere termică (cel mai răspândit procedeu dar limitat din punct de vedere al geometriei rostului).

Se poate face cu flacăra oxigaz sau cu jet de plasmă;

c) prelucrare mecanică prin aşchiere (cel mai scump procedeu dar permite formarea oricărei

geometrii a rostului);

9. La alegerea rostului se are în vedere şi deformaţia pieselor sudate. Deformaţia este redusă atunci

când secţiunea rostului este mică, când baia de metal topit este redusă volumic şi când se sudează cu

pendulare, deci cu balansarea arcului electric în raport cu componentele de sudat;

10. Factorul determinant în alegerea rostului este grosimea componentelor. Principalele tipuri de rosturi

sunt rosturi cap la cap şi de colţ. Rosturile cap la cap pot fi: rosturi simple şi rosturi duble. În figura

1.5 se prezintă şi limitele de grosimi la care se aplică uzual aceste tipuri de rosturi. Rosturile la

îmbinările de colţ sunt rosturi corespunzătoare îmbinărilor în T, prin suprapunere sau în găuri.

7

Fig. 1.5 Tabel cu limitele de grosime la care se aplica rosturile

Rosturile la îmbinările de colţ în T (Fig. 2.6) pot fi cu prelucrare unilaterală (a) şi bilaterală (b),sau fără

prelucrarea rostului (c). În figura 2.6 (d, e, f) se prezintă şi alte variante ale sudării de colţ în T.

Fig. 1.6 Reprezentare a rosturilor la îmbinările în colţ

Cordoanele de sudură la îmbinările sudate de colţ prin suprapunere pot fi cordoane frontale (Fig. 1.7a)

sau cordoane laterale (Fig. 1.7b).

Fig. 1.7 Reprezentare a cordoanelor frontale și laterale

În cazul în care capacitatea portantă a cordoanelor exterioare îmbinării este insuficientă, în una din

componente se pot practica găuri, urmând să se realizeze îmbinarea sudată în găuri (Fig. 1.8).

8

Fig. 1.8 Reprezentare a îmbinării sudate în găuri

1.3 Posibilitati de automatizare

Sudarea este procedeul cel mai răspândit în industria constructoare de maşini, prin care se obţin îmbinări

nedemontabile, pentru executarea operaţiilor de sudare fiind folosit un mare număr de operatori umani.

Calitatea sudurilor executate de operatorul uman depinde, în foarte mare măsură, de dexteritatea şi

conştiinciozitatea sudorului, care trebuie să execute mişcările necesare operaţiei de sudare cu mare

regularitate şi precizie.

Pe de altă parte, sudorii lucrează în condiţii de mediu total neprielnic; ei sunt expuşi la radiaţii calorice şi

luminoase, inhalează fum, lucrează de multe ori în poziţii foarte dificile, pot fi stropiţi cu metal topit şi

trebuie să aibă atenţia concentrată la maximum în permanenţă.

Cele prezentate mai sus justifică interesul tot mai crescut al producătorilor de a trece la automatizarea

operaţiei de sudare, aceasta şi pentru faptul că operaţiile de sudare executate de operatorul uman sunt

foarte scumpe.

Dacă în cazul producţiei de serie mare sau masă se cunosc de mai mult timp sisteme pentru sudarea

automată sau semiautomată, în producţia de serie mică sau mijlocie executarea automată a operaţiilor de

sudare necesită mijloace flexibile, care să permită adaptarea rapidă la variabilitatea produselor. Aceste

mijloace sunt roboţii industriali de sudare, instalaţii specifice de alimentare cu material, dispozitive

speciale de poziţionare, scule de lucru specifice.

Pot fi automatizate cu ajutorul roboţilor industriali operaţiile de sudare în puncte şi de sudare continuă cu

arc în mediu de gaz protector. În ambele cazuri, asamblarea prin sudură se realizează din două sau mai

multe piese.

Sudarea prin presiune în puncte sau prin rulare asistată de roboţi se regăseşte, în special, în celulele şi

liniile flexibile pentru asamblarea caroseriilor de autovehicule, permiţând trecerea uşoară de la fabricarea

unui autovehicul la altul. De altfel, Corporaţia General Motors a realizat încă din anul 1969 o linie

robotizată de sudare prin puncte, deservită de 38 de roboţi industriali Unimate, pentru sudarea caroseriei

autoturismului "Vega".

Celulele şi liniile flexibile pentru sudare cu arc asistate de roboţi s-au organizat în special în întreprinderi

constructoare de vehicule feroviare, maşini de ridicat şi transportat uzinal, miniere, şantiere navale,

urmărindu-se automatizarea sudării unor subansambluri de tip grindă, traversă, cheson etc.

9

Robotizarea operaţiilor de sudare prezintă următoarele avantaje:

uşurarea muncii sudorilor, prin protejarea lor de căldură, gazele/fumul şi radiaţiile emanate în

timpul sudării;

intensificarea parametrilor procesului de sudare, operatorul uman fiind îndepărtat de zona de

producere a noxelor;

suprapunerea timpului de maşină (de "arc") cu cel auxiliar;

îmbunătăţirea calităţii sudurilor executate (puncte de sudură poziţionate precis, cusături

uniforme), reducerea volumului lucrărilor de remaniere.

Ca urmare a celor de mai sus, se poate obţine o creştere a productivităţii muncii la instalaţiile de sudare

servite de roboţi în medie cu 100%

În foarte multe cazuri pot fi îmbinate prin sudare piese de configuraţii foarte complexe, pentru care

şirurile de puncte (la sudarea prin puncte) sau cusătura de sudura sunt curbe strâmbe ȋn spațiu. Urmărirea

unor asemenea traiectorii numai prin mişcările robotului ar conduce la

necesitatea ca acesta să dispună de un mare număr de grade de libertate, ceea ce, mai ales

când sarcinile manipulate sunt mari, este de nedorit.

Numărul de grade de libertate ale robotului poate să fie mai mic, iar precizia de realizare a sudurii este

mai mare dacă obiectul ce trebuie sudat se amplasează pe dispozitive speciale de poziţionare, cu diferite

grade de libertate şi realizate pentru a suporta încărcări de valori diferite.

Comanda mişcărilor dispozitivelor speciale se poate realiza separat de robot, într-un ciclu de lucru

propriu, dar sincronizat cu ciclul de lucru al robotului. În alte cazuri, toate mişcările componentelor

celulei de sudare sunt comandate de către echipamentul de comandă cu microprocesor al robotului.

În cazul liniilor flexibile de sudare, în special la sudarea prin puncte a caroseriilor de autovehicule, locul

dispozitivelor de poziţionare este preluat de conveioare speciale pentru deplasarea caroseriei dintr-un

post de sudare în altul. Trebuie subliniat faptul că şi ȋn acest caz trebuie să existe dispozitive de

poziţionare a caroseriei pe conveiorul de transport pas cu pas, care, obişnuit, sunt fixe (pentru

centrare/fixare), dar se pot realiza şi mișcări de poziţionare ca în cazul precedent. De asemenea, trebuie

subliniat faptul că se poate obţine o creştere considerabilă a productivităţii muncii dacă sudarea se poate

realiza în timp ce obiectul (caroseria de autovehicul, de exemplu) se poate deplasa cu ajutorul

conveiorului, mişcare controlată de sistemul de comandă al liniei (în cazul sudării caroseriilor de

autovehicul, comanda se realizează în mod obligatoriu centralizat, cu un calculator de proces).

În al treilea rând, la sudarea pieselor de gabarite foarte mari (de exemplu, în industria navală, la

fabricarea unor containere mari din tabla etc.), robotul de sudură trebuie să se deplaseze pe distanţe mari.

În asemenea cazuri, se pot utiliza roboţi instalaţi pe cărucioare cu deplasare pe cai cu sine. Asemenea

robocare pot realiza deplasări de până la 30 [m] şi mai mult, la viteze de lucru de până la 50 [m/min], cu

precizie de poziţionare în punctele necesare de 0,1 [mm].

10

2. Studiul actual privind sudura cu arc electric robotizată

2.1Scurt istoric al procesului de sudura robotizata

1962: Primul robot folosit în industrie de către fabrica de autovehicule General Motors. Acesta

executa sudură ȋn puncte.

1969: prima linie robotizată de sudare prin puncte, deservită de 38 de roboţi industriali Unimate

ȋn cadrul companiei General Mortors

1979: Nachi realizează primul robot acţionat în totalitate cu motoare electrice pentru sudură în

puncte.

1981: Takeo Kanade construieşte primul braţ robotic care are motoarele poziţionate în articulaţii

oferind o precizie mult mai bună faţă de roboţii de la acea vreme.

2003: OTC DAIHEN introduce seria de roboţi pentru sudură şi manipulare Almega AX. Aceştia

veneau împreună cu seria unităţilor de sudura OTC D pentru posibilitatea controlului avansat.

2.2 Ultimele realizări ȋn ceea ce priveşte sudarea cu arc electric robotizată (GMAW Mig-Mag)

La ora actuală majoritatea companiilor producătoare de roboţi oferă spre vânzare roboţi specializaţi în

sudură sau care pot executa fără probleme operaţii de sudura GMAW chiar dac nu sunt special concepuţi

pentru aşa ceva. De asemenea, pe lângă robot pentru a executa sudura avem nevoie de o sursă de sudură

şi de o masă specializată pentru susţinerea şi orientarea piesei.

La proiectarea unei celule de sudură cu unul sau mai mulţi roboţi se începe de la piesa, în funcţie de

dimensiune, material şi cerințele tehnice ale sudurii se aleg roboţii, masa şi sursa de sudură

corespunzătoare. Mai jos sunt prezentaţi câţiva roboţi, mese şi surse de sudură folosite la ora actuală în

diferite procese robotizate de sudură.

Roboţi:

Diferite companii precum ABB, Motoman, Fanuc, Panasonic, Nachi şi altele oferă spre vânzare o gama

variată de modele de roboţi pentru sudură. Dintre cele amintite de sus voi exemplifica capacităţile unui

robot ABB.

Compania ABB oferă o gamă largă de roboţi de diferite dimensiuni începând cu IRB 140 un robot de

dimensiuni mici cu o rază de acțiune de doar 810 [mm] până la IRB 7600 cu o rază de acţiune de 2300

[mm].

11

Robotul ABB IRB1600 în zona sudurii este cel mai folosit şi mai des întâlnit robot industrial de la ABB.

În figura 2.1 este reprezentat modelul IRB1600 în 2 ipostaze de montaj, pe podea sau suspendat. În figura

2.2 este reprezentat spaţiul de lucru al robotului IRB1600.

Fig. 2.1 ABB IRB1600

Fig. 2.2 Spaţiul de lucru a lui IRB160012

Caracteristicile tehnice ale lui IRB 1600 sunt următoarele:

număr de axe: 6

capacitate portantă: 6 [kg]

întindere pe orizontală: 1200 [mm]

repetabilitate: ±0,05 [mm]

masa robotului: 250 [kg]

posibilitate montare: pe podea, suspendat, pe perete, înclinat

Performanţele dinamice ale robotului sunt reprezentate în tabelul 2.1.

Tabel 2.1 Performante dinamice ale robotului

Axă Posibilitatea de mişcare pe axă Viteza de mişcare pe fiecare axă

1 ±180° 180 °/s (3.14 rad/s)

2 +150°, -90° 180 °/s (3.14 rad/s)

3 +60°, -245° 180 °/s (3.14 rad/s)

4 ±200° 320 °/s (5.59 rad/s)

5 ±115° 400 °/s (6.98 rad/s)

6 ±400° 460 °/s (8.03 rad/s)

Motoman este de asemenea o companie renumită în fabricarea roboților de sudură. În figura 2.3 este

evidenţiat robotul Motoman SSA2000 iar în figura 2.4 este reprezentat spaţiul de lucru al acestuia.

Fig. 2.3 Robotul Motoman SSA2000

13

Fig. 2.4 Spațiu de lucru a lui Motoman SSA2000

Caracteristicile tehnice ale lui Motoman SSA2000 sunt următoarele:

o număr de axe: 6

o capacitate portanta: 3 [kg]

o întindere pe orizontală: 1390 [mm]

o repetabilitate: ±0,08 [mm]

o masa robotului: 130 [kg]

o posibilitate montare: pe podea, suspendat, pe perete, înclinat

În tabelul 2.2 sunt prezentate caracteristicile dinamice ale robotului Motoman SSA2000.

Tabel 2.2 Performante dinamice ale lui Motoman SSA2000

Axă Posibilitatea de mişcare pe axă Viteza de mişcare pe fiecare axă

1 ±170° 210 °/s (3.67 rad/s)

2 +150°, -90° 190 °/s (3.32 rad/s)

3 +190°, -175° 210 °/s (3.67 rad/s)

4 ±150° 400 °/s (6.98 rad/s)

5 +180°, -45° 400 °/s (6.98 rad/s)

6 ±200° 600 °/s (10.47 rad/s)

14

Compania KUKA are de asemenea o gamă variată de roboţi pentru sudură. Ȋn figura 2.5 este reprezentat

modelul Kuka KR 5 arc iar ȋn figura 2.6 spaţiul acestuia de lucru.

Fig. 2.5 Robotul Kuka KR 5 arc

Fig. 2.6 Spaţiu de lucru al robotului Kuka KR 5 arc

Kuka KR 5 arc are urmatoarele caracteristici tehnice:

o număr de axe: 6

o capacitate portantă: 5 [kg]-max 37 [kg]

o ȋntindere pe orizontală: 1411 [mm]

o repetabilitate: ±0,04 [mm]

15

o masa robotului: 127 [kg]

o posibilitate montare: pe podea, suspendat, pe perete, ȋnclinat

Performanţele dinamice ale lui Kuka KR 5 arc sunt prezentate pe scurt ȋn tabelul 2.3.

Axă Posibilitatea de mişcare pe axă Viteza de mişcare pe fiecare axă

1 ±155° 154 °/s

2 +65°, -180° 154 °/s

3 +158°, -15° 228 °/s

4 ±350° 343 °/s

5 ±130° 384 °/s

6 ±350° 721 °/s

Mese pentru poziţionarea pieselor de sudat

Majoritatea companiilor producătoare de roboţi construiesc şi mese specializate pentru poziţionare. Mai

jos voi exemplifica caracteristicile tehnice ale mesei ABB IRBP R250 reprezentată in figura 2.7 :

Fig. 2.7 Masa ABB IRBP R250

o Capacitate portantă: 250 [kg]

o Cont. torque: 350 [Nm]

o Inerție maximă: 40 [kgm2]

o Max bending torque: 650 [Nm]

o Viteza maxima: 30 [rpm]

o Min interchange time: 3.3 [s]

o Max interchange time: 4.1 [s]

o Repetabilitate: 0.1 [mm]

o Max load diff: 150 [kg]

Masa Motoman DK-250 reprezentată ȋn figura 2.8 cu performanţele:

16

Fig. 2.8 Masa Motoman DK-250

o Capacitate portantă 250 [kg]

o Înălţimea mesei 620 [mm]

o Diametrul mesei 1200 [mm]

o Viteza maximă: -axa de înclinare 2075 [°/s]

-axa de rotaţie 168 [°/s]

Masa Kuka DKP-400 reprezentată ȋn figura 2.9 cu următoarele performanţe:

Fig. 2.9 Masa Kuka DKP-400

Număr de axe 2

Masa recomandata de incarcare 400 [kg]

Moment de inertie maxim 1900 [Nm]

Raza de miscare : - axa de ȋnclinare ± 90°

- axa de rotatie ±190°

Viteza de rotaţie : - axa de ȋnclinare 92.4 [°/s]

- axa de rotatie 126.6 [°/s]

17

Acceleratie minima : -axa de ȋnclinare 0.6 [s]

- axa de rotatie 0.4 [s]

Sursele de sudură

Sursele de sudură pot fi achiziţionate de la firme precum: Hobart, Motoman, Lincoln, Miller, Panasonic,

Fronius şi multe altele. Este exemplificată mai jos sursa Transpuls Synergic 4000 reprezentată ȋn figura

2.10 produsă de Fronius:

Fig. 2.10 Transpuls Synergic 4000

o Voltaj: 3x400 [V]

o Siguranţă: 35 [A]

o Curent primar continuu: (100 % d.c.) :10.3 [kVA]

o Defazaj (400 A ): 0.99

o Eficienţă: 89 %

o Intensitatea curentului de sudură: 3 - 400 [A]

o Intensitatea curentului de sudură la: 10 min/40 º C 35 % d.c. 400 [A]

o 10 min/40 º C 60 % d.c. 350 [A]

o 10 min/40 º C 100 % d.c. 250 [A]

o Tensiune circuit deschis: 70 [V]

o Tensiune in timpul operării: 14.2 - 34.0 [V]

o Grad de protecție: IP 23

o Tip racier: AF

o Categoria izolației: F

o Dimensiuni l/w/h mm: 625/290/480

o Greutate: 37 [kg]

Lincoln Power Wave i400 reprezentată în figura 2.11 cu următoarele caracteristici:

18

Fig. 2.11 Lincoln Power Wave i400

o Ieşire 10-35 [V], 5-420 [A]

o Rated output 350 [A]/ 31,5 [V]/ 100%

o 400 [A]/ 34 [V]/ 60%

o 420 [A]/ 35 [V]/40%

o Dimensiuni 577*620*546 [mm]

o Greutate 95 [kg]

o Sudare mig excelent

o Sudare pulsată excellent

o Flux cored excellent

o Polaritate DC

Panasonic KF 350 reprezentată ȋn figura 2.12 cu următoarele specificaţii:

Fig. 2.12 Panasonic KF 350

Caracteristicile tehnice ale acesteia sunt:

à Intrare la 60 [Hz], 3 faze 18,1 [kVA] (16,3 [kW] )

à Intrare la 230/460/575 [V] 45/22,5/18 [A]

à Intensitate la ieşire 60-350 [A]

19

à Tensiune la ieşire 16-36 [V]

à Ciclu de lucru 60%-350 [A]/ 100%-271 [A]

à Dimensiuni 376*745*747 [mm]

à Greutate 100 [kg]

Celule de sudură

Există posibilitatea achiziţionării unor celule de sudură gata concepute. De exemplu celula:

o Motoman ArcWorld 6200

o Panasonic PerformArc 102S

o ABB FlexArk 250K

o Dual Fanuc ArcMate 120iL RJ3 Track System

Motoman ArcWorld 6200 reprezentată in figura 2.13 a, b, care conţine doi roboţi, masa pentru

poziţionare, sursa de sudură, calculator central şi tot ce este nevoie pentru a putea executa sudura imediat

după instalarea ei.

Fig. 2.13a Celula Motoman ArcWorld 6200

Fig. 2.13b Spaţiul de lucru al celulei Motoman ArcWorld 6200

20

Cei doi roboţi din componenţa celulei sunt Motoman UP6 de tip articulat, asezați în linie având o

capacitate portantă de 6 [kg] şi o întindere de până la 1373 [mm].

În cadrul celulei mai găsim:

1. Controlerul XRC 2001 cu caracteristicile:

o Pachet pentru sudură inclus

o Teachpendant

o Introducere directă a parametrilor de sudură

o Interfaţă cu soft special pentru sudură

o Posibilitate de repornire arc electric după întrerupere

Sistem de control:

o Servo ON

o Master Job Start

o E-Stop

o Robot Hold

o Resetare alarmă

Pachet sudură:

o Torţă cu răcire Motoman

o Suport pentru sârma electrod montată pe robot cu 4 role Miller

o Sistem de complezenţă XYZ pentru torţa Motoman

o Sursă pentru sudură Miller Auto DeltaWeld

o Interfaţă integrată pentru sudură

Masă pentru poziționare MRM2-250SX:

o Capacitate portantă 250 [kg]

o Acţionată de un motor de curent alternativ

o Acționată de un motor electric

o Timp de indexare de 4 [s]

o Lungime maxima a piesei 2600 [mm]

o Diametru maxim al piesei 950 [mm]

o Înălțimea maximă a piesei 994 [mm]

Sistem de siguranţă utilizator:

o Safety-rated, tamper-resistant interlocks

o Single point of operator control (AW1000 & AW1200)

o Barrier guarding with protective arc curtains

o Cycle start button interlocked w/safeguards

o Dust-channel light curtains

21

o Mediu de lucru conform standardului de siguranţă ANSI/RIA R.15.06-1999

Celula ABB FlexArk 250K reprezentată ȋn figura 2.14 cu următoarele caracteristici:

Fig. 2.14 ABB FlexArk 250K

o un robot IRB 1600 sau IRB 2400L împreună cu masa IRB 250 K;

o perimetru de lucru conform ANSI/RIA 15.06/1999;

o interfaţa om/robot;

o sursa de sudura;

o torţa de sudura (răcită cu apa sau aer);

o sistem de curățare a torţei;

o suport pentru montare din metal (posibilitate de transportare cu motostivuitor);

o senzor de prezenţă pentru siguranţa operatorului;

o cablurile sunt complet integrate în baza celulei;

o dispozitiv pentru blocarea uşilor

2.3 Tendinţe privind sudura GMAW robotizată

Studii recente vizând sudura GMAW arată că următoarele elemente trebuie luate ȋn considerare pe viitor:

1. va exista în continuare o luptă pentru scăderea costurilor şi îmbunătăţirea producţiei

2. va exista tendinţa de a utiliza materiale mai rezistente, în special oţel şi materiale uşoare

3. se va folosi sudură mai mult, probabil în defavoarea turnării

4. nivelurile de fiabilitate şi calitate vor creşte continuu

22

5. tendinţa de sudare automată şi automatizare în sudură va accelera.

Productivitatea este suma de sudura, care poate fi făcut de un sudor într-o zi. Acest lucru este determinat

de mai mulţi factori, cel mai important este factorul de operator sau ciclu de lucru. Factorul de operator

pentru un sudor este numărul de minute pe o perioadă de opt ore în care acesta sudează.

Diferite metode de sudură au diferite cicluri. Sudarea manuală are factorul de operator cel mai mic,

sudarea semiautomată aproximativ dublu şi sudarea automată cel mai mare apropiindu-se de 100%. Se

vor face eforturi pentru a utiliza cât mai mult sudura automată. Tendinţa preconizată va fi înspre sudare

semiautomata şi automata iar la nevoie doar sudare manuală.

De asemenea se va avea în vedere creşterea inteligenţei prin senzori şi algoritmi de calcul cât mai bine

puse la punct.

23

3.Analiză a produsului din punct de vedere al posibilităţilor de sudare

Mantaua este cea mai grea şi mai complexă, este reprezentată ȋn figura 3.1 fiind evidenţiată şi zona ȋn

care va urma să fie cordon de sudură.

Fig. 3.1 Manta

Inima reprezentată în figura 3.2 cu zona de sudura evidenţiată, este un reper relativ simplu, uşor de

prelucrat. Este realizată prin tăiere cu laser în formă corespunzătoare iar apoi prelucrate marginile.

Fig. 3.2 Inima

Talpa reprezentată în figura 3.3 cu zona de sudura evidențiată. Este un reper la fel de simplu ca şi inima,

realizată prin aceeaşi metodă de prelucrare.

24

Fig. 3.3 Talpa

Piesa finită figura 3.4 modelată în soft 3D cântărăște 46,23 [kg] fără sudură şi conţine toate cele 3 repere.

Fig. 3.4 Piesa modelata 3D

În tabelul 3.1 a, b este reprezentat fiecare reper cu tipul de sudură necesar, materialul din care este alcătuit şi

dimensiunea sudurii, inclusiv compoziţia materialului de adaos.

Tabel 3.1 a, Reprezentare repere

Reper Procedeu sudură Material Material adaosManta WPS 171/A OL 52.3K G3Si1+M21Inima WPS 171/A OL 52.3K G3Si1+M21Talpă WPS 171/A OL 52.3K G3Si1+M21

Tabel 3.1 b, Reprezentare repere

Reper Norma de control GreutateManta ISO 5817-B 21,61 [kg]Inima ISO 5817-B 12.80 [kg]Talpă ISO 5817-B 12.10 [kg]

25

Precizări: 1. Pentru a executa sudura Z8 se imaginează cordonul de sudură ca fiind un triunghi

dreptunghic isoscel având catetele de 8 [mm] conform figuri 3.4. Se mai poate executa sudura Ax,

metodologia fiind aceeaşi doar imaginăm ipotenuza având x [mm].

Fig. 3.5 Reprezentare sudura Z8

2. OL 52.3K este un oţel de uz general, conform STAS 500/2-80

3. Materialul de adaos G3Si1+M21, G3Si1 este sârmă de sudură iar M21 se refera la tipul amestecului de

gaze folosite ca gaz de protecţie.

Sârma G3Si1 poate avea diferite dimensiuni, ȋn funcţie de dimensiune diferă şi volumul de gaz folosit,

amperajul, voltajul la care se sudează. Exemplu tabel 3.2.

Diametru [mm] 0,8 1,0 1,2 1,6Voltaj [V] 18-24 18-32 18-34 28-38

Amperaj [A] 60-205 80-305 120-390 225-560Viteza [m/min] 3,2-14 2,7-16 2,5-16 2,3-13

Consum gaz [l/min]

13 15 17 19

Incarcare [kg/ora]

0,8-3,2 1,0-5,8 1,3-8,2 2,1-11,6

Gazul M21 are caracteristici conform tabel 3.3

Tabel 3.3 Caracteristici gaz M21

Destinatie produs Grupa conform DIN EN

Compozitie [%] Proces conform DIN ENAr He O2 C O2 H 2

Ferromix C8 M21 92 - - 8 - MAG M

Pentru sudarea reperelor ȋntre ele muchile care necesită sudare, conform cerinţei clientului şi sudurii

relative mici Z8, muchile nu se prelucrează, ele rămânând drepte.

26

4.Dezvoltarea metodologiei de proiectare a celulei robotizate

Pentru o alegere corectă a robotului, mesei pentru poziţionare şi a sursei de sudură s-a folosit METODA

Analizei multi-criteriale pentru ierarhizarea cerintelor șipentru alegerea propriu zisă.

Alegerea eficientă a robotului s-a facut pe baza următoarelor cerințe:

implementarea in cotroller a modelului dinamic al srtucturii robotului – C1

posibilitatea de programare offline – C2

număr de axe – C3

capacitate portantă – C4

precizie de poziționare – C5

sistem automat de curățare – C6

repetabilitate – C7

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Puncte Nivel PondereaC1 0,50 0,00 0,50 0,50 1,00 0,50 1,00 4,00 3,00 2,1C2 1,00 0,50 0,50 1,00 1,00 0,50 1,00 5,50 1,00 4,42857C3 0,50 0,50 0,50 1,00 0,50 1,00 1,00 5,00 2,00 3,375C4 0,50 0,00 0,00 0,50 0,50 0,50 0,50 2,50 5,00 0,84615C5 0,00 0,00 0,50 0,50 0,50 0,00 0,50 2,00 6,50 0,35714C6 0,50 0,50 0,00 0,50 1,00 0,50 0,50 3,50 4,00 1,54545C7 0,00 0,00 0,00 0,50 0,50 0,50 0,50 2,00 6,50 0,35714

Pentru fiecare robot în parte s-a apreciat câte o nota pentru îndeplinirea fiecărui criteriu:

ABB Motoman Kuka

Criteriul Ponderea (P) Ni Ni x P Ni Ni x P Ni Ni x P

C1 2,10 9 39,86 8 35,43 7 31,00

C2 4,43 9 30,38 8 27,00 8 27,00

C3 3,38 10 8,46 10 8,46 10 8,46

C4 0,85 10 3,57 9 3,21 8 2,86

C5 0,36 9 13,91 9 13,91 9 13,91

C6 1,55 10 3,57 10 3,57 10 3,57

C7 0,36 9 39,86 10 35,43 9 31,00

Clasament final 99,75 91,58 86,80

După analiza s-a constatat că robotul ABB IRB 1600 ȋndeplineşte cel mai bine cerinţele necesare.

Alegerea eficientă a masei s-a făcut pe baza următoarelor cerințe:

ușurința de sincronizare cu robotul – C1

ușurința de programare offline – C2

27

capacitate portantă – C3

număr de axe suplimentare – C4

C1 C2 C3 C4 Puncte Nivel PondereaC1 0,50 1,00 1,00 1,00 3,50 1,00 3,75C2 0,00 0,50 1,00 1,00 2,50 2,00 2,50C3 0,00 0,00 0,50 0,50 1,00 3,50 0,78C4 0,00 0,00 0,50 0,50 1,00 3,50 0,33

Pentru fiecare masă în parte s-a apreciat câte o nota pentru îndeplinirea fiecărui criteriu:

ABB Motoman Kuka

Criteriul Ponderea (P) Ni Ni x P Ni Ni x P Ni Ni x P

C13,75 9,00 33,75 8,00 30,00 7,00 26,25

C22,50 9,00 22,50 9,00 22,50 8,00 20,00

C30,78 10,00 7,78 10,00 7,78 10,00 7,78

C40,33 10,00 3,33 9,00 3,00 10,00 3,33

Clasament final67,36 63,28

După analiza s-a constatat că masa ABB IRB R250 ȋndeplineşte cel mai bine cerinţele necesare.

Alegerea eficientă a sursei de sudură s-a făcut pe baza următoarelor cerințe:

interfața ușoară cu robotul și masa – C1

puterea de ieșire – C2

mărime interval de sudură – C3

greutate mică – C4

dimensiuni reduse – C5

C1 C2 C3 C4 C5 Puncte Nivel PondereaC1 0,50 1,00 1,00 1,00 1,00 4,50 1,00 5,00C2 0,00 0,50 1,00 1,00 0,50 3,00 2,00 2,13C3 0,00 0,00 0,50 1,00 1,00 2,50 3,00 1,44C4 0,00 0,00 0,00 0,50 0,50 1,00 5,00 0,42C5 0,00 0,50 0,00 0,50 0,50 1,50 4,00 0,45

Pentru fiecare robot în parte s-a apreciat câte o nota pentru îndeplinirea fiecărui criteriu:

28

Transpuls Lincoln Panasonic

Criteriul Ponderea (P) Ni Ni x P Ni Ni x P Ni Ni x P

C15,00 9,00 45,00 8,00 40,00 8,00 40,00

C22,13 10,00 21,25 10,00 21,25 7,00 14,88

C31,44 10,00 14,44 10,00 14,44 10,00 14,44

C40,42 9,00 3,75 9,00 3,75 10,00 4,17

C50,45 10,00 4,55 8,00 3,64 9,00 4,09

Clasament final88,99 83,08 77,58

După analiza s-a constatat că sursa de sudură Fronius Transplus Synergic 4000 ȋndeplineşte cel mai bine

cerinţele necesare.

Torţa de sudură aleasă este de la firma ABICOR BINZEL, model WH455D reprezentată ȋn figura 4.7.

Aceasta este echipată standard cu gât drept, indoit la 22° sau 45°, iar pachetul de cabluri cu corpuri WH

sau WHPP, sistem de suflare integrat şi conector central. WHPP = versiunea Push Pull pentru avansul

constant al sârmei.

Date tehnice conform EN 60 974-7:

à Răcire: lichid

à Curent: 450 [A] CO2 400 [A] Amestec M21

à 100% DA

à Sârmă Ø: 0,8 - 1,6 [mm]

Fig. 4.1 Torţa ABICOR BINZEL WH455D

Vom echipa celula cu sitemul Bullseye, reprezentată ȋn figura 4.8, de la ABB. Acesta stabileşte TCP-ul

torţei şi are posibilitatea curaţării torţei. Alte avantaje care ar trebui luate ȋn considerare sunt:

o păstrează robotul ȋn modul automat fără nevoie constantă de a intervenii

o durează mult mai puţin să obţi TCP-ul faţă de metoda clasică

o datele sunt ȋnregistrate pentru obţinerea unei statistici

o Bullseye reglează unghiul torţei, acesta fiind critic ȋn cazul sudurii

29

Fig. 4.2 Bullseye

Ȋntre flanşa robotului şi suportul torţă, pentru a putea evita coliziunile, vom ataşa un senzor de forţă de la

firma Futek model MBA400 reprezentat ȋn figura 4.9. Acesta măsoară forţa pe axa ox şi oy.

Caracteristici:

Capacitate de ȋncărcare: 90 [kg]

Greutate senzor: 453 [g]

Excitaţie canal Fx1, Fy1: 1-18 [Vdc]

Temperatura de operare canal Fx1, Fy1: -60- 200 [F]

Rezistenţa ieşire canal Fx1, Fy2: 350 [Ohms]

Fig. 4.3 Senzor de forţă MBA400

În scopul informării sistemului de comandă al robotului pentru sudură asupra stării şi modificărilor din

mediul ambiant sau tehnologic sunt necesare dispozitive de captare a informaţiilor şi de conversie a

acestora în semnale electrice. Informaţiile necesare robotului pentru sudare reprezintă fie mărimi

geometrice, fie parametrii care definesc procesul. Pentru a putea determina marimile geometrice vom

echipa torţa cu un senzor optic cu laser tridimensional de la firma LMI model DLS-2000 reprezentat in

figura următoare.

30

Fig. 4.4 Senzorul DLS-2000 Caracteristici tehnice:

tip laser: InGaAIP

clasa laser: IIIa

puterea laserului: 5 [mW]

lungimea de unda: 670 [nm]

durată de viaţă: 100.000 [ore]

alimentare: +15- +30 [VDC]

intensitate: < 250 [mA]

semnal analog ieşire: 0- +10 [VDC]

frecvenţă răspuns: 1800 [Hz]

tipul detectorului: CCD

greutate: 681 [g]

31

5.Concluzii

Prin sudare robotizată crește considerabil calitatea, evitând erorile umane.

Creste productivitatea deoarece robotul poate suda continuu.

Creşte productivitatea lucrărilor de încărcare prin sudare.

Se ridică nivelul de calitate al pieselor încărcate prin sudare.

Se asigură reproductibilitatea sudurilor.

Depunerea este uniformă, astfel încât consumul de material la prelucrările mecanice

ulterioare şi consumurile de scule sunt mai reduse.

Modernizarea unui post de sudare existent este un obiectiv realizabil.

Costurile de fabricaţie per produs se reduc, datorită productivităţii.

32