TPS/i WireSense Drut spawalniczy jako czujnik

Zrobotyzowane systemy spawania stosowane w produkcji przemysłowej pomimo wysokiej precyzji wciąż narażone są na niedokładności. Zaprezentowany właśnie przez firmę Fronius system o nazwie WireSense wspierający pracę robota ma szanse zrewolucjonizować technikę produkcji: dzięki niemu drut spawalniczy staje się czujnikiem. Tym samym można niezwykle precyzyjnie zareagować na odchylenia pozycji spawanego elementu i odpowiednio skorygować przebieg spoiny. Pozwala to zredukować prace korygujące oraz odpady elementów o niemal 100 procent.

Produkcja przemysłowa wymaga wysoko rozwiniętej technologii robotów. Mimo niemal doskonale współdziałających ze sobą systemów stale zdarzają się niedokładności. Odchylenia od zaplanowanych przebiegów spoin są codziennością i przyczyną różnego rodzaju problemów oraz błędów w technice łączenia: Przepalenie, niewłaściwe wymiary, wadliwe lub wręcz brakujące łączenia blach dolnych i górnych to tylko niektóre z możliwych scenariuszy. W konsekwencji oznacza to drogie prace poprawkowe, odpady, a niekiedy ogromne opóźnienie w cyklu produkcji.  

Pomoce pomiarowe

Jeżeli przeznaczone do połączenia blachy zbyt mocno odbiegają od zaprogramowanej wstępnie pozycji, to najlepiej skorygować błąd przed rozpoczęciem spawania. Dotychczas wykorzystywano w tym celu przeważnie kontrolę manualną lub systemy funkcjonujące na zasadzie optycznych pomocy pomiarowych. Tego rodzaju kamery montuje się wówczas najczęściej na korpusie palnika spawalniczego – jednak właśnie tu rodzą się problemy: widok na pozycję spawania bywa ograniczony w zależności od kąta i kształtu palnika. Dużo częściej jednak utrudniony jest dostęp do elementu spawanego, a tym samym po prostu nie ma miejsca na optyczne pomoce pomiarowe. Do tego surowe warunki codziennej pracy sprawiają, że sprzęt taki wymaga ciągłej konserwacji albo kalibracji. Ponadto zakup tych niezwykle czułych systemów jest niezwykle kosztowny.

Firma Fronius dostrzegła lukę w systemie i podjęła nowe wyzwanie w dziedzinie spawania zrobotyzowanego: poprzez opracowanie systemu WireSense szybko poszerzono źródło spawalnicze o istotną funkcję – drut spawalniczy stał się czujnikiem. Dzięki precyzyjnemu próbkowaniu przy użyciu ruchu drutu z wysoką częstotliwością można teraz rejestrować geometrię elementu spawanego oraz dokładnie określać wzajemne położenie poszczególnych blach.

Podstawowa funkcja WireSense

Na drucie spawalniczym występuje niewielkie napięcie czujnika, prąd został przy tym zmniejszony do minimum. Gdy robot ustawia się w zaprogramowanej pozycji i rozpoczyna proces WireSense, drut spawalniczy dotyka elementu spawanego, wywołując zwarcie – ze względu na znikomą moc nie dochodzi jednak do spawania. Zwarcie zostaje następnie przerwane przez uniesienie drutu. Zmiana pozycji spawania powstała podczas zwarcia jest analizowana przez inteligentne źródło spawalnicze TPS/i za pomocą specjalnych algorytmów oceny i udostępniana jako sygnał pomiaru wysokości do dalszego zastosowania – na przykład w sterowaniu robota.

WireSense – tylko z robotem

Jeżeli robot odbierze teraz sygnał wysłany przez TPS/i, może precyzyjnie go zinterpretować w oparciu o aktualną pozycję lub położenie w przestrzeni. Dany sygnał pomiaru wysokości jest w tym celu porównywany z aktualnymi danymi pozycyjnymi sterowania robota – bazując na trójwymiarowym układzie współrzędnych. Tym samym można zarejestrować każde podwyższenie i obniżenie elementu względem punktu odniesienia, zdefiniowanego przy rozpoczęciu procesu WireSense.

W dalszym toku możliwe byłoby na przykład porównanie ze sobą wartości zadanych i rzeczywistych, zestawiając wartości zapisane z aktualnymi danymi pozycyjnymi. W wypadku pojawienia się różnic, robot może przez odpowiednie obliczenia skorygować tzw. Tool Center Point (TCP) lub dany układ współrzędnych — i tym samym odpowiednio skompensować zmiany pozycji elementu spawanego. Dzięki temu system WireSense jest możliwy.

Pomiar elementu, wykrywanie krawędzi i szczeliny

Gdyby pozwolić robotowi wyposażonemu w WireSense poruszać się nad elementem spawanym ruchem zapętlonym po uszeregowanych obok siebie torach, rejestrując przy tym każdy punkt, można by teoretycznie uzyskać cały obrys elementu spawanego w 3D. Dlatego mówi się o „contour sensing” — wyczuwaniu obrysu.

Najważniejszym dla produkcji narzędziem jest jednak funkcja wykrywania krawędzi, na przykład przy połączeniach zakładkowych. Umożliwia ona niezawodne rozpoznanie zdefiniowanej krawędzi blachy na podstawie pomiaru wysokości. Na wstępie należy także tutaj określić wartości pomiarowe, odzwierciedlające dokładną wysokość krawędzi blachy. Następnie sterowanie robota wysyła te tzw. wartości progowe do TPS/i bezpośrednio przed rozpoczęciem wyszukiwania przez WireSense. Jeżeli wówczas źródło spawalnicze wykryje wartości leżące poza wartością progową, oznacza to wykrycie krawędzi blachy i do TPS/i jest niezwłocznie wysyłany sygnał dotykowy. Dopiero w oparciu o ten sygnał sterowanie robota może zapisać swoje aktualne dane pozycyjne, by w dalszym toku skorygować Tool Center Point. Tym samym niedokładności elementu polegające na przesunięciu jego krawędzi są automatycznie wykrywane i kompensowane przez robota, co pozwala uzyskać idealne rezultaty spawania. Należy zwrócić uwagę, że wykrywanie krawędzi w przypadku blach cienkich jest możliwe już przy grubości materiału rzędu 0,5 milimetra.

Ponieważ cyfrowy sygnał dotykowy przekazuje także dokładnie zmierzoną wysokość krawędzi blachy, system WireSense jest w stanie określić rozmiary ewentualnej szczeliny między blachami – a to już kolejne kryterium przemawiające za czujnikiem na drucie. Dzięki temu, że elektroda już na wstępie dokładnie rejestruje całkowitą wysokość leżących na sobie blach, możliwe jest łatwe dokonanie odpowiednich obliczeń na podstawie wartości rzeczywistych. Przy użyciu tej funkcji pomiarowej robot może  zareagować na różne wymiary szczelin, dopasowując wszystkie parametry spawania indywidualnie do sytuacji w przypadku danego elementu spawanego i tym samym autonomicznie wykonać spawanie, które w wystarczający sposób wypełni szczelinę. Jeżeli zostało to na wstępie zdefiniowane, przy różnych, zmierzonych wymiarach szczelin korzysta się z rozmaitych, zapisanych w TPS/i programów spawania – tzw. „jobów”.

Niekiedy wymiary wykrytych szczelin są tak duże, że nie wystarczy redukcja prędkości spawania oraz dopasowanie mocy. Zatem tam, gdzie łuk standardowy lub pulsujący dociera do swoich granic, robot mógłby korzystać z zapisanych w TPS/i jobów opartych na procesie spawania CMT. Ponieważ system spawania z WireSense jest już wyposażony w sprzętowe komponenty procesu CMT, wystarczy już tylko zakupić pakiet oprogramowania CMT. Proces CMT wykorzystuje między innymi rewersujący ruch drutu, by zagwarantować jak najlepsze wypełnianie szczelin przy jak najmniejszym cieple oddawanym.

Wyjątkowa precyzja: sygnał udostępniany przez CMT Ready

Udostępnianie sygnału w momencie zwarcia nie jest jeszcze niczym wyjątkowym. Oprócz wzorcowo szybkiego wewnętrznego przesyłu danych warunkiem pomiaru pozycji przy użyciu drutu elektrodowego jest przede wszystkim bardzo dynamiczny napęd CMT firmy Fronius. A w zasadzie tzw. systemy CMT Ready, na które składają się: podajnik drutu na bębnie, bufor drutu i jednostka napędowa CMT Robacta Drive, czyli drugi podajnik drutu umieszczony bezpośrednio na palniku. Podczas rewersującego ruchu drutu (w przód – w tył), odbywającego się z częstotliwością około 100 herców, znajdujący się tu silnik elektryczny umożliwia próbkowanie powierzchni metalu za pomocą drutu. Dopiero ten prowadzony przy wysokiej częstotliwości proces próbkowania elementu spawanego umożliwia osiągnięcie niezbędnej precyzji i rozdzielczości.

Ponadto decydującą rolę odgrywa wydajny, sterowany mikroprocesorowo regulator silnika. W zależności od wybranego materiału drutu wyznacza on dokładne profile prędkości podawania drutu oraz dopasowane wartości przyspieszenia i hamowania co jest niezbędne dla uniknięcia uszkodzeń spowodowanych wygięciem lub złamaniem przy zetknięciu drutu z powierzchnią blachy. Tym samym można szybko zareagować na wartości poślizgu, czyli na niedokładności wywołane ślizganiem się rolek podających, które są różne w zależności od zastosowanego materiału drutu i jeszcze bardziej zwiększyć precyzję.

W celu wykrycia pozycji drutu w momencie zwarcia są dokładnie obliczane sygnały wartości rzeczywistej silnika napędowego i jest generowany odpowiedni sygnał styku drutu. W zależności od długości wolnego wylotu drutu przy każdym zetknięciu rejestruje się także wszystkie zmiany wysokości, oblicza je i przekazuje do robota – co jest niezwykle ważne dla dokładnego zmierzenia i wykrycia krawędzi blach.

Warto także wymienić szczególną cechę algorytmu służącego do dokładnego rozpoznawania wysokości krawędzi blachy: nawet jeśli próbkowana powierzchnia ma nierówności, np. w przypadku krzywo ułożonych blach, można bez problemu wykryć i zmierzyć krawędź.

WireSense – krok w kierunku autonomicznej produkcji

Czy decydująca dla pomiaru funkcja znajduje się po stronie robota – czy źródła spawalniczego? Kwestia, kto ma rozstrzygający udział, została już wyczerpująco wyjaśniona: genialność wynalazku leży w jego prostocie. Firmie Fronius udało się za pomocą niezwykle czułego i dynamicznego napędu CMT oraz specjalnego oprogramowania regulującego tak poszerzyć zakres wykorzystywanego na całym świecie i niezbędnego w praktyce procesu spawania (CMT), że umożliwiło to przeprowadzanie procesów pomiarowych. Drut spawalniczy może stać się czujnikiem tylko dzięki współdziałaniu wyjątkowego sprzętu CMT, udoskonalonego regulatora silnika i złożonego oprogramowania sterującego. Technologia WireSense funkcjonuje przy tym z każdym standardowym sprzętem spawalniczym do procesu CMT, przy użyciu wszelkich powszechnie stosowanych materiałów.

Aktualnie firma Fronius udostępnia ten czujnik swoim klientom. Przy tym niezbędne jest jednak obszerne know-how w zakresie programowania robotów. Dlatego najlepiej powierzyć konfigurowanie funkcji WireSense integratorom robotów i systemów. Integratorzy powinni wdrożyć zintegrowane ze źródłem spawalniczym technologie czujnikowe w danej produkcji. W przyszłości być może zostaną opracowane proste interfejsy w formie gotowych aplikacji dopasowanych do danego systemu robota.

Pozwoliłyby one zapewnić uniwersalne i łatwe wykorzystywanie zalet funkcji WireSense. Przede wszystkim jednak produkcja przemysłowa wchodzi dzięki temu na wyższy poziom: to ważny krok w stronę autonomicznej produkcji.