Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

Содержание работ и структура автоматизированной системы

Применение роботов в сварочном производстве — путь эффективного решения проблем автоматизации сварочных операций. Прежде всего это связано с повышением качества выполнения работ, недоступного ручным технологиям. Понятны очевидные и весомые достоинства роботизирован­ной сварки:

• высокая точность перемещений сварочного инструмента и траекто­рии наложения сварных швов;

• высокая точность поддержания всех технологических параметров сварки;

• «неутомляемость» и способность работать круглые сутки.

По сравнению с другими путями автоматизации сварочных работ, та­кими, как применение автоматических многоточечных машин в контактной сварке, сварочных автоматов и автоматических установок при дуговой свар­ке или термическом резании, идея роботизации выгодно отличается гибко­стью переналадки оборудования и технологии, в том числе и возможностью постоянного изменения программ при последовательной сварке весьма раз­личных изделий.

Недостатки идеи роботизации сварочных технологий также имеются, и в большинстве практических случаев они делают нереальной нарисован­ную выше идиллическую картину'. Эти недостатки прежде всего связаны с чрезвычайно высокой стоимостью сварочных роботов для дуговой и кон­тактной сварки и другого оборудования, необходимого для их успешной работы в составе сварочных роботизированных технологических комплек­сов (РТК). Это управляемые двух - и трехстепенные манипуляторы изделий, гораздо более дорогой сварочный инструмент. Для успешной работы сва­рочных РТК предъявляются существенно более высокие требования к сва­рочным горелкам для дуговой сварки в защитных газах, механизмам подачи сварочной проволоки, к самим сварочным проволокам, качеству их покры­тий, качеству намотки на катушки и т. д.

Другая группа проблем промышленного использования сварочной ро­бототехники связана с большими затратами средств и времени на подготов­ку роботизированного сварочного производства. К ним можно отнести бо­лее высокие требования к проектированию сварной конструкции, предна­значенной для изготовления с применением роботов, проектирование сборочно-сварочных приспособлений и сварочного инструмента, пригодных для работы в составе сварочных РТК для изготовления конкретного изде­лия. Много времени занимают программирование (обучение) сварочных роботов, оптимизация и синхронизация их работы применительно к жест­ким требованиям автоматических производственных линий.

Вместе с тем и первая, и, тем более, вторая группа проблем, препят­ствующих широкому использованию сварочной робототехники в отечест­венном сварочном производстве, может быть решена. Что касается чрез­мерно высокой стоимости сварочных роботов, то это связано с тем, что легкие роботы для дуговой сварки в России не производят. Роботы для контактной сварки производят по лицензии фирмы KUKA, но системы управления поставляются из-за рубежа. В настоящее время имеется воз­можность организовать на отечественных заводах серийное производство легких сварочных роботов для дуговой сварки, термического резания, ок­раски. Разработаны и отечественные недорогие версии систем управления роботами, реализованные с использованием массовых и дешевых плат персональных компьютеров и работающие под управлением универсаль­ных операционных систем.

Проблема резкого сокращения стоимости и сроков конструктивно­технологической подготовки роботизированного производства успешно ре­шается за счет возможного широкого применения рассматриваемых ниже систем компьютерного проектирования и моделирования работы РТК. Та­кие системы давно и широко применяются за рубежом, имеется успешный опыт их использования и на крупных отечественных заводах.

Возможность и необходимость широкого применения роботизирован­ных сварочных технологий подтверждается опытом автомобильной про­мышленности, в которой сварочные роботы контактной сварки составляют основу кузовного производства. Многие сотни таких роботизированных ра­бочих мест имеются на каждом автомобильном заводе.

В роботизации дуговой сварки успехи гораздо более скромные, одна­ко неожиданно появилось понимание того, что, как ни странно, многие сварные конструкции сегодня вообще не могут быть изготовлены иначе, чем с применением роботизированной дуговой сварки. Ранее некоторые такие конструкции могли быть изготовлены с использованием ручной (или полу­автоматической) сварки. При постоянном повышении требований точности размеров, стабильные сварочные деформации, обусловленные большим ко­личеством сварных швов в принципе не могут быть обеспечены при работе сварщиков-ручников. В гл. 8 показано, что по сравнению с ручной сваркой роботизированные сварочные технологии позволяют многократно умень­шить разброс размеров сварных конструкций.

Основным потребителем промышленных роботов в настоящее время является автомобильная промышленность, где они преимущественно ис­пользуются для точечной контактной (около 80 %) и дуговой сварки. Усло­вия жесткой конкуренции требуют от производителей как повышения каче­ства продукции, снижения ее себестоимости, так и сокращения сроков под­готовки производства. В связи с этим в автомобилестроении широкое распространение получают универсальные и специализированные САПР, которые позволяют связать воедино и автоматизировать процесс разработки конструкции, подготовку производства и само производство. Благодаря этому на ведущих автомобильных фирмах сроки освоения новой модели (от дизайнерской модели до выпуска с конвейера) сократились до одного года — полутора лет.

При традиционном проектировании роботизированных производств, когда указанные САПР не используются, наибольшие затраты связаны с уст­ранением ошибок в расположении роботов. Обычно такие ошибки выявляются уже после того, как оборудование изготовлено в металле. При этом оказыва­ется, что некоторые точки (швы) являются недоступными для сварки вследст­вие столкновений технологического инструмента с деталью либо недостижи­мыми (при требуемой ориентации инструмента) в связи с ограничениями рабо­чего пространства робота. Поэтому в некоторых руководствах по проектированию РТК сварки рекомендуется предусмотреть целую сетку кре­пежных отверстий для основания робота, что позволяет корректировать его расположение на фундаменте при наладке. Как показывает опыт автомобиль­ного завода БелАЗ, устранение ошибок в проектах РТК, созданных без при­менения специализированных САПР, может занимать до шести месяцев.

Большой трудоемкостью характеризуется и процесс программирова­ния РТК, при котором технологические операции представляются в виде последовательности движений робота и позиционера. Обычно каждое эле­ментарное движение определяется как переход из одной опорной точки тра­ектории в другую. Опорные точки задаются шестью параметрами (три де­картовы координаты и три угла ориентации либо шесть координат звеньев). Для каждого участка траектории задаются также способ интерполяции (ли­нейная или круговая в системе координат звеньев) и максимальные значе­ния скорости и ускорения. Кроме того, в программу включаются команды управления технологическим инструментом и команды, определяющие спо­соб сопряжения соседних участков траектории. При подготовке управляю­щих программ для РТК используют два основных метода — ручное обуче­ние и автономное программирование. В первом случае подготовка програм­мы производится непосредственно на РТК, в режиме on-line: оператор при помощи пульта управления или задающей рукоятки последовательно пере­водит робот из одной опорной точки в другую, записывая в каждой из них информацию о координатах и выполняемых действиях. Во втором случае программа создается без использования робота (в режиме off-line), а коорди­наты опорных точек рассчитываются по чертежу или математической модели.

Программирование путем обучения на уже установленном оборудова­нии дает удовлетворительные результаты лишь в условиях массового про­изводства и при обработке простых деталей. Для сложных деталей, таких, как сложная рама автомобиля, время программирования может достигать нескольких месяцев. В некоторых случаях, например при роботизированной сварке седлообразных патрубков, ручное обучение вовсе не позволяет дос­тичь требуемого качества технологического процесса. Поэтому более пер­спективным является о^/ше-программирование, к числу достоинств кото­рого относится возможность подготовки управляющих программ в процессе проектирования технологических линий (задолго до того, когда роботы бу­дут установлены в цехе) либо в процессе производства другой детали без остановки РТК (при смене выпускаемого изделия). Однако off-line-програм­мирование требует решения ряда новых задач, которые не возникают при ручном обучении. К их числу относится обеспечение адекватности матема­тических моделей, которая достигается путем калибровки — точной доводки сгенерированной компьютером программы непосредственно на цеховом производственном оборудовании.

Простейшая система о//-//'яе-программирования представляет собой автономный модуль, включающий средства графического моделирования, текстовый редактор и средства передачи управляющих программ роботу. Но наибольшая эффективность от применения таких систем достигается при их интеграции с САПР технологической подготовки производства. Поэтому большинство специализированных САПР РТК обеспечивает и off-line-про­граммирование.

Первые специализированные САПР роботизированных технологиче­ских комплексов появились примерно 30 лет назад. К ним относятся систе­ма PLACE (McDonnel Douglas) в составе UNIGRAPHICS, модули ROBOTICS в пакетах CATIA, CADDS и др. В это же время начались разра­ботки подобных систем непосредственно в автомобильных компаниях (Renault) и фирмах-поставіциках роботов (KUKA, FANUC), в университетах и исследовательских центрах (Nottingham University/BYG Systems,

University of Illinois, Silma Inc.). Постепенно эти системы прошли эволюцию от исследовательских пакетов, ориентированных на решение уникальных задач (например, моделирования копирующего манипулятора космического корабля Space Shuttle), до промышленных специализированных САПР, учи­тывающих особенности конкретных технологических процессов сварки, ок­раски, резания и т. д. и поддерживающих все имеющиеся на рынке типы промышленных роботов и языки их программирования.

В настоящее время в зарубежной автомобильной промышленности наибольшее распространение получили пакеты RobCAD (фирмы Techno - matics Technologies), IGRIP (фирмы Deneb Robotics) и CimStation (фирмы Silma).

В СССР работы по созданию САПР РТК начались в конце 1980-х го­дов, когда фирма «Буран» предложила автомобильной промышленности САПР РТК сварки РОБОМАКС, а фирма «Авторобот» — пакет AutoRob, которые были ориентированы на IBM PC-совместимые компьютеры и гра­фическую среду пакета AutoCAD фирмы Autodesk. При помощи указанных пакетов были решены задачи технологической подготовки роботизирован­ного сварочного производства для новых моделей автомобилей ВАЗ, ГАЗ (пакет РОБОМАКС) и «Москвич» (АЗЛК, пакет AutoRob). В дальнейшем работы по совершенствованию пакета AutoRob были приостановлены, а па­кет РОБОМАКС развивается в направлении как совершенствования сущест­вующих модулей, так и разработки новых (проектирование сварочных кле­щей, сборочно-сварочной оснастки и др.).

На заводах России имеются инсталляции мощного пакета RobCad американской фирмы Technomatics Technologies, включающего в себя об­ширную, свыше 100 моделей, библиотеку роботов, развитые функции про­ектирования сварочного инструмента, сварочной оснастки, различных робо­тизированных комплексов. Большинство таких же функций поддерживает отечественная разработка — программный комплекс РОБОМАКС, различ­ные версии которого имеются на автомобильных заводах и на сварочных кафедрах ряда вузов. Знакомство с комплексом РОБОМАКС полезно для понимания возможностей мощных современных САПР, работающих на ос­нове графического моделирования динамики работы технологического обо­рудования. В связи с этим методику и технологию автоматизированного проектирования сварочных РТК рассмотрим на примере этого программно­го продукта, реализованного на платформах массовых моделей компьюте­ров в операционных средах Dos и Windows. Комплекс программных средств РОБОМАКС является инструментом для решения задач технологической подготовки сборочно-сварочного производства. Объектами РОБОМАКС являются РТК дуговой и точечной контактной сварки, а также линии точеч­ной контактной сварки.

В РОБОМАКС используются понятия «проектирование изображения» и «подготовка образа». Под «проектированием» понимается создание объ­емного изображения объекта и готовых изображений комплектующих дета­лей с дорисовкой недостающих элементов. «Подготовка» — это нанесение на уже созданное изображение дополнительной информации (например, сварных швов) и обработка графической информации, создание математи­ческого образа изделия, с которым ведется вся последующая работа систем. Подготовка образов всех элементов комплекса обязательна перед началом работы расчетных программ.

Комплекс программных средств построен из нескольких систем, объ­единенных идеей сквозного проектирования: на входе — исходные дан­ные и образы деталей, а на выходе — готовая документация проекта и управляющие программы работы оборудования.

Упрощенная схема взаимодействия систем и подсистем комплексов графического проектирования и моделирования применительно к контакт­ной точечной и дуговой сварке представлена на рис. 7.1.

Основной модуль — проектирование РТК — работает с базами дан­ных и библиотеками

• сварочных роботов;

• управляемых манипуляторов изделия;

• сварочных клещей, горелок, резаков и другого инструмента;

• вспомогательных элементов окружения (например, ограждений, элементов оборудования, шкафов управления);

• специально подготовленных образов свариваемых конструкций, за­крепленных в сборочно-сварочных приспособлениях.

Другие подсистемы служат для подготовки данных этих основных библиотек.

Подсистема, предназначенная для конструирования сварочной осна­стки и формирования моделей, входящая в программный комплекс, но, как и все другие подсистемы, имеющая возможность автономного использова­ния, подробно рассмотрена в гл. 6.

Подсистема «сварочный инструмент» предназначена для подготовки графических образов и формирования моделей сварочного инструмента, обеспечивающих доступность к зоне сварки и исключающих столкновения при заходе инструмента на свариваемый узел.

Подсистема «сварная конструкция» имеет целью создание образа сварного узла из образов поверхностей и деталей, импортированных из «внешнего» пакета (например, пакета CATIA). Детали собираются в узлы, наносятся сварные точки и швы и готовится математический образ. Однако возможна «сквозная» работа в среде AutoCAD с использованием пакета AutoSURF фирмы AutoDesk без импорта данных об образе сварного узла.

Роботизированная

технологическая

линия

С использованием большого объема данных вспомогательных под­систем подсистема РТК предназначена для формирования компоновок сварочных постов или РТК сварки. Она обеспечивает выбор модели робо­та, манипулятора изделия, установку сварного узла вместе со сборочным приспособлением на манипулятор, определение взаимного положения ро­бота и манипулятора изделия относительно системы координат РТК. Вы­полняется трехмерное моделирование как объектов РТК, так и движений робота и манипулятора изделия со свариваемым узлом с учетом реально действующих ограничений, накладываемых сварочной технологией, осна­сткой, приводами подвижности робота и манипулятора. Подсистема обес­печивает интерактивную работу с роботом при его обучении в составе РТК. Задание и выполнение команд управления роботом и манипулятором изделия в интерактивном режиме с графическим отображением их движе­ний является необходимым условием эффективной работы пользователя с системой как при компоновке РТК, так и при его программировании. Мо­делирование обучения робота позволяет запомнить все положения робота относительно сварного узла и включить их в технологическую программу. Отладка технологических программ производится здесь же с использова­нием идеальной модели РТК. Это облегчает и делает более эффективной работу технологов-программистов. Последующую калибровку таких про­грамм применительно к конкретному реальному технологическому ком­плексу осуществляют на основе небольшого числа измерений, проводи­мых с помощью самого робота на одном из сварных узлов.

Базы данных роботов и манипуляторов связаны со своими подсисте­мами создания образов и моделей оборудования с возможностью моделиро­вания и программирования его работы. На структурной схеме эти подсисте­мы не показаны. При этом разработка моделей манипуляторов изделий и запись их в базу данных доступна пользователям системы, поскольку в лю­бом сварочном производстве, как правило, приходится разрабатывать или покупать большое их количество самых разнообразных типов. Создание об­разов роботов со всеми их реальными ограничениями и характеристиками, а также с возможностью программирования ввиду сложности этой работы остается за разработчиками системы.

Все подсистемы предназначены и для подготовки конструкторской документации путем преобразования отработанных объемных моделей в плоские проекции и доводки их до вида чертежей.

Структура комплекса РОБОМАКС состоит из комплекта каталогов, подкаталогов и файлов, управление которыми осуществляется с помощью меню и реализуется программами монитора. Примеры каталогов показаны ниже.

РОБОМАКС — корневой каталог комплекса.

Подкаталоги:

главный системный.......................................................................... SYSTEM

роботов............................................................................................ ROBOT

собранных инструментов............................................................... TOOL

манипуляторов изделия................................................................... POSITION

изделий............................................................................................ WPIECE

сечений............................................................................................ SECTION

фурнитуры (неподвижных элементов) ................................................ FURNITURE

прототипов приспособлений.......................................................... FIXPROTO

пиктограмм..................................................................................... ICO

электродов сварочных клещей....................................................... ELECTROD

электрододержателей сварочных клещей..................................... EIOLDER

удлинителей и вылетов сварочных клещей................................... STRETCH

переходников сварочных клещей................................................... TRANSIT

приводов сварочных клещей.......................................................... BODY

цилиндров сварочных клещей....................................................... CYLINDER

сварных швов................................................................................... SEAMS

проектов оснастки........................................................................... FIXPROC

процессов (сведений о конкретной работе) ................................... PROCESS

системы столкновений.................................................................... IMAGE

В главном системном подкаталоге SYSTEM содержатся исполняемые программные модули, реализующие основные функции комплекса Робо- макс. В подкаталогах SEAMS, WPIECE и TOOL содержатся файлы исход­ных данных сварных швов, математического образа изделия и инструмента для решения задачи столкновений, графические образы и слайды. В катало­ге IMAGE содержатся файлы подсистемы подготовки математических обра­зов для задачи анализа столкновений. В подкаталоге POSITIONER содер­жатся данные для создания моделей манипуляторов.

РОБОМАКС как система проектирования оборудования и оснастки сварочного производства и моделирования ее работы в составе рабочей ячейки обязана содержать прежде всего графические образы элементов и компонентов в сборе как основу моделирования. Информация о них пред­ставлена в различных форматах, и прежде всего 3D-изображениями (DWG - файлы).

Текстовая информация составляет базу данных. Она может использо­ваться в нескольких режимах: как справочная, как поисковая для выбора элемента и для практических расчетов различного характера. Очевидно, что такая информация в полном объеме разнородна, велика и зачастую избы­точна, способы ее представления разнообразны и она должна пополняться постепенно: по мере разработки ее отдельных модулей — разработчиками, во время практической работы — пользователями.

Виды сведений, содержащихся в базах данных:

• условные обозначения, включая габаритные контуры оборудования и оснащения (стрелки направления движения и усилия, упоры, вентили и точки подводки энергоносителей, проезд, тара, опоры и т. п.). Здесь содер­жатся сведения, используемые в различных схемах: планировках, схемах базирования, картах контроля, разводках и т. п.;

• 3£>-изображения (образы) элементов или единиц оборудования. Как правило, они выполняют при моделировании ту же функцию, что и контуры оборудования на неподвижных планировках, определяя габаритные размеры и расположение элемента, но в пространстве. Поэтому ЗП-образы обычно имеют точные размеры, но упрощенную форму без подробностей. Здесь очень важно специально отметить, что система, как правило, создает весьма точные формы и размеры образов и работает с ними. Однако с целью эко­номии вычислительных ресурсов при экранном моделировании движения трехмерных объектов часто образы моделей на экране специально упроща­ются, тем самым обеспечивается возможность работы системы на менее мощных компьютерах и видеокартах;

• данные текстового или табличного типа (технические характеристи­ки элементов, режимы, нормы, экономические сведения и т. п.), используе­мые для выбора или расчета.

Функции базы данных:

• храни ть сведения о стандартных машинах и элементах (покупных и местных стандартизованных), реально существующих независимо от данной системы;

• хранить справочную информацию пользователя для проведения проектирования, расчетов, а также заказа на поставку деталей и комплект­ного оборудования;

• накапливать результаты, полученные на разных этапах в данной сис­теме;

• содержать сведения графического, текстового и численного характе­ра (причем характеризующие не только элементы базы данных, но и техно­логические режимы и нормативы);

• служить программным средством при проектировании для автома­тизации поиска необходимых элементов сварочной оснастки по одному или нескольким признакам (что значительно эффективнее сплошного просмотра содержимого базы данных);

• служить программным средством для автоматизации формирования массива исходных данных.

Каждому графическому образу элемента должны соответствовать его технические характеристики, чертежи и контуры элементов. Технические характеристики заполняются после создания 31)-образа элемента как поля данных определенных разделов и параметров. Содержание пунктов этих полей можно редактировать.

Режимы и нормативы имеют форму таблиц и необходимы при раз­личных расчетах (силовых характеристик, электрических параметров режи­мов, мощностей и сечений, нормировочных расходов и экономических сравнений).

Особенность «первичных» элементов подсистем инструмента и осна­стки (электроды, вылеты, блочки, платики, зажимы и т. п.) заключается в том, что они представлены лишь графическими изображениями. Готовые компоненты (сварочные клещи, роботы, манипуляторы и т. д.) уже подго­товлены как математические образы для работы программы анализа столк­новений.