Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

РТК сборки и дуговой сварки сложного маложесткого пространственного узла с обеспечением заданных пределов отклонений геометрической формы

Одним из наиболее ответственных узлов в зерноуборочном комбайне явля­ется молотильный агрегат, схема которого показана на рис. 8.30. Качество обмолота зависит главным образом от дугообраз­ного клинового зазора между барабаном 1 и решетчатой цилиндрической панелью 2, называемой подбарабаньем. На выходе зазор между бичами 3 барабана и план­кой подбарабанья не должен превышать 1,0 мм, а непараллельность — 0,5 мм на длине барабана 1500 мм.

Каркас подбарабанья (рис. 8.31) представляет собой сварную конструк­цию, состоящую из 17 продольных пла­нок 1, боковые грани которых должны

располагаться по радиусу R = 410 мм. По торцам набор замыкают две боко­вины 3, имеющие на концах отверстия, в которые вварены втулки 2 для подвески подбарабанья в молотильном агрегате. По длине набор планок скреплен шестью дугообразными ребрами 4, пропущенными в прямоуголь­ные отверстия планок. Короткие угловые швы между элементами /, 3 и 4 (их более 280) обеспечивают пространственную жесткость конструкции подбарабанья. Требования к точности геометрии этого узла высоки:

• межцентровое расстояние отверстий в боковинах Л = (910 ± 0,7) мм;

• радиус рабочей поверхности R - (410 ± 0,5) мм;

• отклонение от цилиндричности ± 0,5 мм;

• расстояние между любыми двумя планками b = (60 ± 1) мм.

Малая жесткость конструкции и большое количество коротких сварных швов, эксцентрично расположенных на деталях, вызывают настолько значи­тельные сварочные деформации, что при ручной сварке обеспечить точность таких узлов удается только механической обработкой, трудоемкость которой иногда сопоставима с трудоемкостью всех остальных этапов изготовления. Возможность обеспечения требуемой точности маложестких узлов с помо­щью роботизированной дуговой сварки показывает приведенный ниже при­мер создания и эксплуатации РТК для сварки каркаса подбарабанья.

Емкость памяти используемого робота IR161/15 недостаточна для за­писи программы сварки всех швов каркаса, доступных для горелки, т. е. сварка всего каркаса одним роботом не обеспечивается. В то же время одно­временная работа двух роботов на одном изделии осложняется тем, что его габаритные размеры и расположение швов могуг вызвать столкновение кис­

тей роботов, а разводка их во времени увеличивает простои. В связи с этим была принята схема роботизированной сварки. На двухместном позиционе­ре два робота одновременно сваривают по половине швов на каждом из двух каркасов, после чего они обмениваются изделиями и сваривают вто­рую половину швов. Такая схема позволяет исключить переустановку изде­лий в приспособлениях, не требует синхронизации работы роботов, упрощает их рабочие программы. В то же время она предполагает создание манипуля­тора с высокой точностью позиционирования, снабженного специальной оснасткой, обеспечивающей требуемую точность узла после сварки и фик­сирование в пространстве свариваемых кромок при сварке каждого углового шва.

Практически все швы на каркасе расположены в узком пространстве между двумя соседними планками, расстояние между которыми не превы­шает 60 мм, поэтому доступ горелки к швам ограничен. Анализ доступности швов для горелки, выполненный с помощью системы РОБОМАКС, показал, что горелка между планками может располагаться только под острым углом к оси шва. Опыты показали, что при сварке углом назад формирование шва удовлетворительно, а глубина проплавления уменьшается незначительно. Поэтому ориентацию горелки сочли допустимой. Кроме того, установили, что вблизи втулок боковин расположено по четыре шва, в принципе не доступные для горелки робота. Эти швы было решено выполнять ручной дуговой сваркой на позиции контроля и исправления дефектов. С помощью этой же системы определили оптимальную последовательность выполнения швов на каждой позиции сварки.

Повторная точность позиционирования 5Р используемого робота со­ставляет ±0,2 мм. Опыт показывает, что при тщательной наладке подающих механизмов сварочной проволоки возможно добиться отклонения конца электрода от оси горелки 5гор = 0,2...0,4 мм (при вылете 15... 18 мм). При оценке погрешностей обучающего программирования робота на изделии существенными оказываются не только квалификация, опыт и добросовест­ность оператора — факторы субъективные, — но и тип шва, расположение его на изделии, доступность и освещенность зоны программирования, т. е. факторы объективные. Специальные эксперименты показали, что ошибки программирования на тавровых и нахлесточных сварных соединениях меньше, чем на стыковых, причем ошибки возрастают с увеличением зазо­ра. Установлено, что в цеховых условиях, при умеренной комфортности ра­боты оператора ошибки программирования 5П сварки стыкового соединения без зазора и без разделки кромок не превышают 0,3 мм с доверительной ве­роятностью 95 %. Таким образом, возможное отклонение конца электрода составляет Д1 = 0,2 + 0,3 + 0,3 = 0,8 мм.

Возможное максимальное смещение оси свариваемого стыка опреде­ляется несколькими факторами. Самым существенным образом на точность и стабильность размеров и формы деталей, поступающих на сварку, оказы­вает технология их изготовления. Помимо механической обработки резани­ем достаточно высокую точность обеспечивает контурная вырубка плоских деталей в штампах.

При проектировании сборочно-сварочной оснастки важен правильный выбор схемы базирования и закрепления деталей в приспособлении (рис. 8.32). Эта схема, а также качество проектирования и точность изготовления осна­стки определяют зазоры, смещения деталей и сборочные деформации. На отклонения, вызванные несовершенством технологии изготовления деталей и качеством оснастки, накладывается неточность позиционирования изде­лия, связанная с характеристиками манипулятора.

Наиболее сложным и в то же время существенным для качества свар­ных соединений является влияние сварочных деформаций. Неэффектив­ность мер, принимаемых для предотвращения или компенсации временных и остаточных сварочных деформаций, является одной из главных причин неудач при создании РТК дуговой сварки неадаптивными роботами. Накоп­ленный в этой области опыт невелик и плохо поддается обобщению. Для установления закономерностей деформирования при сварке, как правило, помимо предварительных расчетных оценок требуется проведение экспери­ментальных работ в лабораторных и производственных условиях.

В совокупности все эти факторы определяют максимально возможное смещение стыка Л2 в пространстве, которое может быть выражено следую­щей суммой:

Д2 = бд + 50 + 5М + б™ + б0.д,

где бд — смещения, связанные со схемой базирования и точностью деталей; 60 — смещения, обусловленные точностью изготовления сборочно-сва­рочной оснастки; бм — смещения, вызванные неточностью позиционирова­ния манипулятора; 5ТД — смещения, вызванные временными тепловыми деформациями; бод — смещения, вызванные остаточными сварочными де­формациями.

Для оценки величины Л2 необходимо использовать схему базирова­ния деталей (см. рис. 8.32), реализованную в сборочном стенде. В качестве базовой плоскости приняли внешнюю поверхность А одной из боковин /. Каждую боковину с заранее приваренными втулками 2 устанавливают в стенде на две цилиндрические оправки. В упор к базовой боковине устанав­ливают торцами 17 планок 3. На рисунке для простоты показана только одна из них. Следует отметить, что планки получают путем контурной вырубки. За один ход пресса отрезают планку в заданный размер и одновременно пробивают шесть прямоугольных окон по размерам, отсчитанным от базо­вого торца, который маркируют пробивкой круглого дополнительного тех­нологического отверстия. Этим торцом и базируют планки на боковину. Для задания проектного положения в радиальном и тангенциальном направле­ниях каждую планку базируют на две регулируемые опоры 4 и на четыре нерегулируемые опоры 5, а затем прижимают к ним отдельными прижима­ми. Наиболее критичным в отношении точности задания положения швов, соединяющих планки с боковинами, является смещение концов планок в тангенциальном направлении. Для уменьшения этих смещений базы необ­ходимо было располагать как можно ближе к концам планок. В нашем слу­чае для свободного доступа к местам прихваток каждая планка закреплялась на расстоянии 100 мм от торца. При допустимой неплоскостности планки 2 мм на длине 1 м возможное смещение торца планки не должно превышать 0,2 мм. С этой целью использовали специальные ловители, расположенные под боковинами. К плоскости, образованной свободными торцами планок, прижимают вторую боковину, зафиксированную аналогично первой. Оче­видно, что положение в пространстве этих сварных соединений может из­меняться от изделия к изделию случайным образом в пределах допуска на длину планки. Благодаря контурной вырубке разброс значений длин планок и координат прямоугольных окон не превышал 0,3 мм. Поскольку, согласно схеме базирования, нежесткие боковины прижимаются к торцам планок, отклонение их от плоскостности не превышает допуск на длину планки.

Шесть ребер вставляют в прямоугольные окна 15 планок и замыкают по торцам двумя крайними планками, не имеющими окон. В этом соединении зазор между ребром и краем окна составляет 0,5 мм, а точность расположе­ния последнего — 0,3 мм. Описанная схема базирования и соответствующие требования были включены в техническое задание на проектирование сбо­рочного стенда.

Точность сборочно-сварочной оснастки, как правило, на несколько квалитетов выше, чем сварной конструкции, которую на ней собирают, т. е. в абсолютных значениях допуски на изготовление и установку базовых эле­ментов в 5—10 раз меньше допусков на размеры свариваемых деталей. Ре­ально в производстве оснастки можно рассчитывать на отклонения 50 по­рядка 0,1...0,2 мм. В тех случаях, когда обучающее программирование вы­полняется непосредственно на сварочной оснастке, входящей в РТК, и эта оснастка не является сменной, это отклонение можно не учитывать.

Исходя из структурной схемы РТК, специализированный манипулятор с горизонтальной осью вращения проектировали с учетом точности пози­ционирования свариваемого элемента на уровне точности позиционирова­ния используемого робота, т. е. величина 5М должна была оставаться в пре­делах +0,2 мм. Кроме того, при разработке позиционера удалось найти кон­структивное решение, позволившее практически исключить влияние вре­менных и остаточных сварочных деформаций.

Таким образом, максимально возможное смещение стыков, связанное с точностью изготовления деталей, сборочно-сварочной оснастки и точно­стью позиционирования изделия, составило:

а) для швов, прикрепляющих планки к боковине,

Д2 = 6Д+ 5М= 0,3 + 0,2 = 0,5 мм;

б) для швов, соединяющих планки и ребра,

Д2 = 5Д + 8М = 0,8 + 0,2 = 1,0 мм.

В итоге максимально возможное отклонение электрода от оси шва оказалось равным:

а) для соединений боковин с планками

ц = Д1 + Д2 = 0,8 + 0,5 = 1,3 мм;

б) для соединений планок с ребрами

ц = Д1 + Д2 = 0,8 + 0,8 = 1,6 мм.

Ширина зазора b в соединениях планки с боковиной колеблется на одном изделии в пределах, определяемых разбросом значений длин планок,

и не должна превышать 0,3 мм. В соединении планки с ребром максимально возможный зазор b = 0,5 мм (разность между шириной окна и толщиной ребра, вставленного в это окно).

Результаты экспериментов позволили установить, что тавровое свар­ное соединение получается качественным, если зазор между кромками и смещение электрода в реальном соединении не выходят за пределы площа­ди фигуры, построенной в координатах «допустимое отклонение — зазор» и ограниченной предельными значениями этих параметров. В дальнейшем будем называть эту фигуру областью качества. Схема построения области качества для тавровых соединений представлена на рис. 8.33, а.

В развитие этих работ проведены исследования влияния на качество угловых швов, выполненных катетами 3, 4, 5 и б мм, отклонений А и зазора Ь. На рис. 8.33, б—д показаны соответствующие области качества. Оказалось, что сварные соединения каркаса подбарабанья при его сварке с помощью неадаптивных роботов могут быть получены качественными, поскольку рассчитанные выше значения А и Ъ находятся в пределах области качества для швов, выполненных катетом 5 мм.

Однако это будет возможным только в том случае, если удастся ис­ключить влияние сварочных деформаций в процессе сварки каркаса робота-

ми. Очевидно, что при таком количестве сварных швов и малой жесткости конструкции этот фактор может оказаться определяющим для получения не только качественных швов, но и точности геометрии сваренного каркаса. Поэтому уже на стадии подготовки производства, до выдачи технических заданий на проектирование технологического оборудования, желательно было представлять характер и закономерности деформирования каркаса в процессе его сварки, с тем чтобы заложить в технологию решения, способ­ные свести к минимуму влияние сварочных деформаций на геометрию под­барабанья.

Анализ литературных данных по этой проблеме показывает, что в конструкциях с короткими швами, которые чаще всего занимают только часть сечения, управлять сварочными деформациями можно, изменяя на­пряженное состояние металла, окружающего шов, причем это управление намного эффективнее, если использовать не жесткое закрепление конструк­ции перед сваркой, а внешнее активное нагружение. Однако вследствие большого разнообразия форм и размеров конструкций практически невоз­можно сформулировать общие правила использования этого метода. В каж­дом конкретном случае приходится решать частную задачу выбора схемы и параметров нагружения.

Эксцентричное расположение сварных швов на элементах каркаса вы­зывает деформации сложного вида. Поэтому для создания технологического процесса, обеспечивающего проектную точность конструкции, необходимы сведения не только о конечных результатах деформирования, но и о причи­нах его появления, кинетике протекания и относительном вкладе каждого- вида деформаций в общий результат. Исследования проводили в несколько этапов.

На первом этапе исследовали кинетику и характер деформирования каркаса в целом и отдельных элементов: боковины с приваренными к ней планками и планки с приваренными к ней ребрами, а также выполняли экс­перименты по оценке способов уменьшения деформаций. На втором этапе оценивали эффективность разработанных конструктивно-технологических приемов снижения сварочных деформаций и повышения точности каркаса в условиях опытно-промышленного производства. На третьем этапе исследо­вали характер деформирования, стабильность геометрии каркаса и качество сварных соединений в процессе отладки РТК, а также оценивали эффектив­ность его промышленной эксплуатации.

На первом этапе для анализа характера деформирования сварного узла в целом собранный каркас устанавливали вертикально на боковину и поло­вину швов выполняли полуавтоматической сваркой в свободном состоянии, не используя приспособлений (рис. 8.34, а). Для сварки другой половины швов каркас кантовали на 180°.

а) 0

Рис. 8.34. Расположение швов, соединяющих планки с ребрами:

а — проектное; б — предложенное

Измерения показали, что каркас, выполненный по такой технологии, получает следующие отклонения от проектной формы (рис. 8.35):

• межцентровое расстояние А уменьшается с 910 до 900 мм;

• радиус R уменьшается таким образом, что зазор между средними планками и шаблоном этого же радиуса достигает 18 мм;

• длина каркаса уменьшается не более чем на 1 мм;

• диагональный перекос каркаса и отклонение от соосности отверстий втулок достигает 12 мм;

• внутренняя рабочая цилиндрическая поверхность приобретает боч­кообразную форму с отклонением от цилиндричности до 2 мм.

Для компенсации диагонального перекоса каркаса была предложена схема расположения швов, соединяющих планки с ребрами (см. рис. 8.34, б).

Наибольшее влияние на геометрию каркаса оказывают изменения межцентрового расстояния и радиуса рабочей поверхности, показанные на рис. 8.35. Для экспериментального исследования деформаций боковин в ре­зультате приварки к каждой из 17 планок была создана специальная уста­новка, позволяющая накладывать на закрепленную деталь сварные швы и измерять ее перемещения в процессе сварки. Для стабилизации параметров режима сварки и исключения влияния случайных факторов в установке ис-

пользовали специальный автомат для сварки в среде углекислого газа, кон­струкция которого позволяла быстро переустанавливать горелку в места расположения планок и перемещать ее по радиусу вдоль торца планки с по­стоянной сварочной скоростью. Параметры режима сварки и перемещения боковины регистрировали. В экспериментах варьировали направление и по­гонную энергию сварки. Помимо перемещений всей боковины в сечениях расположения планок измеряли локальные сварочные деформации от попе­речной усадки швов.

Не вдаваясь в детальный анализ, приведем основные результаты ис­следования:

• уменьшение межцентрового расстояния А после приварки к бокови­не планок является следствием увеличения ее кривизны под действием по­перечной усадки угловых швов, расположенных эксцентрично относительно центра тяжести боковины;

• приварка трех пар планок вблизи концов боковины на ее кривизну практически не влияет;

• наибольшее влияние на величину искривления боковины оказывает поперечная усадка швов, расположенных в центральной ее части;

• поперечная усадка неравномерна вдоль шва, прикрепляющего план­ку к боковине, уменьшается от края к центру сечения и существенно возрас­тает с увеличением длины шва и погонной энергии;

• направление сварки (от края к центру поперечного сечения бокови­ны или наоборот) не влияет на величину поперечной усадки;

• при выполнении всех 34 швов на одной боковине без перерыва тем­пературные деформации общего разогрева приводят к временному увеличе­нию межцентрового расстояния А на 3 мм.

Помимо рассмотренного соединения в каркасе содержится более 200 швов, соединяющих планки с ребрами. Схема соединения показана на рис. 8.36.

Для исследования деформаций планки в результате приварки к ней в шести местах ребер была использована схема закрепления, позволяющая имитировать условия, в которых деформируется планка в составе конструк­ции. Поперечное и эксцентричное расположение швов на планке позволяло предположить, что основными видами деформаций будут укорочение и саб- левидность.

Измерения показали, что прогиб в результате приварки всех шести ребер не превышает 0,4 мм, а укорочение — 1,1 мм (см. рис. 8.36), что меньше допуска на длину каркаса подбарабанья (2 мм). Поскольку в составе каркаса деформации планок будут протекать в условиях закрепления их торцов на боковинах, можно было ожидать, что в этом случае они будут значительно меньше и не повлияют на геометрию каркаса.

Установлено, что разность диагоналей каркаса, а значит и несоосность втулок, возникает вследствие накопления угловых деформаций в соедине­ниях планок с ребрами при выполнении швов первой очереди, которые не­способны полностью компенсировать наложение швов второй очереди.

Бочкообразность внутренней рабочей поверхности каркаса обуслов­лена, по-видимому, тем, что увеличение ее кривизны происходит только в области боковин. В центре этому препятствуют ребра, придающие решетке после сварки определенную жесткость.

Результаты проведенных исследований показали, что основной при­чиной деформации каркаса является усадка сварных швов, крепящих набор планок к боковинам. В связи с этим потребовалось найти способ предот­вращения или исправления этих деформаций.

Закрепление боковины при сварке, например, базированием втулок на неподвижные пальцы (рис. 8.37, а) позволяет уменьшить деформации лишь на 30...40 %. При этом неизбежно возникают затруднения при снятии узла после сварки.

Жесткое нагружение растяжением перед сваркой (рис. 8.37, б) мало­эффективно из-за релаксации растягивающих напряжений вследствие обще­го нагрева и удлинения детали при сварке.

Конфигурация каркаса, в которой боковину можно рассматривать как кривой брус, позволяет реализовать прием приложения постоянной силы по линии, соединяющей центры втулок боковин (рис. 8.37, в).

Для определения растягивающего усилия, обеспечивающего сохране­ние проектного межцентрового расстояния Ж в экспериментах использовали устройство, позволяющее регулировать усилие в заданных пределах и под­держивать его постоянным в процессе сварки.

Отклонения формы рабочей поверхности каркаса оценивали, измеряя радиальное перемещение каждой планки в пяти поперечных сечениях по длине каркаса с помощью специального профилометра (рис. 8.38) с точно­стью измерений 0,01 мм.

В экспериментах варьировали усилие растяжения, погонную энергию, направление сварки, длину швов и порядок их выполнения. В результате было установлено следующее:

• оптимальное значение усилия растяжения Р„, обеспечивающее после приварки всех планок к боковине сохранение межцентрового расстояния А в заданных пределах (910 + 0,7) мм, составляет (7,8 ± 0,5) кН;

• при сварке с растяжением направление выполнения шва влияет на его поперечную усадку: сварка от края к центру боковины дает меньшие

aR

1,0

-1,0

-2,0

Рис. 8.39. Радиальное перемещение планок в результате сварки с растяжением

значения максимальной усадки и угла поворота, чем сварка в обратном на­правлении;

• при сварке с растяжением сохраняется зависимость ЛА от длины на­кладываемого шва, однако выражена она менее ярко, чем при сварке в сво­бодном состоянии;

• порядок приварки планок к боковинам не оказывает влияния на ко­нечное значение отклонения межцентрового расстояния АА.

Установлено, что после сварки с растяжением кривизна рабочей по­верхности каркаса уменьшилась. На рис. 8.39 показаны характерные резуль­таты измерений радиального смещения планок, полученные на одном из каркасов как разность замеров до и после сварки. Видно, что в результате усадки сварных швов, протекающей в условиях внецентренного растяжения боковин, средняя часть планок приблизилась к центру, в то время как край­ние планки удалились от него. При этом межцентровое расстояние осталось в пределах заданного допуска. Поэтому требуемую форму поверхности кар­каса решено было обеспечивать при сборке, смещая планки в направлении, обратном тому, что возникает при сварке с растяжением.

При разработке стенда для сборки каркаса были учтены получен­ные результаты измерений каркасов и реализована схема базирования (см. рис. 8.32).

Сборка каркаса производится в два этапа. Сначала собирают на при­хватках решетку, состоящую из планок и ребер, а затем к ней с двух сторон прижимают и прихватывают боковины с приваренными втулками.

Конструкция стенда для сборки представлена на рис. 8.40.

Основными узлами стенда являются: стол 1, гребенчатый фиксатор 2, откидной прижим 3, блок кареток 4. Стол 1 имеет раму, на которой разме­щены поперечные балки, служащие опорой для остальных узлов. По длине каркаса установлены четыре гребенчатых пневматических фиксатора 2. Фиксаторы представляют собой зубчатые сегменты 5. Рабочие поверхности зубьев являются базами для фиксируемых планок изделия. Прижим планок осуществляется подвижными зубчатыми пластинами 6, перемещающимися
в тангенциальном направлении по двум неподвижным направляющим паль­цам 7, входящим в окна пластин. Усилие прижима на пластины передается от двух качающихся пневматических цилиндров 8 через кронштейны 9.

Два крайних гребенчатых фиксатора максимально приближены к кон­цам планок и несут сегменты 11, по периметру которых расположено по 17 регулируемых винтовых опор 12 планок каркаса подбарабанья 13. Это по­зволяет целенаправленно изменять форму будущей рабочей поверхности подбарабанья с учетом сварочных деформаций.

Откидные прижимы 3 служат для предотвращения случайного отхода планок от регулируемых винтовых опор и несут по 17 пружинных прижи­мов 14. Подвод и отвод откидного прижима осуществляется пневматиче­ским цилиндром 16. Закрепление планок происходит при срабатывании пневматических замков 15.

Каретки 4, расположенные по торцам стенда, выполняют две функ­ции: во-первых, являются ложементами и торцевыми упорами при установ­ке планок и сборке решетки, состоящей из 17 планок и шести дуг; во - вторых, служат для навески и поджатая к решетке боковин с втулками. Ос­новой каретки служит сегмент 19, по контуру которого выполнены 17 ради­альных пазов. С одной стороны к нему прикреплена пластана 20, служащая упором для торцов планок и несущая разрезные пальцы 21, на которые ус­танавливают боковину с приваренными к ней втулками. С другой стороны закреплен сегмент 18 с пазами-ловителями, в которые попадают торцы пла­нок при поджиме к ним боковины. Каретки перемещаются по направляю­щим скалкам 17 с помощью пневматических цилиндров 10, причем та, кото­рую перемещает цилиндр большего диаметра, является базой при сборке каркаса.

Приспособление для сварки каркаса с растяжением выполнено в виде плоской прямоугольной рамы. В двух параллельных швеллерных балках 1 приспособления смонтированы нагружающие устройства, показанные на рис. 8.41. Они представляют собой пружинно-рычажный механизм с пнев­матической разгрузкой. При установке каркаса в приспособление одна втул­ка 3 каждой из боковин фиксируется съемным пальцем в неподвижном кронштейне 4, другая — в отверстиях рычага 2. Рычаг, качающийся на оси кронштейна, в нижней части поперечным пальцем соединен с тягой 9, на которую надета пружина 8. Пружина, предварительно сжатая с помощью регулировочных гаек 5, передает распорное усилие через упорный подшип­ник 6 и тягу на качающийся рычаг и в конечном счете на боковину каркаса. Для разгрузки боковины используется пневматический толкатель 7.

В процессе наладки сборочного стенда по результатам описанных выше измерений было выполнено предварительное регулирование радиаль­ных опор планок таким образом, что каждая планка получала радиальное

смещение, по величине равное, а по знаку — противоположное полученно­му от сварки (см. рис. 8.39). Наладка сварочных приспособлений заключа­лась в регулировании пружин нагружающих устройств в соответствии с ус­тановленным режимом сварки.

В процессе производства подбарабанья был проведен статистический анализ результатов контроля геометрии 50 каркасов.

Обработка результатов показала, что выборочное среднее значение межцентрового расстояния А после сварки составило 909,8 мм, дисперсия — 0,662 мм2, 12 % каркасов не уложилось в допуск и требовало рихтовки.

Сопоставление отклонений, полученных при сборке и сварке, позво­лило оценить долю каждой операции в конечном результате. После сборки разброс значений А составил (910 ± 0,6) мм. Разброс же отклонений, вы­званных сваркой, даже с исключением бракованных каркасов, составил 910^’з мм, что свидетельствует о нестабильности технологических парамет­ров процесса сварки. При случайном благоприятном сочетании сборочных и сварочных отклонений размер А укладывается в допуски. В противном слу­чае возникают недопустимые отклонения.

Аналогичные результаты были получены при контроле геометрии ци­линдрической рабочей поверхности каркасов. После сварки кривизна ее не­сколько уменьшалась, а разброс измеренных значений радиуса превышал допуск на его размер и составлял (410 ± 1) мм. Нарушения формы рабочей поверхности устранялись последующей механической обработкой.

Контроль параметров режима сварки в процессе производства и об­следования сваренных каркасов выявил значительные их колебания (в цехе

использовалась многопостовая система питания), а также существенные от­клонения по длине и калибру выполняемых швов. Таким образом, низкая стабильность результатов производства явилась следствием как технологи­ческих, так и организационных причин.

Для оценки влияния колебаний режима сварки на стабильность геомет­рии каркасов и величины растягивающего усилия на межцентровое расстояние, в специальном эксперименте изготавливали каркасы при повышенном и пони­женном сварочном токе и трех уровнях растягивающей нагрузки (рис. 8.42).

Таким образом, конструкторско-технологические решения, предло­женные для уменьшения остаточных сварочных деформаций, а также разра­ботанные технология и оборудование обеспечивают получение проектной геометрии каркаса подбарабанья при строгом соблюдении технологических параметров (качества сборки, величины растягивающих усилий, режимов сварки, размеров сварных швов и порядка их выполнения). При использова­нии полуавтоматической сварки обеспечить требуемый уровень стабильно­сти параметров сварки практически невозможно, тогда как использование роботов это позволяет. В этом случае качество сварных швов подбарабанья будет обеспечено, если удастся реализовать высокую точность позициони­рования свариваемого элемента и исключить влияние сварочных деформа­ций на положение швов в пространстве.

В соответствии с результатами, полученными на предыдущих этапах работы, был спроектирован и изготовлен РТК, схема которого представлена на рис. 8.43. Манипулятор 1 изделия представляет собой позиционер с го­ризонтально расположенной осью вращения поворотной части, на которой с двух сторон установлены сварочные приспособления. Предварительно соб­ранные на прихватках каркасы 2 устанавливаются в приспособлениях таким образом, что зона, в которой расположены сварные швы, имеет практически цилиндрическую форму.

Два сварочных робота 3 типа IR161/15 фирмы KUKA (ФРГ), имеющие антропоморфную систему координат, шесть степеней подвижности и кон­турную систему управления, установлены в отдельных боксах по обе сторо­ны от позиционера. Они выполняют одновременно сварку двух каркасов в зонах, расположенных на уровне оси вращения. Все сварные соединения планок с боковинами и ребрами в этих зонах располагаются горизонтально, что обеспечивает доступ к ним горелки и наилучшее качество сварного шва.

Поочередная переустановка планок в позицию сварки осуществляется по­шаговым перемещением поворотной части позиционера.

В боксах помимо роботов расположены стойки 4 системы управления роботами, источники 5 питания сварочным током и устройства 6 для очистки горелок. С обеих сторон от позиционера, в зонах его обслуживания установле­ны полы 7 безопасности. Пульт 8 управления модулем вынесен за его пределы и расположен со стороны стоек управления, в зоне работы оператора.

Конструкция позиционера показана на рис. 8.44, а. Основание 8 слу­жит опорой для поворотной части позиционера. Обе П-образные стойки ос­нования несут цапфы 7, в которых неподвижно закреплены концы оси 3.

Поворотная часть позиционера состоит из двух сварочных приспособ­лений 4, соединенных между собой с помощью двух поворотных опор 5, вращающихся на оси. Приспособления одинаковы и аналогичны описанным выше (см. рис. 8.40). На каждой из опор перпендикулярно оси закреплены пневматические толкатели 9, разгружающие механизмы растяжения боко­вины. Сжатый воздух к ним подается через полую ось и две вращающиеся муфты 2.

Для поворота приспособлений на заданный угол служит храповой ме­ханизм. Его храповое колесо 1 неподвижно закреплено на одной из пово­ротных опор, а пневматический привод 11 — в стойке основания. Храповой механизм снабжен бесконтактными датчиками положения, сигнализирую­щими о начале и завершении поворота изделия на заданный угол. На проти­воположной стойке закреплен блок программатора 6.

Требуемая точность позиционирования свариваемых элементов обес­печивается благодаря использованию в конструкции позиционера принципа смены баз. После поворота изделия на шаг очередные свариваемые планки фиксируются в рабочем положении пневматическими фиксаторами 10, от которых зависит точность позиционирования планок в положении сварки. Принцип действия пневматических фиксаторов показан на рис. 8.44, 6. Кор­пус 12, неподвижно закрепленный на оси позиционера, является двусторон­ним пневматическим цилиндром. Штоки 13 перемещаются в направляющих втулках 14 и заканчиваются клиновыми пазами, в которых фиксируются свариваемые планки при выдвижении штоков. Снизу на фиксаторах закреп­лены блоки бесконтактных датчиков положения штоков 15.

При такой схеме базирования влияние сварочных деформаций, а так­же неизбежных погрешностей сборки практически исключается благодаря наличию пружинных компенсаторов 16, обеспечивающих возможность не­зависимого перемещения каждого сварочного приспособления.

Вследствие конструктивных различий между отдельными планками каркаса количество, размеры и расположение сварных швов на многих из них различно, поэтому сварка их роботами ведется по семи чередующимся подпрограммам. Оценку текущего состояния позиционера и выбор нужной подпрограммы на каждом шаге позиционирования система управления осуществляет с помощью электромеханического программатора, состояще­го из перфорированного диска, закрепленного на поворотной опоре, и блока бесконтактных датчиков, установленных на стойке основания.

Исходным состоянием позиционера является горизонтальное распо­ложение поворотной части, зафиксированной выдвижными стопорами. Их положение система управления определяет с помощью встроенных бескон­тактных датчиков. Выгрузку и загрузку каркасов производят поочередно с помощью тельфера, каркасы фиксируют в приспособлении с помощью пальцев. Сварку каркасов производят в автоматическом режиме в соответ­ствии с алгоритмом, заложенным в систему управления модулем.

Система управления всем комплексом оборудования на позиции робо­тизированной сварки каркасов построена на базе компьютера одного из сва­рочных роботов (ведущего робота 1). Робот 2 (ведомый), а также позицио­нер обмениваются с ним информацией и выполняют его команды. При этом робот 2 работает по собственной рабочей программе, содержащейся в памя­ти его системы управления.

Датчики, установленные на позиционере, передают в систему управ­ления модулем следующую информацию:

• код, определяющий состояние позиционера и подпрограммы сварки зафиксированных планок каждым роботом;

• давление воздуха в пневматической сети;

• положение стопоров поворотной части;

• наличие растягивающего усилия в сварочных приспособлениях;

• положение толкателя храпового механизма;

• положение пневматических фиксаторов.

Кроме того, система управления контролирует нахождение роботов в исходном положении и состояние их сварочного оборудования.

Алгоритм работы системы управления модулем роботизированной сварки представлен на рис. 8.45. Запуск для выполнения цикла сварки двух каркасов в автоматическом режиме осуществляется с внешнего пульта управления нажатием кнопки «СТАРТ». По этой команде начинается вы­полнение рабочей программы.

Обнуляются счетчики параметра X, характеризующего состояние по­зиционера (до или после сварки), и параметра п, определяющего номер сва­риваемой планки (от 1 до 34). Система управления проверяет, находятся ли все компоненты модуля в исходном состоянии. Если нет, на пульт управле­ния подается световой сигнал, а система переходит в состояние ожидания нового старта. Оператор по сигнальным лампам определяет устройство, не пришедшее в исходное состояние, устраняет причину сбоя и нажимает кнопку «СТАРТ». Снова проверив исходное состояние оборудования и дав­ление в пневматической сети, система последовательно выдает команды на включение нагружающих устройств сварочных приспособлений и выклю­чение стопоров поворотной части. Получив подтверждение их нормального срабатывания, система опрашивает программатор позиционера, анализирует полученный код U и выбирает соответствующую ему подпрограмму. Поми­мо кодов, характеризующих исходное состояние позиционера и режим кан­товки изделий с маршевой скоростью, имеется восемь кодов, каждому из которых соответствует подпрограмма сварки планок, находящихся в данный момент в пневматических фиксаторах (см. табл. на рис. 8.45).

В зависимости от содержания кода возможны три варианта действия системы управления.

A (U = 0). Система определяет, находится ли поворотная часть в ис­ходном горизонтальном состоянии. Если да, то проводится оценка состоя­ния сварочного модуля: требуется ли начать сварку (X = 0) или же она за­вершена (X = 1). Если необходимо сварку начать, храповой механизм канту­ет изделие на один шаг и система управления снова опрашивает программатор, на котором после первого шага устанавливается код режима кантовки с маршевой скоростью (U = 1). Работая в цикле, система управле­ния продолжает кантовку изделия до тех пор, пока на программаторе не установится код, соответствующий приходу первых планок каркаса на позицию сварки.

Б (U * 1). Система управления включает пневматические фиксаторы и, если давление в пневматической сети нормальное, разрешает стартовать роботу 2. В этот момент меняется признак состояния позиционера (X = 1) и начинается счет сваренных планок (n = 1). Робот 2 переходит в исходное положение (если он там не был), и система повторно опрашивает програм­матор, определяя, по какой из шести сварочных подпрограмм должен рабо­тать робот 2. В позиции сварки первой пары планок (U = 2) должна осуще­ствляться сварка только на первом каркасе, так как на планке второго швы расположены с нижней стороны. Поэтому система управления проверяет, не нужна ли зачистка горелки робота 2, и оставляет его в исходном положении. В это же время определяется подпрограмма сварки робота 1 и он произво­дит сварку первой планки, после чего, проверив, не нужна ли зачистка го­релки, возвращается в исходное положение. Система управления, убедив­шись, что оба робота находятся в исходных точках, расфиксирует планки, кантует изделие на шаг и снова опрашивает программатор. По коду U = 3 осуществляются фиксация и сварка второй пары планок, и система повторя­ет описанные выше действия с тем лишь различием, что на этот раз сварку производят оба робота, каждый по своей подпрограмме.

Сварочные циклы повторяются до тех пор, пока счетчик сварных пла­нок не укажет, что необходима зачистка горелок. Последняя производится на каждом роботе после сварки четырех-пяти планок. При сварке последней пары планок работает только робот 2, так как на планке первого каркаса швы расположены снизу.

По завершении первого цикла работы на программаторе вновь уста­навливается код U = 1, и система управления включает режим кантовки с маршевой скоростью, в процессе которого роботы обмениваются каркасами. Далее при смене кода (U = 2) осуществляется сварка второй половины швов на каждом каркасе по описанной выше процедуре, после чего на программа­торе вновь устанавливается код U = 0.

В. Позиционер в маршевом режиме кантует изделие в горизонтальное положение. С последним шагом меняется признак состояния сварочного

Г Начало )

Г: •

(в)— Внешний старт

г~

модуля (X = L — состояние после сварки), в соответствии с которым вклю­чаются стопора поворотной части и пневматические толкатели приспособ­лений, разгружающие боковины изделий. Проверив выполнение этих ко­манд, система управления переходит в состояние ожидания следующей ко­манды «СТАРТ» с пульта управления.

Оператор со сборщиком заменяют готовые каркасы собранными, и цикл работы модуля повторяется.

После предварительных испытаний полный комплект оборудования РТК был смонтирован и отлажен на Урюпинском заводе «Сельхозмаш».

.Суммарная длительность операций, выполняемых на РТК, при изго­товлении двух каркасов составляет 137,5 мин. Следовательно, трудоемкость сборки и сварки одного каркаса составляет 68,75 мин.

Работа РТК построена таким образом, что со временем роботизиро­ванной сварки не совмещены только транспортные операции, связанные с загрузкой и выгрузкой изделий на позиционере, причем в этих операциях задействованы оба работника, обслуживающие РТК.

РТК (рис. 8.46) включает в себя три рабочие позиции, объединенные межоперационным транспортным устройством: сборки (I); роботизирован­ной сварки (II); контроля и исправления брака (III).

Между позициями РТК предусмотрены накопители.

Сборку каркаса на прихватках осуществляет сборщик в сварочной ка­бине на стенде 1. Здесь же, в приспособлении 2 он предварительно привари­вает втулки к боковинам швами, не доступными для горелки робота. Сварку и прихватку производят полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа, для чего кабина оборудована сварочным постом 3 и консолью для по­дающего механизма 4. Собранный каркас с помощью тельфера 5 складиру­ют в накопитель 6 или передают на позицию роботизированной сварки, где сборщик вместе с оператором устанавливает и фиксирует каркас на первом приспособлении позиционера 7, находящегося в положении загрузки. Затем после кантовки поворотной части на 180° они загружают второй каркас.

После этого оператор с пульта управления 8 включает автоматический цикл сварки и оба робота 9 одновременно производят сварку двух каркасов. Стойки 10 управления роботами и источники 11 сварочного тока встроены в кабины и лицевыми панелями обращены к оператору.

По завершении сварки позиционер переводит приспособления в гори­зонтальное положение. Оператор вместе со сборщиком снимает сваренный узел и устанавливает на его место новый собранный. Позиционер кантует раму с приспособлениями на 180°, и производится перезарядка второго при­способления. Цикл сварки повторяется.

Сваренные каркасы оператор с помощью тельфера подает в накопи­тель 12 или на место контроля 13. Здесь за время работы роботов оператор выполняет оставшиеся сварные швы, осматривает каркасы, исправляет брак после роботизированной сварки и контролирует шаблонами межцентровые расстояния на боковинах и радиус рабочей поверхности каркаса.

Готовые каркасы складируют в накопитель 14.

По завершении пусконаладочных работ оценивали качество изготов­ляемых узлов и стабильность их геометрии. С этой целью провели обследо­вание и контроль геометрии партии каркасов в количестве 38 штук, сварен­ных с погонной энергией q = 6800 Дж/см и усилием растяжения боковин Р - - 8,0 кН. Статистическая обработка результатов показала, что для межцен­трового расстояния выборочное среднее значение составило 910,053 мм, дисперсия — 0,333 мм2. Выход годных изделий с размерами, удовлетво­ряющими требованиям чертежа, составил 94,3 %.

На рис. 8.47 представлены кривые распределения плотности вероят­ности отклонений межцентрового расстояния от номинала для роботизиро­ванной (кривая 1) и полуавтоматической (кривая 2) сварки. Последняя по­строена по результатам обследования каркасов, приведенным выше. Кривые наглядно демонстрируют повышение точности и стабильности результатов, достигнутое при переходе на роботизированную сварку.

Общая картина распределения отклонений ребер планок от проектно­го значения радиуса рабочей поверхности R — 410 мм, полученная по ре­зультатам измерения на 38 каркасах, сваренных на РТК, представлена на рис. 8.48. Три графика характеризуют форму рабочей поверхности каркаса после сборки (I), после сборки и сварки (II) и отдельно — отклонения, вы­званные сварочными деформациями (III) (получены вычитанием I из И). График III наглядно показывает характер искажений рабочей поверхности, вызванных сваркой с растяжением, а графики I и II иллюстрируют возмож­ности корректировки этих искажений при сборке.

Для придания рабочим кромкам планок формы, обеспечивающей опти­мальные условия обмолота хлебной массы, после сварки каркаса предусмотре­на строжка боковых ребер планок, образующих рабочую поверхность.

По базовой технологии сварные каркасы подвергали правке на гид­равлическом прессе в целях восстановления размера (910 + 0,7) мм. При этом радиус R = 410 мм увеличивался, в связи с чем при сборке каркаса планки устанавливали на радиус R = 407 мм, что обеспечивало механиче­скую обработку планок по всей рабочей поверхности каркаса.

По разработанной технологии правка после сварки не требуется. Из­мерения формы рабочей поверхности каркаса показали, что в допуск на зна­чение радиуса R = (410 ± 0,5) мм укладываются 92 % измеренных его значе­ний. Это позволило уменьшить припуск на механическую обработку карка­са до 0,6 мм. Расчет показывает, что до внедрения РТК на каждом каркасе в стружку уходило 4,7 кг металла, после его внедрения — 0,86 кг. Соответст­венно трудоемкость этой операции, сопоставимая со временем сборки и сварки, сократилась в 4—5 раз.

Опыт, полученный при создании и эксплуатации РТК на Урю­пинском заводе «Сельхозмаш», позволяет заключить следующее.

1. Стабильность режимов и строгая последовательность выполнения швов, присущие роботизированной сварке, в сочетании со специальными приемами уменьшения сварочных деформаций обеспечивают возможность изготовления с заданной проектной точностью крупногабаритных, объем-

ных нежестких конструкций, имеющих большое количество коротких швов. При изготовлении каркаса подбарабанья использовали следующие приемы:

• при сборке каркаса каждой планке задавали смещение от номиналь­ного размера R = 410 мм, равное по величине и обратное по направлению смещению, происходящему при сварке;

• при сварке к боковинам каркаса прикладывали постоянные растяги­вающие силы, вызывающие в зонах швов деформации, обратные усадочным.

Это позволило исключить операцию правки сварных каркасов и уменьшить на 70 % объем механической обработки после сварки.

2. Конструктивно-технологическая компоновка РТК и использование приема смены баз, что практически исключило влияние как остаточных сва­рочных деформаций, так и временных перемещений на точность позицио­нирования конца проволоки относительно свариваемых стыков.

3. Трудоемкость изготовления каркаса подбарабанья на РТК состав­ляет 1,1 чел.-ч, что в 2,4 раза меньше, чем при его изготовлении с помощью полуавтоматической сварки в среде углекислого газа.

Снижение трудоемкости получено как результат:

• более быстрого перемещения горелки робота от шва к шву;

• оптимизации траектории перемещения горелки, выполненной с ис­пользованием системы РОБОМАКС фирмы «Буран»;

• стабилизации номинальных размеров сварных швов с отклонением в сторону нижнего предела поля допуска (5_о;5 мм), тогда как при полуавтома­тической сварке швы, как правило, выполняются с завышением номиналь­ного размера (5+1’° мм);

• уменьшения непроизводительных потерь времени.

4, Хронометраж работы РТК показал, что при такте выпуска изделий 33 мин элементы цикла изготовления каркаса в процентном отношении со­относятся следующим образом:

• установка и съем изделия — 6,3 %;

• кантовка изделия — 5,5 %;

• перемещения горелки к местам сварки и зачистка мундштука— 17,2 %;

• горение дуги — 71 %.

Время подналадки и обслуживания оборудования РТК составляет в среднем 15 %.

Достаточно высокая производительность РТК (14 каркасов в одну смену) достигнута в основном благодаря рациональному совмещению во времени основных и вспомогательных операций.