СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Сборочно-сварочные операции и проектирование приспособлений

Сборочная операция при изготовлении сварных конструкций имеет целью обеспечение правильного взаимного распо­ложения и закрепления деталей собираемого, изделия. Сборку можно производить на плите, стеллаже, стенде или в спе­циальном приспособлении. В условиях индивидуального производ­ства расположение деталей в узле нередко задается разметкой; для их фиксации используют струбцины, планки, скобы с клиньями и другие простейшие универсальные приспособления.

Использование специальных сборочных приспособлений позво­ляет повысить производительность труда и улучшить качество сборки. Основой сборочного приспособления является жесткий кар­кас с упорами, фиксаторами и прижимами (рис. 13.39). При сбор­ке детали заводят в приспособление, укладывают по упорам или фиксаторам и закрепляют прижимами. Винтовые, рычажные или эксцентриковые прижимы (рис. 13.40) просты, но они приводятся в действие вручную. Использование пневматических, гидравличе­ских, пневмогидравлических, магнитных или вакуумных (рис. 13.41) прижимов значительно сокращает вспомогательное время, особенно если требуется зажать изделие одновременно в не­скольких местах. Широкое применение получили пневматические прижимы, приводимые в действие сжатым воздухом малого давле­ния (в среднем 0,4 МПа). Однако при таком давлении размеры цилиндров, необходимые для обеспечения заданного усилия зажа­

тия, могут оказаться значительными. Поэтому часто прибегают к использованию дополнительной рычажной или клиновой системы прижатия. Иногда рациональным оказывается использование ги­дравлических или пневмогидравлических устройств.

Фиксация собранных деталей чаще всего осуществляется на прихватках. В таком виде собранный узел должен обладать такой жесткостью и прочностью, какая необходима при извлечении его ил сборочного приспособления и транспортировке к месту сварки, а также для уменьшения сварочных деформаций. При назначении размеров и расположения прихваток учитывают еще и необходи­мость предотвращения их вредного влияния на качество выпол­нения сварных соединений и работоспособность конструкции. По-

этому прихватки должны иметь небольшие размеры поперечного сечения и располагаться в местах, где они полностью будут пере­варены при укладке основных швов. Если же прихватки наклады­вают в местах, где швы проектом не предусмотрены, то после сварки такие прихватки следует удалить, а поверхности — тща­тельно зачистить. При использовании сборочно-сварочных приспособлений сварку выполняют после сборки, не вынимая из­делия из приспособления, поэтому в ряде случаев можно обходить­ся без прихваток.

Последовательность выполнения сборочных и сварочных опера­ций может быть различной: 1) сварку производят после полного завершения сборки; 2) сборку и сварку выполняют попеременно, например при изготовлении конструкции путем наращивания от­дельных элементов; 3) общей сборке и сварке конструкции пред­шествует сборка и сварка подузлов и узлов. Последовательность операций устанавливают в зависимости от характера производства, типа конструкции, ее габаритов и требуемой точности размеров и формы.

При выполнении тех или иных швов положение изделия в про­цессе сварки приходится изменять. Это осуществляется с помощью приспособлений: позиционеров, вращателей, кантователей, ролико­вых стендов, манипуляторов. Приспособления могут быть как установочные, переводящие изделие в положение, удобное для сварки, так и сварочные, обеспечивающие кроме установки изделия его перемещение со скоростью, равной скорости сварки, или включают элементы, направляющие движение сварочной го­ловки. Использование того или иного типа сборочно-сварочной оснастки определяется конструкцией изделия, принятой технологи­ей изготовления и программой выпуска.

Универсальные приспособления общего назначения ис­пользуются для сборки и сварки изделий широкой номенклатуры в условиях единичного и мелкосерийного производства. Такие приспособления изготовляются централизованно и могут быть при­обретены в готовом виде.

Для изготовления изделий при крупносерийном и массовом их производстве разрабатывают специальные приспособления, предназначенные для использования на отдельных операциях.

Помимо универсальных и специальных приспособлений в мелко­серийном и единичном производстве используют также универсаль­но-сборные приспособления (УСП). Оснастка такого типа пред­ставляет собой набор различных элементов: универсальных плит с продольными и поперечными пазами, типовых сменных упоров, фиксаторов, штырей, прихватов, планок, крепежных деталей и т. п. (рис. 13.42). Для каждой собираемой конструкции разрабатывает­ся своя схема настройки сборного приспособления. Сборщик от­бирает необходимые элементы оснастки и по схеме устанавливает и закрепляет их на плите. После окончания сборки требуемого числа изделий приспособление разбирают, а его элементы отправ­ляют на склад.

Перечень необходимых сборочно-сварочных приспособлений со­ставляется в процессе проектирования технологии изготовления сварной конструкции. При этом решается вопрос, какие из приспо­соблений могут использоваться в готовом виде, а какие необходи­мо дополнительно разработать и изготовить. Так как обычно при­менение приспособлений имеет целью не только улучшить качест­во выпускаемых изделий и повысить производительность труда, но 5—201 65 и снизить себестоимость продукции, то целесообразность проекти­рования и изготовления приспособления должна быть экономиче­ски обоснована.

Исходными данными для проектирования сборочно-сварочных приспособлений служат чертежи деталей и изделия в целом, тех­нические условия на изготовление и приемку изделия и программа намечаемого выпуска. На основе этих данных составляется зада­ние на проектирование, содержащее перечень основных принципи­альных положений, которым должно удовлетворять приспособле­ние: а) назначение приспособления т. е. должно ли оно быть сборочным, сварочным или сборочно-сварочным; б) тип приспособ­ления— универсальное, переналаживаемое или специальное; в) тре­бования к приспособлению с конструктивных и технологических позиций; г) требуемое повышение производительности труда и снижение себестоимости.

Наиболее заметно производительность труда повышается при применении специальных приспособлений. Однако необходимо со­относить экономию, получаемую от использования приспособления (с учетом программы выпуска), и стоимость проектирования и изготовления приспособлений. При этом использование универ­сальной оснастки может оказаться более эффективным, особенно при малых программах выпуска.

При выборе конструктивной схемы приспособления необходимо обеспечить возможность механизации транспортных операций, бы­строту и надежность базирования и закрепления деталей в при­способлении, удобство выполнения сборочных и сварочных опера­ций. В зависимости от назначения приспособления основные во­просы, требующие проработки на этом этапе проектирования, мо­гут несколько отличаться.

В сборочном приспособлении надо решить вопросы: а) по­дачи элементов в приспособление и придания им проектного по­ложения; б) расположения опорных баз и прижимов; в) обеспече­ния удобства постановки сборочных прихваток; г) освобождения от закрепления и съем узла.

Для сварочного приспособления основными задачами явля­ются: а) подача узла в приспособление; б) базирование узла в приспособлении и его закрепление; в) перемещение узла или сва­рочной головки в процессе сварки или при переходе от одного шв. з к другому; г) освобождение от закрепления и съем узла.

В случае проектирования сборочно-сварочного приспо­собления первые два пункта будут такими же, как для сборочно­го приспособления, а последние два — как для сварочного.

Конструктивная разработка приспособления включает необхо­димые расчеты на прочность и жесткость и завершается созданием рабочих чертежей. В расчетах на прочность и жесткость учитыва­ют следующие соображения.

1. Для сборочного приспособления необходимо учитывать вес приспособления и изделия, а также усилия прижимов. Должна быть обеспечена прочность конструкции приспособления, а иска­

жения базовых размеров ограничены в пределах заданных допус­ков. Если в процессе сборки изделие подвергается кантовке, то расчет следует производить для наиболее неблагоприятного поло­жения с учетом усилий от механизма вращения. В сборочном при­способлении усадочные силы от прихваток малы и в расчетах на прочность ими можно пренебречь. Перемещения от прихваток так­же невелики, но они могут вызвать заклинивание собранного узла в приспособлении. Поэтому следует исключить возможность закли­нивания.

2. Многие сборочно-сварочные или сварочные приспособления не предназначены для уменьшения деформаций от сварки и не испытывают каких-либо сущест­венных воздействий со стороны деталей в процессе и после свар­ки. Для них необходимо лишь предусмотреть возможность вы­нуть изделие из приспособления, если после сварки деталь утра­тила первоначальную форму.

3. Часть приспособлений не предназначена для борьбы с де­формациями, но в силу своих конструктивных особенностей испытывает силовые воздействия со стороны свариваемого изде­лия. В этом случае необходимо, чтобы совместная деформация изделия с приспособлением не вызывала в последнем пласти­ческих деформаций. Такая си­туация возникает редко и рас­чет в таком случае выполняется следующим образом. Вначале определяют перемещения (вре­менные или остаточные) изделия от сварки в предположении его

свободного деформирования. Затем в местах тех контактов изде­лия с приспособлением, которые препятствуют перемещениям, не­обходимо приложить к изделию и к приспособлению равные по значению и противоположно направленные силы и (или) момен­ты. Найти силы и моменты в местах контактов из условия, что сумма абсолютных величин перемещений приспособления и изде­лия от этих сил и моментов равна перемещениям изделия от свар­ки в свободном состоянии. Найденные силы и моменты являются расчетными для приспособления. На рис. 13.43,а для примера по­казана алюминиевая полоса 1 (балка), на верхней кромке которой уложен шов, вызывающий усадочную силу Рус и прогиб балки в свободном состоянии f на длине /. Если балка 1 закреплена в стальном приспособлении 2 (рис. 13.43,6), в средней части воз - 5* 67
никнет сила Р, а по концам — Р/2 (рис. 13.43,в). Перемещение средней точки приспособления составит /Пр=Р/3/(£ст/пр), а в балке — fe=Pl3l (Е

ал^б)- Из УСЛОВИЯ / ==/пр —|—/б МОЖНО ОПрЄДЄЛИТЬ

Р, если известны модули упругости стали Ест и алюминия Еал, а также моменты инерции поперечных сечений приспособления /пр и балки /б.

4. Некоторые приспособления предназначены для уменьшения сварочных деформаций изделия. Следует, однако, иметь в виду, что предотвратить продольное или поперечное сокращение зоны сварного соединения обычно не удается из-за огромных сил, возни­кающих в приспособлении в этом случае. Соответственно расчет­ная масса приспособления оказывается неразумно большой. Мож­но предотвратить изгиб, выход из плоскости. Здесь могут быть следующие расчетные варианты:

а) приспособление предназначено для жесткой фиксации дета­лей при сварке; предварительная деформация изделия перед свар­кой не предусматривается. Если приспособление предназначено для уменьшения временных перемещений,. но не исключена воз­можность остывания изделия в приспособлении, то его следует рассчитывать как рассмотрено выше;

б) приспособление предназначено для предварительного упру­гого изгиба изделия с целью некоторой или полной компенсации последующих сварочных деформаций. Возникающие в приспособ­лении силы и моменты складываются из:

— силовых воздействий на изделие при его предварительном деформировании; они определяются обычным путем по значению предварительного изгиба изделия и его жесткости;

— силовых факторов, которые появляются дополнительно вследствие усадки; так как точное определение их крайне сложно, то, с некоторым запасом их можно находить по описанной в п. 3 методике, исходя из значений перемещений изделия от сварки;

в) приспособление предназначено для предварительного плас­тического изгиба изделия с целью компенсации последующих сва­рочных деформаций. Расчетными для приспособления являются силы и моменты, за счет которых достигается пластический изгиб изделия. Если пластически деформируются отдельные маложест­кие части изделия и силы, необходимые для пластической дефор­мации этих деталей, сравнительно невелики, то ими можно прене­бречь и в качестве расчетных принимать силы и моменты, вызы­ваемые перемещениями изделия при сварке, как рассмотрено в п.3.

5. Если изделие, закрепленное в жестком приспособлении, под­вергается вместе с приспособлением последующей термической обработке для снятия остаточных напряжений и устранения сва­рочных деформаций, то расчетными силами для приспособления являются те, которые необходимо приложить к невыправленному изделию, чтобы придать ему нужную форму. Их находят обычным путем по значению изгиба изделия при закреплении и его жестко­сти. Последующий нагрев и пребывание в печи не вызовут значи­тельных изменений формы и размеров, которые были у изделия.

Промышленным роботом называют автоматический манипуля­тор с программным управлением.

Несмотря на сложное устройство, робот достаточно прост в управлении. Дело в том, что программирование робота осуще­ствляют «обучением» на основе приемов ручного труда.

Благодаря универсальности и высокой производительности про­мышленные роботы по эффективности нередко не уступают специа­лизированным автоматам, но в отличие от них могут переходить от одной работы к другой простой сменой программ. Применение роботов может быть выгодно и в крупносерийном производстве и в условиях частой смены вида выпускаемой продукции, т. е. в се­рийном и мелкосерийном производстве. Робот может заменить рабочего, особенно на однообразных операциях. В отличие от че­ловека он не утомляется, не совершает субъективных ошибок и способен развивать большие усилия. В итоге повышается однород­ность качества изделий, возможно ускорение про­цесса производства пере­ходом на непрерывную круглосуточную работу.

В сварочном произ­водстве за рубежом наи­большее применение по­лучили роботы, переме­щающие клещи контакт­ной сварки. Для выпол­нения таких операций ис­пользуют механизмы с

пятью (и более) степенями подвижности и относительно простую по­зиционную систему управления, задающую только координаты то­чек, где требуется осуществить сварку. Характерным примером оборудования такого назначения является робот типа «Unimate», выпускаемый в США и в других странах. Внешний вид робота с таблицей степеней подвижности, направлений отдельных переме­щений и скоростей движения показан на рис. 13.44, а схема основ­ных исполнительных механизмов — на рис. 13.45. Вал 3 вращает поперечину 1 вокруг вертикальной оси с помощью гидроцилинд­ров 6 и пары рейка — шестерня 2, 4. Поворот поперечины вокруг горизонтальной оси задается гидроцилиндром 5, закрепленным на валу 3. Поступательное перемещение «руки» осуществляет гидро­цилиндр 8. Наклон «кисти» 7 относительно оси 10 и вращение площадки 11 для крепления инструмента вокруг оси 12 обеспечи­ваются системой гидроцилиндров и зубчатых колес, расположен­ных в «кисти» и в цилиндрических штоках 9.

Работе предшествует «обучение» робота. Для этого опытный

рабочий на первом узле последовательно перемещает инструмент от одного рабочего положения к другому, вводя координаты каж­дой из этих точек в запоминающее устройство нажатием кнопки «Память». Если на пути между соседними свариваемыми точками оказывается препятствие, например элементы зажимного приспо-

собления, то в память робота вводят кородинаты дополнительных точек, определяющих траекторию движения инструмента в обход препятствия. Выполнение программы начинается после того, как собираемый или свариваемый узел займет требуемое исходное положение и сигнал об этом поступит в запоминающее устройство. По каждой степени подвижности перемещение задается гидроци­линдром с управляющим сервоклапаном. Каждый гидроцилиндр имеет детектор положения, связанный с запоминающим устройст­вом. Орган сравнения, в который поступают сигналы команд и сигналы детекторов положения, по значению их разности управля­ет перемещением штоков гидроцилиндров, пока рабочий орган не займет положения, заданного программой. Затем дается сигнал на 70

включение инструмента. Окончание сварочной операции служит, р свою очередь, сигналом для дальнейшего движения инструмента к месгу выполнения следующей операции. Существенным достоин­ством робота является возможность быстрой смены программ, хра­нящихся в памяти машины. В зависимости от характера выполняе­мой операции на руке робота могут быть закреплены клещи для контактной сварки, сварочная головка для дуговой сварки, захват­ное устройство. При контактной точечной сварке робот быстро перемещает значительную массу сварочных клещей от одной точки к другой; при этом возникают большие инерционные нагрузки. На­против, условия работы промышленного робота при дуговой свар-

ке облегчаются сравнительно малой массой сварочной головки (3—5 кг) и плавным режимом движения со скоростью 3—50 мм/с. С другой стороны, используемая при контактной сварке относи­тельно простая позиционная система управления не может обес­печить перемещение инструмента по непрерывной траектории с за­данной скоростью движения, т. е. оказывается непригодной для выполнения таких технологических операций, как тепловая резка, дуговая сварка и т. д. Несмотря на кажущуюся простоту, движе­ния сварщика представляют собой сложный комплекс пространст­венных перемещений, зависящих как от конфигурации сваривае­мых деталей, так и от технологических особенностей процесса сварки. Операции такого рода требуют использования более слож­ной многопозиционной или контурной системы управления, позво­ляющей непрерывно управлять как перемещением, так и его про­изводными по времени.

Примером робота такого типа может служить робот ASEA (рис. 13.46). Использование электропривода в сочетании с жесткой

механической конструкцией обеспечивает малую погрешность по­зиционирования (±0,2 мм). Система управления позволяет про­граммировать кривые траектории движения при различных скоро­стях. При этом кривая разбивается на ряд прямолинейных участ­ков, число которых выбирают, исходя из требуемой точности. В процессе программирования исполнительный орган вручную по­следовательно устанавливают в требуемые положения и нажатием кнопки на панели управления координаты фиксируются в памяти машины. Затем в промежутках между зарегистрированными по­зициями вводят такие параметры, как скорость движения, уско­рение, продолжительность остановки, а также параметры свароч­ного процесса. При использовании таких роботов в серийном и мелкосерийном производстве для позиционирования деталей целе­сообразно использовать два манипулятора или поворотный стол 2 с двумя приспособлениями для сборки. В то время как робот 1 занят сваркой изделия на одной позиции, оператор имеет возмож­ность подготовить к сварке узел на другой позиции.

При дуговой сварке в ряде случаев целесообразно разделять функции между механизмами перемещения сварочной головки и манипулятором, служащим для перемещения свариваемого изде­лия, При этом оба устройства работают совместно по единой про­грамме. Такой прием позволяет не только упростить кинематику и уменьшить число степеней подвижности самого робота, но и сни­зить требования к системе управления. Схема подобного устройст­ва показана на рис. 13.47. Простая схема робота портального типа обеспечивает программируемое перемещение сварочной головки 1 по трем взаимно перпендикулярным направлениям х—х, у—у, z—z и установочное вращение и наклон ее относительно верти­кальной оси. Манипулятор 2, на столике которого закрепляется деталь, позволяет устанавливать ее или вращать по программе относительно осей а—а и b—Ь.

Надо иметь в виду, что робот может обеспечить стабильно вы­сокое качество выполнения соединений только при отсутствии существенных отклонений размеров и формы свариваемых эле­ментов. Поскольку такие отклонения все же неизбежны, то нали­чие жесткой программы является существенным недостатком ро­ботов первого поколения. Предполагается, что роботы второго по­коления будут оборудованы системами обратной связи, с помощью которых рабочая программа будет автоматически корректировать­ся при изменении положения изделия или его отдельных элемен­тов. Кроме того, широкому внедрению роботов в сварочное произ­водство будет способствовать решение ряда специфических сва­рочных задач. Однако создание роботов второго поколения вряд ли вытеснит роботов первого поколения, более дешевых и простых.

Возможности использования промышленных роботов в свароч­ном производстве не исчерпываются операциями контактной и ду­говой сварки. Не менее важно использовать их для загрузки и разгрузки автоматически действующих установок, а также при сборке. В этом случае на «руке» робота устанавливают захватное

устройство. С помощью этого устройства робот захватывает детали из положения, заданного при базировании, исключая смещение их в процессе транспортирования, ориентирует и подает детали на сборку, освобождая их после установки в требуемое положение.