SKS ívhegesztő berendezések ipari robotokhoz

Az SKS Welding Systems GmbH tudomásunk szerint az egyetlen olyan cég, mely kizárólag és kifejezetten robot-, illetve automata hegesztési célra fejleszt és gyárt ívhegesztő berendezéseket. Magyarországi képviseleteként 2004 óta működünk együtt, és a berendezések magas műszaki színvonaláról, megbízhatóságáról számos hazai referenciával tudunk számot adni. A következőkben szeretnénk azokat a szakmai újdonságokat áttekinteni, melyek kifejezetten az SKS fejlesztéseinek köszönhetően vitték előre a robotos ívhegesztés fejlődését világszerte.

MIG/MAG hegesztés

Az ívhegesztő eljárások közül mind a mai napig a fogyóelektródás védőgázas ívhegesztés (MIG/MAG) az, melynek robotosításával a leginkább találkozhatunk az ipari gyakorlatban. Ennek alapvető oka az eljárás jó gépesíthetősége és viszonylagos jó termelékenysége. Összeállításunk első részében ennek az eljárásnak megfelelő robothegesztő-berendezés főbb komponenseit mutatjuk be.

A hegesztő-áramforrás

Az SKS által alkalmazott DCT (Direct Control Technology - közvetlen szabályozású technológia) hegesztő-áramforrás működési elve eltér a hagyományos inverterekétől, melyek állandó működési frekvencián dolgoznak. A hegesztési folyamatba való beavatkozást az inverter működési frekvenciája határozza meg. Értelemszerűen, minél nagyobb a működési frekvencia, a beavatkozás sebessége annál nagyobb lehet. Ezért törekszenek a gyártók minél nagyobb inverter frekvenciára (bár bizonyos esetekben a folyamatirányítás alacsony frekvenciát igényelne). A DCT esetén a működést irányító processzor egyidejűleg elemzi a hegesztési folyamatot és a hálózati feszültséget, a kapcsoló üzemű tranzisztorokat pedig úgy működteti, hogy a hegesztési folyamatba bevitt energia folyamatosan megfeleljen a hegesztési folyamat pillanatnyi energiaszükségletének. Ennek eredménye a nagyon gyorsan és precízen szabályozott hegesztési folyamat, és a jó hatásfok.

A hegesztő-áramforrás kialakításában is jól szolgálja a robothegesztés által támasztott magas szintű követelményeket: Az áramforrás külső hűtéssel rendelkezik: a kívülre helyezett hűtőbordákat ventilátor sor hűti, mely szükség szerint kapcsol be. Ezzel a megoldással szükségtelenné vált külön szűrő beépítése az elektronika pedig ennek megfelelően teljesen pormentes, zárt térben működik, ami az üzemeltetés biztonságát javítja, költségét pedig csökkenti (1. ábra).

A kis tömeg (49 kg), a busz rendszerű csatlakozók és az áttekinthető diagnosztikai felület lehetővé teszi az esetleges meghibásodás esetén a lehető legegyszerűbb és leggyorsabb beavatkozást, minimalizálva ezzel a robot állásidejét.

Kapcsolat a robotvezérléssel, folyamatvezérlési módok

A hegesztőrobot vezérlése és a hegesztő-berendezés közötti kapcsolat szempontjából a hegesztő-berendezés lehet analóg vagy digitális vezérlésű. Az ívhegesztő robotok a kezdeti időkben kizárólag analóg vezérlésűek voltak, később a programtárolós digitális vezérlésű hegesztő-berendezések megjelenésével jelent meg az ehhez jobban illeszkedő digitális vezérlési mód. Napjaink gyakorlatában mindkét módszerrel találkozhatunk.
Az SKS a rugalmas összeépíthetőség céljából rendelkezik programozható interfésszel, mely képes mind analóg, mind digitális vezérlésekkel együttműködni.

Az analóg vezérlésű ívhegesztő berendezések robotvezérlésének működési elvét szemlélteti a 2. ábra.

A MIG/MAG hegesztésnél a hegesztő-berendezések beállítható fő hegesztési paraméterei (melyet az egyébként kézi működtetésű berendezéseken különböző kezelő szervekkel hegesztés előtt a hegesztő állít be) a huzalelőtolási sebesség és a hegesztési feszültség. Az analóg típusú robotvezérlésénél ezt a két hegesztési paramétert a robot egy-egy (analóg) vezérlő feszültséggel állítja be. Az interfész feladata, hogy a robot által küldött vezérlő feszültségekből beállítsa a konkrét huzalelőtolási sebességet és hegesztési feszültséget. A hegesztési paraméterek roboton történő beállítása szempontjából kedvező, ha a robot vezérlőfeszültségei össze vannak kalibrálva a vezérelt hegesztési paraméter értékeivel. Ebben az esetben ugyanis közvetlenül számszerűen programozhatók a robot programban a hegesztési paraméterek. Egyébként azok a programban csak kódokkal, illetve százalékos értékekkel állíthatók be. Ez utóbbi megoldással főleg a régebbi gyártmányú berendezések esetén találkozhatunk.
A hegesztési paraméterek analóg vezérlése esetén a paraméterek konkrét beállítása attól is függ, hogy a vezérelt hegesztő-berendezés szinergikus működésű-e. Az előző bekezdésben leírtak nem szinergikus működésű hegesztő-berendezésre vonatkoznak. Csak ebben az esetben állíthatjuk be ugyanis közvetlenül és egymástól függetlenül a huzalelőtolási sebességet és a hegesztési feszültséget az analóg vezérlőfeszültségek segítségével. Szinergikus vezérlésű hegesztő-berendezések esetén többnyire a huzalelőtolási sebességet elegendő beállítanunk, a berendezés a hegesztőanyag, huzalátmérő, védőgáz figyelembe vételével automatikusan hozzárendeli ehhez a gyárilag optimalizált hegesztési feszültséget. Ebben az esetben a robot által programozott egyik analóg vezérlő feszültség a huzalelőtolási sebességet állítja be, a másik a gyárilag hozzárendelt hegesztési feszültség korrekciójára szolgál.
Az interfész ezen kívül továbbítja azokat a kapcsolási parancsokat melyek a hegesztő-berendezés be- és kikapcsolására, üzemmód váltásra (pl. impulzus be- és kikapcsolás) szolgának, valamint visszajelzést szolgáltat a hegesztőív meglétéről.
Az interfész feladata továbbá a robot és a hegesztő-berendezés galvanikus elválasztása is.

A digitális vezérlésű ívhegesztő berendezések robotvezérlésének működési elvét a 3. ábrán szemléltetve foglaljuk össze.

MIG/MAG hegesztő-berendezések robotvezérlésére digitális vezérlést olyan esetekben alkalmazunk, amikor a hegesztő-berendezés vezérlése maga is rendszerint digitális, a hegesztési paramétereket a hegesztő-berendezés paraméter fájlokban tárolja. Ilyenkor a hegesztési paramétereket nem a robot programjában tároljuk, hanem a hegesztő-berendezésben. A robot a hegesztő-berendezésben tárolt paraméter adatfájlok közül digitális kimeneteinek segítségével aktiválja az adott varrat hegesztéséhez beállított paraméter fájlt. Az egyéb kapcsolási és érzékelési funkciók működése megegyezik az analóg vezérlésével.



Az SKS digitális vezérlésének különlegességei:

• Alapkivitelben rendelkezik PC-s kezelőfelülettel is (lásd 4. ábra), mely helyi hálózatból képes több hegesztő munkahely folyamatos kezelésére
• Alapkivitelben tartalmaz egy fejlett mérési adatfeldolgozó rendszert, mely képes a főbb villamos hegesztési paraméterek (hegesztő áramerősség, hegesztő feszültség, huzalelőtolási sebesség, huzalelőtoló-motoráram) akár folyamatos regisztrálására. A mérési adatok munkadarabhoz kötve is tárolhatók, archiválhatók, többféle táblázatos és grafikus formában is megjeleníthetők (lásd 5. ábra)
• Több eljárás, illetve eljárás változat kezelésére képes (későbbi pontokban részletesebben ismertetjük ezeket)

Annak ellenére, hogy a digitális vezérlés jelent meg később az ipari gyakorlatban, nem állíthatjuk, hogy ez a vezérlési mód egyértelműen felváltotta az analóg rendszerűt. A tapasztalatok szerint a két vezérlési mód napjainkban kiválóan "megél" egymás mellett. Ennek egyik oka az analóg rendszer kedvezőbb ára, a másik pedig az, hogy az analóg rendszer működéséből fakadóan alapjaiban rendelkezik olyan műszaki lehetőséggel is, melyet jelenleg digitális vezérléssel nem tudunk megoldani: egy varratszakaszon belül (két programozott pont között) folyamatosan lehetséges a hegesztési teljesítményt változtatni (megfelelő robotvezérlés esetén).


Az SKS rendelkezik egy sajátos analóg/digitális vezérlési móddal is, mely a robotvezérlés analóg kártyáját használja fel a digitális vezérlés működtetéséhez. Ebben az esetben a roboton programozott analóg csatornák vezérlőfeszültségeinek nagyságával tudjuk kiválasztani a hegesztő-berendezés digitális vezérlőjében eltárolt hegesztési programcsomagokat (lásd 6. ábra). Ennek a rendszernek az előnye az analóg és digitális rendszerek közötti egyszerű váltás.

A robothegesztő felszerelés

A robothegesztő felszerelés alatt értjük a huzalelőtoló-berendezést, a hegesztő kábelköteget, a hegesztő fejet, és a testkábelt. Bár az SKS rendelkezik általános robotkarokhoz való hegesztő felszereléssel is, amit kiemelnénk az az, hogy elsők között fejlesztett ki olyan különleges hegesztő felszerelést, mely a Motoman speciálisan ívhegesztési célra tervezett robotjához készült (7. ábra). Az így felszerelt ívhegesztő robot a következő előnyöket biztosítja:

A robotkarba integrált hegesztő kábelköteg és a központi hegesztőfej beépítés

• lényegesen javítja a robot hozzáférési tulajdonságait
• jelentősen növeli a hegesztő kábelköteg élettartamát (2 év garancia!!)
• kedvezőtlen robotkar helyzetekben is jó huzalelőtolási tulajdonságokat tesz lehetővé (nem törik meg a kábel, nagyobb sugárban hajlik, mint a hagyományos esetben), egyenletes huzalelőtolást biztosít.

A végtelen körülfordulást biztosító hegesztőfej csökkenti a mellékidőket, és az előző pontokban írt megoldással együtt hosszabb varratok hegesztését teszi lehetővé az ív megszakítása nélkül. Ennek köszönhetően ez az ívhegesztő robot konfiguráció nem csak kisebb méretű és tagolt kialakítású, hanem nagyméretű, hosszabb varratokat tartalmazó szerkezetek hegesztéséhez is kedvezően alkalmazható.
Ez az újszerű robotkonfiguráció ezeken túlmenően javítja az off-line programozhatóság hatékonyságát, mert a beintegrált kábelköteg miatt itt nem lesz szükség a kábel jelenléte miatti, helyenként jelentős kézi programkorrekcióra. Az off-line programozás modelljeinél ugyanis általában nem veszik figyelembe a hegesztő kábelköteget. Annak jelenlétét és a hozzáférést rontó hatását a programban a helyi korrekciók elvégzésével kell elvégezni, ami esetenként rendkívül időigényes feladat is lehet.

Az SKS ezen túlmenően általános robotkarokhoz is fejlesztett speciális megoldásokat az elmúlt években. Ezek közül a következőket emeljük ki:

SKS Frontpull rendszer

Ez esetben a hagyományos huzalelőtoló-berendezés helyett (mely leggyakrabban a harmadik robotkarra kerül felszerelésre) egy kompakt, kisméretű, ugyanakkor robusztus, kétpár-görgős előtolót építettek egybe a hegesztőfejjel (8. ábra). Alkalmazási területe megegyezik a hegesztési gyakorlatban jól ismert "push-pull" rendszerekkel (elsősorban lágy huzalok megbízható előtolására), ugyanakkor egyszerűbb felépítésének köszönhetően azoknál kedvezőbb az ára, és a megbízhatóbb a működése (nem kell két huzalelőtoló-berendezést szinkronizálni).

SKS "Dual huzalváltó" rendszer

Ez egy "Y" kialakítású hegesztőfejből (9. ábra), és két külön vezérelt huzalelőtoló-berendezésből áll, melyeket felváltva működtethetünk egy közös hegesztő-áramforrásra kapcsolt SKS digitális vezérléséről. Előnyeit nagyon jól ki lehet használni minden olyan esetben, amikor azonos átmérőjű, de két különböző minőségű hegesztő huzallal kell felváltva hegesztenünk (ez lehet egy gyártmányon belül, de lehetnek különböző munkadarabok is, melyeket közösen helyezünk el a robot munkaterében). Ez a hegesztőfej kialakítás az átállásokból adódó mellékidőket csökkenti nagyon jelentősen. Ezt hazai tapasztalatok is bizonyítják.

SKS Ikerhuzalos hegesztő felszerelés

Az SKS hegesztő-berendezés moduláris felépítésének, és a Q8 digitális folyamatvezérlő berendezés rugalmasságának köszönhetően az ikerhuzalos technikához a speciális hegesztőfej és a hozzá tartozó kábel kivételével ugyanazokat az elemeit használhatjuk a berendezésnek, amit a hagyományos MIG/MAG hegesztéshez.
Az eljárás változat nem a nagykeresztmetszetű varratok egy rétegben történő hegesztését célozza meg, hanem, kisebb varratméretek, de 2 mm-nél nagyobb lemezvastagság esetén lehet vele a hegesztés sebességét közel a kétszeresére növelni a hagyományos egyhuzalos technikához képest. Az eljárás különlegessége a két külön vezérelhető huzalelőtoló-berendezés, és a karcsú hegesztőfej kialakítás (10. ábra), mellyel lényegében alig romlanak a hozzáférési tulajdonságok az egyhuzalos technikához képest. Ez jelentős rugalmasságot biztosít az eljárásnak a robotos alkalmazáshoz.

Hegesztési teljesítmény többszörözésének rugalmas lehetősége

Abban az esetben, ha a hegesztő-áramforrás által biztosított maximális hegesztő áramerősségnél (420 A 60% Bi esetén) is nagyobbra van igényünk egy hegesztési feladathoz, a hegesztő-berendezés moduláris felépítésének köszönhetően lehetséges a hegesztő-áramforrások párhuzamos kapcsolása (11. ábra). Ezt nem csak az ikerhuzalos eljárásnál lehet kihasználni, hanem nagyobb hegesztési teljesítményt igénylő egyhuzalos esetekben is, pl. 1,6 mm átmérőjű porbeles huzalokkal történő hegesztés esetén. Ilyen módon legfeljebb három hegesztő-áramforrást lehetséges párhuzamosan kapcsolni, ami bőséges energiatartalékot biztosít még extrém alkalmazásokhoz is.
Ennek a moduláris felépítésnek előnye az is, ha a robotalkalmazás során később merül fel, hogy nagyobb hegesztési teljesítményre van szükség, a további áramforrásokat nagyon egyszerűen beköthetjük a rendszerbe, a meglévő berendezéssel párhuzamosan kapcsolva. Ennek egyetlen feltétele van csak, hogy digitális vezérlést alkalmazzunk hegesztési folyamatvezérlőként.

A MIG/MAG hegesztés robotosításában mérföldkőnek tekinthető az az innovatív megoldás, amit az SKS Welding Systems és a MOTOMAN Robotec közös fejlesztésének eredményeként sikerült a közelmúltban létrehozni. Ennek a funkciónak a lényege a hegesztő-berendezés és a robotkar szinkronizált működése végig a hegesztés teljes folyamata alatt (nem csak a hegesztés be és kikapcsolásakor). Ezt az együttműködést fejezi ki a funkció neve is, a "Synchroweld" szó, mely a hegesztéssel együtt, összhangban történő működést jelenti.

SKS Synchroweld funkció

A Synchroweld funkció legfőbb előnye, hogy használatával a hegesztési fajlagos hőbevitel folyamatosan állandó értéken tartható, még hirtelen, és nem szándékolt módon bekövetkező hegesztési sebesség változás esetén is.

Robotos hegesztés során a hegesztési sebességet a robot haladási sebességének a megadásával definiáljuk, amit a robot vezérlése igyekszik állandó értéken tartani. A robot szerszámközéppontjának sebessége azonban lecsökken, ha hirtelen irányváltáskor vagy szűk kanyaroknál a pisztoly iránya megváltozik. Ezeken a helyeken - hacsak külön nem gondoskodunk a hegesztési paraméterek csökkentéséről - túl sok energia jut a munkadarabba, amely egyenetlen varratképet, sőt átolvadást okoz. Korábban ezeken a problémás helyeken a hegesztési paramétereket és a hozzájuk tartozó hegesztési sebességeket nehéz volt beállítani, s csak a programozó gyakorlottságán múlott, hogy mindez mennyi időt vett igénybe.

A Synchroweld funkció azonban folyamattechnikai egységgé köti össze a hegesztőgépet és a robotot azáltal, hogy a hegesztőgép számára ismertté válik a robot szerszámközéppontjának és külső tengelyeinek valós sebessége.

A hegesztési paraméterek a robot tényleges szerszámközéppont-sebességéhez, ill. a teljes rendszer (robot és külső tengelyek) sebességéhez automatikusan hozzáigazodnak. Ha a robot sebessége irányváltáskor vagy szűk kanyarokban lecsökken, a hegesztési paraméterek egyidejűleg szinkronizálásra kerülnek, s ennek következtében a fajlagos hőbevitel mindig ugyanannyi marad. Az eredmény homogén, egyenletes beolvadás és varratkülalak a hegesztési varrat teljes hossza mentén.

A 12. ábrán látható a Synchroweld funkció hatása a beolvadásra. Az 1, 2, 4 és 5 számú csiszolatok a varrat azon pontjairól származnak, ahol a robot irányt váltott. Ezekben a pontokban a robot sebessége lecsökken, túl sok energia jut a munkadarabba, s ez egyenetlen varratképet, sőt átolvadást okoz.
A Synchroweld funkció használatakor a hegesztési paraméterek a robot tényleges szerszámközéppont-sebességéhez automatikusan hozzáigazodnak, a hegesztőgép lecsökkenti a paramétereket, s a fajlagos hőbevitelt állandó értéken tartja.

További előnye a Synchroweld funkciónak, hogy lehetővé teszi a folyamat optimalizálását azáltal, hogy a felhasználó látja, a varrat mely részén történt sebességcsökkenés. Ezeket a pontokat módosítva (megnövelve a robot haladási sebességét) lehetővé válik a ciklusidő csökkentése is.

PlasmaTIG hegesztés

Az SKS Q8 digitális folyamatvezérlője alkalmassá teszi a hegesztő-berendezést nem csak MIG/MAG, hanem AWI és plazmaívhegesztés megvalósítására is. Az SKS PlasmaTIG koncepció lényege egy olyan speciális hegesztőfej kialakítás (13. ábra), mely néhány alkatrész cseréjével mindkét eljárást képes kiszolgálni.