Ρομπότ συγκόλλησης με εφαρμογή στην αυτοκινητοβιομηχανία


Τεχνικό άρθρο του κ. Γεωργίου Ιωσήφ Μπαρσούμ*

Ιδιαίτερα απαιτητικές και σύνθετες εργασίες έχουν αναλάβει τα ρομποτικά συστήματα στη σύγχρονη βιομηχανία, δεδομένων και των αυξημένων τεχνολογικών απαιτήσεων της εποχής. Επιτομή του αυτοματισμού στη βιομηχανία αποτελούν τα ρομπότ συγκόλλησης στην κορυφαία γερμανική αυτοκινητοβιομηχανία BMW.

Σε κάθε παραγωγική διαδικασία αυτό που έχει μεγάλη σημασία είναι η ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων· πολύ περισσότερο όταν σε αυτή τη διαδικασία παρεισφρέουν ρομποτικά συστήματα. Η εξασφάλιση αυτής της ποιότητας επιτυγχάνεται μέσα από μια μοναδική στρατηγική διαχείρισης όλων των κατασκευαστικών σταδίων, συμπεριλαμβανομένης της επιλογής των υλικών και των μηχανημάτων.

Το παράδειγμα της BMW

Για να εξυπηρετηθούν επαρκώς οι κατασκευαστικοί στόχοι, η γερμανική αυτοκινητοβιομηχανία BMW έχει προσθέσει μια σύγχρονη μονάδα ρομποτικής συγκόλλησης στο εργοστάσιο παραγωγής αλουμινίου, μονάδα την οποία εγκατέστησε η εταιρεία Cloos που ειδικεύεται στις συγκολλήσεις. Η εκπληκτική ταχύτητα της μονάδας συγκόλλησης οδηγεί στην παραγωγή ελαφρού (περίπου 12 κιλά) και πολύ ανθεκτικού βασικού πλαισίου για τη σπορ μοτοσικλέτα της BMW.

Το συγκεκριμένο πλαίσιο, παρόλο που αποτελείται από μια μεγάλη ποικιλία μεμονωμένων εξαρτημάτων, κατασκευάζεται μέσα σε μόνο δώδεκα λεπτά από συμπαγές κέλυφος με μήκος οκτώ μέτρα και πλάτος έξι μέτρα. Η Cloos εγκατέστησε συνολικά δύο ρομποτικά συστήματα, δύο μηχανές συγκόλλησης Quinto SD, καθώς και δύο ερμάρια με τον εξοπλισμό ελέγχου ROTROL II στο πίσω τμήμα της μονάδας.

Στο εμπρόσθιο τμήμα της κυψέλης (Robot welding cell), ο χειριστής έχει αρκετό χώρο για να κάνει προπαρασκευαστικές εργασίες και να εισαγάγει απρόσκοπτα τα συστατικά του πλαισίου. Το μόνο που πρέπει να ελέγχει είναι οι δύο χειροκίνητες συσκευές προγραμματισμού, καθώς και τα χειριστήρια για τις διαδικασίες συγκράτησης των υλικών της κατασκευής στην καλίμπρα συγκράτησης ( Welding fixture).

Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η συγχώνευση δύο κατασκευαστικών σταδίων σε ένα τμήμα, όπου εισάγονται τα εξαρτήματα για το εμπρόσθιο και οπίσθιο τμήμα του πλαισίου στον ελεύθερα προγραμματιζόμενο ρυθμιστή και συγκολλούνται από τα αντίστοιχα ρομπότ συγκόλλησης, για να συνενωθούν κατόπιν και να σχηματίσουν το πλήρες πλαίσιο.

Τα εργαλεία και ο εξοπλισμός είναι σχεδιασμένα κατά τέτοιο τρόπο, ώστε τα εξαρτήματα αλουμινίου να μπορούν να τοποθετούνται και να εγκαθίστανται χωρίς να κολλάνε. Τα εξαρτήματα σύσφιγξης μπορούν να ρυθμιστούν λεπτομερώς, ώστε να είναι σε θέση να συγκρατούν τα εξαρτήματα σταθερά στη θέση τους και να ελέγχουν την παραμόρφωση από τη συγκόλληση που προκύπτει σε οποιαδήποτε κατεύθυνση.

Τα σημεία μέτρησης που υπάρχουν σε κρίσιμες θέσεις βοηθούν το χειριστή να εισάγει τα εξαρτήματα με μεγάλη ακρίβεια. Αυτές οι ελεγχόμενες θέσεις εισαγωγής αποτελούν προϋπόθεση για τη βέλτιστη γεωμετρία, τις άριστες ενώσεις και τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα της συγκόλλησης.

Έτσι επιτυγχάνονται ενώσεις κορυφαίας ποιότητας, ειδικά στην περίπτωση των ορατών συγκολλημένων ραφών κάτω από το ρεζερβουάρ και στην περιοχή της σέλας της μοτοσικλέτας.

Η διευκόλυνση του χειριστή του ρομπότ συγκόλλησης –όσον αφορά την εισαγωγή των εξαρτημάτων του πλαισίου και τη βέλτιστη τοποθέτηση των τεμαχίων στην περιοχή της συγκόλλησης– καθίσταται εφικτή χάρη στο σύστημα τοποθέτησης διπλής θέσης, το οποίο αποτελείται από έναν πίνακα ευρετηρίου και δύο περιστρεφόμενες / κεκλιμένες διατάξεις στήριξης, ενώ έχει κλίση 10 μοίρες προς τα εμπρός.

Ως αποτέλεσμα, οι περισσότερες ραφές μπορούν να συγκολληθούν καθώς κρέμονται τα συγκολλώμενα τμήματα, κάτι που προτιμάται στην περίπτωση του αλουμινίου.

Κάθε ένα από τα δύο συστήματα τοποθέτησης μπορεί να συσφίξει τμήματα μήκους έως 1.500mm και πλάτους 1.400mm.

Σε τέτοιου είδους κατασκευές, τα εξαρτήματα αλουμινίου υφίστανται σοβαρή στρέβλωση κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, ως αποτέλεσμα της υπερθέρμανσης και της επακόλουθης ψύξης.

Για το λόγο αυτό, χρειάζεται κάθε φορά να πραγματοποιούνται πειράματα για την προσαρμογή των εργαλείων και της συγκολλητικής διαδικασίας με τέτοιο τρόπο, ώστε το τελικό πλαίσιο να είναι άψογο.

Συγκολλήσεις MIG και TIG

Στο παράδειγμα της γερμανικής αυτοκινητοβιομηχανίας, το αρχικό σχέδιο αφορούσε μια συνδυασμένη διαδικασία συγκόλλησης που περιλάμβανε γρήγορη συγκόλληση MIG για τις «αόρατες» ραφές και συγκόλληση TIG με κρύο σύρμα για αρμούς με εξαιρετικά εμφανή χαρακτηριστικά, π.χ. κάτω από το ρεζερβουάρ.

Σε τέτοιες περιπτώσεις απαιτείται η συγκόλληση MIG για τις αρθρώσεις και παράλληλα η εμφάνιση των συγκολλημένων ραφών TIG. Αυτό μειώνει τους χρόνους κατασκευής και εξοικονομεί τεράστιο κόστος μηχανικής παραγωγής που σχετίζεται με τη διαδικασία συγκόλλησης TIG, τις αυτοματοποιημένες αλλαγές εργαλείων κλπ.

Η βέλτιστη συγκόλληση για τη BMW επετεύχθη μέσα από τη συνεχή βελτιστοποίηση των προδιαγραφών για τις ραφές. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης, η μονάδα περιστρέφει τα εξαρτήματα του πλαισίου έτσι όπως κρέμονται, ενώ τα χειριστήρια του εξοπλισμού συγκόλλησης παλμικού τόξου Quinto II καθοδηγούν το τόξο ως το βέλτιστο πλάτος και βάθος.

Για να αποφευχθούν μεταβολές στο υλικό λόγω της υγρασίας, το σύρμα συγκόλλησης αλουμινίου διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία σε σφραγισμένο θάλαμο, ενώ χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση ένα μείγμα αργού - ηλίου. Οι χρησιμοποιούμενες μηχανές Quinto II SD εξασφαλίζουν συγκόλληση σύμφωνα με όλες τις παραμέτρους συγκόλλησης, έχοντας τη σωστή παροχή ρεύματος και περιοχή εξόδου μέχρι 400A. Η ελεγχόμενη από μικροεπεξεργαστή πηγή ενέργειας συνδέεται με τα ρομπότ πάντα μέσω διεπαφής. πηγές ενέργειας

Ρομπότ, πηγές ενέργειας & χειριστήρια

Τα δύο ρομπότ που χρησιμοποιούνται από τη γερμανική εταιρεία λειτουργούν στην πίσω πλευρά της κυψέλης με αρθρωτούς βραχίονες Romo-320. Η ευρεία περιοχή περιστροφής σε όλους τους άξονες έχει ως αποτέλεσμα μια σφαιρική επιφάνεια εργασίας 3200mm. Παρά τη λεπτή και συμπαγή σχεδίαση, η λειτουργία έξι αξόνων είναι πολύ ακριβής.

Η ψηφιακά ελεγχόμενη τεχνολογία κίνησης και το σύστημα απόλυτης μέτρησης θέσης επιτρέπουν γρήγορη και ακριβή τοποθέτηση, ελάχιστους χρόνους διαδρομής και υψηλή ακρίβεια διαδρομής ακόμα και σε υψηλές ταχύτητες. Η ακρίβεια επανάληψης είναι κάτω από 0,1mm, ενώ είναι σημαντικό ότι υπάρχουν ενσωματωμένα φρένα συγκράτησης, ώστε να αποτρέπουν τυχόν ανεξέλεγκτη κίνηση του βραχίονα ρομπότ ακόμη και σε περίπτωση διακοπής ρεύματος.

Ο έλεγχος καθενός από τα δύο ρομπότ που λειτουργούν στο εργοστάσιο της BMW γίνεται από μια συσκευή Cloos Rotrol II, της οποίας η κεντρική μονάδα είναι σχεδιασμένη ως σύστημα πολλαπλών επεξεργαστών και επιτυγχάνει εξαιρετικά σύντομο χρόνο παρέμβασης, εξασφαλίζοντας υψηλό βαθμό τροχιοδρομικού ελέγχου όσον αφορά τους άξονες των ρομπότ και την εξωτερικά συνδεδεμένη συσκευή.

Για το σκοπό αυτό, παρέχονται δώδεκα ψηφιακά χειροκίνητα χειριστήρια, ενώ οι πίνακες διανομής τοποθετούνται δίπλα ακριβώς στα ρομπότ. Για το συνεχή και σχολαστικό έλεγχο των ρομπότ υπάρχουν ειδικές οθόνες, από τις οποίες ενημερώνεται το προσωπικό στη γραμμή παραγωγής για την πορεία και την κατάσταση του βιομηχανικού προϊόντος.

Συνέργεια ανθρώπου & ρομπότ

Η εισαγωγή της σύγχρονης τεχνολογίας ρομπότ στα εργοστάσια παραγωγής αυτοκινήτων έχει ξεκινήσει από τα τέλη του 20ου αιώνα στις πιο προηγμένες βιομηχανικά χώρες όπως είναι η Γερμανία.

Σε κάθε περίπτωση, όμως, όσο και αν διευκολύνει ένα ρομπότ τη βιομηχανική παραγωγή, είναι επιτακτική η συνεχής και τακτική εκπαίδευση των εργαζομένων στις βιομηχανικές μονάδες συγκόλλησης για τον προγραμματισμό των εγκαταστάσεων παραγωγής.

Κι αυτό διότι για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας, την άρση των δυσλειτουργιών και τις διορθώσεις των προβληματικών προγραμμάτων ευθύνονται οι ίδιοι οι εργαζόμενοι, οι οποίοι πρέπει να διενεργούν επιτόπιους και συνεχείς ελέγχους ποιότητας.

Τελικά, η παραγωγή είναι μια τόσο σύνθετη διαδικασία, που όσο και αν επιχειρείται να απλοποιηθεί μέσα από εφαρμογές αυτοματισμού, τόσο πιο καίριος θα αναδεικνύεται ο ρόλος του ανθρώπινου παράγοντα σε αυτή.

*Ο κ. Γεώργιος Ιωσήφ Μπαρσούμ είναι διπλωματούχος ηλεκτρονικός-προγραμματιστής ρομποτικής συγκόλλησης στην εταιρεία HEC Agelidis S.A.