溝付き突合せ継手のロボット溶接

ロボット工学が溶接プロセスの品質と効率の向上にどのように役立つかについて、長年にわたって次から次へと記事が書かれてきました。 これらの記事のほとんどは、部品ごとの溶接接合部の優れたフィッティングと最小限の変動を実現する、厳密に設計された治具で軽量部品を溶接する用途に取り組んでいます。

しかし、コンポーネントが大きすぎて取り付けられず、切断、成形、および手動による取り付けプロセスから生じる大きな公差に耐えなければならない場合はどうなるでしょうか? 厚さ 3 インチのプレートの突合せ継手を溶接していて、プレートの端が火炎切断されていた場合はどうなるでしょうか? ロボティクスによってこれらのアプリケーションの品質と効率を改善できるでしょうか? 簡単に言うと「はい」です。

これらの用途で最も困難な点の 1 つは、開先接合部で突合せ溶接を行うことです。これは、一般に、高品質の溶接を作成するには位置と体積の両方の変更が必要となる大きな変動があるためです。

従来のロボットプログラミングアプローチ

ロボット溶接セットアップへの従来のアプローチでは、ロボットは、機械アームを操作 (ジョギング) し、空間内および溶接シームに沿った一連の位置 (点) を記録 (教示) することによってプログラムされます (「参照」を参照)。図1 ）。 使用するロボットと溶接装置に応じて、溶接パラメータはロボット データ構造内のファイルまたはスケジュールに設定できます。 これらは、ロボット プログラムに直接コーディングしたり、溶接機に「ジョブ」として直接設定したりすることもできます (この最後のオプションは最も柔軟性が低いオプションです)。

プログラムが完了すると、ロボットはこの構造を高い再現性で再生するだけです。 部品の取り付けや部品の位置に変化がない場合は、従来のアプローチが完全に機能します。

実際のところ、大きな部品を溶接する場合、溶接アセンブリが非常に単純で簡単に固定できない限り、従来のアプローチを適用することはほとんど不可能です。 あらゆる種類の自動化装置を使用してプレート上の溝接合部を溶接したことのある人なら誰でも証明できるように、取り付けのばらつきは全体的な溶接品質に大混乱を引き起こす可能性があります。 接合部の位置のずれや、エッジの準備や溝の開口部のばらつきは、適切に扱わないと多くの品質上の問題を引き起こし、最終的には接合部の故障につながる可能性があります。 フィッティングの変動は、溶接時間の増加や溶接フィラー金属とガスの消費量の増加など、溶接コストの増加につながる可能性もあります。

これらの溶接を自動化する際の課題は、主に部品ごとの取り付けのばらつきにあります。

以下の寸法の V 溝などの一般的な開先設計を見ると、溶接断面積 (溶接キャップを除く) は次のようになります。図2。

このジョイントのルート開口部がわずか 1/16 インチ増加すると、溶接量は 11.2 パーセント増加します。これは、約 2 つの完全な 1/4 インチに相当します。 すみ肉溶接。 この情報は決して新しいものではありません。 ただし、この問題を理解することが、ロボット溶接作業を成功させる鍵となります。

図1

シームトラッキングとタッチセンシングの制限

これらの接合部が通常見られる大規模な溶接部の従来のロボット処理では、一般に、スルーザアークシーム追跡機能とタッチセンシング機能が使用されます（「図3そして4 ）。 これらの機能は、接合部を検索し、溶接中に接合部を追跡するために使用されます。 これらは、ソフトウェアおよび一部のハードウェアを介してほとんどのロボットでも利用できます。

このアプローチは非常に一般的であり、依然として高度な処理セットアップと考えられていますが、溶接溝接合部の実装には大きな制限があります。 前述したように、大型コンポーネントの溝接合部では、ほとんどの場合、はめ合いに大きなばらつきがあり、溶接ボリュームが変化します。 ロボットが対処する必要がある追加の課題は次のとおりです。• 接合部の体積が増加すると、溶接接合部の充填不足が発生します。• 接合部の体積が減少すると、溶接接合部の充填が過剰になります。 • フィッティングの変更の重大度に応じて、パス間のコールドラップを避けるために溶接パスと層の順序を変更する必要がある場合があります。 コールドラップは、溶融の欠如や介在物を引き起こす可能性があります。• ジョイントの取り付けの変化により、ノズルの抵抗が発生する可能性があります。• 側壁の溶融の問題が発生する可能性があります。

スルー・ザ・アーク・シーム追跡およびタッチ・センシング機能を単独で使用する場合の問題は、これらのタイプの溶接継手でも同様に発生します。 たとえば、溶接パラメータは溶接継手の体積の変化に適応しません。

適応を使用する場合、ジョイントを溶接する必要があるかどうかさえ確認する方法はありません。 たとえば、溶接溝が小さすぎたり大きすぎてうまく溶接できない場合でも、ロボットはプロセスを続行します。

ジョイントの設計によっては、ジョイントが特定の点を超えて変化する場合、溶接パスと層の順序を変更する必要がある場合があります。 このような場合、これらの高度な重溶接アプリケーション機能を使用しても、ロボットは溶接継手の状態に関係なく、事前に設定されたパラメータを使用して単純に溶接します。

マルチパス開先接合溶接の改良された方法論

いくつかの課題を明確に理解すれば、これらの変化を自動的に補正するアプローチをカスタマイズできます。

最初のステップは、アプリケーションに十分な解像度を備えた正確なジョイント マッピング方法を提供することです。 ジョイント マッピング プロセスでは、溶接前にロボットがジョイントを検索してマッピングし、溶接ジョイントの正確な位置とボリューム情報を決定して、それに応じて溶接パラメータを調整できるようにします。 接合部の測定値を使用して、溝の寸法の変化に応じて溶接パスと層の順序を変更する必要があるかどうかを判断する、特殊なアルゴリズムも作成されます。 レイヤー間のコールドラップを防ぐアルゴリズムも作成されます。 また、収集されたすべてのジョイント マッピング データは、必要に応じて品質管理の目的で使用できます。

次のステップは共同分析です。 前述したように、従来のロボット手法でこれらの接合部を溶接する場合の問題の 1 つは、接合部が適切に検索され、その位置が繰り返し見つかる場合でも、検索によってロボットが正しい位置で溶接できるようにオフセットが提供されるだけであることです。 ジョイントのはめ合いが溶接すべきでない状態にある場合でも、ロボットはそれを無視して溶接します。 ジョイント解析は、一連の許容誤差をチェックおよび検証する手段を提供します。 関節解析では、ロボットが関節を解析し、構成に応じて溶接するか停止するかを決定します。 ジョイントが解析に失敗するとアラームが発せられ、オペレーターは手動で溶接したり、ジョイントの準備を調整したりするなど、失敗したジョイントに対する適切な行動方針を決定できます。 この方法を使用すると、望ましくない嵌合を持つ溝接合部の溶接が防止されるため、非常に高い品質を達成できます。 また、フィッティング プロセスで使用される製造プロセスがどの程度優れているかを示す非常に明確な指標でもあります。

図 2: 断面積 (キャップを除く): 0.56 in2

ライブラリベースのアプローチ

接合マッピングと接合解析に加えて、ライブラリベースのアプローチを使用して溶接データを管理すると、これらの溶接の処理を高速化できます。 ロボットに保存されるライブラリ データには、ロボットが自律的に溶接パスを作成できるようにする特定のパラメータが含まれています。 たとえば、ライブラリ データのセットは、プレートに溶接されるジョイント スタイルや機械加工されたボスに固有のものになります。

これらのライブラリ パラメータは、特に、接合部の検索に使用される一連のアルゴリズムにフィードするデータを提供し、必要な溶接パラメータを作成するために接合部の合格/不合格ステータスのトリガーを提供するために使用されます。

このアプローチの利点は、最終的な「ポイント プログラミング」では、ロボットに一般的な方向情報を与えるためにいくつかの基準位置を教えるだけで済むため、全体のプログラミング時間が大幅に短縮されることです。

ライブラリ システムを使用すると、ロボット プログラマーは、新しいライブラリを使用してロボット プログラムを構成するだけで、新しいジョイントを非常に迅速に追加できます。 これにより、新しいスタイルの溶接継手に対する新しい検索アルゴリズムがトリガーされ、ライブラリから対応する解析データが取得されて、継手マッピング データと比較されます。 最終的なプログラミングには、方向性を示す目的でいくつかのポイントを教えるだけで済みます。

ライブラリベースのアプローチの最大の利点は、ロボット上で新しいパーツを実行するのにかかる時間を大幅に短縮できることです。 多くの場合、「最初から」高品質の製造部品を製造することが可能ですが、この種の用途では溶接ロボットではこれを達成するのが困難です。

この方法論の最終結果は、ばらつきの大きい部品に高品質の溶接を提供することができ、これを高い安全性で実現します。 この方法論とライブラリベースのアプローチを組み合わせると、製造部品のスループットを向上させることもできます。

Kevin McWhirter は Autonomous Welding Inc. (705-288-4887、www.autonomouswelding.com) の社長です。