Kada se isplati lasersko zavarivanje sa robotom ili kobotom?

Robot može veoma ujednačeno da ponavlja programiranu putanju. Odstupanje koje donosi pojedinačni deo on bez senzorike ne nadoknađuje. Kod ručnog zavarivanja tu korekciju preuzima osoba na radnom komadu.

Ovaj članak razvrstava preduslove i granice automatizacije. On ne zamenjuje ni ocenu rizika proizvođača postrojenja ni procenu rizika korisnika i ne predstavlja pravni savet.

Šta se menja pri automatizaciji

Kod ručnog laserskog zavarivanja osoba na uređaju vidi mesto spoja. Ona može da koriguje položaj, brzinu pomaka i ugao nagiba kada se zazor proširi ili kada je ivica pomerena.

Robot, naprotiv, prelazi programiranu putanju. Ako šav na sledećem delu leži malo drugačije, snop bez prepoznavanja šava ipak pogađa programirano mesto. Fraunhofer IWS je rano imenovao ovaj sukob ciljeva: s jedne strane neizbežne tolerancije oblika i mera svakog dela, s druge strane ograničena tačnost mašinskih sistema.

Ono što se kod ručnog zavarivanja ispravlja tokom izrade šava, u ćeliji bi trebalo da bude razjašnjeno unapred:

• koliko tačno se delovi izrađuju i isporučuju
• kako leže u priboru
• da li se i kako šav prepoznaje
• kako se lasersko zračenje pouzdano zaklanja

Tolerancije delova i zazor spoja

Bez dodatnog materijala lasersko zavarivanje osetljivo reaguje na zazore. Britanska istraživačka ustanova za zavarivanje TWI kao orijentacionu vrednost navodi da se kod sučeonog spoja moraju održati zazori ispod približno 10 procenata debljine materijala kako bi se izbegle greške šava. Kod lima od 2 mm to bi bilo manje od 0,2 mm.

TWI opisuje i načine da se ta tolerancija proširi:

• Dodatna žica: kod čelika debljine do 6 mm prema navodima TWI do približno pune debljine lima
• Oscilacija snopa: približno 20 do 30 procenata debljine
• Hibridno lasersko-lučno zavarivanje sa manjim zahtevima za pripremu ivica
• dva laserska snopa postavljena jedan pored drugog

Svako od ovih proširenja donosi sopstvene komponente i parametre. Harald Keller iz kompanije Keller Blechtechnik GmbH o tome kaže u jednom članku kompanije TRUMPF: ko želi da iskoristi potencijal laserskog zavarivanja, mora da razmišlja unazad sve do konstrukcije — preciznost je potrebna od samog početka. Krojenje, oblikovanje i prethodna obrada dakle suodređuju da li ćelija može da radi bez stalne dorade.

Stezni pribor je deo procesa

Kod kompanije TRUMPF se navodi da je „nulti zazor“ kod laserskog zavarivanja merilo svih stvari — a za to je potrebno praktično znanje o odgovarajućem steznom priboru.

Stezni pribor kod automatizovanog laserskog zavarivanja ima više zadataka:

• ponovljivo pozicionirati delove tako da šav leži tamo gde ga program očekuje
• pritisnuti delove spoja tako da zazor ostane u dozvoljenom opsegu
• zadržati položaj tokom zavarivanja
• ostaviti pristup za glavu za zavarivanje i po potrebi senzor
• omogućiti bezbedno ulaganje i vađenje

Za svaku varijantu dela može biti potreban poseban pribor ili bar poseban umetak. Konstrukcija, izrada i ispitivanje spadaju u proračun pre nego što se donese odluka o robotu. Ako se deo promeni, po pravilu se menja i pribor.

Vođenje po šavu i senzorika

Senzorika može da apsorbuje deo tolerancija. Proizvođač Precitec deli nadzor procesa pri laserskom zavarivanju u tri faze:

1. Pre procesa: optičko vođenje po šavu prepoznaje stvarni položaj šava. Prema navodima proizvođača to pomaže u radu sa tolerancijama delova, odstupanjima pri stezanju i promenljivim geometrijama šava.
2. Tokom procesa: procesni signali se neprekidno beleže kako bi odstupanja postala vidljiva.
3. Posle procesa: optička inspekcija šava proverava gotov šav na geometrijske greške i greške blizu površine.

Jedan mogući princip merenja je metoda svetlosnog preseka. Fraunhofer IWS je opisao senzor za praćenje šava čija kamera snima zazor metodom svetlosnog preseka i daje podatke o položaju, toku i širini zazora za zavarivanje.

Granica: senzorika prepoznaje gde se šav nalazi. Prevelik zazor ona ne zatvara. Može, međutim, da pruži osnovu za prilagođavanje parametara, upravljano dodavanje dodatnog materijala ili izdvajanje dela — a košta novca, zauzima prostor na glavi za zavarivanje i zahteva trud pri podešavanju.

Kućište i zidovi za zaštitu od lasera

TROS Laserstrahlung deo 3 prati redosled iz OStrV: opasnosti najpre izbeći ili svesti na najmanju meru drugim postupcima ili radnim sredstvima, zatim tehničkim, potom organizacionim merama, a na kraju ličnom zaštitnom opremom. U tehničke mere ubraja kućišta, po potrebi sa blokadom, i uređaje za automatsko isključivanje. Za zaštitne pregrade navodi zidove za zaštitu od lasera prema DIN EN 60825-4.

Za laserska postrojenja sa robotima jedna stručna informacija BG ETEM i DGUV Test jasno formuliše zahtev: opasno lasersko zračenje ne sme izaći iz kućišta za zaštitu od lasera. Bezbednosni koncept može se, između ostalog, sastojati od:

• pasivnih zidova za zaštitu od lasera sa vratima sa sigurnosnom blokadom
• ograničenih ili nadziranih radnih prostora robota
• nadzora kretanja robota i pravca snopa
• ograničenja vremena uključenosti lasera
• aktivnih zidova za zaštitu od lasera, makar i samo u pojedinim delovima

Stručna informacija izričito razmatra i slučaj greške, na primer robota koji napusti svoju programiranu putanju. Pasivni zidovi za zaštitu od lasera pružaju otpor direktno upadnom zračenju samo vremenski ograničeno.

Klasa lasera, servis i režim podešavanja

Klasu lasera određuje proizvođač. DGUV Information 203-093 kao primer za lasersku klasu 1 navodi uređaje za označavanje sa potpunom zaštitnom pregradom. Kućište dakle može da odluči o tome koja opasnost ostaje izvan postrojenja.

Ista DGUV Information ukazuje na tačku koja se lako previdi: i uređaji u kućištu mogu u posebnim režimima rada, kao što su održavanje, servis ili radovi podešavanja, zahtevati otvoreni rad. Tada važe zahtevi za otvoreni rad. Osim toga, tamo se navodi:

• Otvori se po pravilu nadziru pomoću sigurnosnog pozicionog prekidača.
• Pri otvorenom kućištu ne sme biti moguća opasna laserska emisija.
• Prozori za posmatranje se po pravilu projektuju prema DIN EN 207 ili DIN EN 60825-4; alternativno, kamera može da prenosi sliku napolje.

Za laserske uređaje klasa 3R, 3B i 4 § 5 OStrV predviđa lice zaduženo za bezbednost lasera — osim ako poslodavac sam ne raspolaže potrebnim stručnim znanjem. Kolika je laserska zona — i u otvorenom servisnom režimu i režimu podešavanja — i koje su zaštitne mere potrebne, treba razjasniti u proceni rizika.

I kobotu je potrebna zaštita od lasera

DGUV-Information FB HM-080 opisuje da se kolaborativni robotski sistemi u funkciji „ograničenje snage i sile“ mogu koristiti bez tradicionalnih zaštitnih uređaja kao što su ograde i svetlosne zavese. Ta funkcija se odnosi na sile i pritiske pri kontaktu između osobe i robota.

Lasersko zračenje je druga vrsta opasnosti. Prema DGUV-Information kolaborativnom robotskom sistemu pripadaju i alati, radni komadi i pribor — kod laserskog zavarivanja dakle i laserska glava. IFA naglašava da ocena rizika mora obuhvatiti predviđeno radno mesto.

Proizvođač lasera IPG Photonics piše da koboti za lasersko zavarivanje moraju, radi zaštite okolnih osoba, biti instalirani u kućištu bezbednom od lasera. Korist kobota kod laserskog zavarivanja time je pre u jednostavnijem programiranju i bržem prestrojavanju nego u izostanku zaštitne pregrade.

Programiranje putem teach-in postupka ili offline

Kod teach-in postupka putanja se uči na stvarnom delu. Stručni časopis Maschine + Werkzeug ukazuje da proizvodnja za to mora da miruje; kod jednostavnih zadataka iskusan podešivač ipak može biti brži od izrade digitalnog modela. Koboti se prema navodima kompanije IPG Photonics za učenje putanje mogu voditi rukom.

Kod offline programiranja ćelija se na osnovu CAD podataka rekonstruiše kao digitalni blizanac, još pre nego što stvarna ćelija postoji. Pošto se model i hala nikada potpuno ne poklapaju, neophodna je kalibracija. Za složene prostorne konture, na primer pri zavarivanju, članak prednost vidi u offline programiranju.

Pored putanje moraju odgovarati i procesni parametri: snaga lasera, brzina pomaka i po potrebi oscilacija snopa određuju se za materijal, debljinu i vrstu spoja i ispituju na probnim delovima. Taj trud nastaje za svaku varijantu dela.

Dim, odsisavanje i sekundarno zračenje

Kućište zaklanja lasersko zračenje. Druge opasnosti procesa ostaju.

DGUV Information 203-093 kod laserskog zavarivanja kao primer sekundarnog zračenja navodi UV, vidljivo i infracrveno zračenje koje potiče od plazme. Ono može dovesti do zaslepljivanja i fotokeratitisa, ali i do nepovratnih oštećenja.

Pri laserskoj obradi materijala oslobađaju se osim toga opasne materije u obliku čestica i gasova. DGUV Information između ostalog upućuje na TRGS 528 „Radovi zavarivanja“ i obrađuje i moguće opasnosti od požara u sistemima za odsisavanje. Za ćeliju to znači: zahvatanje i odsisavanje planiraju se zajedno sa njom, a ne dograđuju naknadno.

Ko je odgovoran za ćeliju

DGUV-Information FB HM-080 za kolaborativne robotske sisteme navodi: pojedinačni robot smatra se delimično završenom mašinom i dobija izjavu o ugradnji. Tek sistem sastavljen od robota, alata, radnih komada i pribora čini mašinu koja se stavlja na raspolaganje sa izjavom o usaglašenosti i CE oznakom.

Stručna informacija BG ETEM i DGUV Test konstatuje da su izbor zaštitnih mera, odgovornost i zakonska odgovornost na proizvođaču mašine za lasersku obradu, i u vezi s tim navodi potpunu ocenu rizika od strane proizvođača i potpunu procenu rizika od strane korisnika.

Uredba o mašinama (EU) 2023/1230 prema podacima IHK Halle-Dessau načelno se primenjuje od 20. januara 2027. i zamenjuje Direktivu o mašinama 2006/42/EG. Ko izvrši bitnu izmenu, prema njoj postaje proizvođač sa odgovarajućim obavezama. Ko sam kombinuje robota, laserski izvor i kućište ili prepravlja postrojenje, trebalo bi unapred da razjasni ko preuzima tu ulogu.

Kada automatizacija može da se isplati

IPG Photonics klasične industrijske robote vidi pre svega tamo gde nastaju velike količine istih šavova na istim delovima, na primer na proizvodnoj liniji. Koboti prema navodima proizvođača nude veću fleksibilnost kada se često programiraju novi zadaci zavarivanja.

Povoljni preduslovi mogu biti:

• delovi koji se ponavljaju u dovoljnom broju komada
• male i stabilne tolerancije iz prethodne izrade
• lako dostupni šavovi
• spektar delova za koji je dovoljno malo pribora

Na strani troškova nije samo robot: kućište, pribor, po potrebi senzorika, odsisavanje, programiranje, ispitivanje, obuka zaposlenih i ocena usaglašenosti. Nasuprot tome stoje dosadašnje vreme zavarivanja, dorada i škart. Rezultat zavisi od pojedinačnog pogona i može se pouzdano izračunati samo na osnovu njegovih brojki.

Kada ručni rad ostaje smisleniji

Ručno lasersko zavarivanje može ostati bolji izbor kod:

• pojedinačnih delova, popravki i prototipova
• velikih ili glomaznih delova koji ne staju ni u jednu ćeliju
• promenljivih geometrija i malih serija, kod kojih programiranje i pribor traju duže od samog zavarivanja
• promenljivih mera zazora koje iskusna osoba u okviru postupka još može da nadoknadi

Ručni rad, međutim, znači otvoreni rad. Prema DGUV Information 203-093 proizvođač većinu ručno vođenih laserskih uređaja svrstava u klasu 4, a laserska zona je po pravilu dostupna. Trud oko zaštite time se premešta sa mašine na radno mesto, zaštitne pregrade, obuku zaposlenih i ličnu zaštitnu opremu.

Beamlux u ponudi ima pokretnu mašinu za lasersko zavarivanje u stepenima snage od 1500 do 6000 W. Katalog proizvoda kao jednu od njenih karakteristika navodi pogodnost za automatizovane procese. Da li se i kako uređaj može uključiti u određenu robotsku ćeliju, zavisi od dela, pribora i upravljanja i treba razjasniti u svakom pojedinačnom slučaju.

Izvori

• TROS Laserstrahlung deo 3 „Mere zaštite od opasnosti usled laserskog zračenja“ — Redosled zaštitnih mera, kućišta sa blokadom, automatsko isključivanje, zidovi za zaštitu od lasera prema DIN EN 60825-4.
• OStrV § 5 — Stručna lica, lice zaduženo za bezbednost lasera (gesetze-im-internet.de) — Imenovanje lica zaduženog za bezbednost lasera za laserske uređaje klasa 3R, 3B i 4.
• DGUV Information 203-093 „Pomoć za procenu rizika pri radu sa otvorenim laserskim uređajima za obradu materijala sa ručnim vođenjem ili ručnim pozicioniranjem (HLG)“ — Izdanje april 2019. Svrstavanje u klasu lasera od strane proizvođača, laserska zona, kućište, posebni režimi rada, prozori za posmatranje, sekundarno zračenje, opasne materije i odsisavanje.
• BG ETEM / DGUV Test — Stručna informacija „Laseri velike snage u automobilskoj industriji“ — Stanje od 2. juna 2014. Bezbednosni koncepti za laserska postrojenja sa robotima, pasivni i aktivni zidovi za zaštitu od lasera, razmatranje grešaka.
• DGUV-Information FB HM-080 „Kolaborativni robotski sistemi“ — Izdanje 08/2017. Ograničenje snage i sile, robotski sistem kao mašina, izjava o ugradnji.
• IFA — Stručne informacije o kolaborativnim robotima — Standardi za kolaborativne robote, završni izvršni element i ocena rizika.
• IHK Halle-Dessau — Uredba o mašinama (EU) 2023/1230 — Početak primene, zamena Direktive o mašinama, bitna izmena.
• TWI — Česta pitanja o toleranciji laserskog zavarivanja na zazor spoja — Orijentacione vrednosti za zazore kod sučeonog spoja i mogućnosti za proširenje tolerancije.
• TRUMPF — „Laser trumps arc“ — Nulti zazor i stezni pribor; izjava Haralda Kellera (Keller Blechtechnik GmbH) o preciznosti od faze konstrukcije.
• Fraunhofer IWS — Saopštenje za medije „Sensor führt den Laser“ — Optičko praćenje šava metodom svetlosnog preseka, tolerancije delova i tačnost mašina.
• Precitec — Nadzor procesa pri laserskom zavarivanju — Vođenje po šavu pre procesa, nadzor tokom procesa, inspekcija šava posle njega.
• IPG Photonics — Laser Welding Cobots vs. Traditional Robots — Kućište kod kobota za lasersko zavarivanje, programiranje, oblasti primene klasičnih robota.
• Maschine + Werkzeug — „Programiranje robota: Teach-in vs. offline“ — Zastoj pri teach-in postupku, digitalni blizanac i kalibracija kod offline programiranja.

Povezani sadržaji