S.L. Dr. Ing. Burcă Mircea [308654]

UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” DIN TIMIȘOARA

FACULTATEA DE MECANICĂ

DEPARTAMENTUL: INGINERIA MATERIALELOR ȘI FABRICAȚIEI

SPECIALIZAREA: PROCEDEE PRODUCTIVE DE SUDARE ÎN MEDIU DE GAZE PROTECTOARE

LUCRARE

DE

DISERTAȚIE

Coordonator științific:

S.L. Dr. Ing. Burcă Mircea

Ing. Ardelean Felician Gheorghe

Masterand: [anonimizat]

2018

CERCETĂRI PRIVIND ADAPTAREA UNUI ROBOT COLABORATIV PENTRU SUDAREA ROBOTIZATĂ WIG

Coordonator științific:

S.L. Dr. Ing. Burcă Mircea

Ing. Ardelean Felician Gheorghe

Masterand: [anonimizat]

2018

Mulțumesc tuturor cadrelor didactice

de la Universitatea „Politehnica”[anonimizat], [anonimizat]!

Exprim cele mai sincere

mulțumiri domnului profesor Ing. Burcă Mircea pentru sprijinul neprețuit acordat pe parcursul anilor de studii și în realizarea acestei lucrări si SC ITCOMP SERVICE SRL pentru ajutorul dat in privinta mijloacelor tehnice necesare acestei lucrări!

Rezumat

Sudarea WIG (Wolfram Inert Gas) este un procedeu de sudură al cărui principiu constă în formarea unui arc electric între metalul sudat și un electrod nedifuzibil din wolfram în timp ce se suflă un gaz inert in spațiul arcului elecric. Acest tip de sudură are numeroase avantaje din care mentionăm: [anonimizat], se pot realiza suduri de finețe etc.

Dintre dezavantaje putem menționa viteza mică de sudare și faptul ca sudura WIG este un procedeu manual cea ce poate duce la defecte de sudură datorită lipsei de experiență sau concentrare a sudorului.

Tocmai datorită acestor dezavantaje se consideră necesară robotizarea acestui tip de sudură. În această lucrare se vor prezenta experimentele si rezultatele obținute în urma cercetărilor privind adaptarea unui robot colaborativ pentru sudarea robotizată WIG.

În capitolul I se prezintă o [anonimizat] o sudură de calitate și despre motivele pentru care se consideră necesară robotizarea acestui tip de sudură

În capitolul II se discută despre roboții colaborativi și despre robotul UR5, prezentandu-se detalii despre modul în care se programează setările de siguranță ale robotului și modalitatea de programare pentru a [anonimizat]-al treilea capitol să se descrie pregatirea robotului pentru robotului UR5 și a materialelor pentru sudarea WIG.

Capitolul IV descrie programul creat pentru executarea unei suduri WIG iar în ultima parte a lucrării sunt prezentate rezultatele experimentelor făcute si concluziile la care s-a ajuns.

După mai multe teste și încercări s-a reușit găsirea unei modalități de programare a robotului colaborativ UR5 pentru realizarea unei suduri WIG calitative În concluzie se recomandă folosirea robotului colaborativ UR5 pentru realizarea de suduri WIG in serie mică.

Avantajele sudurii WIG cu ajutorul robotului colaborativ UR5 constă viteza de lucru si în calitatea net superioară a sudurii datorată eliminării defectelor produse de eroarea umană (datorită lipsei de experiență sau concentrare a sudorului)

Summary

Tungsten Inert Gas (WIG) welding is a welding process whose principle consists in forming an electric arc between the weld metal and an undifferentiated tungsten electrode while blowing an inert gas into the space of the electric arc. This type of welding has many advantages, is no slag and this avoids the possibility of introducing non-metallic welding inclusions due to the use of an inert gas does not produce chemical changes in welded metals and so on

Among the disadvantages we can mention the low welding speed and the fact that WIG welding is a manual process that can lead to welding defects due to lack of experience or concentration of the welder.

It is precisely because of these disadvantages that it is considered necessary to robotize this type of welding. This paper will present the experiments and the results of the research on the adaptation of a collaborative robot for WIG robotic welding.

In Chapter I there is a brief introduction to WIG welding, the conditions for a high quality welding and the reasons why it is considered necessary to robotize this type of welding

Chapter II discusses about collaborative robots and the UR5 robot, detailing how to program the robot's security settings and how to program it to run a simple program, and into the third chapter describes preparation of robot UR5 and materials for the welding WIG.

Chapter IV describes the program created for the execution of a WIG weld and in the last part of the paper are presented the results of the experiments made and the conclusions reached.

After several tests and trials, we managed to find a way to program the UR5 collaborative robot for the realization of a qualitative TIG welding. In conclusion, it is recommended to use the UR5 collaborative robot for the realization of small series TIG weldings.

The advantages of WIG welding with the UR5 collaborative robot are the speed of work and the superior weld quality due to the elimination of defects caused by human error (due to lack of experience or concentration of the welder)

Capitolul 1

SUDAREA WIG

1.1 Introducere

Sudarea WIG (Wolfram Inert Gas) este un procedeu de sudură al cărui principiu constă în formarea unui arc electric între metalul sudat și un electrod nedifuzibil din wolfram în timp ce se suflă un gaz inert in spațiul arcului elecric.

Acest procedeu a fost dezvoltat la sfârșitul anilor 1930, când a apărut nevoia de sudare a magneziului. Sudarea WIG mai este cunoscută și sub numele de sudare TIG (tungsten inert gas)

Sudarea WIG are numeroase avantaje din care mentionăm: nu rezultă zgură și datorită acestui fapt se evită posibilitatea introducerii de incluziuni nemetalice în sudură, datorită folosirii unui gaz inert nu se produc modificări chimice în metalele și aliajele sudate, se pot realiza suduri de finețe etc.

Dintre dezavantaje putem menționa viteza mică de sudare și faptul ca sudura WIG este un procedeu manual cea ce poate duce la defecte de sudură datorită lipsei de experiență sau concentrare a sudorului.

Tocmai datorită acestor dezavantaje se consideră necesară robotizarea acestui tip de sudură. În această lucrare se vor prezenta experimentele si rezultatele obținute în urma cercetărilor privind adaptarea unui robot colaborativ pentru sudarea robotizată WIG.

1.2 Materiale necesare pentru sudarea WIG

Electozi de wolfram cu capăt ascuțit în cazul folosirii la sudare a curentului continuu și cu capăt rotunjit în cazul folosirii la sudare a curentului alternativ.

Figura 1.1 Caracteristici și tipuri de electrozi nedifuzibili de wolfram folositi la sudura WIG

Imagine preluată de pe http://transisud.ro la data de 09.06.2018

Gaze inerte: de obicei se folosește argonul dar se poate utiliza și heliu sau amestecuri ale argonului cu heliu sau cu hidrogen

Material de adaus – în cazul în care acesta este necesar. Materialul de adaos va trebui selectat în functie de caracteristicile mecanice și compozitia chimica ale metalului de baza

Curentul folosit la sudare

Curentul folosit la alimentarea arcului electric în timpul sudurii WIG va fi selectat în funcție de tipul materialului sudat: curent alternativ pentru sudarea aluminiului și a aliajelor usoare și curent continuu in cazul în care se sudează oțel.

1.3 Conditii pentru realizarea unei sudări WIG de calitate

Curătarea corespunzătoare a zonei cordonului de sudare și a materialului de adaus in cazul în care acesta e folosit.

Capătul topit al materialului folosit pentru adaos trebuie pentru prevenirea proceselor de oxidare să fie introdus în gazul de protecție

Dozarea cantității de gaz și dimensiunea duzei vor trebui să fie potrivite sudurii efectuate și va trebui lăsat gazul să curgă suficient de mult pentru a fi protejat electrodul de wolfram și baia de topitură în cursul răcirii

Alegerea diametrului și a tipului de electrozi wolfram folositi se va face luând în considerare toți factorii din componenta realizării sudari: tipul de material care trebuie sudat, compoziția gazului protector și intensitatea curentului. Discul abraziv pentru șlefuirea electrodului wolfram trebuie orientat în direcția opusă vârfului electrodului pentru a nu se produce spărturi ale acestuia.

Fixarea pieselor care urmează a fi sudate cât mai bine, cu prinderea in mai multe puncte pentru a se evita deformarea piesei in timpul sudării.

Capitolul 2

Prezentarea roborului UR5

2.1 Roboții colaborativi – robotul UR5

In 1996 Michael Peshkin și J. Edward Colgate au inventat roboții colaborativi. De atunci au aparut robotii colaborativi foarte performanți care prezinta numeroase beneficii fata de alte tipuri de roboti. Robotii colaborativi (coboții) sunt roboții care pot intereacționa fizic cu oamenii in aceiasi spatiu de lucru.

Principala motivatie pentru alegerea unui robot colaborativ in defavoarea unui alt robot o reprezinta o creștere a siguranței mediului de lucru. Roboții industriali necolaborativi trebuie izolati cu bariere, in cazul in care unul din operatori nu respecta spatiu de protecție din jurul robotului se pot produce accidente grave care pot duce chiar la decesul persoanei respective.

Datorita faptului ca roboții colaborativi sun concepuți pentru a interacționa fizic cu oamenii in același spatiu de lucru ei se opresc automat atunci cand detecteaza un obstacol, reducând astfel la minim riscul de accidentare.

Coboții sunt mult mai compacți decat roboții tradiționali, ceea ce permite folosirea lor si in spatii mai mici de lucru.

Instalarea si programarea roboților colaborativi este mult mai usoara decat a robotilor traditionali, ceea ce permite o flexibilitate mai mare a modului de folosire in cadrul producției.

Figura 2.1 Imagine preluata de pe https://www.universal-robots.com/products/ur5-robot/ la data de 09.06.2018

Implementarea robotului colaborativ Universal Robot este foarte facilă, putand sa dureze numai cateva ore. Nu este necesar personal cu înaltă calificare in astfel de operațiuni. Se pot folosi pentru programare tastele digitale de tip săgeti sau se poate mișca manual brațul robotic către punctele de referința

Figura 2.2

2.2 Programarea pentru siguranță a roborului UR5

Sistemul de siguranță al roboților colaborativi Universal Robots este aprobat și certificat de Asociația Germană pentru Inspecție Tehnică (TÜV).

Cobotul are un sistem de siguranță foarte avansat de care trebuie ținut cont cand se vor executa setările de sistemului de siguranța. Aceste setări trebuie să țină cont de delimitarea spațiului de în care cobotul poate executa mișcările necesare executării sarcinii de lucru programate fără sa afecteze siguranța personalului, echpamentelor si materialelor din apropierea lui. Evaluarea gradului de risc trebuie avută în vedere înainte de prima pornire a brațului de lucru precum si pe tot parcursul programării robotului pentru executarea sarcinilor de lucru.

Meniul pentru configurarea de siguranță se poate accesat din ecranul de întâmpinare prin selectarea butonului Program Robot, urmată de selectarea filei Instalare și apoi a secțiunii Siguranță.

Din meniul General Limits se setează forța, puterea, viteza și momentul maxim al brațului robotului. Cu cat este un risc mai mare de lovire a unei persoane sau a obiectelor din mediul de lucru al cobotului cu atat mai mici trebuie să fie setate valorile acestor parametrii.

Meniul limite de îmbinare permite setarea limitelor poziționării articulațiilor robotului și viteza unghiulară maximă iar din meniul Boundaries se definesc limitele de siguranță ale cobotului.

Integratorul trebuie să facă setările de siguranța în funcție de e evaluare prealabilă a riscului și să se asigure că nu pot avea acces persoane neautorizate la aceste setari (prin protecția cu ajutorul unei parole, prin blocarea accesului la panoul de control fără o cheie etc.)

2.3 Pornirea robotului

Bratul Robot universal este compus din tuburi și îmbinări sub formă de articulații. Articulațiile sunt numerotate în imaginea de mai jos începand de la bază spre celălalt capăt al brațului. Mișcările brațului robotizat au loc prin coordonarea mișcărilor fiecărei articulații. Aceasta coordonare se face prin intermediul interfeței grafice PolyScop.

Imagine preluata din Software Manual US 3-5-2

Figura 2.3 Prezentarea articulațiilor robotului UR5

Pentru pornirea casetei de control se va apăsa butonul de alimentare prezent in partea frontala a panoului cu touch screen. Pentru închiderea casetei de control de control se selectează butonul verde de alimentare de pe ecran sau butonul Shut Down de pe ecranul de întâmpinare. Brațul robot se pornește de pe ecranul de inițializare dacă este activată cutia de control și dacă nu este activat niciun buton de oprire de urgență.

Pornirea robotului se face atingând butonul ON de pe ecranul urmat de butonul Start. La pornirea robotului, acesta face un sunet și se mișcă puțin în timp ce eliberează frânele. Robotul poate fi oprit atingând butonul OFF de pe ecranul de inițializare sau va fi oprit automat atunci când cutia de control se oprește

2.4 Programarea robotului

Pentru programarea robotului va fi necesaro o succesiune de comenzi care să îi transmită robotului toate mișcările pe care trebuie să le execute.Avantajul PolyScope este faptul că permite o programare prin intermediul panoului tactil fără a trebui introduse comenzi criptice.

Programarea mișcării robotului se face prin utilizarea unor coordonare din spațiul de lucru al robotului. Aceste coordonate pot fi calculate prin software sau date prin mutarea robotului într-o anumită poziție.

Pentru mutarea robotului într-o anumită poziție se selecteaza Move sau se poziționează manual brațul robotului în poziția dorită, În timpul poziționării manuale trebuie ținut apăsat butonul Freedrive din partea din spate a panoului de comandă.

2.5 Pașii care trebuie urmați pentru creerea unui program simplu care mișcă robotul între două puncte de parcurs date.

Executarea setărilor de siguranța necesare

Pornirea casetei de control prin apăsarea butonul de alimentare prezent in partea frontala a panoului cu touch screen.

Pornirea robotului prin atingerea butonului ON de pe ecranul urmat de butonul Start.

Apăsați butonul Program Robot și selectați Empty Program.

Figura 2.4

Atingeți butonul Next (în partea dreaptă jos), astfel încât linia <empty> să fie selectată în structura arborescentă din partea stângă a ecranului.

Accesați fila Structură.

Apăsați butonul Move.

Figura 2.5

Mergeți la fila Comand.

Figura 2.6

Apăsați butonul Next, pentru a accesa setările Waypoint.

Apăsați butonul Setings acestui punct de lângă imaginea "?".

În ecranul Move, mutați robotul apăsând diferite săgeți albastre sau mutați robotul ținând apăsat butonul Freedrive, plasat pe partea din spate a pandantivului de învățare, în timp ce trageți brațul robotului.

Figura 2.7

Din partea de jos a ecranului se poate selecta viteza de deplasare in timpul mutării bratului robotic. Se recomanda setarea unei viteze scazute pentru a se evita accidentările .

Figura 2.8

Apăsați OK.

Apăsați pe Add routepoint înainte.

Apăsați butonul Setare acest punct de punctaj de lângă imaginea "?".

În ecranul Move, mutați robotul apăsând diverse săgeți albastre sau mutați robotul ținând apăsat butonul Freedrive în timp ce trageți manual brațul robotului.

Figura 2.9

Apăsați OK.

Programul dvs. este gata. Robotul se va deplasa între cele două puncte atunci când apăsați simbolul "Redare". Stingeți-l, țineți apăsat butonul de oprire de urgență și apăsați pe "Redare".

Capitolul 3

Pregătirea robotului UR5 și a materialelor pentru sudarea WIG

3.1 Materiale și unelte utilizate pentru sudarea WIG cu ajutorul robotului colaborativ UR5

Robot colaborativ UR5

Figura 3.1

Suport de atasare a capătului aparatului de sudură la bratul robotizat

Figura 3.2

Suportul a fost realizat din profile de aluminiu prelucrate pe o freză CNC

Electozi de wolfram

Aparat pentru sudură WIG

Tub de argon

Figura 3.3

Materialele de test care urmează a fi sudate

Inox de 5 mm grosime

Statie de curent pentru alimentarea arcului electric în timpul sudurii WIG

Figura 3.4

Cap 4

Programarea robotului colaborativ pentru sudura WIG

Se montează capătul aparatului de sudură la bratul robotizat

Se fixează piesele care urmează a fi sudate

Executarea setărilor de siguranța necesare

Pornirea casetei de control prin apăsarea butonul de alimentare prezent in partea frontala a panoului cu touch screen.

Pornirea robotului prin atingerea butonului ON de pe ecranul urmat de butonul Start.

Apăsați butonul Program Robot și selectați Empty Program.

Se programează robotul urmând pași similari cu cei care trebuie urmați pentru creerea unui program simplu care mișcă robotul între cele două puncte de parcurs date, setând punctele de parcurs necesare pentru efectuarea sudurii.

Pentru executarea unei sudări în linie dreaptă a fost necesară setarea a șase puncte din spațiul de lucru al robotului care să ajute la delimitarea mișcărilor care trebuiau efectuate de brațul robotizat după cum se poate vedea în imaginile de mai jos:

Figura 4.1

Figura 4.2

Figura 4.3

Figura 4.4

Figura 4.5

Setarea coordonatelor Waypoint

Tool Position

X = -407,22

Y = 39.87

Z = -196,82

Rotation Vector

RX = 2,767

RY = 1,79

RZ = 1.056

Joint position

Base = -14,13

Shoulder = -89.09

Elbow = 124,37

Wrist 1 = -112,62

Wrist 2 = -127,88

Wrist 3 = 18,88

Figura 4.6

Tool Position

X = -484,84

Y = 32,2

Z = -200.6

Rotation Vector

RX = 2,2796

RY = -0.121

RZ = 1.015

Joint position

Base = -17

Shoulder = -75.5

Elbow = 102,24

Wrist 1 = -75,68

Wrist 2 = -89.99

Wrist 3 = 78.3

Figura 4.7

Tool Position

X = -465,63

Y = 57,92

Z = -206,25

Rotation Vector

RX = 2,768

RY = 1,79

RZ = 1,056

Joint position

Base = -14,53

Shoulder = -80.53

Elbow = 116,57

Wrist 1 = – 113,69

Wrist 2 = -127,99

Wrist 3 = 14,4

Figura 4.8

Tool Position

X = -461.09

Y = 55.9

Z = -206,92

Rotation Vector

RX = 2,768

RY = 1,79

RZ = 1,056

Joint position

Base = -14,44

Shoulder = -81,05

Elbow = 117.3

Wrist 1 = -113,82

Wrist 2 = -127,97

Wrist 3 = 14,53

Figura 4.9

Tool Position

X = -407,22

Y = 39,87

Z = -207,38

Rotation Vector

RX = 2,767

RY = 1,79

RZ = 1,056

Joint position

Base = -14,13

Shoulder = -88,07

Elbow = 125,22

Wrist 1 = -114,49

Wrist 2 = -127,89

Wrist 3 = 14,89

Figura 4.10

Tool Position

X = -506,53

Y = -40,68

Z = -200,56

Rotation Vector

RX = 2,792

RY = -0,121

RZ = 1,015

Joint position

Base = -8,9

Shoulder = -72,99

Elbow = 98,95

Wrist 1 = -75,16

Wrist 2 = -84,69

Wrist 3 = 84,42

Figura 4.11

Capitolul 5

Rezultate și concluzii

După mai multe teste și încercări s-a reușit găsirea unei modalități de programare a robotului colaborativ UR5 pentru realizarea unei suduri WIG calitative după cum se poate vedea în imaginile de mai jos. În concluzie se recomandă folosirea robotului colaborativ UR5 pentru realizarea de suduri WIG in serie mică.

Avantajele sudurii WIG cu ajutorul robotului colaborativ UR5 constă viteza de lucru si în calitatea net superioară a sudurii datorată eliminării defectelor produse de eroarea umană (datorită lipsei de experiență sau concentrare a sudorului)

Figura 5.1

Figura 5.2

Figura 5.3

Figura 5.4

Figura 5.5

Figura 5.6

Figura 5.7

Bibliografie

Avram, I., Sălăgean, T., Tehnologia și utilajele procedeelor conexe sudării. Editura tehnică, București, 1968.

Mircea Burcă (2004), Sudarea MIG/MAG, Editura Sudura, Timișoara, ISBN 973-8359-22-8

Corneliu Rontescu, notițe curs Tehnologia sudării prin topire, (2003).

Centea, O., Miklosi, C., Mașini și aparate pentru sudarea electrică. Editura tehnică, București, 1967. Sălăgean, T., Sudarea cu arcul electric. Editura Facla, București, 1977

Gabriel Iacobescu, notițe curs Echipamente de sudare, (2003).

Dorin Dehelean. (1997), Sudarea prin topire, Editura Sudura, Timișoara, ISBN 973-98049-1-8.

Notițe Curs de Inginer Sudor Internațional/ IWE/EWE (2015);

I, Cobot: Future collaboration of man and machine" The Manufacturer (2015-11-15). publicat în 10.01.2016

A History of Collaborative Robots – From Intelligent Lift Assists to Cobots Engineering.com, 28 Octombrie, 2016

Cobots for the automobile assembly line International Conference on Robotics and Automation, Detroit, MI, 1999, pag. 728-733

ISO/TS 15066:2016 Roboti și dispozitive robotice – Roboții colaborativi

Stanley moves into materials handling with Cobotics acquisition Cranes Today, 2 Aprilie 2003

A Brief History of Collaborative Robots Engineering.com, 19 May , 2016

Baxter Kinematic Modeling, Validation and Reconfigurable Representation SAE publicat în Technical Paper 2016-01-0334, 2016

ANUC Announces Record-Breaking 400,000 Robots Sold Worldwide. FANUC America Corporation. publicat în 2017-02-03.

CoBot Robots. Carnegie Mellon University publicat în 12 Martie 2013.

Software Manual US 3-5-2

https://www.universal-robots.com/ro/

https://en.wikipedia.org/wiki/Cobot

https://www.oerlikon-welding.com/processes/tig-welding-process

Acasă

DECLARAȚIE DE AUTENTICITATE A

LUCRĂRII DE FINALIZARE A STUDIILOR

Subsemnatul Albu Lucian legitimat cu Carte de identitate seria KS nr. 329089, CNP 1740402113701autorul lucrării CERCETĂRI PRIVIND ADAPTAREA UNUI ROBOT COLABORATIV PENTRU SUDAREA ROBOTIZATĂ WIG elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a studiilor de master organizat de către Facultatea de Mecanică din cadrul Universității “Politehnica” din Timișoara, sesiunea IUNIE a anului universitar 2017-2018, luând în considerare conținutul art. 39 din RODPI – UPT, declar pe proprie răspundere, că această lucrare este rezultatul propriei activități intelectuale, nu conține porțiuni plagiate, iar sursele bibliografice au fost folosite cu respectarea legislației române și a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

Timișoara,

Data Semnătura

.