ربات جوشکار چیست؟

واژه ربات (Robat) از کلمه اسلاوی (Slavic) Robota به معنای کار اجباری (forced labour) گرفته شده است. ربات چیزی نیست جز یک بازوی مکانیکی قابل برنامه ریزی که از طریق یک سیستم کامپیوتری کنترل می شود.

در صنعت، شرکت ها برای بهبود کیفیت، بهره وری و در عین حال، پایین نگه داشتن هزینه ها تلاش می‌کنند. لذا، اغلب به فکر تکنولوژی هایی هستند، که انتظارات آن ها را در خصوص کیفیت و هزینه برآورده سازد، جوشکاری رباتیک نیز یکی از این تکنولوژی هاست که آن را مدیون سیستم های اتوماسیون صنعتی هستیم.

اگر با اتوماسیون صنعتی آشنا نیستید، مقاله « اتوماسیون صنعتی چیست و چه مزایایی دارد؟» منبع بسیار خوبی برای معرفی این سیستم ها است.

شاید برایتان سوال باشد که ربات جوشکار چیست و چه مزایایی دارد و کاربرد آن در صنعت چیست؟ با استفاده از این مقاله می توانید اطلاعات خود را در خصوص این ربات ها بهبود داده و نقطه شروعی برای خودکار سازی فرایندهایتان باشد.

جوشکاری چیست ؟

جوشکاری، در ابتدایی ترین شکل خود، فرآیند اتصال دو ماده از طریق اعمال گرما و فشار است.

جوشکاری یک فرآیند ساخت است که از گرما، فشار یا هر دو، برای ذوبِ دو یا چند قطعه به یکدیگر به کار می‌رود و با سرد شدن قطعات، یک اتصال ایجاد می‌کند. جوش معمولاً بر روی فلزات و ترموپلاستیک ها استفاده می شود، اما می توان از آن بر روی چوب نیز استفاده کرد. اتصالی که توسط فرایند جوش تکمیل می شود را می توان جوشکاری نامید.

شکل 1- جوشکاری دستی

وقتی مردم به جوشکاری فکر می کنند، اغلب تصویری از یک ماسک محافظ و یک جفت دستکش در ذهنشان تداعی می شود. با وجود این که، جوشکاریِ دستی هنوز جای خود را در صنعت از دست نداده، اما کمبود جوشکاران حرفه ای و متخصص، بسیار حس می شود. لذا امروزه شرکت ها برای راه اندازی جوشکاری رباتیک، سرمایه گذاری‌های فراوانی می کنند.

شکل 2 – جوشکاری رباتیک

قبل از این که به طور دقیق تر به بررسی این ربات ها بپردازیم، بهتر است که تاریخچه ای در خصوص اولین ربات در اختیارتان قرار دهیم. با ماهر همراه باشید.

تاریخچه اولین ربات صنعتی قابل برنامه ریزی

اولین ربات قابل برنامه ریزی در سال 1954 توسط George Devol اختراع شد که به دنبال آن اولین شرکت روباتیِ جهان به نام Unimation را تاسیس کرد.

شکل 3 – پدربزرگ رباتیک، جورج دِوِل

 Devol و همکارانش اولین ربات صنعتی را ساختند. این مدل که Unimate نام داشت در کارخانه خودروسازی جنرال موتورز (General Motors) در نیوجرسی مورد استفاده قرار گرفت و جوشکاری نقطه ای (spot welding) را انجام داد. بنابراین، مفهوم ربات صنعتی ظرف یک دهه به تمام نقاط جهان گسترش یافت.

شکل 4- Unimate، اولین ربات صنعتی

در سال 1978، Unimation با حمایت مالی جنرال موتورز، ماشین قابل برنامه ریزی برای مونتاژ را ایجاد کرد که به اختصار PUMA نامیده شد. امروزه بسیاری از آزمایشگاه ها از این نسخه استفاده می کنند.

شکل 5- Unimate, PUMA

محورهای ربات و مقایسه حرکت ربات و انسان

شکل 6- محور ربات ها

بازوی مفصلی ربات، دارای 6 درجه آزادی (degree of freedom) یا محور (axis) است که توسط موتورهای AC بدون جاروبک با فرمان گرفتن از کنترلر ربات، به حرکت در می آید. محورهای 1 تا 3 به عنوان محورهای اصلی، و محورهای 4 تا 6 به عنوان محورهای فرعی شناخته می شوند.

محور در اصطلاح رباتیک نشان دهنده درجه ی آزادی (DOF) است. به عنوان مثال، اگر یک ربات دارای سه درجه آزادی باشد، می تواند در صفحات x، y و z عمل کند. با این حال، نمی تواند خم شود یا بچرخد. افزایش تعداد محورها به ربات اجازه می دهد تا با درجات آزادی بیشتر به فضای بیشتری دسترسی پیدا کند.

شکل 7- مقایسه حرکت ربات و انسان

بنابراین درک این نکته بسیار آسان است که، ربات ها با درجات آزادی کمتر، حرکات محدودتری را می توانند از خود ارائه دهند. از این رو، انواع ربات با درجات آزادی مختلف شکل می گیرد که در عملیات جوشکاری رباتیک، معمولا از ربات‌های ۶ درجه آزادی استفاده می شود. اما ربات جوشکار و جوشکاری رباتیک چیست؟؟؟

جوشکاری رباتیک و ربات جوشکار چیست ؟

جوشکاری رباتیک (Robotic welding)، فرایندی است که در آن از سیستم اتوماسیون صنعتی برای عملیات جوشکاری استفاده می شود. ربات جوشکار (welding robot) نیز نوعی دستگاه خودکار یا اتوماتیک و قابل برنامه ریزی است که در عملیات جوشکاری شرکت دارد.

شکل 8- عملیات جوشکاری توسط ربات جوشکار

جوشکاری رباتیک ترکیبی از موارد زیر است:

• سیستم های رباتیک
• جوشکاری
• سنسورها
• سیستم های کنترل
• هوش مصنوعی

که همگی دست به دست هم داده و جوشکاری رباتیک را ایجاد می کنند.

انواع جوشکاری و ربات جوشکار

انواع مختلفی از جوش وجود دارد، که ربات ها می توانند انواع این جوش ها و هر نوع فرایند جوشکاری را انجام دهند. این انواع و فرایندها شامل موارد زیر است:

1. جوش مقاومتی (Resistance welding): جوشکاری مقاومتی، هر جوشی است که در آن، جریان الکتریکی از طریق تماس مستقیم از دو قطعه فلز عبور می کند تا آن ها را به هم جوش دهد.
2. جوشکاری نقطه ای (Spot welding): جوش نقطه ای نوعی جوش مقاومتی است که دو قطعه فلز را در یک نقطه به یکدیگر متصل می کند. از این رو، “جوشکاری نقطه ای” نامیده می شود. این فرآیند از جریان الکتریکی بالا، برای ایجاد مقادیر بسیار زیادی گرما استفاده می کند. این گرما فلز را ذوب کرده و باعث می شود تا دو ورقه به هم بپیوندند.
3. جوش آرک (Arc welding): جوشکاری آرک یک نوع قدیمی و در عین حال بسیار رایج از جوشکاری است. همانطور که از نام آن پیداست، در جوشکاری آرک از قوس الکتریکی برای جوش دادن فلز به یکدیگر استفاده می شود. مانند جوشکاری نقطه ای، ” الکتریسیته” کاتالیزور این فرآیند است. جریان به صورت قوس ظاهر شده و گرمای لازم برای ذوب دو قطعه فلز را با هم فراهم می کند.
4. جوشکاری MIG: جوشکاری MIG یکی از انواع جوشکاری آرک است. MIG مخفف گاز بی اثر فلز (metal inert gas) است. در این نوع جوشکاری از گازهای بی اثر مانند هلیوم یا آرگون استفاده می شود. جوشکاری MIG در ربات های جوشکار نیز رایج است.
5. جوشکاری TIG: جوشکاری TIG یکی دیگر از انواع جوشکاری آرک است که کیفیت بسیار بالایی دارد. TIG مخفف گاز بی اثر تنگستن (tungsten inert gas) است. این فرآیند از یک الکترود تنگستن برای ایجاد آرک استفاده می کند.
6. جوشکاری لیزری (Laser welding): جوشکاری لیزری از پرتوهای لیزریِ پرقدرت (high-powered laser beam) برای ایجاد جوش های کوچک و متمرکز استفاده می کند. این نوع جوشکاری برای فلز و پلاستیک استفاده می شود. سیستم های جوش لیزری از گران ترین انواع در بازار جوشکاری هستند.
7. جوش پلاسما (Plasma welding): جوش پلاسما شبیه به جوشکاری TIG است و گاهی اوقات از الکترود تنگستن نیز استفاده می کند. مزیت جوش پلاسما در اینجاست: دمای استاندارد آرک برای جوشکاری پلاسما می تواند در محدوده 25000 درجه سانتیگراد تا 30000 درجه سانتیگراد باشد. در حالی که، دمای استاندارد برای سایر انواع جوش آرک می تواند در محدوده 5000 درجه سانتیگراد تا 6000 درجه سانتیگراد باشد.

انواع ربات مورد استفاده برای جوشکاری

از نظر فنی، انواع ربات ها را می توان در کاربردهای جوشکاری استفاده کرد. این انواع عبارتند از:

• بازوهای مفصلی (Articulated arms)

ربات های مفصلی جز رایج ترین و انعطاف پذیرترین انواع ربات های صنعتی هستند. شباهت آن ها به بازوی انسان یکی از دلایل برجسته شدن آن ها است. بازوهای مفصلی برای جوشکاری، جابجایی مواد، عملیات چیدن و جابجایی و توزیع محصولات، ایده آل هستند. محورهای متعدد و درجات آزادی آن ها به این معنی است که عملاً هیچ نقطه ای وجود ندارد که نتوانند به آن دست یابند. لذا ربات های مفصلی به یکی از متنوع ترین، انعطاف پذیرترین و جمع و جورترین طرح های موجود در بازار تبدیل شدند.

شکل 9 – بازوهای مفصلی

• • ربات های شش محوره (Six-axis robots):

  ربات‌های شش محوره نوعی ربات مفصلی و رایج‌ترین ربات در صنعت هستند. آنها انعطاف پذیری، استحکام بالایی داشته و به دلیل آن که دامنه ی حرکتی زیادی دارند، برای اکثر کاربردها از جمله جوشکاری رباتیک، جابجایی مواد، حذف مواد، رنگ آمیزی و غیره به کار می روند.

  

شکل 10 – ربات های شش محوره

• • ربات های اسکارا (SCARA):

  ربات های SCARA مخفف Selective Compliance Articulated/Assembly Robot Arm هستند. اما معنای اولین حرفِ A در طول سال ها کمی تغییر کرده است.

  1. Selective Compliance Assembly Robot Arm: این تعریفِ اولیه ی این ربات ها بود و هنوز هم رایج است. زیرا در ابتدا این ربات ها بیشتر در کاربردهای مونتاژ استفاده می شدند.
  2. Selective Compliance Articulated Robot Arm: این تعریف بعدها مورد استفاده قرار گرفت، زیرا SCARAها علاوه بر مونتاژ برای کارهای دیگری که مستلزم مونتاژ نیستند نیز به کار رفتند.

  منظور از Selective Compliance چیست؟

  در رباتیک، Compliance به این معنی است که ربات در یک یا چند مفصلِ خود (یا گاهی اوقات در ساختار مکانیکی خود) دارای انعطاف پذیری است.

  Selective Compliance نیز به معنای آن است که این ربات ها به ما این امکان را می دهند که انتخاب کنیم در کدام محورها عملکرد داشته باشند.

  این ربات ها، دارای 4 درجه آزادی بوده و برای کاربردهایی ایده‌آل هستند که به حرکات نقطه‌ به ‌نقطه سریع، تکرارپذیر و واضح نیاز دارند، برای مثال:

  • پالت سازی
  • بارگیری و تخلیه ماشین آلات
  • مونتاژ قطعات کوچک

شکل 11- ربات های SCARA

شکل 12- محورهای ربات SCARA

• استوانه‌ای (Cylindrical)

ربات‌های استوانه‌ای دارای یک پوشش استوانه‌ای و بازوی قابل گسترش هستند که در یک حرکت عمودی و کشویی حرکت می‌کنند. ربات‌های استوانه‌ای به دلیل طراحی فشرده‌شان اغلب در محیط‌های کاری کوچک و فشرده برای مونتاژ های ساده، مراقبت از ماشین، جوشکاری نقطه ای، لحیم کاری و غیره استفاده می‌شوند.

شکل 13- ربات های استوانه ای

شکل 14 – محورهای ربات استوانه ای

• دکارتی (Cartesian)

ربات‌های دکارتی که ربات‌های خطی (linear robots) یا ربات‌های دروازه‌ای (gantry robots) نیز نامیده می‌شوند، ربات‌های صنعتی هستند که روی سه محور خطی حرکت کرده و از سیستم مختصات دکارتی (X، Y و Z) استفاده می‌کنند. ربات های دکارتی یکی از رایج ترین انواع ربات های مورد استفاده برای کاربردهای صنعتی هستند و اغلب برای ماشین های CNC و چاپ سه بعدی استفاده می شوند.

شکل 15 – ربات های دکارتی

• گنتری (Gantry)

ربات‌های گنتری یا دروازه ای نوعی از ربات های دکارتی هستند. ربات های دروازه ای بسته به طراحی خود می توانند بارهای بسیار سنگین را تحمل کرده و آن ها را به سرعت و با دقت، حرکت دهند. علاوه بر این، در صورت نیاز می توانند بسیار بزرگ ساخته شده و کل فضای کف تأسیسات را نیز پوشش دهند. از آنجایی که کنترل حرکتِ ربات های خطی نسبتاً ساده است، اغلب هزینه کمتری نسبت به انواع دیگر ربات ها دارد و می تواند راه حلی بسیار مقرون به صرفه برای بسیاری از کاربردهای اتوماسیون باشد.

شکل 16- ربات های گنتری

بنابراین، اگر بتوان ابزارهای جوشکاری را به انتهای بازوی ربات ها نصب کرد، هر نوع رباتی می تواند، ربات جوشکار باشد. اما، معمولا ربات های شش محوره، رایج ترین ربات ها برای جوشکاری رباتیک هستند. زیرا آن ها انعطاف پذیرترین نوع ربات ها هستند و می توانند در زوایایی که توسط سایر انواع ربات قابل دستیابی نیست، عملیات جوش کاری را انجام دهند.

اجزای ربات جوشکار

شکل 17 – اجزای ربات جوشکار

1. 1. منبع تغذیه، قلب سیستم جوشکاری است. توان لازم برای تولید گرما را برای مایع شدن فلز در انتهای مشعل فراهم می کند، تا قطعات فلزی به یکدیگر متصل شوند (جوش داده شوند). انتخاب منبع تغذیه، وابسته به نوع جوشکاری است که در سیستم مورد نیاز است. نصب منبع تغذیه معمولا نیاز به برق سه فاز دارد.
   2. رابط این امکان را برای کنترل کننده و منبع تغذیه فراهم می کند تا با هم ارتباط برقرار کنند. این ارتباط بر عملکرد جوش نظارت دارد و پارامترهایی را که بر کیفیت جوش تأثیر می‌گذارند، مانند تنظیمات منبع تغذیه، سرعت ربات و بسیاری از پارامترهای دیگر، اصلاح کرده و تغییر می دهد. برای ارتباطات رابط، پرتکل های مختلفی وجود دارد مانند، پرتکل باس، اترنت و غیره.
   3. کابل رابط (interface communication cable)، منبع تغذیه را به کنترل کننده ی ربات، متصل می کند.
   4.  برای جوشکاری هایی که نیاز به مشعل آب خنک (water-cooled torch) دارد، کولر آبی (Water cooler) مورد نیاز است. خطوط خنک کننده باید به بازوی ربات متصل شده و به صورت خارجی پوشانده شوند.
   5. فیدرِ سیم (wire feeder)، سیم جوش را برای فرآیند جوشکاری به مشعل رسانده و باید با ولتاژ و جریان منبعِ تغذیه ی جوش، مطابقت داشته باشد.
   6. براکت فیدرِ سیم (wire feeder bracket)، فیدر سیم را روی ربات نصب کرده و عایق را فراهم می کند.
   7.  این لوله (hose package)، شامل کابل ارتباطی فیدرِ سیم است.
   8. مشعل جداکننده (torch breakaway)، مشعل را در صورت برخورد، به طور مکانیکی قطع می کند.
   9.  یک دیسک عایق (insulation disc) بین مشعل یا هر شکاف مکانیکی روی ربات لازم است.
   10. کابل مشعل (torch cable)، مشعل را به فیدر سیم متصل کرده و اتصال را برای استفاده از سرِ مشعل فراهم می کند.
   11. گردن مشعل (torch neck)، مشعل جوشکاری است.
   12. نگهدارنده سیم جوش، سیم (bulk wire) را برای مصرف در فرآیند جوشکاری به فیدر سیم می رساند. نگهدارنده های سیم جوش معمولی یا از نوع قرقره ای یا بشکه ای هستند.
   13. مجرای سیم جوش، که بین فیدر سیم (wire feeder) و نگهدارنده سیم جوش (welding wire holder) نصب شده است، مجرای انتقال سیم به فیدر سیم را فراهم می کند.
   14. پایه منبع تغذیه (power source stand) برای نصب منبع تغذیه جوش، استفاده می شود.
   15. مسیرهای خطی (Linear tracks)، به ربات جوشکاری این امکان را می‌دهند که دسترسی خود را افزایش داده و کار چندین روبات را انجام دهد.

شکل 18 – ربات جوشکار

مزایای استفاده از ربات جوشکار

عواملی که شرکت ها و کارخانه ها را به سمت جوشکاری رباتیک سوق میدهد عبارت اند از:

• دقت بالا
• کاهش هزینه ها
• سرعت عملکرد بالا
• کیفیت بالای قطعات و ظاهر عالی
• کاهش خطاها و ضایعات
• نتایج دقیق و سریع
• کمک به محیط زیست
• بهره وری بالا
• کاهش مصرف انرژی
• کنترل بهتر حرکت و نیرو
• امکان کار در 24 ساعت شبانه روز
•   ایمنی بالا و جلوگیری از آسیب های جدی مانند:
  1. شوک الکتریکی
  2. قرار گرفتن در معرض آرک
  3. انفجار
  4. برق گرفتگی
  5. از دست دادن شنوایی
  6. نابینایی

کاربرد ربات های جوشکار در صنایع

از ربات های جوشکار می توان در هر صنعتی که نیاز به جوشکاری دارد، استفاده نمود. رایج ترین صنایع برای جوشکارهای رباتیک عبارتند از:

• صنایع خودرو
• صنایع هوافضا
• صنایع فولاد

شکل 19- ربات های جوشکار در صنعت خودروسازی

معروف ترین تولیدکنندگان ربات های جوشکار

از معروف ترین برند ربات های جوشکار می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ABB
• FANUC
• KUKA
• YASKAWA
• Panasonic
• Lincoln Electric
• Adept
• Seiko
• Kawasaki

جمع بندی

در این مقاله ضمن شناخت واژه ی ربات، با اولین ربات قابل برنامه ریزی صنعتی و کاربرد آن آشنا شدیم. سپس به تعریف جوشکاری پرداخته و جوشکاری رباتیک (Robotic welding) و ربات های جوشکار (Welding Robots) و مزایای آن ها را معرفی نمودیم. امروزه در صنایع برای تولیدات انبوه که نیاز به دقت، کیفیت و بهره وری است، از این ربات ها استفاده می شود، احتمالا اکنون دیگر واضح است که چرا اولین ربات در جوشکاری خودرو استفاده شد!

منبع: sme.org