Témata
Reklama

Laser a roboty

Průmyslové roboty mají už léta své pevné místo v řadě technologických procesů a jejich úloha, především v oblasti sériové a hromadné výroby, má dnes v důsledku rostoucích požadavků na produktivitu a jakost výroby, ale i v důsledku nárůstu ceny kvalifikované lidské práce opět po kratší pauze strmě stoupající trend.

Tento směr potvrdil i nedávný mnichovský mezinárodní veletrh laserové techniky Laser 2005 - World of Photonics, špičkový veletrh ve svém oboru, který po dvou letech přináší už tradičně nejen hodnocení dosavadního vývoje oboru, ale výrazně přispívá i k diskusi nad budoucím vývojem této techniky, v mnoha směrech s roboty úzce svázané.
Šance jednotlivých typů laserů užívaných u robotizovaných pracovišť jsou poměrně vyrovnané, i když pevnolátkové, většinou Nd:YAG lasery (1064 nm) a výkonové diodové lasery (808 - 940 nm) mají oproti CO2 laserům (10,64 ?m) výhodu v možnosti přenosu laserového paprsku od jeho zdroje až na místo užití optickým vláknem a samotné diodové lasery mají oproti ostatním výhodu v daleko menších rozměrech a menší hmotnosti. Při volbě laseru je však třeba vycházet především z potřeb konkrétní technologie a brát v úvahu působení paprsku na svařovaný, obráběný nebo jinak upravovaný materiál, absorpci či reflexi paprsku.
Reklama
Reklama
Reklama

Plynový laser na rameni robota

Ještě v mezidobí veletrhů s laserovou technikou, které se opakují pravidelně po dvou letech, se v oblasti vývoje laserové techniky objevily některé novinky, které ve spojení s kloubovými roboty značně posílily právě možnosti využití plynových CO2 laserů. Průkopníkem nového vzájemného uspořádání robotu a laseru se stala firma Reis, která ve spolupráci s firmou Thyssen-Laser-Technik řešila do té doby neobvyklé umístění CO2 laseru na rameni robota. Takové umístění laseru dovolilo už při počátečním přesazení paprsku přímo do osy technologické hlavice, řešeným podle vlastního patentu, i nižší počet zrcadel optické cesty. K jejich justáži dochází přitom z vnějšku pomocí diodového laseru. Jako nejvhodnější se pro zvolenou úpravu ukázaly neprůtočné typy laserů s difuzním chlazením do výkonu 600 W, kde se dosahuje při nižší hmotnosti i vhodnější operativnosti. Takovým typem byl v úvodu 600W laser firmy Rofin Sinar, posléze dodala speciálně pro svařování a řezání na tomto pracovišti laser typu TCF 1 firma Trumpf. Ten je mimořádně lehký, o hmotnosti jen 250 kg, a přitom při jmenovitém výkonu 600 W dosahuje podle sdělení výrobce výkonnosti srovnatelné s 2kW lasery (nosnost ramena u specializovaných kloubových robotů dostoupila dnes až k 600 kg).

Vše od jednoho výrobce

O součinnosti laserů a robotů a jejich společném budoucím vývoji hodně napověděla i situace u známého japonského výrobce kloubových robotů Fanuc, který v konkurenci podobných výrobců vyšel vstříc tržnímu zájmu o taková pracoviště, kde robot, laser i základní software jsou z jedné firmy. Z toho důvodu uzavřel Fanuc exkluzivní licenční smlouvu s firmou Rofin Sinar, podle které je oprávněn vyrábět u této firmy vyvíjené, diodou čerpané pevnolátkové stab-lasery a dodávat je i na další trhy. V rámci této smlouvy vyvinul Fanuc Robotics vlastní laserové diodové moduly i vlastní 1kW, výbojkami čerpaný Nd:YAG laser. Ten se sice může použít v kombinaci s každým typem robotu Fanuc, ale speciálně pro něj přepracoval Fanuc svůj osvědčený kloubový robot M-16i na typ Y-16i. Nový typ robotu se liší speciálním vedením pro optický kabel, přivádějící laserový paprsek do laserové hlavice upevněné na pracovním ramenu robotu. Vlastní je i aplikační software, kdy je laser řízen řídicím systémem robotu. Fanuc na základě už zmíněné dohody vyrábí i 4,4kW Nd:YAG laser a řadu CO2 laserů od 1 do 6 kW, kde nejsilnější typ dokáže řezat konstrukční ocel až do tloušťky 40 mm. S firmou Carl Cloos Schweisstechnik uzavřel Fanuc dohodu na stavbu uzavřených robotizovaných pracovišť, jejíž první etapa byla zaměřena především na pracoviště hybridního svařování s využitím synergického efektu spojením laserového a obloukového svařování. Obdobnou tendenci přizpůsobení potřebám trhu vykazují i další přední firmy, jako např. Trumpf, známý výrobce laserových systémů, který na bázi Nd:YAG i CO2 laserů vytváří i kompletní automatizovaná centra pro svařování a řezání, nebo firma Reis, která i přesto, že sama není výrobcem laserů, přebírá při stavbě robotizovaných laserových pracovišť vůči zákazníkovi roli generálního projektanta a dodavatele.

"Remote" svařování

Přímo na veletrhu byla v oblasti využívání laserových technologií v kombinaci s roboty středem zájmu technologie označovaná střídavě jako Remote Welding či jako Remote Schweissen - to v podání německých firem, které se touto technologií především zaobírají (anglické "remote", značící pojem daleký, vzdálený, tady znamená dostatečnou vzdálenost posledního optického členu laserového nástroje od místa účinku vlastního laserového paprsku? při užití výkonových diodových laserů je takovou "ohniskovou vzdáleností" 50 až 150 mm, u pevnolátkových Nd:YAG laserů 150 až 300 mm a u CO2 standardních laserů 200 až 500 mm). Jde o technologii, kdy pomocí optického skeneru s tzv. létajícím paprskem se dosahuje už i u výkonových laserů, uplatňovaných u robotizovaných pracovišť, vysoce produktivního způsobu svařování (nebo i řezání), a to mnohem rychlejším pohybem fokusovaného paprsku v dostatečně velkém rozsahu pracovního pole než při rychlosti, kterou nabízí kinematika samotného robotu. Přitom může jít o technologii švového i bodového svařování s rychlým najížděním pozic svarů.
Po teoretické stránce se tímto způsobem zabývá např. Technická univerzita v Hamburku, která své vývojové práce ověřuje především při stavbě robotizovaných pracovišť firmy KeySysTech GmbH. Na veletrhu představil vývojovou studii této technologie ve spojení s obecným typem kloubového robotu Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS, a to se svým 3-D skenovacím optickým systémem Lasertronic SAO 1.06 pro napojení na klasický pevnolátkový Nd:YAG laser do výkonu 4 kW a ve variantě s výkonově obdobným kotoučovým laserem Yb:YAG, který proti klasické verzi vyniká při stejném výkonu vyšší jakostí paprsku. Ta obecně dává výhodu užší fokusace paprsku a u technologie Remote Schweissen dosažení větší pracovní vzdálenosti a rozšíření pracovního pole.
Již prakticky využitelnou technologii Remote Schweissen pak na veletrhu předvedla především firma Trumf, a to se svým novým, patentově chráněným 3-D zrcadlovým skenerem z řady PFO. Ten umožňuje např. u 6kW CO2 laseru, označovaného TrumaScan 4000, využívat při pracovní vzdálenosti 1000 mm a fokusaci paprsku na stopu ? 500 - 600 ?m pracovní plochu o průměru až 1500 mm. U tohoto typu laseru slouží kloubové roboty spíše pro manipulaci se svařenci, k jejich zakládání a odebírání. Pro využití přímo na ramenu kloubového robotu je programovatelná skenovací optika tohoto typu, vybavená navíc konektorem pro napojení optického vlákna, upravena ve dvou speciálních variantách s hmotností 12 a 33 kg. Menší typ PFO 20 je vhodný pro lasery do výkonu 1 kW, pracovní vzdálenost laseru je pak do 165 mm a pracovní pole skenování ? 84 mm, větší typ PFO 33, tzv.multikilowattový, je vhodný pro pracovní vzdálenost až 533 mm a skenovací pole 320 x 190 mm. Napojení systémů je možné i na pevnolátkový laser s větším počtem výstupů.
Tento nový systém zatím zavedla do své praxe svařování dílů automobilové karoserie firma DaimlerChrysler, a to v kombinaci s klasickým pevnolátkovým laserem, tedy s tyčovou formou krystalu, přičemž už v blízké budoucnosti uvažuje o kombinaci se 4kW kotoučovým laserem. Je jen otázkou času, kdy tento nový produktivní způsob nahradí zatím obvyklé laserové svařování pomocí robotů s čistě mechanickými pohyby i v jiných automobilkách. Jako smysluplné se jeví uskutečňovat rámcové pohyby přes mechaniku robotu, jemné pracovní úkony v rozsahu skenovacího pole při podstatně vyšší produktivitě přes skenovací systém. Trumpf spolupracuje v této oblasti s firmou Kuka, kde se programování dat provádí buď přes Kuka-Teach-Panel, nebo programem Master-PC.
Obdobný třísouřadnicový skener pro technologii Laser-Remote-Schweissen, kde se pro skenování v ose Z využívá programového propojení s kinematikou robotu, představila na veletrhu i zatím méně známá firma Highyag Lasertechnologie ze Stahnsdorfu, uzavírající zatím teprve první desetiletí své působnosti ve specializovaném oboru přenosových optických systémů laserového paprsku a vývoje hlavic pro laserové technologie.
Do třetice přišla s obdobnou myšlenkou skenování, tentokrát pro procesy řezání a vyřezávání, i ještě mladší, teprve čtyřletá specializovaná firma na projektování robotizovaných pracovišť Robot Technology z Kleinostheimu, která se orientuje především na řezání plastických hmot nebo slabších ocelových plechů. Při vlastním designu konečné sestavy a vlastní konstrukci skeneru pro rozmítání zaostřeného paprsku využívá pro tato pracoviště kloubových robotů firem Kuka a ABB a difuzně chlazených 100 - 600W laserů CO2 od firmy Rofin Sinar. Oproti kombinaci, kterou Rofin s tímto typem laseru předvedl ve spojení s roboty firmy Reis, kde 600W laser je umístěn na ramenu kloubového robotu ve svém originálním provedení a jen cesta paprsku ramenem robotu je jednodušší s nižším počtem směrových zrcadel, je výsledkem vzájemné spolupráce firem Robot Technology - Kuka, ABB - Rofin zcela nové provedení kloubového kompaktního laserového robotu, označeného Robocut, kde další snížení počtu prvků pro vedení paprsku výrazně přispělo k nižší hmotnosti laseru a tím i k menšímu zatížení robotu. Přestože Robot Technology je mladou firmou, má za sebou už řadu úspěšných referencí, včetně třeba takového výrobce, jakým je automobilka VW. I tady, obdobně jako u technologií firmy Trumpf, je provedení skenovacího systému, zde dvouosého, předmětem vlastního patentu. Celý postup této technologie, kde při výkonech užívaných CO2 laserů a v rozsahu zaostřeného laserového svazku na plochu o průměru 150 mm dává "létající" optika laseru vyšší konečnou pohybovou produktivitu oproti užití jen mechanických pohybů robotu, by bylo možné obdobně jako u předchozích technologií označit terminologií Laser-Remote-Schneiden. Při potřebě řezání nebo vyřezávání větších dimenzí je možné skenovací systém na robotu doplnit nástavcem klasické laserové řezací hubice nebo využít laseru bez skenovacího systému.

Další aplikace

Pro krytí potřeb při řezání kovových materiálů, včetně plechů větších tlouštěk z ušlechtilých ocelí nebo hliníkových slitin, připravil Robot Technology i robotizované pracoviště s pevnolátkovým kotoučovým 1,5kW laserem firmy Rofin. Robot je typu ABB IRB 2400/16 s řídicím systémem ABB IRC 5. Pro všechny uváděné robotizované systémy vyvinul Robot Technology uzavřená skříňová pracoviště s uživatelským vizuálním rozhraním Flacs Control.
Spojení s robotem se na veletrhu Laser 2005 dotýkala i řada dalších předvedených technologií a exponátů. Jmenujme alespoň 3D svařování a vyřezávání ocelových a hliníkových plechů ve spolupráci Reis Robotics a Thyssen Laser Technik, navazující na vývojové práce ve Fraunhofer Institutu ILT, kde se podařilo pro svařování hliníku stanovit potřebnou výkonnost laseru, kdy už jeho paprsek není materiálem odrážen, ale z větší části absorbován. Z ILT pochází i nová konstrukce jednotné laserové hlavice pro svařování a řezání, která u robotizovaných pracovišť podstatně zvyšuje produktivitu při opracování dílů, u kterých se vyskytuje potřeba užití obou technologií.
Souběžně s průběžným nárůstem laserového svařování karoserií roste i potřeba kontroly kvality svarů. Tady hned několik firem (např. MEL Mikroelektronik, Vitronic, Precitec či Soudronic Automotive) představilo své senzorové systémy kontroly provedeného švu, a to jak jeho polohy, tak i tvaru a struktury. Tyto systémy pracují většinou na principu laserové triangulace s předřazeným senzorem na vlastní svařovací hubici a snímáním CMOS kamerou. Pro kvalitní průběh svařování je možné regulovat výkon laseru i vestavbou pyrometru do optiky nástroje.
Opomenout nelze ani propojení robotů s laserovým pájením, především s pájením natvrdo, které dnes už řada automobilek používá u některých spojů karoserie místo svařování. Při pájení nedochází k tepelným deformacím dílů a spolehlivě je možné pájet i oboustranně pozinkované plechy, kde při přeplátovaném svařování může být odpařovaný zinek příčinou porozity svaru. Z předních automobilek používá pájení s 3kW Nd:YAG laserem v kombinaci s kloubovým robotem u své nové trojkové řady např. automobilka BMW, přičemž kombinaci laseru a robotu používá u této řady i pro vyřezávání otvorů prostorových dílů sloupků karoserie, připravených technologií hydraulického tváření vnitřním přetlakem. Úspěšně pájet natvrdo je dnes možné už i díly hliníkových karoserií. Dokončený vývoj ve Fraunhofer Institutu ILT doporučuje postup pájení za užití dvou různých laserových paprsků, kdy jeden paprsek s vyšší intenzitou a nižším výkonem aktivuje připravený povrch, druhý laserový paprsek s menší intenzitou a větším výkonem dává dostatečnou tepelnou energii pro vlastní proces pájení. Tento způsob pájení bez nanášení agresivního tekutého pájecího prostředku snižuje už sám o sobě výrobní náklady, nevyžaduje však ani následného čištění, a navíc je zdravotně nezávadný.
Ing. Jiří Šmíd
Veškeré obrázky naleznete v tištěné podobě časopisu.
Reklama
Vydání #10
Kód článku: 51001
Datum: 12. 10. 2005
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Související články
Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Řezání vysokým tlakem

Pro řezání drobných a kompletních tvarů kombinovaných (složených) materiálů nebo oceli používá řada podniků řezání vysokoenergetickým kapalinovým paprskem s abrazivem. Na trhu jsou nyní nabízeny tři rozdílné stroje, od základního modelu až po vysoce rychlostní variantu.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Metody spojování využívající principy plastické deformace

Součástí automobilů je množství nejrůznějších dílů, k jejichž výrobě se používají různé technologické procesy a široké spektrum materiálů. Technologie jako svařování, lepení a mechanické spojování jsou obvykle používány ke spojování jednotlivých dílů během montáže automobilu. Ačkoliv je technologie svařování velmi rozšířená, může svou podstatou ovlivňovat celkovou kvalitu spojovaných částí, jejich přesnost a spolehlivost. Vynaložená energie a síla potřebná pro spojování je při použití lepení nebo mechanických spojů vždy nižší než při svařování. Přitom stále rostou požadavky na vyšší stupeň deformace, produktivitu práce a na nižší náklady spojovacích operací.

Trhací nýty pro vysoké zátěže

Strukturální trhací nýty jsou ideální alternativou ke svařování nebo šroubovému spojení. Bezpečně a rychle se instalují a nabízejí značné výhody z hlediska smyku, tahu a dynamického zatížení. Použití strukturálních trhacích nýtů M-Lok při montáži rámů strojů a strojních součástí umožnilo firmě Zahoransky zkrátit jejich výrobní časy.

Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Inovovaná fiber laserová centra

Dnešní výrobci plechových dílů vyžadují vysoce flexibilní, efektivní a inteligentní řešení. Nové inovace ve výrobě vláknového laseru Prima Power byly navrženy a vyvinuty tak, aby splňovaly tato očekávání. Platino Fiber Evo je nejnovější verzí platformy Platino s více než 2 000 instalací po celém světě, vylepšenou o důležité technologické inovace.

Nové úkoly v technologii vodních paprsků

Jednou za dva roky pořádá Oddělení desintegrace materiálů Ústavu geoniky Akademie věd ČR konferenci o technologii vysokorychlostních vodních paprsků. Letos organizátoři pro své setkání vybrali nádherné a inspirativní prostředí Lednicko-Valtického areálu, zapsaného do seznamu světového a kulturního dědictví UNESCO. V pořadí již pátá konference této série přitáhla pozornost mnoha zahraničních a tuzemských odborníků.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit