ロボット溶接の新技術

Aug 07, 2023

自動車業界からの需要に後押しされ、レーザー溶接は 6 軸ロボットの用途の中で最も急速に成長しているものの 1 つです。 写真提供：ABB Robotics

レーザー溶接用のドレス パッケージのセットアップには注意が必要です。 曲げ半径の制限に従う必要があり、ケーブルが衝撃に耐えることはできません。 写真提供：Comau LLC

ロボットが GTAW に使用されるか GMAW に使用されるかに関係なく、専門家はそのタスク用に特別に設計されたマシンを推奨します。 写真提供：ファナックアメリカ株式会社

ABB は最近、ロボット溶接技術のプラットフォームに TIP TIG プロセスを追加しました。 フィラー ワイヤを溶接池に連続的に供給する代わりに、フィーダーはワイヤを前後に撹拌します。 二次電源によって供給される電流もフィラー ワイヤに適用されます。 写真提供：ABB Robotics

フィクスチャレス溶接では、ベース部分はシンプルなフィクスチャに配置されます。 次に、視覚誘導のマテリアルハンドリングロボットが溶接する部品を持ち上げ、ベース部品上の所定の位置に設置し、アーク溶接ロボットが作業を行う間、その部品をそこに保持します。 写真提供：ファナックアメリカ株式会社

何らかの溶接は、この技術が発明されて以来、産業用ロボットの最大の用途であり続けています。

国際ロボット連盟によると、世界のロボットの 50% が溶接に使用されています。 具体的には、33 パーセントがスポット溶接に使用され、16 パーセントがアーク溶接を実行し、1 パーセントが他の種類の溶接作業を実行しています。

6 軸ロボットを使用すると、組立業者は部品をより適切に、より速く、より安定して、より安全に溶接できます。 また、溶接ロボットの機能は近年劇的に向上しており、さらに使いやすくなり、導入コストも安くなりました。 かつては自動車 OEM やその他の大手メーカーのみが独占していたテクノロジーが、現在では中小企業にも十分に手の届くところにあります。

したがって、市場調査会社テクナビオによると、溶接ロボットの世界市場が 2019 年まで毎年 6.09% 成長すると予想されるのも不思議ではありません。

自動車業界からの需要に後押しされ、レーザー溶接は 6 軸ロボットの用途の中で最も急速に成長しているものの 1 つです。 自動車メーカーは車両の軽量化を迫られており、レーザー溶接はさまざまな面でその問題に対処できる、とComau LLCの材料・技術ディレクターのマーク・アンダーソン氏は語る。

たとえば、重量を節約するために、自動車メーカーはさまざまなシャーシコンポーネントにハイドロフォーミングチューブを使用することが増えています。 このようなチューブに金属板を接合する場合、アセンブリの両側にアクセスする必要がある抵抗スポット溶接では問題が生じます。 レーザー溶接にはそのような制限はありません。 アセンブリの片側にアクセスするだけで済みます。

さらに、レーザービームの焦点が非常に小さいため、重ね接合用の部品フランジは抵抗スポット溶接用に設計されたものよりも狭くなる可能性があるとアンダーソン氏は言います。 金属の量が減れば、重量も減り、コストも下がります。

「スポット溶接ガンのエンドキャップの直径は 0.25 インチである可能性があります」と彼は説明します。 「つまり、フランジの幅は少なくとも 10 ～ 12 ミリメートルでなければなりません。レーザー溶接を使用すると、スポット サイズを直径 1 ミリメートルにすることができます。これで、フランジの幅はわずか 3 ～ 4 ミリメートルになります。これは 50% の節約になります。」素材的には。」

また、車両重量を軽減する必要があるため、自動車メーカーはさまざまな厚さのさまざまな材料で車体を組み立てています。 かつては、ドア パネルのすべての部品が同じ鋼板ロールから打ち抜かれていたかもしれません。 現在では、その同じドア パネルが、厚さの異なる 5 つの異なる素材で構成されている可能性があります。

レーザー溶接はこの課題にも役立ちます。 「レーザービームは、GMAW（ガスメタルアーク溶接）よりもはるかに多くの熱を発生させる可能性があります」と、ABB Roboticsの溶接および切断の市場開発マネージャーであるMark X. Oxlade氏は言います。 「このような高温では、異なる材料をより簡単に接合できます。」

アーム先端工具 (EOAT) のサイズにより、抵抗溶接には、約 100 ～ 250 ポンドの高い積載量を備えたかなり重いロボットが必要です。 一方、GMAW のツールは小型で軽量であるため、可搬重量が 20 ～ 40 ポンドのロボットで十分な場合があります。

レーザー溶接はその中間だとアンダーソン氏は言います。 最近では、ファイバー、ダイオード、またはディスク レーザーなどのレーザー光源自体は EAOT の一部ではありません。 むしろ、レーザーはロボットからかなり離れた場所に配置され、ビームは光ファイバーケーブルを介してEAOTに届けられます。 したがって、ロボットが運ぶ必要があるのは、さまざまな光学系 (レーザー ヘッド)、ケーブル、および溶接中に部品をクランプするのに役立つ圧力ホイールなどの補助ツールだけです。 その結果、組立業者は可搬重量が 60 ～ 90 ポンドのロボットのみを必要とする可能性があります。

一方で、可搬質量が低いロボットは、一般に到達距離も短くなります。 そのため、より大きな作業範囲が必要な場合、組立業者はより高い能力のロボットにアップグレードする必要があるかもしれません。

レーザー溶接ロボットのドレス パッケージは、電気ケーブルの代わりに光ファイバー ケーブルが使用される点を除いて、他のタイプの溶接ロボットのドレス パッケージと似ています。

「レーザー溶接用のドレスパッケージのセットアップには、おそらく抵抗スポット溶接よりも注意が必要です」とアンダーソン氏は警告します。 「曲げ半径の制限を遵守する必要があり、ケーブルが衝撃に耐えることはできません。」

Trumpf Inc. や IPG Photonics Corp. などのレーザー サプライヤーは、ロボット OEM と緊密に連携しており、2 つのテクノロジーが調和して機能します。 たとえば、ABB は、Trumpf のプログラマブル フォーカシング オプティクス (PFO) レーザー ヘッドを、外部 PC ではなく ABB のロボット コントローラー経由で制御できるインターフェイスを開発しました。

「これによりサイクルタイムが大幅に改善されます」とオックスレイド氏は言います。 「典型的なサイクル タイムの 3 分の 1 から 3 分の 2 が、純粋にその機能によって短縮される可能性があります。歴史的には、ある点に移動し、溶接し、別の点に移動するなどの作業が必要でした。今では、ソフトウェアを使用することで、簡単に次のことが可能になります。これを 1 つの包括的な動作として実行すると、サイクル タイムが大幅に節約されます。」

PFO は、2 つの回転ミラーを使用してレーザー ビームを位置決めし、処理速度と位置決め速度を最大化し、全体のサイクル タイムを短縮します。 レーザービームは、プロセス空間内の任意の事前定義された位置に配置することも、任意の輪郭上に誘導することもできます。 ワークや集光光学系を移動させることなく、スポット溶接、ステッチ溶接、連続シーム溶接、切断が可能です。

PFO は、パルス発振ソリッドステート レーザーと連続発振ソリッドステート レーザーの両方で使用できます。 90 ～ 1,200 ミリメートルの範囲の異なる焦点距離により、異なる処理フィールド サイズが可能になります。

処理は「オンザフライ」で実行できるため、ロボットとスキャナの動作の重複による位置決め時間を最小限に抑えることができます。 焦点距離に応じて、56 x 56 ミリメートルから 406 x 630 ミリメートルの作業領域を実現できます。

PFO を使用すると、熱伝導溶接と深溶け込み溶接の両方で最適な溶接シーム品質を実現するために、レーザー スポットのぐらつきを個別に調整できます。

「レーザービームは非常に細いのです」とオックスレイド氏は説明する。 「そのため、正確に的を射ていない場合、品質が低下する可能性があります。PFO を使用すると、ビームを拡散させることができます。アーク溶接で織り込むのと同じように、ビームをディザリングしたりぐらつかせたりすることができます。」

したがって、部品の位置が多少ずれていても、高品質の溶接を行うことができます。

最近ロボットレーザー溶接が大きな注目を集めていますが、ロボットアーク溶接技術も近年大幅に進歩しています。

たとえば、ABB は最近、ロボット溶接技術のプラットフォームに TIP TIG プロセスを追加しました。 TIP TIG International AG によって開発されたこのプロセスは、ガス タングステン アーク溶接 (GTAW) のバリエーションです。 フィラー ワイヤを溶接池に連続的に供給する代わりに、フィーダーはワイヤを前後に撹拌します。 二次電源によって供給される電流もフィラー ワイヤに適用されます。

GTAW は 6 軸ロボットで行うのが難しいことで知られています。溶接前の部品の取り付けは正確かつ再現可能でなければならないためです、と Oxlade 氏は説明します。

「フィラーワイヤーを振動させると、部品の嵌合がより寛容になり、接合部の側面が濡れやすくなります」と彼は言います。 「熱入力の低減や移動速度の向上など、他の利点もあります。通常、GTAW は非常に低速ですが、ロボット TIP TIG を使用すると、GMAW の速度に近づくことができます。」

ロボットが GTAW に使用されるか GMAW に使用されるかに関係なく、専門家はそのタスク用に特別に設計されたマシンを推奨します。

良い例は、ファナック アメリカ社の ARC Mate 100iC/8L です。昨秋に導入されたこのロボットは、到達距離 2,028 ミリメートル、可搬質量 8 キログラムを備えています。

すべてのファナック ロボットと同様に、ARC Mate 100iC/8L は、ビジョンおよび統合二次制御、ロボガイド シミュレーション、DCS 速度および位置チェック ソフトウェアなどの統合インテリジェント機能を備えた同社の最新の R-30iB コントローラで動作します。

モデル 8L に加えて、ARC Mate 100iC シリーズには、リーチ 1,420 ミリメートル、ペイロード 12 キログラムのモデル 12 と、リーチ 1,632 ミリメートル、ペイロード 7 キログラムのモデル 7L が含まれています。 ロボットは床、頭上、または斜めに取り付けることができ、ジョイント 3 を反転することができます。

「100iC シリーズの設計における私たちの主な目標の 1 つは、設置面積がコンパクトでありながら、あらゆる部品の周囲に到達し、トーチを部品のさまざまな領域に向けることができる最大のリーチとストロークを備えたロボットを作成することでした。」とゼネラル マネージャーのマーク シャーラーは述べています。 FANUC America Corp.での材料接合用

すべての 100iC ロボットには中空のリストがあり、これによりケーブルとチューブの配線が簡素化され、ケーブル管理の問題が解消されると Scherler 氏は言います。 ロボットのアームの外部に取り付けられる従来のドレス パッケージと比較して、ARC Mate 100iC の内部ルーティングにより、ドレス パッケージがロボットの動作範囲に追従できるため、プログラミングが簡素化され、ケーブルの曲がり、引っかかり、破損の心配がなくなりました。

ARC Mate 100iC ロボットと R-30iB コントローラは、溶接トーチ ケーブル、ワイヤ送給装置、溶接電源を含む溶接システムに統合できます。 ファナックは、溶接機器のサプライヤーであるリンカーン エレクトリック社と緊密に連携して、ロボット コントローラーと溶接電源間のイーサネット ベースのインターフェイス ArcLink XT を開発しました。

「その結果、ロボット アーク溶接アプリケーションのセットアップ作業はすべて、ロボットのティーチ ペンダントを通じて行うことができます」と Scherler 氏は説明します。 「電源に関して追加のプログラミングを行う必要はありません。」

ロボットアーク溶接のもう一つの新技術は「フィクスチャーレス溶接」です。 通常、ロボットアーク溶接では、その用途専用に設計された高価な治具に部品を厳密かつ正確に配置する必要があります。 フィクスチャレス溶接により、ベース部分はよりシンプルなフィクスチャにしっかりと配置されます。 次に、マテリアルハンドリング用に設計された視覚誘導型 6 軸ロボットが溶接する部品を持ち上げ、ベース部品上の所定の位置に設置し、100iC アーク溶接ロボットが作業を実行する間、その部品をそこに保持します。

「フィクスチャレス溶接を使用すると、資本コストが下がります。すべての作業に合わせて特別なフィクスチャを構築する必要はありません。柔軟性が高まります」と Scherler 氏は言います。