Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt eine Baustellenschweißanlage vor, die speziell für die Anforderungen beim Schweißen von Stahlmatten entwickelt wurde. Sie nutzt ein Einpunkt-Schweißverfahren, ähnlich dem Aufbau eines Druckers, und löst damit sowohl die Probleme der Stromversorgung und der Verfügbarkeit auf Baustellen als auch diverse Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Mattenbahnen. Die Ergebnisse zeigen, dass das System eine einfache Struktur, eine gute Regelbarkeit und niedrige Kosten aufweist. Es erfüllt die Produktionsanforderungen und ist auch in flexiblen Fertigungssystemen einsetzbar, wodurch die Anlagenauslastung deutlich verbessert wird.
Schlüsselwörter: Forschung und Anwendung von mobilen, einköpfigen Schweißdrahtgittern
Chinesische Bibliotheksklassifikationsnummer: TP 273
Dokumentenidentifikationscode: A Studie und Anwendung einer Schlüsseltechnologie für ein bewegliches Einzelbrenner-Schweißnetzgerät CAO Meng-long (Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China)
Zusammenfassung: Aufgrund der Eigenschaften des Stahlschweißens wurde das Gerät analog zu einem Drucker mit Widerstandsschweißtechnik entwickelt. Diese Schlüsseltechnologie löst die Probleme der Stromversorgung und der Feldnutzung. Mit dem Gerät lassen sich große Stahlnetze herstellen. Es zeichnet sich durch eine einfache Struktur, hohe Leistung und geringe Kosten aus. Die Schlüsseltechnologie ermöglicht einen flexiblen und breiten Einsatz des Geräts. Schlüsselwörter: Bewegliches Einflammenschweißen, Netzforschung, Anwendung
Einleitung [4]
Geschweißte Drahtgitter, eine Art Stahlbetonprodukt, wurde Mitte des 19. Jahrhunderts in Europa entwickelt. Sie werden in Fabriken mithilfe fortschrittlicher Mikrocomputer-Steuerungs-, Prüf- und Pneumatiktechnologien hergestellt. Normale, kohlenstoffarme, kaltgewalzte Stahlstäbe und kaltgewalzte Rippenstahlstäbe werden an ihren Kreuzungspunkten mittels Widerstandsschweißen miteinander verschweißt. Nach fast einem Jahrhundert der Anwendung und Weiterentwicklung haben sich geschweißte Drahtgitter im Ausland in der Bauindustrie weit verbreitet. In China wurden in den letzten fünf bis sechs Jahren über 50 Fabriken für geschweißte Drahtgitter gegründet, und die Technologie für geschweißte Drahtgitter aus kaltgewalztem Rippenstahl zählt zu den „Zehn neuen Technologien“ der Bauindustrie. Die in China verwendeten stationären Mehrkopf-Schweißanlagen sind jedoch sperrig, wenig intelligent und verbrauchen viel Strom, wodurch sie sich für den direkten Einsatz auf Baustellen ungeeignet machen. Forschungsergebnisse zu Schlüsseltechnologien für mobile Einkopf-Schweißanlagen haben eine Lücke in dieser Technologie auf dem chinesischen Schweißmarkt geschlossen.
Die speziell für das Schweißen von Stahlmatten entwickelte Schweißanlage für Baustellen arbeitet mit einem Einpunkt-Schweißverfahren, ähnlich dem Aufbau eines Druckers. Dadurch werden sowohl die Probleme der Stromversorgungskapazität und des Platzbedarfs auf Baustellen als auch die Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Mattenbahnen gelöst. Das gesamte System nutzt PC-Technologie für eine zweistufige Steuerung und eine variable Frequenzdrehzahlregelung zur freien Positionierung des Maschenabstands, wodurch dieser beliebig einstellbar ist. Dies verbessert sowohl die Genauigkeit als auch die Flexibilität der Maschenabstandsregelung.
1. Zusammensetzung eines mobilen Drahtgitter-Schweißgeräts mit einem Schweißkopf [1][2]
Die mobile Einkopf-Schweißgitteranlage besteht aus einem Schweißroboterkörper und einem Steuerschrank.
Die mechanische Struktur des Schweißroboters hat im Wesentlichen die Form eines Parallelogramms. Um die Schweißanforderungen von Stahlbetondrahtgewebe zu erfüllen, ist der Schweißkopf – analog zu ausländischen Schweißrobotern – über einen Verbindungsflansch an der mechanischen Schnittstelle der letzten Roboterachse befestigt. Der Parallelantrieb des Schweißroboters nutzt Frequenzumrichtertechnologie. Da Wechselstrommotoren bürstenlos sind, bieten sie hervorragende dynamische Eigenschaften, was zu einer geringen Ausfallrate, deutlich längeren wartungsfreien Zeiten, schnelleren Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten, präziser Positionierung und minimalen Vibrationen führt. Der mechanische Unterarm des Schweißroboters, der den Schweißkopf trägt, wird von einem Zylinder angetrieben und kann sich auf und ab bewegen. Der Anpressdruck beim Schließen und der Druckbeaufschlagung der beweglichen und festen Schweißköpfe ist einstellbar, und die beiden Elektroden schließen sich sanft, um Verformungen durch Stöße und Geräusche zu minimieren. Beim Widerstandsschweißen von Stahlbetondrahtgewebe muss sich der mechanische Unterarm des Endeffektors, der den Schweißkopf trägt, schnell, gleichmäßig und präzise zwischen den Schweißpunkten bewegen, um die Bewegungszeit zu verkürzen und die Arbeitseffizienz zu steigern. Der speziell für die Anforderungen des Schweißprozesses von Stahldrahtgewebe entwickelte Schweißroboter nutzt eine feste Schiene für die seitliche Bewegung. Die Kabel können in der Schienennut geführt werden, um ein ständiges Schwingen während der Roboterbewegung zu verhindern und so die Beschädigungsrate der Kabel zu reduzieren.
Dank seines integrierten Schweißkopfes kann der Drahtgitterschweißroboter die Anforderungen schneller, kurzer Kopfbewegungen beim kontinuierlichen Schweißen erfüllen und einen Verfahrweg von 50 mm innerhalb von 0,3 Sekunden zurücklegen. Die Steuerung des Roboters erfolgt über eine SPS.
2 Schlüsseltechnologielösungen für bewegliche Einzelschweißköpfe [3]
Um bei einem Schweißroboter das Positionieren und Schweißen während der Bewegung zu ermöglichen, ist die Steuerung der Bewegung und Positionierung des festen Schweißkopfes des Roboters eine Schlüsseltechnologie, die die Konfiguration des elektrischen Steuerungssystems des Schweißroboters darstellt.
Vor dem Schweißen werden die horizontalen und vertikalen Bewehrungsstäbe zunächst auf der festen Elektrodenanordnung überlappend angeordnet. Anschließend treibt der Frequenzumrichter den Drehstrom-Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer an. Nach der Drehzahlreduzierung durch ein Schneckengetriebe zieht der Motor die Fahrschiene des Roboters. Sobald der Schweißkopf (die bewegliche Schweißelektrode) am Roboterarm auf einen bestimmten Schweißpunkt (den Schnittpunkt der horizontalen und vertikalen Bewehrungsstäbe auf der festen Elektrode) ausgerichtet ist und stoppt, drückt der Roboterarm den Schweißpunkt ab und beginnt mit dem Schweißen. Nach Abschluss eines Schweißpunktes hebt sich der Roboterarm wieder an, die Fahrschiene bewegt den Schweißroboter zur nächsten Schweißposition und stoppt dort, um den zweiten Schweißpunkt zu verschweißen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das gesamte Stahlgitter verschweißt ist.
Die Positionssteuerung erfolgt typischerweise über einen Computer oder eine SPS mit entsprechenden Modulen. Für Antriebssysteme mit geringen Präzisionsanforderungen werden drehzahlunregelmäßige AC-Antriebe eingesetzt, während für Anlagen mit hohen Anforderungen an Positioniergenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit drehzahlgeregelte DC-Antriebe verwendet werden. Dank der Weiterentwicklung der Leistungselektronik hat sich die Leistungsfähigkeit von Frequenzumrichtern kontinuierlich verbessert, und der rapide Preisverfall hat zu einer breiten Anwendung der Frequenzumrichtertechnologie geführt. In vielen Anwendungen hat die Frequenzumrichtersteuerung die herkömmliche DC-Drehzahlregelung abgelöst. Diese Art der Positionssteuerung für Schweißroboter wird durch eine SPS und einen Frequenzumrichter realisiert.
Zunächst wird die gewünschte Schweißposition, d. h. der Sollwert, gemäß den Spezifikationen der Drahtgitterproduktion aus der Rezepturdatenbank des Host-Computers heruntergeladen. Nach der Berechnung durch die SPS gibt diese Stellsignale an den Frequenzumrichter aus. Der Frequenzumrichter steuert Beschleunigung, Betrieb, Verzögerung und Bremsstopp des Motors gemäß den Anweisungen der SPS und stoppt schließlich den Schweißkopf in der gewünschten Position.
Zu Beginn jedes Zyklus führt das Getriebe zunächst eine Drehzahlvorregelung anhand der voreingestellten Drehzahl durch. Gleichzeitig wird der Istwert mit dem Sollwert verglichen, und die resultierende Abweichung wird mit der Proportionalverstärkung multipliziert und anschließend summiert, um die vom Getriebe anzustrebende Drehzahl zu bestimmen. Nach der Drehzahl-Spannungs-Wandlung und der Digital-Analog-Wandlung wird ein Steuersignal an das Bewegungssystem gesendet. Der Roboter fährt zunächst mit einer festgelegten Beschleunigung bis zum Erreichen der Sollgeschwindigkeit, fährt dann für eine bestimmte Zeit mit konstanter Geschwindigkeit und bremst anschließend mit einer festgelegten Beschleunigung bis zum Stillstand ab. Sobald die Geschwindigkeit null erreicht, entspricht die zurückgelegte Strecke der Achse exakt der Impulsdifferenz zwischen den beiden im Befehl festgelegten Schweißpunkten.
Abschluss
Durch den Einsatz der Einkopf-Schweißtechnologie wird die Größe der Drahtgitterschweißmaschine reduziert und die benötigte Leistungsaufnahme verringert, wodurch der Einsatz auf Baustellen ermöglicht wird. Dies senkt nicht nur die Transportkosten für das geschweißte Drahtgitter erheblich, sondern ermöglicht auch die Anpassung an die sich ständig ändernden Anforderungen an verschiedene Drahtgitterarten auf Baustellen. Dies stellt eine Innovation im Bereich der Schweißanlagen für Baudrahtgitter dar. Die Anwendungsergebnisse zeigen, dass das System eine einfache Struktur, eine gute Steuerungsleistung und niedrige Kosten aufweist, die Produktionsanforderungen erfüllt und in flexible Fertigungssysteme integriert werden kann, wodurch die Anlagenauslastung deutlich verbessert wird. Das Steuerungssystem ist bereits im Einsatz und funktioniert einwandfrei.
Referenzen:
[1] Li Fan, Wang Fagen, et al., Entwurf eines speziellen Handmechanismus für einen Roboter, Mechanical Design and Manufacturing, Dez. 2002 Nr. 6
[2] Cao Menglong, Entwurf und Implementierung eines DDC-Steuerungssystems für intelligente Schweißgitteranlagen, Journal of Qingdao University of Science and Technology, Vol. 26, Nr. 3, 2005, 6, 256-258.
[3] Han Jun, Anwendung einer SPS im Steuerungssystem eines drehzahlgeregelten Konturspritzroboters mit variabler Frequenz, Fertigungsautomation, Bd. 22, Nr. 10, 2000, S. 55-62
[4] Wang Bin, Aktueller Stand und Entwicklungstrend der Schweißautomatisierungstechnik in meinem Land, Schweißtechnik, 2000, 12, Bd. 29, Nr. 6
