Дефицит квалифицированных кадров и растущие требования к качеству продукции сделали автоматизацию сварки ключевым приоритетом для машиностроительных предприятий.
Коллаборативные роботы (коботы) стали гибкой альтернативой классическим робототехническим комплексам (РТК), предлагая быстрый ввод в эксплуатацию и минимальные требования к производственной инфраструктуре.
В отличие от традиционных промышленной роботов, требующих возведения капитальных защитных ограждений, сложных систем безопасности и привлечения узкопрофильных инженеров-программистов, коботы спроектированы для безопасной работы в непосредственной близости от человека (при условии проведения соответствующей оценки рисков).
Сварочный коллаборативный робот представляет собой единую технологическую ячейку, состоящую из следующих элементов:
Ведущие мировые разработчики роботизированных решений и сварочного оборудования сформировали два основных подхода к реализации технологии: поставка специализированных манипуляторов и создание готовых комплексов.
Точность позиционирования в диапазоне от ± 0.03 мм до ± 0.1 мм (в зависимости от модели и радиуса действия) — это критически важный параметр для дуговой сварки. В отличие от человека, рука которого подвержена естественному тремору и усталости, кобот удерживает сварочную горелку строго на заданной траектории на протяжении всей рабочей смены.
При ручной сварке отклонение горелки даже на 0.5 мм может привести к непровару корня шва или, наоборот, к прожогу тонкого металла. Кобот гарантирует стабильный зазор между электродом и деталью, а также неизменный угол наклона горелки. Это обеспечивает формирование идеального катета шва с равномерной чешуйчатостью и требуемой глубиной проплавления по всей длине соединения.
Высокая повторяемость позволяет успешно сваривать ультратонкие металлы (от 0.5 мм), где малейшая ошибка в позиционировании или скорости движения ведет к браку всей детали.
Arc-on time (время горения дуги) — хороший индикатор эффективности всей производственной ячейки, а не только работы самого сварочного оборудования. Он показывает, какую долю от общего времени цикла занимает непосредственно процесс сварки, то есть время, когда электрическая дуга активно горит и формирует сварной шов.
Высокий показатель означает, что большая часть времени тратится на полезную работу, а не на непроизводительные перемещения или ожидания.
При ручной сварке чистое время горения дуги составляет примерно 20–30% рабочего времени, что за 8-часовую смену составляет примерно 1.6–2.4 часа активной сварки.
В течение 8-часовой смены сварщик тратит до 80% времени на вспомогательные операции: позиционирование детали, замену электродов/проволоки, визуальный осмотр, очистку шлака, перерывы на отдых и смену маски.
При роботизированной сварке картина прямо противоположная: дуга горит практически непрерывно (в среднем 4.5–5.5 часов за смену при двухсменном режиме), что составляет 60–70% времени цикла. Это достижимо при использовании поворотных столов (кантователей) и оптимизированной логистике заготовок.
Фактически, производство приближается к концепции непрерывного цикла: пока кобот варит деталь на первой позиции, оператор снимает готовую и устанавливает новую заготовку на второй позиции.
Экономический эффект очевиден: рост коэффициента Arc-On Time в 3–4 раза можно расценивать как эквивалент увеличения производительности сварочного участка без расширения производственных площадей.
Эффект ручного обучения (ручного программирования) — это одно из самых революционных и определяющих преимуществ коллаборативных роботов (коботов) перед традиционными промышленными роботами.
Программирование классического промышленного робота при переходе на новое изделие требует высокой квалификации, знания специализированного кода (FANUC, KUKA, ABB и др.) и занимает от 4 до 8 часов или несколько дней в зависимости от сложности траектории.
Иначе обстоит дело с настройкой кобота, который оснащен высокочувствительными датчиками силы/момента и снабжен функцией ручного обучения Lead-Through (в переводе с английского — «ведение за руку» или «обучение ведением»), также известная как режим невесомости или Hand-Guiding.
В режиме Lead-Through оператор-сварщик физически берет робота за «руку» (манипулятор) и ведет горелку по стыку деталей, фиксируя опорные точки нажатием кнопки. При этом робот записывает не только все пространственные точки, но и углы наклона. Процесс создания программы для нового изделия сокращается до 10–30 минут, а переход на сварку совершенно другого изделия происходит «на лету» силами самого сварщика, без привлечения дефицитных инженеров-программистов.
Таким образом, быстрая переналадка позволяет эффективно использовать кобота как на крупных предприятиях, так и мелкосерийных производствах.
Стабильность параметров сварки напрямую снижает затраты на сырье (расходные материалы составляют значительную часть себестоимости сварного шва).
Сварщик может вести горелку с неравномерной скоростью, особенно когда накапливается усталость к концу смены. На медленных участках происходит избыточная наплавка металла (перепровар, утолщение шва), что ведет к перерасходу сварочной проволоки. Расход защитного газа часто завышается «с запасом» для компенсации нестабильного положения горелки.
При работе кобота скорость подачи проволоки, скорость перемещения горелки и расход защитного газа жестко синхронизированы в программе. Кобот подает ровно столько металла и газа, сколько физически необходимо для формирования расчетного шва.
В результате, расход проволоки и газа снижается примерно на 15–25%. При этом, минимизируется риск образования пор, раковин и непроваров, что исключает затраты на вырезку бракованных участков и повторную сварку.
Пост-обработка сварного шва — один из самых трудоемких и вредных процессов в металлообработке.
При ручной сварке нестабильная длина дуги и неверный угол наклона горелки человеком вызывают повышенное разбрызгивание расплавленного металла. Брызги налипают на околошовную зону, требуя последующей слесарной зачистки болгарками (УШМ).
Внедрение кобота позволяет сократить потребность в зачистке примерно на 50–80% за счет следующих факторов:
Косвенные выгоды:
Для оценки окупаемости внедрения сварочного кобота можно применить стандартную формулу:
PP (мес) = CAPEX / ((S(ФОТ) + S(брак) + Δ P(маржа)) / 12)
Где:
• CAPEX — капитальные затраты на внедрение кобота (покупка оборудования и интеграция).
• ( S(ФОТ) ) — годовая экономия на фонде оплаты труда (ФОТ).
• ( S(брак) ) — годовое снижение затрат на брак и расходные материалы.
• Δ P(маржа) — дополнительная маржинальная прибыль за счет роста производительности.
В качестве примера разберем внедрение одного сварочного коботокомплекса (MIG/MAG сварка) на заводе по производству металлоконструкций и технологических каркасов для автоматизации серийных швов и высвобождения квалифицированных сварщиков.
Итого CAPEX (капитальные затраты): 7 800 000 руб.
S(ФОТ) — годовая экономия на фонде оплаты труда
Кобот работает в 2 смены и замещает рутинный труд 1.5–2 сварщиков на типовых операциях (в зависимости от сложности швов и наличия вспомогательного персонала).
Таким образом, годовая экономия на фонде оплаты труда в результате внедрения кобота составит 𝑆(ФОТ) = 3 744 000 — 144 000 = 3 600 000 руб./год.
S(брак) — экономия на браке и расходниках
Автоматическая стабильная дуга и точность траектории снижают перерасход проволоки, газа и зачистных кругов, а также исключают доработку дефектов.
Снижение избыточного расхода материалов и затрат на устранение брака позволят ежегодно экономить 𝑆(брак) = (40 000 + 20 000) х 12 = 720 000 руб./год
Δ P(маржа) — Дополнительная маржинальная прибыль
При условии наличия дополнительного спроса на рынке и свободных производственных мощностей, рост производительности позволяет увеличить объем выпуска на 50–100%.
Дополнительная прибыль на год составит Δ 𝑃(маржа) = 150 000 х 12 = 1 800 000 руб./год
Подставив значения в формулу PP (мес) = CAPEX / ((S(ФОТ) + S(брак) + Δ P(маржа)) / 12), получаем следующие данные:
Таким образом, при инвестиции в размере 7,8 млн рублей и среднемесячной чистой выгоде 510 тыс. рублей сварочный коботокомплекс полностью окупается за 15–16 месяцев постоянной двухсменной работы. После окупаемости проект генерирует ежегодную прибыль в размере 6,1 млн рублей, обеспечивая стабильный рост рентабельности производства.
Для успешной интеграции коботов в действующий производственный процесс техническим специалистам необходимо учитывать ряд ключевых факторов:
Найти оптимальные решения по автоматизации и роботизации производства вам помогут специалисты компании «НИИПК РОБОДРОИД». При поддержке компании вы сможете, не нарушая существующих производственных и бизнес-процессов, существенно повысить рентабельность своего предприятия.
Свяжитесь с компанией «НИИПК РОБОДРОИД» по телефону +7 (991) 999-46-11 или направив запрос по е-мейл info@robo-droid.ru, чтобы подобрать оптимальные решения по автоматизации и роботизации производства.
