Il taglio al plasma robotizzato integrato richiede più di una semplice torcia attaccata all'estremità del braccio robotico. La conoscenza del processo di taglio al plasma è fondamentale.
I produttori di metallo di tutto il settore (officine, macchinari pesanti, cantieristica navale e acciaio strutturale) si sforzano di soddisfare le più esigenti aspettative in termini di consegna, superando al contempo i requisiti di qualità. Cercano costantemente di ridurre i costi, affrontando al contempo il problema sempre presente di trattenere manodopera qualificata. Il mondo degli affari non è facile.
Molti di questi problemi sono riconducibili a processi manuali ancora prevalenti nel settore, in particolare nella produzione di prodotti dalle forme complesse, come coperchi di contenitori industriali, componenti strutturali in acciaio curvi e tubi. Molti produttori dedicano dal 25 al 50 percento del loro tempo di lavorazione alla marcatura manuale, al controllo qualità e alla conversione, quando il tempo di taglio effettivo (in genere con un ossitaglio o un taglio al plasma portatile) è solo del 10-20 percento.
Oltre al tempo impiegato da questi processi manuali, molti di questi tagli vengono eseguiti in base a posizioni, dimensioni o tolleranze errate delle caratteristiche, richiedendo operazioni secondarie estese come rettifica e rilavorazione o, peggio, materiali che devono essere scartati. Molti negozi dedicano fino al 40% del loro tempo di lavorazione totale a questo lavoro di basso valore e a questo spreco.
Tutto ciò ha portato a una spinta del settore verso l'automazione. Un'officina che automatizza le operazioni di taglio manuale con cannello per componenti multiasse complessi ha implementato una cella robotizzata di taglio al plasma e, come prevedibile, ha ottenuto enormi risultati. Questa operazione elimina la disposizione manuale e un lavoro che avrebbe richiesto 6 ore a 5 persone può ora essere svolto in soli 18 minuti utilizzando un robot.
Sebbene i vantaggi siano evidenti, l'implementazione del taglio al plasma robotizzato richiede più del semplice acquisto di un robot e di una torcia al plasma. Se stai prendendo in considerazione il taglio al plasma robotizzato, assicurati di adottare un approccio olistico e di considerare l'intero flusso di valore. Inoltre, collabora con un integratore di sistemi formato dal produttore che conosca e comprenda la tecnologia al plasma, i componenti e i processi di sistema richiesti per garantire che tutti i requisiti siano integrati nella progettazione della batteria.
Considerate anche il software, che è probabilmente uno dei componenti più importanti di qualsiasi sistema robotico di taglio al plasma. Se avete investito in un sistema e il software è difficile da usare, richiede molta competenza per essere eseguito o vi accorgete che ci vuole molto tempo per adattare il robot al taglio al plasma e insegnare il percorso di taglio, state semplicemente sprecando un sacco di soldi.
Sebbene il software di simulazione robotica sia comune, le celle di taglio al plasma robotizzate efficaci utilizzano un software di programmazione robotica offline che eseguirà automaticamente la programmazione del percorso del robot, identificherà e compenserà le collisioni e integrerà la conoscenza del processo di taglio al plasma. L'integrazione di una conoscenza approfondita del processo del plasma è fondamentale. Con un software come questo, automatizzare anche le applicazioni di taglio al plasma robotizzate più complesse diventa molto più semplice.
Il taglio al plasma di forme complesse multiasse richiede una geometria della torcia unica. Applicando la geometria della torcia utilizzata in una tipica applicazione XY (vedere Figura 1) a una forma complessa, come la testa curva di un recipiente a pressione, si aumenta la probabilità di collisioni. Per questo motivo, le torce ad angolo acuto (con un design "appuntito") sono più adatte al taglio di forme robotizzate.
Non tutti i tipi di collisione possono essere evitati utilizzando solo una torcia elettrica ad angolo acuto. Il programma pezzo deve contenere anche modifiche all'altezza di taglio (ad esempio, la punta della torcia deve avere spazio libero rispetto al pezzo in lavorazione) per evitare collisioni (vedere Figura 2).
Durante il processo di taglio, il gas plasma scorre lungo il corpo della torcia in direzione vorticosa fino alla punta della torcia. Questa azione rotatoria consente alla forza centrifuga di estrarre le particelle pesanti dalla colonna di gas verso la periferia del foro dell'ugello e protegge il gruppo torcia dal flusso di elettroni caldi. La temperatura del plasma è prossima ai 20.000 gradi Celsius, mentre le parti in rame della torcia fondono a 1.100 gradi Celsius. I materiali di consumo necessitano di protezione e uno strato isolante di particelle pesanti fornisce protezione.
Figura 1. I corpi torcia standard sono progettati per il taglio della lamiera. L'utilizzo della stessa torcia in un'applicazione multiasse aumenta il rischio di collisioni con il pezzo in lavorazione.
Il vortice rende un lato del taglio più caldo dell'altro. Le torce con gas rotante in senso orario solitamente posizionano il lato caldo del taglio sul lato destro dell'arco (visto dall'alto in direzione del taglio). Ciò significa che l'ingegnere di processo lavora sodo per ottimizzare il lato buono del taglio e presuppone che il lato cattivo (a sinistra) sarà uno scarto (vedere Figura 3).
Le caratteristiche interne devono essere tagliate in senso antiorario, con il lato caldo del plasma che esegue un taglio netto sul lato destro (lato del bordo del pezzo). Invece, il perimetro del pezzo deve essere tagliato in senso orario. Se la torcia taglia nella direzione sbagliata, può creare una grande conicità nel profilo di taglio e aumentare la bava sul bordo del pezzo. In sostanza, stai facendo "buoni tagli" sugli scarti.
Si noti che la maggior parte dei tavoli da taglio al plasma hanno un'intelligenza di processo integrata nel controller per quanto riguarda la direzione del taglio dell'arco. Tuttavia, nel campo della robotica, questi dettagli non sono necessariamente noti o compresi e non sono ancora integrati in un tipico controller per robot, quindi è importante disporre di un software di programmazione robot offline con conoscenza del processo al plasma incorporato.
Il movimento della torcia utilizzato per perforare il metallo ha un effetto diretto sui materiali di consumo per il taglio al plasma. Se la torcia al plasma perfora la lamiera all'altezza di taglio (troppo vicino al pezzo in lavorazione), il rinculo del metallo fuso può danneggiare rapidamente lo schermo e l'ugello. Ciò si traduce in una scarsa qualità di taglio e in una riduzione della durata dei materiali di consumo.
Anche in questo caso, ciò accade raramente nelle applicazioni di taglio della lamiera con un portale, poiché l'elevato livello di competenza della torcia è già integrato nel controller. L'operatore preme un pulsante per avviare la sequenza di perforazione, che avvia una serie di eventi per garantire l'altezza di perforazione corretta.
Innanzitutto, la torcia esegue una procedura di rilevamento dell'altezza, solitamente utilizzando un segnale ohmico per rilevare la superficie del pezzo. Dopo aver posizionato la piastra, la torcia viene retratta dalla piastra all'altezza di trasferimento, che è la distanza ottimale affinché l'arco plasma si trasferisca al pezzo. Una volta trasferito, l'arco plasma può riscaldarsi completamente. A questo punto la torcia si sposta all'altezza di perforazione, che è una distanza più sicura dal pezzo e più lontana dal ritorno di fiamma del materiale fuso. La torcia mantiene questa distanza finché l'arco plasma non penetra completamente la piastra. Una volta completato il ritardo di perforazione, la torcia si sposta verso il basso verso la piastra metallica e inizia il movimento di taglio (vedere Figura 4).
Ancora una volta, tutta questa intelligenza è solitamente integrata nel controller del plasma utilizzato per il taglio della lamiera, non nel controller del robot. Il taglio robotizzato presenta anche un altro livello di complessità. Forare all'altezza sbagliata è già abbastanza grave, ma quando si tagliano forme multiasse, la torcia potrebbe non essere nella direzione migliore per il pezzo e lo spessore del materiale. Se la torcia non è perpendicolare alla superficie metallica che fora, finirà per tagliare una sezione trasversale più spessa del necessario, sprecando la vita dei materiali di consumo. Inoltre, forare un pezzo sagomato nella direzione sbagliata può posizionare il gruppo torcia troppo vicino alla superficie del pezzo, esponendolo al ritorno di fusione e causando un guasto prematuro (vedere Figura 5).
Consideriamo un'applicazione di taglio al plasma robotizzato che prevede la piegatura della testa di un recipiente a pressione. Analogamente al taglio di lamiere, la torcia robotizzata deve essere posizionata perpendicolarmente alla superficie del materiale per garantire la sezione trasversale più sottile possibile per la perforazione. Quando la torcia al plasma si avvicina al pezzo in lavorazione, utilizza il rilevamento dell'altezza finché non trova la superficie del recipiente, quindi si ritrae lungo l'asse della torcia per trasferire l'altezza. Dopo il trasferimento dell'arco, la torcia viene nuovamente ritratta lungo l'asse della torcia per perforare l'altezza, in modo sicuro al riparo dal contraccolpo (vedere Figura 6).
Una volta trascorso il ritardo di perforazione, la torcia viene abbassata all'altezza di taglio. Durante l'elaborazione dei contorni, la torcia viene ruotata nella direzione di taglio desiderata simultaneamente o a passi. A questo punto, inizia la sequenza di taglio.
I robot sono chiamati sistemi sovradeterminati. Detto questo, hanno più modi per arrivare allo stesso punto. Ciò significa che chiunque insegni a muoversi un robot, o chiunque altro, deve avere un certo livello di competenza, sia nella comprensione del movimento del robot che nei requisiti di lavorazione del taglio al plasma.
Sebbene i teach pendant si siano evoluti, alcune attività non sono intrinsecamente adatte alla programmazione tramite teach pendant, in particolare quelle che coinvolgono un gran numero di parti miste a basso volume. I robot non producono quando viene loro insegnato e l'insegnamento stesso può richiedere ore o addirittura giorni per le parti complesse.
Il software di programmazione di robot offline progettato con moduli di taglio al plasma integrerà questa competenza (vedere Figura 7). Ciò include la direzione del taglio al plasma, il rilevamento dell'altezza iniziale, la sequenza di perforazione e l'ottimizzazione della velocità di taglio per i processi con torcia e plasma.
Figura 2. Le torce affilate ("appuntite") sono più adatte al taglio al plasma robotico. Tuttavia, anche con queste geometrie della torcia, è meglio aumentare l'altezza di taglio per ridurre al minimo il rischio di collisioni.
Il software fornisce le competenze di robotica necessarie per programmare sistemi sovradeterminati. Gestisce le singolarità, ovvero le situazioni in cui l'effettore finale robotico (in questo caso, la torcia al plasma) non riesce a raggiungere il pezzo; i limiti dei giunti; la sovracorsa; il ribaltamento del polso; il rilevamento delle collisioni; gli assi esterni; e l'ottimizzazione del percorso utensile. Innanzitutto, il programmatore importa il file CAD del pezzo finito nel software di programmazione robot offline, quindi definisce il bordo da tagliare, insieme al punto di perforazione e ad altri parametri, tenendo conto dei vincoli di collisione e di distanza.
Alcune delle ultime iterazioni del software di robotica offline utilizzano la cosiddetta programmazione offline basata sulle attività. Questo metodo consente ai programmatori di generare automaticamente percorsi di taglio e selezionare più profili contemporaneamente. Il programmatore potrebbe selezionare un selettore del percorso del bordo che mostra il percorso e la direzione di taglio, quindi scegliere di modificare i punti di inizio e fine, nonché la direzione e l'inclinazione della torcia al plasma. La programmazione generalmente inizia (indipendentemente dalla marca del braccio robotico o del sistema al plasma) e procede includendo un modello di robot specifico.
La simulazione risultante può tenere conto di tutti gli elementi presenti nella cella robotica, inclusi elementi quali barriere di sicurezza, dispositivi di fissaggio e torce al plasma. Tiene quindi conto di eventuali errori cinematici e collisioni per l'operatore, che può quindi correggere il problema. Ad esempio, una simulazione potrebbe rivelare un problema di collisione tra due tagli diversi nella testa di un recipiente a pressione. Ogni incisione si trova a un'altezza diversa lungo il contorno della testa, quindi il rapido movimento tra le incisioni deve tenere conto dello spazio libero necessario: un piccolo dettaglio, risolto prima che il lavoro raggiunga il pavimento, che aiuta a eliminare mal di testa e sprechi.
La persistente carenza di manodopera e la crescente domanda dei clienti hanno spinto sempre più produttori a ricorrere al taglio al plasma robotizzato. Sfortunatamente, molte persone si tuffano in questo processo solo per scoprire ulteriori complicazioni, soprattutto quando chi integra l'automazione non ha una conoscenza approfondita del processo di taglio al plasma. Questo percorso porterà solo alla frustrazione.
Integrando fin dall'inizio la conoscenza del taglio al plasma, le cose cambiano. Grazie all'intelligenza del processo al plasma, il robot può ruotare e muoversi secondo necessità per eseguire la perforazione più efficiente, prolungando la durata dei materiali di consumo. Taglia nella direzione corretta ed esegue manovre per evitare qualsiasi collisione con il pezzo in lavorazione. Seguendo questo percorso di automazione, i produttori raccolgono i frutti.
Questo articolo si basa sui progressi nel taglio al plasma robotico 3D presentati alla conferenza FABTECH del 2021.
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Data di pubblicazione: 25 maggio 2022
