Integrerad robotiserad plasmaskärning kräver mer än bara en brännare fäst vid robotarmens ände. Kunskap om plasmaskärningsprocessen är nyckeln.
Metalltillverkare inom hela branschen – inom verkstäder, tunga maskiner, varvsindustrin och stålkonstruktioner – strävar efter att möta höga leveransförväntningar samtidigt som de överträffar kvalitetskraven. De strävar ständigt efter att minska kostnaderna samtidigt som de hanterar det ständigt närvarande problemet med att behålla kvalificerad arbetskraft. Affärer är inte lätta.
Många av dessa problem kan spåras tillbaka till manuella processer som fortfarande är vanliga inom industrin, särskilt vid tillverkning av komplexa formade produkter som industriella behållarlock, böjda stålkonstruktionskomponenter samt rör och slangar. Många tillverkare ägnar 25 till 50 procent av sin bearbetningstid åt manuell märkning, kvalitetskontroll och konvertering, när den faktiska skärtiden (vanligtvis med en handhållen oxyfuel- eller plasmaskärare) bara är 10 till 20 procent.
Utöver den tid som sådana manuella processer tar, görs många av dessa snitt runt felaktiga placeringar, dimensioner eller toleranser, vilket kräver omfattande sekundära operationer som slipning och omarbetning, eller ännu värre, material som behöver skrotas. Många butiker ägnar så mycket som 40 % av sin totala bearbetningstid åt detta lågvärdiga arbete och avfall.
Allt detta har lett till en satsning inom branschen mot automatisering. En verkstad som automatiserar manuella skäroperationer med brännare för komplexa fleraxliga delar implementerade en robotiserad plasmaskärcell och såg, föga förvånande, stora vinster. Denna operation eliminerar manuell layout, och ett jobb som skulle ta 5 personer och 6 timmar kan nu utföras på bara 18 minuter med en robot.
Även om fördelarna är uppenbara kräver implementering av robotstyrd plasmaskärning mer än att bara köpa en robot och en plasmabrännare. Om du funderar på robotstyrd plasmaskärning, se till att ha ett helhetsgrepp och se på hela värdeflödet. Arbeta dessutom med en tillverkarutbildad systemintegratör som förstår och förstår plasmateknik och de systemkomponenter och processer som krävs för att säkerställa att alla krav är integrerade i batteridesignen.
Tänk också på programvaran, som utan tvekan är en av de viktigaste komponenterna i alla robotiserade plasmaskärsystem. Om du har investerat i ett system och programvaran antingen är svår att använda, kräver mycket expertis att köra, eller om du tycker att det tar mycket tid att anpassa roboten till plasmaskärning och lära in skärbanan, slösar du bara bort en massa pengar.
Medan robotsimuleringsprogramvara är vanligt förekommande, använder effektiva robotiska plasmaskärceller offline robotprogrammeringsprogramvara som automatiskt utför robotbanprogrammering, identifierar och kompenserar för kollisioner och integrerar kunskap om plasmaskärningsprocesser. Att integrera djupgående kunskap om plasmaprocesser är nyckeln. Med programvara som denna blir det mycket enklare att automatisera även de mest komplexa robotiska plasmaskärningsapplikationerna.
Plasmaskärning av komplexa fleraxliga former kräver unik brännargeometri. Tillämpa brännargeometrin som används i en typisk XY-applikation (se figur 1) på en komplex form, såsom ett krökt tryckkärlshuvud, så ökar du sannolikheten för kollisioner. Av denna anledning är vassvinklade brännare (med en "spetsig" design) bättre lämpade för robotiserad formskärning.
Alla typer av kollisioner kan inte undvikas enbart med en skarpvinklad ficklampa. Delprogrammet måste också innehålla ändringar av skärhöjden (dvs. brännarspetsen måste ha utrymme för arbetsstycket) för att undvika kollisioner (se figur 2).
Under skärprocessen strömmar plasmagasen ner längs brännarkroppen i en virvelriktning till brännarspetsen. Denna rotationsverkan gör att centrifugalkraften kan dra tunga partiklar ut ur gaspelaren till munstyckshålets periferi och skyddar brännaraggregatet från flödet av heta elektroner. Plasmans temperatur är nära 20 000 grader Celsius, medan koppardelarna i brännaren smälter vid 1 100 grader Celsius. Förbrukningsmaterial behöver skydd, och ett isolerande lager av tunga partiklar ger skydd.
Figur 1. Standardbrännarkroppar är konstruerade för plåtskärning. Att använda samma brännare i en fleraxlig applikation ökar risken för kollisioner med arbetsstycket.
Virveln gör att den ena sidan av snittet blir varmare än den andra. Brännare med medurs roterande gas placerar vanligtvis den heta sidan av snittet på höger sida av bågen (sett uppifrån i snittets riktning). Detta innebär att processingenjören arbetar hårt för att optimera den goda sidan av snittet och antar att den dåliga sidan (vänster) kommer att vara skrot (se figur 3).
Interna detaljer måste skäras moturs, där plasmans heta sida gör ett rent snitt på höger sida (detaljens kantsida). Istället måste detaljens omkrets skäras medurs. Om brännaren skär i fel riktning kan det skapa en stor avsmalning i skärprofilen och öka slaggbildningen på detaljens kant. I huvudsak gör du "bra snitt" på skrot.
Observera att de flesta plasmaskärbord har processintelligens inbyggd i styrenheten gällande bågskärningens riktning. Men inom robotikområdet är dessa detaljer inte nödvändigtvis kända eller förstådda, och de är ännu inte inbäddade i en typisk robotstyrenhet – så det är viktigt att ha offline robotprogrammeringsprogramvara med kunskap om den inbäddade plasmaprocessen.
Brännarens rörelser som används för att tränga igenom metall har en direkt effekt på plasmaskärningsförbrukningsmaterial. Om plasmabrännaren tränger igenom plåten på skärhöjd (för nära arbetsstycket) kan rekylen från den smälta metallen snabbt skada skölden och munstycket. Detta resulterar i dålig skärkvalitet och minskad livslängd för förbrukningsmaterial.
Återigen, detta händer sällan vid plåtskärning med gantry, eftersom den höga graden av brännarexpertis redan är inbyggd i styrenheten. Operatören trycker på en knapp för att starta håltagningssekvensen, vilket initierar en serie händelser för att säkerställa korrekt håltagningshöjd.
Först utför brännaren en höjdavkänningsprocedur, vanligtvis med hjälp av en ohmsk signal för att detektera arbetsstyckets yta. Efter att plattan har placerats dras brännaren tillbaka från plattan till överföringshöjden, vilket är det optimala avståndet för plasmabågen att överföras till arbetsstycket. När plasmabågen har överförts kan den värmas upp helt. Vid denna tidpunkt rör sig brännaren till håltagningshöjden, vilket är ett säkrare avstånd från arbetsstycket och längre bort från bakslagsplatsen av det smälta materialet. Brännaren bibehåller detta avstånd tills plasmabågen helt penetrerar plattan. Efter att håltagningsfördröjningen är klar rör sig brännaren ner mot metallplattan och påbörjar skärrörelsen (se figur 4).
Återigen, all denna intelligens är vanligtvis inbyggd i plasmastyrenheten som används för arkskärning, inte i robotstyrenheten. Robotskärning har också ytterligare ett lager av komplexitet. Att hålsätta i fel höjd är illa nog, men vid skärning av fleraxliga former kanske brännaren inte är i bästa riktning för arbetsstycket och materialtjockleken. Om brännaren inte är vinkelrät mot metallytan den hålsätter i, kommer den att skära ett tjockare tvärsnitt än nödvändigt, vilket slösar bort förbrukningsmaterialets livslängd. Dessutom kan håltagning i ett konturerat arbetsstycke i fel riktning placera brännarenheten för nära arbetsstyckets yta, vilket utsätter den för smältbakslag och orsakar för tidigt fel (se figur 5).
Tänk dig en robotiserad plasmaskärningsapplikation som innebär att man böjer huvudet på ett tryckkärl. I likhet med plåtskärning bör robotbrännaren placeras vinkelrätt mot materialytan för att säkerställa tunnaste möjliga tvärsnitt för perforering. När plasmabrännaren närmar sig arbetsstycket använder den höjdavkänning tills den hittar kärlytan och dras sedan tillbaka längs brännaraxeln för att överföra höjden. Efter att bågen har överförts dras brännaren tillbaka igen längs brännaraxeln för att nå håltagningshöjden, säkert borta från bakslag (se figur 6).
När håltagningsfördröjningen har löpt ut sänks brännaren till skärhöjden. Vid bearbetning av konturer roteras brännaren till önskad skärriktning samtidigt eller stegvis. Vid denna tidpunkt börjar skärsekvensen.
Robotar kallas överbestämda system. Med det sagt finns det flera sätt att nå samma punkt. Det betyder att alla som lär en robot att röra sig, eller någon annan, måste ha en viss expertisnivå, oavsett om det gäller att förstå robotrörelser eller bearbetningskraven för plasmaskärning.
Även om inlärningsstyrda robotar har utvecklats, är vissa uppgifter inte i sig lämpliga för programmering av inlärningsstyrda robotar – särskilt uppgifter som involverar ett stort antal blandade delar med låg volym. Robotar producerar inte när de lärs in, och själva inlärningen kan ta timmar, eller till och med dagar för komplexa delar.
Offline-robotprogrammeringsprogramvara designad med plasmaskärmoduler kommer att integrera denna expertis (se figur 7). Detta inkluderar plasmagasskärriktning, initial höjdavkänning, håltagningssekvensering och skärhastighetsoptimering för brännar- och plasmaprocesser.
Figur 2. Vassa ("spetsiga") brännare är bättre lämpade för robotiserad plasmaskärning. Men även med dessa brännargeometrier är det bäst att öka skärhöjden för att minimera risken för kollisioner.
Programvaran tillhandahåller den robotkompetens som krävs för att programmera överbestämda system. Den hanterar singulariteter, eller situationer där den robotiska ändeffektorn (i detta fall plasmabrännaren) inte kan nå arbetsstycket; foggränser; överrörelse; handledsrollover; kollisionsdetektering; externa axlar; och optimering av verktygsbanan. Först importerar programmeraren CAD-filen för den färdiga detaljen till offline robotprogrammeringsprogramvara och definierar sedan kanten som ska skäras, tillsammans med håltagningspunkten och andra parametrar, med hänsyn till kollisions- och räckviddsbegränsningar.
Några av de senaste versionerna av offline-robotprogramvara använder så kallad uppgiftsbaserad offlineprogrammering. Denna metod gör det möjligt för programmerare att automatiskt generera skärbanor och välja flera profiler samtidigt. Programmeraren kan välja en kantvägsväljare som visar skärbanan och riktningen, och sedan välja att ändra start- och slutpunkter, samt plasmabrännarens riktning och lutning. Programmeringen börjar vanligtvis (oberoende av robotarmens eller plasmasystemets märke) och fortsätter till att inkludera en specifik robotmodell.
Den resulterande simuleringen kan ta hänsyn till allt i robotcellen, inklusive element som säkerhetsbarriärer, fixturer och plasmabrännare. Den tar sedan hänsyn till eventuella kinematiska fel och kollisioner för operatören, som sedan kan korrigera problemet. Till exempel kan en simulering avslöja ett kollisionsproblem mellan två olika snitt i huvudet på ett tryckkärl. Varje snitt är på en annan höjd längs huvudets kontur, så snabb rörelse mellan snitten måste ta hänsyn till det nödvändiga utrymmet – en liten detalj, som löses innan arbetet når golvet, och som hjälper till att eliminera huvudvärk och slöseri.
Ihållande arbetskraftsbrist och växande kundefterfrågan har fått fler tillverkare att övergå till robotiserad plasmaskärning. Tyvärr dyker många ner i vattnet bara för att upptäcka fler komplikationer, särskilt när de som integrerar automatisering saknar kunskap om plasmaskärningsprocessen. Denna väg kommer bara att leda till frustration.
Integrera kunskap om plasmaskärning från början, så förändras saker och ting. Med plasmaprocessintelligens kan roboten rotera och röra sig efter behov för att utföra den mest effektiva håltagningen, vilket förlänger livslängden på förbrukningsmaterial. Den skär i rätt riktning och manövrerar för att undvika kollisioner med arbetsstycket. När man följer denna automatiseringsväg skördar tillverkarna frukterna.
Denna artikel är baserad på ”Framsteg inom 3D-robotplasmaskärning” som presenterades vid FABTECH-konferensen 2021.
FABRICATOR är Nordamerikas ledande branschtidning inom metallformning och tillverkning. Tidningen tillhandahåller nyheter, tekniska artiklar och fallbeskrivningar som gör det möjligt för tillverkare att utföra sina jobb mer effektivt. FABRICATOR har betjänat branschen sedan 1970.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The FABRICATOR, enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Den digitala utgåvan av The Tube & Pipe Journal är nu helt tillgänglig och ger enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Få fullständig tillgång till den digitala utgåvan av STAMPING Journal, som ger de senaste tekniska framstegen, bästa praxis och branschnyheter för metallstämplingsmarknaden.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av The Fabricator på spanska, enkel åtkomst till värdefulla branschresurser.
Publiceringstid: 25 maj 2022
