Más conocimiento del proceso, mejor corte por plasma robótico

El corte por plasma robótico integrado requiere más que solo una antorcha conectada al extremo del brazo robótico. El conocimiento del proceso de corte por plasma es clave.
Los fabricantes de metales de toda la industria (talleres, maquinaria pesada, construcción naval y acero estructural) se esfuerzan por cumplir con las exigentes expectativas de entrega y, al mismo tiempo, superar los requisitos de calidad. Buscan constantemente reducir costos mientras enfrentan el problema siempre presente de retener mano de obra calificada. Los negocios no son fáciles.
Muchos de estos problemas se pueden atribuir a procesos manuales que aún prevalecen en la industria, especialmente cuando se fabrican productos con formas complejas, como tapas de contenedores industriales, componentes de acero estructural curvos y tuberías y tubos. Muchos fabricantes dedican entre el 25 y el 50 por ciento de su tiempo de mecanizado al marcado manual, el control de calidad y la conversión, cuando el tiempo de corte real (generalmente con un cortador de plasma o oxicorte portátil) es solo del 10 al 20 por ciento.
Además del tiempo que consumen estos procesos manuales, muchos de estos cortes se realizan en lugares con características, dimensiones o tolerancias incorrectas, lo que requiere extensas operaciones secundarias como rectificado y reelaboración, o peor aún, materiales que deben desecharse. Muchas tiendas dedican hasta el 40% de su tiempo total de procesamiento a este trabajo de bajo valor y desperdicio.
Todo esto ha llevado a un impulso de la industria hacia la automatización. Un taller que automatiza las operaciones de corte manual con soplete para piezas complejas de múltiples ejes implementó una celda de corte de plasma robótica y, como era de esperar, vio enormes ganancias. Esta operación elimina el diseño manual y un trabajo que llevaría 5 personas durante 6 horas ahora se puede realizar en solo 18 minutos usando un robot.
Si bien los beneficios son obvios, implementar el corte por plasma robótico requiere más que simplemente comprar un robot y una antorcha de plasma. Si está considerando el corte por plasma robótico, asegúrese de adoptar un enfoque holístico y observar todo el flujo de valor. Además, trabaje con un integrador de sistemas capacitado por el fabricante que comprenda y entienda la tecnología de plasma y los componentes y procesos del sistema necesarios para garantizar que todos los requisitos estén integrados en el diseño de la batería.
También tenga en cuenta el software, que posiblemente sea uno de los componentes más importantes de cualquier sistema de corte por plasma robótico. Si ha invertido en un sistema y el software es difícil de usar, requiere mucha experiencia para ejecutarlo o descubre que lleva mucho tiempo adaptar el robot al corte por plasma y enseñarle la trayectoria de corte, simplemente está desperdiciando mucho dinero.
Si bien el software de simulación robótica es común, las celdas de corte por plasma robótico efectivas utilizan software de programación robótica fuera de línea que realizará automáticamente la programación de la trayectoria del robot, identificará y compensará las colisiones e integrará el conocimiento del proceso de corte por plasma. La incorporación de un conocimiento profundo del proceso de plasma es clave. Con un software como este, automatizar incluso las aplicaciones de corte por plasma robótico más complejas se vuelve mucho más fácil.
El corte por plasma de formas complejas de múltiples ejes requiere una geometría de antorcha única. Si aplica la geometría de antorcha utilizada en una aplicación XY típica (ver Figura 1) a una forma compleja, como la cabeza de un recipiente a presión curvo, aumentará la probabilidad de colisiones. Por este motivo, las antorchas de ángulos agudos (con un diseño "puntiagudo") son más adecuadas para el corte de formas robóticas.
No se pueden evitar todos los tipos de colisiones solo con una linterna de ángulo agudo. El programa de la pieza también debe contener cambios en la altura de corte (es decir, la punta de la antorcha debe tener espacio libre hasta la pieza de trabajo) para evitar colisiones (ver Figura 2).
Durante el proceso de corte, el gas de plasma fluye por el cuerpo de la antorcha en dirección de vórtice hasta la punta de la antorcha. Esta acción rotacional permite que la fuerza centrífuga extraiga partículas pesadas de la columna de gas hacia la periferia del orificio de la boquilla y protege el conjunto de la antorcha del flujo de electrones calientes. La temperatura del plasma es cercana a los 20.000 grados Celsius, mientras que las partes de cobre de la antorcha se funden a 1.100 grados Celsius. Los consumibles necesitan protección, y una capa aislante de partículas pesadas proporciona protección.
Figura 1. Los cuerpos de antorcha estándar están diseñados para cortar chapa metálica. Usar la misma antorcha en una aplicación multieje aumenta la posibilidad de colisiones con la pieza de trabajo.
El remolino hace que un lado del corte sea más caliente que el otro. Las antorchas con gas que gira en el sentido de las agujas del reloj generalmente colocan el lado caliente del corte en el lado derecho del arco (cuando se ve desde arriba en la dirección del corte). Esto significa que el ingeniero de procesos trabaja arduamente para optimizar el lado bueno del corte y asume que el lado malo (izquierdo) será desecho (ver Figura 3).
Las características internas deben cortarse en sentido contrario a las agujas del reloj, con el lado caliente del plasma haciendo un corte limpio en el lado derecho (lado del borde de la pieza). En cambio, el perímetro de la pieza debe cortarse en el sentido de las agujas del reloj. Si el soplete corta en la dirección incorrecta, puede crear una conicidad grande en el perfil de corte y aumentar la escoria en el borde de la pieza. En esencia, estás haciendo "buenos cortes" en la chatarra.
Tenga en cuenta que la mayoría de las mesas de corte de paneles de plasma tienen inteligencia de proceso incorporada en el controlador con respecto a la dirección del corte del arco. Pero en el campo de la robótica, estos detalles no son necesariamente conocidos o entendidos, y aún no están integrados en un controlador de robot típico, por lo que es importante tener un software de programación de robot fuera de línea con conocimiento del proceso de plasma integrado.
El movimiento de la antorcha utilizada para perforar el metal tiene un efecto directo sobre los consumibles de corte por plasma. Si la antorcha de plasma perfora la lámina a la altura de corte (demasiado cerca de la pieza de trabajo), el retroceso del metal fundido puede dañar rápidamente el protector y la boquilla. Esto da como resultado una mala calidad de corte y una reducción de la vida útil de los consumibles.
Nuevamente, esto rara vez sucede en aplicaciones de corte de chapa metálica con un pórtico, ya que el alto grado de experiencia en antorcha ya está integrado en el controlador. El operador presiona un botón para iniciar la secuencia de perforación, que inicia una serie de eventos para garantizar la altura de perforación adecuada.
Primero, la antorcha realiza un procedimiento de detección de altura, generalmente usando una señal óhmica para detectar la superficie de la pieza de trabajo. Después de posicionar la placa, la antorcha se retrae desde la placa hasta la altura de transferencia, que es la distancia óptima para que el arco de plasma se transfiera a la pieza de trabajo. Una vez que el arco de plasma se transfiere, puede calentarse por completo. En este punto, la antorcha se mueve a la altura de perforación, que es una distancia más segura de la pieza de trabajo y más alejada del retroceso del material fundido. La antorcha mantiene esta distancia hasta que el arco de plasma penetra completamente la placa. Una vez que se completa el retraso de perforación, la antorcha se mueve hacia abajo hacia la placa de metal y comienza el movimiento de corte (ver Figura 4).
Nuevamente, toda esta inteligencia generalmente está incorporada en el controlador de plasma utilizado para cortar láminas, no en el controlador del robot. El corte robótico también tiene otra capa de complejidad. Perforar a una altura incorrecta es bastante malo, pero al cortar formas de múltiples ejes, la antorcha puede no estar en la mejor dirección para la pieza de trabajo y el espesor del material. Si la antorcha no está perpendicular a la superficie del metal que perfora, terminará cortando una sección transversal más gruesa de lo necesario, desperdiciando la vida útil de los consumibles. Además, perforar una pieza de trabajo contorneada en la dirección incorrecta puede colocar el conjunto de la antorcha demasiado cerca de la superficie de la pieza de trabajo, exponiéndola al retroceso de la masa fundida y provocando una falla prematura (ver Figura 5).
Considere una aplicación de corte de plasma robótico que implica doblar la cabeza de un recipiente a presión. Similar al corte de láminas, la antorcha robótica debe colocarse perpendicular a la superficie del material para garantizar la sección transversal más delgada posible para la perforación. A medida que la antorcha de plasma se aproxima a la pieza de trabajo, utiliza un sensor de altura hasta que encuentra la superficie del recipiente, luego se retrae a lo largo del eje de la antorcha para transferir la altura. Después de transferir el arco, la antorcha se retrae nuevamente a lo largo del eje de la antorcha para perforar la altura, de manera segura lejos del retroceso (ver Figura 6).
Una vez transcurrido el tiempo de perforación, la antorcha se baja a la altura de corte. Al procesar contornos, la antorcha se gira a la dirección de corte deseada de manera simultánea o en pasos. En este punto, comienza la secuencia de corte.
Los robots se denominan sistemas sobredeterminados. Dicho esto, tienen múltiples formas de llegar al mismo punto. Esto significa que cualquiera que enseñe a un robot a moverse, o cualquier otra persona, debe tener un cierto nivel de experiencia, ya sea en la comprensión del movimiento del robot o en los requisitos de mecanizado del corte por plasma.
Si bien los módulos de aprendizaje han evolucionado, algunas tareas no son inherentemente adecuadas para su programación, especialmente las tareas que involucran una gran cantidad de piezas mixtas de bajo volumen. Los robots no producen cuando se les enseña, y el aprendizaje en sí puede llevar horas, o incluso días para piezas complejas.
El software de programación de robots fuera de línea diseñado con módulos de corte de plasma incorporará esta experiencia (ver Figura 7). Esto incluye la dirección de corte con gas de plasma, detección de altura inicial, secuenciación de perforación y optimización de la velocidad de corte para procesos de antorcha y plasma.
Figura 2. Las antorchas afiladas (“puntiagudas”) son más adecuadas para el corte por plasma robótico. Pero incluso con estas geometrías de antorcha, es mejor aumentar la altura de corte para minimizar la posibilidad de colisiones.
El software proporciona la experiencia en robótica necesaria para programar sistemas sobredeterminados. Gestiona singularidades o situaciones en las que el efector final robótico (en este caso, la antorcha de plasma) no puede alcanzar la pieza de trabajo; límites de unión; sobrerrecorrido; vuelco de la muñeca; detección de colisiones; ejes externos; y optimización de la trayectoria de la herramienta. Primero, el programador importa el archivo CAD de la pieza terminada en un software de programación de robots fuera de línea, luego define el borde que se cortará, junto con el punto de perforación y otros parámetros, teniendo en cuenta las restricciones de colisión y alcance.
Algunas de las últimas iteraciones del software de robótica fuera de línea utilizan la denominada programación fuera de línea basada en tareas. Este método permite a los programadores generar automáticamente rutas de corte y seleccionar múltiples perfiles a la vez. El programador puede seleccionar un selector de ruta de borde que muestre la ruta de corte y la dirección, y luego elegir cambiar los puntos de inicio y final, así como la dirección e inclinación de la antorcha de plasma. La programación generalmente comienza (independientemente de la marca del brazo robótico o del sistema de plasma) y procede a incluir un modelo de robot específico.
La simulación resultante puede tener en cuenta todo en la celda robótica, incluidos elementos tales como barreras de seguridad, accesorios y antorchas de plasma. Luego, tiene en cuenta los posibles errores cinemáticos y colisiones para el operador, quien luego puede corregir el problema. Por ejemplo, una simulación puede revelar un problema de colisión entre dos cortes diferentes en la cabeza de un recipiente a presión. Cada incisión está a una altura diferente a lo largo del contorno de la cabeza, por lo que el movimiento rápido entre incisiones debe tener en cuenta el espacio libre necesario: un pequeño detalle, resuelto antes de que el trabajo llegue al piso, que ayuda a eliminar dolores de cabeza y desperdicio.
La persistente escasez de mano de obra y la creciente demanda de los clientes han impulsado a más fabricantes a recurrir al corte por plasma robótico. Desafortunadamente, muchas personas se sumergen en el agua solo para descubrir más complicaciones, especialmente cuando las personas que integran la automatización carecen de conocimiento del proceso de corte por plasma. Este camino solo conducirá a la frustración.
Integre el conocimiento del corte por plasma desde el principio y las cosas cambian. Con la inteligencia del proceso de plasma, el robot puede girar y moverse según sea necesario para realizar la perforación más eficiente, lo que extiende la vida útil de los consumibles. Corta en la dirección correcta y maniobra para evitar cualquier colisión de la pieza de trabajo. Al seguir este camino de automatización, los fabricantes obtienen recompensas.
Este artículo se basa en “Avances en el corte por plasma robótico 3D” presentado en la conferencia FABTECH 2021.
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