Geïntegreerd robotplasmasnijden vereist meer dan alleen een brander die aan het uiteinde van de robotarm is bevestigd. Kennis van het plasmasnijproces is essentieel.
Metaalbewerkers in de gehele sector – in werkplaatsen, zware machines, scheepsbouw en constructiestaal – streven ernaar om aan de hoge leveringsverwachtingen te voldoen en tegelijkertijd de kwaliteitseisen te overtreffen. Ze zijn voortdurend op zoek naar kostenbesparingen en hebben tegelijkertijd te maken met het steeds aanwezige probleem om geschoolde arbeidskrachten te behouden. Zakendoen is niet eenvoudig.
Veel van deze problemen kunnen worden herleid tot handmatige processen die nog steeds veel voorkomen in de industrie, met name bij de productie van producten met complexe vormen, zoals industriële containerdeksels, gebogen stalen constructieonderdelen en buizen en leidingen. Veel fabrikanten besteden 25 tot 50 procent van hun bewerkingstijd aan handmatige markering, kwaliteitscontrole en conversie, terwijl de daadwerkelijke snijtijd (meestal met een handmatige autogeen- of plasmasnijder) slechts 10 tot 20 procent bedraagt.
Naast de tijd die dergelijke handmatige processen kosten, worden veel van deze sneden gemaakt rondom verkeerde kenmerken, afmetingen of toleranties. Hierdoor zijn uitgebreide secundaire bewerkingen nodig, zoals slijpen en herwerken, of erger nog, materialen die moeten worden weggegooid. Veel magazijnen besteden maar liefst 40% van hun totale verwerkingstijd aan dit werk met een lage waarde en aan verspilling.
Dit alles heeft geleid tot een drang naar automatisering binnen de sector. Een werkplaats die handmatige snijbewerkingen met branders voor complexe onderdelen met meerdere assen automatiseerde, implementeerde een robotplasmasnijcel en zag, niet geheel verrassend, enorme winsten. Door deze bewerking is het handmatige ontwerp niet meer nodig en een taak waar voorheen 5 mensen 6 uur voor nodig hadden, kan nu in slechts 18 minuten door een robot worden uitgevoerd.
De voordelen zijn duidelijk, maar voor de implementatie van robotisch plasmasnijden is meer nodig dan alleen de aanschaf van een robot en een plasmatoorts. Als u robotisch plasmasnijden overweegt, zorg er dan voor dat u een holistische benadering hanteert en naar de volledige waardeketen kijkt. Werk daarnaast samen met een door de fabrikant opgeleide systeemintegrator die verstand heeft van plasmatechnologie en de vereiste systeemcomponenten en processen, zodat u zeker weet dat alle vereisten worden geïntegreerd in het batterijontwerp.
Denk ook aan de software, die waarschijnlijk een van de belangrijkste onderdelen is van elk robotisch plasmasnijsysteem. Als u in een systeem hebt geïnvesteerd en de software is moeilijk te gebruiken, vereist het veel expertise om te bedienen of kost het veel tijd om de robot aan te passen aan plasmasnijden en het snijpad aan te leren, dan verspilt u gewoon veel geld.
Hoewel robotsimulatiesoftware gebruikelijk is, maken effectieve robotplasmasnijcellen gebruik van offline robotprogrammeersoftware die automatisch robotpaden programmeert, botsingen identificeert en compenseert en kennis van het plasmasnijproces integreert. Het integreren van diepgaande kennis van plasmaprocessen is essentieel. Met software als deze wordt het automatiseren van zelfs de meest complexe robotplasmasnijtoepassingen veel eenvoudiger.
Voor het plasmasnijden van complexe vormen met meerdere assen is een unieke toortsgeometrie nodig. Als u de toortsgeometrie die wordt gebruikt in een typische XY-toepassing (zie afbeelding 1) toepast op een complexe vorm, zoals een gebogen kop van een drukvat, vergroot u de kans op botsingen. Om deze reden zijn toortsen met een scherpe hoek (met een "puntig" ontwerp) beter geschikt voor robotisch vormsnijden.
Niet alle soorten botsingen kunnen worden vermeden met alleen een zaklamp met een scherpe hoek. Het werkstukprogramma moet ook wijzigingen in de snijhoogte bevatten (d.w.z. de branderpunt moet voldoende afstand hebben tot het werkstuk) om botsingen te voorkomen (zie afbeelding 2).
Tijdens het snijproces stroomt het plasmagas in een wervelende richting door de toortsbody naar de toortspunt. Door deze roterende actie worden zware deeltjes door de centrifugale kracht uit de gaskolom naar de rand van het mondstuk getrokken en wordt de toortsconstructie beschermd tegen de stroom hete elektronen. De temperatuur van het plasma bedraagt bijna 20.000 graden Celsius, terwijl de koperen onderdelen van de toorts smelten bij 1.100 graden Celsius. Verbruiksartikelen moeten worden beschermd en een isolatielaag van zware deeltjes biedt deze bescherming.
Figuur 1. Standaard toortslichamen zijn ontworpen voor het snijden van plaatmetaal. Wanneer u dezelfde toorts in een toepassing met meerdere assen gebruikt, neemt de kans op botsingen met het werkstuk toe.
Door de werveling wordt één kant van de snede heter dan de andere. Branders met rechtsdraaiend gas plaatsen de hete kant van de snede doorgaans aan de rechterkant van de boog (gezien vanaf boven in de richting van de snede). Dit betekent dat de procestechnicus hard werkt om de goede kant van de snede te optimaliseren en ervan uitgaat dat de slechte kant (links) als afval zal worden beschouwd (zie afbeelding 3).
Interne kenmerken moeten tegen de klok in worden gesneden, waarbij de hete zijde van het plasma een schone snede aan de rechterkant (randzijde van het onderdeel) maakt. In plaats daarvan moet de omtrek van het onderdeel met de klok mee worden gesneden. Als de brander in de verkeerde richting snijdt, kan dit een grote taps toelopende vorm in het snijprofiel veroorzaken en meer slak aan de rand van het onderdeel vormen. In wezen brengt u "goede sneden" aan in schroot.
Houd er rekening mee dat de meeste plasmapaneelsnijtafels over ingebouwde procesintelligentie in de controller beschikken met betrekking tot de richting van de snijboog. Maar op het gebied van robotica zijn deze details niet per se bekend of begrepen en zijn ze nog niet ingebed in een typische robotcontroller. Daarom is het belangrijk om over offline robotprogrammeringssoftware te beschikken met kennis van het ingebedde plasmaproces.
De beweging van de toorts die wordt gebruikt om metaal te doorboren, heeft een direct effect op de verbruiksartikelen voor plasmasnijden. Als de plasmatoorts de plaat op snijhoogte doorboort (te dicht bij het werkstuk), kan de terugslag van het gesmolten metaal snel schade aan de afscherming en het mondstuk veroorzaken. Dit resulteert in een slechte snijkwaliteit en een kortere levensduur van de verbruiksartikelen.
Ook dit gebeurt zelden bij plaatbewerkingstoepassingen met een portaal, omdat de expertise van de toorts al in de controller is ingebouwd. De operator drukt op een knop om de doorsteekprocedure te starten, die vervolgens een reeks gebeurtenissen in gang zet om de juiste doorsteekhoogte te garanderen.
Eerst voert de brander een hoogtedetectieprocedure uit, meestal met behulp van een ohms signaal om het oppervlak van het werkstuk te detecteren. Nadat de plaat is gepositioneerd, wordt de brander van de plaat teruggetrokken naar de overdrachtshoogte, de optimale afstand voor de plasmaboog om over te gaan op het werkstuk. Zodra de plasmaboog is overgedragen, kan deze volledig opwarmen. Op dit punt beweegt de brander naar de doorsteekhoogte, een veiligere afstand tot het werkstuk en verder weg van de terugslag van het gesmolten materiaal. De brander handhaaft deze afstand totdat de plasmaboog de plaat volledig heeft doordrongen. Nadat de doorsteekvertraging is verstreken, beweegt de brander omlaag naar de metalen plaat en begint de snijbeweging (zie Afbeelding 4).
Al deze intelligentie is doorgaans ingebouwd in de plasmacontroller die wordt gebruikt voor het snijden van plaatmateriaal, niet in de robotcontroller. Robotsnijden kent bovendien nog een extra complexiteitslaag. Het doorboren op de verkeerde hoogte is op zich al vervelend, maar bij het snijden van vormen met meerdere assen staat de brander mogelijk niet in de optimale richting voor het werkstuk en de dikte van het materiaal. Als de brander niet loodrecht staat op het metalen oppervlak dat wordt doorboord, wordt er uiteindelijk een dikkere doorsnede gesneden dan nodig is, waardoor de levensduur van verbruiksartikelen verloren gaat. Bovendien kan het doorboren van een gevormd werkstuk in de verkeerde richting ervoor zorgen dat de brander te dicht bij het werkstukoppervlak komt, waardoor er smeltwater terug kan vloeien en er voortijdig defecten kunnen ontstaan (zie afbeelding 5).
Denk aan een robotachtige plasmasnijtoepassing waarbij de kop van een drukvat wordt gebogen. Net als bij het snijden van plaatmateriaal moet de robotbrander loodrecht op het materiaaloppervlak worden geplaatst om de dunst mogelijke doorsnede voor perforatie te garanderen. Wanneer de plasmabrander het werkstuk nadert, gebruikt deze hoogtedetectie totdat deze het oppervlak van het vat vindt en trekt deze zich vervolgens terug langs de as van de brander om de hoogte over te brengen. Nadat de boog is overgedragen, trekt de brander zich weer terug langs de as van de brander om de doorsteekhoogte te bereiken, op een veilige afstand van terugslag (zie afbeelding 6).
Zodra de doorsteekvertraging is verstreken, wordt de brander naar de snijhoogte verlaagd. Bij het bewerken van contouren wordt de brander gelijktijdig of stapsgewijs naar de gewenste snijrichting gedraaid. Op dit punt begint de snijsequentie.
Robots worden overbepaalde systemen genoemd. Dat gezegd hebbende, kunnen ze op meerdere manieren op hetzelfde punt uitkomen. Dat betekent dat iedereen die een robot leert bewegen, of wie dan ook, over een bepaald niveau van deskundigheid moet beschikken, of het nu gaat om het begrijpen van robotbewegingen of de bewerkingsvereisten van plasmasnijden.
Hoewel teach pendants zijn geëvolueerd, zijn sommige taken niet per definitie geschikt voor teach pendant-programmering, met name taken met een groot aantal gemengde onderdelen met een laag volume. Robots produceren niet wanneer ze teach pendant zijn en het teachen zelf kan uren duren, en voor complexe onderdelen zelfs dagen.
Offline robotprogrammeringssoftware die is ontworpen met plasmasnijmodules zal deze expertise integreren (zie Afbeelding 7). Dit omvat plasmagassnijrichting, initiële hoogtedetectie, doorsteekvolgorde en optimalisatie van de snijsnelheid voor toorts- en plasmaprocessen.
Figuur 2. Scherpe (“puntige”) toortsen zijn beter geschikt voor robotisch plasmasnijden. Maar zelfs met deze toortsgeometrieën is het het beste om de snijhoogte te verhogen om de kans op botsingen te minimaliseren.
De software biedt de robotica-expertise die nodig is om overbepaalde systemen te programmeren. Het beheert singulariteiten of situaties waarin de robot-eindeffector (in dit geval de plasmatoorts) het werkstuk niet kan bereiken; gewrichtslimieten; overtravel; polsrollover; botsingsdetectie; externe assen; en optimalisatie van het gereedschapspad. Eerst importeert de programmeur het CAD-bestand van het voltooide onderdeel in offline robotprogrammeersoftware en definieert vervolgens de te snijden rand, samen met het doorsteekpunt en andere parameters, rekening houdend met botsings- en bereikbeperkingen.
Een aantal van de nieuwste iteraties van offline roboticasoftware maken gebruik van zogenaamde taakgebaseerde offline programmering. Met deze methode kunnen programmeurs automatisch snijpaden genereren en meerdere profielen tegelijk selecteren. De programmeur kan een randpadselector selecteren die het snijpad en de richting weergeeft en er vervolgens voor kiezen om de start- en eindpunten te wijzigen, evenals de richting en helling van de plasmatoorts. De programmering begint over het algemeen (onafhankelijk van het merk van de robotarm of het plasmasysteem) en gaat verder met het opnemen van een specifiek robotmodel.
De resulterende simulatie kan rekening houden met alles in de robotcel, inclusief elementen zoals veiligheidsbarrières, bevestigingen en plasmatoortsen. Vervolgens wordt rekening gehouden met mogelijke kinematische fouten en botsingen voor de operator, die het probleem vervolgens kan oplossen. Een simulatie kan bijvoorbeeld een botsingsprobleem onthullen tussen twee verschillende sneden in de kop van een drukvat. Elke incisie bevindt zich op een andere hoogte langs de contouren van de kop, dus bij snelle bewegingen tussen incisies moet rekening worden gehouden met de benodigde speling - een klein detail dat moet worden opgelost voordat het werk de vloer bereikt, en dat helpt om hoofdpijn en verspilling te voorkomen.
Aanhoudende tekorten aan arbeidskrachten en een groeiende vraag van klanten hebben ertoe geleid dat steeds meer fabrikanten overstappen op robotisch plasmasnijden. Helaas duiken veel mensen in het water, alleen om nog meer complicaties te ontdekken. Dit geldt met name wanneer degenen die de automatisering integreren, onvoldoende kennis hebben van het plasmasnijproces. Dit leidt alleen maar tot frustratie.
Integreer plasmasnijkennis vanaf het begin en er verandert van alles. Dankzij plasmaprocesintelligentie kan de robot roteren en bewegen zoals nodig is om zo efficiënt mogelijk te piercen, waardoor de levensduur van verbruiksartikelen wordt verlengd. De robot snijdt in de juiste richting en manoeuvreert zo dat botsingen met de werkstukken worden voorkomen. Fabrikanten die dit automatiseringspad bewandelen, plukken daar de vruchten van.
Dit artikel is gebaseerd op het artikel “Advances in 3D Robotic Plasma Cutting”, gepresenteerd op de FABTECH-conferentie van 2021.
FABRICATOR is het toonaangevende vakblad van Noord-Amerika voor de metaalvervormings- en bewerkingsindustrie. Het tijdschrift biedt nieuws, technische artikelen en praktijkvoorbeelden waarmee fabrikanten hun werk efficiënter kunnen uitvoeren. FABRICATOR is sinds 1970 actief in de industrie.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de sector.
Profiteer van volledige toegang tot de digitale editie van STAMPING Journal, met de nieuwste technologische ontwikkelingen, best practices en nieuws uit de branche voor de metaalstansmarkt.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The Fabricator en Español, eenvoudige toegang tot waardevolle bronnen uit de industrie.
Geplaatst op: 25 mei 2022
