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Sep 02, 2023

Más conocimiento del proceso, mejor corte por plasma robótico

Integrar el corte por plasma robótico requiere más que conectar una antorcha al final

Integrar el corte por plasma robótico requiere más que colocar una antorcha al final de un brazo robótico. El conocimiento del proceso de corte por plasma es clave. Hipertermia

Los fabricantes de metal de toda la industria (en talleres, maquinaria pesada, construcción naval y acero estructural) se esfuerzan por cumplir con las exigentes expectativas de entrega al tiempo que superan los requisitos de calidad. Buscan continuamente reducciones de costos, todo mientras se enfrentan al problema siempre presente de retener mano de obra calificada. El negocio no es fácil.

Muchas de estas preocupaciones se remontan a los procesos manuales que aún prevalecen en la industria, especialmente cuando se trata de la fabricación de formas complejas como cabezas de recipientes industriales, componentes de acero estructural curvo y tuberías y tubos. Muchos fabricantes dedican del 25 % al 50 % de su tiempo de procesamiento al marcado manual, el control de calidad y los cambios, mientras que el tiempo de corte real, que a menudo se realiza con cortadoras de plasma o oxicorte manuales, es solo del 10 % al 20 %.

Además del tiempo que consumen estos procesos manuales, muchos de estos cortes se realizan alrededor de ubicaciones, dimensiones o tolerancias incorrectas, lo que requiere importantes operaciones secundarias como esmerilado y reelaboración o, lo que es peor, materiales desechados. Muchos talleres dedican hasta un 40 % del tiempo total de procesamiento a este esfuerzo y desperdicio de bajo valor.

Todo esto conduce al impulso de la industria hacia la automatización. Un taller que automatizó una operación manual de corte con soplete para piezas complejas de varios ejes implementó una celda robótica de corte por plasma y, como era de esperar, vio beneficios espectaculares. La operación eliminó el diseño manual, y un trabajo que llevó seis horas a cinco personas ahora se hizo en solo 18 minutos con el robot.

Si bien los beneficios son obvios, implementar el corte por plasma robótico requiere más que simplemente comprar un robot y colocar una antorcha de plasma. Si está considerando el corte por plasma robótico, asegúrese de adoptar un enfoque holístico que analice todo el flujo de valor. Además, trabaje con integradores de sistemas capacitados por el fabricante que conozcan y entiendan la tecnología de plasma, así como los componentes y procesos necesarios del sistema para asegurarse de que todos los requisitos estén integrados en el diseño de la celda.

Considere también el software, posiblemente uno de los componentes más importantes de cualquier sistema robótico de corte por plasma. Si invierte en un sistema pero el software es difícil de usar o requiere mucha experiencia para ejecutarlo, o descubre que se necesita una enorme cantidad de tiempo para adaptar el robot al corte por plasma y enseñarle una ruta de corte, simplemente desperdició mucho dinero.

Si bien el software de simulación robótica es común, las células robóticas de corte por plasma efectivas utilizan un software de programación de robots fuera de línea que automatizará la programación de la ruta 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 dicho software, la automatización incluso de la aplicación robótica de corte por plasma más compleja será mucho más fácil.

El corte por plasma de formas multieje complejas requiere geometrías de antorcha únicas. Aplique una geometría de antorcha utilizada en una aplicación XY típica (consulte la Figura 1) a una forma compleja como la cabeza curva de un recipiente a presión y aumentará la probabilidad de colisiones. Por esta razón, una antorcha de ángulo agudo (con un diseño "puntiagudo") es más adecuada para el corte de formas robóticas.

Una linterna de ángulo agudo por sí sola no puede evitar todo tipo de colisiones. Los programas de piezas también deben incorporar cambios en las alturas de corte (es decir, la punta de la antorcha debe mantener un espacio libre con respecto a la pieza de trabajo) para evitar colisiones (consulte la Figura 2).

Durante el corte, el gas de plasma fluye en dirección de remolino por el cuerpo del soplete hasta la punta del soplete. Esta acción de remolino permite que la fuerza centrífuga extraiga partículas pesadas de la columna de gas hacia la periferia del orificio de la boquilla y proteja los componentes de la antorcha del flujo de electrones de alta temperatura. El plasma alcanza una temperatura de casi 20 000 C y los componentes de cobre de la antorcha se derriten a 1100 C. Los consumibles necesitan protección, y esa capa aislada de partículas pesadas la proporciona.

FIGURA 1. El cuerpo de una antorcha estándar está diseñado para cortar placas. El uso de esta misma antorcha en aplicaciones multieje aumenta la posibilidad de colisiones con la pieza de trabajo.

El remolino hace que un lado del corte esté más caliente que el otro lado. Los sopletes con un gas que gira en el sentido de las agujas del reloj generalmente colocan el lado caliente del corte en el lado derecho del arco (visto desde arriba en la dirección del corte). Esto significa que los ingenieros de procesos trabajan para optimizar el lado bueno del corte y asumen que el lado malo (a la izquierda) será chatarra (consulte la Figura 3).

Las características internas deben cortarse en el sentido contrario a las agujas del reloj, con el lado caliente del plasma creando un corte limpio a la derecha (el lado del borde parcial). Por el contrario, los perímetros de las piezas deben cortarse en el sentido de las agujas del reloj. Si la antorcha corta en la dirección incorrecta, crea una gran conicidad en el perfil de corte y aumenta la escoria en el borde de la pieza. En esencia, estará poniendo el "buen corte" en la chatarra.

Tenga en cuenta que la mayoría de las mesas de corte de placas de plasma tienen inteligencia de proceso sobre la dirección de corte del arco integrada en el controlador. Pero en el campo de la robótica, estos detalles no necesariamente se conocen o entienden, y aún no están integrados en los controladores de robot típicos; de ahí la importancia de tener un software de programación robótica fuera de línea con el conocimiento del proceso de plasma integrado.

El movimiento de la antorcha para perforar metal tiene un impacto directo en los consumibles de corte por plasma. Si un soplete de plasma perfora la placa a la altura de corte, demasiado cerca de la pieza de trabajo, el retroceso del metal fundido daña rápidamente el protector y la boquilla. Esto da como resultado una calidad de corte deficiente y una vida útil corta de los consumibles.

Una vez más, esto rara vez ocurriría en una aplicación de corte de placas con un pórtico porque la experiencia con la altura de la antorcha ya está integrada en el controlador. Un operador presiona un botón para iniciar la secuencia de perforación, que inicia una serie de eventos para garantizar una altura de perforación adecuada.

Primero, la antorcha realiza una rutina de detección de altura, detectando la superficie de la pieza de trabajo generalmente con una señal óhmica. Una vez que se ubica la placa, la antorcha se retrae de la placa a una altura de transferencia, que es la distancia óptima para que el arco de plasma se transfiera a la pieza de trabajo. Una vez que ese arco de plasma se transfiere, puede aumentar completamente. En este punto, la antorcha se mueve a la altura de perforación, que es una distancia más segura de la pieza de trabajo, más lejos del retroceso del material fundido. La antorcha mantiene esta distancia hasta que el arco de plasma ha penetrado completamente en la placa. Una vez que se completa el retraso de perforación, la antorcha se mueve hacia abajo más cerca de la placa de metal e inicia el movimiento de corte (consulte la Figura 4).

Una vez más, toda esta inteligencia suele estar integrada en los controladores de plasma para el corte de placas, pero no en los controladores robóticos. El corte robótico también tiene otra capa de complejidad. Perforar a la altura incorrecta ya es bastante malo, pero al cortar formas multieje, es posible que la antorcha no esté en la orientación óptima para la pieza de trabajo y el grosor del material. Si la antorcha no está perpendicular a la superficie de metal que está perforando, termina 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 orientación incorrecta puede colocar los componentes del soplete demasiado cerca de la superficie de la pieza de trabajo, dejándolos expuestos al retroceso del fundido y causando daños prematuros (consulte la Figura 5).

Considere una aplicación robótica de corte por plasma que involucre un cabezal curvo de recipiente a presión. Similar al corte de placas, la antorcha robótica debe colocarse perpendicular a la superficie del material para garantizar la sección transversal más delgada posible para perforar. A medida que la antorcha de plasma se acerca a la pieza de trabajo, usará la detección de altura hasta que localice la superficie del recipiente y luego se retraerá a lo largo del eje de la antorcha hasta la altura de transferencia. Después de que el arco se transfiera, la antorcha se retrae nuevamente a lo largo del eje de la antorcha hasta la altura de perforación, lejos del retroceso (vea la Figura 6).

Una vez que expira el retraso de perforación, la antorcha desciende a la altura de corte. Cuando se trabaja con contornos, la antorcha, ya sea simultáneamente o en pasos separados, gira a la orientación deseada para el corte. En ese momento comienza la secuencia de corte.

Un robot es conocido como un sistema sobredeterminado. Es decir, tiene varias formas de llegar a un mismo punto. Esto significa que cualquier persona que enseñe al robot a moverse debe tener un cierto nivel de experiencia, tanto en lo que respecta a conocer el movimiento robótico como los requisitos de procesamiento para el corte por plasma.

Por mucho que hayan evolucionado los colgantes de enseñanza, ciertas tareas no se prestan para enseñar programación colgante, específicamente, tareas que implican una gran combinación de partes de bajo volumen. El robot no produce mientras se le enseña, y la enseñanza en sí puede llevar horas o, en el caso de piezas complejas, incluso días.

El software de programación robótica fuera de línea, diseñado con módulos de corte por plasma, ya tendrá esta experiencia integrada (consulte la Figura 7). Esto incluye la dirección de corte del gas de plasma, la detección de altura inicial, la secuenciación de perforaciones y la optimización de la velocidad de corte para el proceso de antorcha y plasma.

FIGURA 2. Una antorcha aguda ("puntiaguda") es más adecuada para el corte por plasma robótico. Pero incluso con estas geometrías de antorcha, la mejor práctica es aumentar las alturas de corte para minimizar la posibilidad de una colisión.

El software proporciona la experiencia en robótica necesaria para programar un sistema sobredeterminado. Maneja singularidades, o situaciones donde el efector final del robot (en este caso, la antorcha de plasma) no puede alcanzar la pieza de trabajo; límites conjuntos; sobreviajes; giros de muñeca; detección de colisiones; eje externo; y optimización de la trayectoria. Para comenzar, un programador importa un archivo CAD de la pieza terminada en un software de programación robótica fuera de línea, luego define qué bordes cortar, así como los puntos de perforación y otros parámetros, teniendo en cuenta las restricciones de colisión y alcance.

Algunas de las últimas iteraciones de software robótico fuera de línea utilizan lo que se conoce como programación fuera de línea basada en tareas. El método permite al programador generar trayectorias de corte automáticamente y seleccionar múltiples contornos a la vez. Un programador puede elegir un selector de ruta de borde, que muestra la ruta y la dirección del corte, y luego optar por cambiar el punto de inicio y final, así como la dirección y la inclinación de la antorcha de plasma. La programación comienza de manera genérica (independientemente de la marca del brazo robótico o del sistema de plasma), luego avanza para incluir modelos de robot específicos.

La simulación resultante puede tener en cuenta todo en la celda del robot, incluidos elementos como barreras de seguridad, accesorios y la antorcha de plasma. Luego ilustra cualquier posible error cinemático y colisiones para el operador, quien luego puede corregir los problemas. Por ejemplo, una simulación podría revelar un problema de colisión entre dos cortes diferentes en la cabeza de un recipiente a presión. Cada corte se encuentra a una altura diferente a lo largo del contorno de la cabeza, por lo que el desplazamiento rápido entre los cortes debe tener en cuenta el espacio libre necesario, un pequeño detalle que, cuando se aborda antes de que el trabajo llegue al piso, ayuda a eliminar los dolores de cabeza y el desperdicio.

La escasez de mano de obra siempre presente combinada con las crecientes demandas de los clientes han llevado a más fabricantes hacia el corte por plasma robótico. Desafortunadamente, muchos se sumergen solo para encontrar más complicaciones, especialmente cuando las personas que integran la automatización carecen de conocimientos sobre el proceso de corte por plasma. Ese camino solo conduce a la frustración.

Integre los conocimientos de corte por plasma desde el principio y la situación cambiará. Con inteligencia de proceso de plasma, el robot gira y se mueve según sea necesario para realizar las perforaciones más eficientes para prolongar la vida útil de los consumibles. Corta en la dirección correcta y maniobra para evitar colisiones con la pieza de trabajo. Al seguir este camino hacia la automatización, los fabricantes cosechan las recompensas.

Este artículo se basa en "Avances en el corte por plasma robótico 3D", presentado en la conferencia FABTECH 2021.