Integroitu robottiplasmaleikkaus vaatii enemmän kuin vain robottikäsivarren päähän kiinnitetyn polttimen. Plasmaleikkausprosessin tuntemus on avainasemassa. Aarre
Metallintyöstäjät kaikkialla teollisuudessa – työpajoissa, raskaissa koneissa, laivanrakennuksessa ja teräsrakenteissa – pyrkivät täyttämään tiukat toimitusodotukset ja ylittämään samalla laatuvaatimukset. He pyrkivät jatkuvasti vähentämään kustannuksia ja samalla ratkaisemaan aina läsnä olevan ongelman ammattitaitoisen työvoiman säilyttämisessä. Liiketoiminta ei ole helppoa.
Monet näistä ongelmista voidaan jäljittää manuaalisiin prosesseihin, jotka ovat edelleen yleisiä teollisuudessa, erityisesti monimutkaisten muotoisten tuotteiden, kuten teollisuussäiliöiden kansien, kaarevien teräsrakenteiden sekä putkien ja letkujen, valmistuksessa. Monet valmistajat käyttävät 25–50 prosenttia koneistusajasta manuaaliseen merkitsemiseen, laadunvalvontaan ja muuntamiseen, kun taas todellinen leikkausaika (yleensä kädessä pidettävällä kaasu- tai plasmaleikkurilla) on vain 10–20 prosenttia.
Tällaisten manuaalisten prosessien kuluttaman ajan lisäksi monet näistä leikkauksista tehdään väärien ominaisuuksien, mittojen tai toleranssien ympärille, mikä vaatii laajoja jälkikäsittelyjä, kuten hiomista ja uudelleentyöstöä, tai pahempaa, materiaaleja, jotka on hävitettävä. Monet kaupat käyttävät jopa 40 % kokonaiskäsittelyajastaan tähän vähäarvoiseen työhön ja jätteeseen.
Kaikki tämä on johtanut alan pyrkimykseen automatisoida automaatio. Verstas, joka automatisoi monimutkaisten moniakselisten osien manuaalisen polttoleikkausoperaation, otti käyttöön robottiplasmaleikkaussolun ja, odotetusti, saavutti valtavia hyötyjä. Tämä operaatio poistaa manuaalisen asettelun, ja työ, joka vei viideltä ihmiseltä 6 tuntia, voidaan nyt tehdä vain 18 minuutissa robotin avulla.
Vaikka hyödyt ovat ilmeisiä, robottiplasmaleikkauksen käyttöönotto vaatii enemmän kuin vain robotin ja plasmapolttimen ostamisen. Jos harkitset robottiplasmaleikkausta, varmista, että käytät kokonaisvaltaista lähestymistapaa ja tarkastelet koko arvovirtaa. Lisäksi tee yhteistyötä valmistajan kouluttaman järjestelmäintegraattorin kanssa, joka ymmärtää plasmateknologiaa sekä järjestelmäkomponentteja ja -prosesseja, joita tarvitaan sen varmistamiseksi, että kaikki vaatimukset integroidaan akun suunnitteluun.
Ota myös huomioon ohjelmisto, joka on luultavasti yksi tärkeimmistä osista missä tahansa robottiplasmaleikkausjärjestelmässä. Jos olet investoinut järjestelmään ja ohjelmisto on joko vaikeakäyttöinen, vaatii paljon asiantuntemusta tai robotin mukauttaminen plasmaleikkaukseen ja leikkausreitin opettaminen vie paljon aikaa, tuhlaat vain paljon rahaa.
Vaikka robottisimulaatio-ohjelmistot ovat yleisiä, tehokkaat robottiplasmaleikkaussolut hyödyntävät offline-robottiohjelmointiohjelmistoa, joka suorittaa automaattisesti robotin reitin ohjelmoinnin, tunnistaa ja kompensoi törmäykset sekä integroi plasmaleikkausprosessitietämyksen. Syvällisen plasmaprosessitietämyksen sisällyttäminen on avainasemassa. Tällaisten ohjelmistojen avulla jopa monimutkaisimpien robottiplasmaleikkaussovellusten automatisointi helpottuu huomattavasti.
Monimutkaisten, moniakselisten muotojen plasmaleikkaus vaatii ainutlaatuisen poltingeometrian. Tyypillisessä XY-sovelluksessa (katso kuva 1) käytetyn poltingeometrian käyttäminen monimutkaiseen muotoon, kuten kaarevaan paineastian päähän, lisää törmäysten todennäköisyyttä. Tästä syystä teräväkulmaiset polttimet ("teräväkärkiset") sopivat paremmin robottimuotoiluun.
Kaikkia törmäyksiä ei voida välttää pelkästään teräväkulmaisella taskulampulla. Osaohjelman on sisällettävä myös muutoksia leikkauskorkeuteen (eli polttimen kärjen on oltava riittävän kaukana työkappaleesta) törmäysten välttämiseksi (katso kuva 2).
Leikkausprosessin aikana plasmakaasu virtaa polttimen runkoa pitkin pyörremäisessä suunnassa polttimen kärkeen. Tämä pyörimisliike mahdollistaa keskipakoisvoiman vetää raskaat hiukkaset kaasupatsaasta suuttimen reiän reunoille ja suojaa poltinkokoonpanoa kuumien elektronien virtaukselta. Plasman lämpötila on lähellä 20 000 celsiusastetta, kun taas polttimen kupariosat sulavat 1 100 celsiusasteessa. Kulutusosat tarvitsevat suojaa, ja raskaista hiukkasista koostuva eristävä kerros tarjoaa suojan.
Kuva 1. Vakiomalliset poltinrungot on suunniteltu levymetallin leikkaamiseen. Saman polttimen käyttö moniakselisessa sovelluksessa lisää törmäysten riskiä työkappaleeseen.
Pyörre tekee leikkauksen toisesta puolesta kuumemman kuin toisesta. Myötäpäivään pyörivällä kaasulla varustetut polttimet sijoittavat leikkauksen kuuman puolen tyypillisesti valokaaren oikealle puolelle (ylhäältä katsottuna leikkauksen suuntaan). Tämä tarkoittaa, että prosessi-insinööri tekee kovasti töitä optimoidakseen leikkauksen hyvän puolen ja olettaa, että huono puoli (vasen) on romua (katso kuva 3).
Sisäiset ominaisuudet on leikattava vastapäivään siten, että plasman kuuma puoli tekee siistin leikkauksen oikealle puolelle (osan reunan puolelle). Sen sijaan osan reuna on leikattava myötäpäivään. Jos poltin leikkaa väärään suuntaan, se voi luoda suuren kartion leikkausprofiiliin ja lisätä kuonaa osan reunaan. Pohjimmiltaan teet "hyviä leikkauksia" romulle.
Huomaa, että useimmissa plasmapaneelileikkauspöydissä on ohjaimeen sisäänrakennettu prosessiäly, joka määrittää kaarileikkauksen suunnan. Robotiikan alalla näitä yksityiskohtia ei kuitenkaan välttämättä tunneta tai ymmärretä, eikä niitä ole vielä integroitu tyypilliseen robottiohjaimeen – siksi on tärkeää, että käytössä on offline-robottiohjelmointiohjelmisto, joka tuntee plasmaleikkausprosessin.
Metallin lävistämiseen käytetyn polttimen liikkeellä on suora vaikutus plasmaleikkauksen kulutusosiin. Jos plasmapoltin lävistää levyn leikkauskorkeudella (liian lähellä työkappaletta), sulan metallin rekyyli voi nopeasti vahingoittaa suojaa ja suutinta. Tämä johtaa heikkoon leikkauslaatuun ja lyhentää kulutusosien käyttöikää.
Tämäkin tapahtuu harvoin ohutlevyn leikkaussovelluksissa gantryn kanssa, koska polttimen asiantuntemus on jo sisäänrakennettuna ohjaimeen. Käyttäjä painaa painiketta aloittaakseen lävistyssekvenssin, joka käynnistää sarjan tapahtumia oikean lävistyskorkeuden varmistamiseksi.
Ensin poltin suorittaa korkeuden mittaustoimenpiteen, yleensä käyttämällä ohmista signaalia työkappaleen pinnan havaitsemiseen. Levyn asettamisen jälkeen poltin vedetään levystä siirtokorkeudelle, joka on optimaalinen etäisyys plasmakaaren siirtymiselle työkappaleeseen. Kun plasmakaari on siirtynyt, se voi lämmetä kokonaan. Tässä vaiheessa poltin siirtyy lävistyskorkeudelle, joka on turvallisempi etäisyys työkappaleesta ja kauempana sulan materiaalin takaiskusta. Poltin pitää tämän etäisyyden, kunnes plasmakaari lävistää levyn kokonaan. Kun lävistysviive on päättynyt, poltin liikkuu alas metallilevyä kohti ja aloittaa leikkausliikkeen (katso kuva 4).
Jälleen kerran kaikki tämä älykkyys on yleensä sisäänrakennettuna levyleikkauksessa käytettävään plasmaohjaimeen, ei robottiohjaimeen. Robottileikkauksessa on myös toinen monimutkaisuuskerros. Lävistys väärällä korkeudella on jo itsessään huono asia, mutta moniakselisia muotoja leikattaessa poltin ei välttämättä ole parhaassa suunnassa työkappaleen ja materiaalin paksuuden kannalta. Jos poltin ei ole kohtisuorassa lävistettävään metallipintaan nähden, se leikkaa lopulta paksumman poikkileikkauksen kuin on tarpeen, mikä tuhlaa kulutusosien käyttöikää. Lisäksi muotoillun työkappaleen lävistäminen väärään suuntaan voi asettaa poltinkokoonpanon liian lähelle työkappaleen pintaa, mikä altistaa sen sulan takaiskulle ja aiheuttaa ennenaikaisen vikaantumisen (katso kuva 5).
Tarkastellaan robottiplasmaleikkaussovellusta, jossa taivutetaan paineastian päätä. Samoin kuin levyleikkauksessa, robottipoltin tulisi sijoittaa kohtisuoraan materiaalin pintaan nähden, jotta rei'ityksen poikkileikkaus olisi mahdollisimman ohut. Kun plasmapoltin lähestyy työkappaletta, se käyttää korkeusanturia, kunnes se löytää astian pinnan, ja vetäytyy sitten polttimen akselia pitkin siirtääkseen korkeuden. Kun valokaari on siirretty, poltin vetäytyy jälleen polttimen akselia pitkin lävistyskorkeuden saavuttamiseksi turvallisesti pois takaiskulta (katso kuva 6).
Kun lävistysviive on kulunut umpeen, poltin lasketaan leikkauskorkeuteen. Ääriviivoja käsiteltäessä poltinta käännetään haluttuun leikkaussuuntaan samanaikaisesti tai vaiheittain. Tässä vaiheessa leikkaussekvenssi alkaa.
Robotteja kutsutaan ylimääräisiksi järjestelmiksi. Niillä on kuitenkin useita tapoja päästä samaan pisteeseen. Tämä tarkoittaa, että kenellä tahansa, joka opettaa robottia liikkumaan, tai kenellä tahansa muulla, on oltava tietty asiantuntemustaso, olipa kyse sitten robotin liikkeen ymmärtämisestä tai plasmaleikkauksen työstövaatimuksista.
Vaikka opetusohjaimet ovat kehittyneet, jotkin tehtävät eivät luonnostaan sovellu opetusohjaimen ohjelmointiin – erityisesti tehtävät, joihin liittyy suuri määrä sekalaisia, pienen volyymin osia. Robotit eivät tuota, kun niitä opetetaan, ja itse opettaminen voi kestää tunteja tai jopa päiviä monimutkaisten osien kohdalla.
Plasmaleikkausmoduuleilla varustettu offline-robottiohjelmointiohjelmisto hyödyntää tätä asiantuntemusta (katso kuva 7). Tämä sisältää plasmakaasuleikkaussuunnan, alkukorkeuden mittauksen, pistojen järjestyksen ja leikkausnopeuden optimoinnin poltin- ja plasmaprosesseissa.
Kuva 2. Terävät ("kärkiset") polttimet sopivat paremmin robottiplasmaleikkaukseen. Mutta jopa näillä poltingeometrioilla on parasta lisätä leikkauskorkeutta törmäysten riskin minimoimiseksi.
Ohjelmisto tarjoaa robotiikkaosaamista, jota tarvitaan ylimääritettyjen järjestelmien ohjelmointiin. Se hallitsee singulariteetteja eli tilanteita, joissa robotin päätetyökalu (tässä tapauksessa plasmapoltin) ei pääse työkappaleeseen; nivelten rajoituksia; yliliikettä; ranteen kaatumista; törmäysten havaitsemista; ulkoisia akseleita; ja työstöradan optimointia. Ensin ohjelmoija tuo valmiin osan CAD-tiedoston offline-robottiohjelmointiohjelmistoon ja määrittelee sitten leikattavan reunan sekä lävistyspisteen ja muut parametrit ottaen huomioon törmäys- ja etäisyysrajoitukset.
Joissakin uusimmista offline-robotiikkaohjelmistojen versioista käytetään niin sanottua tehtäväpohjaista offline-ohjelmointia. Tämä menetelmä antaa ohjelmoijille mahdollisuuden luoda automaattisesti leikkausreittejä ja valita useita profiileja kerralla. Ohjelmoija voi valita reunareitin valitsimen, joka näyttää leikkausreitin ja -suunnan, ja sitten muuttaa plasmapolttimen aloitus- ja lopetuspisteitä sekä suuntaa ja kallistusta. Ohjelmointi yleensä alkaa (robottikäden tai plasmajärjestelmän merkistä riippumatta) ja etenee tiettyyn robottimalliin.
Tuloksena oleva simulaatio voi ottaa huomioon kaiken robottisolussa, mukaan lukien elementit, kuten turvaesteet, kiinnikkeet ja plasmapolttimet. Se ottaa sitten huomioon mahdolliset kinemaattiset virheet ja törmäykset käyttäjää varten, joka voi sitten korjata ongelman. Simulaatio voi esimerkiksi paljastaa törmäysongelman paineastian kannen kahden eri leikkauksen välillä. Jokainen viilto on eri korkeudella pään ääriviivaa pitkin, joten viiltojen välisen nopean liikkeen on otettava huomioon tarvittava välys – pieni yksityiskohta, joka ratkaistaan ennen kuin työ saavuttaa lattian ja auttaa poistamaan päänsärkyä ja hukkaa.
Jatkuva työvoimapula ja kasvava asiakaskysyntä ovat saaneet yhä useammat valmistajat siirtymään robottiplasmaleikkaukseen. Valitettavasti monet ihmiset hyppäävät veteen vain huomatakseen lisää komplikaatioita, varsinkin jos automaatiota integroivilla ihmisillä ei ole tietoa plasmaleikkausprosessista. Tämä polku johtaa vain turhautumiseen.
Integroi plasmaleikkausosaaminen alusta alkaen, niin asiat muuttuvat. Plasmaprosessien älykkyyden ansiosta robotti voi pyöriä ja liikkua tarpeen mukaan suorittaakseen tehokkaimman lävistyksen, mikä pidentää kulutusosien käyttöikää. Se leikkaa oikeaan suuntaan ja liikkuu välttääkseen työkappaleen törmäykset. Valmistajat korjaavat palkintoja noudattaessaan tätä automatisointipolkua.
Tämä artikkeli perustuu vuoden 2021 FABTECH-konferenssissa esiteltyyn artikkeliin ”Advances in 3D Robotic Plasma Cutting”.
FABRICATOR on Pohjois-Amerikan johtava metallinmuovaus- ja konepajateollisuuden aikakauslehti. Lehti tarjoaa uutisia, teknisiä artikkeleita ja tapaushistorioita, jotka auttavat valmistajia tekemään työnsä tehokkaammin. FABRICATOR on palvellut alaa vuodesta 1970 lähtien.
Nyt täydellä pääsyllä The FABRICATORin digitaaliseen versioon, helppo pääsy arvokkaisiin alan resursseihin.
The Tube & Pipe Journalin digitaalinen versio on nyt täysin saavutettavissa, ja se tarjoaa helpon pääsyn arvokkaisiin alan resursseihin.
Nauti täydestä pääsystä STAMPING Journalin digitaaliseen versioon, joka tarjoaa uusimmat tekniset edistysaskeleet, parhaat käytännöt ja alan uutiset metallinleimausmarkkinoille.
Nyt täydellä pääsyllä The Fabricator en Español -lehden digitaaliseen versioon, helppo pääsy arvokkaisiin alan resursseihin.
Julkaisun aika: 25.5.2022
