La découpe plasma robotisée intégrée nécessite plus qu'une simple torche fixée à l'extrémité du bras robotisé. La connaissance du processus de découpe plasma est essentielle.
Les fabricants de métaux de l’ensemble de l’industrie – dans les ateliers, les machines lourdes, la construction navale et l’acier de construction – s’efforcent de répondre aux attentes de livraison exigeantes tout en dépassant les exigences de qualité. Ils cherchent constamment à réduire les coûts tout en faisant face au problème omniprésent de la rétention de la main-d’œuvre qualifiée. Les affaires ne sont pas faciles.
Bon nombre de ces problèmes peuvent être attribués à des processus manuels qui sont encore répandus dans l'industrie, en particulier lors de la fabrication de produits de forme complexe tels que des couvercles de conteneurs industriels, des composants en acier de construction incurvés et des tuyaux et tubes. De nombreux fabricants consacrent 25 à 50 pour cent de leur temps d'usinage au marquage manuel, au contrôle qualité et à la conversion, alors que le temps de coupe réel (généralement avec un coupeur oxygaz ou plasma portatif) n'est que de 10 à 20 pour cent.
En plus du temps consommé par ces processus manuels, bon nombre de ces coupes sont réalisées autour d'emplacements, de dimensions ou de tolérances erronés, nécessitant des opérations secondaires importantes telles que le meulage et le retravail, ou pire, des matériaux qui doivent être mis au rebut. De nombreux magasins consacrent jusqu'à 40 % de leur temps de traitement total à ce travail de faible valeur et à ce gaspillage.
Tout cela a conduit à une poussée de l'industrie vers l'automatisation. Un atelier qui automatise les opérations de découpe au chalumeau manuel pour les pièces multi-axes complexes a mis en œuvre une cellule de découpe plasma robotisée et, sans surprise, a constaté d'énormes gains. Cette opération élimine la disposition manuelle, et un travail qui prendrait 6 heures à 5 personnes peut désormais être réalisé en seulement 18 minutes à l'aide d'un robot.
Bien que les avantages soient évidents, la mise en œuvre de la découpe plasma robotisée nécessite plus que le simple achat d'un robot et d'une torche plasma. Si vous envisagez la découpe plasma robotisée, assurez-vous d'adopter une approche holistique et d'examiner l'ensemble du flux de valeur. De plus, travaillez avec un intégrateur système formé par le fabricant qui comprend et comprend la technologie plasma et les composants et processus du système requis pour garantir que toutes les exigences sont intégrées dans la conception de la batterie.
Tenez également compte du logiciel, qui est sans doute l'un des composants les plus importants de tout système de découpe plasma robotisé. Si vous avez investi dans un système et que le logiciel est difficile à utiliser, nécessite beaucoup d'expertise pour fonctionner ou que vous trouvez qu'il faut beaucoup de temps pour adapter le robot à la découpe plasma et enseigner le chemin de découpe, vous gaspillez simplement beaucoup d'argent.
Bien que les logiciels de simulation robotique soient courants, les cellules de découpe plasma robotisées efficaces utilisent un logiciel de programmation robotique hors ligne qui effectuera automatiquement la programmation du chemin du robot, identifiera et compensera les collisions et intégrera les connaissances du processus de découpe plasma. L'intégration d'une connaissance approfondie du processus plasma est essentielle. Avec un logiciel comme celui-ci, l'automatisation même des applications de découpe plasma robotisée les plus complexes devient beaucoup plus facile.
La découpe plasma de formes multi-axes complexes nécessite une géométrie de torche unique. Appliquez la géométrie de torche utilisée dans une application XY typique (voir Figure 1) à une forme complexe, telle qu'une tête de récipient sous pression incurvée, et vous augmenterez la probabilité de collisions. Pour cette raison, les torches à angle vif (avec une conception « pointue ») sont mieux adaptées à la découpe de formes robotisées.
Tous les types de collisions ne peuvent pas être évités avec une lampe de poche à angle aigu seule. Le programme de pièce doit également contenir des modifications de la hauteur de coupe (c'est-à-dire que la pointe de la torche doit avoir un espace libre par rapport à la pièce) pour éviter les collisions (voir Figure 2).
Pendant le processus de coupe, le gaz plasma s'écoule le long du corps de la torche dans une direction vortex jusqu'à la pointe de la torche. Cette action de rotation permet à la force centrifuge d'extraire les particules lourdes de la colonne de gaz vers la périphérie du trou de la buse et protège l'ensemble de la torche du flux d'électrons chauds. La température du plasma est proche de 20 000 degrés Celsius, tandis que les pièces en cuivre de la torche fondent à 1 100 degrés Celsius. Les consommables ont besoin de protection, et une couche isolante de particules lourdes assure la protection.
Figure 1. Les corps de torche standard sont conçus pour la découpe de tôles. L'utilisation de la même torche dans une application multi-axes augmente le risque de collisions avec la pièce.
Le tourbillon rend un côté de la coupe plus chaud que l'autre. Les torches à gaz tournant dans le sens des aiguilles d'une montre placent généralement le côté chaud de la coupe sur le côté droit de l'arc (vu d'en haut dans le sens de la coupe). Cela signifie que l'ingénieur de procédé travaille dur pour optimiser le bon côté de la coupe et suppose que le mauvais côté (gauche) sera mis au rebut (voir Figure 3).
Les caractéristiques internes doivent être coupées dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le côté chaud du plasma effectuant une coupe nette sur le côté droit (côté bord de la pièce). Au lieu de cela, le périmètre de la pièce doit être coupé dans le sens des aiguilles d'une montre. Si la torche coupe dans la mauvaise direction, elle peut créer une grande conicité dans le profil de coupe et augmenter les scories sur le bord de la pièce. Essentiellement, vous faites de « bonnes coupes » sur de la ferraille.
Notez que la plupart des tables de découpe de panneaux plasma ont une intelligence de processus intégrée dans le contrôleur concernant la direction de la coupe de l'arc. Mais dans le domaine de la robotique, ces détails ne sont pas nécessairement connus ou compris, et ils ne sont pas encore intégrés dans un contrôleur de robot typique - il est donc important de disposer d'un logiciel de programmation de robot hors ligne avec une connaissance du processus plasma intégré.
Le mouvement de la torche utilisée pour percer le métal a un effet direct sur les consommables de découpe plasma. Si la torche plasma perce la tôle à hauteur de coupe (trop près de la pièce), le recul du métal en fusion peut rapidement endommager le bouclier et la buse. Cela entraîne une mauvaise qualité de coupe et une durée de vie réduite des consommables.
Encore une fois, cela se produit rarement dans les applications de découpe de tôle avec un portique, car le haut degré d'expertise en matière de torche est déjà intégré au contrôleur. L'opérateur appuie sur un bouton pour lancer la séquence de perçage, qui déclenche une série d'événements pour garantir une hauteur de perçage appropriée.
Tout d'abord, la torche effectue une procédure de détection de hauteur, en utilisant généralement un signal ohmique pour détecter la surface de la pièce. Après avoir positionné la plaque, la torche est rétractée de la plaque jusqu'à la hauteur de transfert, qui est la distance optimale pour que l'arc plasma soit transféré à la pièce. Une fois l'arc plasma transféré, il peut chauffer complètement. À ce stade, la torche se déplace jusqu'à la hauteur de perçage, qui est une distance plus sûre de la pièce et plus éloignée du retour de flamme du matériau en fusion. La torche maintient cette distance jusqu'à ce que l'arc plasma pénètre complètement la plaque. Une fois le délai de perçage terminé, la torche descend vers la plaque métallique et commence le mouvement de coupe (voir Figure 4).
Encore une fois, toute cette intelligence est généralement intégrée dans le contrôleur plasma utilisé pour la découpe de tôles, et non dans le contrôleur du robot. La découpe robotisée présente également une autre couche de complexité. Le perçage à la mauvaise hauteur est déjà assez mauvais, mais lors de la découpe de formes multi-axes, la torche peut ne pas être dans la meilleure direction pour la pièce et l'épaisseur du matériau. Si la torche n'est pas perpendiculaire à la surface métallique qu'elle perce, elle finira par couper une section transversale plus épaisse que nécessaire, gaspillant ainsi la durée de vie des consommables. De plus, le perçage d'une pièce profilée dans la mauvaise direction peut placer l'ensemble de la torche trop près de la surface de la pièce, l'exposant ainsi à un retour de fusion et provoquant une défaillance prématurée (voir Figure 5).
Considérez une application de découpe plasma robotisée qui implique de plier la tête d'un récipient sous pression. Comme pour la découpe de tôles, la torche robotisée doit être placée perpendiculairement à la surface du matériau pour garantir la section transversale la plus fine possible pour la perforation. Lorsque la torche plasma s'approche de la pièce, elle utilise la détection de hauteur jusqu'à ce qu'elle trouve la surface du récipient, puis se rétracte le long de l'axe de la torche pour transférer la hauteur. Une fois l'arc transféré, la torche est à nouveau rétractée le long de l'axe de la torche pour percer la hauteur, en toute sécurité, loin du retour de flamme (voir Figure 6).
Une fois le délai de perçage expiré, la torche est abaissée à la hauteur de coupe. Lors du traitement des contours, la torche est tournée dans la direction de coupe souhaitée simultanément ou par étapes. À ce stade, la séquence de coupe commence.
Les robots sont appelés systèmes surdéterminés. Cela dit, ils ont plusieurs façons d'arriver au même point. Cela signifie que quiconque enseigne à un robot à se déplacer, ou à toute autre personne, doit avoir un certain niveau d'expertise, que ce soit dans la compréhension du mouvement du robot ou dans les exigences d'usinage de la découpe plasma.
Bien que les pendentifs d'apprentissage aient évolué, certaines tâches ne sont pas intrinsèquement adaptées à la programmation du pendentif d'apprentissage, en particulier les tâches impliquant un grand nombre de pièces mixtes à faible volume. Les robots ne produisent pas lorsqu'ils sont enseignés, et l'apprentissage lui-même peut prendre des heures, voire des jours pour les pièces complexes.
Le logiciel de programmation de robot hors ligne conçu avec des modules de découpe plasma intégrera cette expertise (voir Figure 7). Cela comprend la direction de découpe au gaz plasma, la détection de la hauteur initiale, le séquençage de perçage et l'optimisation de la vitesse de découpe pour les processus de torche et de plasma.
Figure 2. Les torches pointues sont mieux adaptées à la découpe plasma robotisée. Mais même avec ces géométries de torche, il est préférable d'augmenter la hauteur de coupe pour minimiser les risques de collision.
Le logiciel fournit l'expertise robotique nécessaire pour programmer des systèmes surdéterminés. Il gère les singularités, ou les situations dans lesquelles l'effecteur robotique (dans ce cas, la torche à plasma) ne peut pas atteindre la pièce ; les limites d'articulation ; la surcourse ; le retournement du poignet ; la détection de collision ; les axes externes ; et l'optimisation du parcours d'outil. Tout d'abord, le programmeur importe le fichier CAO de la pièce finie dans un logiciel de programmation de robot hors ligne, puis définit le bord à couper, ainsi que le point de perçage et d'autres paramètres, en tenant compte des contraintes de collision et de portée.
Certaines des dernières itérations de logiciels de robotique hors ligne utilisent ce qu'on appelle la programmation hors ligne basée sur les tâches. Cette méthode permet aux programmeurs de générer automatiquement des chemins de coupe et de sélectionner plusieurs profils à la fois. Le programmeur peut sélectionner un sélecteur de chemin de bord qui affiche le chemin et la direction de coupe, puis choisir de modifier les points de départ et d'arrivée, ainsi que la direction et l'inclinaison de la torche à plasma. La programmation commence généralement (indépendamment de la marque du bras robotique ou du système plasma) et se poursuit pour inclure un modèle de robot spécifique.
La simulation résultante peut prendre en compte tout ce qui se trouve dans la cellule robotique, y compris des éléments tels que les barrières de sécurité, les fixations et les torches à plasma. Elle tient ensuite compte des éventuelles erreurs cinématiques et collisions pour l'opérateur, qui peut alors corriger le problème. Par exemple, une simulation peut révéler un problème de collision entre deux coupes différentes dans la tête d'un récipient sous pression. Chaque incision se trouve à une hauteur différente le long du contour de la tête, de sorte que le mouvement rapide entre les incisions doit tenir compte du jeu nécessaire - un petit détail, résolu avant que le travail n'atteigne le sol, qui aide à éliminer les maux de tête et le gaspillage.
Les pénuries persistantes de main-d'œuvre et la demande croissante des clients ont incité de plus en plus de fabricants à se tourner vers la découpe plasma robotisée. Malheureusement, de nombreuses personnes plongent dans l'eau juste pour découvrir plus de complications, en particulier lorsque les personnes qui intègrent l'automatisation manquent de connaissances sur le processus de découpe plasma. Ce chemin ne mènera qu'à la frustration.
Intégrez les connaissances en matière de découpe plasma dès le départ et les choses changent. Grâce à l'intelligence du processus plasma, le robot peut tourner et se déplacer selon les besoins pour effectuer le perçage le plus efficace, prolongeant ainsi la durée de vie des consommables. Il coupe dans la bonne direction et manœuvre pour éviter toute collision avec la pièce. En suivant cette voie d'automatisation, les fabricants en récoltent les fruits.
Cet article est basé sur « Advances in 3D Robotic Plasma Cutting » présenté lors de la conférence FABTECH 2021.
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Date de publication : 25 mai 2022
