Важное о роботизированной плазменной резке

Производители изделий из металла во многих отраслях — в ремонтных мастерских, тяжелом машиностроении, судостроении — стремятся соответствовать высоким ожиданиям, превышая требования к качеству. Они постоянно ищут способы снижения затрат, одновременно решая постоянную проблему удержания квалифицированной рабочей силы. Эта работа не из легких.

Многие из этих проблем можно увидеть в ручных процессах, которые все еще преобладают в отрасли, особенно когда речь идет о производстве сложных форм, таких как крышки промышленных резервуаров, изогнутые компоненты из конструкционной стали, а также трубы и профиля. Многие производители тратят от 25% до 50% рабочего времени на ручную маркировку, контроль качества и переналадку, в то время как фактическое время резки, часто выполняемое с помощью ручных газокислородных или плазменных резаков, составляет всего от 10% до 20%.

Вдобавок ко времени, затрачиваемому на такие ручные процессы, многие из этих разрезов выполняются с учетом неправильного расположения элементов, размеров или допусков, что требует значительных вторичных операций, таких как шлифовка и доработка или, что еще хуже, отбраковка вырезанных деталей. Многие производства тратят до 40% общего времени подобной обработки на эти малоценные усилия и отходы.

Все это приводит к тому, что отрасль стремится к автоматизации. В одной мастерской, которая автоматизировала операцию ручной резки сложных трехмерных деталей, внедрили роботизированную ячейку плазменной резки и, что неудивительно, добились впечатляющих результатов. Операция устранила ручную компоновку, и работа, на выполнение которой у 5 человек раньше уходило 6 часов, с помощью робота теперь выполняется всего за 18 минут.

Хотя преимущества очевидны, внедрение роботизированной плазменной резки требует большего, чем просто покупка робота и установка на него плазменного резака. Если вы рассматриваете возможность роботизированной плазменной резки, обязательно используйте комплексный подход. Кроме того, работайте с системными интеграторами, прошедшими обучение у производителя, которые знают и разбираются в плазменной технологии, а также в необходимых системных компонентах и процессах, чтобы убедиться, что все требования интегрированы в конструкцию роботизированной ячейки.

Также обратите внимание на программное обеспечение, которое, возможно, является одним из наиболее важных компонентов любой роботизированной системы плазменной резки. Если вы инвестируете в систему, но программное обеспечение либо сложно использовать, либо требует большого опыта для ее запуска, или вы обнаружите, что требуется огромное количество времени для адаптации робота к плазменной резке и обучения траектории резки, вы просто потратите много денег на все это.

В то время как программное обеспечение для моделирования роботов является распространенным явлением, в эффективных модулях роботизированной плазменной резки используется автономное программное обеспечение для программирования роботов, которое автоматизирует программирование траектории робота, выявляет и компенсирует столкновения, а также объединяет знания о процессе плазменной резки. Ключевым моментом является включение глубоких знаний о плазменных процессах. С таким программным обеспечением автоматизация даже самого сложного применения роботизированной плазменной резки станет намного проще.

Геометрия и ориентация горелки

Плазменная резка сложных многоосевых форм требует уникальной геометрии резака. Если, например, применить геометрию обычного плазмотрона, используемого в типичной 2D резке в координатах X-Y (см. рис. 1), к сложной форме, такой как изогнутая головка сосуда высокого давления, то появляется вероятность столкновений резака с деталью. По этой причине остроугольная горелка (с «заостренной» конструкцией) лучше подходит для роботизированной фигурной резки.


Рисунок 1. Стандартный корпус горелки предназначен для резки листового металла. Использование этой же горелки при 3D резке увеличивает вероятность столкновений с заготовкой. Один только остроугольный плазморез не поможет избежать всех типов столкновений. Программы обработки деталей также должны включать изменения высоты резки (т. е. наконечник (экран) резака должен поддерживать постоянный зазор от заготовки), чтобы избежать столкновений (см. рис. 2).


Рисунок 2. Острая («заостренная») горелка лучше подходит для роботизированной плазменной резки. Но даже при такой геометрии резака рекомендуется увеличить высоту резки, чтобы свести к минимуму вероятность столкновения.

Направление резки

Во время резки плазмообразующий газ течет в завихренном направлении вниз по корпусу резака к наконечнику резака (экрану). Это вихревое действие позволяет центробежной силе вытягивать тяжелые частицы из газового столба к периферии отверстия сопла и защищать компоненты горелки от протекания высокотемпературных электронов. Плазма достигает температуры почти 20 000 °C, а медные компоненты горелки плавятся при 1100 °C. Расходные материалы нуждаются в защите, и этот изолированный слой тяжелых частиц обеспечивает ее.

Завихрение делает одну сторону разреза более горячей, чем другую. Горелки с вращающимся по часовой стрелке газом обычно помещают горячую сторону реза с правой стороны дуги (если смотреть сверху в направлении реза). Это означает, что инженеры-технологи работают над оптимизацией хорошей стороны разреза и предполагают, что плохая сторона (слева) будет с браком, иметь конусность и окалину. (см. рис. 3).

Внутренние элементы необходимо вырезать в направлении против часовой стрелки, при этом горячая сторона плазмы создает чистый разрез справа (со стороны кромки детали). И наоборот, периметры деталей необходимо разрезать по часовой стрелке. Если резак режет в неправильном направлении, он создает большой конус в профиле резки и увеличивает окалину на кромке детали. Таким образом, вы сделаете «хороший разрез» на ломе.

Обратите внимание, что большинство станков для плазменной резки имеют встроенный в контроллер интеллектуальный анализ процесса для направления дуговой резки. Но в области робототехники эти детали не обязательно известны или понятны, и они еще не встроены в типичные контроллеры роботов, поэтому важно иметь автономное программное обеспечение для программирования роботов со встроенными знаниями о плазменном процессе.

Пробивка при роботизированной плазменной резке

Движение горелки при прожиге (пробивке) металла напрямую влияет на расходные материалы для плазменной резки. Если плазменная горелка пробивает пластину на высоте реза — слишком близко к заготовке — обратный выброс расплавленного металла быстро повреждает защитный экран и сопло. Это приводит к низкому качеству резки и короткому сроку службы расходных материалов для плазменной резки. 

Опять же, это редко случается при резке листа с помощью плазменного портала, потому что в контроллер уже заложена информация о высоте резака. Оператор нажимает кнопку, чтобы запустить последовательность прожига, которая инициирует серию событий для обеспечения надлежащей высоты прожига.

Во-первых, резак выполняет процедуру определения высоты, определяя поверхность заготовки, как правило, с помощью омического сигнала. Как только экран резака касается листа, резак отводится от него на высоту прожига, который является оптимальным расстоянием для старта процесса. Как только плазменная дуга зажигается, в этот момент горелка перемещается на высоту прожига, которая находится на более безопасном расстоянии от заготовки, дальше от обратного выброса расплавленного материала. Горелка поддерживает это расстояние до тех пор, пока плазменная дуга полностью не проникнет в заготовку. После завершения задержки прожига горелка перемещается ближе к металлической пластине и начинает движение резки (см. рис. 4).

Рисунок 4. Во время начального прожига горелка (1) использует измерение высоты для обнаружения заготовки; (2) находит поверхность заготовки; (3) отходит на стартовую высоту и инициирует дугу; (4) отходит на высоту пробивки; (5) перемещается на высоту резания; (6) затем начинается рез на высоте резания.

Опять же, весь этот интеллект обычно встроен в контроллеры для резки листового металла, а не в контроллеры роботов. Роботизированная резка имеет еще один уровень сложности. Прожиг на неправильной высоте — это достаточно плохо, но при резке многоосных фигур резак может быть не в оптимальном положении по отношению к заготовке. Если резак не перпендикулярен металлической поверхности, которую он прожигает, он в конечном итоге прорезает более толстое поперечное сечение, чем необходимо, что приводит к уменьшению срока службы расходных материалов. Более того, прожиг контурной заготовки с неправильной ориентацией может привести к тому, что компоненты горелки будут расположены слишком близко к поверхности заготовки, что приведет к обратному выбросу расплавленного металла и вызовет преждевременное повреждение резака (см. рис. 5).

Рассмотрим применение роботизированной плазменной резки с изогнутой головкой сосуда высокого давления. Как и при резке листового металла, роботизированный резак должен располагаться перпендикулярно поверхности материала, чтобы обеспечить максимально тонкое поперечное сечение для прожига. Когда плазменная горелка приближается к заготовке, она будет использовать определение высоты до тех пор, пока не обнаружит поверхность сосуда, а затем отойдет вдоль оси горелки на высоту переноса. После переноса дуги горелка снова отводится вдоль оси горелки на высоту прожига, безопасно удаляясь от обратного пробоя (см. рис. 6).



Рисунок 6. При прожиге контурной поверхности ось горелки должна быть перпендикулярна поверхности, на которой происходит измерение высоты. Для прожига горелка (1 и 2) ищет и находит поверхность материала; (3) становится на стартовую высоту и инициирует дугу; (4) отводится на высоту прожига по оси горелки; (5) перемещается на высоту реза; (6) поворачивается в нужную ориентацию; (7) и начинает резку.

По истечении задержки прожига резак опускается на высоту резки. При работе с контурами резак либо одновременно, либо отдельными шагами поворачивается в нужную ориентацию для резки. В этот момент начинается резка.

Автономное Offline роботизированное программирование

Робот известен как переопределенная система. То есть у него есть разные способы добраться до одной и той же точки. Это означает, что тот или иной человек, обучающий робота движению, должен иметь определенный уровень знаний, как в том, что касается понимания движения робота, так и требований к плазменной резке.

Как бы ни развивались обучение робота, некоторые задачи не подходят для обучения программированию — в частности, задачи, которые включают в себя большое количество частей небольшого объема. Робот не производит ничего, пока его обучают, а само обучение может занять часы, а для сложных деталей — даже дни.

Программное обеспечение для автономного программирования роботов, разработанное с использованием модулей плазменной резки, уже содержит этот опыт (см. рис. 7). Оно включает в себя направление резки плазмообразующего газа, определение начальной высоты, последовательность прожига и оптимизацию скорости резки для резака и плазменного процесса.



Программное обеспечение предоставляет экспертные знания в области робототехники, необходимые для программирования сверхопределенной системы. Он управляет сингулярностями или ситуациями, когда концевой эффектор робота (в данном случае плазменный резак) не может добраться до заготовки; совместные пределы; превышение скорости; обнаружение столкновений; внешняя ось; оптимизация траектории. Для начала программист импортирует файл САПР готовой детали в автономное программное обеспечение для программирования роботов, затем определяет, какие кромки нужно вырезать, а также точки прожигов и другие параметры с учетом ограничений на столкновение и досягаемость.

Некоторые из последних итераций автономного программного обеспечения для роботов используют так называемое автономное программирование на основе задач. Этот метод позволяет программисту автоматически генерировать траектории реза и выбирать сразу несколько контуров. Программист может выбрать селектор контура края, который показывает траекторию и направление реза, а затем изменить начальную и конечную точки, а также направление и наклон плазменного резака. Программирование начинается в общем (независимо от марки робота-манипулятора или плазменной системы), а затем переходит к включению конкретных моделей роботов.

Полученное в результате моделирование может учитывать все в роботизированной ячейке, включая такие элементы, как барьеры безопасности, приспособления и плазменный резак. Затем он иллюстрирует любые потенциальные кинематические ошибки и столкновения для оператора, который затем может исправить проблемы. Например, моделирование может выявить проблему столкновения двух разных разрезов на днище сосуда высокого давления. Каждый разрез находится на разной высоте по контуру головы, поэтому ускоренный ход между разрезами должен учитывать необходимый зазор — небольшую деталь, которая, если ее устранить до того, это поможет избежать головной боли и потерь.

Минимизируйте разочарования, максимизируйте вознаграждение

Постоянная нехватка рабочей силы в сочетании с растущими требованиями клиентов подтолкнула все больше производителей к роботизированной плазменной резке. К сожалению, многие погружаются в процесс только для того, чтобы найти дополнительные сложности, особенно когда людям, интегрирующим автоматизацию, не хватает знаний о процессах плазменной резки. Этот путь ведет только к разочарованию.

Интегрируйте знания в области плазменной резки с самого начала, и ситуация изменится. Благодаря знаниям плазменного процесса робот вращается и перемещается по мере необходимости, чтобы выполнять наиболее эффективные прожиги и продлевать срок службы расходных материалов. Он режет в правильном направлении и маневрирует, чтобы избежать столкновений заготовок. Следуя этому пути к автоматизации, производители пожинают плоды и имеют успех в этом направлении.