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Sep 02, 2023

Plus de connaissances sur les procédés, meilleure découpe plasma robotisée

L'intégration de la découpe plasma robotisée nécessite plus que la fixation d'une torche à la fin

L'intégration de la découpe plasma robotisée ne se limite pas à fixer une torche à l'extrémité d'un bras de robot. La connaissance des procédés de coupage plasma est essentielle. Hypertherm

Les fabricants de métaux de toute l'industrie - dans les ateliers, la machinerie lourde, 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 recherchent continuellement des réductions de coûts, tout en faisant face au problème toujours présent de la rétention de la main-d'œuvre qualifiée. L'entreprise n'est pas facile.

Bon nombre de ces préoccupations peuvent être attribuées aux processus manuels encore répandus dans l'industrie, en particulier lorsqu'il s'agit de la fabrication de formes complexes telles que les têtes de cuves industrielles, les composants en acier de construction incurvés, les tuyaux et les tubes. De nombreux fabricants consacrent 25 % à 50 % de leur temps de traitement au marquage manuel, au contrôle de la qualité et aux changements, tandis que le temps de coupe réel, souvent effectué avec des découpeuses manuelles à oxygaz ou plasma, n'est que de 10 % à 20 %.

En plus du temps que ces processus manuels prennent, bon nombre de ces coupes sont effectuées autour des mauvais emplacements, dimensions ou tolérances, nécessitant des opérations secondaires importantes comme le meulage et la reprise ou, pire encore, des matériaux mis au rebut. De nombreux magasins consacrent jusqu'à 40 % du temps de traitement global à cet effort et à ce gaspillage de faible valeur.

Tout cela conduit à la poussée de l'industrie vers l'automatisation. Un atelier qui a automatisé une opération de coupage manuel au chalumeau pour des pièces complexes à plusieurs axes a mis en place une cellule de coupage plasma robotisée et, sans surprise, a vu des avantages considérables. L'opération a éliminé la mise en page manuelle, et un travail qui prenait maintenant six heures à cinq personnes a été effectué en seulement 18 minutes avec le robot.

Bien que les avantages soient évidents, la mise en œuvre de la découpe plasma robotisée ne se limite pas à l'achat d'un robot et à l'utilisation d'une torche à plasma. Si vous envisagez la découpe plasma robotisée, assurez-vous d'adopter une approche holistique qui examine l'ensemble de la chaîne de valeur. De plus, travaillez avec des intégrateurs de systèmes formés par le fabricant qui connaissent et comprennent la technologie plasma ainsi que les composants et processus système requis pour vous assurer que toutes les exigences sont intégrées dans la conception de la cellule.

Considérez également le logiciel, sans doute l'un des composants les plus importants de tout système de coupage plasma robotisé. Si vous investissez dans un système mais que le logiciel est difficile à utiliser ou nécessite beaucoup d'expertise pour fonctionner, ou si vous trouvez qu'il faut énormément de temps pour adapter le robot à la découpe plasma et enseigner un chemin de découpe, vous venez de gaspiller beaucoup d'argent.

Bien que les logiciels de simulation robotique soient courants, les cellules de découpe plasma robotisées efficaces utilisent un logiciel de programmation de robot hors ligne qui automatise la programmation de la trajectoire du robot, identifie et compense les collisions et intègre les connaissances sur les processus de découpe plasma. L'intégration d'une connaissance approfondie des procédés plasma est essentielle. Avec un tel logiciel, automatiser même l'application de découpe plasma robotique la plus complexe deviendra beaucoup plus facile.

La découpe au plasma de formes complexes et multiaxes nécessite des géométries de torche uniques. Appliquez une géométrie de torche utilisée dans une application XY typique (voir Figure 1) à une forme complexe comme une tête de récipient sous pression incurvée, et vous augmenterez la probabilité de collisions. Pour cette raison, une torche à angle aigu (avec une conception "pointue") est mieux adaptée à la découpe de forme robotisée.

Une torche à angle aigu ne peut à elle seule éviter tous les types de collisions. Les programmes de pièce doivent également incorporer des changements aux hauteurs de coupe (c'est-à-dire que la pointe de la torche doit maintenir un dégagement de la pièce) pour éviter les collisions (voir Figure 2).

Pendant la coupe, le gaz plasma s'écoule dans une direction tourbillonnante le long du corps de la torche jusqu'à la pointe de la torche. Cette action tourbillonnante permet à la force centrifuge d'extraire les particules lourdes de la colonne de gaz vers la périphérie de l'alésage de la buse et de protéger les composants de la torche des électrons à haute température qui les traversent. Le plasma atteint une température de près de 20 000 C et les composants en cuivre de la torche fondent à 1 100 C. Les consommables ont besoin de protection, et cette couche isolée de particules lourdes la fournit.

FIGURE 1. Un corps de chalumeau standard est conçu pour le coupage de plaques. L'utilisation de cette même torche dans des applications multiaxes augmente le risque de collisions avec la pièce.

Le tourbillon rend un côté de la coupe plus chaud que l'autre côté. Les torches avec un 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 du dessus dans la direction de la coupe). Cela signifie que les ingénieurs de processus travaillent pour optimiser le bon côté de la coupe et supposent que le mauvais côté (à gauche) sera de la ferraille (voir Figure 3).

Les éléments internes doivent être coupés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le côté chaud du plasma créant une coupe nette sur la droite (côté bord partiel). Inversement, les périmètres des pièces doivent être coupés dans le sens des aiguilles d'une montre. Si la torche coupe dans la mauvaise direction, cela crée une grande conicité dans le profil de coupe et augmente les scories sur le bord de votre pièce. Essentiellement, vous mettrez la "bonne coupe" sur la ferraille.

Notez que la plupart des tables de découpe à plaque plasma disposent d'une intelligence de processus concernant la direction de découpe de l'arc intégrée au contrôleur. Mais dans le domaine de la robotique, ces détails ne sont pas nécessairement connus ou compris, et ils ne sont pas déjà intégrés dans les contrôleurs de robots typiques, d'où l'importance d'avoir un logiciel de programmation robotique hors ligne avec la connaissance intégrée du procédé plasma.

Le mouvement de la torche pour percer le métal a un impact direct sur les consommables de coupage plasma. Si une torche à plasma perce la plaque à la hauteur de coupe, trop près de la pièce, le retour de métal en fusion endommage rapidement le bouclier et la buse. Cela se traduit par une mauvaise qualité de coupe et une courte durée de vie des consommables.

Encore une fois, cela se produirait rarement dans une application de découpe de plaques avec un portique car l'expertise en hauteur de torche est déjà intégrée au contrôleur. Un opérateur appuie sur un bouton pour démarrer la séquence de perçage, ce qui déclenche une série d'événements pour garantir une hauteur de perçage appropriée.

Tout d'abord, la torche effectue une routine de détection de hauteur, détectant la surface de la pièce généralement avec un signal ohmique. Une fois la plaque localisée, la torche se rétracte de la plaque à une hauteur de transfert, qui est la distance optimale pour que l'arc plasma soit transféré à la pièce. Une fois que cet arc plasma est transféré, il peut s'accélérer complètement. À ce stade, la torche se déplace vers la hauteur de perçage, qui est une distance plus sûre de la pièce, plus éloignée du retour de matière fondue. La torche maintient cette distance jusqu'à ce que l'arc plasma ait complètement pénétré la plaque. Une fois le délai de perçage terminé, la torche descend plus près de la plaque métallique et amorce le mouvement de coupe (voir Figure 4).

Encore une fois, toute cette intelligence est généralement intégrée dans les contrôleurs plasma pour la découpe de plaques, mais pas dans les contrôleurs robotiques. La découpe robotisée présente également une autre couche de complexité. Percer à la mauvaise hauteur est déjà assez mauvais, mais lors de la coupe de formes multiaxes, la torche peut ne pas être dans l'orientation optimale par rapport à la pièce et à l'épaisseur du matériau. Si la torche n'est pas perpendiculaire à la surface métallique qu'elle perce, elle finit par couper à travers une section transversale plus épaisse que nécessaire, gaspillant la durée de vie des consommables. De plus, le fait de percer une pièce profilée dans le mauvais sens peut placer les composants de la torche trop près de la surface de la pièce, la laissant exposée au retour de fusion et causant des dommages prématurés (voir Figure 5).

Considérons une application robotique de coupage plasma impliquant une tête de récipient sous pression incurvée. Semblable à la découpe de plaques, la torche robotisée doit être placée perpendiculairement à la surface du matériau pour garantir la section transversale la plus fine possible pour le perçage. Lorsque la torche à plasma s'approche de la pièce, elle utilise la détection de hauteur jusqu'à ce qu'elle localise la surface du récipient, puis se rétracte le long de l'axe de la torche jusqu'à la hauteur de transfert. Après les transferts d'arc, la torche se rétracte à nouveau le long de l'axe de la torche jusqu'à la hauteur de perçage, en toute sécurité à l'abri du retour de flamme (voir Figure 6).

Une fois le délai de perçage expiré, la torche descend à la hauteur de coupe. Lorsque vous travaillez avec des contours, la torche tourne simultanément ou par étapes séparées dans l'orientation souhaitée pour la coupe. À ce stade, la séquence de coupe commence.

Un robot est connu comme un système surdéterminé. C'est-à-dire qu'il a plusieurs façons d'atteindre le même point. Cela signifie que quiconque apprend au robot à se déplacer doit avoir un certain niveau d'expertise, à la fois en ce qui concerne la connaissance du mouvement robotique et les exigences de traitement pour la découpe au plasma.

Même si les pendentifs d'enseignement ont évolué, certaines tâches ne se prêtent pas à l'enseignement de la programmation des pendentifs, en particulier les tâches qui impliquent un mélange élevé de pièces à faible volume. Le robot ne produit pas pendant l'apprentissage, et l'apprentissage lui-même peut prendre des heures ou, pour des pièces complexes, même des jours.

Un logiciel de programmation robotique hors ligne, conçu avec des modules de coupage plasma, aura cette expertise déjà intégrée (voir Figure 7). Cela inclut la direction de coupe du gaz plasma, la détection de la hauteur initiale, le séquencement de perçage et l'optimisation de la vitesse de coupe pour la torche et le procédé plasma.

FIGURE 2. Une torche aiguë (« pointue ») convient mieux au coupage plasma robotisé. Mais même avec ces géométries de torche, il est préférable d'augmenter les hauteurs de coupe pour minimiser le risque de collision.

Le logiciel fournit l'expertise en robotique nécessaire pour programmer un système surdéterminé. Il gère les singularités, ou les situations où l'effecteur final du robot (dans ce cas, la torche à plasma) ne peut pas atteindre la pièce ; limites communes ; surcourses ; flips de poignet; Détection de collision; axe externe ; et l'optimisation des parcours d'outils. Pour commencer, un programmeur importe un fichier CAO de la pièce finie dans un logiciel de programmation robotique hors ligne, puis définit les bords à couper, ainsi que les points de perçage et d'autres paramètres, en tenant compte des restrictions de collision et de portée.

Certaines des dernières itérations de logiciels robotiques hors ligne utilisent ce que l'on appelle la programmation hors ligne basée sur les tâches. La méthode permet au programmeur de générer automatiquement des chemins de coupe et de sélectionner plusieurs contours à la fois. Un programmeur peut choisir un sélecteur de chemin de bord, qui indique le chemin et la direction de la coupe, puis choisir de modifier le point de départ et d'arrivée, ainsi que la direction et l'inclinaison de la torche à plasma. La programmation commence de manière générique (indépendamment de la marque du bras robotique ou du système plasma), puis progresse pour inclure des modèles de robots spécifiques.

La simulation qui en résulte peut prendre en compte tout ce qui se trouve dans la cellule robotisée, y compris des éléments tels que les barrières de sécurité, les luminaires et la torche à plasma. Il illustre ensuite les éventuelles erreurs cinématiques et collisions potentielles pour l'opérateur, qui peut alors corriger les problèmes. Par exemple, une simulation peut révéler un problème de collision entre deux coupes différentes sur une tête de cuve sous pression. Chaque coupe est à une élévation différente le long du contour de la tête, de sorte que la traversée rapide entre les coupes doit tenir compte du dégagement nécessaire - un petit détail qui, lorsqu'il est traité avant que le travail n'atteigne le sol, aide à éliminer les maux de tête et le gaspillage.

La pénurie de main-d'œuvre omniprésente, combinée aux demandes croissantes des clients, a poussé davantage de fabricants vers la découpe plasma robotisée. Malheureusement, beaucoup ne plongent que pour trouver plus de complications, en particulier lorsque les personnes qui intègrent l'automatisation manquent de connaissances sur le processus de coupage plasma. Ce chemin ne mène qu'à la frustration.

Intégrez les connaissances en coupage plasma dès le départ, et la situation change. Grâce à l'intelligence du processus plasma, le robot tourne et se déplace selon les besoins pour effectuer les perçages les plus efficaces afin de prolonger 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 vers l'automatisation, les fabricants en récoltent les fruits.

Cet article est basé sur "Advancements in 3D Robotic Plasma Cutting", présenté à la conférence FABTECH 2021.