O corte de plasma robótico integrado requer mais do que apenas uma tocha acoplada à extremidade do braço robótico. O conhecimento do processo de corte de plasma é fundamental.
Os fabricantes de metal em todo o setor — em oficinas, máquinas pesadas, construção naval e aço estrutural — se esforçam para atender às exigentes expectativas de entrega e, ao mesmo tempo, exceder os requisitos de qualidade. Eles estão constantemente buscando reduzir custos enquanto lidam com o problema sempre presente de retenção de mão de obra qualificada. Os negócios não são fáceis.
Muitos desses problemas podem ser atribuídos a processos manuais que ainda são predominantes na indústria, especialmente na fabricação de produtos com formatos complexos, como tampas de recipientes industriais, componentes estruturais de aço curvos, tubos e tubulações. Muitos fabricantes dedicam de 25 a 50 por cento do seu tempo de usinagem à marcação manual, controle de qualidade e conversão, quando o tempo real de corte (geralmente com um oxicorte manual ou cortador de plasma) é de apenas 10 a 20 por cento.
Além do tempo consumido por tais processos manuais, muitos desses cortes são feitos em locais de características, dimensões ou tolerâncias erradas, exigindo operações secundárias extensas, como retificação e retrabalho, ou pior, materiais que precisam ser descartados. Muitas lojas dedicam até 40% de seu tempo total de processamento a esse trabalho de baixo valor e desperdício.
Tudo isso levou a um impulso da indústria em direção à automação. Uma oficina que automatiza operações manuais de corte com maçarico para peças complexas de vários eixos implementou uma célula de corte a plasma robótica e, sem surpresa, obteve grandes ganhos. Essa operação elimina o layout manual, e um trabalho que levaria 5 pessoas e 6 horas agora pode ser feito em apenas 18 minutos usando um robô.
Embora os benefícios sejam óbvios, implementar o corte robótico de plasma requer mais do que apenas comprar um robô e uma tocha de plasma. Se você estiver considerando o corte robótico de plasma, certifique-se de adotar uma abordagem holística e analisar todo o fluxo de valor. Além disso, trabalhe com um integrador de sistemas treinado pelo fabricante que entenda e entenda a tecnologia de plasma e os componentes e processos do sistema necessários para garantir que todos os requisitos sejam integrados ao design da bateria.
Considere também o software, que é sem dúvida um dos componentes mais importantes de qualquer sistema de corte a plasma robótico. Se você investiu em um sistema e o software é difícil de usar, exige muita experiência para ser executado ou você acha que leva muito tempo para adaptar o robô ao corte a plasma e ensinar o caminho de corte, você está apenas desperdiçando muito dinheiro.
Embora o software de simulação robótica seja comum, células de corte a plasma robóticas eficazes utilizam software de programação robótica offline que executará automaticamente a programação do caminho do robô, identificará e compensará colisões e integrará o conhecimento do processo de corte a plasma. Incorporar conhecimento profundo do processo de plasma é fundamental. Com um software como este, automatizar até mesmo as aplicações de corte a plasma robóticas mais complexas se torna muito mais fácil.
O corte a plasma de formas complexas de múltiplos eixos exige uma geometria de tocha exclusiva. Aplique a geometria de tocha usada em uma aplicação XY típica (veja a Figura 1) a uma forma complexa, como uma cabeça de vaso de pressão curva, e você aumentará a probabilidade de colisões. Por esse motivo, tochas com ângulos agudos (com um design "pontiagudo") são mais adequadas para corte de formas robóticas.
Nem todos os tipos de colisões podem ser evitados apenas com uma lanterna de ângulo agudo. O programa da peça também deve conter alterações na altura do corte (ou seja, a ponta da tocha deve ter folga em relação à peça de trabalho) para evitar colisões (veja a Figura 2).
Durante o processo de corte, o gás de plasma flui pelo corpo da tocha em uma direção de vórtice até a ponta da tocha. Essa ação rotacional permite que a força centrífuga puxe partículas pesadas para fora da coluna de gás para a periferia do furo do bico e protege o conjunto da tocha do fluxo de elétrons quentes. A temperatura do plasma é próxima a 20.000 graus Celsius, enquanto as partes de cobre da tocha derretem a 1.100 graus Celsius. Os consumíveis precisam de proteção, e uma camada isolante de partículas pesadas fornece proteção.
Figura 1. Os corpos de tocha padrão são projetados para corte de chapas metálicas. Usar a mesma tocha em uma aplicação multieixo aumenta a chance de colisões com a peça de trabalho.
O redemoinho faz com que um lado do corte fique mais quente que o outro. Tochas com gás girando no sentido horário normalmente colocam o lado quente do corte no lado direito do arco (quando visto de cima na direção do corte). Isso significa que o engenheiro de processo trabalha duro para otimizar o lado bom do corte e assume que o lado ruim (esquerdo) será sucata (veja a Figura 3).
As características internas precisam ser cortadas no sentido anti-horário, com o lado quente do plasma fazendo um corte limpo no lado direito (lado da borda da peça). Em vez disso, o perímetro da peça precisa ser cortado no sentido horário. Se a tocha cortar na direção errada, ela pode criar uma grande conicidade no perfil de corte e aumentar a escória na borda da peça. Basicamente, você está fazendo "bons cortes" na sucata.
Observe que a maioria das mesas de corte de painéis de plasma tem inteligência de processo incorporada ao controlador em relação à direção do corte do arco. Mas, no campo da robótica, esses detalhes não são necessariamente conhecidos ou compreendidos e ainda não estão incorporados em um controlador de robô típico. Por isso, é importante ter um software de programação de robôs offline com conhecimento do processo de plasma incorporado.
O movimento do maçarico usado para perfurar metal tem um efeito direto nos consumíveis de corte a plasma. Se o maçarico de plasma perfurar a chapa na altura de corte (muito perto da peça de trabalho), o recuo do metal fundido pode danificar rapidamente a proteção e o bico. Isso resulta em baixa qualidade de corte e redução da vida útil do consumível.
Novamente, isso raramente acontece em aplicações de corte de chapas metálicas com um pórtico, pois o alto grau de especialização em tocha já está incorporado ao controlador. O operador pressiona um botão para iniciar a sequência de perfuração, que inicia uma série de eventos para garantir a altura de perfuração adequada.
Primeiro, a tocha realiza um procedimento de detecção de altura, geralmente usando um sinal ôhmico para detectar a superfície da peça de trabalho. Após o posicionamento da placa, a tocha é retraída da placa até a altura de transferência, que é a distância ideal para a transferência do arco de plasma para a peça de trabalho. Uma vez que o arco de plasma é transferido, ele pode aquecer completamente. Nesse ponto, a tocha se move para a altura de perfuração, que é uma distância mais segura da peça de trabalho e mais distante do retorno do material fundido. A tocha mantém essa distância até que o arco de plasma penetre completamente na placa. Após a conclusão do atraso de perfuração, a tocha se move para baixo em direção à placa de metal e inicia o movimento de corte (consulte a Figura 4).
Novamente, toda essa inteligência geralmente é incorporada ao controlador de plasma usado para corte de chapas, não ao controlador do robô. O corte robótico também tem outra camada de complexidade. Perfurar na altura errada já é ruim o suficiente, mas ao cortar formas multieixos, a tocha pode não estar na melhor direção para a peça de trabalho e a espessura do material. Se a tocha não estiver perpendicular à superfície de metal que perfura, ela acabará cortando uma seção transversal mais espessa do que o necessário, desperdiçando a vida útil do consumível. Além disso, perfurar uma peça de trabalho contornada na direção errada pode colocar o conjunto da tocha muito perto da superfície da peça de trabalho, expondo-a ao refluxo de fusão e causando falha prematura (veja a Figura 5).
Considere uma aplicação de corte a plasma robótico que envolve a curvatura da cabeça de um vaso de pressão. Semelhante ao corte de chapas, a tocha robótica deve ser colocada perpendicularmente à superfície do material para garantir a seção transversal mais fina possível para perfuração. Conforme a tocha de plasma se aproxima da peça de trabalho, ela usa a detecção de altura até encontrar a superfície do vaso e, em seguida, retrai-se ao longo do eixo da tocha para transferir a altura. Após o arco ser transferido, a tocha é retraída novamente ao longo do eixo da tocha para perfurar a altura, com segurança, longe do refluxo (consulte a Figura 6).
Quando o atraso de perfuração expira, a tocha é abaixada até a altura de corte. Ao processar contornos, a tocha é girada para a direção de corte desejada simultaneamente ou em etapas. Nesse ponto, a sequência de corte começa.
Robôs são chamados de sistemas sobredeterminados. Dito isso, eles têm várias maneiras de chegar ao mesmo ponto. Isso significa que qualquer pessoa que ensine um robô a se mover, ou qualquer outra pessoa, deve ter um certo nível de especialização, seja na compreensão do movimento do robô ou nos requisitos de usinagem do corte a plasma.
Embora os pingentes de ensino tenham evoluído, algumas tarefas não são inerentemente adequadas para programação de pingentes de ensino, especialmente tarefas que envolvem um grande número de peças mistas de baixo volume. Robôs não produzem quando são ensinados, e o ensino em si pode levar horas, ou até mesmo dias, para peças complexas.
O software de programação de robôs offline projetado com módulos de corte a plasma incorporará essa experiência (veja a Figura 7). Isso inclui direção de corte a gás de plasma, detecção de altura inicial, sequenciamento de perfuração e otimização da velocidade de corte para processos de tocha e plasma.
Figura 2. Tochas afiadas (“pontiagudas”) são mais adequadas para corte de plasma robótico. Mas mesmo com essas geometrias de tocha, é melhor aumentar a altura do corte para minimizar a chance de colisões.
O software fornece a expertise em robótica necessária para programar sistemas sobredeterminados. Ele gerencia singularidades, ou situações em que o efetor final robótico (nesse caso, a tocha de plasma) não consegue alcançar a peça de trabalho; limites de junta; sobrecurso; rotação do pulso; detecção de colisão; eixos externos; e otimização do caminho da ferramenta. Primeiro, o programador importa o arquivo CAD da peça finalizada para o software de programação de robôs offline e, em seguida, define a borda a ser cortada, juntamente com o ponto de perfuração e outros parâmetros, levando em conta as restrições de colisão e alcance.
Algumas das últimas iterações de software de robótica offline usam a chamada programação offline baseada em tarefas. Esse método permite que os programadores gerem automaticamente caminhos de corte e selecionem vários perfis de uma só vez. O programador pode selecionar um seletor de caminho de borda que mostra o caminho e a direção do corte e, em seguida, escolher alterar os pontos inicial e final, bem como a direção e a inclinação da tocha de plasma. A programação geralmente começa (independentemente da marca do braço robótico ou sistema de plasma) e prossegue para incluir um modelo de robô específico.
A simulação resultante pode levar em conta tudo na célula robótica, incluindo elementos como barreiras de segurança, acessórios e tochas de plasma. Ela então considera quaisquer erros cinemáticos e colisões em potencial para o operador, que pode então corrigir o problema. Por exemplo, uma simulação pode revelar um problema de colisão entre dois cortes diferentes na cabeça de um vaso de pressão. Cada incisão está em uma altura diferente ao longo do contorno da cabeça, então o movimento rápido entre as incisões deve levar em conta a folga necessária — um pequeno detalhe, resolvido antes que o trabalho chegue ao chão, que ajuda a eliminar dores de cabeça e desperdícios.
A persistente escassez de mão de obra e a crescente demanda dos clientes levaram mais fabricantes a recorrer ao corte robótico a plasma. Infelizmente, muitas pessoas se arriscam e descobrem mais complicações, principalmente quando as pessoas que integram a automação não têm conhecimento do processo de corte a plasma. Esse caminho só levará à frustração.
Integre o conhecimento de corte a plasma desde o início, e as coisas mudam. Com a inteligência do processo de plasma, o robô pode girar e se mover conforme necessário para realizar a perfuração mais eficiente, estendendo a vida útil dos consumíveis. Ele corta na direção correta e manobra para evitar qualquer colisão de peças de trabalho. Ao seguir esse caminho de automação, os fabricantes colhem recompensas.
Este artigo é baseado em “Avanços em Corte Robótico a Plasma 3D”, apresentado na conferência FABTECH de 2021.
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Data de publicação: 25 de maio de 2022
