Integriertes Roboter-Plasmaschneiden erfordert mehr als nur einen Brenner, der am Ende des Roboterarms befestigt ist. Kenntnisse über den Plasmaschneidprozess sind der Schlüssel.
Metallverarbeiter in allen Branchen – in Werkstätten, im Schwermaschinenbau, im Schiffsbau und in der Stahlbauindustrie – sind bestrebt, anspruchsvolle Liefererwartungen zu erfüllen und gleichzeitig die Qualitätsanforderungen zu übertreffen. Sie sind ständig auf der Suche nach Möglichkeiten zur Kostensenkung und kämpfen gleichzeitig mit dem allgegenwärtigen Problem, qualifizierte Arbeitskräfte zu halten. Das Geschäft ist nicht einfach.
Viele dieser Probleme lassen sich auf manuelle Prozesse zurückführen, die in der Branche noch immer vorherrschend sind, insbesondere bei der Herstellung komplex geformter Produkte wie Deckeln von Industriebehältern, gebogenen Baustahlkomponenten sowie Rohren und Schläuchen. Viele Hersteller wenden 25 bis 50 Prozent ihrer Bearbeitungszeit für manuelle Markierung, Qualitätskontrolle und Umrüstung auf, während die eigentliche Schneidzeit (normalerweise mit einem handgeführten Autogen- oder Plasmaschneider) nur 10 bis 20 Prozent beträgt.
Zusätzlich zum Zeitaufwand, den solche manuellen Prozesse in Anspruch nehmen, werden viele dieser Schnitte an falschen Merkmalspositionen, Abmessungen oder Toleranzen vorgenommen, was umfangreiche Nachbearbeitungsvorgänge wie Schleifen und Nacharbeiten erfordert oder, schlimmer noch, Materialien erzeugt, die verschrottet werden müssen. Viele Geschäfte verwenden bis zu 40 % ihrer gesamten Verarbeitungszeit auf diese wenig wertvolle Arbeit und den damit verbundenen Abfall.
All dies hat in der Branche zu einem Vorstoß in Richtung Automatisierung geführt. Eine Werkstatt, die manuelle Brennschneidvorgänge für komplexe mehrachsige Teile automatisiert, hat eine robotergestützte Plasmaschneidzelle implementiert und konnte, wenig überraschend, enorme Gewinne erzielen. Dieser Vorgang macht die manuelle Planung überflüssig und eine Arbeit, für die 5 Personen 6 Stunden benötigen würden, kann jetzt mit einem Roboter in nur 18 Minuten erledigt werden.
Obwohl die Vorteile offensichtlich sind, erfordert die Implementierung des robotergestützten Plasmaschneidens mehr als nur den Kauf eines Roboters und eines Plasmabrenners. Wenn Sie robotergestütztes Plasmaschneiden in Erwägung ziehen, sollten Sie unbedingt einen ganzheitlichen Ansatz verfolgen und den gesamten Wertstrom betrachten. Arbeiten Sie außerdem mit einem vom Hersteller geschulten Systemintegrator zusammen, der sich mit der Plasmatechnologie und den erforderlichen Systemkomponenten und -prozessen auskennt und diese versteht, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen in das Batteriedesign integriert werden.
Denken Sie auch an die Software, die wohl eine der wichtigsten Komponenten jedes robotergestützten Plasmaschneidsystems ist. Wenn Sie in ein System investiert haben und die Software entweder schwierig zu verwenden ist, viel Fachwissen erfordert oder Sie feststellen, dass es viel Zeit in Anspruch nimmt, den Roboter an das Plasmaschneiden anzupassen und den Schneidpfad zu programmieren, verschwenden Sie einfach eine Menge Geld.
Während Robotersimulationssoftware weit verbreitet ist, nutzen effektive Roboter-Plasmaschneidzellen Offline-Roboterprogrammiersoftware, die automatisch die Roboterpfadprogrammierung durchführt, Kollisionen erkennt und kompensiert und Wissen über den Plasmaschneidprozess integriert. Die Einbeziehung tiefgreifender Kenntnisse über den Plasmaprozess ist dabei von entscheidender Bedeutung. Mit einer derartigen Software wird die Automatisierung selbst der komplexesten Roboter-Plasmaschneidanwendungen viel einfacher.
Das Plasmaschneiden komplexer mehrachsiger Formen erfordert eine einzigartige Brennergeometrie. Wenn Sie die in einer typischen XY-Anwendung verwendete Brennergeometrie (siehe Abbildung 1) auf eine komplexe Form anwenden, beispielsweise einen gekrümmten Druckbehälterkopf, erhöhen Sie die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen. Aus diesem Grund sind spitzwinklige Brenner (mit einem „spitzen“ Design) für das robotergestützte Formschneiden besser geeignet.
Allein mit einem spitzwinkligen Blitzlicht lassen sich Kollisionen aller Art nicht vermeiden. Auch Änderungen der Schnitthöhe (d.h. die Brennerspitze muss Abstand zum Werkstück haben) müssen im Teileprogramm berücksichtigt werden, um Kollisionen zu vermeiden (siehe Abbildung 2).
Während des Schneidvorgangs strömt das Plasmagas in Wirbelrichtung durch den Brennerkörper zur Brennerspitze. Durch diese Rotationsbewegung werden schwere Partikel durch die Zentrifugalkraft aus der Gassäule an den Rand der Düsenöffnung gezogen und die Brennerbaugruppe vor dem Strom heißer Elektronen geschützt. Die Temperatur des Plasmas liegt bei fast 20.000 Grad Celsius, während die Kupferteile des Brenners bei 1.100 Grad Celsius schmelzen. Verbrauchsmaterialien müssen geschützt werden, und eine Isolierschicht aus schweren Partikeln bietet Schutz.
Abbildung 1. Standardbrennerkörper sind für das Blechschneiden ausgelegt. Die Verwendung desselben Brenners in einer mehrachsigen Anwendung erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen mit dem Werkstück.
Durch den Wirbel wird eine Seite des Schnitts heißer als die andere. Bei Brennern mit im Uhrzeigersinn rotierendem Gas befindet sich die heiße Seite des Schnitts normalerweise auf der rechten Seite des Lichtbogens (von oben in Schnittrichtung gesehen). Das bedeutet, dass der Prozesstechniker hart daran arbeitet, die gute Seite des Schnitts zu optimieren und davon ausgeht, dass die schlechte Seite (links) Ausschuss sein wird (siehe Abbildung 3).
Innere Merkmale müssen gegen den Uhrzeigersinn geschnitten werden, wobei die heiße Seite des Plasmas auf der rechten Seite (Seite der Teilekante) einen sauberen Schnitt erzeugt. Stattdessen muss der Umfang des Teils im Uhrzeigersinn geschnitten werden. Wenn der Brenner in die falsche Richtung schneidet, kann dies zu einer starken Verjüngung im Schnittprofil und zu mehr Bartbildung an der Kante des Teils führen. Im Wesentlichen erzielen Sie „gute Schnitte“ am Ausschuss.
Beachten Sie, dass die Steuerung der meisten Plasmaschneidtische über eine integrierte Prozessintelligenz hinsichtlich der Richtung des Lichtbogenschnitts verfügt. Im Bereich der Robotik sind diese Details jedoch nicht unbedingt bekannt oder verstanden und in einer typischen Robotersteuerung sind sie noch nicht integriert. Daher ist es wichtig, über eine Offline-Roboterprogrammierungssoftware mit Kenntnissen des integrierten Plasmaprozesses zu verfügen.
Die zum Durchstechen von Metall verwendete Brennerbewegung wirkt sich direkt auf die Verbrauchsmaterialien für das Plasmaschneiden aus. Wenn der Plasmabrenner das Blech auf Schnitthöhe durchsticht (zu nahe am Werkstück), kann der Rückstoß des geschmolzenen Metalls Schild und Düse schnell beschädigen. Dies führt zu einer schlechten Schnittqualität und einer verkürzten Lebensdauer der Verbrauchsmaterialien.
Auch dies kommt bei Blechschneidanwendungen mit einem Portal selten vor, da die Steuerung bereits über umfassende Brennerkenntnisse verfügt. Der Bediener drückt eine Taste, um die Lochstechsequenz zu starten, die eine Reihe von Ereignissen auslöst, um die richtige Lochstechhöhe sicherzustellen.
Zunächst führt der Brenner eine Höhenerfassung durch, wobei er normalerweise ein Ohmsches Signal verwendet, um die Werkstückoberfläche zu erkennen. Nach dem Positionieren der Platte wird der Brenner von der Platte auf die Übertragungshöhe zurückgezogen. Dies ist die optimale Entfernung für den Übergang des Plasmalichtbogens zum Werkstück. Sobald der Plasmalichtbogen übertragen ist, kann er sich vollständig erhitzen. An diesem Punkt bewegt sich der Brenner auf die Einstechhöhe, die einen sichereren Abstand vom Werkstück und einen größeren Abstand zum Rückstoß des geschmolzenen Materials darstellt. Der Brenner hält diesen Abstand, bis der Plasmalichtbogen die Platte vollständig durchdrungen hat. Nach Ablauf der Einstechverzögerung bewegt sich der Brenner nach unten in Richtung der Metallplatte und beginnt mit der Schneidbewegung (siehe Abbildung 4).
Auch hier ist all diese Intelligenz normalerweise in die Plasmasteuerung integriert, die zum Blechschneiden verwendet wird, und nicht in die Robotersteuerung. Das Roboterschneiden ist noch auf eine weitere Komplexitätsebene. Das Einstechen in der falschen Höhe ist schon schlimm genug, aber beim Schneiden mehrachsiger Formen befindet sich der Brenner möglicherweise nicht in der besten Richtung für das Werkstück und die Materialstärke. Wenn der Brenner nicht senkrecht zur Metalloberfläche steht, die er durchsticht, schneidet er am Ende einen dickeren Querschnitt als nötig, wodurch die Lebensdauer des Verschleißteils verkürzt wird. Darüber hinaus kann das Einstechen eines konturierten Werkstücks in die falsche Richtung dazu führen, dass die Brennerbaugruppe zu nahe an der Werkstückoberfläche platziert wird, wodurch sie einem Schmelzrückschlag ausgesetzt ist und vorzeitig ausfällt (siehe Abbildung 5).
Stellen Sie sich eine Anwendung zum robotergestützten Plasmaschneiden vor, bei der der Kopf eines Druckbehälters gebogen wird. Ähnlich wie beim Blechschneiden sollte der Roboterbrenner senkrecht zur Materialoberfläche platziert werden, um einen möglichst dünnen Querschnitt für die Perforation zu gewährleisten. Wenn sich der Plasmabrenner dem Werkstück nähert, verwendet er eine Höhenmessung, bis er die Behälteroberfläche findet, und zieht sich dann entlang der Brennerachse zurück, um die Höhe zu übertragen. Nachdem der Lichtbogen übertragen wurde, wird der Brenner erneut entlang der Brennerachse zurückgezogen, um die gewünschte Durchstichhöhe zu erreichen und so einen Rückstoß zu vermeiden (siehe Abbildung 6).
Nach Ablauf der Einstechverzögerung wird der Brenner auf die Schnitthöhe abgesenkt. Beim Bearbeiten von Konturen wird der Brenner gleichzeitig oder schrittweise in die gewünschte Schnittrichtung gedreht. An dieser Stelle beginnt der Schneidvorgang.
Roboter werden als überbestimmte Systeme bezeichnet. Das heißt, es gibt mehrere Wege, die zum selben Punkt führen. Das bedeutet, dass jeder, der einem Roboter oder einer anderen Person das Bewegen beibringt, über ein gewisses Maß an Fachwissen verfügen muss, sei es im Verständnis der Roboterbewegungen oder der Bearbeitungsanforderungen des Plasmaschneidens.
Obwohl sich Teach-Pendants weiterentwickelt haben, sind manche Aufgaben nicht grundsätzlich für die Programmierung mit Teach-Pendants geeignet – insbesondere Aufgaben mit einer großen Anzahl gemischter Teile in geringer Stückzahl. Roboter produzieren nicht, wenn sie angelernt werden, und das Anlernen selbst kann Stunden oder bei komplexen Teilen sogar Tage dauern.
Dieses Fachwissen wird in einer Offline-Roboterprogrammierungssoftware mit Plasmaschneidmodulen integriert (siehe Abbildung 7). Dazu gehören die Plasmagas-Schneidrichtung, die anfängliche Höhenerkennung, die Lochstechsequenzierung und die Optimierung der Schnittgeschwindigkeit für Brenner- und Plasmaprozesse.
Abbildung 2. Scharfe („spitze“) Brenner eignen sich besser für das robotergestützte Plasmaschneiden. Aber auch bei diesen Brennergeometrien ist es am besten, die Schnitthöhe zu erhöhen, um die Kollisionsgefahr zu minimieren.
Die Software bietet das erforderliche Robotik-Know-how zum Programmieren überbestimmter Systeme. Sie bewältigt Singularitäten oder Situationen, in denen der Roboter-Endeffektor (in diesem Fall der Plasmabrenner) das Werkstück nicht erreichen kann; Gelenkgrenzen; Überhub; Handgelenksüberschlag; Kollisionserkennung; externe Achsen; und Werkzeugwegoptimierung. Zunächst importiert der Programmierer die CAD-Datei des fertigen Teils in eine Offline-Roboterprogrammiersoftware und definiert dann die zu schneidende Kante zusammen mit dem Durchstichpunkt und anderen Parametern unter Berücksichtigung von Kollisions- und Bereichsbeschränkungen.
Einige der neuesten Versionen von Offline-Robotiksoftware verwenden die sogenannte aufgabenbasierte Offline-Programmierung. Mit dieser Methode können Programmierer automatisch Schnittpfade erstellen und mehrere Profile gleichzeitig auswählen. Der Programmierer kann einen Kantenpfadwähler auswählen, der den Schnittpfad und die Richtung anzeigt, und dann die Start- und Endpunkte sowie die Richtung und Neigung des Plasmabrenners ändern. Die Programmierung beginnt im Allgemeinen (unabhängig von der Marke des Roboterarms oder Plasmasystems) und umfasst dann ein bestimmtes Robotermodell.
Die resultierende Simulation kann alles in der Roboterzelle berücksichtigen, einschließlich Elementen wie Sicherheitsbarrieren, Vorrichtungen und Plasmabrennern. Anschließend werden alle potenziellen kinematischen Fehler und Kollisionen für den Bediener berücksichtigt, der das Problem dann beheben kann. Beispielsweise könnte eine Simulation ein Kollisionsproblem zwischen zwei verschiedenen Schnitten im Kopf eines Druckbehälters aufdecken. Jeder Einschnitt befindet sich auf einer anderen Höhe entlang der Kontur des Kopfes, sodass bei schnellen Bewegungen zwischen den Einschnitten der notwendige Abstand berücksichtigt werden muss – ein kleines Detail, das geklärt wird, bevor das Werkstück den Boden erreicht, und so hilft, Kopfschmerzen und Abfall zu vermeiden.
Der anhaltende Mangel an Arbeitskräften und die steigende Kundennachfrage haben immer mehr Hersteller dazu veranlasst, auf robotergestütztes Plasmaschneiden umzusteigen. Leider stürzen sich viele Leute in das Wasser, nur um festzustellen, dass es ihnen nur noch schwerer fällt, insbesondere wenn den Leuten, die die Automatisierung integrieren, das Wissen über den Plasmaschneidprozess fehlt. Dieser Weg führt nur zu Frustration.
Integrieren Sie von Anfang an Ihr Wissen zum Plasmaschneiden, und alles ändert sich. Dank der intelligenten Plasmaverarbeitung kann sich der Roboter nach Bedarf drehen und bewegen, um das effizienteste Einstechen durchzuführen und so die Lebensdauer der Verbrauchsmaterialien zu verlängern. Er schneidet in die richtige Richtung und manövriert, um Kollisionen mit dem Werkstück zu vermeiden. Hersteller, die diesen Weg der Automatisierung beschreiten, werden belohnt.
Dieser Artikel basiert auf „Fortschritte beim 3D-Roboter-Plasmaschneiden“, vorgestellt auf der FABTECH-Konferenz 2021.
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Veröffentlichungszeit: 25. Mai 2022
