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Sep 02, 2023

Mehr Prozesswissen, besseres Roboter-Plasmaschneiden

Die Integration des Roboter-Plasmaschneidens erfordert mehr als nur das Anbringen eines Brenners am Ende

Die Integration von Roboter-Plasmaschneiden erfordert mehr als das Anbringen eines Brenners am Ende eines Roboterarms. Kenntnisse im Plasmaschneidprozess sind von entscheidender Bedeutung. Hypertherm

Metallverarbeiter in der gesamten Branche – in der Lohnfertigung, im Schwermaschinenbau, im Schiffbau und im Stahlbau – sind bestrebt, anspruchsvolle Liefererwartungen zu erfüllen und gleichzeitig die Qualitätsanforderungen zu übertreffen. Sie suchen ständig nach Kostensenkungen und beschäftigen sich gleichzeitig mit der allgegenwärtigen Frage, qualifizierte Arbeitskräfte zu halten. Das Geschäft ist nicht einfach.

Viele dieser Bedenken lassen sich auf die in der Industrie immer noch vorherrschenden manuellen Prozesse zurückführen, insbesondere wenn es um die Herstellung komplexer Formen wie Industriebehälterköpfe, gebogene Baustahlkomponenten sowie Rohre und Röhren geht. Viele Hersteller verbringen 25 bis 50 % ihrer Bearbeitungszeit mit manueller Markierung, Qualitätskontrolle und Umrüstung, während die tatsächliche Schneidzeit – oft mit handgeführten Autogen- oder Plasmaschneidern – nur 10 bis 20 % beträgt.

Zusätzlich zu dem Zeitaufwand, den solche manuellen Prozesse in Anspruch nehmen, werden viele dieser Schnitte an den falschen Stellen, Abmessungen oder Toleranzen der Merkmale ausgeführt, was erhebliche sekundäre Arbeitsgänge wie Schleifen und Nacharbeiten oder, noch schlimmer, den Ausschuss von Materialien erfordert. Viele Geschäfte verbringen bis zu 40 % der gesamten Bearbeitungszeit mit diesem geringwertigen Aufwand und dieser Verschwendung.

All dies führt zu einem Vorstoß der Branche in Richtung Automatisierung. Eine Werkstatt, die einen manuellen Brennschneidvorgang für komplexe, mehrachsige Teile automatisierte, implementierte eine Roboter-Plasmaschneidzelle und verzeichnete, was nicht überraschend war, dramatische Vorteile. Durch den Vorgang entfiel die manuelle Planung, und eine Aufgabe, für deren Ausführung fünf Personen sechs Stunden brauchten, konnte der Roboter nun in nur 18 Minuten erledigen.

Auch wenn die Vorteile auf der Hand liegen, erfordert die Implementierung des Roboter-Plasmaschneidens mehr als nur den Kauf eines Roboters und das Einschalten eines Plasmabrenners. Wenn Sie das Roboter-Plasmaschneiden in Betracht ziehen, achten Sie darauf, einen ganzheitlichen Ansatz zu verfolgen, der den gesamten Wertstrom betrachtet. Arbeiten Sie außerdem mit vom Hersteller geschulten Systemintegratoren zusammen, die sich mit der Plasmatechnologie sowie den erforderlichen Systemkomponenten und -prozessen auskennen und verstehen, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen in das Design der Zelle integriert werden.

Denken Sie auch an die Software, die wohl eine der wichtigsten Komponenten jedes Roboter-Plasmaschneidsystems ist. Wenn Sie in ein System investieren, die Software aber entweder schwer zu bedienen ist oder viel Fachwissen erfordert, oder Sie feststellen, dass es enorm viel Zeit in Anspruch nimmt, den Roboter an das Plasmaschneiden anzupassen und einen Schnittpfad zu erlernen, dann haben Sie es getan viel Geld verschwendet.

Während Robotersimulationssoftware weit verbreitet ist, verwenden effektive Roboter-Plasmaschneidzellen eine Offline-Roboterprogrammierungssoftware, die die Roboterpfadprogrammierung automatisiert, Kollisionen erkennt und kompensiert und Kenntnisse über den Plasmaschneidprozess integriert. Der Einbezug von Kenntnissen über Deep-Plasma-Prozesse ist von entscheidender Bedeutung. Mit einer solchen Software wird die Automatisierung selbst der komplexesten Roboter-Plasmaschneidanwendungen viel einfacher.

Das Plasmaschneiden komplexer, mehrachsiger Formen erfordert einzigartige Brennergeometrien. Wenden Sie eine Brennergeometrie, die in einer typischen XY-Anwendung verwendet wird (siehe Abbildung 1), auf eine komplexe Form wie einen gekrümmten Druckbehälterkopf an, und Sie erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen. Aus diesem Grund ist ein Spitzwinkelbrenner (mit „spitzem“ Design) besser für das Roboter-Formschneiden geeignet.

Eine Taschenlampe mit spitzem Winkel allein kann nicht alle Arten von Kollisionen verhindern. Teileprogramme müssen auch Änderungen der Schnitthöhen berücksichtigen (d. h. die Brennerspitze muss einen Abstand zum Werkstück einhalten), um Kollisionen zu vermeiden (siehe Abbildung 2).

Beim Schneiden strömt Plasmagas in Wirbelrichtung am Brennerkörper entlang zur Brennerspitze. Diese Wirbelwirkung ermöglicht es der Zentrifugalkraft, schwere Partikel aus der Gassäule an den Rand der Düsenbohrung zu ziehen und die Brennerkomponenten vor durchströmenden Hochtemperaturelektronen zu schützen. Das Plasma erreicht eine Temperatur von fast 20.000 °C und die Kupferkomponenten des Brenners schmelzen bei 1.100 °C. Verbrauchsmaterialien müssen geschützt werden, und die isolierte Schicht aus schweren Partikeln sorgt dafür.

ABBILDUNG 1. Ein Standard-Brennerkörper ist für das Schneiden von Blechen ausgelegt. Die Verwendung desselben Brenners in Mehrachsenanwendungen erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen mit dem Werkstück.

Durch den Wirbel wird eine Seite des Schnitts heißer als die andere. Bei Brennern mit rechtsdrehendem Gas liegt die heiße Seite des Schnitts im Allgemeinen auf der rechten Seite des Lichtbogens (von oben in Schnittrichtung gesehen). Das bedeutet, dass Verfahrenstechniker daran arbeiten, die gute Seite des Schnitts zu optimieren und davon ausgehen, dass die schlechte Seite (links) Ausschuss ist (siehe Abbildung 3).

Interne Merkmale müssen gegen den Uhrzeigersinn geschnitten werden, wobei die heiße Seite des Plasmas einen sauberen Schnitt auf der rechten Seite (der Teilkantenseite) erzeugt. Umgekehrt müssen die Teileumfänge im Uhrzeigersinn geschnitten werden. Wenn der Brenner in die falsche Richtung schneidet, entsteht eine große Verjüngung im Schnittprofil und die Bartbildung an der Kante Ihres Teils nimmt zu. Im Wesentlichen geben Sie dem Schrott den „guten Schnitt“.

Beachten Sie, dass die meisten Plasmaplattenschneidetische über eine in die Steuerung integrierte Prozessintelligenz zur Lichtbogenschneidrichtung verfügen. Aber im Robotikbereich sind diese Details nicht unbedingt bekannt oder werden nicht verstanden, und sie sind nicht bereits in typische Robotersteuerungen eingebettet – daher ist es wichtig, über Offline-Roboterprogrammierungssoftware mit eingebettetem Wissen über Plasmaprozesse zu verfügen.

Die Bewegung des Brenners beim Durchstechen von Metall hat einen direkten Einfluss auf die Verbrauchsmaterialien für das Plasmaschneiden. Wenn ein Plasmabrenner die Platte auf Schnitthöhe durchsticht – also zu nahe am Werkstück –, beschädigt der Rückstoß des geschmolzenen Metalls schnell die Abschirmung und die Düse. Dies führt zu einer schlechten Schnittqualität und einer kurzen Lebensdauer der Verbrauchsmaterialien.

Auch dies würde bei einer Plattenschneideanwendung mit einem Portal selten vorkommen, da die Steuerung bereits über Kenntnisse in der Brennerhöhe verfügt. Ein Bediener drückt einen Knopf, um die Einstechsequenz zu starten, die eine Reihe von Ereignissen auslöst, um eine ordnungsgemäße Einstechhöhe sicherzustellen.

Zunächst führt der Brenner eine Höhenerkennungsroutine durch, bei der die Werkstückoberfläche normalerweise mit einem ohmschen Signal erfasst wird. Sobald die Platte lokalisiert ist, zieht sich der Brenner von der Platte auf eine Übertragungshöhe zurück, die der optimale Abstand für die Übertragung des Plasmalichtbogens auf das Werkstück darstellt. Sobald dieser Plasmabogen übertragen wird, kann er vollständig hochgefahren werden. An diesem Punkt bewegt sich der Brenner auf die Einstechhöhe, die einen sichereren Abstand zum Werkstück und weiter entfernt vom Rückstoß des geschmolzenen Materials darstellt. Der Brenner hält diesen Abstand aufrecht, bis der Plasmalichtbogen die Platte vollständig durchdrungen hat. Sobald die Lochstechverzögerung abgeschlossen ist, bewegt sich der Brenner näher an die Metallplatte heran und leitet die Schneidbewegung ein (siehe Abbildung 4).

Auch hier ist all diese Intelligenz normalerweise in Plasmasteuerungen zum Plattenschneiden integriert, nicht jedoch in Robotersteuerungen. Roboterschneiden hat noch eine weitere Ebene der Komplexität. Das Einstechen in der falschen Höhe ist schon schlimm genug, aber beim Schneiden von mehrachsigen Formen ist der Brenner möglicherweise nicht optimal auf das Werkstück und die Materialstärke ausgerichtet. Wenn der Brenner nicht senkrecht zur Metalloberfläche steht, die er durchsticht, schneidet er am Ende durch einen dickeren Querschnitt als nötig, wodurch die Lebensdauer des Verschleißteils verkürzt wird. Darüber hinaus kann das Durchstechen eines konturierten Werkstücks in der falschen Ausrichtung dazu führen, dass Brennerkomponenten zu nah an die Werkstückoberfläche gelangen, wodurch das Werkstück dem Rückfluss der Schmelze ausgesetzt wird und vorzeitige Schäden verursacht werden (siehe Abbildung 5).

Stellen Sie sich eine Roboter-Plasmaschneidanwendung vor, bei der ein gebogener Druckbehälterkopf zum Einsatz kommt. Ähnlich wie beim Plattenschneiden sollte der Roboterbrenner senkrecht zur Materialoberfläche platziert werden, um einen möglichst dünnen Querschnitt zum Lochen zu gewährleisten. Wenn sich der Plasmabrenner dem Werkstück nähert, nutzt er die Höhenmessung, bis er die Gefäßoberfläche lokalisiert, und zieht sich dann entlang der Brennerachse auf die Transferhöhe zurück. Nachdem der Lichtbogen übertragen wurde, zieht sich der Brenner wieder entlang der Brennerachse auf die Einstechhöhe zurück, sicher vor Rückschlägen (siehe Abbildung 6).

Sobald die Lochstechverzögerung abgelaufen ist, senkt sich der Brenner auf die Schnitthöhe ab. Beim Arbeiten mit Konturen dreht sich der Brenner entweder gleichzeitig oder in einzelnen Schritten in die gewünschte Ausrichtung zum Schneiden. An diesem Punkt beginnt die Schneidsequenz.

Ein Roboter wird als überbestimmtes System bezeichnet. Das heißt, es gibt verschiedene Möglichkeiten, denselben Punkt zu erreichen. Das bedeutet, dass jeder oder jede Person, die dem Roboter das Bewegen beibringt, über ein gewisses Maß an Fachwissen verfügen muss, sowohl im Hinblick auf die Roboterbewegung als auch auf die Verarbeitungsanforderungen beim Plasmaschneiden.

So sehr sich die Programmiergeräte weiterentwickelt haben, eignen sich bestimmte Aufgaben nicht für das Erlernen der Programmierung von Programmiergeräten – insbesondere Aufgaben, die eine hohe Mischung von Teilen mit geringer Stückzahl umfassen. Der Roboter produziert nicht, während er eingelernt wird, und das Einlernen selbst kann Stunden oder bei komplexen Teilen sogar Tage dauern.

In Offline-Roboterprogrammierungssoftware, die mit Plasmaschneidmodulen entwickelt wurde, ist dieses Fachwissen bereits integriert (siehe Abbildung 7). Dazu gehören die Schneidrichtung des Plasmagases, die anfängliche Höhenerkennung, die Lochstechsequenz und die Optimierung der Schnittgeschwindigkeit für den Brenner- und Plasmaprozess.

ABBILDUNG 2. Ein spitzer („spitzer“) Brenner eignet sich besser für das Plasmaschneiden mit Robotern. Aber selbst bei diesen Brennergeometrien empfiehlt es sich, die Schnitthöhen zu erhöhen, um das Risiko einer Kollision zu minimieren.

Die Software stellt das Robotik-Know-how zur Verfügung, das zur Programmierung eines überbestimmten Systems erforderlich ist. Es bewältigt Singularitäten oder Situationen, in denen der Endeffektor des Roboters (in diesem Fall der Plasmabrenner) das Werkstück nicht erreichen kann; gemeinsame Grenzen; Überfahrten; Handgelenks-Flips; Kollisionserkennung; externe Achse; und Werkzeugwegoptimierung. Zunächst importiert ein Programmierer eine CAD-Datei des fertigen Teils in eine Offline-Roboterprogrammierungssoftware und definiert dann, welche Kanten geschnitten werden sollen, sowie die Lochpunkte und andere Parameter und berücksichtigt dabei Kollisions- und Reichweitenbeschränkungen.

Einige der neuesten Versionen der Offline-Robotersoftware verwenden die sogenannte aufgabenbasierte Offline-Programmierung. Mit dieser Methode kann der Programmierer Schnittpfade automatisch generieren und mehrere Konturen gleichzeitig auswählen. Ein Programmierer könnte einen Kantenpfadwähler wählen, der den Schnittpfad und die Schnittrichtung anzeigt, und dann den Start- und Endpunkt sowie die Richtung und Neigung des Plasmabrenners ändern. Die Programmierung beginnt allgemein (unabhängig von der Marke des Roboterarms oder Plasmasystems) und umfasst dann spezifische Robotermodelle.

Die resultierende Simulation kann alles in der Roboterzelle berücksichtigen, einschließlich Elemente wie Sicherheitsbarrieren, Vorrichtungen und den Plasmabrenner. Anschließend werden mögliche kinematische Fehler und Kollisionen für den Bediener veranschaulicht, der dann Probleme beheben kann. Beispielsweise könnte eine Simulation ein Kollisionsproblem zwischen zwei verschiedenen Schnitten am Kopf eines Druckbehälters aufdecken. Jeder Schnitt erfolgt auf einer anderen Höhe entlang der Kopfkontur, daher muss der schnelle Übergang zwischen den Schnitten den erforderlichen Abstand berücksichtigen – ein kleines Detail, das, wenn es behoben wird, bevor die Arbeit den Boden erreicht, dazu beiträgt, Kopfschmerzen und Verschwendung zu vermeiden.

Der allgegenwärtige Arbeitskräftemangel in Kombination mit steigenden Kundenanforderungen hat dazu geführt, dass sich immer mehr Hersteller für das Roboter-Plasmaschneiden entscheiden. Unglücklicherweise stürzen sich viele darauf und stoßen dabei auf weitere Komplikationen, vor allem, wenn die Leute, die die Automatisierung integrieren, keine Kenntnisse über den Plasmaschneidprozess haben. Dieser Weg führt nur zu Frustration.

Integrieren Sie von Anfang an Wissen über Plasmaschneiden, und die Situation ändert sich. Mit der Plasmaprozessintelligenz dreht und bewegt sich der Roboter nach Bedarf, um die effizientesten Lochungen durchzuführen und so die Lebensdauer der Verbrauchsmaterialien zu verlängern. Es schneidet in die richtige Richtung und manövriert, um Werkstückkollisionen zu vermeiden. Wenn sie diesen Weg zur Automatisierung beschreiten, ernten die Hersteller die Früchte.

Dieser Artikel basiert auf „Fortschritte beim 3D-Roboter-Plasmaschneiden“, vorgestellt auf der FABTECH-Konferenz 2021.