A mayor conocimiento del proceso, mejor corte robótico con plasma

Los fabricantes de metal en toda la industria—en talleres, maquinaria pesada, construcción de barcos y acero estructural—se esfuerzan en cumplir las exigentes expectativas de entrega y al mismo tiempo superar los requerimientos de calidad. Buscan continuamente reducir los costos, todo mientras lidian con el constante problema de conservar su mano de obra calificada. El negocio no es fácil.

Muchos de estos problemas pueden rastrearse hasta los procesos manuales que todavía prevalecen en la industria, especialmente en cuanto a la fabricación de formas complejas como tapas de recipientes industriales, componentes de acero estructural curveados y tubos. Muchos fabricantes invierten del 25% al 50% de su tiempo en marcado, control de calidad y cambios manuales, mientras que el tiempo real de corte—con frecuencia hecho con cortadoras portátiles de oxicombustible o plasma—es sólo del 10% al 20%.

Además del tiempo que consumen esos procesos manuales, muchos de estos cortes se hacen con las ubicaciones, dimensiones o tolerancias equivocadas, lo que requiere operaciones secundarias significativas como rectificado y retrabajo, o peor aún, materiales desechados. Muchos talleres invierten hasta 40% del tiempo de procesamiento total dedicado a este esfuerzo de poco valor y desperdicio.

Todo esto incentiva el impulso de la industria hacia la automatización. Un taller que automatizó una operación de corte con antorcha manual para partes complejas de ejes múltiples implementó una celda robótica de corte con plasma y, como era de esperarse, vio beneficios espectaculares. La operación eliminó el arreglo manual, y un trabajo que ocupaba seis horas y cinco personas ahora se hacía en sólo 18 minutos con el robot.

Aun cuando los beneficios son obvios, implementar el corte robótico con plasma requiere más que simplemente comprar un robot y ponerle una antorcha de plasma. Si usted está considerando el corte robótico con plasma, asegúrese de aplicar un enfoque holístico que vea todo el flujo de valor. Además, trabaje con integradores de sistemas capacitados por el fabricante, que conozcan y entiendan la tecnología de plasma así como los componentes de sistema y procesos requeridos para asegurar que todos los requerimientos se integren en el diseño de la celda.

También considere el software, el cual puede decirse que es uno de los componentes más importantes de cualquier sistema robótico de corte con plasma. Si invierte en un sistema pero el software es difícil de usar o requiere mucha destreza para ejecutarse, o descubre que requiere mucho tiempo adaptar el robot al corte con plasma y enseñar una trayectoria de corte, usted desperdició mucho dinero.

Aun cuando el software de simulación robótica es común, las celdas robóticas efectivas de corte con plasma utilizan software de programación de robots fuera de línea que automatizará la programación de la trayectoria del robot, identificará y neutralizará colisiones e integrará el conocimiento del proceso de corte con plasma. Incorporar un conocimiento profundo del proceso con plasma es clave. Con dicho software, se volverá mucho más fácil automatizar hasta la aplicación de corte robótico con plasma más compleja.

Geometría y orientación de la antorcha

Cortar con plasma formas complejas de ejes múltiples requiere geometrías de antorcha únicas. Si aplica una geometría de antorcha usada en una aplicación típica X-Y (vea la Figura 1) a una forma compleja como una tapa curveada de recipiente a presión, aumentará la probabilidad de colisiones. Por esta razón, una antorcha en ángulo agudo (con un diseño “puntiagudo”) es más adecuada para corte robótico de formas.

Una antorcha en ángulo agudo sola no puede evitar todo tipo de colisiones. Los programas de parte además deben incorporar cambios para cortar alturas (es decir, la punta de la antorcha debe mantener una separación de la pieza de trabajo) para evitar colisiones (vea la Figura 2).

Dirección del corte

Durante el corte, el gas de plasma fluye en una dirección arremolinada por el cuerpo de la antorcha hacia la punta de la antorcha. Esta acción de remolino permite que una fuerza centrípeta extraiga partículas pesadas de la columna de gas hacia la periferia del agujero de la boquilla y proteja los componentes de la antorcha contra el flujo de electrones a alta temperatura. El plasma llega a una temperatura de casi 20,000 grados C, y los componentes de cobre de la antorcha se funden a 1,100 grados C. Los consumibles necesitan protección, y esa capa aislada de partículas pesadas la brinda.

FIGURA 1. El cuerpo de una antorcha estándar está diseñado para corte de placa El usar esta misma antorcha en aplicaciones de varios ejes aumenta la probabilidad de colisiones con la pieza de trabajo.

Con el remolino, un lado del corte es más caliente que el otro lado. Las antorchas con un gas que gira en el sentido de las manecillas del reloj generalmente pone el lado caliente del corte en el lado derecho del arco (visto desde arriba en la dirección de corte). Esto significa que los ingenieros de procesos trabajan para optimizar el lado bueno del corte y asumen que el lado malo (a la izquierda) será desecho (vea la Figura 3).

Las formas internas necesitan cortarse en dirección contraria a las manecillas del reloj, con el lado caliente del plasma creando un corte liso a la derecha (el lado del borde de la parte). Por el contrario, los perímetros de la parte necesitan cortarse en dirección de las manecillas del reloj. Si la antorcha corta en la dirección incorrecta, esto crea una conicidad grande en el perfil de corte y aumenta la escoria en el borde de la parte. En esencia, usted estará poniendo el “corte bueno” en los desperdicios.

Observe que la mayoría de las mesas de corte de placa con plasma tienen inteligencia de proceso con respecto a la dirección de corte por arco, integrada en el controlador. Sin embargo, en el campo de la robótica, estos detalles no son necesariamente conocidos o comprendidos, y no están realmente integrados en los controladores de robot comunes—de ahí la importancia de tener software de programación robótica fuera de línea con conocimiento del proceso de plasma incorporado.

Perforando con plasma robótico

El movimiento de la antorcha para perforar metal tiene un impacto directo en los consumibles del corte con plasma. Si una antorcha de plasma perfora la placa a la altura de corte—demasiado cerca de la pieza de trabajo—el retorno de metal fundido rápidamente daña la protección y la boquilla. Esto causa una mala calidad del corte y una vida corta de los consumibles.

Repito, es raro que esto ocurra en una aplicación de corte de placa con un pórtico, debido a que la experiencia en la altura de la antorcha ya está integrada en el controlador. Un operador presiona un botón para iniciar la secuencia de perforación, lo cual inicia una serie de eventos para asegurar una altura de perforación adecuada.

Primero, la antorcha ejecuta una rutina de detección de altura, detectando la superficie de la pieza de trabajo generalmente con una señal óhmica. Una vez que se ubica la placa, la antorcha se retrae de la placa a una altura de transferencia, la cual es la distancia óptima para que el arco de plasma se transfiera a la pieza de trabajo. Una vez que el arco de plasma se transfiere, éste puede intensificarse al máximo. En este punto, la antorcha se mueve a la altura de perforación, la cual es una distancia más segura de la pieza de trabajo, más alejada del retorno de material fundido. La antorcha mantiene esta distancia hasta que el arco de plasma ha penetrado por completo la placa. Una vez que el retardo de perforación se completa, la antorcha baja más cerca de la placa metálica e inicia el movimiento de corte (vea la Figura 4).

Repito, toda esta inteligencia generalmente está integrada en controladores de plasma para corte de placa, pero no en controladores robóticos. El corte robótico es otra capa de complejidad, también. Perforar a la altura incorrecta ya es bastante malo, pero al cortar formas de ejes múltiples, la antorcha podría no estar en la orientación óptima para la pieza de trabajo y el espesor del material. Si la antorcha no está perpendicular a la superficie del metal que está perforando, acaba por cortar una sección transversal más gruesa de lo necesario, desperdiciando vida de los consumibles. Además, perforar una pieza de trabajo contorneada en la orientación incorrecta puede poner a los componentes de la antorcha demasiado cerca de la superficie de la pieza de trabajo, dejándola expuesta a retorno de material fundido y causando daño prematuro (vea la Figura 5).

Considere una aplicación de corte robótico con plasma que involucra una tapa curveada de un recipiente a presión. De manera similar al corte de placa, la antorcha robótica debe ponerse perpendicular a la superficie del material para asegurar la sección transversal más delgada posible para la perforación. Conforme la antorcha de plasma se acerca a la pieza de trabajo, usará la detección de altura hasta que localice la superficie del contenedor y luego se retraerá a lo largo del eje de la antorcha a la altura de transferencia. Después de que el arco se transfiere, la antorcha se retrae de nuevo a lo largo del eje de la antorcha a la altura de perforación, suficientemente alejada del retorno (vea la Figura 6).

Una vez que expira el retardo de perforación, la antorcha baja a la altura de corte. Cuando se trabaja con contornos, la antorcha ya sea de manera simultánea o en pasos separados gira a la orientación deseada para el corte. En ese punto, empieza la secuencia de corte.

Programación robótica fuera de línea

Un robot se conoce como un sistema sobredeterminado, es decir, que tiene varias maneras de llegar al mismo punto. Esto significa que lo que enseñe o quien enseñe al robot a moverse debe tener un cierto nivel de experiencia, en cuestión de conocer tanto el movimiento robótico como los requerimientos de procesamiento para el corte con plasma.

FIGURA 2. Una antorcha aguda (“puntiaguda”) es más adecuada para el corte robótico con plasma. Sin embargo, aun con estas geometrías de antorcha, es una buena práctica aumentar las alturas de corte para minimizar el potencial de una colisión.

A pesar de lo mucho que han evolucionado los colgantes de enseñanza, ciertas tareas no se prestan para programación por colgante de enseñanza—específicamente, tareas que implican una alta mezcla de partes en volúmenes pequeños. El robot no está produciendo mientras se le está enseñando, y la enseñanza en sí puede requerir horas, o, para partes complejas, hasta días.

El software para programación robótica fuera de línea, diseñado con módulos de corte con plasma, tendrá esta experiencia ya incorporada con él (vea la Figura 7). Esto incluye la dirección de corte del gas de plasma, la detección de la altura inicial, la secuencia de perforación y la optimización de la velocidad de corte para la antorcha y el proceso de plasma.

El software le brinda a la robótica la experiencia requerida para programar un sistema sobredeterminado. Éste maneja singularidades, o situaciones donde el efector de extremo de robot (en este caso, la antorcha de plasma) no puede alcanzar la pieza de trabajo; límites de articulación; sobreviajes; giros de muñeca; detección de colisiones; eje externo; y optimización de trayectoria de herramienta.

Para empezar, un programador importa un archivo CAD de la parte terminada a un software de programación robótica fuera de línea, luego define los bordes que se van a cortar, así como los puntos de perforación y otros parámetros, tomando en cuenta las restricciones de colisión y alcance.

Algunas de las interacciones más recientes del software robótico fuera de línea usan lo que se conoce como programación fuera de línea basada en tareas. El método permite al programador generar automáticamente las trayectorias de corte y seleccionar varios contornos a la vez. Un programador podría elegir un selector de trayectoria de borde, el cual muestra la trayectoria y la dirección de corte, y luego elegir cambiar el punto inicial y final, así como la dirección y la inclinación de la antorcha de plasma. La programación empieza genéricamente (independiente de la marca de brazo de robot o sistema de plasma), luego avanza para incluir modelos de robot específicos.

La simulación resultante puede tomar en cuenta cada cosa de la celda robótica, incluyendo elementos como barreras de seguridad, fijaciones y la antorcha de plasma. Luego ilustra errores cinemáticos y colisiones potenciales para el operador, quien entonces puede corregir problemas. Por ejemplo, una simulación podría revelar un problema de colisión entre dos cortes diferentes en una tapa de recipiente a presión. Cada corte está a una elevación diferente a lo largo del contorno de la tapa, por lo que un avance rápido entre los cortes debe considerar la separación necesaria—un pequeño detalle que, cuando se atiende antes de que el trabajo llegue a la planta de producción, ayuda a eliminar dolores de cabeza y desperdicio.

Minimice las frustraciones, maximice las satisfacciones

La constante escasez de mano de obra combinada con las crecientes demandas de los clientes ha impulsado a más fabricantes hacia el corte robótico con plasma. Desafortunadamente, muchos lo emprenden sólo para enfrentar más complicaciones, especialmente cuando las personas que integran la automatización carecen de conocimiento del proceso de corte con plasma. Ese camino sólo lleva a la frustración.

Si integra el conocimiento del corte con plasma desde el principio, la situación cambia. Con la inteligencia del proceso de plasma, el robot gira y se mueve según se requiera para hacer las perforaciones más eficientes para prolongar la vida de los consumibles. Éste corta en la dirección correcta y maniobra para evitar colisiones con la pieza de trabajo. Cuando los fabricantes siguen este camino hacia la automatización, recogen los frutos.

Este artículo se basa en “Advancements in 3D Robotic Plasma Cutting,” presentado por Garen Cakmak, director de desarrollo de negocios, Robotmaster; Steve Liebold, jefe de ingeniería de procesos con plasma, Hypertherm; and Kristopher Rich, director de mercadeo, Hypertherm, en la conferencia de FABTECH 2021, www.fabtechexpo.com.

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