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Sep 02, 2023

より多くのプロセス知識、より優れたロボットプラズマ切断

L'integrazione del taglio plasma robotizzato richiede molto più del semplice collegamento di una torcia alla fine

ロボットによるプラズマ切断の統合には、ロボット アームの端にトーチを取り付けるだけでは不十分です。 プラズマ切断プロセスの知識が重要です。 ハイパーサーム

ジョブショップ、重機、造船、構造用鋼など、業界全体の金属加工業者は、品質要件を超えながら、厳しい納期の期待に応えるよう努めています。 彼らは、熟練労働者の維持という常に存在する問題に対処しながら、継続的にコスト削減を模索しています。 ビジネスは簡単ではありません。

これらの懸念の多くは、特に産業用容器のヘッド、湾曲した構造用鋼部品、パイプやチューブなどの複雑な形状の製造に関して、業界で依然として普及している手動プロセスに遡ることができます。 多くの製造業者は、処理時間の 25% ～ 50% を手動マーキング、品質管理、段取り替えに費やしていますが、実際の切断時間 (多くの場合、手持ちの酸素燃料またはプラズマ カッターを使用して実行) は、わずか 10% ～ 20% です。

このような手動プロセスに費やす時間に加えて、これらのカットの多くは間違ったフィーチャの位置、寸法、または公差を中心に行われ、研削や再加工などの重要な二次作業が必要になったり、さらに悪いことには材料を廃棄したりする必要があります。 多くのショップは、全体の処理時間の 40% もの時間を、この価値の低い労力と無駄に費やしています。

これらすべてが、業界の自動化への推進につながります。 複雑な多軸部品の手動トーチ切断作業を自動化したある工場では、ロボット プラズマ切断セルを導入し、驚くことではないが、劇的な効果を実感しました。 この運用により手動レイアウトが不要になり、5 人で 6 時間かかった作業がロボットを使用するとわずか 18 分で完了しました。

利点は明白ですが、ロボットによるプラズマ切断の導入には、単にロボットを購入してプラズマ トーチを叩くだけでは不十分です。 ロボットによるプラズマ切断を検討している場合は、バリュー ストリーム全体を検討する総合的なアプローチを取るようにしてください。 さらに、プラズマ技術だけでなく、必要なシステムコンポーネントやプロセスを熟知し、理解しているメーカーの訓練を受けたシステムインテグレーターと協力して、すべての要件がセルの設計に確実に統合されるようにします。

また、おそらくロボットプラズマ切断システムの最も重要なコンポーネントの 1 つであるソフトウェアについても考慮してください。 システムに投資したものの、ソフトウェアが使いにくかったり、実行するには多大な専門知識が必要だったり、ロボットをプラズマ切断に適応させて切断パスを教えるのに膨大な時間がかかるとわかった場合は、たくさんのお金を無駄にしました。

ロボット シミュレーション ソフトウェアは一般的ですが、効果的なロボット プラズマ切断セルは、ロボット パス プログラミングを自動化し、衝突を特定して補正し、プラズマ切断プロセスの知識を統合するオフライン ロボット プログラミング ソフトウェアを利用します。 プラズマプロセスに関する深い知識を組み込むことが鍵となります。 このようなソフトウェアを使用すると、最も複雑なロボットによるプラズマ切断アプリケーションの自動化もはるかに簡単になります。

複雑な多軸形状をプラズマ切断するには、独自のトーチ形状が必要です。 一般的な XY アプリケーションで使用されるトーチ ジオメトリ (図 1 を参照) を、湾曲した圧力容器ヘッドのような複雑な形状に適用すると、衝突の可能性が高くなります。 このため、ロボットによる形状の切断には、鋭角のトーチ (「尖った」デザイン) の方が適しています。

鋭角のトーチだけでは、あらゆる種類の衝突を回避することはできません。 また、パーツ プログラムには、衝突を避けるために切断高さの変更を組み込む必要があります (つまり、トーチの先端がワークピースのクリアランスを維持する必要があります) (図 2 を参照)。

切断中、プラズマ ガスはトーチ本体からトーチ先端まで旋回方向に流れます。 この旋回作用により、遠心力によって重い粒子がガス柱からノズル穴の周囲に引き出され、そこを流れる高温の電子からトーチのコンポーネントが保護されます。 プラズマの温度は約 20,000 ℃に達し、トーチの銅部品は 1,100 ℃で溶けます。消耗品には保護が必要ですが、重い粒子の絶縁層がそれを提供します。

図 1. 標準的なトーチ本体はプレート切断用に設計されています。 これと同じトーチを多軸アプリケーションで使用すると、ワークピースと衝突する可能性が高くなります。

渦巻きにより、カットの片側が反対側よりも熱くなります。 時計回りにガスを回転させるトーチは、通常、切断の高温側を円弧の右側に配置します (切断方向の上から見た場合)。 これは、プロセス エンジニアが切断の良い面を最適化し、悪い面 (左側) がスクラップになることを想定していることを意味します (図 3 を参照)。

内部フィーチャーは反時計回りの方向に切断する必要があり、プラズマの高温側が右側 (パーツエッジ側) にきれいな切断を作成します。 逆に、パーツの周囲は時計回りにカットする必要があります。 トーチが間違った方向に切断すると、切断プロファイルに大きなテーパーが生じ、部品のエッジのドロスが増加します。 本質的には、スクラップに「良い部分」を置くことになります。

ほとんどのプラズマ プレート切断テーブルには、アーク切断方向に関するプロセス インテリジェンスがコントローラに組み込まれていることに注意してください。 しかし、ロボット工学の分野では、これらの詳細は必ずしも知られていない、理解されているわけではなく、一般的なロボット コントローラーにはまだ組み込まれていないため、プラズマ プロセスの知識が組み込まれたオフライン ロボット プログラミング ソフトウェアを用意することが重要です。

金属を貫通するためのトーチの動きは、プラズマ切断の消耗品に直接影響します。 プラズマ トーチが切断高さでプレートを貫通した場合、つまりワークピースに近すぎた場合、溶融金属の吹き返しによってシールドとノズルがすぐに損傷します。 その結果、切断品質が低下し、消耗品の寿命が短くなります。

繰り返しになりますが、トーチの高さに関する専門知識がすでにコントローラーに組み込まれているため、ガントリーを使用したプレート切断アプリケーションではこのような問題が発生することはほとんどありません。 オペレーターがボタンを押してピアシング シーケンスを開始すると、適切なピアシング高さを確保するための一連のイベントが開始されます。

まず、トーチは高さ検出ルーチンを実行し、通常はオーミック信号でワークピースの表面を検出します。 プレートの位置が特定されると、トーチはプレートから移動高さまで後退します。この高さは、プラズマ アークがワークピースに移動するのに最適な距離です。 プラズマ アークが移行すると、完全に上昇する可能性があります。 この時点で、トーチは、ワークピースからより安全な距離であり、溶融材料の吹き返しからより遠く離れたピアシング高さに移動します。 トーチは、プラズマ アークがプレートを完全に貫通するまでこの距離を維持します。 ピアス遅延が完了すると、トーチは下降して金属プレートに近づき、切断動作を開始します (図 4 を参照)。

繰り返しになりますが、このすべてのインテリジェンスは通常、プレート切断用のプラズマ コントローラーに組み込まれていますが、ロボット コントローラーには組み込まれていません。 ロボットによる切断には、さらに複雑な層があります。 間違った高さでピアシングするだけでも十分に問題はありませんが、多軸形状を切断する場合、トーチがワークピースや材料の厚さに対して最適な方向にない可能性があります。 トーチが金属表面に対して垂直でない場合、必要以上に厚い断面を切断することになり、消耗品の寿命が無駄になります。 さらに、輪郭のあるワークピースを間違った方向で穿孔すると、トーチのコンポーネントがワークピースの表面に近づきすぎて、溶融した吹き返しにさらされて早期の損傷が発生する可能性があります (図 5 を参照)。

湾曲した圧力容器ヘッドを使用したロボットによるプラズマ切断アプリケーションを考えてみましょう。 プレートの切断と同様に、ロボットトーチは材料の表面に対して垂直に配置して、ピアッシング用に可能な限り薄い断面を確保する必要があります。 プラズマ トーチがワークピースに近づくと、容器表面の位置が特定されるまで高さ検出が使用され、その後トーチ軸に沿って搬送高さまで後退します。 アークが移行した後、トーチはトーチ軸に沿って穿孔高さまで再び後退し、ブローバックから安全に離れます (図 6 を参照)。

ピアス遅延時間が経過すると、トーチは切断高さまで下降します。 輪郭を操作する場合、トーチは同時にまたは別々のステップで、切断に必要な方向に回転します。 その時点で切断シーケンスが始まります。

ロボットは過剰決定システムとして知られています。 つまり、同じ点に到達するのにさまざまな方法があるということです。 これは、ロボットの動作とプラズマ切断の処理要件の両方について、ロボットに動きを教える人が誰であれ、一定レベルの専門知識を持っている必要があることを意味します。

ティーチペンダントは進化しましたが、特定のタスク、特に少量の部品が大量に含まれるタスクは、ティーチングペンダントのプログラミングには適していません。 ロボットは教えられている間は生産を行っていないため、教えること自体に数時間、複雑な部品の場合は数日かかる場合もあります。

プラズマ切断モジュールを使用して設計されたオフライン ロボット プログラミング ソフトウェアには、この専門知識がすでに組み込まれています (図 7 を参照)。 これには、プラズマ ガスの切断方向、初期高さの検出、ピアス シーケンス、トーチとプラズマ プロセスの切断速度の最適化が含まれます。

図 2. ロボットによるプラズマ切断には、鋭角 (「尖った」) トーチの方が適しています。 ただし、このようなトーチの形状であっても、衝突の可能性を最小限に抑えるために切断高さを高くすることがベスト プラクティスです。

このソフトウェアは、過剰決定システムをプログラムするために必要なロボット工学の専門知識を提供します。 特異点、つまりロボットのエンドエフェクター (この場合はプラズマ トーチ) がワークピースに到達できない状況を管理します。 ジョイント制限; オーバートラベル。 手首をひっくり返します。 衝突検出。 外部軸。 そしてツールパスの最適化。 まず、プログラマーは完成部品の CAD ファイルをオフラインのロボット プログラミング ソフトウェアにインポートし、衝突や到達制限を考慮して、どのエッジを切断するか、ピアス ポイントやその他のパラメーターを定義します。

オフライン ロボット ソフトウェアの最新版の一部では、いわゆるタスクベースのオフライン プログラミングが使用されています。 この方法を使用すると、プログラマはカット パスを自動的に生成し、一度に複数の輪郭を選択できます。 プログラマーは、切断パスと方向を示すエッジ パス セレクターを選択し、開始点と終了点、およびプラズマ トーチの方向と傾きを変更することを選択する場合があります。 プログラミングは一般的に (ロボット アームやプラズマ システムのブランドに関係なく) 開始され、その後、特定のロボット モデルを含めるように進みます。

結果として得られるシミュレーションでは、安全バリア、固定具、プラズマ トーチなどの要素を含む、ロボット セル内のすべてを考慮に入れることができます。 次に、潜在的な運動学的エラーや衝突がオペレーターに示され、オペレーターは問題を修正できます。 たとえば、シミュレーションにより、圧力容器の頭部の 2 つの異なるカット間の衝突の問題が明らかになる場合があります。 各カットはヘッドの輪郭に沿って異なる高さにあるため、カット間の素早い移動では必要なクリアランスを考慮する必要があります。この小さな詳細は、作業が床に到達する前に対処しておくと、頭痛や無駄をなくすのに役立ちます。

常に続く労働力不足と顧客の需要の増大により、より多くの製造業者がロボットプラズマ切断を導入するようになりました。 残念ながら、特に自動化を統合する担当者にプラズマ切断プロセスの知識が不足している場合、多くの人はさらに複雑な問題を抱えています。 その道は挫折しか生みません。

プラズマ切断の知識を最初から統合すると、状況が変わります。 プラズマプロセスインテリジェンスにより、ロボットは必要に応じて回転および移動し、最も効率的なピアッシングを実行して消耗品の寿命を延ばします。 正しい方向に切断し、ワークピースの衝突を回避するように操作します。 この自動化への道をたどると、製造業者は利益を得ることができます。

この記事は、2021 FABTECH カンファレンスで発表された「3D ロボット プラズマ切断の進歩」に基づいています。