Hoe geavanceerde robotica lasoperaties revolutioneert

Is het de juiste tijd om uw lasoperatie te automatiseren? Bezorgen over hoe lang u uw ervaren lassers kunt houden? Moet u de doorvoer verhogen maar ziet niet hoe met de beschikbare arbeidskracht? Uitgedaagd door zwaardere materialen? Een verscheidenheid aan technische vooruitgang maakt het relatief eenvoudig om deze problemen op te lossen door uw lasoperatie te automatiseren, met een verrassend snelle terugverdientijd.

Drie keer sneller

Er zijn twee brede categorieën van geautomatiseerd lassen, de zogenaamde "vaste" automatisering en "flexibele" (of robotische) lasing. Vaste automatisering is vaak specifiek voor de toepassing en het is het beste wanneer de onderdeelgeometrie en de las heel simpel zijn. Bijvoorbeeld, het is over het algemeen de beste oplossing voor het lassen van buizen. Maar voor de meeste industriële toepassingen en alles wat complex is, is robotlas ideaal en is de focus van dit artikel.

Zoals Jason Lange, manager inside sales bij Lincoln Electric Co. (Cleveland) uitlegt: "Het hoofddoel van een robot is om te helpen met de herhaalbaarheid van een las. Nummer twee is om de belasting op de lasser te verminderen. Onderdelen de hele dag verplaatsen en onder verschillende fixaties kruipen is belastend voor een mens. Robots helpen de ergonomie."

Het is dubbel belangrijk om het makkelijker te maken voor lassers omdat ze moeilijker te vinden zijn. "Er zijn veel technischescholen door het hele land die investeren in lasprogramma's om die kloof te overbruggen," vervolgt Lange. "Maar op een willekeurige dag overschrijdt het aantal mensen dat met pensioen gaat de binnenkomende vervangers, wat een gat creëert. Robotlasen helpt dat gat vullen."

Tegelijkertijd is "de terugverdientijd op een robotisch systeem typisch veel beter dan je misschien denkt," uitlegt Erik Miller, business development manager - laser groep bij Miller Electric Mfg. Co. (Appleton, WI). "Eén robotsysteem produceert zoveel onderdelen als drie lassers. Je bespaart twee salarissen per shift en de gemiddelde kosten voor een voorge-engineerde cel liggen tussen $100.000 en $120.000. Het verdient zichzelf terug in ongeveer een jaar. Typisch, als je een proces kunt automatiseren en terugverdientijd in minder dan een jaar krijgt, doe je dat direct. Als het twee jaar is, is het iets wat je serieus moet overwegen."

Dus robotautomatisering is een enorme hulp bij het verhogen van doorvoer. Maar bronnen die voor dit artikel geïnterviewd werden, benadrukten dat het geen vervanging is voor vakarbeid. "Je hebt nog steeds een kwalitatieve lasser nodig die die robot bedient," zoals Lange het formuleerde.

Veranderende materialen een andere reden om te automatiseren

Veranderingen in werkmaterialen de afgelopen tien jaar hebben verbeteringen in lassen gedreven, waarvan veel handmatig onmogelijk zijn toe te passen, zoals laserlassen, volgens Erwin DiMalanta, director, welding & cutting business line bij ABB Robotics (Auburn Hills, MI). "Fabrikanten van alles van mijnbouwvoertuigen tot automobielen gebruiken andere materialen om kosten en gewicht te verlagen en om verschillende aandrijfoplossingen te accommoderen," zegt hij. "Autofabrikanten zijn overgeschakeld naar meer hoogsterkte en ultra-hoogsterkte stoffen, die metallurgische eigenschappen hebben die ze sterker, lichter en meer corrosiebestendig maken, maar met hoge vormbaarheid en lasbaarheid. Dat verandert drastisch hoe metaalstructuren ontworpen, gevormd en gemonteerd worden." Waar fabrikanten traditionele stampdijen gebruikten om features in het onderdeel te snijden, gebruiken ze nu warmstamp-processen en geautomatiseerde lasertechnologieën om de onderdelen te vormen en snijden.

"Een ander voorbeeld is de overschakeling naar aluminium voor meer toepassingen," zegt DiMalanta. "Afhankelijk van de auto, kan zoveel als 90% van de carrosserie nu aluminium zijn. Vanwege de hogere geleiding heb je meer elektrische stroom nodig om aluminium te spotlassen en stroom is synoniem met hittoevoer. Toch gaan we naar dunnerwandige materialen. In sommige voertuigen zijn de materialen ongeveer 1 mm dik. Hoe ga je om met deze trends die in tegengestelde richtingen gaan?"

Het antwoord is verbeterde technologie voor zowel elektronische als mechanische controle van booglassen, en verhoogd gebruik van laserlassen. Voor booglassen zei DiMalanta dat "stroombronnen nu extremelijk geavanceerd en elektronisch gecontroleerd zijn. De afzetting van materiaal in een lasbad wordt zorgvuldig gecontroleerd, met aangepaste golfformen." Miller voegde toe dat dergelijke speciale golfformen "de hitte-invoer op onderdelen controleren, wat vervorming kan verminderen, en ook de cosmetische uitstraling van lassen verbetert."

Hij wees ook op een mechanische methode genaamd Active Wire van Panasonic. "Het is een bidirectionele draadvoeding waarbij de draad voorwaarts voedt om de kortsluiting te creëren en dan terugwaarts uit het bad trekt, deze naaimachine-achtige actie herhalend op 120 Hertz. Dit vermindert hitte-invoer en vermindert ook spatter aanzienlijk. Het verbetert ook de consistentie van de boogontsteking op elke las. Het is heel populair voor aluminiumlassen en dunne plaatmetallen."

Hoewel het onderdeel, hoe geavanceerder de materialen moeten worden om complexe structuren toe te laten terwijl de sterkte behouden blijft, zei DiMalanta. "Robots en hun geavanceerde softwaresystemen helpen de processen te koppelen om deze materialen te hanteren met het pad van de robot."

Laserlassen een overtuigende optie

Met zijn bliksemsnelle vermogen om een breed scala aan materialen te lassen (inclusief ongelijke materialen), is laser waarschijnlijk het grootste dat er in decennia met lassen is gebeurd. En zoals Masoud Harooni, senior advanced technology engineer - laser welding bij Trumpf Inc. (Hoffman Estates, IL) het uitdrukt, "het grootste nieuws in laserlassen in recent jaren is de daling in laserprijzen.

"Laserlassystemen zijn makkelijker te controleren," vervolgt Harooni. "Je selecteert één vermogen en één snelheid. Eenmaal aangepast, verwerk je het hele onderdeel met weinig spatter. Bij booglassen moet je de boog handhaven en de lasparameters zijn gevoelig voor elke verandering in de afstand tussen de brander en het werkstuk. Verschillende delen van het [werkstuk] vereisen meer stroom, of minder stroom, en dit veroorzaakt minder processtabiliteit. Hoewel de terugkoppelingslus op moderne booglassystemen erg goed is, zijn deze systemen nooit perfect aangepast. Gelaste componenten vereisen veel minder nabewerking dan booggelaste componenten, die vaak geschoven moeten worden. Je hebt ook het probleem van spatter en het schoonmaken van de bus in booglassystemen."

Misschien nog belangrijker, laserlassen kan een diepere las bereiken zonder hitteschade, zelfs in materialen zoals aluminium en magnesium die vatbaar zouden zijn voor barsties of porositeit met booglassen. Harooni legt uit dat dit komt omdat laser een vermogensdichtheid van 108 watt per vierkante centimeter kan bereiken. Dit genereert een sleutelgat, een diepe holle ruimte gecreëerd door het verdampen van het metaal van het werkstuk. Terwijl de laserstraal langs het onderdeel beweegt, handhaaft het deze kleine sleutelgat omringd door een gesmolten bad, terwijl het materiaal erachter solidificeert.

"Je krijgt een sterke, diepe las zonder extreme hitte-invoer in het onderdeel," zegt hij. "Booglassen heeft niet de vermogensdichtheid, dus de enige manier om een diepere las te bereiken is de hitte-invoer te verhogen. De mechanische eigenschappen van gelaste delen die minder hitte-invoer en minder vervorming hebben, zijn veel beter dan delen met hogere hitte-invoeren."

Miller stelde dat "laserlassen's initiële impact is geweest in autolaslassen, door het hoge volume en [technische voordelen]. Plaatmetaalfabrikanten zouden ook naar laserlassen moeten kijken. De echte voordelen zitten in het vervangen van weerstand spotlassen, wat uitdagend kan zijn voor medium tot lagere volume productie. Fixatie kan moeilijk zijn, omdat toegang vereist is aan zowel de boven- als onderkant van het onderdeel, terwijl laserlassen alleen toegang aan de bovenkant vereist, dus het is makkelijker te automatiseren. Je kunt ook een lagere payload robot voor laserlassen gebruiken, samen met een eenvoudige vaste optiek."

Vergeleken met een grote payload robot met een sterke arm die een groot gereedschap met twee elektroden draagt, kunnen fabrikanten nu een veiliger 8 kg robot gebruiken, een proceskop erop monteren, en weerstand spotlassen relatief gemakkelijk automatiseren.

"Het andere gebied in plaatmetaal waar laserlassen nuttig is, is in doosfabricatie," zegt hij. "Buitenhoeklassen die een cosmetische uitstraling vereisen, en die weinig tot geen metaalafwerking daarna vereisen, is een gebied waar we veel interesse in gezien hebben."

Volgens Miller biedt laser een goede oplossing op onderdelen waar toegang beperkt is. Een laser vereist alleen zichtlijn om de las te maken, terwijl bij een booglastoepassing de robot een klonterige brander in en om onderdelen moet bewegen, wat heel moeilijk kan zijn. "Bij laserlassen zijn we vaak 500 mm van het werkstuk verwijderd. Het is alsof je een stralenkanon afvuurt. Laser heeft ook veel hogere verwerkingssnelheden en lagere algehele hitte-invoer in het onderdeel, wat vervorming vermindert. Het is een perfect hulpmiddel voor autogeen lassen."

Het nadeel van laserlassen, uitlegt Harooni, is dat je "zowel praktisch geen gat tussen componenten moet hebben, of een fusielijn moet gebruiken, die laserlassen combineert met draadassistentie, waarbij je de draad in het bad smelt zodat je het gat kunt overbruggen. Maar laserlassen is zo veel sneller dat het de extra investering in fixatie de moeite waard is. Bijvoorbeeld, als je 50 onderdelen per dag maakt met robotisch booglassen, kan robotisch laserlassen 300, 500 of zelfs duizenden van hetzelfde onderdeel per dag produceren."

Aan de slag met lasautomatisering

De sprong in lasautomatisering is makkelijker dan ooit. Ten eerste bieden de hoofdspelers offline-setupsoftware die de volgende job op een pc programmeert met een hoge mate van realisme, dat programma naar de robot overdraagt, en de las start. ABB gebruikt zelfs virtuele realiteitstechnieken om gebruikers in staat te stellen te "collaboreren" met robotlasapparatuur.

"Je kunt de robot letterlijk bij de nek vatten, zo te spreken, en hem sturen net alsof je een hond aan een lijn leidt," legt DiMalanta uit. "Dit kan veel intuïtiever zijn dan een teach pendant gebruiken." Ten tweede kunnen deze systemen mechanismen hebben die automatisch aanpassen aan positieveranderingen van het ene onderdeel naar het volgende en laskwaliteit monitoren.

Zoals David Schaefer, product specialist bij Miller Electric, uitlegt: "Er zijn verschillende sensortypen die omgaan met veranderingen in naadlocatie. Een is simpelweg tastvoelen en de andere is through-the-arc seam tracking. Bij tastvoelen kan de robot naar beneden komen en zijn lasdraad gebruiken om het onderdeel te tasten. Het controleert het delta tussen de geprogrammeerde locatie en de werkelijke locatie om zichzelf eigenlijk te herprogrammeren.

"Bij through-the-arc seam tracking, wanneer je over een naad weeft, zoals bij een hoeklas of een overlaapslas als het materiaal dik genoeg is, detecteert het de verandering in amperage en bepaalt wanneer het in de naad zit en wanneer het eruit is, en volgt dan die las terwijl het last." Schaefer vervolgt. "Je hebt ook de optie om laseroptica te gebruiken in plaats van draadtype sensing, maar het is hetzelfde basisidee."

Lange van Lincoln Electric zei dat "een andere manier om het te doen is via een camera die een 2D of 3D afbeelding van het onderdeel maakt. We kunnen programma's offsetten en naden offsetten op basis van de fysieke locatie van de onderdelen. Nieuwere cameras zijn niet zo gevoelig voor glare van een onderdeel als cameras misschien zelfs een paar jaar geleden waren. Ze kunnen meer kleuren zien en de definities van een onderdeel lezen, schaduw en reflecties van het onderdeel onderscheidend." Harooni voegde toe dat "vandaag de optica ons ook de mogelijkheid geeft om de kwaliteit van de las in real-time te controleren zonder de noodzaak voor destructieve testen."

Derden bieden de robots allemaal een vorm van botsingsdetectie. Miller van Miller Electric zei dat dit de meest significante verbetering in de robotarm zelf vertegenwoordigt. "Eerder zou een klant zijn programma maken op basis van de bekende X-Y-Z positie van de brander. Stel je voor de robot heeft de helft van de shift gelast en de operator laat een klem open. De robot zou waarschijnlijk in de klem botsen, de brander buigen. Dat zou elke las in dat programma uit de uitlijning brengen omdat het uiteinde van de brander gebogen is en die positie is veranderd. Vandaag, als de robot een object raakt, zelfs met hoge snelheid, leest het de resulterende stroompiek als een obstructie. Dit zorgt ervoor dat de robot direct in flex servo-modus gaat, wat de toepassing van de rem vertraagt voor een bepaalde afstand die gespecificeerd is voor elke as. De robot gaat 'slap', in feite. Dit stelt de robot in staat om de impuls te dissiperen, schade aan het gereedschap te minimaliseren. Dit betekent dat je een hoge-snelheid botsing kunt hebben zonder de brander te buigen."

Vierden bieden alle grote spelers voorge-engineerde robotcellen met alles wat je nodig hebt op een pallet (of meerdere). "Een werkcel zou een volledig ontworpen eenheid zijn met alle beveiligingen op hun plaats," zei Lange. "Je zou typisch omheining of staalmuren zien, meestal veiligheidsscanners, lampen, drukknoppen om de robot te laten gaan, sleutelinterlocks, en een of ander positioneringsapparaat voor de robot, zoals een draaitafel of een achtbaan. Deze apparaten brengen het onderdeel in de werkwone terwijl de operator extra onderdelen laadt aan de overkant. Of je kunt gewoon een vaste tafel hebben waar de robot gaat verwerken. Er zou ook een lasstroombron zijn, de brander, en enkele reamers om de bits schoon te maken als nodig. Je hoeft het alleen aan te sluiten op elektriciteit en een gasbron." En als een van de kant-en-klare oplossingen niet werkt, zijn aangepaste turnkey-oplossingen beschikbaar.

Waar moet je je zorgen over maken?

"Wanneer we een potentiële klant adviseren over lasautomatisering, kijken we naar hun upstream fabricage," legde Schaefer van Miller Electric uit. "Als ze lasers en CNC-apparatuur gebruiken om het materiaal te buigen, kanten en snijden, zullen ze veel meer succes hebben bij het robotisch lassen ervan dan als ze het met de hand zagen of een kapzaag gebruikten. Die shops kunnen er nu mee wegkomen omdat wanneer ze handmatig lassen, de lassers zich kunnen aanpassen, maar de robot niet." Miller voegde toe dat lassen meestal het laatste is wat geautomatiseerd wordt in een faciliteit omdat upstream-processen eerst accuraat moeten zijn. "Onderdelen moeten accuraat gesneden worden, dan accuraat gebogen. Dan kun je ze lassen," zei hij.

Naast het garanderen dat onderdelen herhaalbaar zijn, is fixatie die gaten beperkt of elimineert vereist, zoals Schaefer uitlegde: "Je kunt geen lucht lassen. Een menselijke operator kan een gat zien en daarop reageren, doorgaans door de draaduitsteek te vergroten om de amperage te verlagen, wat de hitte en penetratie verlaagt, en dan begint te weven om het gat te vullen. Een robot doet dit niet. Het zal doorbranden."

Omgekeerd zei Lange dat sommige klanten duizenden of honderdduizenden dollars uitgeven aan tooling om onderdelen vast te houden terwijl ze die prijs in het halve konden snijden door upstream-processen te verbeteren. Dat biedt de vereiste herhaalbaarheid downstream, wat uiteindelijk de kosten van de tooling verlaagt en de hoeveelheid herwerk en schroot vermindert. Na onderdeelkwaliteit en herhaalbaarheid is de volgende belangrijkste zorg "het kennen en begrijpen van het lasproces zoals het betreft lassen zelf en lassen via het geautomatiseerde apparaat," zei Lange.

Wie moet je dan trainen om de geautomatiseerde lasing te bedienen? Of een ervaren lasser of iemand die leergierig is om lassen te leren (wat weken duurt) plus lasautomatisering. Schaefer waarschuwde dat "Je de juiste cultuur in de faciliteit nodig hebt. Mensen met banen kunnen zich bedroht voelen door automatisering die de faciliteit binnenkomt. Ik zou heel open zijn met mijn mensen over de voordelen, hoe het het bedrijf efficiënter maakt, helpt te groeien en competeren en uiteindelijk meer mensen aan te stellen."

Ten slotte moeten batchgroottes groot genoeg zijn voor automatisering. Zoals Lange het formuleerde, "De tijd die het kost om offline te programmeren, op de robot te zetten en een snelle setup te doen, levert zeker een goede opbrengst op als je batchgroottes примерно een dag of een dag en een half lopen. Als je elk uur een onderdeel verandert, ben je misschien niet zo effectief in ROI."