統合ロボットプラズマ切断には、ロボットアームの先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鍵となります。
工場、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期待に応えるよう努めています。熟練労働者の確保という常に存在する問題に対処しながら、コスト削減を常に模索しています。ビジネスは容易ではありません。
これらの問題の多くは、特に工業用容器の蓋、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品を製造する際に、業界で依然として広く行われている手作業のプロセスに起因しています。多くのメーカーは、実際の切断時間（通常は手持ち式の酸素燃料カッターまたはプラズマ カッターを使用）がわずか 10 ～ 20 パーセントであるにもかかわらず、手作業によるマーキング、品質管理、変換に加工時間の 25 ～ 50 パーセントを費やしています。
このような手作業のプロセスに要する時間に加え、これらのカットの多くは間違った特徴の位置、寸法、許容差に基づいて行われるため、研削や再加工などの二次的な作業が大量に必要となり、最悪の場合、材料を廃棄する必要が生じます。多くの店舗では、総処理時間の 40% もをこの価値の低い作業と廃棄物に費やしています。
これらすべてが、業界を自動化へと押し上げることにつながっています。複雑な多軸部品の手動トーチ切断作業を自動化する工場では、ロボットによるプラズマ切断セルを導入し、予想通り、大きな利益を得ました。この操作により手動レイアウトが不要になり、5 人で 6 時間かかっていた作業が、ロボットを使用することでわずか 18 分で完了できるようになりました。
ロボット プラズマ切断の利点は明らかですが、ロボットとプラズマ トーチを購入するだけでは不十分です。ロボット プラズマ切断を検討している場合は、必ず総合的なアプローチを取り、バリュー ストリーム全体を検討してください。さらに、プラズマ技術とシステム コンポーネントおよびプロセスを理解し、すべての要件がバッテリー設計に統合されるようにする、メーカーでトレーニングを受けたシステム インテグレーターと連携してください。
また、ロボット プラズマ切断システムにおいて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する必要があります。システムに投資したものの、そのソフトウェアが使いにくかったり、実行に高度な専門知識が必要であったり、ロボットをプラズマ切断に適合させて切断パスを教えるまでに長い時間がかかったりする場合は、多額の資金を無駄にしていることになります。
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では、ロボットパスプログラミングを自動的に実行し、衝突を識別して補正し、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活用します。プラズマプロセスに関する深い知識を組み込むことが重要です。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形状 (図 1 を参照) を、湾曲した圧力容器ヘッドなどの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切断には、鋭角トーチ (「尖った」設計) の方が適しています。
鋭角の懐中電灯だけでは、あらゆる種類の衝突を回避することはできません。衝突を回避するには、部品プログラムにカット高さの変更も含める必要があります (つまり、トーチの先端とワークピースの間に隙間が必要です) (図 2 を参照)。
切断プロセス中、プラズマガスはトーチ本体に沿って渦流状に流れ、トーチの先端に向かいます。この回転作用により、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、トーチアセンブリが高温の電子の流れから保護されます。プラズマの温度は 20,000 度近くまで上昇し、トーチの銅部品は 1,100 度で溶解します。消耗品は保護する必要があり、重い粒子の絶縁層が保護を提供します。
図 1. 標準トーチ本体は板金切断用に設計されています。多軸アプリケーションで同じトーチを使用すると、ワークピースとの衝突の可能性が高まります。
渦巻きにより、切断面の片側がもう片側よりも高温になります。時計回りに回転するガスを使用するトーチでは、通常、切断面の高温側がアークの右側（切断方向を上から見て）になります。つまり、プロセス エンジニアは切断面の良好な側を最適化するために努力し、不良側（左側）はスクラップになると想定します（図 3 を参照）。
内部構造は反時計回りに切断する必要があり、プラズマの高温側が右側（部品のエッジ側）をきれいに切断します。一方、部品の周囲は時計回りに切断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する可能性があります。基本的に、スクラップに「良好な切断」を施すことになります。
ほとんどのプラズマ パネル切断テーブルには、アーク切断の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ーに組み込まれていることに注意してください。ただし、ロボット工学の分野では、これらの詳細は必ずしも既知または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ません。そのため、組み込まれたプラズマ プロセスに関する知識を備えたオフライン ロボット プログラミング ソフトウェアを使用することが重要です。
金属を貫通するために使用されるトーチの動きは、プラズマ切断消耗品に直接影響を及ぼします。プラズマトーチがシートを切断高さ（ワークピースに近すぎる）で貫通すると、溶融金属の反動によりシールドとノズルがすぐに損傷する可能性があります。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。
ガントリーを使用した板金切断アプリケーションでは、高度なトーチの専門知識がすでにコントローラに組み込まれているため、このようなこと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ス シーケンスを開始すると、適切なピアスの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、トーチは高さ検知手順を実行します。通常は抵抗信号を使用してワークピースの表面を検出します。プレートを配置した後、トーチはプレートから転送高さまで引き込まれます。転送高さは、プラズマアークがワークピースに転送されるのに最適な距離です。転送されると、プラズマアークは完全に加熱されます。この時点で、トーチはピアス高さまで移動します。ピアス高さ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は遠い距離です。プラズマアークがプレートを完全に貫通するまで、トーチはこの距離を維持します。ピアス遅延が完了すると、トーチは金属プレートに向かって下降し、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、こうしたインテリジェンスは通常、シート切断に使用されるプラズマ コントローラに組み込まれており、ロボット コントローラには組み込まれていません。ロボット切断には、さらに別の複雑さがあります。間違った高さでピアシングするだけでも問題ですが、多軸形状を切断する場合、トーチがワークピースと材料の厚さに対して最適な方向にないことがあります。トーチがピアシングする金属表面に対して垂直でない場合は、必要以上に厚い断面を切断することになり、消耗部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にピアシングすると、トーチ アセンブリがワークピースの表面に近づきすぎて、溶融物の吹き返しにさらされ、早期の故障を引き起こす可能性があります (図 5 を参照)。
圧力容器のヘッドを曲げるロボット プラズマ切断アプリケーションについて考えてみましょう。シート切断と同様に、ロボット トーチは、穿孔の断面を可能な限り薄くするために、材料の表面に対して垂直に配置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、容器の表面が見つかるまで高さを感知し、その後、高さを転送するためにトーチ軸に沿って後退します。アークが転送された後、トーチは、ブローバックから安全な距離まで、穿孔の高さまでトーチ軸に沿って再び後退します (図 6 を参照)。
ピアス遅延が終了すると、トーチは切断高さまで下げられます。輪郭を加工する場合、トーチは同時にまたは段階的に目的の切断方向に回転します。この時点で、切断シーケンスが開始されます。
ロボットは過剰決定システムと呼ばれます。つまり、同じポイントに到達する方法が複数あります。つまり、ロボットの動作を教える人、または他の人は、ロボットの動作を理解するか、プラズマ切断の加工要件を理解するかなど、一定レベルの専門知識を持っている必要があります。
ティーチペンダントは進化してきましたが、一部のタスク、特に少量の部品を大量に混合するタスクは、ティーチペンダントプログラミングに本質的に適していません。ロボットはティーチングしても生産せず、ティーチング自体に数時間、複雑な部品の場合は数日かかることもあります。
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、この専門知識が組み込まれます (図 7 を参照)。これには、プラズマ ガス切断方向、初期高さ検知、ピアス シーケンス、トーチおよびプラズマ プロセスの切断速度の最適化が含まれます。
図 2. 鋭い（「尖った」）トーチはロボットプラズマ切断に適しています。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には切断高さを上げるのが最適です。
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 (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、ジョイント制限、オーバートラベル、リストのロールオーバー、衝突検出、外部軸、およびツールパスの最適化を管理します。プログラマーは、まず、完成した部品の 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、次に衝突と範囲の制約を考慮して、切断するエッジ、ピアス ポイント、およびその他のパラメータを定義します。
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、プログラマーは切断パスを自動的に生成し、複数のプロファイルを一度に選択できます。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 トーチの方向と傾斜を変更することを選択できます。プログラミングは通常 (ロボット アームまたはプラズマ システムのブランドとは無関係に) 開始され、特定のロボット モデルを含めることに進みます。
結果として得られるシミュレーションでは、安全柵、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の要素を考慮できます。次に、潜在的な運動学的エラーと衝突がオペレーターに対して考慮され、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って、圧力容器のヘッドにある 2 つの異なる切り込みの間で衝突の問題が明らかになる場合があります。各切り込みはヘッドの輪郭に沿って異なる高さにあるため、切り込み間の素早い移動には必要なクリアランスを考慮する必要があります。これは、作業が床に到達する前に解決される小さな詳細であり、頭痛の種や無駄をなくすのに役立ちます。
労働力不足が続き、顧客の需要が高まるにつれ、ロボットによるプラズマ切断を導入するメーカーが増えています。しかし残念ながら、自動化を導入する人がプラズマ切断プロセスに関する知識を欠いている場合など、多くの人が導入に踏み切ってみると、かえって複雑な問題に直面することになります。このやり方では、結局はフラストレーションしか生じません。
最初からプラズマ切断の知識を統合すると、状況は変わります。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、最も効率的なピアシングを実行し、消耗品の寿命を延ばすことができます。ロボットは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。この自動化の道をたどると、メーカー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。
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投稿日時: 2022年5月25日
