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Soldadura robótica ( robotic welding, robotic brazing, robotic soldering, robotic thermal cutting, robotic thermal spraying ).

Soldadura robótica: Es la soldadura que es llevada a cabo y controlada mediante equipamiento robótico.

Los robots son usados donde funciones de trabajo repetitivo sean llevadas a cabo. Estos son usualmente comandados por computadora. El equipamiento electrónico es especialmente útil donde el trabajo es llevado a cabo en ambientes que no son confortables o de elevado riesgo, por ejemplo, movimiento de materiales en la proximidad de un horno. La soldadura de producción es una buena aplicación para el equipamiento robótico, debido a que involucra soldaduras repetitivas sobre partes de un tamaño y forma dados.

El equipamiento robótico requiere características especiales y capacidades para llevar a cabo exitosamente operaciones de soldadura.  Los robots de soldadura de arco son generalmente máquinas de alta precisión, que contienen comandos servomotores e interfaces especiales con el equipamiento de soldadura de arco. Ver figura R-11.

Programación. Un sistema de soldadura de arco automático debe ser programado para llevar a cabo la operación de soldadura. La programación es el establecimiento de una secuencia detallada  de pasos que la máquina debe seguir para soldar exitosamente el conjunto de acuerdo a las especificaciones.

El desarrollo de un programa de soldadura involucra los siguientes pasos:

  1. Calibración del sistema automático de soldadura. La calibración asegura que el uso futuro del programa operará desde un valor de consigna conocido.
  2. Establecimiento de la ubicación del conjunto a ensamblar con respecto a la máquina de soldar. Con frecuencia una simple distribución es suficiente.
  3. Establecer los pasos a seguir por la pistola de soldar o antorcha a medida que la soldadura progresa. Algunos robots pueden ser “enseñados” para que reconozcan el camino, mientras que otros sistemas de soldadura automática deben ser programados fuera de línea.
  4. Desarrollar las condiciones de soldadura a ser usadas. Las mismas deben ser coordinadas con el programa de movimiento de trabajo.
  5. Refinar el programa ensayando y verificando el desempeño. Con frecuencia, un programa requiere edición para obtener la junta soldada deseada.

Existen cuatro clasificaciones geométricas generales de robots industriales:

  1. Robots rectilíneos (coordenadas cartesianas), que tienen ejes lineales, usualmente en número de tres, que mueven una muñeca en el espacio. La zona de trabajo tiene forma de caja. En un robot móvil, el manipulador casi siempre trabaja mas allá del límite del chasis y debe poder extenderse desde el nivel del piso por encima del alto del cuerpo del robot. Esto significa que el brazo manipulador del robot trabaja desde adentro o desde un lado de la envolvente de trabajo.
    Algunos manipuladores de pórtico trabajan desde afuera de su envolvente de trabajo, y sería difícil realmente usar sus distribuciones sobre un robot móvil. Como se ve en la figura 1, los manipuladores de pórtico son del tipo cartesiano o rectangular. Esta geometría se ve como un sistema de coordenadas de tres dimensiones XYZ. De hecho, esa es la forma como es controlado y como el extremo de trabajo se nueve alrededor en la envolvente de trabajo. Existen dos distribuciones básicas basadas en cómo los segmentos de brazos son soportados, pórtico y voladizo. Montados sobre el frente de un robot, los primeros dos grados de libertad de un manipulador cartesiano de voladizo, se pueden mover en izquierda/derecha y arriba/abajo; el eje Y no es necesariamente útil en un robot móvil debido a que el robot puede moverse hacia adelante y hacia atrás. La figura muestra una distribución con voladizo con tres grados de libertad. A pesar de que no es la mejor solución el problema de trabajar fuera del frente de un robot, funcionará. El mismo tiene el beneficio de requerir un algoritmo de control muy simple.
  2. Robots de coordenadas cilíndricas. El segundo tipo de envolvente de trabajo de un robot manipulador es el cilíndrico, que tienen un eje circular y dos ejes lineales. Su zona de trabajo es un cilindro, ver figura 2. Este tipo usualmente incorpora una base rotativa con el primer segmento capaz de extenderse o deslizarse hacia arriba o hacia abajo, llevando horizontalmente un segmento telescópico. Mientras que estos son muy simples de graficar y la envolvente de trabajo es muy intuitiva, son muy difíciles de implementar efectivamente debido a que requieren dos segmentos de movimiento lineales, teniendo ambos momentos de carga en los mismos causadas por la carga al extremo del brazo superior. 
    En la distribución básica, el código de control es relativamente simple, o sea, el ángulo de la base, altura del primer segmento, y extensión del segundo segmento. Sobre un robot, el ángulo de la base puede simplemente ser el ángulo del chasis del robot mismo, dejando la altura y extensión del segundo segmento. La figura muestra la distribución básica de un brazo manipulador cilíndrico de tres grados de libertad.
    Una segunda geometría que aún tiene una envolvente de trabajo cilíndrica es el diseño SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm), figura 3, o sea Brazo Robótico de Respuesta Selectiva. Este diseño tiene buena rigidez en la dirección vertical, pero algún desplazamiento en la horizontal. Esto hace as fácil acercarse a la posición correcta y dejar el pequeño desplazamiento para corregir cualquier falta de alineamiento. Un manipulador SCARA reemplaza a la segunda junta telescópica con dos juntas verticales eje-pivotantes. La figura muestra un manipulador SCARA.
  3. Robots de coordenadas polares o esféricas, La tercera geometría, y la más versátil, es la geometría esférica,que emplea dos ejes circulares y un eje lineal para mover la muñeca del robot. Su zonda de trabajo es esférica.
    En esta distribución, la envolvente de trabajo puede ser pensada como que se desarrolla en la zona circundante.. En realidad, sin embargo, es difícil alcanzar todos los puntos en los alrededores. Hay varias formas de distribuir un brazo con esta envolvente de trabajo. La más básica tiene una base rotativa que lleva un segmento de brazo que puede bajar y subir, y extenderse hacia adentro y hacia fuera. Ver figura 4. Al elevarse el hombro 7, se cambia la envolvente, algo que es valioso considerando algunos casos. Las figuras 5,6 y 8 muestran variaciones del manipulador de geometría esférica.
  4. Robots articulados (brazo con articulaciones), que utilizan juntas rotativas y movimiento similar a un brazo humano para mover la muñeca del robot. Su zona de trabajo es de forma irregular.

Fig. 1. Robot rectilíneo ( coordenadas cartesianas )

Fig. 2. Robot de coordenadas cilíndricas

Fig. 3. Manipulador SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm.) con geometría de envolvente cilíndrica.

Fig. 4. Manipulador de coordenadas polares o esféricas básico.

Fig. 5. Manipulador de coordenadas polares de hombro elevado, con juntas sobrepuestas.

 

Fig. 6. Manipulador articulado de coordenas polares.

Fig. 7. Manipulador de coordenadas polares de hombro elevado, con junta de desplazamiento en el codo.

Fig. 8. Manipulador torreta de pistola de coordenadas po

 

La muñeca

El brazo del manipulador sólo lleva su punto extremo el lugar correcto. A fin de orientar la pinza en el ángulo correcto, en todos los tres ejes, un segundo juego de juntas es usualmente requerido : la muñeca. Las juntas en una muñeca deben doblarse hacia arriba/abajo, girar en sentido horario/antihorario, y moverse de derecha a izquierda y viceversa, o sea inclinarse, rotar y desviarse lateralmente (guiño) respectivamente. Esto puede hacerse todo en uno usando una junta de bolas en un zócalo, a semejanza de una articulación humana, pero controlar y dar movimiento a este tipo es difícil.

La mayoría de las muñecas de robots consisten en tres articulaciones separadas. Las figuras describen muñecas con uno, dos y tres grados de libertad básicos, cada uno construido sobre el diseño previo. El orden de los grados de libertad en una muñeca tiene un gran efecto sobre la funcionalidad de la muñeca, y debería ser elegido cuidadosamente, especialmente para muñecas con sólo uno o dos grados de libertad. Ver también tipos de pinzas de manipulación.

Fig. 9. Muñeca robótica de un grado de libertad (sólo desviación lateral).

Fig. 10. Muñeca robótica de dos grados de libertad (desviación lateral y rotación).

 

Fig. 11. Muñeca robótica de tres grados de libertad ( desviación lateral, rotación e inclinación)

 

Las cuatro geometrías del robot lleva a cabo las mismas funciones básicas: el movimiento de una muñeca de robot a una localización en el espacio. Cada geometría tiene ventajas y limitaciones bajo ciertas circunstancias. Los robots articulados y rectilíneos tienen diseños favorables para la soldadura por arco.

La soldadura de arco robótica es aplicable a operaciones de manufactura de alto, medio y bajo volumen bajo ciertas circunstancias. La misma puede ser aplicada a la automación de cantidades de producción de medio y bajo volumen, donde el volumen total garantiza la inversión.

El robot de soldadura por arco requiere un número de dispositivos periféricos o unidades de apoyo para alcanzar óptima productividad. Los elementos básicos de una celda de trabajo son mostrados en la tabla R-2. Muchas variaciones son posibles, y cada dispositivo podría contener su propio controlador que ejecutaría instrucciones desde su programa o comando desde el robot o servidor de control.  Todas la estaciones de robot pueden ser ampliadas por uno o mas de los componentes listados en la Tabla R-3. Estos componentes ayudan a “enseñar” al robot rápidamente, minimizar los tiempos para mantenimiento programado y no programado, y fijar la seguridad del operador y del equipo. Se incluyen en la Tabla R-3 también características que no son necesarias para el uso eficiente de la celda del robot, pero que pueden incrementar la productividad de la misma.


Tabla R-2
Elementos de una celda de trabajo de robot
Componente
Función
Controladora central ( host controller)
Comanda los movimientos del robot, las funciones del proceso de soldadura, y los enclavamientos de seguridad de acuerdo con el programa almacenado. Puede además comandar o dirigir los movimientos de posicionadores, herramientas, accesorios y dispositivos de movimiento de material. (Para la mayoría de los sistemas, la controladora central es una parte del robot.)
Robot
Manipula la antorcha de soldadura de acuerdo a los comandos de la controladora central.
Paquete de proceso ( Process package)
Lleva a cabo el proceso de soldadura según el comando de la controladora central y del robot. Procesa funciones que incluyen el envasado de flujos de gas, suministro del aporte de soldadura, y voltaje y corriente del arco.
Posicionador.
Desplaza la pieza de trabajo a una posición fija, de manera que el robot pueda llevar a cabo la secuencia de soldadura. Puede además manipular la pieza de trabajo durante la soldadura para proporcionar el movimiento de soldadura. Puede ser activado por la controladora del robot o por un operador humano.
Accesorios y herramientas de sujeción montadas sobre el posicionador.
Mantienen los componentes de la pieza de trabajo en una posición fija relativa a dos o más puntos relativos sobre el conjunto de accesorios. Las herramientas de sujeción pueden ser activadas por el controlador del robot o por un operador humano.
Movimiento de materiales.
Mueve los componentes dentro de la celda de trabajo, y quita los montajes soldados de la celda de trabajo. Puede ser manual, máquina o automático.

Tabla R-3
Equipo suplementario para la celda de trabajo de un robot de soldaduras.


Recomendado


Componente
Función
Parte maestra (componente)
Enseña al robot. Luego testea y verifica la precisión del programa y el trabajo de la celda, e identifica los cambios.
Listado del programa del robot.
Programa el robot. Luego verifica el desempeño del trabajo de la celda.
Dispositivo de almacenamiento del programa.
Permite el almacenamiento permanente del programa del robot producido por el “método de enseñanza” para su uso futuro.
Utillaje de puesta a punto de antorcha. (Torch set-up Jig)
Permite la rápida puesta a punto de la antorcha luego del mantenimiento o reemplazo de la misma. Establece la posición del punto del arco de soldadura con respecto al robot.
Estación de limpieza de antorcha.
Mantiene la antorcha de soldadura operando correctamente. Puede ser activada manualmente por un operario o automáticamente.
Pantallas de seguridad y enclavamientos.
Proporciona protección el operario de descargas de arco, humo, quemaduras y calor. Previene el daño físico de los robots, herramientas o equipamiento de movimiento de materiales.

Deseable.


Plantilla de inspección.
Permite la rápida inspección de productos, ayuda a identificar problemas de puesta a punto o de programas.
Guía de puesta a punto y de identificación de problemas.
Permite la rápida detección de problemas. Proporciona una orientación y entrenamiento para nuevos operarios, personal de mantenimiento y supervisión.
Juego de herramientas de celda de trabajo.
Mantiene a mano herramientas especiales críticas usadas en la puesta a punto de la celda de trabajo, ajuste y reparación.
Estación de programación fuera de línea.
Permite la reprogramación, depuración  y edición del programa sin la pérdida de tiempo de celda. Es una tecnología relativamente nueva, aún bajo desarrollo.
Enlace de descargas.
Permite que la estación de programación fuera de línea envíe programas a la celda de trabajo. Puede permitir a la celda de trabajo enviar programas para almacenamiento.

(A) ROBOT ARTICULADO

(B) ROBOT RECTÍLINEO

 Un robot articulado (brazo con acoplamientos) es adecuado para soldar partes pequeñas, donde existen largas distancias de desplazamiento entre soldaduras. El brazo de este tipo de robot es capaz de un rápido movimiento. El diseño del robot es preferido además para ensambles no móviles, que requieren que el robot tenga alcance de desplazamiento alrededor o dentro de la pieza para posicionar la muñeca del robot.

Por razones de seguridad, los robots rectilíneos son adecuados para la mayoría de las otras aplicaciones de soldadura. Son particularmente adecuados para aplicaciones donde el operador soldador requiere estar muy próximo al arco de la soldadura. Los robots rectilíneos se mueven mas lentamente y en un recorrido mas predecible que los robots articulados.

Ejes. Los robots de soldadura de arco tienen usualmente cinco o seis ejes ( figura R-12), y algunos pueden estar equipados con siete u ocho ejes. Una estación de soldadura robótica completa puede contener al menos once ejes de movimiento coordinado.

Transferencia de robot. Los grandes montajes y los montajes que requieren tiempo de arco significativo pueden ser soldados moviendo o rotando una máquina robótica de soldadura de arco dentro del área de soldadura. Este procedimiento es usualmente más rápido que mover el montaje, pero requiere de un área de trabajo relativamente amplia.

Un robot soldador puede ser  transferido entre múltiples estaciones de trabajo. Esto permite flexibilidad de producción, y reduce el costo de inventario y de movimiento de materiales. Las estaciones de trabajo pueden ser dejadas en su lugar cuando no se usan, mientras que el robot es utilizado en otras ubicaciones.

Algunos robots pueden acceder a múltiples estaciones de soldadura localizadas en un semicírculo. Los robots rectilíneos se pueden mover a estaciones de soldadura que estén organizadas en una línea recta.

Posicionador. Un posicionador puede ser usado para mover un montaje bajo un cabezal de arco automático de soldadura durante la operación de soldadura, o para reposicionar un montaje, según se requiera, para soldadura robótica de arco. El montaje puede ser movido de manera que la soldadura pueda ser llevada a cabo en una posición favorable, usualmente la posición plana.

Hay dos tipos de posicionadores para soldadura automática de arco. Un tipo ubica el montaje en una posición de soldadura programada. El otro tipo está incorporado dentro del sistema de soldadura para proporcionar un eje de movimiento adicional. Un posicionador puede proporcionar movimiento continuo del montaje mientras la máquina está soldando, para mejorar el tiempo de ciclo. Los posicionadores pueden tener movimiento completamente coordinado para posicionar una junta soldada en la posición plana en una celda robótica.

Interfases de control. Un sistema de soldadura de arco automático requiere interfases de control para equipamiento de control. Dos tipos de interfases son proporcionadas usualmente: cierres automáticos e interfases analógicas.

Equipamiento de proceso de soldadura. Las fuentes de alimentación de la soldadura y el suministro de aporte de soldadura son controladas tanto por cierre de contacto eléctrico como interfases analógicas. Los interruptores de contacto son usados para encender y apagar el equipo. Las interfases analógicas son usadas para ajustar los niveles de salida.

Accesorios y posicionadores. Los accesorios para soldadura automática son con frecuencia automatizados con dispositivos de sujeción (prensado) hidráulica o neumática. La máquina soldadora con frecuencia controla la operación de las pinzas para sujetar el objeto de trabajo. Las pinzas pueden ser abiertas para permitir el acceso de la pistola o antorcha a la junta a soldar. La mayoría de los sistemas de sujeción y de movimiento de posicionador son activados por cierre de contactos eléctricos.

Programación fuera de línea e interfase con diseño asistido por computador. El proceso de “aprendizaje” del robot puede consumir tiempo, utilizando tiempo productivo de robot.  Si se prevé sólo la necesidad de unas pocas partes, la soldadura por robot puede no ser económica. Sin embargo, la programación fuera de línea usando sistemas de diseño asistido por computadora (CAD) puede ser usada para programar la secuencia de movimientos del robot y del posicionador. Los programas de animación gráfica ayudan a visualizar y depurar la secuencia de movimientos. El modelo CAD no siempre puede duplicar las condiciones reales en la estación de soldadura real. Siempre es necesario editar cualquier programa de movimiento generado fuera de línea.

Cada montaje a ser soldado requiere una inversión en programación. Los costos de programación varían ampliamente dependiendo del sistema de soldadura en uso, la experiencia de los programadores, y la complejidad del proceso de soldadura. La inversión en programación debe ser tomada en consideración al calcular la economía de la soldadura automática. Una vez que una inversión se ha llevado a cabo para una soldadura específica, el programa puede ser guardado para su uso futuro.

Seguridad.

El operador de un sistema robótico puede fácilmente evitar la proximidad excesiva a partes con bordes cortantes, expulsión de metal fundido y otros riesgos del proceso de soldadura. Sin embargo, el movimiento del brazo del robot crea una zona de peligros. Los trabajadores en el área deben ser instruidos para evitar su ingreso en el sector de movimientos del robot. Máscaras protectoras, enclavamientos de alimentación y dispositivos de detección deberán ser instalados para segurar la seguridad del trabajador.


 

 

 

 

 

 

 
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