Uma das decisões mais fundamentais sobre equipamentos ao automatizar um processo a laser é usar uma plataforma de movimento robótica ou baseada em pórtico. Cada uma oferece vantagens distintas, e nenhuma delas é universalmente melhor.
A escolha certa depende de vários fatores. Entre eles estão a natureza do próprio processo, o rendimento necessário, o custo permitido e várias restrições de integração.
Aqui, explicaremos como funcionam os sistemas laser robóticos e de pórtico e exploraremos suas principais vantagens e desvantagens. Isso o ajudará a fazer a melhor escolha para sua própria aplicação.
Sistemas robóticos a laser
Essa forma de automação usa um braço robótico industrial de vários eixos para mover um cabeçote de processamento a laser em relação às peças. O braço do robô segue um caminho programado e sua capacidade de mover o cabeçote em até seis graus de liberdade permite que ele realize o processamento a laser em uma ampla gama de posições e orientações em relação à peça.
O laser propriamente dito pode ser montado na extremidade do braço robótico ou pode ser fornecido por fibra óptica a partir de uma fonte estacionária. A óptica de fornecimento de feixe incorporada ao ferramental de fim de braço (EOAT) pode incluir óptica de foco fixo, cabeçotes oscilantes ou cabeçotes de varredura, dependendo do processo.
Em alguns sistemas, as peças são montadas em ferramentas presas a uma base fixa ou a uma mesa giratória. Como alternativa, o braço robótico pode ser posicionado próximo a um sistema de transporte para produção em linha. Nesse caso, o movimento do braço pode ser coordenado com a peça, e posicionadores auxiliares, como um eixo de inclinação ou rotativo, podem ser usados para aumentar o acesso ou manter a orientação consistente do feixe.
Sistemas a laser Gantry (movimento cartesiano)
Os sistemas de laser Gantry usam uma plataforma de movimento para mover o feixe de laser ou a peça ao longo dos eixos lineares X, Y e (às vezes) Z. O movimento segue um caminho programado que pode variar de linhas retas a curvas. Mas o ângulo do feixe geralmente permanece fixo e é perpendicular à superfície da peça.
Na maioria dos sistemas de gantry, o laser está localizado fora do gantry e é fornecido por meio de cabos de fibra óptica. A óptica de fornecimento do feixe no gantry pode incluir lentes de foco fixo, cabeçotes oscilantes ou cabeçotes de varredura, dependendo do processo. O uso de um cabeçote de varredura permite recursos de processamento on-the-fly (OTF) que são particularmente úteis para a soldagem a laser on-the-fly de alta velocidade.
Os sistemas de pórtico geralmente são construídos sobre plataformas de trabalho de aço ou granito. Isso proporciona uma base altamente estável para permitir o trabalho de precisão.
Fatores de decisão
Os diferentes métodos que os sistemas robóticos e de pórtico usam para mover o feixe de laser resultam em características distintas em termos de recursos, custo e implementação prática. Embora algumas aplicações possam ser igualmente bem atendidas por qualquer um deles, na maioria dos casos uma tecnologia oferece uma clara vantagem. Essa determinação geralmente pode ser feita considerando-se os seguintes fatores:
- Flexibilidade
- Precisão
- Velocidade
- Considerações sobre integração
- Programação
- Custo
Vamos dar uma olhada mais de perto em cada uma delas.
Flexibilidade
Os sistemas laser robóticos oferecem muito mais flexibilidade de movimento do que os sistemas de gantry. Um braço robótico pode se aproximar das peças de praticamente qualquer ângulo, o que o torna ideal para processar geometrias tridimensionais complexas ou recursos localizados em várias faces de uma peça. Essa capacidade é particularmente valiosa em aplicações como montagem automotiva, em que o mesmo robô pode precisar processar peças com superfícies irregulares ou não planas.
Com graus de liberdade mais limitados em termos de movimento, os sistemas de gantry geralmente são mais adequados para o processamento em superfícies planas. Estágios de movimento adicionais podem ser acrescentados para permitir o movimento vertical ou rotacional, mas isso nunca será igual à amplitude de movimento obtida com um braço robótico.
Quando as peças têm geometrias complexas em 3D ou se a mesma célula precisa processar uma variedade de tipos ou orientações de peças, os sistemas robóticos tendem a ser a melhor opção.
Precisão
Os sistemas laser Gantry geralmente oferecem precisão e repetibilidade superiores em comparação com as ferramentas robóticas. Seus estágios rígidos de movimento linear, a baixa massa móvel e a cinemática simplificada permitem um controle de trajetória altamente preciso. Isso é ainda mais aprimorado quando o gantry e a peça são montados juntos em uma plataforma altamente estável.
Em contrapartida, os sistemas robóticos introduzem mais variações mecânicas devido à deflexão da junta, à folga e ao desvio da calibração. Isso reduz substancialmente sua precisão e repetibilidade em comparação com os sistemas de gantry.
A precisão dos sistemas robóticos pode ser aprimorada com sistemas de visão adicionais ou ferramentas de calibração. No entanto, isso reduz a velocidade do movimento e também aumenta o custo e a complexidade.
Embora os sistemas robóticos a laser ofereçam precisão suficiente para muitas tarefas de corte, soldagem e limpeza a laser, sua precisão limitada pode reduzir a janela do processo. Isso faz com que eles geralmente não sejam adequados para as aplicações mais exigentes de fabricação de eletrônicos, dispositivos médicos ou baterias.
Velocidade
A velocidade relativa ou o takt time dos sistemas robóticos e de pórtico depende muito da aplicação. Mas os sistemas de pórtico normalmente superam os robôs em tarefas que exigem movimentos repetitivos e de alta velocidade.
As plataformas Gantry podem se mover rapidamente ao longo de caminhos retos e curvos, mantendo o controle preciso da velocidade. Isso as torna ideais para marcação, corte ou soldagem ao longo de contornos contínuos. O uso do processamento de OTF pode aumentar ainda mais sua produtividade.
Por outro lado, os sistemas robóticos são excelentes na navegação de caminhos complexos em 3D ou em vários planos. No entanto, eles são mais lentos em operações start-stop e menos estáveis durante mudanças rápidas de direção. Sua massa móvel maior e as múltiplas articulações reduzem as taxas de aceleração e desaceleração em comparação com os sistemas de pórtico.
Se a aplicação exigir movimento suave e contínuo sobre peças planas, os pórticos oferecem tempos de ciclo melhores. Porém, para acesso a várias faces ou acompanhamento de contornos em 3D, os robôs podem ser mais rápidos em geral, pois eliminam a necessidade de reposicionamento da peça ou de fixação secundária.
Considerações sobre integração
A configuração dos sistemas robóticos a laser oferece inerentemente maior flexibilidade para integração em ambientes de produção complexos ou com restrições de espaço. Uma ferramenta robótica pode ser posicionada ao lado de um transportador, colocada em uma célula de trabalho compacta ou configurada para atender a várias estações. Isso os torna excelentes para aplicações em que o fluxo de peças, o layout de ferramentas ou a variedade de processos exigem movimentos adaptáveis.
Os sistemas de pórtico tendem a exigir um espaço dedicado maior devido a suas estruturas rígidas e ao sistema de movimento suspenso. O acesso às peças geralmente é vertical, o que pode limitar a forma como o sistema é integrado aos processos upstream ou downstream. No entanto, para operações autônomas simples, os pórticos costumam ser mais fáceis de implementar.
Programação
Os ambientes de programação usados para sistemas de automação a laser variam de acordo com o fabricante, portanto, é difícil fazer afirmações universalmente verdadeiras. Entretanto, em geral, os sistemas de pórtico são mais fáceis de programar e controlar, especialmente para usuários já familiarizados com equipamentos CNC.
A maioria das plataformas de gantry usa código G padrão ou software CAD-to-path. Esses softwares geram percursos de ferramenta em coordenadas absolutas e lineares em um quadro de referência fixo da máquina.
Isso significa que o caminho programado corresponde diretamente à localização física da peça. Isso torna a programação bastante simples e intuitiva.
Os sistemas robóticos, por outro lado, exigem um planejamento de trajetória mais complexo. Isso é particularmente verdadeiro em aplicações 3D ou quando a ferramenta precisa se aproximar de ângulos variados.
A programação de sistemas robóticos geralmente incorpora modelos 3D. O movimento deve ser definido em relação à peça e à estrutura cinemática do robô.
Isso envolve transformações matemáticas para resolver os ângulos das articulações, a orientação da ferramenta, o alcance e a prevenção de colisões. Como resultado, os sistemas robóticos exigem ferramentas de software mais avançadas e um nível mais alto de treinamento.
Felizmente, o risco e a complexidade dos projetos de soldagem a laser robótica podem ser reduzidos com ferramentas e técnicas virtuais de engenharia e simulação.
Em comparação com outros sistemas robóticos a laser, os sistemas robóticos a laser foram projetados para serem significativamente mais fáceis de programar e operar. Como a programação de peças é comparativamente simples, os cobots baseados em laser não exigem que a equipe com experiência anterior em robótica os opere.
Custo
Os sistemas de pórtico geralmente são mais econômicos para o processamento simples de peças planas em que é necessário um alto grau de precisão. Sua simplicidade mecânica e o uso generalizado em automação os tornam comparativamente acessíveis para a produção de alto volume.
Os sistemas laser robóticos podem envolver um investimento inicial mais alto. Isso é especialmente verdadeiro para robôs de vários eixos e quando os gabinetes de segurança e as ferramentas de programação também são considerados no custo.
Os sistemas a laser robóticos geralmente oferecem melhor valor em aplicações flexíveis ou multiuso. É possível até mesmo usar um trocador de ferramentas para trocar o cabeçote de processamento por um braço robótico, permitindo que uma única célula corte, solde ou execute outras tarefas. Isso pode reduzir a necessidade de equipamentos adicionais e melhorar o ROI em uma variedade de ambientes de produção.
Primeiros passos com uma solução a laser
Em última análise, a escolha da abordagem correta para o movimento do sistema depende da combinação de peças, dos requisitos de desempenho e das restrições de integração.
Na IPG Photonics, construímos sistemas de laser robóticos e de pórtico. Começar a usar um sistema ou soluções a laser é fácil - envie-nos algumas amostras de peças, visite um de nossos centros de aplicação globais ou simplesmente conte-nos sobre sua aplicação.
