Una de las decisiones más importantes a la hora de automatizar un proceso láser es si utilizar una plataforma de movimiento robótica o de pórtico. Cada una ofrece ventajas distintas y ninguna de ellas es universalmente mejor.
La elección correcta depende de varios factores. Entre ellos, la naturaleza del propio proceso, el rendimiento requerido, el coste admisible y diversas limitaciones de integración.
Aquí le explicaremos cómo funcionan los sistemas láser robóticos y de pórtico y analizaremos sus principales ventajas y desventajas. Esto le ayudará a tomar la mejor decisión para su propia aplicación.
Sistemas láser robotizados
Esta forma de automatización utiliza un brazo robótico industrial multieje para mover un cabezal de procesamiento láser en relación con las piezas. El brazo robótico sigue una trayectoria programada, y su capacidad para mover el cabezal hasta en seis grados de libertad le permite realizar el procesamiento láser en una amplia gama de posiciones y orientaciones con respecto a la pieza.
El propio láser puede estar montado en el extremo del brazo robótico, o puede enviarse allí mediante fibra óptica desde una fuente estacionaria. La óptica de entrega del haz incorporada al utillaje del extremo del brazo (EOAT) puede incluir ópticas de enfoque fijo, cabezales oscilantes o cabezales de exploración, en función del proceso.
En algunos sistemas, las piezas se montan en herramientas fijadas a una base fija o a una mesa giratoria. Alternativamente, el brazo robótico puede colocarse junto a un sistema transportador para la producción en línea. En este caso, el movimiento del brazo puede coordinarse con la pieza y pueden utilizarse posicionadores auxiliares, como un eje de inclinación o de rotación, para aumentar el acceso o mantener una orientación constante del haz.
Sistemas láser de pórtico (movimiento cartesiano)
Los sistemas láser de pórtico utilizan una plataforma de movimiento para desplazar el rayo láser o la pieza a lo largo de ejes lineales X, Y y (a veces) Z. El movimiento sigue una trayectoria programada que puede variar de líneas rectas a curvas. El movimiento sigue una trayectoria programada que puede variar desde líneas rectas hasta curvas. Sin embargo, el ángulo del haz suele permanecer fijo y suele ser perpendicular a la superficie de la pieza.
En la mayoría de los sistemas de pórtico, el láser está situado fuera del pórtico y se suministra a través de cables de fibra óptica. La óptica de entrega del haz en el pórtico puede incluir lentes de enfoque fijo, cabezales oscilantes o cabezales de exploración, en función del proceso. El uso de un cabezal de escaneo permite capacidades de procesamiento sobre la marcha (OTF ) que son particularmente útiles para la soldadura láser de alta velocidad sobre la marcha.
Los sistemas de pórtico suelen construirse sobre plataformas de trabajo de acero o granito. Esto proporciona una base muy estable que permite trabajar con precisión.
Factores de decisión
Los diferentes métodos que utilizan los sistemas robóticos y de pórtico para mover el haz láser dan lugar a características distintas en términos de capacidades, coste e implementación práctica. Aunque algunas aplicaciones se pueden realizar igualmente bien con cualquiera de las dos, en la mayoría de los casos una tecnología ofrece una clara ventaja. Para ello, hay que tener en cuenta los siguientes factores:
- Flexibilidad
- Precisión
- Velocidad
- Consideraciones sobre la integración
- Programación
- Coste
Veamos cada una de ellas con más detalle.
Flexibilidad
Los sistemas láser robotizados ofrecen mucha más flexibilidad de movimiento que los sistemas de pórtico. Un brazo robótico puede acercarse a las piezas desde prácticamente cualquier ángulo, lo que lo hace ideal para procesar geometrías tridimensionales complejas o características situadas en varias caras de una pieza. Esta capacidad es especialmente valiosa en aplicaciones como el montaje de automóviles, donde el mismo robot puede tener que procesar piezas con superficies irregulares o no planas.
Con grados de libertad más limitados en términos de movimiento, los sistemas de pórtico suelen ser más adecuados para el procesamiento en superficies planas. Pueden añadirse etapas de movimiento adicionales para permitir movimientos verticales o giratorios, pero esto nunca igualará la amplitud de movimiento que puede conseguirse con un brazo robótico.
Cuando las piezas tienen geometrías complejas en 3D, o si la misma célula debe procesar diversos tipos u orientaciones de piezas, los sistemas robotizados suelen ser la mejor opción.
Precisión
Los sistemas láser de pórtico suelen ofrecer mayor precisión y repetibilidad que las herramientas robóticas. Sus rígidas etapas de movimiento lineal, su baja masa móvil y su cinemática simplificada permiten un control de trayectoria muy preciso. Esto mejora aún más cuando el pórtico y la pieza se montan juntos en una plataforma muy estable.
Por el contrario, los sistemas robóticos introducen más variaciones mecánicas debidas a la desviación de las articulaciones, la holgura y la desviación de la calibración. Esto reduce sustancialmente su precisión y repetibilidad en comparación con los sistemas de pórtico.
La precisión de los sistemas robóticos puede mejorarse con sistemas de visión adicionales o herramientas de calibración. Sin embargo, esto ralentiza su movimiento y también añade coste y complejidad.
Aunque los sistemas láser robotizados ofrecen suficiente precisión para muchas tareas de corte, soldadura y limpieza por láser, su precisión limitada puede reducir la ventana del proceso. Por ello, suelen ser inadecuados para las aplicaciones más exigentes de electrónica, dispositivos médicos o fabricación de baterías.
Velocidad
La velocidad relativa o cadencia de los sistemas robóticos y de pórtico depende en gran medida de la aplicación. Pero los sistemas de pórtico suelen superar a los robots en tareas que requieren movimientos repetitivos a alta velocidad.
Las plataformas de pórtico pueden desplazarse rápidamente por trayectorias rectas y curvas manteniendo un control preciso de la velocidad. Esto las hace ideales para marcar, cortar o soldar a lo largo de contornos continuos. El uso del procesamiento OTF puede aumentar aún más su rendimiento.
Por el contrario, los sistemas robóticos destacan en la navegación de trayectorias complejas en 3D o multiplano. Pero son más lentos en las operaciones de arranque y parada y menos estables en los cambios rápidos de dirección. Su mayor masa móvil y sus múltiples articulaciones reducen los índices de aceleración y deceleración en comparación con los sistemas de pórtico.
Si la aplicación requiere un movimiento suave y continuo sobre piezas planas, los pórticos ofrecen mejores tiempos de ciclo. Pero para el acceso a varias caras o el seguimiento de contornos 3D, los robots pueden ser más rápidos en general al eliminar la necesidad de reposicionamiento de piezas o fijación secundaria.
Consideraciones sobre la integración
La configuración de los sistemas láser robotizados proporciona intrínsecamente una mayor flexibilidad para su integración en entornos de producción complejos o con limitaciones de espacio. Una herramienta robótica puede colocarse junto a una cinta transportadora, dentro de una célula de trabajo compacta o configurarse para dar servicio a varias estaciones. Esto las hace ideales para aplicaciones en las que el flujo de piezas, la disposición de las herramientas o la variedad de procesos requieren un movimiento adaptable.
Los sistemas de pórtico tienden a requerir una mayor superficie dedicada debido a sus marcos estructurales rígidos y a su sistema de movimiento aéreo. El acceso a las piezas suele ser vertical, lo que puede limitar la integración del sistema con procesos anteriores o posteriores. Sin embargo, para operaciones independientes sencillas, los pórticos suelen ser más fáciles de implantar.
Programación
Los entornos de programación utilizados para los sistemas de automatización láser varían según el fabricante, por lo que es difícil hacer afirmaciones universalmente ciertas. Sin embargo, en general, los sistemas de pórtico son más fáciles de programar y controlar, especialmente para usuarios ya familiarizados con equipos CNC.
La mayoría de las plataformas de pórtico utilizan código G estándar o software CAD-to-path. Estos generan trayectorias de herramienta en coordenadas lineales absolutas dentro de un marco de referencia fijo de la máquina.
Esto significa que la trayectoria programada corresponde directamente a la ubicación física de la pieza. Esto hace que la programación sea bastante sencilla e intuitiva.
En cambio, los sistemas robóticos requieren una planificación de trayectorias más compleja. Esto es especialmente cierto en aplicaciones 3D, o cuando la herramienta debe aproximarse desde ángulos variables.
La programación de sistemas robóticos suele incorporar modelos 3D. El movimiento debe definirse en relación tanto con la pieza como con la estructura cinemática del robot.
Esto implica transformaciones matemáticas para resolver los ángulos de las articulaciones, la orientación de las herramientas, el alcance y la evitación de colisiones. En consecuencia, los sistemas robóticos exigen herramientas de software más avanzadas y un mayor nivel de formación.
Afortunadamente, el riesgo y la complejidad de los proyectos de soldadura láser robotizada pueden reducirse con herramientas y técnicas de ingeniería y simulación virtuales.
En comparación con otros sistemas láser robotizados, los sistemas láser cobóticos están diseñados para ser mucho más fáciles de programar y manejar. Dado que la programación de las piezas es relativamente sencilla, los cobots láser no requieren personal con experiencia previa en robótica para manejarlos.
Coste
Los sistemas de pórtico suelen ser más rentables para el mecanizado sencillo de piezas planas en el que se requiere un alto grado de precisión. Su sencillez mecánica y su uso generalizado en la automatización los hacen comparativamente asequibles para la producción de grandes volúmenes.
Los sistemas láser robotizados pueden implicar una mayor inversión inicial. Esto es especialmente cierto en el caso de los robots multieje, y cuando los recintos de seguridad y las herramientas de programación también se tienen en cuenta en el coste.
Los sistemas láser robotizados suelen ser más rentables en aplicaciones flexibles o polivalentes. Incluso es posible utilizar un cambiador de herramientas para cambiar el cabezal de procesamiento por un brazo robótico que permita a una sola célula cortar, soldar o realizar otras tareas. Esto puede reducir la necesidad de equipos adicionales y mejorar el retorno de la inversión en diversos entornos de producción.
Primeros pasos con una solución láser
En última instancia, la elección del enfoque adecuado para el movimiento del sistema depende de la combinación de piezas, los requisitos de rendimiento y las limitaciones de integración.
En IPG Photonics fabricamos sistemas láser robóticos y de pórtico. Empezar con un sistema láser o soluciones es fácil: envíenos algunas piezas de muestra, visite uno de nuestros centros de aplicaciones globales o simplemente cuéntenos su aplicación.
