Rezanie rúr robotom

MicroStep – etablovaný slovenský výrobca CNC rezacích strojov na delenie materiálov energolúčovými technológiami je známym inovátorom na poli úkosového rezania s vyše 18-ročnou aktívnou skúsenosťou v tejto oblasti. Počiatočný vývoj mechaník rotačných úkosových hláv na rezanie plazmou s náklonom do 45° postupne v portfóliu firmy doplnili úkosové hlavy na rezanie vodným lúčom, laserom či kyslíkovým plameňom. 

V samotnej oblasti plazmového rezania firma dodáva už piatu generáciu úkosových hláv – tzv. plazmové rotátory – s nekonečnou rotáciou a náklonom horáka v rozsahu ± 50°, pričom v blízkej budúcnosti bude na trh uvedená hlava s náklonom až 65°, v súlade s rastúcimi nárokmi na presnosť rezacej technológie a s požiadavkami následných zváracích postupov. Popri štandardných rotátorových hlavách MicroStep tiež vyvinul špeciálne rotačné úkosové hlavy s pantografickým ramenom na rezanie 3D dielov z okrúhlych a štvorhranných rúr, presné rezanie kupol so skenovaním povrchu konkrétneho polotovaru systémom mSCAN aj rezanie otvorených profilov s prierezmi H, U, I či L. Okrem samotných hláv má firma na zreteli neustále zlepšovanie technológie rezania a vývoj postupov na kompenzáciu fyzikálnych limitov rezacích technológii, zameraný na väčšiu presnosť, funkčnosť a dlhodobú stabilitu rezacích systémov. Ide napríklad o patentovanú technológiu autokalibrácie geometrie rezacieho nástroja – ACTG (Auto-calibration of tool geometry), systém adaptívnej kompenzácie uhla náklonu – ABC (Adaptive bevel compensation) či systém samoučiacej regulácie reznej výšky pre premenlivé uhly (STHC – Smart torch height control). Popri rezaní plechov sa firma dlhodobo venuje aj rezaniu priestorových tvarov, či už pomocou rotácie polotovaru okolo pozdĺžnej osi v kombinácii s pohybom rezacieho nástroja nad povrchom polotovaru, alebo pomocou špeciálnych viacosých hláv, umožňujúcich rezanie do polotovaru, uloženého staticky v pracovnej zóne stroja. Pri riešení zákazníckych úloh sa pre istú aplikačnú oblasť ukázala perspektívnou implementácia robotického ramena, a to vďaka širokému rozsahu pohybu takéhoto ramena v priestore, a s tým spojenej možnosti pohybového obsiahnutia polotovarov rôznych rozmerov.

Obr. 1 Príklad použitia robotického ramena na CNC rezacom stroji MicroStep MG, zákazník Jan De Nul (Belgicko)

Integrácia robota

Problematika začlenenia robotického ramena do rezacieho stroja predstavuje okrem konštrukčných zadaní predovšetkým špeciálne úlohy pre vývojárov riadiaceho systému stroja. Robotické rameno so sebou prináša nový typ kinematiky, niekoľko ďalších motorických osí a požiadavky na riadenie energolúčovej technológie, ktorej nositeľom je robotická hlava. V zakázke pre belgicko-luxemburskú spoločnosť Jan De Nul, známu megaprojektami morských stavebných prác a hĺbkového bagrovania morského dna (JDN sa so svojou flotilou podieľali napr. na výstavbe nového Suezského kanála v Egypte či umelých Palmových ostrovov v Dubaji) pozostáva CNC rezací stroj popri robotickej hlave s kyslíkovým horákom na rezanie rúr ešte z plazmového rotátora na úkosové rezanie plechov a kyslíkovej rezacej hlavy na kolmé rezanie rovinných dielcov (obr. 1). Táto zostava sama osebe predstavuje 14 súvisle riadených pohybových osí; a môžu sa v nej nachádzať ešte aj ďalšie hlavy (vŕtacia, popisovacia...) podľa konkrétnych požiadaviek zákazníka.

Aby boli umožnené plynulé automatické prechody medzi používaním jednotlivých rezacích hláv, musí byť riadenie robotického ramena integrované do riadiaceho systému CNC stroja, spravujúceho všetky mechanické moduly rezacieho systému. Samotní výrobcovia robotov síce dodávajú k svojim produktom samostatné riadenie, implementácia továrenského riadiaceho systému však naráža na viaceré problémy, napr. nekompatibilitu komunikačného rozhrania, príliš nízku obnovovciu frekvenciu žiadanej polohy efektora, nedostatočnú rýchlosť spätnej väzby či problém previazania so zvyšnými pohybovými osami systému. Na riadenie robotického ramena preto MicroStep vyvinul vlastné softvérové moduly v rámci riadiaceho systému iMSNC, ktoré plynulo spolupracujú s ostatnými časťami riadenia stroja. Riešenie pritom berie do úvahy mechanické tolerancie jednotlivých kĺbov robota aj pohybové špecifiká, vyplývajúce z konštrukcie ramena.

Obr. 2 Ukážka pohybovej flexibility robotického ramena pri rúre stredného priemeru

Inovatívny projekt

Technické riešenie zakázky pozostáva zo stroja portálového typu s rozmerom pracovnej plochy 12 m x 3 m na rezanie plechov do hrúbky 150 mm a zo zóny na rezanie rúr robotom do priemerov Ø 2000 mm a hrúbky steny 80 mm, ktorá je situovaná pozdĺž vonkajšej strany dráhy stroja. Stroj je okrem robota vybavený kyslíkovou rezacou hlavou a nekonečným plazmovým rotátorom s náklonom do ± 50° (obr. 3), s integrovaným 440 A plazmovým zdrojom, ktorý umožňuje rezanie plazmou pod uhlom do hrúbky 50 mm. Osi stroja (X, Y a Z) sú automaticky kalibrované pomocou plne automatickej kalibračnej stanice (ACTG). Patentovaný systém ACTG zabezpečuje, že každá nameraná odchýlka mechaniky je automaticky kompenzovaná protipohybom stroja, bez nutnosti zásahu operátora, čo predstavuje značnú časovú úsporu pri údržbe úkosovej hlavy a v podstatnej miere vplýva na dlhodobú presnosť rezania. Nekonečný rotátor má zabudovanú protikolíznu ochranu a automatickú kontrolu výšky horáka, čo umožňuje presné rezanie V-, X- a K-rezov. Stroj sa pohybuje na presných lineárnych vedeniach THK, ktoré spolu s motorickým systémom zaručujú vysokú dynamiku stroja MG pri zachovaní nadštandardnej opakovateľnej presnosti a dokážu tak plne využiť možnosti HD plazmového zdroja, ako je presné rezanie dier a malých kontúr či adaptívna kompenzácia uhla úkosu.

„Náš starý páliaci stroj ešte stále fungoval, ale nedala sa na ňom robiť príprava na zvary (úkosové rezy), ktorú sme museli následne robiť ručným horákom, alebo uhlovou brúskou, čo samozrejme vyžaduje čas. Stroj od MicroStep-u nás zbavil tohto problému“, hovorí José Pycke, vedúci výroby v Jan De Nul. „Navyše, od hrúbky 25 mm vyššie sme doteraz museli rezať kyslíkom, čo bolo pomalšie. Kapacita plazmového rezania sa viac než zdvojnásobila.“

Obr. 3 Plazmový rotátor stroja v JDN pri úkosovom rezaní plechu, v pozadí kyslíková rezacia hlava

Rezanie rúr 

Špecifickosť projektu pre JDN spočíva v riešení rezania rúr. Samotná zóna pozostáva z polohovadla na upnutie a otáčanie rúr a z podperných vozíkov na koľajniciach s nastaviteľnými valcami pre rôzne priemery rúr. Výzvou v tomto prípade bolo zabezpečiť rezanie a polohovanie rúr v celom požadovanom rozsahu priemerov a hrúbok (Ø 100 mm – Ø 2000 mm, hrúbky do 80 mm) a priniesť technické riešenie, ktoré by umožňovalo čo najpohodlnejšiu manipuláciu s rúrami a tiež vyžadovalo minimálne stavebné úpravy zo strany zákazníka. Z tohto dôvodu bol zvolený spôsob rezania kyslíkovým horákom, uchyteným v robotickom ramene na konci portálu stroja. Robotické riešenie poskytuje lepšiu flexibilitu pohybu v priestore a nie je obmedzované výškou portálu (obr. 2), takže bolo možné umiestniť koľajnicovú dráhu s podpernými vozíkmi na úroveň podlahy bez nutnosti ich „vnorenia“ pod portál stroja. Na úlohu bol vytypovaný robot Mitsubishi, na ktorom je okrem plynového horáka s integrovaným kapacitným snímačom odmeriavania reznej výšky uchytený aj laserový skener. Ten slúži na zosnímanie reálneho tvaru rúry v mieste rezu pred rezaním a ak zaznamená nejaké odchýlky, adekvátne sa automaticky upraví rezný plán. Týmto spôsobom, spolu so sofistikovaným riadením pohybu robota (kompenzujúcim fyzické nepresnosti ramena) a dedikovanou tvorbou rezných plánov v 3D CAM softvéri MiroStep mCAM, je možné dosahovať veľmi dobrú presnosť otvorov a rezať tiež rôzne tvary kontúr (obr. 4). Zóna rezania rúr je vybavená svetelnou bezpečnostnou bariérou, ktorá sa zapína spolu s robotom a chráni tak operátora a ostatných zamestnancov.

Obr. 4 Príklad kontúry na rúre, demonštrujúci možnosti robotického rezania

Investície do technológii

Dôležitou súčasťou stratégie JDN sú pravidelné investície do nových technológií a vybavenia. Firma disponuje vlastnou flotilou viac ako 85 lodí, z ktorých bolo 47 postavených medzi rokmi 2007 až 2013. Okrem iného vlastní sesterské lode Cristóbal Colón a Leiv Eiriksson určené na bagrovanie morského dna, ktoré sú najväčšími loďami svojho druhu na svete. Vo výrobe pracuje 70 operátorov. „Plazmovo-kyslíkový rezací stroj s integrovaným robotom pre nás znamená značné skrátenie výrobného procesu, keďže príprava na budúce zváranie sa robí automaticky a v jednom kroku, čo taktiež zvyšuje kvalitu. Rezanie rúr robotom zväčšilo rozmery rúr, ktoré vieme spracovať a pridalo nám schopnosť vyrezať hocijaký tvar. To významne zlepšilo našu flexibilitu,“ dodáva. Pre MicroStep je aplikácia robotického ramena vo viac než 18-ročnej histórii vývoja úkosového rezania s vyše 650 dodanými úkosovými hlavami ďalším krokom na ceste k aplikačnej všestrannosti v procese delenia materiálov. 

Obr. 5 Zostava vyrobená s pomocou rezacieho stroja s robotickým ramenom

TEXT/FOTO: Michal Kováč, Michal Maťuga, Matúš Toderiška

Článok bol originálne publikovaný v časopise Strojárstvo/Strojírenství v čísle 05/2018 str. 108-109