Una de las decisiones más importantes a la hora de automatizar un proceso láser es si utilizar una plataforma de movimiento robótica o basada en pórtico. Cada una ofrece ventajas distintas y ninguna es universalmente mejor que la otra.
La elección correcta depende de varios factores. Entre ellos se incluyen la naturaleza del proceso en sí, el rendimiento requerido, el coste admisible y diversas restricciones de integración.
Aquí explicaremos cómo funcionan los sistemas láser robóticos y de pórtico, y analizaremos sus principales ventajas e inconvenientes. Esto le ayudará a tomar la mejor decisión para su aplicación.
Sistemas láser robóticos
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 en hasta seis grados de libertad le permite realizar el procesamiento láser en una amplia gama de posiciones y orientaciones con respecto a la pieza.
El láser puede montarse en el extremo del brazo robótico o puede transmitirse hasta allí mediante fibra óptica desde una fuente fija. La óptica de transmisión del haz incorporada en las herramientas del extremo del brazo (EOAT) puede incluir ópticas de enfoque fijo, cabezales oscilantes o cabezales de escaneo, dependiendo 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 giratorio, 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 móvil para desplazar el rayo láser o la pieza a lo largo de los ejes lineales X, Y y (en ocasiones) Z. El movimiento sigue una trayectoria programada que puede variar desde líneas rectas hasta curvas. Sin embargo, el ángulo del rayo suele permanecer fijo y, por lo general, es perpendicular a la superficie de la pieza.
En la mayoría de los sistemas de pórtico, el láser se encuentra fuera del pórtico y se transmite a través de cables de fibra óptica. La óptica de transmisión del haz en el pórtico puede incluir lentes de enfoque fijo, cabezales oscilantes o cabezales de escaneo, dependiendo 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 realizar trabajos de precisión.
Factores decisivos
Los diferentes métodos que utilizan los sistemas robóticos y de pórtico para mover el rayo láser dan lugar a características distintas en términos de capacidades, coste y aplicación práctica. Aunque algunas aplicaciones pueden funcionar igual de bien con cualquiera de los dos, en la mayoría de los casos una tecnología ofrece una ventaja clara. Esa determinación suele hacerse teniendo en cuenta los siguientes factores:
- Flexibilidad
- Precisión
- Velocidad
- Consideraciones sobre la integración
- Programación
- Coste
Veamos cada uno de ellos más detenidamente.
Flexibilidad
Los sistemas láser robóticos ofrecen una flexibilidad de movimiento mucho mayor 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 múltiples 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. Se pueden añadir etapas de movimiento adicionales para permitir el movimiento vertical o rotatorio, pero esto nunca igualará el rango de movimiento que se puede alcanzar con un brazo robótico.
Cuando las piezas tienen geometrías 3D complejas, o si la misma celda debe procesar una variedad de tipos de piezas u orientaciones, los sistemas robóticos suelen ser la mejor opción.
Precisión
Los sistemas láser de pórtico suelen ofrecer una precisión y repetibilidad superiores en comparación con las herramientas robóticas. Sus etapas de movimiento lineal rígidas, su baja masa móvil y su cinemática simplificada permiten un control de trayectoria de alta precisión. Esto se mejora aún más cuando el pórtico y la pieza se montan juntos en una plataforma altamente estable.
Por el contrario, los sistemas robóticos introducen una mayor variación mecánica debido a la deflexión de las articulaciones, el juego y la deriva de calibración. Esto reduce considerablemente 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 aumenta el coste y la complejidad.
Aunque los sistemas láser robóticos ofrecen suficiente precisión para muchas tareas de corte, soldadura y limpieza por láser, su precisión limitada puede reducir la ventana de proceso. Esto hace que, en general, no sean adecuados para las aplicaciones más exigentes de electrónica, dispositivos médicos o fabricación de baterías.
Velocidad
La velocidad relativa o el tiempo de ciclo de los sistemas robóticos y de pórtico depende en gran medida de la aplicación. Sin embargo, los sistemas de pórtico suelen superar a los robots en tareas que requieren movimientos repetitivos a alta velocidad.
Las plataformas de pórtico pueden moverse rápidamente a lo largo de trayectorias rectas y curvas, manteniendo un control preciso sobre 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 por trayectorias complejas en 3D o multiplano. Sin embargo, son más lentos en las operaciones de arranque y parada y menos estables durante los cambios rápidos de dirección. Su mayor masa móvil y sus múltiples articulaciones reducen las tasas de aceleración y desaceleración 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. Sin embargo, para el acceso a múltiples caras o el seguimiento de contornos 3D, los robots pueden ser más rápidos en general, ya que eliminan la necesidad de reposicionar las piezas o de utilizar fijaciones secundarias.
Consideraciones sobre la integración
La configuración de los sistemas láser robóticos ofrece, por naturaleza, 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 suelen requerir un espacio dedicado mayor debido a sus estructuras rígidas y al sistema de movimiento aéreo. El acceso a las piezas suele ser vertical, lo que puede limitar la integración del sistema con los procesos anteriores o posteriores. Sin embargo, para operaciones independientes sencillas, los pórticos suelen ser más fáciles de implementar.
Programación
Los entornos de programación utilizados para los sistemas de automatización láser varían según el fabricante, por lo que es difícil hacer afirmaciones universalmente válidas. Sin embargo, en general, los sistemas de pórtico son más fáciles de programar y controlar, especialmente para los usuarios que ya están familiarizados con los 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 absolutas y lineales dentro de un marco de referencia fijo de la máquina.
Esto significa que la trayectoria programada se corresponde directamente con la ubicación física de la pieza. Esto hace que la programación sea bastante sencilla e intuitiva.
Los sistemas robóticos, por el contrario, requieren una planificación de trayectorias más compleja. Esto es especialmente cierto en aplicaciones 3D o cuando la herramienta debe acercarse 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 ángulos articulares, orientación de herramientas, alcance y prevención de colisiones. Como resultado, 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 robótica pueden reducirse con herramientas y técnicas de ingeniería virtual y simulación.
En comparación con otros sistemas láser robóticos, los sistemas láser cobóticos están diseñados para ser mucho más fáciles de programar y manejar. Dado que la programación de piezas es relativamente sencilla, los cobots basados en láser no requieren personal con experiencia previa en robótica para su manejo.
Coste
Los sistemas de pórtico suelen ser más rentables para el procesamiento de piezas simples y planas en las que se requiere un alto grado de precisión. Su simplicidad mecánica y su uso generalizado en la automatización los hacen relativamente asequibles para la producción de grandes volúmenes.
Los sistemas láser robóticos pueden suponer una mayor inversión inicial. Esto es especialmente cierto en el caso de los robots multieje y cuando también se tienen en cuenta en el coste los cerramientos de seguridad y las herramientas de programación.
Los sistemas láser robóticos suelen ofrecer un mayor valor añadido en aplicaciones flexibles o polivalentes. Incluso es posible utilizar un cambiador de herramientas para sustituir el cabezal de procesamiento por un brazo robótico, lo que permite 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 una gran variedad de entornos de producción.
Introducción a una solución láser
En última instancia, elegir el 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 a utilizar un sistema o soluciones láser es muy fácil: envíenos algunas piezas de muestra, visite uno de nuestros centros de aplicaciones globales o simplemente cuéntenos cuál es su aplicación.
