Uma das decisões mais fundamentais em termos de equipamento ao automatizar um processo a laser é se deve-se 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 processo em si, a produtividade necessária, o custo admissível e várias restrições de integração.
Aqui, explicaremos como funcionam os sistemas robóticos e de laser com pórtico e exploraremos as suas principais vantagens e desvantagens. Isso ajudará a fazer a melhor escolha para a sua aplicação.
Sistemas robóticos a laser
Esta forma de automação utiliza um braço robótico industrial multieixos para mover uma cabeça de processamento a laser em relação às peças. O braço robótico segue um percurso programado e a sua capacidade de mover a cabeça em até seis graus de liberdade permite-lhe realizar o processamento a laser numa ampla gama de posições e orientações em relação à peça.
O laser em si pode ser montado na extremidade do braço robótico ou pode ser fornecido por fibra ótica a partir de uma fonte fixa. A ótica de fornecimento do feixe incorporada na ferramenta de extremidade do braço (EOAT) pode incluir ótica de foco fixo, cabeças oscilantes ou cabeças de varredura, dependendo do processo.
Em alguns sistemas, as peças são montadas em ferramentas fixadas a uma base fixa ou mesa rotativa. Alternativamente, o braço robótico pode ser posicionado ao lado de um sistema transportador para produção em linha. Neste caso, o movimento do braço pode ser coordenado com a peça, e posicionadores auxiliares – como um eixo inclinado ou rotativo – podem ser usados para aumentar o acesso ou manter a orientação consistente do feixe.
Sistemas laser com pórtico (movimento cartesiano)
Os sistemas laser Gantry utilizam uma plataforma móvel para mover o feixe laser ou a peça ao longo dos eixos lineares X, Y e (por vezes) Z. O movimento segue um percurso programado que pode variar entre linhas retas e curvas. No entanto, o ângulo do feixe permanece normalmente fixo e é tipicamente perpendicular à superfície da peça.
Na maioria dos sistemas de pórtico, o laser está localizado fora do pórtico e é transmitido por cabos de fibra ótica. A ótica de transmissão do feixe no pórtico pode incluir lentes de foco fixo, cabeças oscilantes ou cabeças de varredura, dependendo do processo. O uso de uma cabeça de varredura permite recursos de processamento em tempo real (OTF) que são particularmente úteis para soldagem a laser em alta velocidade em tempo real.
Os sistemas de pórtico são frequentemente construídos sobre plataformas de trabalho em aço ou granito. Isto proporciona uma base altamente estável para permitir um trabalho de precisão.
Fatores de decisão
Os diferentes métodos que os sistemas robóticos e de pórtico utilizam para mover o feixe de laser resultam em características distintas em termos de capacidades, custo e implementação prática. Embora algumas aplicações possam ser igualmente bem atendidas por qualquer um dos dois, na maioria dos casos uma tecnologia oferece uma vantagem clara. Essa determinação geralmente pode ser feita considerando os seguintes fatores:
- Flexibilidade
- Precisão
- Velocidade
- Considerações sobre integração
- Programação
- Custo
Vamos analisar cada um deles mais detalhadamente.
Flexibilidade
Os sistemas robóticos a laser oferecem muito mais flexibilidade de movimento do que os sistemas de pórtico. Um braço robótico pode aproximar-se das peças praticamente de qualquer ângulo, tornando-o ideal para processar geometrias tridimensionais complexas ou características localizadas em várias faces de uma peça. Esta capacidade é particularmente valiosa em aplicações como a montagem automóvel, onde o mesmo robô pode precisar de processar peças com superfícies irregulares ou não planas.
Com graus de liberdade mais limitados em termos de movimento, os sistemas de pórtico são geralmente mais adequados para o processamento em superfícies planas. Podem ser adicionados estágios de movimento adicionais para permitir o movimento vertical ou rotacional, mas isso nunca irá igualar a amplitude de movimento alcançável com um braço robótico.
Quando as peças têm geometrias 3D complexas, ou se a mesma célula deve processar uma variedade de tipos ou orientações de peças, os sistemas robóticos tendem a ser a melhor escolha.
Precisão
Os sistemas laser com pórtico geralmente oferecem precisão e repetibilidade superiores em comparação com as ferramentas robóticas. As suas etapas de movimento linear rígidas, baixa massa móvel e cinemática simplificada permitem um controlo de trajetória altamente preciso. Isso é ainda mais aprimorado quando o pórtico e a peça são montados juntos em uma plataforma altamente estável.
Em contrapartida, os sistemas robóticos introduzem mais variação mecânica devido à deflexão das juntas, folga e desvio de calibração. Isso reduz substancialmente a sua precisão e repetibilidade em comparação com os sistemas de pórtico.
A precisão dos sistemas robóticos pode ser aprimorada com sistemas de visão adicionais ou ferramentas de calibração. No entanto, isso diminui a velocidade dos seus movimentos 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, a sua precisão limitada pode reduzir a janela do processo. Isso geralmente os torna inadequados para as aplicações mais exigentes de eletrônicos, dispositivos médicos ou fabricação de baterias.
Velocidade
A velocidade relativa ou o tempo de ciclo dos sistemas robóticos e de pórtico dependem muito da aplicação. Mas os sistemas de pórtico normalmente superam os robôs em tarefas que exigem movimentos repetitivos em alta velocidade.
As plataformas de pórtico podem mover-se rapidamente ao longo de trajetórias retas e curvas, mantendo um controlo preciso sobre a velocidade. Isso torna-as ideais para marcar, cortar ou soldar ao longo de contornos contínuos. O uso do processamento OTF pode aumentar ainda mais o seu rendimento.
Em contrapartida, os sistemas robóticos são excelentes para navegar em trajetórias complexas em 3D ou em múltiplos planos. Mas são mais lentos em operações de arranque e paragem e menos estáveis durante mudanças rápidas de direção. A 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 requer um movimento suave e contínuo sobre peças planas, os pórticos oferecem melhores tempos de ciclo. Mas para acesso multifacetado ou acompanhamento de contornos 3D, os robôs podem ser mais rápidos em geral, eliminando a necessidade de reposicionamento de peças ou fixação secundária.
Considerações sobre integração
A configuração dos sistemas robóticos a laser oferece, por natureza, maior flexibilidade para integração em ambientes de produção complexos ou com espaço limitado. Uma ferramenta robótica pode ser posicionada ao lado de uma esteira transportadora, colocada dentro de uma célula de trabalho compacta ou configurada para atender a várias estações. Isso as torna excelentes para aplicações em que o fluxo de peças, o layout das ferramentas ou a variedade de processos exigem movimentos adaptáveis.
Os sistemas de pórtico tendem a exigir uma área dedicada maior devido às suas estruturas rígidas e ao sistema de movimento suspenso. O acesso às peças é geralmente vertical, o que pode limitar a integração do sistema com processos a montante ou a jusante. No entanto, para operações autónomas simples, os pórticos são frequentemente mais fáceis de implementar.
Programação
Os ambientes de programação utilizados para sistemas de automação a laser variam de acordo com o fabricante, por isso é difícil fazer afirmações universalmente verdadeiras. No entanto, em geral, os sistemas de pórtico são mais fáceis de programar e controlar, especialmente para utilizadores já familiarizados com equipamentos CNC.
A maioria das plataformas de pórtico utiliza código G padrão ou software CAD-to-path. Estes geram percursos de ferramenta em coordenadas absolutas e lineares dentro de 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 planeamento de trajetória mais complexo. Isso é particularmente verdadeiro em aplicações 3D ou quando a ferramenta deve se aproximar de ângulos variados.
A programação de sistemas robóticos normalmente incorpora modelos 3D. O movimento deve ser definido em relação à peça e à estrutura cinemática do robô.
Isso envolve transformações matemáticas para resolver ângulos articulares, orientação da ferramenta, alcance e prevenção de colisões. Como resultado, os sistemas robóticos exigem ferramentas de software mais avançadas e um nível mais alto de formação.
Felizmente, o risco e a complexidade dos projetos de soldagem a laser robótica podem ser reduzidos com ferramentas e técnicas de engenharia virtual e simulação.
Em comparação com outros sistemas robóticos a laser, os sistemas cobóticos a laser são projetados para serem significativamente mais fáceis de programar e operar. Como a programação das peças é relativamente simples, os cobots baseados em laser não exigem que a equipe tenha experiência prévia em robótica para operá-los.
Custo
Os sistemas de pórtico são geralmente mais económicos para o processamento simples de peças planas, onde é necessário um alto grau de precisão. A sua simplicidade mecânica e uso generalizado na automação tornam-nos comparativamente acessíveis para a produção em grande volume.
Os sistemas robóticos a laser podem envolver um investimento inicial mais elevado. Isto é especialmente verdadeiro para robôs multieixos e quando as proteções de segurança e as ferramentas de programação também são incluídas no custo.
Os sistemas robóticos a laser geralmente oferecem melhor valor em aplicações flexíveis ou multifuncionais. É até possível usar um trocador de ferramentas para substituir 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.
Introdução a uma solução a laser
Em última análise, a escolha da abordagem certa para o movimento do sistema depende da sua combinação de peças, requisitos de desempenho e restrições de integração.
Na IPG Photonics, fabricamos sistemas laser robóticos e de pórtico. É fácil começar a usar um sistema ou soluções laser: envie-nos algumas peças de amostra, visite um dos nossos centros de aplicação globais ou simplesmente conte-nos sobre a sua aplicação.
