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Principaux composants des systèmes de robot de soudage et cas d’utilisation industrielle
Éléments matériels clés : manipulateur, contrôleur et source d’alimentation pour le soudage
Trois composants matériels essentiels constituent un système de robot de soudage : le manipulateur, le contrôleur et la source d’alimentation. Les manipulateurs peuvent prendre la forme d’un bras robotisé, la variante à six axes étant la configuration la plus courante. Ces composants intègrent des articulations entraînées par des servomoteurs et des réducteurs haute précision afin de permettre une commande de mouvement très fidèle. Ces bras sont également capables de piloter des trajectoires de soudage en trois dimensions, ce qui les rend extrêmement polyvalents pour résoudre des problèmes de soudage impliquant une grande variété de joints et de dimensions. Le contrôleur gère l’ensemble des opérations et réagit de façon très rapide aux changements survenant pendant l’opération de soudage. Il exécute les instructions transmises par des programmes intégrés (ou des postes d’enseignement) et commande le système robotique afin de réaliser les opérations de soudage. La source d’alimentation de soudage génère et maintient l’arc de soudage afin de réaliser les assemblages. Pendant une opération de soudage, elle régule la protection gazeuse, la vitesse d’alimentation du fil de soudage, ainsi que le courant et la tension de soudage. Elle tient compte du type de joint traité, de l’épaisseur et du type de métal, ainsi que de la technique de soudage la plus adaptée à l’application. L’association de ces composants donne lieu à une solution de soudage automatisée hautement fiable. Ces systèmes de robots de soudage sont utilisés pour la fabrication d’ensembles automobiles et de machines volumineuses, de charpentes et de composants structurels, ainsi que pour effectuer des opérations de soudage exigeant un haut degré de constance de qualité.
Intégration des logiciels et des périphériques : systèmes de vision, capteurs et interfaces de sécurité
Les usines modernes sont composées d’un ensemble de composants matériels et de solutions logicielles intelligentes. Les systèmes guidés par vision, par exemple, sont capables de localiser des joints complexes et de suivre des lignes de soudure en constante évolution à l’aide de caméras étalonnées et de systèmes de détection de contours. Ces systèmes peuvent recalibrer automatiquement leurs trajectoires, épargnant ainsi à l’utilisateur la nécessité de le faire manuellement à chaque fois. Des capteurs de procédé peuvent transmettre au contrôleur central des variations de niveau d’arc de tension, ainsi que des mesures de chaleur et de courant. Ce contrôleur est capable d’apporter des modifications aux procédés en moins d’une seconde. Les fabricants intègrent également des systèmes conformes aux normes ISO 10218 et RIA 15.06, capables d’arrêter le mouvement d’une machine afin de protéger un opérateur lorsque celui-ci se trouve à une distance donnée de la machine. Ces composants comprennent des rideaux lumineux, des automates programmables (API) spécifiquement homologués, ainsi que des circuits de coupure d’urgence redondants. Une étude publiée l’année dernière dans le Journal of Manufacturing Systems a révélé que l’intégration de l’ensemble des composants avancés d’une usine avait permis de réduire le nombre de défauts de soudure, passant d’une moyenne de 37 à zéro, tout en augmentant la vitesse de fonctionnement de l’usine.
Considérations importantes lors du choix d’un système de robot de soudage
Prenez en compte le type de joint, l’épaisseur du matériau et le volume de production attendu
Le choix du bon système implique de bien comprendre les spécificités des exigences liées à l’application de soudage. Des robots capables d’effectuer des mouvements complexes et des soudures précises sont nécessaires pour des travaux de soudage tels que les soudures d’angle multipasses ou les soudures en gorge à faible jeu. Toutefois, une configuration simple peut suffire pour réaliser des soudures par recouvrement simples. Pour les matériaux dont l’épaisseur est inférieure à 3 mm, afin d’éviter la perforation, il convient de réduire la chaleur apportée, par exemple en utilisant un procédé de soudage MIG/MAG à impulsions ou un laser de soudage combiné à un autre procédé. Pour les sections supérieures à 25 mm, des méthodes de soudage permettant un remplissage rapide et un balayage oscillant peuvent être plus adaptées. Le volume de production constitue également un facteur déterminant dans la prise de décision. Les fabricants produisant plus de 10 000 unités par mois peuvent juger économiquement intéressant d’acquérir des robots à 6 axes à haute vitesse intégrant un suivi de cordon et d’autres fonctionnalités d’automatisation. À l’inverse, les fabricants dont les volumes de production sont plus faibles mais qui proposent une grande variété de produits tireront davantage profit d’une solution modulaire et flexible. Selon le Fabricators Journal, publié l’année dernière, environ 30 % des problèmes rencontrés en soudage robotisé résultent d’une géométrie de joint incompatible avec les capacités du robot. Pour cette raison, il est essentiel de recueillir dès le départ les exigences réelles liées à l’application de soudage.
Capacité de charge utile, portée et répétabilité pour le soudage de précision
La capacité de charge utile doit tenir compte de l'ensemble des équipements, des câbles et des outils fixés. Selon le type de travail, les exigences en matière de charge utile peuvent être d'environ 5 kg pour les travaux standard de soudage à l'arc. L'allonge détermine le volume d'espace dans lequel le système peut fonctionner. Les projets de construction navale nécessitent généralement une allonge horizontale de 3 mètres ou plus, tandis que les projets d'assemblage de composants, tels que les interventions sur des pièces automobiles, ne requièrent que 1,4 à 1,8 mètre. Le facteur le plus déterminant est la répétabilité, c'est-à-dire la précision avec laquelle le robot peut revenir à la même position avec la même exactitude ; les spécifications peuvent alors être très exigeantes. Ainsi, dans des applications telles que l'aérospatiale ou la fabrication de dispositifs médicaux, les tolérances de fabrication visées sont de ± 0,05 mm. Les systèmes capables de maintenir une stabilité thermique à 150 degrés Celsius éliminent également les retouches dues à la dérive thermique. Selon le Rapport manufacturier IMTS 2023, lorsqu'allonge et répétabilité sont correctement conçues, le besoin de systèmes complexes de serrage diminue de 27 % et le nombre de défauts est réduit de 40 %.
Intégration d’un système de robot de soudage dans un flux de production
Conception de la cellule, systèmes de fixation et intégration au système automatisé (API)
Avant de commencer à intégrer les postes de soudage, vous devez concevoir ces postes en fonction du flux de travail réel. Veillez à planifier votre agencement en laissant, autour de votre espace de soudage, une zone dégagée d’au moins 1,5 fois la portée maximale de votre robot. Cela permet de respecter les exigences de sécurité et de maintenance définies par la norme ANSI/RIA R15.06. Cela facilite également le transport des matériaux autour de l’espace de travail et offre davantage d’espace à vos techniciens. L’expansion thermique des outillages constitue un enjeu majeur : le serrage excessif des outillages de soudage en aluminium et en acier inoxydable est à l’origine de la majorité des problèmes de soudage, soit environ 15 % selon une étude récente présentée lors de la conférence FabTech 2023. Pour que l’intégration soit couronnée de succès, nous devrons résoudre la question de la communication avec l’automate programmable (API). La plupart des pays utilisent EtherCAT ou Profinet, des protocoles qui permettent une communication plus rapide entre l’API, les systèmes de vision et les contrôleurs de robots. Ces protocoles réduisent également d’environ 40 % le temps nécessaire à la configuration d’une tâche d’intégration et augmentent l’efficacité globale des lignes de production.
Les systèmes de montage modulaires utilisent des plaques de base et des dispositifs de positionnement pour faciliter la reconfiguration rapide en fonction de différentes familles de pièces
L'une des méthodes d'anticipation des erreurs qui a été adoptée consiste à utiliser des boucles de rétroaction équipées de capteurs. Par exemple, des capteurs de proximité peuvent détecter la présence d'une pièce avant le démarrage du cycle opérationnel suivant
La gestion intégrée des câbles comprend l'acheminement séparé de l'alimentation électrique, des signaux et des gaz, à l'aide de supports blindés et délestés en tension afin de réduire les interférences électromagnétiques (EMI) sur les signaux de commande
Formation du personnel et planification de la durée prévue pour le retour sur investissement à compter de la fin d'un changement de série
Pour que l’automatisation robotique soit couronnée de succès, les compétences humaines et le matériel adéquat sont tout aussi importants. Grâce à la formation que nous dispensons à l’équipe de maintenance et aux soudeurs, ces derniers sont en mesure d’accomplir l’une des tâches les plus critiques et perturbatrices du nouveau processus : modifier les paramètres afin d’optimiser la tâche et diagnostiquer les pannes de l’équipement. Cette formation permet de réduire les temps de changement de série jusqu’à 30 %. Dans le domaine de l’automatisation du soudage, le retour sur investissement attendu dépend de plusieurs facteurs, notamment la réduction prévue des coûts de main-d’œuvre liés au soudage (75 $ par heure-homme), la diminution des rebuts, la constance de la qualité de tous les points de soudure produits, ainsi que la capacité de suivre chaque produit tout au long de la fabrication. Sur la base de notre expérience acquise auprès de nombreuses applications et entreprises différentes, nous estimons que le retour sur investissement sera réalisé entre 18 et 24 mois après le démarrage, à condition que l’infrastructure adéquate soit en place et que des processus de soutien soient mis en œuvre.
Cadres de compétences avec certifications hiérarchisées basées sur les fonctions professionnelles (par exemple, opérateur évoluant vers programmeur, puis vers intégrateur)
Utilisation de la technologie du jumeau numérique, qui permet des simulations numériques afin de réaliser, hors ligne, la planification des trajectoires et la programmation sans collision, sans interrompre la ligne de production
Mise en œuvre de tableaux de bord OEE pour illustrer la production réelle par rapport à la production prévue, en ce qui concerne le temps d’arc allumé, la disponibilité, la performance, la qualité et les pertes
La maintenance planifiée et proactive améliore le temps moyen entre pannes de 35 %. Les plateformes d’analyse de soudage, qui analysent les motifs d’éclaboussures, les variations de tension et la vitesse de déplacement, réduisent le taux de rebuts de 22 % dans une production mixte.
Atteindre des performances optimales et une fiabilité à long terme pour votre système de robot de soudage
Maintenance planifiée et réglage des paramètres d’arc
Obtenir des résultats fiables repose sur la réalisation d'une maintenance nécessaire, plutôt que d'attendre que les équipements tombent en panne. Cela implique notamment le respect des spécifications de lubrification pour les articulations d'axes, ainsi que l'entretien des moteurs servo et des câbles électriques. Selon une étude de (citation privilégiée) de 2023, cette approche permet d'éliminer environ la moitié de tous les arrêts imprévus. Un autre point essentiel consiste à ajuster, si nécessaire, les paramètres de soudage.
Améliorations fondées sur les données grâce au suivi de l’OEE et à l’analyse de la qualité de soudage
Dans le cadre de la surveillance de l’OEE, ce que nous abordons, c’est la fiabilité, qui va au-delà de sa simple représentation en tant qu’indicateur de maintenance et intègre le potentiel de croissance offert par l’amélioration continue. Le système enregistre des données lorsque les arcs sont maintenus sur de longues périodes, détecte les anomalies où l’organe terminal s’écarte de la trajectoire prévue et consigne les incidents de surcharge thermique. À partir de ces données, le système établit une corrélation entre la performance de l’opération et celle d’autres opérations exécutant la même tâche, et identifie les problèmes potentiels avant qu’ils ne s’aggravent. Dans le domaine du soudage, l’intelligence artificielle étend ses capacités à l’analyse des changements dans la formation et le comportement des projections de soudure (spatter). Elle relie les problèmes liés aux projections, à l’usure de la buse, à l’érosion de la pointe de contact et au débit de gaz. Des installations manufacturières ayant des expériences de production variées signalent une réduction moyenne d’environ 40 % des temps de réparation, et un taux d’acceptation supérieur à 98 % pour la réalisation réussie du soudage du premier coup est désormais la norme.
FAQ
1. Quels sont les composants principaux d’un système de robot de soudage ?
Un système de robot de soudage se compose de trois composants principaux : le manipulateur, le contrôleur et la source d’alimentation pour le soudage. Ces composants fonctionnent ensemble afin d’effectuer des tâches de soudage automatisées avec une grande précision et une grande régularité.
2. Comment les logiciels contribuent-ils aux systèmes de robots de soudage ?
Les logiciels, combinés au matériel, améliorent les performances des systèmes de robots de soudage. Des résultats de soudage supérieurs, des temps de configuration réduits ainsi que la capacité à respecter les exigences en matière de sécurité peuvent tous être obtenus grâce à l’utilisation de systèmes de vision, de capteurs et d’interfaces de sécurité.
3. Quels facteurs sont importants lors du choix d’un système de robot de soudage ?
Les facteurs à prendre en compte lors du choix d’un système de robot de soudage comprennent le type de joints à souder, l’épaisseur des matériaux à assembler, la taille des lots de production, ainsi que la charge utile requise, la portée et la répétabilité.
4. Quels sont les avantages de l’intégration des robots de soudage ?
Les avantages d’intégration des robots de soudage résident dans la capacité à concevoir l’agencement de la cellule, les dispositifs de fixation et la communication avec l’automate programmable (API). Une bonne intégration permet de réduire les temps de mise en service, d’accroître l’efficacité du flux de travail et d’atteindre dans les délais les objectifs opérationnels.
5. Comment améliorer les performances et la fiabilité des robots de soudage ?
Des robots de soudage plus fiables et performants peuvent être obtenus en associant une maintenance planifiée au réglage des paramètres de l’arc. Des améliorations fondées sur les données, issues de l’analyse de l’efficacité globale des équipements (EOE) et de l’évaluation de la qualité des soudures, permettent d’assurer une amélioration continue.