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Qu’est-ce qu’un système de robot de soudage ? Définition, fonction principale et importance dans l’industrie
Un système de robot de soudage se compose d’un bras robotisé, d’une source d’alimentation pour le soudage, d’une torche de soudage et d’un contrôleur/logiciel de commande, l’ensemble permettant à un soudeur d’effectuer des opérations de soudage automatisées. Contrairement aux machines de soudage industrielles, qui nécessitent encore la présence d’un opérateur pour surveiller le procédé de soudage, un système de robot de soudage peut effectuer des opérations de soudage sans surveillance par un opérateur. L’avantage principal d’un système de robot de soudage réside dans sa capacité à exécuter des opérations de soudage programmées afin d’atteindre un niveau de reproductibilité que le soudage manuel ne saurait égaler. Un système de robot de soudage est capable d’effectuer des milliers de tâches de soudage répétitives tout en maintenant une variation minimale entre les tâches réalisées. Ce système permet d’obtenir des soudures présentant une pénétration constante ainsi qu’un cordon de soudure uniforme et résistant.
L’industrie moderne tire un avantage mesurable d’un système de robot de soudage fondé sur ces quatre impératifs de la fabrication :
Productivité : Un système de robot de soudage peut accomplir les tâches de soudage de 30 à 50 % plus rapidement qu’un soudeur humain. En outre, le temps de cycle d’un système de robot de soudage est constant, car ce système ne se fatigue pas.
Qualité : Une régularité des résultats est obtenue et le taux de défauts est réduit jusqu’à 90 % pour les soudures nécessitant un volume élevé.
Sécurité : Un système de robot de soudage éloigne le personnel des risques liés aux fumées de soudage, aux rayonnements ultraviolets et aux lésions par contrainte répétitive.
Retour sur investissement (ROI) : Un robot de soudage réduit les rebuts et les heures supplémentaires, et s’amortit en 12 à 24 mois, car la main-d’œuvre qualifiée précédemment requise n’est plus nécessaire.
La combinaison de ces facteurs explique pourquoi l’automatisation de la soudure est devenue une composante essentielle des infrastructures permettant de construire un avantage concurrentiel sur le marché mondial, aussi bien dans les secteurs automobile et aérospatial que dans celui des équipements lourds.
Composants clés d’un système de robot de soudage : matériel, logiciel et exigences d’intégration
Un système de robot de soudage utilise une combinaison de matériel et de logiciels spécialisés pour l’automatisation des procédés d’assemblage. Ces composants doivent être harmonisés afin d’assurer une sécurité, une constance et une reproductibilité optimales lors de l’opération de soudage.
Éléments matériels essentiels : bras robotisé, source d’alimentation pour le soudage, torche, positionneur et système de sécurité
Les bras robotisés, généralement des modèles à six axes que l’on voit si fréquemment, offrent le type de mouvement nécessaire pour positionner avec précision les torches de soudage exactement là où elles doivent l’être. Ces systèmes sont connectés à des unités d’alimentation spécialisées pour le soudage, qui régulent des paramètres tels que les niveaux de tension, l’intensité du courant et les formes d’onde afin de maintenir un arc de soudage stable tout au long du processus. En ce qui concerne les matériaux de soudage eux-mêmes, le système de torche gère soit le fil d’apport utilisé en soudage MIG, soit les électrodes non consommables spéciales employées en soudage TIG, tout en régulant également le débit du gaz de protection. Les positionneurs de pièces jouent également un rôle dans ce contexte, car ils inclinent ou font pivoter les pièces afin de permettre un meilleur accès aux joints et d’exploiter la gravité lorsqu’il s’agit de maintenir une flaque de soudure. La sécurité est intégrée au système sous la forme de rideaux lumineux empêchant l’accès à la zone, de boutons d’arrêt d’urgence stratégiquement placés et de clôtures installées autour des zones dangereuses. L’ensemble de ces mesures de sécurité respecte les normes industrielles, telles que l’ISO 10218-1 et l’ANSI/R15.06, afin de garantir la sécurité des utilisateurs travaillant avec le système.
Les systèmes de commande de mouvement sont couplés à des postes d’enseignement, à des simulations de programmation hors ligne et à des protocoles de rétroaction en temps réel.
Les postes d'enseignement permettent la programmation du chemin de soudage en autorisant les opérateurs à tracer directement les trajectoires sur le système, au poste de travail. La programmation hors ligne peut être effectuée à l’aide de logiciels de simulation tels que FANUC ROBOGUIDE et ABB RobotStudio. Ces outils permettent aux ingénieurs de programmer et de tester des plans de trajectoire précis sans interrompre la production opérationnelle pour les flux de travail. Les systèmes de commande de mouvement intègrent des fonctions de correction adaptative de trajectoire, qui permettent au système de s’ajuster automatiquement aux pièces non conformes. Ils apportent des corrections minimes selon un ou plusieurs axes. EtherNet/IP et PROFINET sont des systèmes de rétroaction et de commande en temps réel. Ils surveillent et contrôlent en continu la tension et le courant des soudures à l’arc et des soudures en joint. Ils permettent d’ajuster les procédés de soudage afin d’atteindre la qualité spécifiée, avec une précision de ± 0,1 millimètre. Les solutions logicielles modernes intègrent des machines fixes et des équipements intelligents capables de répondre en temps réel aux besoins de l’atelier.
Procédés de soudage automatisés : Sélection des procédés de soudage — Météor Wік jet, laser, résistance par points ; le procédé de soudage constitue une étape essentielle au sein du processus de soudage
Le procédé industriel de soudage automatisé associé à un système de robot de soudage influence la qualité des produits, la vitesse de production et les coûts opérationnels. Pour les productions à grande échelle impliquant des aciers structuraux épais et de l’aluminium, le soudage MIG est adapté. Le soudage TIG, qui permet un contrôle précis de l’arc et génère très peu d’éclaboussures, est devenu la méthode privilégiée dans les secteurs aérospatial, médical et autres domaines exigeant une grande précision sur des matériaux à parois minces. Pour le soudage des languettes de batteries dans les véhicules électriques (EV), où la gestion de la chaleur et la vitesse sont critiques, le soudage au laser constitue la méthode privilégiée, pouvant être jusqu’à dix fois plus rapide que le soudage à l’arc traditionnel. L’industrie automobile continue d’utiliser le soudage par points par résistance pour la construction de la carrosserie des véhicules, car un seul véhicule peut nécessiter jusqu’à 3 500 points de soudure individuels, réalisés avec une précision extrême en ce qui concerne le synchronisme et la pression, dans un délai de quelques millisecondes. Lors du choix du procédé de soudage approprié, les fabricants doivent prendre en compte le matériau à souder et l’épaisseur du joint, le volume de production, les propriétés du matériau à souder, ainsi que les exigences post-soudage.
Les options d’architecture des robots comprennent : les bras articulés à 6 axes, les systèmes à portique et les robots collaboratifs (cobots).
Lors du choix de robots de soudage, des contraintes d'espace, les charges à soulever et le niveau de précision requis sont quelques-uns des critères à prendre en compte. Ce sont les robots articulés à six axes qui conviennent le mieux aux trajectoires complexes, par exemple la soudure circulaire de tuyaux le long d'une canalisation ou l'assemblage de châssis pour véhicules. Ces machines peuvent répéter une position avec une précision de 0,05 millimètre et disposent d'une manipulation complète de leur poignet. À l'autre extrémité du spectre, les systèmes à chariot (portiques) offrent une solution différente : bien qu'ils soient très rigides, ils peuvent atteindre une longueur de près de 15 mètres. Ils conviennent aux grands projets couvrant plusieurs zones de construction, comme la fabrication d'une grande éolienne ou d'un navire. Les robots collaboratifs (cobots) sont utiles pour les petits projets nécessitant la présence d’un opérateur à portée de main de la zone de travail. Les cobots utilisent des forces articulaires limitées et sont faciles à programmer ; de nombreux ateliers n’ont pas besoin de formation spécifique pour les utiliser. De nombreuses installations combinent des bras robotisés traditionnels avec des positionneurs motorisés capables de faire pivoter des composants lourds ou de forme inhabituelle. Cette approche offre une bonne flexibilité, bien qu’une planification rigoureuse reste indispensable, car les capacités de charge varient de 3 kg à 500 kg et les distances d’atteinte oscillent entre 1 mètre et 4 mètres selon la configuration.
Facteurs critiques de succès pour la mise en œuvre d’un système de robot de soudage
Intégration d’un système de robot de soudage : combler le fossé entre le déploiement matériel et logiciel
Le succès du déploiement d’un système dépend de la parfaite adéquation entre le matériel et le logiciel. Chaque année, le magazine Automation World souligne qu’un tiers des retards constatés lors de l’installation de robots sont imputables à des problèmes liés à l’incompatibilité matérielle. Les entreprises doivent exécuter des simulations de jumeaux numériques afin de déterminer comment leurs automates interagissent avec les capteurs et les équipements de soudage avant même le début du processus d’installation. Les rideaux lumineux, par exemple, nécessitent des essais sur site pour vérifier les mesures de sécurité, plutôt que des tests en laboratoire. L’adoption d’une approche modulaire fondée sur des protocoles normalisés présente des avantages. L’utilisation conjointe d’OPC UA et de la logique standard IEC 61131-3 permet une communication flexible entre les composants du système, ce qui aide les fabricants à conserver une architecture modulaire et évolutif tout au long des mises à niveau majeures de leur automatisation industrielle. Toutefois, une planification insuffisante de l’intégration entraîne des coûts élevés, notamment dans le secteur de la soudure, et génère une multitude de problèmes.
Considérations liées aux ressources humaines : formation des opérateurs, perfectionnement des compétences en maintenance et gestion du changement
Les nouveaux systèmes ne connaissent le succès que si les personnes qui interagissent avec eux y sont préparées. Les employés doivent comprendre la finalité d’un système et s’adapter à ses exigences techniques. Les opérateurs doivent se sentir à l’aise pour utiliser une console d’enseignement (« teach pendant ») et les logiciels de programmation. Le personnel de maintenance doit maîtriser les nouvelles compétences requises pour évaluer la durée de vie des contrôleurs connectés. Les travailleurs réagissent positivement à la restructuration organisationnelle. Certaines entreprises ont même constaté qu’une amélioration de 40 % de la rapidité de mise en œuvre avait été obtenue grâce à l’utilisation de méthodes de formation pluridisciplinaires. Des mises à jour fréquentes et planifiées des paramètres du système permettent de maintenir une synchronisation constante entre les employés et le système, tout en améliorant le fonctionnement au sein de toute l’organisation. Les employés deviennent ainsi des ambassadeurs des améliorations opérationnelles au sein du système.
FAQ
Qu’est-ce qu’un système de robot de soudage ?
Un système de robot de soudage est une solution automatisée de soudage qui intègre des logiciels, des bras robotisés, des configurations de torche et des unités d’alimentation pour le soudage.
Pourquoi les systèmes de robots de soudage sont-ils utilisés dans les industries ?
Les systèmes de robots de soudage sont utilisés dans les industries afin d’améliorer la qualité, la productivité, la sécurité et le retour sur investissement (ROI), notamment grâce à une meilleure efficacité temporelle et une plus grande précision, ainsi qu’à une réduction des erreurs humaines dans les applications impliquant un grand nombre de soudures.
Quels sont les éléments d’un système de soudage automatisé ?
Un système de soudage automatisé se compose de bras robotisés, de sources d’alimentation pour le soudage, de torches de soudage, de positionneurs de soudage et d’éléments de sécurité, ainsi que de logiciels.
Quelles méthodes de soudage sont automatisées à l’aide de ces systèmes ?
Selon la qualité, la vitesse et le coût requis pour l’application, ces systèmes peuvent être utilisés avec l’automatisation du soudage MIG, TIG, au laser et par points à résistance.
Quels problèmes doivent être pris en compte lors de l’automatisation des systèmes de soudage ?
Lors de la mise en œuvre de l’automatisation des systèmes de soudage, l’intégration, la formation, l’interopérabilité des systèmes et la gestion des changements sur le lieu de travail sont d’une importance capitale.