T-1-15

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Actualizado por: Ángel Peón

Septiembre 2004


-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.15 -1-

ÍNDICE

I. AUTOMATIZACIÓN

1.- LA AUTOMATIZACIÓN EN LA SOLDADURA 1.1.- Por qué automatizar 1.2.- Soldadura semiautomática, mecanizada, automatizada 1.3.- Métodos de soldadura automatizables

2.- EQUIPOS PARA SOLDADURA SAW/MIG-MAG AUTOMATIZADA 2.1.- Cabezales 2.2.- Fuentes de corriente 2.3.- Equipos de control 2.4.- Seguimiento de juntas 2.5.- Tractores 2.6.- Columnas de soldadura 2.7.- Pórticos 2.8.- Seamers 2.9.- Posicionadores 2.10.- Vibradores 2.11.- Instalaciones especiales 2.12.- Líneas de paneles

3.- TIG ORBITAL / TIG MECANIZADO 3.1.- Proceso 3.2.- Cabezales para soldadura tubo a tubo 3.3.- Cabezales para soldadura tubo a placa 3.4.- Fuentes de corriente 3.5.- Ventajas de las fuentes de energía inversoras



II. ROBOTICA

1.- INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. 1.1.- Motivos de su aparición 1.2.- Fundamentos: Grados de Libertad. Arquitectura. Sistema de control. TCP 1.3.- Equipos compatibles

2.- ROBOTS ESTÁNDAR 2.1.- Diseños Básicos. Doble estación 2.2.- Manipuladores

3.- ESTACIONES DE INGENIERÍA 3.1.- Sistemas Modulares 3.2.- Programación “Off-line”

4.- F.M.S.

5.- SENSORES 5.1.- Localizador de junta 5.2.- Seguimiento de junta 5.3.- Sistemas ópticos. Control adaptativo

6.- SEGURIDAD E HIGIENE

6.1.- Discusión de un caso típico

7.- APLICACIÓN: CÁLCULO DE TIEMPOS CICLO. UTILLAJES



I. AUTOMATIZACIÓN


1.- LA AUTOMATIZACIÓN EN LA SOLDADURA

1.1.- ¿Por qué automatizar?

Es indudable que la automatización es un proceso deseado en todas las unidades de producción. En el campo de la soldadura esta tendencia es evidente. La mano de obra en la soldadura, el coste más importante al aplicar cualquier procedimiento está relacionada con las velocidades de aportación y el factor de operación. Cuanto mayor sea el control de la soldadura por la máquina menor es la intervención del hombre, lo que aumenta el factor de operación y el rendimiento del material depositado.

Podríamos señalar como ventajas de la automatización las siguientes:

- Mayor productividad.

- Costes totales de soldadura más bajos.

- Calidad homogénea.

- Menor dependencia de la mano de obra especializada, por otra parte cada vez más difícil de encontrar.

- Menor índice de rechazos.

En muchos sistemas productivos, el proceso de la soldadura es un proceso llave para pasar a procesos ulteriores. Esto provoca frecuentemente cuellos de botella por los que las empresas deben producir costes a menudo no evaluados en el estudio económico de los proyectos. Piénsese en horas extras, turnos dobles, etc. La automatización contribuye en gran medida a minimizar estos problemas.

En la figura 1 se puede apreciar una comparación entre las diferentes tasa de deposición entre soldadura por electrodo revestido, soldadura semi-automática y la realizada mediante un tractor en arco sumergido.

Sin embargo la automatización en la soldadura tiene también sus propias exigencias. Una de las condiciones principales para que las ventajas económicas de la máquina de soldar automática puedan ser plenamente aprovechadas es que la unión haya sido cuidadosamente planeada y preparada. La necesidad de obtener medidas precisas pone elevadas exigencias sobre el taller de preparación. Un error de medida en la preparación de la unión puede producir soldaduras defectuosas y dificultar sobre manera la soldadura automática.



-CURSO DE FO

1.2.- Solda

Conviene

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FIGURA 1

dura semiautomática, mecanizada, automatizada

establecer las diferencias entre estos tres tipos de procesos que a menudo se confunden.



Soldadura semi-automática

La máquina mantiene el arco y alimenta el material de aporte. El operario controla el desplazamiento, comienzo y final de la alimentación de hilo, del flujo de gas de protección, y por consiguiente el establecimiento del arco.

Soldadura mecanizada

La máquina mantiene el arco, alimenta el material de aporte y controla la velocidad de desplazamiento. El operario comienza la operación, dirige el arco a la zona a soldar y controla las funciones hasta que la operación ha concluido.

Soldadura automática

La máquina tiene el control total del proceso. La alimentación de las piezas a soldar puede ser manual o manipulada. El operario preselecciona los parámetros o programa la máquina y realiza tareas de supervisión.

1.3.- Métodos de soldadura automatizables

Prácticamente todos los procesos de soldadura a excepción de la soldadura por electrodo revestido son mecanizables o automatizables en menor o mayor medida.

En la TABLA 1 podemos ver los diferentes métodos de aplicación de los diversos procedimientos de soldadura.

TABLA 1 MÉTODOS DE APLICACIÓN DE LOS DIFERENTES PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA

MÉTODO DE APLICACIÓN Procedimiento de soldadura Manual Semiautomático Mecanizado Automático

OFW Más usual No utilizado Poco usado Poco usado SMAW Más usual No utilizado No utilizado Casos especiales

GTAW y PAW Más usual Posible, pero raro Utilizado Utilizado SAW Imposible Poco usado Más usual Usual

GMAW y FCAW Imposible Más usual Utilizado Usual EBW Imposible Imposible Más usual Utilizado LBW Imposible Imposible Más usual Utilizado

2.- EQUIPOS PARA SOLDADURA SAW Y MIG/MAG AUTOMATIZADA

2.1.- Cabezales de soldadura

Como norma general los cabezales de soldadura para máquinas automáticas de la última generación están construidos en base a sistemas modulares estándar. Con ello se pretende dotar a las máquinas automáticas de una flexibilidad que permita a partir de un cabezal primario añadir o modificar módulos dependiendo de la aplicación o del grado de automatización requerido. También estos sistemas modulares permiten el cambio de procedimiento de soldeo sin problemas. Por ejemplo la conversión de arco sumergido a MIG/MAG y viceversa.


Básicamente un cabezal para automáticas consta de los siguientes componentes:

- Alimentador de hilo ,que se compone a su vez de motor-reductor ,rodillos de arrastre y presión, y enderezador de hilo.

El motor para cumplir con la normativa vigente en la C.E.E. debe estar alimentado por una tensión como máximo de 50 V.

El diseño de la situación y disposición de los rodillos de arrastre y presión debe ser tal que permita una entrada de hilo lo suficientemente recta al tubo de contacto como para no producir problemas de excesivo desgaste en éste y atoramientos en las boquillas.

- Tubo de contacto.

- Deslizaderas. Normalmente una deslizadera circular y dos deslizaderas lineales. Con estas deslizaderas cubrimos el movimiento ascendente-descendente del cabezal, movimiento a izquierda y derecha e inclinación de la torcha de soldadura.

Las deslizaderas pueden ser normalmente de cuatro tipos, manuales, motorizadas, flotantes, u operadas neumática o hidráulicamente.

- Tolva de flux. Sólo para arco sumergido.

- Electroválvula para gas. Sólo para MIG/MAG.

Otro componente en el caso de arco sumergido que pueden ir instalado en el cabezal son los recuperadores de flux que funcionan por efecto de un tubo Venturi conectados a la red de aire comprimido.



Existen también cabezales para trabajos especiales. Estos cabezales están diseñados para la soldadura de interiores de pequeño diámetro. Es debido a la escasez de espacio, la tolva de flux tiene muy poca capacidad.

2.2.- Fuentes de corriente

Uno de los condicionamientos más importantes para las fuentes de corriente en una máquina automática es que éstas tengan un factor de carga o “duty cycle” del 100% ya que van a estar sometidas, en la mayoría de los casos, a un trabajo prácticamente continuo para las intensidades de corriente que generalmente se requieren. Es un error a menudo cometido el emplear máquinas semiautomáticas trabajando casi al límite de su intensidad y con factores de carga no superiores al 60%. Esto provoca continuas averías, sobre todo en automatismos diseñados por el propio usuario haciendo uso de máquinas ya existentes en el taller.

Las fuentes de corriente deben estar preparadas para su funcionamiento a través de un control remoto o una caja de control.

En el caso de arco sumergido se emplean generalmente rectificadores, aunque también está extendido el uso de transformadores. En la técnica “tandem” se recomienda el empleo de un rectificador para el hilo de ataque y de un transformador para el segundo hilo con objeto de evitar las corrientes magnéticas inducidas.

Los rectificadores empleados en los equipos, tanto MIG-MAG como arco sumergido, deben ser de característica de tensión constante.



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FIGURA 2

2.3.- Equipos de control

Los equipos de control de la última generación son equipos con displays dvisualización del soldador. La tensión de maniobra de los equipos de control nopara cumplir con las experimentaciones de la CEE. Con objeto de aumentar la flela caja de control debe estar diseñada para poder admitir de forma fácil futuros cpermitan conseguir un mayor grado de automatización en nuestra máquina de debe tener la posibilidad de preseleccionar los parámetros de soldadura y ser capvalores prefijados durante el proceso. Para conseguir esto, es necesario que enfuente de corriente exista una señal de retroalimentación (feedback) de, al menoLas cajas de control o autómatas programables de la última generación estátrabajar con distintos procesos de soldadura. Un autómata programable depreseleccionados los parámetros y pulsado el botón de comienzo, de gobernaautomatismo. No es lógico ir a un automatismo en el cual los diferentes datos querealizar la soldadura se deban introducir desde diferentes puestos de control. Poninstalación de arco sumergido en una columna. Desde el mismo puesto de controlos movimientos de la columna, los movimientos del cabezal de soldadura, intensidad, velocidad de hilo e, incluso, el sistema seguidor de juntas. En la siguiejemplo de una caja de control de un pequeño tractor de soldadura incluyennecesarios

Características estáticas: Tensión de arranqueintensificada máx. 5V. Posición de pendientemínima. Sin tensión de arranqueintensificada… Pendiente máx. ---

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igitales, lo que facilita la debe ser superior a 50v. xibilidad del automatismo, ircuitos impresos que nos soldar. La caja de control az de mantenerlos en los tre la caja de control y la s, 20 veces por segundo. n preparadas para poder be ser capaz, una vez r todas las variables del hay que suministrar para gamos como ejemplo una l deberemos poder operar la salida de flux, voltaje, ente figura se muestra un do los controles básicos



- Potenciómetro de regulación de la intensidad de corriente.

- Interruptor de subida y bajada automática del hilo.

- Potenciómetro de regulación de la tensión de soldeo.

- Regulador de la tensión de soldeo.

- Potenciómetro regulador de la velocidad del tractor.

- Interruptor para arranque automático. El tractor comienza a desplazarse cuando se ceba el arco.

- Interruptor para arranque por rascado. El tractor se desplaza simultáneamente con la alimentación de hilo. Este tipo de arranque es muy importante cuando se suelda, sobre planchas sucias u oxidadas.

- Interruptor para desplazamiento del carro.

- Interruptor de arranque.

- Interruptor de parada.

2.4.- Seguimiento de juntas

Existen varios tipos de seguimiento de juntas. En este trabajo sólo citaremos los más utilizados o bien los más novedosos.

- Seguimiento por punto de luz:

Aunque pueda parecer extraño, este tipo de seguimiento es el más utilizado en la industria española. Consiste en una lámpara guía que situada delante del tubo de contacto proyecta un punto de luz sobre la junta a soldar. El operario trata de mantener dicho punto de luz sobre la junta, actuando sobre las deslizaderas manuales. Esto nos lleva a una máquina no automatizada, sino mecanizada.

- Seguimiento mecánico:

Este tipo de seguimiento consiste en unas ruedas o rodillos que son capaces de guiar mecánicamente el automatismo, generalmente operando contra deslizaderas flotantes.


- Seguimiento neumático o hidráulico:

Consiste en un copiador del perfil operado a través de cilindros neumáticos o hidráulicos que tratan de mantener la torcha en la posición de soldadura. Prácticamente todos los pórticos y sistemas automatizados de arco sumergido que no sean columnas que existen en España, utilizan este tipo de seguimiento. No es recomendable y está verdaderamente obsoleto. El desplazamiento de los cilindros no permite un seguimiento continuo de la junta, y los desplazamientos del cabezal se producen generalmente a golpes, sobre todo dependiendo de la presión existente en la red de aire comprimido o del estado de la instalación hidráulica.

- Seguimiento por palpador:

Este seguimiento de juntas es prácticamente el más moderno dentro de lo experimentado en producción. Consiste en un palpador que manda sus señales a un amplificador que genera unos impulsos eléctricos que mueven unas deslizaderas servomotorizadas. En la figura 4 se muestran unos esquemas de dicho seguidor. Es capaz también de localizar dónde está la junta a soldar en las uniones en ángulo. Tienen una sensibilidad de aproximadamente + -0,1 mm. El modo de operación es el siguiente. El operador guía con un Joy-stick el cabezal al punto de inicio de la soldadura, colocando el palpador sobre la zona de copiado. Comienza la soldadura y el sistema guía el cabezal durante todo el proceso.

- Seguimiento por sensores inductivos:

Este tipo de seguimiento es el más novedoso en la soldadura automatizada. Se está empleando realmente como seguimiento de juntas en instalaciones automatizadas TIG o PLASMA. Consiste en un sensor que a través de una corriente alterna de alta frecuencia, genera un campo electromagnético en su entorno. Este campo interacciona con el material a soldar y el sensor es capaz de distinguir cualquier perturbación de dicho campo electromagnético. Esta señal de perturbación se amplifica generando unos impulsos eléctricos que mueven unas deslizaderas servomotorizadas. En el caso de las juntas a tope es absolutamente necesario que exista una separación física entre los bordes, como mínimo, de 0,05 mm. Un problema todavía no resuelto con este tipo de sensores es su sensibilidad a la temperatura. Los sensores más habituales empiezan a fallar a partir de 80 o 90 grados Centígrados, aunque ya existen algunos que resisten en teoría hasta los 300 grados. En la industria pesada, en la que muchas de las piezas a soldar deben ser precalentadas, se convierte en un verdadero problema. De ahí que este tipo de seguimiento sólo haya sido empleado hasta ahora en robots e instalaciones automatizadas de soldadura TIG o plasma.



Sin embargo, se sigue investigando en este campo y no cabe duda que las soluciones futuras irán por este camino.

- Seguimiento por circuito cerrado de televisión:

Para algunas aplicaciones especiales, se ha aplicado este tipo de seguimiento. Una pequeña cámara de vídeo filma la zona previa próxima al ataque de la torcha. El operario lo observa a través de un monitor y opera los movimientos del cabezal con un Joy-stick. Este sistema se ha empleado con éxito en instalaciones para el soldeo por plasma utilizando una columna de soldadura, o en instalaciones en las que se está soldando en el interior de virolas o tuberías.

2.5.-Tractores

Uno de los elementosmóvil, es una máquinatransportable de una zonEs un elemento bien con

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para la soldadura con arco sumergido es el tractor. El tractor, al ser un elemento muy flexible dentro de las unidades de producción. Puede ser fácilmente a a otra del taller o, incluso, para soldar en el parque de recepción de materiales. ocido en todos los astilleros e industria de calderería, aunque no es tan utilizado

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como debiera por los estructuristas. Las figuras 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y 12 nos muestran un tractor de este tipo ejecutando diversos trabajos de soldadura y las diferentes formas en las que es guiado.

Hace casi 20 años que existen este tipo de carritos. Muchos de los comercialmente existentes no han evolucionado prácticamente nada. Incluso, algunos fabricantes siguen todavía comercializando tractores de tres ruedas, que son realmente inestables.

Los requerimientos exigidos a este tipo de tractores son:

- Que sea estable.

- Que se mueva de forma suave sin brusquedades, ya que el movimiento de todo el conjunto va a ser utilizado como movimiento de soldadura.

- Que sea capaz de desplazarse en línea recta sin desviaciones.

- Que sea ligero y fácil de conexionar con la fuente de corriente.

- Que esté preparado para poder trabajar a la intemperie.

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2.6.- Columnas de soldadura

La columna de soldadura es un elemento muy conocido, por usual, en muchos talleres, sobre todo de calderería. El conjunto consta de los siguientes elementos:

- BASE. La instalación puede ser estacionaria o móvil. Las estacionarias pueden ser fijadas al suelo mediante pernos o mediante hormigón. Las móviles se pueden desplazar sobre carriles o sobre pistas especialmente mecanizadas llamadas “tracks”. El desplazamiento se realiza mediante un sistema de piñón y cremallera.

- COLUMNA. Que nos dará la esbeltez y altura de trabajo útil de la instalación.

- PLUMA. Que nos dará la anchura de trabajo útil. Sobre este elemento es sobre el que se va a situar el o los cabezales de soldadura.

En la figura 13 se muestra una columna de tipo tradicional con un cabezal en punta de pluma. Son el tipo de columnas más comunes y más utilizadas en calderería.

La figura 14 nos muestra un segundo tipo de columna. En ella se sitúa un cabezal en punta de pluma y otro deslizándose a lo largo de ella. Esta instalación es muy utilizada para la soldadura de tanques, tuberías a bridas, perfiles, etc.

La figura 15 muestra un tercer tipo de estación .En ella los cabezales se desplazan ambos a lo largo de la pluma. Entre las aplicaciones mas usuales de esta estación se encuentran la soldadura de vigas cónicas o rectas (tipo bayoneta, etc), rigidizadores para paneles, etc.

La figura 16 nos muestra un cuarto tipo de instalación con dos cabezales situados en ambos laterales de la pluma.

Existen otros tipos de columnas diseñados especialmente para las necesidades del cliente. Así se han construido columnas con un cabezal MIG en una de las puntas de la pluma y un cabezal TIG en la otra punta. En esta aplicación la pasada de raíz se realizaba con TIG, la instalación rotaba sobre el eje de la columna y se realizaban las pasadas de relleno por procedimiento MIG.

Los requerimientos que debe cumplir la columna son casi los mismos que los del tractor añadiendo además que el movimiento de la pluma debe ser suave, sin cabezeos, ya que en multitud de ocasiones el movimiento de la pluma es movimiento de soldadura.


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FIGURA 13


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FIGURA 14

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FIGURA 15


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FIGURA 16


RESUMEN TIPOS DE COLUMNAS

ESTACIONARIAS: - Fijación por pernos. - Base de hormigón.

MOVILES: - Pista variable con ruedas tipo tren o rodillos. - 2 ó 4 ruedas motrices.

COLUMNA: - Posición céntrica o excéntrica. - Rotación manual o motorizada.

PLUMA: - Transmisión por piñon y cremallera. - 1 ó 2 cabezales. - Móvil o fija.

2.7.- Pórticos

El pórtico es también una de las configuraciones tradicionales de las máquinas automáticas. Los pórticos pueden ser de dos tipos, estacionarios y móviles. En los pórticos estacionarios es la pieza a soldar la que se mueve sobre una bancada móvil. Los pórticos móviles deben estar lo suficientemente bien calculados como para tener un movimiento uniforme sin brusquedades.

2.8.- Seamers

Los “seamers” son bancadas diseñadas para la soldadura de costuras longitudinales de piezas cilíndricas, cónicas o rectangulares. La descripción de su funcionamiento sería de la siguiente forma:

1. El operario abre el sistema de viga cierre para preparar la carga de la pieza a soldar.

2. El operario activa el sistema de posicionamiento de la chapa o el sistema de centrado, los cuales posicionarán la chapa exactamente encima de la huella de la barra de respaldo o backing.

3. Se carga la pieza a soldar en el seamer y el sistema de viga cierre se bloquea.

4. El operario acciona mediante un pedal la primera fila de mordazas de apriete una vez que la primera chapa esté correctamente posicionada.

5. El sistema de posicionado o centro de la chapa se retrae a su posición de espera.



6. La segunda chapa es empujada entonces contra el borde de la primera.

7. El operario acciona el pedal para ajustar la segunda fila de mordazas. Las chapas quedan entonces firmemente ajustadas con una presión regulable de hasta 8 toneladas.

8. El cabezal de soldadura baja neumáticamente a la posición de soldeo mediante un cilindrooperador a través del control central.

9. El operario preselecciona los parámetros de soldeo.

10. El cabezal comienza a soldar hasta llegar al final de carrera deseado

11. El cabezal se levanta y se desplaza con velocidad máxima a su posición inicial.

12. Se abren las filas de mordazas y el sistema de viga de cierre, sacando la pieza soldada.

13. La secuencia comienza de nuevo.

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FIGURA 18

FIGURA 19

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FIGURA 20

CIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.15 -23-


2.9.- Posicionadores

Los posicionadores están concebidos para facilitar la soldadura manual y automatizada de piezas pesadas, voluminosas o de formas complicadas. Con el posicionador la pieza se puede voltear rápidamente y con exactitud a fin de situarla en la posición óptima de soldadura (Posición bajo mano). De este modo se evitan operaciones manuales y pueden conseguirse mayores tasas de deposición, que se traducen en una diseminación de hasta el 70 % de los tiempos de permanencia en los talleres.

Podemos clasificar los posicionadores en:

- Convencionales.

- Horizontales.

- De plato y contrapunto.

Actualmente los posicionadores pueden disponer de una unidad de programación que permite almacenar los ciclos de trabajo. Son programables por el método de aprendizaje. Las posiciones se programan durante el primer ciclo y a partir de ese momento la pieza se puede mover a voluntad con sólo pulsar un botón.

- Cálculo de cargas

A la hora de utilizar un posicionador no basta tan sólo con conocer el peso de la pieza. Hay que calcular también dos pares de fuerzas, a saber, par de giro y par de inclinación. Los máximos pares admisibles deben figurar en los catálogos



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El par de carga debe calcularse siempre desde la superficie de la mesa hasta el centro de gravedad. Al elegir un posicionador deberá compararse el par de carga de la pieza con el par máximo indicado en la tabla correspondiente.

G = Peso de la pieza en kg x 9,8 = N

Y = Distancia del centro de la mesa al centro de gravedad de la pieza, m

X = Distancia de la superficie de la mesa al centro de gravedad de la pieza, m

Par de giro = G x Y Nm

Par de inclinación = G x X Nm

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FIGURA 22


2.10.- Viradores

Los viradores son la solución ideal para manipular depósitos, tuberías y otros objetos cilíndricos al realizar en ellos trabajos de soldadura automática o manual.

De nuevo el sistema consiste en tratar de soldar en la posición óptima mano.

Podríamos distinguir dos tipos de viradores:

- Convencionales

- Autoalineables


FIGURA 23

VIRADORES CONVENCIONALES



FIGURA 24 VIRADORES AUTOALINEABLES

Los viradores autoalineables se adaptan automáticamente al diámetro de la pieza. La unidad motriz posee 4 ejes motorizados lo que garantiza una gran suavidad de volteo incluso en condiciones difíciles.

El juego de viradores consiste en una unidad motriz y otra loca. Para una mejor distribución de pesos se puede combinar varias unidades motrices y locas.

En todo caso siempre las unidades motrices deben estar sincronizadas para que toda la línea responda a una sola unidad de control remoto.

2.11.- Instalaciones Especiales

Denominados instalaciones especiales a aquellas que están diseñadas para una aplicación determinada. El mercado de automatismos especiales es muy amplio, aunque es un mercado en disminución gracias a la aplicación de la robótica que ofrece soluciones más flexibles.


En la mayoría de este tipo de instalaciones se trata de conjugar manipulación con el proceso de soldadura.

1. Máquinas para soldadura de paneles de tubos para calderas.

2. Máquinas para soldadura tubo a tubo por procedimiento combinado TIG/MIG.

3. Máquinas para fabricación de botellas de gases licuados.

4. Máquinas para la soldadura de vigas.

5. Máquinas para la soldadura de bocas de hombre.

6. Instalaciones especiales de columna.

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2.12. Líneas de paneles

Las líneas de paneles son una eficiente combinación de equipos de manipulación y soldadura para la producción de paneles y secciones en la industria naval.

Todas estas instalaciones se diseñan especialmente para cada astillero en función de:

- Tamaño máximo de paneles. - Dimensiones de los rigidizadores. - Producción requerida (nº de paneles/turno). - Espacio disponible en nave.

En función de la producción podríamos distinguir las líneas de paneles en:

- De 1000 a 6000 ton/año - De 4000 a 30000 ton/año. - Más de 20000 ton/año.

Una línea de paneles de tipo convencional puede estar compuesta de las siguientes etapas:

1. Alineamiento de chapas, punteado y soldadura por una cara. 2. Giro del panel y soldadura por la segunda cara. 3. Marcado y preparación de bordes. 4. Montaje de los rigidizadores y punteados. 5. Soldadura de los rigidizadores. 6. Montaje de los rigidizadores transversales y puntuado. 7. Soldadura final. 8. Inspección y descarga.


3.- TIG ORBITAL - TIG MECANIZADO

Hace más de treinta años que diversas compañías en U.S.A. dieron comienzo al desarrollo de máquinas mecanizadas o automáticas para la ejecución de trabajos de soldadura de tuberías en acero en las redes de oleoductos o gaseoductos que se estaban montando no solamente en dicho país sino también en Europa (red de la OTAN), Africa (Argelia-Hassi R’Mel-Arzew), etc.; los objetivos eran bien claros:

- Mejorar los procedimientos de trabajo.

- Aumentar la calidad.

- Conseguir mejor productividad

- Independizar el trabajo de la habilidad del operario.

Así se consiguieron unos equipos que después han servido para desarrollar una tecnología más perfecta y lograr que la maquinaria actual esté al alcance no sólo de grandes empresas sino también de aquellas otras que tienen su actividad dentro de trabajos de menor importancia.




SEIS BUENAS RAZONES PARA LA SOLDADURA AUTOMÁTICA DE TUBOS

1. Uniones idénticas.

Un soldador cualificado puede soldar tubos por procedimiento TIG con una elevada calidad. De eso no cabe la menor duda. No obstante, si su concentración o atención a un detalle se desvía un instante, el resultado puede ser una soldadura imperfecta. Sin embargo, si se utiliza una máquina de soldadura automática orbital, se fijan los parámetros de antemano, se prueban y ensayan, y la máquina asegura que el proceso de soldadura se repite exactamente igual, soldadura tras soldadura, una y otra vez.

2. Menores rechazos.

La soldadura de tubos por procedimiento automático reduce significativamente la tasa de rechazos. Las uniones de tubos serán perfectas, con tal que se hayan escogido los parámetros de soldadura correctos y el cabezal de soldar esté correctamente posicionado.

3. Puede homologarse más soldadores.

En la mayoría de los casos en que se utiliza la soldadura TIG, es esencial emplear soldadores homologados que deben pasar la prueba de cualificación, en la que muchos soldadores probablemente fracasarán. Sin embargo, utilizando la máquina de ESAB para soldadura automática de tubos, la mayoría de los soldadores pasan la prueba de soldadura TIG.

4. Menor esfuerzo físico y mental de los soldadores.

La soldadura manual de tubos por procedimiento TIG manteniendo constantemente una elevada calidad exige un gran esfuerzo por parte del soldador. Una máquina para la soldadura automática de tubo simplificada el trabajo significativamente. El operario prepara la máquina. La pone en marcha, vigila el trabajo de soldadura y al final detiene el proceso. El esfuerzo físico y mental se reduce enormemente.

5. Mayor productividad.

Más soldadores pasarán la prueba de “competencia”. La soldadura no tiene por qué ser un cuello de botella debido a la escasez de soldadores homologados. El operario que acciona una máquina de soldadura automática de tubos siente sin duda más satisfacción, y motivación. Puede utilizar la máquina de un modo más eficiente, incrementando así la productividad.

6. Planificación más fiable de la producción.

Las personas no son máquinas. En la soldadura manual, el comportamiento de un soldador varía de un día para otro. Una máquina de soldadura automática de tubos simplifica notablemente los cálculos y la planificación. La empresa ahorra dinero, la producción se desarrolla más suavemente y las entregas se producen en los plazos previstos.



3.1.- Proceso

El proceso de soldadura TIG ha sido ampliamente desarrollado en otras áreas de este curso por lo que es innecesario entrar en detalles en este capítulo. Si diremos alguna de las propiedades más sobresalientes de este sistema:

- Elevada calidad de la unión.

- Magnífico acabado superficial.

- Sin salpicaduras.

- Sin escorias.

- Sin humos.

Su desventaja; quizá su mayor lentitud. Sin embargo se están desarrollando técnicas como la técnica “Hot wire” que permitirán realizar grandes progresos en un futuro muy cercano.

Un equipo moderno para soldadura TIG mecanizada está formado por un rectificador que lleva incorporado un microprocesador y un sistema de refrigeración y las herramientas ya sean tubo a tubo o tubo a placa. El único elemento que se incorpora de forma exterior al equipo es una unidad de alimentación de hilo y eso es porque no en todos los casos dicha alimentación es necesaria. Actualmente esas fuentes de corriente son de tipo inversor y podemos decir que los sistemas compuestos por unidad de alimentación de corriente, generador de ondas y formación de rampas de inicio y fin de ciclo, unidad de control y/o programación, unidad de refrigeración de forma separada pertenecen a la generación de los 80. Los equipos de la generación 90 llevan todos esos componentes de forma integrada. Estamos hablando, por tanto, de un sólo equipo y no de un conjunto de equipos ensamblados. Hemos pasado de las unidades de laboratorio y pruebas a unidades ad hoc, listas para producción.

Pasemos a analizar el proceso (c.f.r. figura). Es evidente que al soldar a lo largo de una circunferencia moviendo la torcha en sentido circunferencial, no podemos utilizar los mismos parámetros en toda ella. Por lo tanto debemos subdividir dicha circunferencia en sectores y en cada uno de ellos debemos poder prefijar nuestros parámetros de soldeo. Cuántos sectores necesitamos. Cuantos más mejor, dependiendo de la calidad que le exijamos a nuestra soldadura. En los equipos modernos, aquellos que denominábamos generación 90 podemos preprogramar hasta 990 sectores. Y en cada sector podremos prefijar.

- Cebado gas protector para la toma de raíz y la soldadura con pre y postflujo de gas.

- Intensidad de soldadura con gradientes de subida y bajada sin escalomaniento.

- Velocidad de soldadura.

- Alimentación de hilo y su velocidad.

- Pulsación: la intensidad de alimentación del hilo y el movimiento orbital pueden pulsarse, ya sea individual o sincronizadamente.

- Control automático de la separación del electrodo mediante control de la tensión de arco.



- Oscilación y su velocidad.

- Amplitud de dicha oscilación.

- Tiempo de permanencia en los extremos.

3.2.- Cabezales para soldadura tubo a tubo

Generalmente son de tres tipos:

1. Capaces de producir el movimiento de rotación de la torcha y la alimentación del hilo. Tipo mordaza.

2. Capaces de producir los movimientos antes citados más oscilación y control de altura del electrodo. Tipo mordaza.



3. Igual que los anteriores pero de tipo carro independiente y cremallera.

Normalmente los fabricantes realizan los dos primeros tipos para tubos de hasta 10 pulgadas. A partir de ahí se emplean los del tercer tipo. La razón fundamental para escoger entre el tipo 1 y 2 estriba en el espesor.

3.3.- Cabezales de soldadura tubo a placa

La soldadura de tubos a placas, por ejemplo en intercambiadores de calor es uno de los trabajos de soldadura más delicados; precisión, minuciosidad y limpieza son factores clave.

Los actuales cabezales son de peso reducido y en ellos la torcha puede situarse en el ángulo correcto para soldar tanto si los tubos van embutidos como envasados con la placa o si sobresalen de ésta.

La mejora en tiempo y calidad de soldadura de este sistema frente al sistema manual es considerable, sobre todo teniendo en cuenta que un mismo soldador puede emplear dos cabezales a la vez.


3.4.- Fuentes de corriente

A partir del comienzo de esta década las fuentes de corriente TIG mecanizado son de tipo integrado, es decir, no están compuestas de diferentes elementos. Refrigerador, microprocesador, control remoto, etc. forman parte de un todo homogéneo.

Las nuevas fuentes de corriente están basadas en la tecnología de la inversión, que proporciona las siguientes ventajas:

- Excelente estabilidad del arco.

- Alta fiabilidad.

- Peso reducido.

- Pequeñas dimensiones.

La tecnología de los inversores posibilita el control de la corriente de soldadura de modo tan rápido que pueden controlarse completamente todos los parámetros de la soldadura. Esto permite adaptar dichos parámetros a las exigencias ideales para cada proceso de soldadura.

Los transistores de tipo MOSFET y control muy rápido que se utilizan en los inversores permiten un control muy fino. Es difícil obtener el mismo grado de control utilizando rectificadores basados en la tecnología de los tiristores.

3.5.- Ventajas de las fuentes de energía inversoras

Programable: Fuente de energía programables a un precio muy competitivo.

Corriente de soldadura más alta: Las fuentes de energía de sistema inversor tienen actualmente mayor capacidad de trabajo.

Mejor estabilidad del arco: La técnica de la inversión posibilita la obtención de mayor estabilidad en el arco.

Respuesta más rápida: Posibilita, mediante reacciones más rápidas, los cambios en el proceso de soldadura.




Menor rizado: Menores variaciones de la corriente continua durante la soldadura.

Mejor definición de las pulsaciones: Aporte de energía más concentrado cuando se utiliza corriente pulsada.

Mejor penetración: Arco más suave que proporciona mayor concentración de calor en el centro de la junta a unir.

Programación por sectores: Posibilita la división de la junta en sectores y la selección de los parámetros óptimos para cada uno de ellos.

Menor tamaño: La técnica de inversión permite componentes de menor tamaño, lo que hace posible fuentes de energía más pequeñas y ligeras.

Más ligeras: (Ver las dimensiones)

Unidad de refrigeración incorporada: Necesita menos espacio en planta.

Teclado estanco al polvo: La unidad de programación es menos sensible al polvo y la humedad.



II. ROBÓTICA



1.- INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA

La robótica es, muy probablemente, una consecuencia lógica de la evolución industrial. Desde la aparición de los primeros mecanismos, el interés del hombre ha sido siempre grande en imitar artificialmente sus propias habilidades.

Una de las referencias más antiguas es la de Hefesto el forjador divino que era el dios griego del fuego. En la Iliada se describe que forjó unas figuras femeninas con oro (ninguna sustancia de inferior calidad serviría). Estas muchachas podían moverse, hablar y pensar, y le ayudaban en su trabajo.

Durante toda la Edad Media aparecieron un sin fin de artefactos que eran capaces de simular grotescamente alguna habilidad. Su único objeto era la diversión y el entretenimiento.

En el siglo XVIII, como resultado de la miniaturización de los relojes, se alcanzó una tecnología capaz de desarrollar un gran número de muñecos animados, de gran aceptación hasta bien entrado el siglo XIX.

Las primeras máquinas programables aparecieron en 1801: los telares de Jacquard. Unas tarjetas de papel perforado contenían información codificada de los dibujos que se deseaban obtener en cada tejido.

Gracias al desarrollo de las teorías de la realimentación, y el desarrollo de los primeros ordenadores, se hizo posible que en 1954, George C. Devol, Jr. patentara el primer robot industrial al que se le denominó UNIMATION (Universal Automation).

1.1.- Motivos de su aparición

Existen diferentes motivos para la aparición de la robótica, de entre los cuales se pueden destacar: Productividad, Calidad, Control de Producción, Escasez de profesionales, Mejora de las condiciones de trabajo y Economía. Todos estos factores pueden también mejorarse, y muy notablemente, con el empleo de máquinas específicas, pero frente a éstas existe otro factor que determina claramente la filosofía de la robótica industrial: la FLEXIBILIDAD.

La FLEXIBILIDAD es la característica por la cual un robot es capaz de realizar tareas diferentes con unos costes por preparación y adecuación de la máquina a la nueva tarea razonablemente satisfactorios. Es este el motivo por el cual no se debe comparar un robot a una máquina de producción específica, sino que éste debe ser comparado a su competidor real: el operario. Con estos conceptos asumidos podemos pasar a comentar el resto de los motivos de la existencia de la robótica industrial.

La ventaja de un robot en PRODUCTIVIDAD es clara debido a la no existencia de factores como la fatiga, la motivación, la incomodidad, etc. Aun cuando la productividad horaria de un robot fuera la misma que la de un operario, el primero tendría la enorme ventaja de su capacidad de trabajo: 24 horas al día.

La CALIDAD, por contra es un factor menos claro. Si el proceso a ejecutar depende de un gran número de factores externos no controlables ( caso de soldadura: irregularidades, inestabilidad de arco, suciedad, etc.) hacen del operario un elemento insustituible, aunque de muy baja productividad. El caso típico en soldadura sería el procedimiento TIG, de muy difícil robotización. Sin embargo, cuando estos condicionamientos aleatorios se pueden controlar dentro de unos márgenes razonables, la calidad puede ser aumentada notablemente, ya que una vez alcanzados unos objetivos de calidad se podrán mantener gracias a la alta fiabilidad de un proceso robotizado. El caso típico en soldadura sería el procedimiento MIG.



Evidentemente el CONTROL de PRODUCCIÓN se puede efectuar ventajosamente sobre cualquier medio mecánico que sobre factores humanos. Los sistemas robotizados permiten fácilmente la variación en el ritmo productivo y además se pueden dedicar a una u otra pieza sin mas que utilizar instrucciones sencillas, en definitiva son un medio automático que permite efectuar la producción deseada tanto en cantidad como en calidad ( con las limitaciones evidentes de máxima productividad disponible y del número de tareas preprogramadas), lo cual nos acerca a los conceptos de fabricación “Just in Time”.

La escasez de profesionales (sobre todo en el campo de la soldadura) es otro motivo por el cual se puede pensar en un sistema de fabricación robotizado.

La mayoría de las tareas que actualmente realizan los robots son aquellas que resultan insalubres o incluso peligrosas para un hombre, entendiendo aquí por insalubres no solo las que provocan agresiones físicas ( rayos UVA, gases, radiaciones, ambientes hostiles, etc.) sino aquellas que resultan tediosas, incómodas, de alta actividad muscular, etc.

Y por último no podemos dejar de nombrar al factor ECONOMÍA, ya que incluso hoy es ventajoso para sustituir operarios de bajo nivel salarial. La vida útil de un robot industrial puede estimarse en un valor que ronda las 50.000 horas, por lo que se puede entender que su competitividad industrial es de muy alto valor. Además deberían tenerse en cuenta factores relativos a la uniformidad de la calidad que también aportarán valor añadido a nuestra fabricación diaria.

1.2.- Fundamentos: Grados de libertad. Arquitectura. Sistema de control. TCP.

Un robot es un artefacto electro-mecánico capaz de evolucionar por una trayectoria espacial preprogramada y manipular una herramienta para realizar una tarea dada.

Grado de libertad es cada una de las articulaciones o cualquier otro dispositivo que permita a un mecanismo evolucionar libremente por el espacio.

Así, por ejemplo, un florero (es perfectamente estático) tiene cero grados de libertad y una puerta uno (gira alrededor de un eje).

Veamos que significa todo esto:

1. Si un robot debe ser capaz de moverse sin restricciones (dentro de su campo de trabajo, se entiende) por el espacio tridimensional que nos es familiar, deberá tener, al menos, tres grados de libertad. Uno para cada una de las direcciones espaciales. De esta manera nuestro robot será capaz de moverse adelante y atrás (1 G.d.L), a derecha e izquierda (1 G.d.L) y arriba y abajo (1 G.d.L). De esta manera, todo el espacio podrá ser alcanzado sin limitaciones tal y como puede observarse en la siguiente ilustración:



P1 (x1,y1,z1)

P2 (x2,y2,z2)

2. Una vez alcanzada la posición deseada en el espacio, el robot deberá ser capaz de orientar la herramienta que porte en su muñeca en la dirección que en cada caso se desee. En las aplicaciones habituales de soldadura al arco, la herramienta tiene una simetría cilíndrica, por lo que la posible rotación sobre si misma no afectará al resultado final del proceso En cualquier caso debemos tener en cuenta que para aplicaciones especiales, caso de TIG con aportación, utilización de sensores Laser, doblo hilo, o en general aquellas que no presenten simetría cilíndrica, siempre será necesario la utilización de un eje adicional en la muñeca del robot, justo para poder buscar la orientación que en proceso nos exija. Para poder garantizar, en el resto de los casos, una capacidad de orientación de herramienta sin limitaciones se deberá dotar al robot de dos grados de libertad adicionales. Una orientación espacial cualquiera se determina por dos cosenos directores, el tercero no es independiente ya que se cumple que:

cos2(a)+cos2(b)+cos2(c)=1



Rotación

D

Rotación

Por todo lo anterior y según se ha visto, podemos concluir que el número mínimo de grados de libertad que deberá tener un robot para garantizar el acceso a un punto y la capacidad de orientación de la herramienta deberá ser de cinco. Tres de posicionamiento y dos de orientación espacial

Cinco ejes o grados de libertad ha sido durante muchos años el criterio básico para el diseño de robots, sin embargo, últimamente han aparecido en el mercado un gran número de robots con seis grados de libertad, siendo de hecho la norma básica de diseño hoy en día. Los motivos para la construcción de un robot de seis ejes se reducen fundamentalmente a la mayor facilidad para encontrar una posición determinada para el robot y para el programador, ya que al disponer de un grado de libertad más de los estrictamente necesarios, existen infinitas posibilidades de combinación de ejes de robot para cada punto y orientación del espacio. Además, no podemos olvidar que la mayoría de los robots industriales son diseñados de origen como maquinas de propósito general, y no están específicamente diseñados para Soldadura al Arco. Esto también es fuente de problemas, ya que si en algún momento dos de los ejes del robot, pasan por una configuración de ser colineales el robot entra en un punto singular de difícil solución para el sistema de control.


Las posibles arquitecturas de un robot responden también a los anteriores conceptos de espacio tridimensional. Como es sabido, los sistemas de coordenadas o bases de más frecuente utilización son:

1. Sistema cartesiano: Tres ejes perpendiculares entre si definen todos los puntos del espacio. Un punto queda definido por las tres distancias de este a los respectivos planos de referencia.

Sistema de coordenadas Cartesiano

2. Sistema cilíndrico: Dos ejes perpendiculares y una rotación definen todos los puntos del espacio. Un punto queda definido por dos distancias y un ángulo. (Ver figura 4).

Sistema de coordenadas Cilíndrico




3. Sistema esférico: El desplazamiento a lo largo de un eje y dos rotaciones definen todos los puntos del espacio. Un punto queda definido por una distancia y dos ángulos.(Ver figura 5).

En la mayoría de los robots industriales reales no se encuentran estas configuraciones teóricas, siendo en la mayoría de los casos sistemas mixtos donde toadas las articulaciones son de giro. Y donde además encontraremos mas ejes responsables de la orientación última de la herramienta. Véase a continuación:

Sistema de coordenadas Esféricas


En el robot de la figura se aprecia que su configuración es una evolución de la esférica, en la que se ha sustituido el desplazamiento lineal por un eje articulado. Se hace notar que lo único que se ha hecho en este caso es sustituir un tipo de grado de libertad por otro, pero sin modificar el número de estos.

Apréciese en la figura anterior que el eje 4 y 6 son coincidentes, por lo que el sistema de control será capaz de encontrar infinitas soluciones y, por lo tanto, estaremos en un punto singular.

Respecto al sistema de control de un robot industrial típico, basta decir que se compone de un ordenador (microprocesador) que se comunica con diferentes dispositivos de entrada y salida de datos, y que, como resultado de la compilación de estos datos es capaz de emitir órdenes a unas tarjetas de control de motores, que a su vez devuelven permanentemente información acerca del estado de los ejes (feeback).

Las tarjetas de control de ejes modifican la información digital procedente del microprocesador para convertirlas en señales de potencia directas para los motores de los ejes. Antiguamente estas señales se enviaban a válvulas proporcionales, que permitían mas o menos paso de un fluido hidráulico a presión, este tipo de robots hidráulicos no se fabrica en la actualidad, siendo los existentes 100% eléctricos.

En la siguiente figura se puede apreciar el esquema básico de un sistema de control típico, con la mayoría de los dispositivos usuales de comunicación.




<<TEACH PENDANT>>TERMINAL DISCO FLEXIBLE

EPROM CMOS

CONEXIÓN I/O ENTRADA VISIÓN

MICROPROCESADOR

JT1 JT2 JT3 JT4 JT5 JT6

JT1 JT2 JT3 JT4 JT5 JT6

FEEDBAC ÓRDENES

ÓRDENESFEEDBAC

PLACAS DIGITALES

MOTORES Y CODIFICADORES

Una vez que nuestro robot es capaz de moverse, tendrá que acometer la tarea de manipular una herramienta, por lo que de alguna manera tendrá que ser definida con precisión. Es de vital importancia notar que esta información para el robot es la primera que recibe del mundo exterior, y por lo tanto, cualquier error en su definición supondrá una grave incapacidad para su correcto funcionamiento. El concepto de TCP (Tool Center Point) o Punto Central de Herramienta es de vital importancia para comprender la forma de trabajo de un robot industrial.

El TCP es el punto de la herramienta que deberá evolucionar por una trayectoria programada. Todos los movimientos del robot se coordinarán para que sea ese punto, y no otro, el que repetitivamente describa la misma trayectoria. Esto hace posible que se utilicen diferentes herramientas (o pistolas de soldadura deformadas después de una colisión) sin tener que cambiar de programa, ya que al definir el nuevo TCP todo el programa se automodificara para que sea éste último el que describa la trayectoria deseada.

En aplicaciones de soldadura al arco el TCP se define en el extremo del electrodo (hilo en procedimientos MIG), para asegurar de esta forma un total control sobre el arco eléctrico.



FIGURA 9

Una vez definido un TCP de trabajo el robot es capaz de moverse haciendo referencia a distintos sistemas de coordenadas: Base, Muñeca y Herramienta. Manteniendo siempre en la trayectoria prevista su herramienta (TCP), aún cuando ésta pueda ser definida de nuevo debido a cambios o a modificaciones posteriores a la programación original.


En la actualidad se utilizan sistemas de definición automática de TCP, lo que permite una verificación y control periódico del estado del mismo, sin la necesidad de ninguna Intervención del operario.

En la siguiente figura puede también apreciarse el efecto del TCP sobre el campo de trabajo del robot. Es muy importante tener en cuenta que el campo de trabajo real de un robot de soldadura al arco no es el su muñeca sino el que describe el TCP definido para desplazamientos extremos de los ejes.

1.3.- Equipos compatibles

Existen una serie de equipos, que en caso de soldadura al arco, deben trabajar conjuntamente con el robot. Es posible que algunos de estos equipos no sean imprescindibles pero se tratará aquí de hacer una somera descripción de todos ellos.

El EQUIPO DE SOLDADURA deberá ser equivalente a cualquier otro equipo para soldadura MIG, al igual que en el caso de equipos manuales semiautomáticos deberá disponer de los siguientes elementos:

- Fuente de corriente: Rectificadores con curvas características planas (voltaje constante) para facilitar la autorregulación del equipo. Recientemente están siendo utilizadas con mucho éxito fuentes de corriente de tipo Inversor o de corriente pulsante (no arco pulsado, esto es una característica adicional), debido a su facilidad de control con señales eléctricas, su rapidez al iniciar arco y a su reducido tamaño. Actualmente, se pueden encontrar en el mercado fuentes de corriente integradas, que ofrecen al usuario la máxima facilidad de manejo y reducen al mínimo la cantidad de espacio necesaria para la instalación.



- Dispositivo de control y regulación: La función de este dispositivo es la de poder modificar los parámetros de soldadura en función de las señales eléctricas que envía el robot. Generalmente esta regulación se efectúa por tiristores, siendo menos frecuente la regulación por transistores. La regulación para el caso de inversores se efectúa por medio del propio circuito de pulsación de alta frecuencia antes de entrar en el transformador de soldadura.

- Sistema de alimentación de hilo: Su función consiste en proporcionar una alimentación de hilo proporcional a la intensidad de soldadura. Son equipos muy similares a los empleados manualmente, aunque frecuentemente se les dota de doble sistema de tracción para asegurar el arrastre de hilo.

Estos dispositivos pueden ser exteriores o integrados. Los primeros se montan sobre una estructura pivotante en la parte trasera del robot (ver figura 13), limitando de esta forma el campo



de trabajo. En algunos casos, y más recomendable, el alimentador se monta sobre el brazo superior del robot, quedando así perfectamente integrado y no limitando el campo de trabajo

Antorcha de soldadura: Consiste en una antorcha convencional, puede ser refrigerada por aire o por agua para trabajos pesados. Para su aplicación a robótica es mas adecuado que ésta sea muy esbelta para facilitar el acceso a soldaduras difíciles, que sea resistente a las continuas torsiones a que estará sometida, que sea fácil el cambio de boquillas de contacto, y sobre todo que su sistema de unión a la muñeca del robot sea rígido y permita una repetibilidad para sucesivos montajes. Resulta de gran conveniencia que el dispositivo de unión a la muñeca sea elástico, evitando así deformaciones de la antorcha en caso de colisión. Algunos sistemas disponen de interruptores de seguridad que activan una señal de emergencia en caso de colisión.

- Sistemas de control del entorno: El equipo de soldadura debe completarse con una serie de sensores que proporcionen información al robot acerca del entorno. Estos sensores deben ser básicamente para control de flujo de gas de protección, agua de refrigeración de antorcha y corriente de soldadura.




Cuando en sistema de control del robot está realmente integrado con el proceso de soldadura, éste es capaz de gobernar en tiempo real todos los parámetros que presentan influencia. En la figura siguiente se puede observar la evolución conjunta de diferentes parámetros en una soldadura completa.

T1= gas pre-flow time

T2= Hot start time

T3= Burn-back time

T4= Cool time

T5= Fill time

T6= Gas post-flow time

Otros de los equipos compatibles de más común utilización son los EJES EXTERNOS, gracias a los cuales es posible manipular la pieza para conseguir posiciones óptimas de soldadura en cada uno de los cordones. Generalmente se denominan MANIPULADORES, y básicamente su función es la de añadir uno, dos o varios grados de libertad adicionales a la estación de soldadura robotizada. De esta manera, se podrá acceder a soldadura a todas las piezas que nos podamos encontrar, independientemente del tipo y de la necesidad de soldadura por una o mas caras, así como los caso de necesidad de soldadura en continuo con giro de la pieza.


Estos manipuladores pueden ser de dos tipos: indexables o servocontrolados. Se entiende por indexables aquellos que tienen paradas fijas y que realizan su función de forma independiente al robot. Esto es, el robot solo puede trabajar cuando el manipulador ha completado el movimiento. Actualmente en franco desuso salvo para aplicaciones sumamente sencillas. Los de tipo servocontrolado se comportan como un eje mas de robot, pudiendo parar en cada punto de su recorrido y trabajando coordinadamente con el robot. En la actualidad, y por motivos de costes, los manipuladores son casi exclusivamente servocontrolados, no siendo recomendable en ningún caso la utilización de unidades indexables.

Un caso especial de eje externo es el de los carros de desplazamiento, llamados también “tracks”, que se utiliza cuneado la longitud de la pieza es más grande el propio campo de trabajo del robot, por lo que no queda más remedio que desplazar a éste último para alcanzar la pieza en toda su magnitud.



Su función consiste en ampliar notablemente el campo de trabajo del robot. Mas adelante se discutirán más ampliamente estos conceptos.

Para hacer posible la comunicación del robot con el mundo exterior (control de utillajes, sistemas de seguridad, robots en trabajos coordinados con otras máquinas, etc) se emplean comúnmente dispositivos de ENTRADA/SALIDA, que pueden ser señales digitales o analógicas. Por ejemplo, para el control y ajuste de parámetros de soldadura se emplean salidas analógicas y para la activación del gas de protección se emplean salidas digitales. En la mayoría de las aplicaciones de soldadura robotizadas más sencillas, se utiliza el propio robot como PLC master de célula, y resulta éste mismo el que controla y supervisa el funcionamiento de todos los periféricos.

Para una comunicación de mas alto nivel, como puede ser: información completa de un programa, control superior de PLC de línea, comunicación con sensores avanzados o comunicación o otros robots, se pueden emplear dispositivos de comunicación para PC, que en los casos más frecuentes resultan ser: PROFIBUS, INTERBUS, DEVICENET, puertos de comunicación serie estándar, conexión ETHERNET, vía Web, etc.

2.- ROBOTS ESTÁNDAR

Se denominan estaciones estándar a aquellas que se componen de elementos comerciales, o de otra manera, que no intervengan elementos especiales bajo diseño en la estación.

La mayoría de las empresas suministradoras de robots de soldadura disponen de una amplia gama de equipos de soldadura y de manipuladores. La mayoría de las aplicaciones de soldadura al arco (90% aprox.) se pueden solucionar con combinaciones de estos elementos.

Los únicos elementos a diseñar y construir a medida en este tipo de estaciones son los utillajes, que lógicamente se entiende que serán diferentes para cada aplicación, y el vallado de seguridad, que también tendrá que acomodarse a la ubicación de la estación en fábrica.

2.1.- Diseños básicos. Doble estación

La primera consideración al plantearse el diseño de una estación de soldadura robotizada deberá ser el determinar el número de puestos de trabajo. A continuación se irán analizando cada una de las posibilidades.



Las estaciones SIMPLES son aquellas donde solo existe un puesto de trabajo, esto implica directamente que el robot tendrá que esperar, una vez finalizado su trabajo de soldadura, a que un operario o cualquier otro sistema descargue la pieza terminada y cargue nuevamente otra pieza. A su vez el operario tendrá que esperar a que el robot finalice su tarea para poder proceder al cambio de piezas. Este modelo de trabajo no se recomienda salvo en casos extremos, donde la gran dificultad de la pieza y el gran ciclo de trabajo lo permitan.

A consecuencia de todo lo expuesto en el párrafo anterior, y teniendo en cuenta que una estación de soldadura robotizada existen dos elementos activos (robot y operario), resulta mucho mas recomendable la utilización de estaciones DOBLES; de esta forma se conseguirá que mientras el robot trabaja en soldadura en uno de los puestos de trabajo, el operario trabajará con labores de carga y descarga en el otro puesto de trabajo, intercambiando sus posiciones al terminar cada uno de los ciclos. Una condición importante para este tipo de estaciones es la homogeneidad necesaria en tiempos de ciclo de robot y operario.

En algunos casos, cuando la gama de productos a fabricar es grande y la longitud de las series es corta, puede ser recomendable la utilización de estaciones MULTIPLES. Estas constan de tres, cuatro o mas puestos de trabajo, dedicándose cada uno de ellos a una pieza específica. No debe olvidarse en este tipo de estaciones que al disponer solo de dos elementos activos (robot y operario), siempre habrá n-2 puestos de trabajo inoperativos, con los costes que ello pueda suponer. Salvo en aquellas ocasiones en que el tamaño de las series sea realmente corto, y por lo tanto no se aconseje un cambio frecuente de utillajes, resulta más económico y de mayor productividad disponer de varias estaciones dobles. Incluso en caso de series muy cortas puede ser más recomendable la utilización de Sistemas de Fabricación Flexible (FMS) como se verá más adelante.

Es Interesante destacar que cuando se busca un campo de trabajo ampliado para piezas grandes, resulta de alto interés la utilización del robot de soldadura en posición invertida, ya que se consiguen, no solo la optimización del campo de trabajo, sino también la posibilidad de trabajar de forma simétrica en ambas mitades de la pieza. De esta manera se pueden reducir los tiempos de programación en piezas grandes. En muchos casos el acceso superior también mejora el problema del acceso a posiciones de soldadura complicadas, que así podremos realizar en posición horizontal.



2.2.- Manipuladores

Los puestos de trabajo de los que se ha hablado pueden ser fijos o mesas manipuladoras, los primeros son simples mesas que soportan los utillajes, generalmente para piezas sencillas que puedan ser soldadas en una sola posición, los segundos para piezas que necesiten ser orientadas de diferente forma para poder ser soldadas.

Los puestos de trabajo pueden ser también estáticos o con intercambio de estación. Los primeros permanecen fijos en su posición y son el robot y el operario los que intercambian sus posiciones al final de cada ciclo. Los segundos constan de un dispositivo de giro que provoca el intercambio de puestos de trabajo entre robot y operario, permaneciendo ambos estáticos, haciendo de esta forma el trabajo más simple. El criterio básico para su elección es el tiempo de ciclo total, ya que cuanto más corto resulte será más necesario la utilización de sistemas automáticos para evitar los frecuentes cambios de posición del robot y del operario.

Como ya se ha visto en el apartado “1.3. Equipos compatibles” los manipuladores pueden ser indexables o servocontrolados. Para mas detalle consultar con el apartado mencionado. A continuación se muestran, por orden de complejidad algunos diseños de manipuladores.

Manipulador de doble posición fija. Intercambio automático de estación:



Manipulador con eje servocontralo simple. Se pueden utilizar varios en una misma estación:

Manipulador con eje servocontraolado e intercambio automático de estación:




Manipulador con eje servocontrolado e intercambio automático de estación. (piezas largas):

Manipulador con un eje servocontorolado (piezas complejas):

Para formar una célula complet, se combinan los elementos anteriormente descritos, de acuerdo con las necesidades de cada caso, obteniendo así diseños básicos diferentes.

En el caso de tener piezas sin necesidad de ser manipuladas para soldadura y con tiempos de ciclo cortos, la combinación perfecta es la que se muestra a continuación:

Robot de soldadura con mesa simple de intercambio y vallado de seguridad:



En el caso de tener piezas complejas que deben de ser manipuladas para soldadura y con tiempos de ciclo largos, la combinación perfecta es la que se muestra a continuación:

Robot de soldadura con dos mesas servocontroladas y vallado de seguridad:



En el caso de tener piezas complejas que deben de ser manipuladas para soldadura y con tiempos de ciclo cortos, la combinación perfecta es la que se muestra a continuación:

Robot de soldadura con mesa doble servocontrolada, intercambio de estación y vallado de seguridad:



Como en el caso anterior: piezas complejas que deben de ser manipuladas para soldadura y con tiempos de ciclo cortos, pero con dimensiones excesivas para un intercambio de estación en vertical: la combinación perfecta es la que se muestra a continuación:

Robot de soldadura con mesa doble servocontrolada, intercambio de estación horizontal y vallado de seguridad:


En el caso de tener piezas muy complejas que deben de ser manipuladas para soldadura en más de dos ejes y con tiempos de ciclo cortos, la combinación perfecta es la que se muestra a continuación:

Robot de soldadura con mesa doble y de dos ejes servocontrolados en cada lado, intercambio de estación y vallado de seguridad:

Y como último ejemplo: Como en el caso anterior, pero con piezas de mayor longitud, es decir: caso de piezas muy complejas que deben de ser manipuladas para soldadura en más de dos ejes y con tiempos de ciclo cortos y longitud significativa, la combinación perfecta es la que se muestra a continuación:

Robot de soldadura con mesa doble y de dos ejes servocontrolados en cada lado, contrapunto en cada eje, intercambio de estación y vallado de seguridad:




3.- ESTACIONES DE INGENIERÍA

Al contrario que las estaciones estándar, las de INGENIERIA se caracterizan por ser aquellas que necesitan de un diseño a medida para cada cliente en concreto. En este tipo de instalaciones es frecuente encontrar soluciones únicas, es decir, desarrolladas para una aplicación particular.

Este tipo de instalaciones se caracterizan por su gran tamaño, generalmente se destinan a la soldadura de grandes piezas y con tiempos de ciclo considerablemente altos. El campo de actividad típico de estas aplicaciones es el de la soldadura pesada: industria naval, industria militar, calderería pesada, etc.

En todas las figuras que se presenten a continuación podrá observarse que los robots están en posición invertida; se debe esto al mayor campo de trabajo y la facilidad en el flujo de materiales.



3.1.- Sistemas modulares

En un intento para la estandarización del concepto de estaciones de ingeniería, se ha desarrollado una serie de equipos modulares que admiten diferentes posibilidades de combinación, pudiéndose además dimensionar alguno de estos elementos a medida, sin tener que modificar por ello los diseños básicos.

Los elementos típicos de los que se compone un sistema modular son: - Tracks - Columnas - Columna + track vertical - Columna + track horizontal - Columnas giratorias - Pórticos fijos - Pórticos móviles - Grados de libertad adicionales en pórticos

Todos estos elementos se describirán a la vista de las siguientes figuras.



Robot sobre Track RTT

Robot invertido sobre Columna Desplazable RTC


Robot invertido sobre Columna Rotativa RRC

Robot invertido sobre Pórtico Fijo RFG




Robot invertido sobre Pórtico Fijo RFG. Opciones de desplazamiento en base de robot

Robot invertido sobre Pórtico Móvil RTG.



EJEMPLOS DE INSTALACIÓNES COMPLETAS

3.3.- Programación “offline”

Una modalidad de trabajo de estas estaciones de ingeniería es la de ejecutar programas confeccionados en oficina técnica, y no con programación in situ. Existen programas comerciales que son capaces de transmitir información al robot partiendo de planos de diseño electrónicos. Como puede entenderse, estos programas necesitarán de ajuste final en la propia estación de soldadura, ya que por tolerancias, ajustes de parámetros de soldadura o dificultades de acceso no detectadas previamente durante el diseño no será posible ejecutar directamente de forma operativa estos programas transferidos desde oficina técnica.

Actualmente se está intentando desarrollar una gama completa de sensores que sean capaces de suministrar información del entorno al robot suficiente como para hacer posible una programación completa y definitiva desde los puestos de diseño.

Como puede entenderse, estos métodos de programación solo son utilizables para piezas de gran tamaño con longitudes de series muy pequeñas (incluso piezas únicas).


4.- FMS (SISTEMAS DE FABRICACION FLEXIBLE)

La dirección de producción ha forzado usualmente el aumento del trabajo en proceso anterior a las células de soldadura, con el fin de alcanzar las series óptimas. Como resultado, en la mayoría de las ocasiones, el numero de productos terminados en stock ha aumentado. Como es sabido los costes de almacenaje aumentan progresivamente con las cantidades almacenadas, a su vez el coste de producción disminuye cuanto mas larga sea la serie. Se deduce que existirá un punto donde se encontrara el tamaño optimo de serie.

De acuerdo a criterios económicos (fórmula de Wilson), se puede comprobar que uno de los factores mas importantes dentro del coste de una pieza en estos puntos de serie óptima, es el coste de preparación de serie. Si se consigue trabajar de forma que este factor se reduzca al máximo, estaremos consecuentemente reduciendo el coste final del producto.

Independientemente de estos factores económicos, resulta evidente que si se puede producir durante algunas horas después del horario de trabajo normal, y sin necesidad de personal asistente, se estará haciendo descender notablemente el coste del producto fabricado.

Estos dos conceptos anteriores: reducción de tiempos de preparación de serie y producción sin personal son los que intenta cubrir el concepto de fabricación flexible (FMS).

En definitiva una estación de soldadura FMS, intenta sustituir la labor humana de carga y descarga de piezas utilizando en su lugar sistemas automatizados de transporte de pallets, que incorporan los propios utillajes y una identificación codificada, que una vez interpretada por el robot hará que este ejecute el programa correspondiente.

Si además se consigue tener un sistema de almacenamiento intermedio a la entrada y salida de la estación, se podrá permanecer en producción unas horas después de acabar la jornada normal (mas o




menos horas dependiendo de los tiempos de ciclo de las piezas y de la capacidad de almacenamiento del “buffer” intermedio).

Los sistemas FMS mas simples consisten en un circuito de rodillos, interrumpiendo el cual existe un robot de soldadura y varios puestos de entrada y salida de piezas al sistema. El circuito de rodillos cumple la doble misión de almacén intermedio y de sistema de transporte automático.

Estos sistemas simples pueden crecer hasta formar células mucho más complejas, pero manteniendo siempre la misma filosofía de trabajo.



En un intento para la estandarización de estos sistemas, se ha desarrollado un sistema de transporte estándar capaz de manejar un número variable de pallets. En estos sistemas es el propio pallet el que, pudiéndose apilar, constituye el sistema de almacén intermedio.

figura 39

En la siguiente figura puede apreciarse un detalle de como el carro de transporte toma o abandona un pallet autoapilable.

figura 40



5. SENSORES

Los sensores son unos dispositivos capaces de suministrar información acerca del estado del ambiente al robot. La información suministrada puede ser referente al proceso de soldadura, como puede ser gas, agua, corriente, hilo, etc, o referente al estado geométrico de las piezas. Este último caso es el que desarrollaremos en este apartado.

Este tipo de sensores es capaz de suministrar información de las condiciones geométricas de la pieza para, de este modo, automodificar las trayectorias programadas y ajustarse así a las condiciones reales de cada pieza.

Debe entenderse que estos sensores no son una solución definitiva, sino que deben ser empleados únicamente cuando no ha sido posible, por otros medios, resolver los problemas de falta de repetibilidad geométrica en las piezas. Los motivos por los que los sensores no resultan ser totalmente recomendables son : aumento de la dificultad de programación, aumento de los tiempos de ciclo (sobre todo en piezas con múltiples cordones o con soldaduras cortas) y, lógicamente, el ser una fuente adicional de problemas técnicos.

Dependiendo de las funciones que desempeñan, se pueden clasificar en los siguientes grupos: Localizadores de junta, Seguidores de junta y Sistemas ópticos. A continuación se desarrollan más en detalle estos tipos de sensores.

5.1.- Localizadores de Juntas

Su función consiste en localizar la posición espacial donde comienza una junta de soldadura. Para ello localizan primero una serie de planos cuya intersección determinará exactamente la posición de la junta.

Su principio de funcionamiento es simple: La antorcha de soldadura se utiliza como elemento palpador, estando sometida a una diferencia de potencial con respecto a la pieza, se desplaza la antorcha lentamente en la dirección de búsqueda hasta que se produce un contacto físico. En este momento se establece una



corriente que activa una entrada de robot, el cual en ese momento toma datos de la posición espacial de la antorcha utilizando sus propios “resolvers”. Esta operación puede repetirse para las otras dos direcciones espaciales, interpolando finalmente para obtener las coordenadas del punto de comienzo de la junta.

Puede entenderse fácilmente que aunque se comience la soldadura en una posición correcta, esta puede luego desviarse de la trayectoria supuesta, resultando este tipo de sensor inútil para solucionar este problema.

5.2.- Seguidores de junta

Este tipo de sensores realiza constantes mediciones para determinar en todo momento si está o no siguiendo el camino correcto para la soldadura de la junta.

Para realizar su función debe soldar con oscilación, realizando mediciones continuas sobre los parámetros de soldadura, de tal modo que si se produce una desviación de la junta estos parámetros serán diferentes a un lado que al otro de la oscilación, provocando esto un autoajuste del robot en el sentido de mantener los mismos parámetros a ambos lados.

Usualmente este tipo de sensores complementa a los localizadores de junta por lo que suelen trabajar conjuntamente.

5.3.- Sistemas ópticos. Control adaptativo

Representan estos sistemas el máximo avance en el desarrollo de sensores de geometría. Basan su funcionamiento en un reconocimiento óptico, por medio de un barrido láser, de la junta de soldadura. Una



vez reconocida la geometría completa de la junta se entiende que son capaces de realizar tres funciones: Localización, seguimiento y adaptación de los parámetros de soldadura a las características de la junta.

Se componen de los siguientes elementos: Cámara láser, unidad de procesado de señal y sistema de refrigeración.



En la anterior figura se muestra como son capaces de reconocer una junta tridimensionalmente. Primera dimensión por simple triangulación, Segunda por un barrido de triangulaciones y Tercera por posición del arco eléctrico respecto a la zona de barrido.

El inconveniente más grande que presentan es el necesitar de dispositivos cercanos al arco de soldadura (cámara) con los consiguientes problemas de protección frente al arco y dificultad de acceso.



Una de las ventajas más importantes es la capacidad para seleccionar entre varios grupos de parámetros de soldadura, previamente programados, en función de las características geométricas de la junta.



6. SEGURIDAD E HIGIENE

La seguridad del operario que trabaja en una célula de soldadura robotizada deber ser cuidadosamente atendida. Puede entenderse que el proceso involucrado, soldadura, como las máquinas en juego, robot y manipulador pueden resultar altamente peligrosas. La normativa de seguridad CE es de obligado cumplimiento, y deberá siempre tenerse en cuenta a la hora de acometer la inversión en un sistema de soldadura robotizado.



6.1. Discusión de un caso típico

En este apartado se discutirá sobre la figura anterior, en la que se representa una instalación estándar con todos los elementos de seguridad más habituales en robótica: Vallados, cortinas inactínicas, distancias de seguridad, barreras fotoeléctricas, pulsadores de operador listo, etc.

Algunos otros típicos lay-outs de seguridad se muestran a continuación:



7. APLICACIÓN. CÁLCULO DE TIEMPOS CICLO. UTILLAJES

Para el estudio de la posible robotización de un proceso de soldadura habrá que sopesar diferentes conceptos: repetibilidad de las piezas, tipo de proceso, accesibilidad de las juntas y tiempos de ciclo previsibles con robot. Los primeros aspectos quedarán bajo la responsabilidad de los técnicos involucrados; será por lo tanto del cálculo del tiempo de ciclo a lo que aquí hagamos referencia.

Tiempo de soldadura: Se deberán considerar primero el número total de soldaduras y la longitud de cada una de ellas. El responsable en soldadura determinará cuales son los parámetros más adecuados, siendo el más importante para este cálculo el referente a velocidad de soldadura. En este punto podremos determinar el tiempo total de soldadura.

Tiempo de robot: Deberá calcularse un tiempo de robot que será el que se empleará para trasladarse de una soldadura a otra y posicionarse con precisión. Dependiendo de la aplicación podrá ser de 1 a 2.5 segundos por soldadura.

Tiempo de manipulación: También deberá contabilizarse el tiempo empleado en manipular la pieza, que para el caso de manipuladores servocontrolados viene a ser de 3 segundos por cada movimiento necesario.

Tiempo de intercambio: Finalmente deberá contabilizarse el tiempo empleado en el intercambio de estación al final de cada ciclo, que dependiendo del manipulador viene a ser de 2.5 a 3.5 segundos.

Sumados los anteriores tiempos se obtendrá un Tiempo de ciclo al 100%, que por motivos de servicio, programación, cambio de botellas, cambio de hilo, etc. se recomienda corregir al 85% (dividir por .85).Este tiempo así obtenido, Tiempo de ciclo al 85%, es el que servirá para cualquier cálculo acerca de capacidad productiva o número de robots recomendados.

Estos cálculos anteriores son fácilmente mecanizables utilizando una hoja de cálculo EXCEL, obteniéndose como ejemplo, los siguientes resultados:


Cliente: Fecha: 25-ago-00 OP: Conjunto Doble-tubo

Cliente:ARDASA Firma: AP Pieza:

N. Observaciones Nº Cor. L (mm) Vs (mm/s) Tsold (s) Trob (s) T limp (s) T tot 100% 1 Cordón sup. ( 6 pzs.) 18 15 12,38 21,81 36,00 1,74 59,55 2 Cordón inf. (6 pzs.) 12 20 12,38 19,39 24,00 1,55 44,94 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 Manipulaciones (x2) 6,00 18 Intercambio Pieza 5,00

30 510 41,19 60,00 3,30 115,49

Datos de producción

Nº h/turno/año 1631 Tc 100%= 115 seg.Nº turnos/año 3 Tc 85%= 136 seg.Nº robots por célula 1 F. Arco%= 36%Nº células 1 Prod. deseada: 202500 pzs/año (*) 156,20% Ocupac. 7643 h/añoCapacidad: 129644 pzs/año 100,00% Ocupac. 4893 h/año

(*) pzs = seis conjuntos de doble-tubo. (225 días por año)

Datos de Soldadura

Garganta a= 2,50 mmSobreespesor F= 0,50 mm

Diámetro de hilo= 1,00 mmVelocidad de hilo= 7,50 m/min.

Intensidad I= 163 ATensión V= 20,9 v

Vel. de soldadura= 12,38 mm/sTasa de deposición= 46,50 g/min

aF

Importancia vital tienen también los utillajes utilizados en un proceso de soldadura robotizado.

Cuando se acometa el diseño de éstos se recomienda poner especial atención a cada uno de los siguientes aspectos:

- Diseño de piezas • Montabilidad • Puntos de referencia • Tolerancias • Uniones • Accesibilidad

- Apoyos y aprietes • Sujeciones isostáticas • Aprietes isostáticos • Referencias fijas • Partes móviles • Desgaste y limpieza




- Diseño • Ejes de simetría • Cotas clave y puntos de referencia • Accesibilidad • Manipulador

- Prueba y ajuste

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