TPS/i WireSense Le fil d’apport comme capteur

Systèmes de soudage robotisés dans la production industrielle : des erreurs fréquentes malgré une précision élevée. Avec son système d’assistance robotisé WireSense, Fronius est désormais en mesure de révolutionner les techniques de production : le fil d’apport se transforme en capteur. Il permet ainsi de réagir avec une précision maximale aux variations de position de la pièce à souder et de corriger le tracé des soudures en conséquence. Les retouches et le rebut de pièces sont ainsi quasiment éliminés.

La production industrielle exige une technique robotisée de pointe. Mais malgré des systèmes à l’interaction quasiment parfaite, on assiste fréquemment à des erreurs. Les variations dans le tracé prévu pour les soudures font partie du quotidien et entraînent plusieurs problèmes, notamment des défauts d’assemblage dans la technique de soudage : incendie, dimensions « A » insuffisantes, assemblages défectueux voire inexistants entre les tôles supérieure et inférieure, voici seulement quelques-uns des scénarios possibles. Ces erreurs impliquent à leur tour des retouches onéreuses, du rebut de pièces et des retards massifs dans les cycles prévus.

Outils de mesure

Si les tôles à assembler sont trop décalées par rapport à la position de soudage programmée, il est préférable de réagir avant le soudage. Jusque-là, on réagissait en effectuant un contrôle manuel ou en installant des systèmes du domaine des outils de mesure visuels. Ces caméras sont le plus souvent installées sur les cols de cygne, et c’est justement là que les problèmes se présentent : selon l’angle et la forme de la torche, la visibilité sur la position de la soudure est restreinte. Mais bien plus souvent, c’est l’accès au composant qui est limité, les outils de mesure visuels n’ont tout simplement pas de place. Le rude quotidien au travail encrasse également les systèmes, ce qui nécessite en permanence des opérations de maintenance ou de calibrage. Par ailleurs, l’acquisition de ces systèmes très sensibles implique des coûts extrêmement élevés.

Fronius a identifié cette lacune dans le système et a réagi à ce défi complexe posé au soudage robotisé : avec la mise au point de WireSense, la source de courant a rapidement gagné une fonctionnalité de poids – le fil d’apport se transforme en capteur. Grâce à un balayage ultra-précis au moyen d’un mouvement du fil à inversion fréquente, il est désormais possible de détecter des géométries de composants et de déterminer précisément la position des tôles les unes par rapport aux autres.

Fonctionnement fondamental de WireSense

Le fil d’apport est soumis à une tension de capteur extrêmement basse, le courant est limité à un minimum. Si le robot se déplace vers la position souhaitée et que WireSense débute le processus, le fil d’apport touche ensuite la pièce et un court-circuit se crée – en raison de la puissance extrêmement basse, sans soudage. Celui-ci est ensuite à nouveau interrompu par le soulèvement du fil. La modification de la position du fil qui apparaît au moment du court-circuit est analysée dans la source de courant TPS/i intelligente au moyen d’algorithmes d’évaluation spéciaux et préparée comme signal de mesure de hauteur pour une utilisation ultérieure – par exemple dans la commande du robot.

WireSense – désormais avec des robots

Lorsque le robot reçoit alors le signal émis par la TPS/i, il peut ensuite l’attribuer précisément à la position actuelle dans l’espace. Le signal de mesure de hauteur est ajusté en fonction des données de position de la commande du robot – sur la base du système de coordonnées en trois dimensions. En fonction d’un point de référence défini au début de la procédure WireSense, il serait ainsi possible d’enregistrer précisément chaque soulèvement et abaissement sur la pièce.

Par la suite, il serait par exemple possible de comparer les valeurs de consigne et les valeurs réelles – et donc d’ajuster les données de position enregistrées par rapport aux données actuelles. En cas de variation, le robot peut effectuer les calculs nécessaire pour corriger le Tool Center Point (TCP) ou le système de coordonnées correspondant, et donc de compenser les variations de position de la pièce. Seul WireSense permet ce genre d’opération.

Détection de la pièce, des bords et des écartements

Si le robot avec WireSense se déplaçait le long de la pièce, sur des portions de trajet qui s’enchaînent sans interruptions, et que l’on enregistrait chaque point, il serait alors théoriquement possible d’obtenir une représentation complète des contours de la pièce. On parle donc de « Contour-Sensing ».

Mais l’outil principal pour la production serait la fonction de détection des bords, par exemple en cas de cordons de recouvrement. Il s’agit de la détection fiable d’un bord de tôle défini au moyen d’une mesure de hauteur. Au préalable, il faut définir ici aussi des valeurs de mesure qui reflètent la hauteur exacte du bord de la tôle. La commande du robot envoie ensuite ces valeurs seuils à la TPS/i immédiatement avant un tour de recherche de WireSense. Si la source de courant détecte à son tour des valeurs supérieures à la valeur seuil, le bord de la tôle est détecté et la TPS/i émet immédiatement un Touch-Signal numérique. À l’aide de ce signal, la commande du robot peut alors enregistrer ses données de position actuelles pour corriger le Tool Center Point par la suite. Les erreurs de composant sous la forme d’un déplacement des bords sont ainsi automatiquement détectées par le robot, corrigées, et l’on obtient ainsi un résultat de soudage optimal. Il convient de noter que la détection des bords dans le domaine des tôles fines est possible dès une épaisseur de matériau de 0,5 millimètre.

Comme le Touch-Signal numérique permet également de transmettre la hauteur précise des bords de tôle, WireSense est capable de visualiser un éventuel écartement entre les tôles – un critère supplémentaire en faveur du fil-capteur. Comme l’électrode a déjà saisi auparavant la hauteur totale de deux tôles situées l’une au-dessus de l’autre, il est alors facile d’effectuer ensuite les calculs nécessaires à l’aide des valeurs réelles. Grâce à cette fonction de mesure, le robot peut donc réagir à différentes dimensions d’écartement en adaptant individuellement tous les paramètres à la situation actuelle du composant, et en effectuant ainsi un soudage autonome avec un recouvrement suffisant des fentes. Si cette action a été précisément définie au préalable, le système accède à différents programmes de soudage enregistrés dans la TPS/i (appelés « jobs ») pour les différentes dimensions d’écartement déterminées.

Parfois, les écartements détectés sont si importants qu’il n’est plus suffisant de réduire la vitesse de soudage, ni d’adapter la puissance. Là où un arc électrique standard ou pulsé arrive à ses limites, le robot pourrait rechercher parmi les fonctions des jobs de la TPS/i pour accéder au process de soudage Cold Metal Transfer : comme le système de soudage doit déjà être équipé des composants matériels CMT pour WireSense, il est conseillé de se procurer directement le pack logiciel CMT. Le process CMT utilise notamment le mouvement d’inversion du fil pour garantir un recouvrement optimal des écartements pour un apport d’énergie minimal.

Une précision unique : l’émission de signaux par CMT Ready

L’émission d’un signal au moment du court-circuit n’est pas une caractéristique exceptionnelle en soi. Outre la rapidité exemplaire de communication interne des données, la mesure de position au moyen du fil d’apport est notamment due à l’entraînement Fronius CMT extrêmement dynamique, ou plutôt aux systèmes « CMT Ready », à savoir : un dévidoir à l’extrémité du fil, un tampon de fil et l’unité d’entraînement CMT Robacta Drive, c’est-à-dire un deuxième dévidoir directement au niveau de la torche. Dans un mouvement de fil à inversion (avant-arrière) qui a lieu à environ 100 hertz, le fil balaie la surface métallique au moyen du moteur électrique situé ici. Grâce à ce balayage à haute fréquence le long de la pièce à souder, on obtient alors la précision et la résolution nécessaires.

Le contrôleur de moteur puissant et commandé par microprocesseur joue également un rôle crucial. En fonction du fil sélectionné, celui-ci indique des profils de dévidoir précis ainsi que des valeurs adaptées d’accélération et de freinage, afin de contrer d’éventuels dommages dus à une torsion ou une pliure – lorsque le fil rencontre la surface de la tôle. Il est alors possible de réagir de manière adéquate aux valeurs de glissement, c’est-à-dire aux erreurs dues au glissement des galets d’entraînement, qui peuvent varier en fonction du fil utilisé. La précision est encore accrue.

Pour détecter la position du fil au moment du court-circuit, les signaux transmetteurs de valeurs réelles du moteur d’entraînement sont calculés précisément et un Touchsignal correspondant est généré. Selon la longueur du Stickout au moment de l’impact, toutes les variations de hauteur sont saisies, calculées et transmises au robot – ce qui est très important pour une mesure précise, puis pour la détection des bords de tôle.

Il convient aussi de noter la particularité de l’algorithme de détection précise de la hauteur du bord de tôle : même si la surface à balayer présente des irrégularités, par exemple sous la forme de tôles placées en travers, le bord peut être parfaitement détecté et mesuré.

WireSense – Un pas vers une production autonome

La fonction de mesure majeure est-elle située dans le robot ou dans la source de courant ? La question de savoir qui joue le rôle le plus important appelle une réponse simple : le génie de cette invention repose dans sa simplicité. Fronius a réussi, à l’aide de l’entraînement CMT ultra-sensible et dynamique et d’un logiciel spécial de régulation, à enrichir la base d’un process de soudage (CMT) établi dans le monde entier et indispensable en pratique, permettant de réaliser les premiers procédés de mesure par ce biais. Ce n’est que par l’interaction du matériel CMT unique, du contrôleur de moteur perfectionné et du logiciel de commande perfectionné que le fil d’apport peut devenir un capteur. WireSense fonctionne avec tout le matériel de soudage standard pour le process CMT, avec tous les matériaux d’apports habituels.

Fronius met désormais ce capteur à la disposition de ses clients. Il est donc indispensable de bénéficier d’un savoir-faire complet dans la programmation de robots. WireSense fonctionnera donc d’autant mieux entre les mains d’intégrateurs de robots ou de systèmes. Le client doit charger ces professionnels d’implémenter la technologie de capteur intégrée à la source de courant dans les différentes lignes de production. À l’avenir, il serait souhaitable d’obtenir des interfaces utilisateurs simples, adaptées aux différents systèmes robotisés sous la forme d’applications préconçues.

Elles garantiraient d’une part une utilisation universelle de WireSense et une manipulation aisée. Mais surtout, elles permettraient à la production industrielle de passer au niveau supérieur : un pas important vers une production autonome.