Systemy sterowania wycinarek laserowych

Systemy sterowania wycinarek laserowych Kimla

Moc lasera jest oczywiście kluczowa w uzyskiwanych prędkościach cięcia, a tym samym wydajności wycinarki laserowej. Nie jest to jednak jedyny czynnik, który należy brać pod uwagę przy zakupie maszyny do cięcia metalu. Bardzo ważne są również m.in. systemy sterowania czy napędy laserów, od których w dużej mierze będzie zależeć efektywność realizowanych procesów cięcia.

Systemy sterowania laserów w większości przypadków są rozwiązaniami, które adaptowano z systemów sterowania od maszyn skrawających, bo nie zostały stworzone stricte do sterowania laserami. Do tego są to systemy, które nierzadko bazują na koncepcji sprzed 50 lat. Rodzi to pewne konsekwencje, które mają olbrzymi wpływ na sterowanie współczesnymi wycinarkami laserowymi.

Typowe problemy z uchybowym systemem sterowania

Główny problem z tego typu systemami sterowania wynika z tego, że powstawały one w czasach, kiedy technologia mikroprocesorowa dopiero raczkowała. Trzeba było więc pójść na wiele kompromisów, żeby taki system w ogóle można było zrobić na ówczesnych mikroprocesorach.

Jednym z takich kompromisów jest tzw. uchybowy system sterowania, w którym głowica maszyny CNC zawsze spóźnia się nieco za interpolatorem. Interpolator, czyli komputer sterujący w maszynie, wysyła sygnały do serwonapędu poruszającego osiami. Pozycja, którą wskazuje interpolator, jest zgodna z rzeczywistą pozycją na maszynie tylko wtedy, gdy maszyna stoi w miejscu. Kiedy maszyna rusza, mamy do czynienia z sytuacją, w której głowica jakby goni interpolator. 

Można to porównać do przyczepy na gumowym dyszlu. Jeśli jedziemy powoli, ten gumowy dyszel jest krótki i przyczepa porusza się blisko samochodu. Kiedy jednak przyspieszamy, gumowy dyszel się wydłuża i przyczepa porusza się w większej odległości od samochodu. W konsekwencji przyczepa, podobnie jak w przypadku autobusu przegubowego, zachodzi na skręcie.

Dopóki maszyna wycina po prostej albo po bardzo długim łuku z niewielką prędkością, porusza się po tym samym torze co interpolator. Problem pojawia się, kiedy maszyna wykonuje zakręt, w szczególności ciasny. Kiedy oś X interpolatora dojdzie do narożnika, ale serwonapęd jeszcze tej pozycji nie osiągnął i ruszy oś Y, narożnik zostanie zaokrąglony. 

To pokłosie kompromisu, który wynikał ze stosunkowo prymitywnych procesorów, w których prędkość zadana do serwonapędu każdej osi jest wyliczana na podstawie tego spóźnienia. Spóźnienie to nie jest jakąś przypadkową wadą, którą można łatwo rozwiązać, ale jest niezbędne do tego, żeby można było wyliczyć wartość zadaną prędkości do serwonapędu. Oczywiście są pewne środki zaradcze, które zmniejszają efekt spóźnienia, ale jest to tylko minimalizowanie, a nie wyeliminowanie tej wady.

Spóźnienie to jest proporcjonalne do prędkości posuwu. W przypadku maszyn skrawających, które poruszają się z prędkością ograniczoną głównie wytrzymałością narzędzia skrawającego, prędkości posuwu nie są zbyt duże. Nieduże są więc także spóźnienia. We frezarkach czy tokarkach wynoszą one setne lub dziesiętne części milimetra. Są więc na tyle niewielkie, że deformacja kształtu, która wynika z tego spóźnienia, również jest niewielka. W większości przypadków można ją wręcz zignorować.

Laser fiber i większe deformacje

Sytuacja zmienia się jednak, jeśli takiego systemu sterowania użyjemy do wycinarki laserowej, w szczególności do wycinarki laserowej fiber. Potrafi ona wycinać z prędkością posuwu na poziomie 1 m/s, a przy takiej prędkości spóźnienie może wynieść nawet 1 cm. Jeśli w momencie zakręcania oś Y ruszy, kiedy oś X będzie spóźniona o 1 cm, może to doprowadzić do deformacji kształtu wycinanego detalu, który byłby już nieakceptowalny.

Producenci wycinarek laserowych, którzy używają tego typu sterowań, muszą więc sztucznie je spowalniać przy wycinaniu narożników, otworów czy innych skomplikowanych kształtów. Prędkość jest sztucznie zmniejszana, a nawet interpolator zatrzymuje się w każdym narożniku , żeby zaczekać, aż głowica osiągnie ten punkt, zanim ruszy kolejna oś. 

Konsekwencje tego są takie, że maszyny rozwijają prędkości cięcia wielokrotnie niższe, niż wynikałoby to z masy przemieszczanych elementów. Właśnie to jest główną piętą achillesową standardowych systemów sterowania. I choć minęło 50 lat, procesory są dużo szybsze i istnieje możliwość stworzenia bezuchybowego systemu sterowania, pewnych rozwiązań standardowych do tej pory nie zmieniono.

Wynika to z kilku czynników. Po pierwsze, jeśli coś wciąż się sprzedaje, po co to zmieniać. Taką filozofię wciąż niestety mają niektóre firmy. Po drugie, zrobienie systemu sterowania całkowicie od nowa wiązałoby się w zasadzie z wyrzuceniem niemal całego dotychczasowego dorobku. Systemy sterowania bezuchybowe muszą bowiem mieć całkowicie inne serwonapędy, interpolatory i większość pozostałych komponentów systemu sterowania. Wiązałoby się to z ogromnymi kosztami i wieloletnimi pracami badawczo-rozwojowymi.

System sterowania firmy Kimla

Nasza firma 25 lat temu opracowała system sterowania bezuchybowy. W zasadzie był to początek naszej działalności. Rozpoczęliśmy prace nad systemami sterowania od białej kartki. Nie byliśmy wstrzymywani tą kompatybilnością wsteczną, więc udało nam się stworzyć bezuchybowy system sterowania. 
Początkowo wytwarzaliśmy frezarki, plotery frezujące i inne maszyny, w których tak duże prędkości nie były wymagane. W efekcie nasz system sterowania nie powodował jakichś ogromnych różnic w wydajności w stosunku do innych maszyn na rynku.

Po 10 latach od rozpoczęcia produkcji naszego systemu sterowania pojawiły się jednak na rynku źródła laserów fiber. I choć nie produkowaliśmy tego systemu sterowania z myślą o laserach fiber, okazało się, że mamy system sterowania, który idealnie pasuje do potrzeb nowej technologii. 

Technologia fiber jest technologią (pomijając konstrukcję tego źródła lasera, która jest dużo prostsza i wydajniejsza), której najważniejszą fizyczną cechą jest to, że światło generowane przez laser fiber ma 10-krotnie krótszą długość fali niż laser CO2. A jak wynika z praw fizyki, im krótsza długość fali, tym bardziej można skupić promień światła. 

W przypadku wycinarki laserowej przekłada się to na szerokość szczeliny, która jest wycinana. Ponieważ laser fiber ma długość 10-krotnie krótszą (laser CO2 ma ok. 10 μm, a laser fiber – 1 μm) i można bardziej skupić promień lasera, wytapiamy mniej materiału na szerokość, więc w jednostce czasu możemy wyciąć więcej. Przy tej samej mocy źródła lasera fiber może on wycinać nawet 5 razy szybciej niż laser CO2.

Dlaczego więc większość producentów wycinarek laserowych fiber, kiedy przeszła na nie z laserów CO2, zwiększyła wydajność swoich maszyn tylko o 30–40%, a nie 5-krotnie? Potencjał lasera fiber jest marnowany właśnie głównie przez nieodpowiednio wydajne systemy sterowania, które wymuszają znaczne zwalnianie przy wycinaniu skomplikowanych kształtów.

Programowanie lasera z jednego miejsca

Drugim istotnym czynnikiem, oprócz systemów sterowania, który wpływa na wydajność procesów cięcia, jest programowanie lasera. Lasery programowane były w taki sposób, że najpierw konstruktor, używając jakiegoś oprogramowania, rysował detal do wycięcia i zapisywał rysunek w odpowiednim formacie. Następnie wysyłał go technologowi, który w odpowiednim programie CAM przygotowywał z tego G-kod i wysyłał go operatorowi. 

Operator wczytywał kod do lasera i mógł wycinać detal. Kiedy się okazało, że trzeba coś poprawić, trzeba było powtórzyć całą procedurę od nowa. W efekcie detal był wycinany kilka sekund, natomiast jego przygotowanie trwało nawet pół godziny.

Mimo że obecnie mamy nowe techniki komunikacyjne i interfejs wymiany danych, ten workflow w większości przypadków pozostał taki sam. Nasza firma od początku działalności dostrzegała tę niedogodność i wprowadziła zintegrowany system sterowania, w którym wszystkie funkcjonalności niezbędne do sterowania lasera są wbudowane w system (czyli moduł CAD/CAM, CNC, nesting). 

Cały proces przygotowania i wycięcia detalu trwa więc maksymalnie kilka minut, co oznacza przyspieszenie go nawet kilkadziesiąt razy. Warto o tym pamiętać, ponieważ zwłaszcza przy produkcji pojedynczych elementów istotny jest zsumowany czas przygotowania do procesu wycinania i samego procesu wycinania.

Liczne zalety napędów liniowych

Kolejną istotną sprawą są układy napędowe w układach sterowania laserów. Większość producentów wycinarek laserowych stosuje napędy oparte na listwach zębatych, co jest technologią bardziej przestarzałą niż napędy liniowe. Problem polega jednak na tym, że napędy liniowe są droższe. Nawet bardzo znane marki, które próbowały robić lasery w oparciu o napędy liniowe, często się z nich wycofywały. Robiły krok wstecz, bo maszyna okazywała się tak droga, że nikt nie chciał jej kupić.

Jako producent maszyn CNC rozpoczęliśmy produkcję własnych napędów liniowych. Okazało się, że pomijając pośredników i optymalizując koszty produkcji, można to zrobić w przystępnej cenie. To rozwiązanie, które jest lepsze pod każdym technicznym względem – dokładności, szybkości, sprawności, bezobsługowości, braku zużycia – ponieważ działa bezdotykowo. 

Mamy mniej więcej milimetr odległości między forserem a ścieżkami magnetycznymi, więc nie ma tarcia ani nic się nie zużywa. Inaczej niż w przypadku zębatek, w których w wyniku tarcia powstają coraz większe luzy, aż w końcu trzeba wymienić zębatki czy przekładnię, bo maszyna jest zbyt mało dokładna. 

W napędach liniowych mówimy o dokłądnościach na poziomie mikrometra, bez efektu luzu zwrotnego, który występuje w większym lub mniejszym stopniu w każdym napędzie mechanicznym. Jeśli ustawimy ruch o 1 μm do przodu lub do tyłu, maszyna ruszy się właśnie o tyle. Ta dokładność jest po 10 latach taka sama jak w nowej maszynie, ponieważ nie ma się w niej co zużywać.

Ponadto wycinarki z napędem liniowym pobierają mniej prądu. Nie ma bowiem oporów ruchu, które wynikają z pracy trących o siebie elementów. To sprawia, że nie tylko pobór prądu jest mniejszy, ale także energia rozpędzonej osi może być odzyskana przy hamowaniu. Dzięki temu wiele naszych maszyn uzyskiwało dofinansowanie w projektach proekologicznych. Słyniemy bowiem z tego, że nasze maszyny pobierają wyjątkowo mało prądu.

Laser CO2 o mocy 6 kW wymagał przyłącza na poziomie 100 kW. Pierwsze lasery fiber czy lasery dyskowe potrzebowały połowę tej wartości. Natomiast obecnie laser fiber 6 kW wymaga przyłącza na poziomie 25 kW. A dzięki technologii odzyskiwania energii, pewnych optymalizacji i modulacji mocy lasera średni pobór prądu naszego lasera o mocy 6 kW wynosi zaledwie 17,5 kW.

Dobór odpowiednich napędów i optymalizacja sposobu sterowania może więc znacznie ograniczyć koszty eksploatacyjne związane z wycinarkami laserowymi.

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę