Témata
Zdroj: Kimla

Vláknové lasery: Řídicí systém

Řezání kovových materiálů pomocí laserů patří mezi nejprogresivnější technologie současnosti. Po mnoho let měly v této oblasti dominantní postavení CO2 lasery, ty se však už dostaly v technologickém pokroku na svůj vrchol. V posledních 10 letech je poměrně rychle nahrazují lasery vláknové, které způsobily v tomto oboru technologickou revoluci.

Tento článek je součástí seriálu:
Vláknové lasery
Díly
Kamil Suchánek

Jednatel společností KM CNC a Orca machines, odborník v oblasti laserových technologií a automatizace výroby.
„Přidanou hodnotou každého stroje je následná služba a partnerství mezi zákazníkem a dodavatelem. Protože všechno je to nakonec o lidech.“

Reklama

Vláknové lasery jsou díky kratší vlnové délce schopny dosahovat mnohonásobně vyšších řezných rychlostí a vysoké přesnosti řezu, mají nižší energetickou náročnost i nižší provozní náklady. Tato technologie vykazuje největší výhodu při řezání tenčích plechů. Ukázalo se však, že právě v případě tenkých plechů se jejím největším omezením staly nedostatečně účinné řídicí systémy.

Zastaralý řídicí systém je brzda

V éře CO2 laserů byly řídicí systémy odvozeny od konvenčních řezacích strojů, které se při práci pohybují nesrovnatelně pomaleji. Tento problém se však stal zásadním až poté, co se objevily zdroje z optických vláken. Používáním příliš pomalých řídicích systémů výrobci vláknových řezacích laserů plýtvali potenciálem této moderní technologie. Lasery vybavené vláknovými zdroji mohou dosahovat řezné rychlosti až pětkrát vyšší než CO2 lasery. Skutečná efektivita výroby se však vzhledem k použití původních řídicích systémů často zvýšila pouze o 30 %.

Vláknové lasery dosahují několikanásobně vyšších řezných rychlostí při vysoké přesnosti, nižší spotřebě energie a nižších provozních nákladech. (Zdroj: Kimla)

Řídicí systémy CNC obráběcích strojů vyvinuté v 50. letech minulého století spočívaly v řízení servomotoru na základě jeho zpoždění vzhledem k pozici nastavené interpolátorem. Interpolátor je součást řídicího systému, který určuje polohu, ve které by se měla řezací hlava nacházet v daném okamžiku. Rozdíl mezi polohou nastavenou interpolátorem a skutečnou polohou hlavy je odchylka polohy. Tato hodnota je po odměřování nastavená pro rychlost servopohonu hlavy. To znamená, že čím vyšší je rychlost pohybu, tím větší je odchylka polohy, a tím je mapování tvarů určených k řezání méně přesné. Takovýto způsob řízení umožňuje přesné řezání, jenom pokud se stroj pohybuje relativně pomalu. Při pokusech o použití tohoto systému do vláknových laserových strojů výrobci narazili na problémy s nepřesností v řádu několika milimetrů.

Výrobci laserových strojů byli proto při použití těchto řídicích systémů nuceni výrazně snižovat rychlost pohybů s cílem tyto chyby minimalizovat. To bohužel významně omezuje dynamiku provozu obráběcího stroje, a tím i jeho účinnost. Nedostatky této řídicí metody pramenily z omezení mikroprocesorové technologie využívané v 50. letech minulého století, a proto pro vytvoření řídicích systémů pro laserové stroje bylo v této době nutné přistoupit ke kompromisům. V dalších letech technologie mikroprocesorů zaznamenala výrazný pokrok, ale vývoj CNC řídicích systémů byl výrobci ukončen a do dnešní doby jsou využívány systémy řízení pocházející z 50. let.

Reklama
Reklama

Výrobci laserových strojů s inovativnějším přístupem se s tímto vývojem nespokojili. Například polský výrobce, společnost Kimla, začal v roce 1999 hledat vlastní novou metodu pro provoz řídicích jednotek CNC. Tato firma navrhla a zavedla koncepci řídicích systémů bez posunu polohy, založenou na DSP procesorech. Předpokladem bylo, že všechny regulační smyčky byly umístěny přímo v pohonné jednotce, a nikoliv rozptýleny mezi řídicí jednotkou CNC a servopohonem. Zatímco u předcházejícího technologického řešení nastavoval polohu interpolátor, navržené modernější řešení vysílalo signály polohy, rychlosti a zrychlení současně, což způsobilo, že hodnota odchylky byla téměř nulová bez ohledu na rychlost.

Kromě toho, klasické systémy s rozptýlenými řídicími jednotkami pracují při frekvenci 2 kHz, což znamená, že poloha servopohonu se nastavuje 2000krát za sekundu. U moderních vláknových laserů, které jsou schopny řezat rychlostí převyšující 1 m.s-1, by to mělo vliv na korekci každých 0,5 mm, což je nedostatečné. Díky řídicím jednotkám umístěným přímo v servopohonu se společnost Kimla vyhnula nutnosti pomalé vzájemné výměny údajů mezi servopohonem a interpolátorem. Tímto způsobem bylo možné zvýšit frekvenci až na 20 kHz a dosáhnout přesného řízení polohy i při velkých rychlostech.

Potenciál výkonných vláknových laserů bylo možné naplno využít až díky výkonnějšímu řídicímu systému, který pracuje s patentovanou technologií nazvanou dynamická vektorová analýza. (Zdroj: Kimla)

Rychlost zpracování G-kódu

I přes tento vývoj stále existoval nevyřešený provozní problém. Dráha, po které se má řezací hlava pohybovat, je uložena ve formě souřadnic. Podle nich se hlava postupně posunuje, aby vyřízla požadovaný díl. Tento formát byl pojmenován G-kód a je stále standardním jazykem pro zapisování dat do CNC strojů. Jedná se o poměrně jednoduchou a zastaralou metodu zápisu, která ukládá složité tvary ve formě polygonální křivky, jež se někdy skládá až z desítek tisíc krátkých úseků.

U vláknových laserů s vysokou pracovní rychlostí dochází často k tomu, že polygonové úseky jsou natolik krátké, že zařízení není schopno zpracovat jednotlivé povely s dostatečnou rychlostí, a zajistit tak plynulý pohyb. Stroj začne vibrovat, pohybovat se a zbytečně zpomalí, což způsobí další snížení účinnosti a zhoršení kvality řezu.

Laserové stroje značky Kimla jsou vybaveny elektronikou vlastní konstrukce a výroby. (Zdroj: Kimla)

Řešením je dynamická vektorová analýza

I na tento problém existovalo řešení. Vývojáři společnosti Kimla vyvinuli jedinečný prostředek pro vektorové zpracování údajů CNC systému. Dráha nástroje může mít různé tvary a stroj musí u některých dílů svůj pohyb plynule přizpůsobit řezanému dílu. V takovém případě většina systémů řídí rychlost na základě úhlů, které mezi sebou svírají jednotlivé úseky, a mění nastavenou rychlost po krocích. Místo analýzy úhlů byla zavedena koncepce výpočtu hodnot odstředivého zrychlení dle tvarů, po kterých se stroj pohybuje. Řídicí systém provádí analýzu více vektorů najednou, což umožňuje získat nenulovou hodnotu rychlosti v uzlech dráhy nástroje. Tento přístup umožňuje je možné dosáhnout přesnějších výpočtů rychlosti, jakou se nástroj může pohybovat po určené dráze. Díky tomu je také možné získat přesnější a rychlejší zpracování dat pro jednotlivé dávky, a zvýšit tak produktivitu výroby. Tato technologie je patentována pod názvem „dynamická vektorová analýza“.

Implementace této metody byla velmi úspěšná. Pro komplikovanou dráhu nástroje čítající desítky tisíc vektorů o celkové délce asi 20 m, při přednastavené rychlosti posuvu 100 mm.s-1 a při použití dynamické analýzy vektorů byla provozní doba kratší než čtyři minuty. Když byla tato funkce vypnutá, provozní doba dosáhla asi 20 minut. Tento obrovský rozdíl v provozní době stroje umožňuje dosáhnout významných výhod při řezání komplikovaných dílů.

Reklama

Technologie vláknových laserů má před sebou pravděpodobně ještě velkou budoucnost. Její potenciál je možné zvyšovat právě neustálým vývojem a zlepšováním strojů, které tuto technologii využívají, implementací nejmodernějších přístupů a poznatků. Uvidíme, kam až nás tento přístup zavede.

Související články
Vláknové lasery: Programování

Každý CNC obráběcí stroj je vybaven řídicím systémem, který určuje možnosti celého zařízení. Základní řídicí systémy nabízejí pouze možnost načíst dráhu nástroje ze souboru, který byl předem připraven v jiném programu, a zahájit obrábění. Pokročilejší systémy pak mohou provádět simulace před obráběním a umožňují změny parametrů a nastavení dráhy nástroje.

Vláknové lasery: Řezání lasery s vysokým výkonem

Vláknové lasery s velmi vysokým výkonem znamenají vysoké náklady na pořízení a používání, ale ne vždy zvyšují také efektivitu výroby. Je pochopitelné, že rozhodnutí o nákupu laseru s vyšším výkonem je spojené s očekáváním vyšších zisků a zvýšením efektivity výroby - ne vždy je však toto očekávání naplněno. Jestliže uvažujeme o tom, jak zvýšení výkonu laseru ovlivní výnosy, je na místě probrat tuto problematiku podrobně.

Výbava laseru

Řezání kovů pomocí laserové technologie umožňuje provozovatelům laserových strojů díky jejich rychlosti a efektivitě dosahovat poměrně vysokých zisků. Pořízení laserové technologie je v posledních letech velmi dobrou investicí jak pro podniky s vlastní výrobou, tak i v případě pořízení stroje pro kooperaci. Pro dosažení požadované kvality řezu a efektivity stroje je však důležitá správná výbava laserového stroje.

Související články
Vláknové lasery: Řezací hlava

Základním principem technologie vláknových laserů je přenos světelné energie generované v laserovém rezonátoru pomocí optického vlákna, a následné usměrnění a zaostření světelného paprsku do místa řezu tak, aby umožňoval řez daného materiálu. Usměrnění laserového paprsku probíhá v řezací hlavě vybavené optikou, a ta je proto jednou z nejdůležitějších částí celého systému.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vláknové lasery:
účinnost a efektivita

Technologie vláknových laserů je dnes fenoménem v oblasti opracování kovových materiálů. Srovnání vláknové technologie s jejím předchůdcem, technologií CO2, bylo publikováno už mnohokrát a dnes je již všeobecně známo, že vláknové lasery kromě zvýšení efektivity a rychlosti, a tím i zvýšení možnosti zisků, přinášejí nemalý ekonomický přínos i z pohledu úspor energií a údržbových nákladů.

Vláknové lasery:
Pohony a konstrukce stroje

Rychlý technologický pokrok v posledních 50 letech klade stále vyšší požadavky na kvalitu a preciznost výroby, ale také na produktivitu. To vyžaduje neustálý vývoj, inovace a implementaci nových poznatků do konstrukce obráběcích strojů. Důležitými faktory pro dosažení přesnosti obrobku a zabezpečení jeho stabilní kvality jsou zpracování samotné konstrukce stroje a volba pohonů stroje.

Výkonné CNC lasery

V letošním roce vstoupil na český trh nový evropský producent laserových řezacích CNC strojů, společnost Kimla, která však v tomto oboru není žádným nováčkem. Na trhu s laserovým řezáním dominuje jenom hrstka zavedených výrobců, jimž přichází konkurovat účastník s vlastní výraznou značkou strojů, které nabízejí vysokou technologickou úroveň a výkon. V České republice výrobce zastupuje společnost Kimla CNC se sídlem v Brně.

Nejrychlejší vláknové lasery se rodí v Polsku

V severní části Slezského vojvodství, asi hodinu a půl cesty autem po dálnici z Ostravy, leží čtvrtmilionové město Čenstochová. V tomto městě sídlí významný výrobce obráběcích strojů, společnost Kimla. Distributorem strojů této značky na českém a slovenském trhu je brněnská firma KM CNC, s jejímiž zástupci jsme výrobní závod společnosti Kimla navštívili.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Na cestě ke zrození stroje, část 3:
Cenová nabídka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Na cestě ke zrození stroje,
Část 1. Průzkum trhu

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje postup výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, v jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu a návratnost investic.

Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

Pokročilá správa dat napříč celým životním cyklem

Obstát na trhu průmyslových výrobců dnes není snadné. Klíčem je úzká spolupráce, přehledná dokumentace, efektivní procesy a co nejméně problémů s kvalitou. S tím vším vám pomůže platforma, která propojuje správu produktových dat (PDM) s cloudovým systémem pro řízení životního cyklu výrobku (PLM).

Cena MM Award na EMO 2019

Také v roce 2019 došlo na udílení cen MM Award. Jedná se o oficiální a jediné ceny udělované na veletrhu EMO. Porota i letos vybírala z mnoha přihlášených exponátů, nejen německých výrobců. Do užšího výběru se jich dostalo jen pár, a nakonec bylo rozdáno pět hlavních cen v pěti kategoriích. S prázdnou neodešly ani firmy, jejichž produkty se ocitly na druhém a třetím místě. I v tomto roce došlo k jistému „posunu“ ve vnímání obsahu jednotlivých kategorií, a tedy i oceněných produktů. Pojďme se podívat na vítězné exponáty podívat jednotlivě. Je to lehký nástin toho, jak EMO vidí němečtí kolegové.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit