Systemy sterowania Beckhoff w wycinarkach laserowych

Wycinanie blach z wykorzystaniem wycinarek laserowych typu fiber cechuje się wysoką precyzją, brakiem widocznych odkształceń materiału, a przede wszystkim dużą szybkością procesu cięcia. Aby jednak zapewnić te parametry, w maszynach muszą być zastosowane m.in. wydajne systemy sterowania i serwonapędowe. 

Wycinarki laserowe pozwalają na cięcie praktycznie dowolnych kształtów w blachach. Wycinarki laserowe EAGLE wykorzystują do procesu ciecia źródło lasera fiber (włóknowego) zapewniające możliwość bezgratowego procesu cięcia cienkich i grubych blach, a przy tym uzyskiwanie precyzyjnych, wąskich szczelin. Producent oferuje trzy serie takich maszyn – eSmart o obszarze obróbczym 1500 × 3000 mm oraz eVision i iNspire, które mogą mieć różne obszary robocze aż do 2500 × 6000 mm. Maszyny są również zróżnicowane wydajnośćiowo – występują w wersjach od ekonomicznych eSmart do wycinarek typu hi-end z serii iNspire, które stanowią rozwiązanie dla wymagającej produkcji masowej. 

Duża prędkość to podstawa

Zaawansowanie techniczne i ciągły wzrost wydajności wycinarek EAGLE tworzy historię Power-Tech. Firma wprowadziła na rynek w 2013 roku maszynę o mocy 6 kW jako pierwszy producent na świecie. Trzy lata temu natomiast zaprezentowana została wycinarka z laserem 12 kW, która spowodowała zwiększenie wydajności pracy i szybkości cięcia przy materiałach o różnej grubości.

Prezes firmy, Janusz Marcin Ejma podrkeśla, że - „Podczas zeszłorocznych targów EuroBLECH światową premierę miała wycinarka laserowa z serii iNspire 1530 z laserem o rekordowej mocy 15 kW! Była to jedyna taka maszyna na targach, zaś zwiedzający mogli na żywo zobaczyć niezwykle dynamiczne cięcie z prędkością 150 m/min.”. Produkowanie maszyn o coraz większej mocy ma ogromny wpływ na wydajność pracy wycinarki, która przekłada się na zyski użytkownika.

Właściciel zaznacza również – „Porównywaliśmy liczbę detali, które wycinane były w ciągu godziny maszynami z laserami o mocach od 4 do 15 kW. Różnica pomiędzy dwiema skrajnymi była ponad czterokrotna. Liczba wyciętych detali przekłada się bezpośrednio na zysk, dodatkowo koszt produkcji maszyną z laserem 15 kW liczony na jeden detal jest około trzykrotnie niższy. Wykonaliśmy liczne testy, z których wynika, że maszyna 15 kW sumarycznie zarobi nawet czternastokrotnie więcej niż ta o mocy 4 kW!”. Zastosowanie wymiany danych oraz wydajnych układów sterowania jest jednak niezbędne, aby w zakresie precyzji i szybkości uzyskać oczekiwane efekty pracy.

Unikalne systemy komunikacyjne i systemy sterowania

Marcin Masternak, Lider Działu CNC/PLC w firmie Power-Tech wypowiada się na temat konstrukcji urządzenia – „Cała konstrukcja maszyny jest podporządkowana naszym flagowym założeniom, czyli aby jej praca była maksymalnie efektywna, co wiąże się bardzo dużymi przyspieszeniami i najwyższymi prędkościami cięcia. W budowie wycinarki zastosowaliśmy korpusy z polimerobetonu, silniki liniowe we wszystkich osiach, ultralekką węglową trawersę oraz źródło lasera o wysokiej mocy – i nie mogliśmy sobie pozwolić na to, aby sterowanie w jakimkolwiek stopniu nas ograniczało”.
Lider Działu CNC/PLC dodaje również – „Poświęciliśmy wiele czasu na wybór odpowiedniego producenta systemów sterowania do naszych maszyn. Przeprowadziliśmy analizę rynku i podjęliśmy decyzję, że firma Beckhoff będzie najlepszym partnerem. Współpracujemy z nią od ponad 9 lat i jesteśmy zadowoleni z podjętej decyzji. Głównym czynnikiem wyboru powyższego producenta była stworzona i promowana przez niego technologia EtherCAT, która zyskuje coraz większe uznanie również wśród innych wytwórców podzespołów do naszych maszyn – m.in. firm Festo, IPG oraz NORD”.

Firma bazuje na dwóch elementach, które stanowią podstawę systemu sterowania i kontroli maszyn. Jest nim oprogramowanie TwinCAT 3 oraz komponenty PC-based marki Beckhoff, które używane są od pierwszej zaprojektowanej maszyny. Funkcjonalność i złożoność wykorzystywanych układów sterowania była jednak inkrementalnie rozbudowywana na przestrzeni lat. Logika działania maszyn napisana jest w języku Structured Text (IEC 61131-3), a używane sterowniki uruchamia się na komputerach przemysłowych. Autorskie rozwiązanie Power-Tech pozwala na wizualizację HMI, a sterowanie osiami możliwe jest dzięki podłączeniu w interpolacji CNC.

Szybka sieć EtherCAT odgrywa kluczową rolę w komunikacji serwonapędów i czujników z elementami systemów sterowania. Czas wymiany danych liczony jest w mikrosekundach, natomiast sprawdzanie parametrów procesu oraz pracy maszyny odbywa się w czasie rzeczywistym. Podczas cięcia w narożnikach i wykonywaniu precyzyjnych konturów, przy jednoczesnym odwzorowywaniu pozycji i prędkości dochodzącej do 150 metrów na minutę, przesyłana jest ogromna ilość informacji.

Jak podkreśla Marcin Masternak – „Polegamy tylko na sieci EtherCAT i to właśnie dzięki niej możemy być tak szybcy jak obecnie jesteśmy. Zdarza się, że czasami podłączymy coś przez IO-Link, ale jest to sporadycznie”. System EtherCAT jest elastyczny pod kątem potencjalnej rozbudowy. Dzieje się tak dlatego, że bazuje on w warstwie fizycznej na standardzie przemysłowego Ethernetu. W celu kontroli pracy systemów składowych maszyn wykorzystywane są karty we/wy, instalowanych na szynie DIN. W celu ich uruchamiania natomiast stosuje się narzędzie Beckhoff Service Tool, pozwalające na sterowanie maszyną z wcześniej utworzonego wirtualnego obrazu, dzięki odpowiednio wgranej konfuguracji systemu.

Pełna integracja

Wycinarki laserowe zaopatrywane są w systemy załadunkowo-rozładunkowe, umożliwiające podwyższenie poziomu wydajności i jednoczesne zminimalizowanie wymogów dotyczących obsługi. W zależności od stopnia zaawansowania produkcji i jej specyfiki stosowane są żurawie typu eLoader lub urządzenia typu Loading Unit, a więc automatyczne systemy załadowcze wyposażone w obrotowe ramię oraz oddzielnie sterowane przyssawki ciśnieniowe. Loading Unitem steruje się przy pomocy operatorskiego panelu, dzięki czemu arkusze blachy umieszczane są na stole wymiennym wycinarki w sposób automatyczny.

System załadunkowo-rozładunkowy Crane Master, w pełni zintegrowany z maszyną jest najbardziej zautomatyzowanym i zaawansowanym dostępnym rozwiązaniem. Przenośnik grzbietowy zbiera ze stołu wycięte elementy, a materiał pobierany jest przez ramę załadowczą i przenoszony na wymieniacz palet wycinarki. Cały proces jest zautomatyzowany i nie wymaga zaangażowania pracownika. System Crane Master Store pozwala na komunikację między maszyną a wieżami magazynowymi typu MonoTower lub TwinTower, co pozwala na obróbkę blach niewymagającą ingerencji siły roboczej.

Lider Działu CNC/PLC komentuje – „Wykorzystywane w maszynach systemy sterowania są oparte tylko i wyłącznie na układach sterowania firmy Beckhoff. Tworząc nowe systemy również opieramy się na tym standardzie. Przykładowo system załadunkowy jest zintegrowany z wycinarką za pomocą kart EK1100. Dzięki temu, korzystając z jednego kabla, jesteśmy w stanie połączyć dwie szafy sterownicze ze sobą. Również wymiana danych jest bardzo prosta, ponieważ całość jest zintegrowana w ramach jednolitego standardu”.

Wieloletnia udana współpraca

Współpraca z lokalnym oddziałem Beckhoff Automation, trwająca blisko dekadę jest oceniana przez polskiego producenta wycinarek laserowych bardzo dobrze. Jej wyniki są imponujące – liczba produkowanych maszyn niejednokrotnie wzrosła o 100% rocznie, a produkty takie jak wycinarki EAGLE trafiały do klientów na całym świecie (m.in. do Czech, Belgii, Włoch, Danii, Izraela, Finlandii, Indii, USA i Australii).

Jak podkreśla Marcin Masternak – „Stawiamy głównie na prędkość i niezawodność działania. Dzięki pomocy specjalistów z firmy Beckhoff osiągnęliśmy prędkość pozycjonowania osi wynoszącą 4 m/s, natomiast symultanicznie wszystkich osi 5,6 m/s. Przyspieszenia w najszybszych maszynach wynoszą 6g! W branży wycinarek laserowych parametry te należą do absolutnej czołówki i zapewniają maszynom EAGLE znaczącą przewagę wydajnościową nad konkurencją”. 

Technologie sterowania, które wykorzystuje firma, pozwalają na dalsze plany rozwoju: „Cały czas udoskonalamy nasze rozwiązania pod względem mechanicznym, elektrycznym i programowym. Z założenia mamy jeden projekt logiki, który jest dedykowany wszystkim typom maszyn, i nic nie stoi na przeszkodzie, aby ten projekt był zainstalowany w innych maszynach. Dodatkowo w serwonapędach jest opcja łatwej zmiany firmware’u”. To z kolei gwarantuje bezpieczeństwo inwestowania w wykorzystywane technologie oraz elastyczność aplikacyjną. 

Źródło: Beckhoff Automation