Как една пропорционална клапа за режещ газов кръг осигурява динамична регулация на газовото налягане?

При лазерното рязане повечето оператори отделят значителни усилия за оптимизиране на лазерната мощност, скоростта на рязане и положението на фокуса. Напротив, налягането на газа рядко получава същото внимание — докато не възникнат проблеми. Пробити отвори с изгорени краища, изгорели ъгли, излишни отпадъци върху дебелите участъци и непостоянно качество на разреза по сложни контури: това не са винаги проблеми, свързани с лазера. Често те са проблеми, свързани с газа, а по-точно — проблеми с налягането на газа, което не може да се адаптира към това какво всъщност прави пътят на рязане в даден момент (в рамките на всяка милисекунда).

Традиционният отговор за управление на помощния газ е бил прост: ръчен регулатор на налягането, зададен веднъж и оставен без промяна. Или соленоиден клапан за включване/изключване — отворен по време на рязане и затворен, когато рязането не се извършва. Тези решения са достатъчни, когато цялата задача представлява праволинеен разрез в неръждаема стомана с дебелина 2 мм. Те обаче стават узкото място в момента, в който пътят на рязането включва пробиване, остър вътрешен ъгъл, микросъединение или преход от тънък към дебел материал.

Пропорционалният клапан напълно променя логиката. Вместо фиксирано налягане, към което процесът трябва да се адаптира, налягането на газа става динамична променлива, която следва процеса на рязане в реално време — ниско по време на пробиване, за да се предотврати избухването, високо по време на праволинейно рязане, за да се почисти резовата пукнатина, и намалено в ъглите, за да се предотврати прекомерното изгаряне. В тази статия се обяснява как това работи механично, какво означава за качеството на рязането и как серията FRP/FRI/FRV на Raysoar го осъществява на практика.

Защо фиксираното налягане на газа е компромис

За да разберем какво решава пропорционалният клапан, полезно е първо да разберем характера на проблема.

По време на типична последователност от лазерно рязане изискването към налягането на газа се променя на всяка фаза от процеса:

По време на пробиване , лазерът пробива начална дупка в неподвижно положение. Топлинната вана се натрупва бързо и вътрешното налягане може рязко да се повиши. Ако в този момент налягането на помощния газ е твърде високо, разтопеният метал се изхвърля насилствено, образувайки голяма, неправилна дупка с изригване, която поврежда повърхността на материала и оставя груб входен отвор за последващото рязане. Оптималното налягане за пробиване е намерено да бъде ниско — често 30 % до 50 % от налягането за рязане, използвано при праволинейното рязане. Дори при многостепенно пробиване с кислород на по-дебели въглеродни стомани налягането на газа трябва да се регулира по стъпки.

По време на праволинейно рязане , желателно е да се използва високо налягане на газа. Скоростта на рязане е максимална, резът е дълъг и непрекъснат, а струята газ трябва ефективно да измива разтопения материал от дъното на реза, преди той да се затвърди отново като шлака. Недостатъчното налягане в този случай води до образуване на шлака по долната ръбова част, намаляване на ограниченията за скоростта на рязане или непълно проникване при по-дебели сечения.

По време на остри завои и малки радиуси главата за рязане рязко намалява скоростта си. Енергията на единица дължина рязко нараства. Ако налягането на газа остане на пълното ниво за рязане, излишната топлина в комбинация с намалената скорост на движение води до изгаряне на геометрията на ъгъла — феномен, който операторите наричат „преждевременно изгаряне“ или закръгляне на ъглите. Намаляването на налягането на газа, докато главата забавя, предпазва геометрията на ъглите.

По време на микросъединения и табови елементи програмираната цел е нарочно да се остави тънка връзка. Високонапрежен газов поток в неподходящ момент може да откъсне таба преждевременно.

При ръчно регулиране, зададено на фиксирана стойност, вие избирате една-единствена компромисна точка за всички тези сценарии. Стойност, която предотвратява издуването при пробиване, ще осигури недостатъчно налягане за рязане на дебели плочи. Стойност, оптимизирана за праволинейно отстраняване на материала, ще изгори всеки ъгъл. Типичният практически отговор е ръчната корекция на регулатора между отделните елементи — което добавя човешко вмешателство, несъгласуваност и намалява производителността.

Пропорционалните клапани, управлявани от ЧПУ, решават този проблем, като превръщат налягането на газа в програмирана ос на процеса на рязане, реагираща на пътните инструкции от контролера.

Какво всъщност прави пропорционална клапана — и как

Пропорционалният клапан е електропневматично устройство, което преобразува непрекъснат електрически управляващ сигнал в непрекъснато променлив изходен налягане. За разлика от соленоидния клапан, който има само два състояния (отворен или затворен), пропорционалният клапан може да задава и поддържа всяко налягане в рамките на своята работна област и да променя това налягане гладко и бързо в отговор на променящ се команден сигнал.

Основният принцип включва два независимо регулирани клапана с плъзгащ се елемент — един за входящия (подавания) поток и един за изходящия поток. Чрез модулиране на относителното отваряне на двата плъзгащи се елемента едновременно клапанът постига бързо, стабилно и възпроизводимо целево налягане без колебания или надвишаване. Двуплъзгащата се архитектура е от съществено значение: тя позволява на клапана активно както да увеличава, така и да намалява налягането, вместо да разчита на изпускане на налягането надолу по течението за намаляване. Това е това, което осигурява бързите преходи на налягането, необходими, когато резещата глава преминава от прав линеен участък в ъгъл за част от секундата.

Входният сигнал за управление обикновено е аналогов сигнал от 0 до 10 V, който се изобразява линейно върху диапазона на изходното налягане на клапана. При 0 V изходът е минимален; при 10 V изходът е максимален. CNC контролерът издава напрежение като команда, а клапанът реагира. За системи с изисквания към шинна комуникация интерфейсите Profinet или EtherCAT позволяват зададената стойност на налягането да се вгради директно в програмата за движение на CNC като параметър — няма нужда от отделно аналогово окабеляване и няма несъответствие при калибриране.

Обратната връзка затваря контура: вграденият датчик за налягане непрекъснато следи изходното налягане на клапана и го предава обратно на вътрешната управляваща електроника, която коригира положението на плунжерите, за да поддържа зададената стойност. Това затворено управление осигурява повторяемост от 1 % от пълния мащаб (FS), което отличава пропорционалната клапана от проста игловидна клапана или ръчен регулатор.

Динамичен профил на налягането: Как изглежда в практиката

С интегриран пропорционален клапан в процеса на CNC рязане типичният профил на налягане за сложна част изглежда приблизително по следния начин:

• Предварително пробиване : Налягането на газа се увеличава постепенно до ниска стойност за пробиване (например, 2–4 бара при рязане с азот на неръждаема стомана с дебелина 6 мм).
• Пробиването е завършено, започва рязането : Налягането се преминава бързо към пълната стойност за рязане (например, 12–16 бара), докато главата започва да се движи.
• Прави отсечки : Налягането се поддържа на стойността за рязане.
• Приближаване към остър ъгъл : Когато контролерът установи началото на зоната за забавяне, допълнителна команда G-code едновременно намалява налягането на газа пропорционално.
• Излизане от ъгъла : Налягането се повишава отново до стойността за рязане, когато скоростта се възстанови.
• Край на рязането : Налягането намалява до режим на готовност, издухване или нула, според случая.

Този цял профил се изпълнява напълно автоматично, без каквото и да е операторско вмешателство. Той се програмира веднъж в технологичната рецепта за рязане за даден материал и дебелина и след това се възпроизвежда идентично за всяка детайла. Предимството от последователността е толкова важно, колкото и предимството от качеството: човешката корекция внася вариабилност, докато програмираната пропорционална клапа не прави това.

Raysoar FRP / FRI / FRV Серия: Архитектура на продукта

Линейката газови регулатори на Raysoar за лазерно рязане включва три семейства, като всяко от тях е предназначено за различни сценарии на интеграция.

FRP05 и FRV07 : Автономни пропорционални клапи

Това са основните елементи за пропорционално регулиране, проектирани за инсталации, при които околната клапанна арматура вече е монтирана или се изгражда по поръчка.

The FRP05 има диаметър на отвора 5 мм и обхваща работния диапазон 0–10 bar. Приема аналогов входен сигнал 0–10 V и е подходящ за приложения с по-нисък разход на газ: рязане на тънки плочи, по-малки лазерни мощности или инсталации, при които общият разход на газ за цикъл е скромен.

The FRV07 се увеличава до диаметър на отвора 7 мм и разширява диапазона на налягане до 0–28 bar — за да отговори на изискванията за рязане с азот под високо налягане на дебели плочи от въглеродна стомана или неръждаема стомана, както и за приложения, при които налягането на подавания асистентен газ е в по-високия край на диапазона. FRV07 е достъпен с аналогово управление (0–10 V) или комуникация чрез полева шина (Profinet / EtherCAT), което позволява директно включване в напълно цифрова CNC среда без нужда от отделен D/A преобразувател.

От компонент до пълен контур: Как Raysoar пакетира технологията

Сърцевината на динамичния контрол на налягането е пропорционалният клапан с двойна спирала, който Raysoar доставя в конфигурации, адаптирани към реалните условия на инсталация. За производители на оригинално оборудване (OEM), които проектират персонализирани газови вериги, FRP05 и FRV07 самостоятелните клапани осигуряват основния електропневматичен елемент за управление – FRP05, който работи в диапазона 0–10 бара за приложения с тънки плочи, и FRV07, който разширява управлението до 28 бара с опции за полеви шини за директна интеграция с ЧПУ. За модернизация от крайни потребители или за стандартни машини интегрираните съединения FRI елиминират инженерната сложност при комбиниране на пропорционален клапан, соленоид и клапан-разпределител от отделни източници. Този подход „за закрепване“ гарантира, че описаните по-горе динамични профили на налягане могат да бъдат реализирани без допълнителна тръбна арматура или усложнена система за управление.

Избор на правилната конфигурация

Изборът между самостоятелните пропорционални клапани от FRP, интегрираните съединения FRI и избирачните клапани FRV зависи от три фактора: типа газ, диапазона на дебелина на материала и нивото на интеграция, изисквано от системата за управление.

За рязане на тънки листове с помощта на кислород, при което основен критерий е цената , FRP05 или FRI05 е естествена отправна точка. Рязането с кислород на мека стомана обикновено се извършва при по-ниски налягания (по-малко от 6 бара за тънки сечения), а изискванията към разхода са умерени. Диаметърът на каналите от 5 мм осигурява необходимите разходи, без да има прекомерно увеличаване на размерите, а аналоговият интерфейс е достатъчен за CNC контролери с възможност за аналогов изход.

За рязане на дебели листове с високо налягане азот или компресиран въздух , а особено когато системата за управление е базирана на шина (Siemens, Beckhoff или подобни), серията FRV07 или FRI09 е подходящият избор. Диаметърът на отвора от 7–9 мм осигурява необходимата пропускна способност за азот под високо налягане при максималния диаметър на дюзата, а интерфейсът Profinet/EtherCAT се интегрира безпроблемно в програмата за ЧПУ без допълнително хардуерно осигуряване.

За инсталации, които обработват множество материали от една и съща машина , където промяната на типа газ е част от нормалния производствен процес, селекторният клапан FRV07-2/3 в комбинация с интегрирана сборка FRI представлява пълното решение. Тази конфигурация елиминира ръчните превключвания на газа, намалява грешките на оператора и позволява съхраняването на рецепти за газ, специфични за всеки материал, като програми за ЧПУ.