PL242138B1 - Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych. Zgłoszenie dotyczy technologii, w ramach której następuje wycięcie elementów z blachy pierwszą precyzyjną maszyną obróbczą, wycięcie elementów z profili drugą precyzyjną maszyną obróbczą, po czym następnie powstaje konstrukcja stalowa w wyniku połączenia elementów z obu wcześniejszych etapów. Ma to zastosowanie przy wytwarzaniu konstrukcji szkieletowo-płaszczowych, w szczególności wymagających dużej precyzji wykonania. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych, w szczególności konstrukcji szkieletowo-płaszczowych, polega na tym, że następuje obróbka laserem blachy stalowej, jako połaci płaskiej wsadowej przeznaczonej na elementy płaszcza stalowego i następuje obróbka laserem kształtownika lub profilu stalowego, jako uprzednio wstępnie ukształtowanych przestrzennie elementów wsadowych przeznaczonych na szkielet, przy czym po obróbce wsadu laserem łączy się je w wieloelementową konstrukcję szkieletowo-płaszczową. W procesie obróbki laserem steruje się ruchem głowicy laserowej maszyny obróbczej w zakresie prędkości i linii prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu dostępnym dla głowicy laserowej. Przed obróbką wsadu promieniem lasera mierzy się faktyczną grubość Gf wsadu narzędziem o precyzji nie mniejszej niż 0,1 mm, po czym koreluje się uzyskany wynik z ustawieniem fabrycznym prędkości dedykowanej Vd prowadzenia promienia lasera maszyny obróbczej dla parametru grubości wsadu Gw wyrażonego w pełnych milimetrach po zaokrągleniu grubości Gf wg reguł matematycznych. Następnie prowadzi się promień laserowy w trybie wstępnym testowym zmieniając przynajmniej jednokrotnie prędkość fabrycznie dedykowaną Vd na prędkość testową Vt skorygowaną odpowiednio o prędkość Vs względem prędkości Vd dla błędu D różnego od zera. Prędkość Vs jest skorelowana z błędem metrycznym faktycznej grubości wsadu określonym jako D = Gw - Gf, adekwatnie jest dodatnia bądź ujemna w zależności od znaku +/- błędu D, przy czym Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwszą dziesiątą część milimetra z błędu D prędkość Vs wynosi od 0,02 do 0,09 wartości Vd, z czego bezwzględnie tym mniej im wsad jest grubszy, natomiast dla każdej kolejnej części dziesiątej milimetra z błędu D prędkość Vs dodatkowo zmienia się, bo jej wartość bezwzględna narasta o połowę korekty dotyczącej poprzedniego cząstkowego składnika błędu D. Sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku dodatnim przyjmuje się jako nie większy od 0,4 mm, a sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku ujemnym przyjmuje się jako nie większy od 0,2 mm. Następnie spośród przetestowanych prędkości Vt obiera się dla trybu pracy tą, dla której organoleptycznie ocenione, w tym fizyczne i chemiczne właściwości wsadu są niewadliwe, a ewentualne uszkodzenia mechaniczne minimalne, natomiast po dokonaniu oceny i wyborze prędkości Vt w trybie testowym przechodzi się do trybu pracy, w którym zachowuje się prędkość prowadzenia lasera Vt przez wsad, póki podczas mierzenia przed obróbką wsadu faktyczna grubość Gf kolejnego wsadu nie zmieni się.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych. Wynalazek dotyczy technologii, w ramach której następuje wycięcie elementów z blachy pierwszą precyzyjną maszyną obróbczą, wycięcie elementów z profili drugą precyzyjną maszyną obróbczą, po czym następnie powstaje konstrukcja stalowa w wyniku połączenia elementów z obu wcześniejszych etapów. Ma to zastosowanie przy wytwarzaniu konstrukcji szkieletowo-płaszczowych, w szczególności wymagających dużej precyzji wykonania.

Z powszechnej wiadomości znane są metody obróbcze precyzyjnym urządzeniem laserowym, czy to tnącym, czy grawerującym metal, gdzie metal podawany jest w postaci blach, bądź profili. Precyzyjna obróbka niestety okazuje się mieć pewne mankamenty, które wynikają z niedopasowania parametrów urządzenia do konkretnego materiału poddawanego obróbce. Dopasowanie powinno dotyczyć struktury wewnętrznej metalu, a więc inaczej materiału w rozumieniu konkretnego stopu wydanego z huty jako pewnej partii produktów wstępnie przetworzonych do dalszej obróbki, ale również winno dotyczyć rzeczywistej postaci fizycznej danej partii w rozumieniu zgodności elementów metalowych z danej partii z rozmiarem zadeklarowanym na tabliczce znamionowej pakietu elementów. Zaobserwowane wady obróbki precyzyjnej mogą być mniej lub bardziej widoczne, ale też niezależnie mogą wpływać na pogorszenie się właściwości metalu, który obróbce promieniem lasera był poddawany, choć bezpośrednio wad mechanicznych zaobserwować się od razu po obróbce nie udaje. Spośród tych trudno zauważalnych może być dla przykładu zbyt duży wpływ ciepła lasera na strukturę wewnętrzną metalu w większym niż spodziewane oddaleniu od biegu linii obróbczej, niedokładna, bądź niepełna linia cięcia, z powodu braku dopasowania prędkości promienia lasera, czyli niewłaściwe dopasowanie możliwości obróbczych maszyny do materiału metalicznego, niewłaściwa dobrana moc promienia lasera do materiału obróbczego, itp. Na błędy może składać się kilka z wskazanych przykładowo elementów niedopasowania.

Stąd producenci elementów konstrukcyjnych z metalu, czy to z blachy, czy z wstępnie profilowanych już elementów metalowych, np. kształtowników, bądź profili, stosują dedykowane zabiegi technologiczne, aby zminimalizować błędy w zakresie obróbki materiału. Te dedykowane zabiegi dotyczą doboru samych parametrów w układzie sterowania maszyny obróbczej, dotyczyć jednak mogą także użycia dodatkowych elementów, z których częstym jest stosowanie konkretnej mieszanki gazów, albo stosowanie wspomagania mechanicznego przy kierowaniu wiązki promienia laserowego. Przykładowe, ale konkretne procesy opisane są poniżej.

Ze zgłoszenia polskiego wynalazku o numerze P.418468 znany jest sposób cięcia blachy elektrotechnicznej i segment wycięty z blachy elektrotechnicznej, przeznaczone do wytwarzania generatorów oraz silników elektrycznych. Opisana w nim technologia polega na tym, że impulsową wiązkę promieni laserowych o mocy w zakresie od 1800 W do 2000 W i częstotliwości impulsowania w zakresie od 4,5 kHz do 5,0 kHz, kieruje się ze światłowodu na soczewkę skupiającą, a skupioną wiązką promieni laserowych wycina się z prędkością cięcia w zakresie od 36 m/min do 40 m/min, segmenty w atmosferze gazów obojętnych, korzystnie azotu, który doprowadza się kanałem wlotowym gazu do dyszy. Dysza natomiast kieruje gaz pod ciśnieniem od 15 bar do 17 bar, bezpośrednio w miejsce cięcia blachy elektrotechnicznej. Zaletą technologii jest uzyskanie metalowego segmentu o dość niskiej wysokości gratu wzdłuż krawędzi cięcia, który to wynosi jako zniekształcenie mniej niż 5 μm.

Z patentu polskiego o numerze PAT.220610 znany jest sposób inicjowania procesu cięcia laserowego, blach ze stali niestopowej i niskostopowej z zastosowaniem tlenu, który to polega na tym, że rozpoczęcie procesu cięcia następuje poprzez żłobienie blachy w początkowej fazie wiązką laserową przemieszczającą się po obrysie detalu z jednoczesnym płynnym narastaniem mocy wiązki laser owej od wartości początkowej 40+60% do 100% w czasie 1500 μs do 2000 μs, zsynchronizowanym z jednoczesnym obniżeniem ciśnienia gazu towarzyszącego, korzystnie tlenu z początkowej wartości wyższej o 20+40% od ciśnienia przyjętego dla właściwego procesu cięcia. W końcowej fazie operacji cięcia wiązka laserowa biegnie ponownie i przecina jednak odcinek startowy, na którym proces cięcia był inicjowany, wykonując przesunięcie o zakładkę równą długości odcinka startowego 2,0 do 4,0 mm.

Z polskiego zgłoszenia o numerze P.407119 znany jest sposób cięcia laserowego blach poprzez stapianie, przy użyciu azotu jako gazu towarzyszącego i pracy lasera w trybie ciągłym o mocy wiązki w zakresie do 2 kW. Znany sposób polegał na tym, że prowadzony jest z jednoczesną modulacją wiązki w zakresie częstotliwości od 8,0 do 10,0 kHz, przy długości fali wiązki 1,0 do 1,1 μm.

Kolejne polskie rozwiązanie pokazuje w zgłoszeniu numer P.421380 sposób cięcia laserowego blach z aluminium i stopów aluminium za pomocą generatora. Emituje się na jego potrzeby promieniowanie laserowe o długości fali 0,97 do 0,98 μm i polaryzuje liniowo w płaszczyźnie zgodnej z kierunkiem propagacji wiązki.

Natomiast z patentu polskiego o numerze PAT.217478 znany jest sposób sterowania ruchem głowic laserowego urządzenia do cięcia i znakowania bądź grawerowania. W znanym sposobie głowicę tnącą i laser znakujący wprawia się w ruch w wyniku złożenia ruchu wózka portalu i ruchu samego portalu we współrzędnych (xy). Obiema głowicami steruje się jednocześnie, a miejsce cięcia materiału utrzymuje się w stałej odległości od środka obszaru znakowania. Tnie się z prędkością wypadkową Vp o składowych Vpx i Vpy, w płaszczyźnie osi prostopadłych xy, która to prędkość wypadkowa Vp równa jest prędkości z którą porusza się środek układu współrzędnych obszaru znakowania, a wiązce lasera znakującego nadaje się wypadkową prędkość Vs, będąca sumą wektorową składowych Vsx, Vsy, w płaszczyźnie osi prostopadłych ruchomego układu x'y' zależnych od prędkości kątowej zwierciadeł głowicy skanującej. Wypadkowa prędkość Vs, w układzie odniesienia, jakim jest materiał obrabiany, jest składową wektora wypadkowej prędkości znakowania V obu wypadkowych prędkości lasera tnącego Vp oraz prędkości lasera znakującego Vs. Laserowe urządzenie zawiera głowicę lasera tnącego, umieszczoną na wózku portalu, przesuwanym na prowadnicach na belce portalu, która umieszczona jest na prowadnicach osadzonych prostopadle. Znany sposób w szczególności polega na tym, że posiada laser znakujący połączony z głowicą skanującą wyposażoną w układ wychylnych zwierciadeł umożliwiających przemieszczanie wiązki laserowej wewnątrz zaznaczonego obszaru znakowania, a laser znakujący umieszczony jest wspólnie z głowicą lasera tnącego na wózku portalu usytuowanym na prowadnicach zamocowanych wzdłuż belki portalu.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest z kolei zniwelowanie jak największej ilości możliwych wad w technologii, ze szczególnym ukierunkowaniem na polepszenie dopasowania obrabianych dwóch kategorii elementów z metalu, a mianowicie blach połaciowych i kształtowników, bądź profili. Kształtowniki, bądź profile to elementy w rozumieniu także tych zamkniętych częściowo lub całkowicie, czyli o wstępnie zdefiniowanym kształcie przestrzennym. Dopasowanie jest szczególnie ważne ze względu na koeg zystencję obu kategorii elementów metalowych, czyli płaskich i przestrzennych, w skomplikowanych konstrukcjach szkieletowo-połaciowych, dla których podczas ich użytkowania występują duże naprężenia mechaniczne. Naprężenia mechaniczne występujące w pojazdach, które posiadają szkielet ramowy z obiciem płaszczowym są tym większe, im większy jest rozstaw kół pojazdu i im większa długość pojazdu, a więc i szkieletu z płaszczem, traktowanych jako jednolita konstrukcja po zespoleniu. Niedokładność, która w innych stabilnie osadzonych na podłożu konstrukcjach, mogłaby istnieć bez szkody dla konstrukcji, niestety dla konstrukcji ruchomej podczas użytkowania, w tym ruchomej z powodu naprężeń w wielu kierunkach jednocześnie, jest wydaje się dla trwałości takiej konstrukcji kluczowym parametrem. Poprawienie dokładności obróbczej, zmniejszenie przegrzania materiału podczas procesu przygotowawczego i obróbczego, poprawne i bardziej precyzyjne połączenie elementów, wydają się niwelować niedogodność związaną z obniżeniem jakości i trwałości wielkogabarytowych konstrukcji stalowych przeznaczonych w końcowym użytkowaniu na główny nośny element pojazdów, w szczególności autobusów, wagonów, kabin, pojazdów transportujących, roboczych, ciężarowych, itp.

Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie poprawności wymiarowej i jednocześnie zmniejszenie wad przy pracy cyfrowej maszyny obróbczej wykorzystującej promień lasera, powstałych na skutek niewłaściwego doboru jej parametrów i ustawień do materiału podlegającego obróbce. W szczególności zauważono, że maszyny posiadając grupę zaprogramowanych ustawień fabrycznie dostosowane są do pracy nad określonym i skończonym zbiorem materiału wsadowego, jaki obrabiany jest na stole obróbczym takiej maszyny. Wybór ustawień dokonywany jest zazwyczaj tuż przed obróbką konkretnego materiału wsadowego, a parametrem głównym, dla którego wybór jest dokonywany jest rodzaj stopu metalu i grubość elementu mającego podlegać obróbce, przy czym grubość określana jest przy wyborze ustawień z dokładnością zazwyczaj nie większą niż 1 mm. Zauważono także, że materiał wsadowy w postaci blach lub kształtowników, bądź profili dostarczanych z huty w poszczególnych dostawach, różnią się nieznacznie od wskazań tabliczki znamionowej przypisanej do danej dostawy. Choć maszyna obróbcza posiada zazwyczaj możliwość ręcznego doboru, bądź korygowania ustawień parametrów, to jak wskazano w niniejszym opracowaniu, nie zastosowano do chwili opracowania niniejszego wynalazku możliwości automatycznego, bądź półautomatycznego dostosowania parametrów, w rodzaju prędkości posuwu i doboru mocy promienia lasera maszyny obróbczej, do odstępstw w zakresie rzeczywistej grubości metalowego materiału obrabianego, zasadniczo ze stali. Niniejszy wynalazek ma więc na celu optymalizację, jak wskazano, doboru prędkości posuwu i doboru mocy promienia lasera maszyny obróbczej jednocześnie, przy zwiększeniu rozróżnialności precyzyjnie, bo z dokładnością do 0,1 mm, mierzonej grubości materiału wsadowego. Mając na uwadze, że zasadnie jest rozróżnić obróbkę blach od obróbki kształtowników lub profili stalowych wstępnie ukształtowanych przestrzennie, które także dostarczane są z opisem nie dość precyzyjnie wskazanej grubości, celem niniejszego rozwiązania jest obróbka połaci płaskich i przestrzennych na niezależnych urządzeniach obróbczych, z których obrobione elementy spływać będą do punktu montażowego wielkogabarytowej konstrukcji stalowej. Elementy dokładniejsze i z mniejszym niezasadnym wpływem ciepła przeniesionego z lasera do struktury wewnętrznej materiału, będą odporniejsze na długotrwałe zmęczenie mechaniczne konstrukcji i na naprężenia tej konstrukcji, gdzie zmęczenie i naprężenia podczas jej użytkowania obniżały trwałość powodując rysy lub nawet pęknięcia i rozwarstwienie struktury wielkogabarytowej. Dodatkowym celem jest skrócenie czasu procesu obróbczego, a w konsekwencji także zwiększenie energooszczędności.

Przy pracy nad wynalazkiem zaobserwowano i wykorzystano fakt, że grubość używanych i dostarczanych blach zazwyczaj odbiega od wartości deklarowanych przez producenta. Wartość ta waha się w przedziale od -0.4 mm do +0.1 mm, co oznacza, iż zamawiając np. blachę o grubości 5 mm jej rzeczywista grubość może zawierać się w przedziale <4.6 mm; 5.1 mm>. Związane to może być z procesem niedokładnego walcowania, ale także ze zjawiskiem rozszerzalności cieplnej, gdzie etap walcowania następował przy bardzo gorącej strukturze metalu, która to ostygła i skurczyła się po obróbce. W przypadku mniejszej grubości blachy niż nominalna, można użyć większej prędkości cięcia, co dodatkowo prócz innych zalet generuje oszczędność czasu, a w rezultacie również pobór energii przy zachowaniu odpowiedniej jakości. Dla danej grubości blachy nie jest bowiem wtedy zalecana zmiana mocy podczas operowania promieniem lasera, jednak zasadny jest zwiększony posuw, co przy poborze tej samej mocy, jednak przez krótszy czas, w rezultacie skutkować może oszczędnością energii. W skrajnych przypadkach blachy grubszej od nominalnej, prędkość posuwu lasera powinna zostać zmniejszona, w celu uzyskania odpowiedniej jakości i zminimalizowania ilości defektów. W przypadku użycia dla blachy grubszej ustawień, jak dla blachy nominalnie dostarczonej, zwiększa się ryzyko otrzymania produktu spoza oczekiwanej normy jakości. Ponieważ przypadki z dostarczaną blachą grubszą niż nominalnie oznaczona zdarzają się znacznie rzadziej, to i niezasadne wydaje się uwzględnianie zwiększonego poziomu energii w całości procesu obróbczego.

Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych, w szczególności konstrukcji szkieletowo-płaszczowych, polega na tym, że następuje obróbka laserem blachy stalowej, jako połaci płaskiej wsadowej przeznaczonej na elementy płaszcza stalowego i następuje obróbka laserem kształtownika lub profilu stalowego, jako uprzednio wstępnie ukształtowanych przestrzennie elementów wsadowych przeznaczonych na szkielet, przy czym po obróbce wsadu laserem łączy się je w wieloelementową konstrukcję szkieletowo-płaszczową. W procesie obróbki laserem steruje się ruchem głowicy laserowej maszyny obróbczej w zakresie prędkości i linii prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu dostępnym dla głowicy laserowej. Wynalazek charakteryzuje się tym, że przed obróbką wsadu promieniem lasera mierzy się faktyczną grubość Gf wsadu narzędziem o precyzji nie mniejszej niż 0,1 mm, po czym koreluje się uzyskany wynik z ustawieniem fabrycznym prędkości dedykowanej Vd prowadzenia promienia lasera maszyny obróbczej dla parametru grubości wsadu Gw wyrażonego w pełnych milimetrach po zaokrągleniu grubości Gf wg reguł matematycznych. Następnie prowadzi się promień laserowy w trybie wstępnym testowym zmieniając przynajmniej jednokrotnie prędkość fabrycznie dedykowaną Vd na prędkość testową Vt skorygowaną odpowiednio o prędkość Vs względem prędkości Vd dla błędu D różnego od zera. Prędkość Vs jest skorelowana z błędem metrycznym faktycznej grubości wsadu określonym jako D = Gw - Gf, adekwatnie jest dodatnia bądź ujemna w zależności od znaku +/- błędu D, przy czym Vs jest również skorelowana z D tak, że na pierwszą dziesiątą część milimetra z błędu D prędkość Vs wynosi od 0,02 do 0,09 wartości Vd, z czego bezwzględnie tym mniej im wsad jest grubszy, natomiast dla każdej kolejnej części dziesiątej milimetra z błędu D prędkość Vs dodatkowo zmienia się, bo jej wartość bezwzględna narasta o połowę korekty dotyczącej poprzedniego cząstkowego składnika błędu D. Sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku dodatnim przyjmuje się jako nie większy od 0,4 mm, a sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku ujemnym przyjmuje się jako nie większy od 0,2 mm. Następnie spośród przetestowanych prędkości Vt obiera się dla trybu pracy tą, dla której organoleptycznie ocenione, w tym fizyczne i chemiczne właściwości wsadu są niewadliwe, a ewentualne uszkodzenia mechaniczne minimalne, natomiast po dokonaniu oceny i wyborze prędkości Vt w trybie testowym przechodzi się do trybu pracy, w którym zachowuje się prędkość prowadzenia lasera Vt przez wsad, póki podczas mierzenia przed obróbką wsadu faktyczna grubość Gf kolejnego wsadu nie zmieni się.

Korzystnie obróbka laserem blachy stalowej następuje w pierwszym urządzeniu z głowicą laserową, a obróbka laserem kształtownika lub profilu stalowego następuje w drugim urządzeniu z głowicą laserową, symultanicznie bądź sekwencyjnie.

Korzystnie elementy wykonane z wsadów łączy się w wieloelementową konstrukcję szkieletowopłaszczową poprzez skręcanie i/lub poprzez spawanie.

Korzystnie podczas obróbki wsadu promieniem lasera, wsad nacina się, przecina się, odcina się, otworuje się bądź graweruje się.

Korzystnie linia prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu w trybie testowym obejmuje obszar wolny od obróbki właściwej, w tym obejmuje obszar zaprojektowanego odpadu.

Korzystnie linia prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu w trybie testowym obejmuje obszar dedykowany dla etapu testowego, korzystnie o określonej i powtarzalnej długości, najlepiej 1 m, przy czym linia korzystnie prowadzona jest z wielokrotną zmianą kierunku.

Korzystnie Gf wyznacza się jako pomiar uśredniony z przynajmniej dwóch i z maksimum dziewięciu pomiarów punktowych rozłożonych równomiernie na całej płaszczyźnie wsadu, z czego pomiary prowadzi się korzystnie ramieniem szczękowym.

Korzystnie równomierne rozłożenie zapewnia się dokonując pomiaru tzw. kopertowego, korzystnie w pięciu punktach połaci wsadu, czyli z przynajmniej jednym pomiarem w centrum wsadu i pozostałymi pomiarami w odległości nie mniejszej niż 10% rozmiaru w danym kierunku wsadu od krawędzi wsadu, z czego pomiary prowadzi się korzystnie ramieniem szczękowym.

Korzystnie prędkość dedykowana Vd, jako fabryczne ustawienia maszyny z głowicą laserową ustalona jest dla grubości Gw odpowiednio 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm.

Korzystnie Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwszą dziesiątą część milimetra z błędu D przybierającego wartość ujemną prędkość Vs wynosi do -0,05 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.

Korzystnie Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwsze dwie dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosi do 0,13 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.

Korzystnie Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwsze trzy dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosi do 0,15 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.

Korzystnie Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwsze cztery dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosi do 0,16 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.

Korzystnie skorelowane wartości Gf i Vt, gdzie Gf jest różne od Gw, koreluje się trwale i zapamiętuje w układzie sterowania maszyny obróbczej z głowicą laserową.

Korzystnie aproksymuje się prędkość Vt dla grubości Gf, dla której nie przeprowadzono etapu testowego, przy czym aproksymację wykonuje się na podstawie uprzednio wykonanych i zapamiętanych parametrów skorelowanych ze sobą empirycznie, w szczególności Gf skorelowanego z Gw, dla których wyznaczono odpowiednio prędkość Vt i odczytano Vd, korzystnie w odniesieniu do ustawień systemu sterowania maszyny obróbczej z głowicą laserową do obróbki metalu, korzystnie stali.

Korzystnie wyznacza się krzywą zależności prędkości Vt od grubości Gf, gdzie Gf może także przybierać wartość skorelowaną z nią, czyli Gw, dla danego wsadu, a następnie tą krzywą zależności wykorzystuje do natychmiastowego przejścia w tryb pracy.

Rozwiązanie przedstawione jest w przykładzie wykonania, dla którego obrano pewną partię wsadu dostarczonego pod maszynę obróbczą, zarówno w postaci blach, jak i w postaci kształtowników. Rozwiązanie przedstawiono także schematycznie na rysunku, na Fig. 1 gdzie pokazano punkty pomiarowe rozmieszczone na wsadzie płaskim i obok na wsadzie przestrzennym z pierwszego przykładu wykonania, na Fig. 2 przedstawiono punkty pomiarowe rozmieszczone na wsadzie płaskim i obok na wsadzie przestrzennym z drugiego przykładu wykonania, a na Fig. 3 przedstawiono linie prowadzenia promienia lasera dedykowaną dla trybu testowego, o długości 1 m, która to pozwala oznaczyć również oszczędność energetyczną, na Fig. 4 zestawione są krzywe zależności Vt od Gf dla wszystkich trzech przykładów wykonania, a na Fig. 5 przedstawia krzywe aproksymacji Vt dla trzech przykładów wykonania, natomiast Fig. 6 przedstawia tabele empirycznie przeprowadzonych badań dla wszystkich trzech przykładów wykonania, gdzie Gw odpowiednio wynosiło, 2 mm, 5 mm i 10 mm.

Przykład pierwszy

Przykładowy sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych, w szczególności konstrukcji szkieletowo-płaszczowych, polegał na tym, że następowała obróbka laserem blachy stalowej, jako połaci płaskiej wsadowej przeznaczonej na elementy płaszcza stalowego i następowała obróbka laserem kształtownika w rodzaju kątownika, jako uprzednio wstępnie ukształtowanych przestrzennie elementów wsadowych przeznaczonych na szkielet, przy czym po obróbce wsadu laserem łączyło się je w wieloelementową konstrukcję szkieletowo-płaszczową. W procesie obróbki laserem sterowano ruchem głowicy laserowej maszyny obróbczej w zakresie prędkości i linii prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu dostępnym dla głowicy laserowej. Przed obróbką wsadu promieniem lasera mierzono faktyczną grubość Gf wsadu narzędziem o precyzji nie mniejszej niż 0,1 mm, tym razem 0,05 mm. Następnie korelowano uzyskany wynik z ustawieniem fabrycznym prędkości dedykowanej Vd prowadzenia promienia lasera maszyny obróbczej dla parametru grubości wsadu Gw wyrażonego w pełnych milimetrach po zaokrągleniu grubości Gf wg reguł matematycznych.

Tym razem Gw=2 mm, Vd=4300 mm/min, moc pracy lasera dedykowana przez producenta dla wskazanej Gw to 1000 W dla urządzenia, którym przeprowadzano metodę, natomiast jako Gf obrano trzy wyszukane wśród partii materiału wsadowego odstępstwa, a mianowicie 2,1 mm, 1,95 mm oraz 1,9 mm. Dla każdego odstępstwa wykonano tryb testowy, a wyniki prób zebrano w Tabeli nr 1 na Fig. 6, czyli prowadzono promień laserowy w trybie wstępnym testowym zmieniając przynajmniej jednokrotnie prędkość fabrycznie dedykowaną Vd na prędkość testową Vt skorygowaną odpowiednio o prędkość Vs względem prędkości Vd dla błędu D różnego od zera. Prędkość Vs była skorelowana z błędem metrycznym faktycznej grubości wsadu określonym jako D = Gw - Gf, adekwatnie była dodatnia bądź ujemna w zależności od znaku +/- błędu D, przy czym Vs była również skorelowana z D tak, że na pierwszą dziesiątą część milimetra z błędu D prędkość Vs wynosi od 0,02 do 0,09 wartości Vd, z czego bezwzględnie tym mniej im wsad jest grubszy, natomiast dla każdej kolejnej części dziesiątej milimetra z błędu D prędkość Vs dodatkowo zmienia się, bo jej wartość bezwzględna narastała o połowę korekty dotyczącej poprzedniego cząstkowego składnika błędu D. Sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku dodatnim przyjmuje się jako nie większy od 0,4 mm, a sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku ujemnym przyjmuje się jako nie większy od 0,2 mm, przy czym w tym przypadku błąd wynosił +/-0,1 mm. Następnie spośród przetestowanych prędkości Vt obrano dla trybu pracy tą, dla której organoleptycznie ocenione, w tym fizyczne i chemiczne właściwości wsadu były niewadliwe, a ewentualne uszkodzenia mechaniczne minimalne, natomiast po dokonaniu oceny i wyborze prędkości Vt w trybie testowym nastąpiło przejście do trybu pracy, w którym zachowano prędkość prowadzenia lasera Vt przez wsad, póki podczas mierzenia przed obróbką wsadu faktyczna grubość Gf kolejnego wsadu nie zmieniła się.

W tym przypadku jako możliwą do zaakceptowania dla wskazanych odstępstw w mierze metrycznej dla grubości oceniono prędkość 4100 mm/min, 4500 mm/min, 4550 mm/min, 4650 mm/min i 4750 mm/min, przy czym zebrano próby empiryczne w Tabeli nr 1 na Fig. 6.

Obróbka laserem blachy stalowej następowała w pierwszym urządzeniu z głowicą laserową, a obróbka laserem kształtownika następowała w drugim urządzeniu z głowicą laserową, symultanicznie bądź sekwencyjnie. Elementy wykonane z wsadów łączyło się w wieloelementową konstrukcję szkieletowo-płaszczową poprzez skręcanie i poprzez spawanie. Podczas obróbki wsadu promieniem lasera, wsad nacinano, przecinano, odcinano, a kształtownik otworowano i grawerowano. Linia prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu w trybie testowym obejmowała obszar wolny od obróbki właściwej, w tym obejmowała obszar zaprojektowanego odpadu. W kolejnych następujących po sobie arkuszach blach Gf wyznaczano jako pomiar uśredniony z przynajmniej dwóch i z maksimum dziewięciu pomiarów punktowych rozłożonych równomiernie na całej płaszczyźnie wsadu, z czego pomiary prowadzono w pomiarowym ramieniem szczękowym, tym razem tak, jak na przedstawionym rysunku. Równomierne rozłożenie zapewniano dokonując pomiaru tzw. kopertowego, w dziewięciu punktach połaci wsadu, czyli z przynajmniej jednym pomiarem w centrum wsadu i pozostałymi pomiarami w odległości nie mniejszej niż 10% rozmiaru w danym kierunku wsadu od krawędzi wsadu, z czego pomiary prowadzono właśnie ramieniem szczękowym. Prędkość dedykowana Vd, jako fabryczne ustawienia maszyny z głowicą laserową ustalona była dla grubości Gw odpowiednio 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm. Vs była skorelowana z D tak, że na pierwszą dziesiątą część milimetra z błędu D przybierającego wartość ujemną prędkość Vs wynosiła do -0,05 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad był grubszy. Skorelowane wartości Gf i Vt, gdzie Gf było różne od Gw, korelowano trwale i zapamiętano w układzie sterowania maszyny obróbczej z głowicą laserową. Aproksymowano prędkość Vt dla grubości Gf, dla której nie przeprowadzono etapu testowego, przy czym aproksymację wykonano na podstawie uprzednio wykonanych i zapamiętanych parametrów skorelowanych ze sobą empirycznie, w szczególności Gf skorelowanego z Gw, dla których wyznaczono odpowiednio prędkość Vt i odczytano Vd, w odniesieniu do ustawień systemu sterowania maszyny obróbczej z głowicą laserową do obróbki metalu, w szczególności stali. Wyznaczono krzywą zależności prędkości Vt od grubości Gf, gdzie Gf może także przybierać wartość skorelowaną z nią, czyli Gw, dla danego wsadu, a następnie tą krzywą zależności wykorzystano do natychmiastowego przejścia w tryb pracy dla powtarzających się Gf oraz dla nowych, dla których można było skorzystać z wyznaczonych krzywych zależności.

Przykład drugi

Jak w przykładzie pierwszym, z następującymi różnicami. Zamiast kształtownika stosowano profil stalowy zamknięty kwadratowy. Tym razem Gw=5 mm, Vd=3500 mm/min, moc pracy lasera dedykowana przez producenta dla wskazanej Gw to 3000 W dla urządzenia, którym przeprowadzano metodę, natomiast jako Gf obrano pięć wyszukanych wśród partii materiału wsadowego odstępstw, a mianowicie 5,1 mm, 4,9 mm oraz 4,8 mm, 4,7 mm, 4,6 mm. Dla każdego odstępstwa wykonano tryb testowy, a wyniki prób zebrano w Tabeli nr 2 na Fig. 6.

Obróbka laserem blachy stalowej następowała w pierwszym urządzeniu z głowicą laserową, a obróbka laserem profilu następowała w drugim urządzeniu z głowicą laserową, sekwencyjnie. Linia prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu w trybie testowym obejmowała obszar dedykowany dla etapu testowego, o określonej i powtarzalnej długości 1 m, przy czym linia prowadzona była z wielokrotną zmianą kierunku. Równomierne rozłożenie zapewniano dokonując pomiaru tzw. kopertowego, w pięciu punktach połaci wsadu, czyli z przynajmniej jednym pomiarem w centrum wsadu.

Vs była skorelowana z D tak, że na pierwsze dwie dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosiła do 0,13 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad był grubszy. Vs była skorelowana z D tak, że na pierwsze trzy dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosiła do 0,15 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad był grubszy. Vs była skorelowana z D tak, że na pierwsze cztery dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosiła do 0,16 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad był grubszy. Wyniki empiryczne i ocenę jakości dla obranych parametrów zestawiono w Tabeli nr 2 na Fig. 6.

P rz y k ł a d trzeci

Jak w przykładzie drugim, z następującymi zmianami. Tym razem Gw=10 mm, Vd=1800 mm/min, moc pracy lasera dedykowana przez producenta dla wskazanej Gw to 3500 W dla urządzenia, którym przeprowadzano metodę, natomiast jako Gf obrano pięć wyszukanych wśród partii materiału wsadowego odstępstw, a mianowicie 10,1 mm, 9,9 mm oraz 9,8 mm, 9,7 mm, 9,6 mm. Dla każdego odstępstwa wykonano tryb testowy, a wyniki prób empiryczne i ocenę jakości dla obranych parametrów zestawiono w Tabeli nr 3 na Fig. 6.

Claims (16)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych, w szczególności konstrukcji szkieletowo-płaszczowych, w którym następuje obróbka laserem blachy stalowej, jako połaci płaskiej wsadowej przeznaczonej na elementy płaszcza stalowego i następuje obróbka laserem kształtownika lub profilu stalowego, jako uprzednio wstępnie ukształtowanych przestrzennie elementów wsadowych przeznaczonych na szkielet, przy czym po obróbce wsadu laserem łączy się je w wieloelementową konstrukcję szkieletowo-płaszczową, a w procesie obróbki laserem steruje się ruchem głowicy laserowej maszyny obróbczej w zakresie prędkości i linii prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu, dostępnym dla głowicy laserowej, znamienny tym, że przed obróbką wsadu promieniem lasera mierzy się faktyczną grubość Gf wsadu narzędziem o precyzji nie mniejszej niż 0,1 mm, po czym koreluje się uzyskany wynik z ustawieniem fabrycznym prędkości dedykowanej Vd prowadzenia promienia lasera maszyny obróbczej dla parametru grubości wsadu Gw wyrażonego w pełnych milimetrach po zaokrągleniu grubości Gf wg reguł matematycznych, po czym prowadzi się promień laserowy w trybie wstępnym testowym zmieniając przynajmniej jednokrotnie prędkość fabrycznie dedykowaną Vd na prędkość testową Vt skorygowaną odpowiednio o prędkość Vs względem prędkości Vd dla błędu D różnego od zera, gdzie prędkość Vs jest skorelowana z błędem metrycznym faktycznej grubości wsadu określonym jako D = Gw - Gf, adekwatnie jest dodatnia bądź ujemna w zależności od znaku +/- błędu D, przy czym Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwszą dziesiątą część milimetra z błędu D prędkość Vs wynosi od 0,02 do 0,09 wartości Vd, z czego bezwzględnie tym mniej im wsad jest grubszy, natomiast dla każdej kolejnej części dziesiątej milimetra z błędu D prędkość Vs dodatkowo zmienia się, bo jej wartość bezwzględna narasta o połowę korekty dotyczącej poprzedniego cząstkowego składnika błędu D, z czego sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku dodatnim przyjmuje się jako nie większy od 0,4 mm, a sumaryczny pokazany bezwzględnie błąd D o znaku ujemnym przyjmuje się jako nie większy od 0,2 mm, po czym spośród przetestowanych prędkości Vt obiera się dla trybu pracy tą, dla której organoleptycznie ocenione, w tym fizyczne i chemiczne właściwości wsadu są niewadliwe, a ewentualne uszkodzenia mechaniczne minimalne, natomiast po dokonaniu oceny i wyborze prędkości Vt w trybie testowym przechodzi się do trybu pracy, w którym zachowuje się prędkość prowadzenia lasera Vt przez wsad, póki podczas mierzenia przed obróbką wsadu faktyczna grubość Gf kolejnego wsadu nie zmieni się.
2. 2. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbka laserem blachy stalowej następuje w pierwszym urządzeniu z głowicą laserową, a obróbka laserem kształtownika lub profilu stalowego następuje w drugim urządzeniu z głowicą laserową, symultanicznie bądź sekwencyjnie.
3. 3. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy wykonane z wsadów łączy się w wieloelementową konstrukcję szkieletowopłaszczową poprzez skręcanie i/lub poprzez spawanie.
4. 4. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że podczas obróbki wsadu promieniem lasera, wsad nacina się, przecina się, odcina się, otworuje się bądź graweruje się.
5. 5. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1, znamienny tym, że linia prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu w trybie testowym obejmuje obszar wolny od obróbki właściwej, w tym obejmuje obszar zaprojektowanego odpadu.
6. 6. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1, znamienny tym, że linia prowadzenia promienia laserowego po obszarze obrabianego wsadu w trybie testowym obejmuje obszar dedykowany dla etapu testowego, korzystnie o określonej i powtarzalnej długości, najlepiej 1 m, przy czym linia korzystnie prowadzona jest z wielokrotną zmianą kierunku.
7. 7. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1, znamienny tym, że Gf wyznacza się jako pomiar uśredniony z przynajmniej dwóch i z maksimum dziewięciu pomiarów punktowych rozłożonych równomiernie na całej płaszczyźnie wsadu, z czego pomiary prowadzi się korzystnie ramieniem szczękowym.
8. 8. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 7, znamienny tym, że równomierne rozłożenie zapewnia się dokonując pomiaru tzw. kopertowego, korzystnie w pięciu punktach połaci wsadu, czyli z przynajmniej jednym pomiarem w centrum wsadu i pozostałymi pomiarami w odległości nie mniejszej niż 10% rozmiaru w danym kierunku wsadu od krawędzi wsadu, z czego pomiary prowadzi się korzystnie ramieniem szczękowym.
9. 9. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1, znamienny tym, że prędkość dedykowana Vd, jako fabryczne ustawienia maszyny z głowicą laserową ustalona jest dla grubości odpowiednio 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm.
10. 10. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwszą dziesiątą część milimetra z błędu D przybierającego wartość ujemną prędkość Vs wynosi do -0,05 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.
11. 11. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwsze dwie dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosi do 0,13 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.
12. 12. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwsze trzy dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosi do 0,15 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.
13. 13. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że Vs jest skorelowana z D tak, że na pierwsze cztery dziesiąte części milimetra z błędu D przybierającego wartość dodatnią prędkość Vs wynosi do 0,16 wartości Vd, z czego tym mniej im wsad jest grubszy.
14. 14. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 13, znamienny tym, że skorelowane wartości Gf i Vt, gdzie Gf jest różne od Gw, koreluje się trwale i zapamiętuje w układzie sterowania maszyny obróbczej z głowicą laserową.
15. 15. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. od 1 albo 14, znamienny tym, że aproksymuje się prędkość Vt dla grubości Gf, dla której nie przeprowadzono etapu testowego, przy czym aproksymację wykonuje się na podstawie uprzednio wykonanych i zapamiętanych parametrów skorelowanych ze sobą empirycznie, w szczególności Gf skorelowanego z Gw, dla których wyznaczono odpowiednio prędkość Vt i odczytano Vd, korzystnie w odniesieniu do ustawień systemu sterowania maszyny obróbczej z głowicą laserową do obróbki metalu, korzystnie stali.
16. 16. Sposób wytwarzania wielkogabarytowych konstrukcji stalowych według zastrz. 1 albo 14 albo 15, znamienny tym, że wyznacza się krzywą zależności prędkości Vt od grubości Gf, gdzie Gf może także przybierać wartość skorelowaną z nią, czyli Gw, dla danego wsadu, a następnie tą krzywą zależności wykorzystuje do natychmiastowego przejścia w tryb pracy.