SK500402011A3

SK500402011A3 - CNC plasma cutting machine, oxygen and water jet cutting as a tool for auto-adjusting the exact position of the cutting tool in the cutting head autocalibration and how such a setup

Info

Publication number: SK500402011A3
Application number: SK50040-2011A
Authority: SK
Inventors: Alexander Varga; Juraj Busa; Marian Flassik
Original assignee: Microstep Spol. S R.O.
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-06-03
Also published as: EP2584419B1; SK288259B6; EP2584419A3; EP2584419A2

Description

CNC stroj na rezanie plazmou, kyslíkom a vodným lúčom ako rezacím nástrojom s automatickým nastavovaním presnej polohy rezacieho nástroja v rezacej hlave autokalibráciou, a spôsob takéhoto nastavovania

Oblasť techniky

Vynález sa CNC strojov na rezanie plazmou, kyslíkom a vodným lúčom s automatickým nastavovaním presnej polohy rezacieho nástroja v rezacej hlave autokalibráciou, určených na delenia materiálov v strojárenstve, v kovovýrobe a v širokom spektre výrobných procesov, v ktorých je možné tieto rezacie technológie aplikovať. Vynález sa taktiež týka spôsobu takéhoto nastavovania.

Doterajší stav techniky

V súčasnosti vyrábané CNC stroje určené na 3D rezanie materiálov technológiou plazmového rezania, rezania kyslíkom a rezania vodným lúčom sú opatrené mechanickým nastavovacím systémom presnej polohy rezacieho nástroja - horáka resp. rezacej trysky v kinematickom reťazci stroja tak, aby skutočná poloha rezacieho nástroja bola identická so želanou polohou v celom rozsahu pohybov rezacieho nástroja. Keďže v procese rezania dochádza často z technologických dôvodov ku kolízii rezacieho nástroja s rezaným materiálom sú tieto nástroje uložené v protikolíznych držiakoch, ktoré nezabezpečujú dokonalý návrat rezacieho nástroja do nastavenej polohy po odstránení kolízie. Pre dosiahnutie vysokej presnosti v procese rezania je preto potrebné polohu rezacieho nástroja často mechanicky nastavovať, pričom tento proces je zdĺhavý a znižuje produktivitu rezacieho stroja. Pre zjednodušenie nastavovacieho procesu sa aplikujú rôzne meracie systémy, ktoré uľahčujú proces mechanického nastavovania, avšak napriek týmto meracím pomôckam je proces nastavovania zdĺhavý, vyžaduje kvalifikovanú obsluhu a proces nastavovania predstavuje významný výpadok produkčného času stroja.

V prípade ak je stroj opatrený viacerými rezacími hlavami je tento nastavovací proces ešte náročnejší na potrebný čas a kvalifikovanosť obsluhy stroja.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky sa odstránia použitím CNC stroja podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že na jeho mechanike, pozostávajúcej z pozdĺžnych vedení pohybovej osi X a portálu s jedným suportom s pohybovými osami Y, Z nesúcim rezaciu

-2hlavu opatrenú pohonným systémom s pohybovými osami A, B náklonu rezacieho nástroja, resp. ďalšími prídavnými suportmi s pohybovými osami X_h Yj, ,Zj nesúcimi ďalšie rezacie hlavy opatrené pohonným systémom s pohybovými osami Aj, Bi náklonu rezacích nástrojov, je v pracovnom priestore rezacej hlavy stroja, resp. v prieniku pracovných priestorov v prípade viacerých rezacích hláv, umiestnená meracia stanica polohy rezacieho nástroja, ktorá realizuje meranie skutočnej polohy jeho koncového bodu v smere jednotlivých súradnicových osí X, Y, Z rezacieho stroja, pričom výstup tejto meracej stanice je napojený do riadiaceho systému stroja. Pracovný priestor rezacej hlavy je určený pohybovým rozsahom jednotlivých pohybových osí. Riadiaci systém stroja realizuje po kolízii rezacieho nástroja, alebo na pokyn obsluhy prostredníctvom meracej stanice automatickú kontrolu jeho skutočnej polohy. V prípade, že nedošlo k odchýlke skutočnej polohy od želanej, rezací proces pokračuje. V prípade, ak odchýlka nastala, prechádza systém do režimu autokalibrácie. Režim autokalibrácie začína výmenou koncového nástavca rezacej hlavy za merací nástavec. V prípade ak je CNC rezací stroj opatrený automatickou výmenou koncových nástavcov rezacej hlavy, prebehne tento proces automaticky a v prípade ak CNC rezací stroj nie je opatrený automatickou výmenou, je tento vymenený obsluhou. Režim autokalibrácie pokračuje identifikáciou skutočnej polohy koncového bodu meracieho nástavca na meracej stanici postupne v smere súradnicových osí X, Y, Z. Identifikácia slúži k zjednoteniu súradnicovej sústavy rezacej hlavy s meracím nástavcom, ktorá je od želanej polohy vychýlená, so súradnicovou sústavou meracej stanice. Po zosúladení súradnicových sústav je merací nástavec rezacej hlavy zasunutý do meracej stanice a riadiaci systém spúšťa merací proces, pri ktorom je postupne rezacia hlava naklápaná v celom rozsahu možných náklonov definovaných pracovným priestorom stroja. Počas tohto procesu riadiaci systém stroja prostredníctvom meracej stanice zaznamenáva údaje o pohybe koncového bodu meracieho nástavca v smere súradnicových osí X, Y, Z. Pri presnom nastavení rezacej hlavy sú pohyby koncového bodu meracieho nástavca v smere jednotlivých osí nulové. Po ukončení merania riadiaci systém vyhodnotí odchýlky koncového bodu meracieho nástavca od želanej presnej polohy a vypočíta polohové odchýlky, ktorými je potrebné želané hodnoty polohy v jednotlivých súradnicových osiach stroja deformovať pre dosiahnutie presnej polohy meracieho nástavca rezacej hlavy v celom rozsahu jeho náklonov. Po ukončení tohto procesu je merací nástavec automaticky, alebo obsluhou vymenený za rezací nástavec a v procese následného rezania sú korekcie automaticky uplatňované pri generovaní trajektórie koncového bodu rezacieho nástroja interpolátorom riadiaceho systému. Ide o samoučiaci sa proces - autokalibráciu polohy rezacieho nástroja.

-3V prípade ak CNC rezací stroj je opatrený dvoma alebo viacerými rezacími hlavami, potom každá rezacia hlava, okrem prvej rezacej hlavy, musí byť opatrená samostatným pohonom v smere osi Y / pohybová os Y| / a musí obsahovať krátku pomocnú pohybovú os X_b ktorá pohybuje príslušnou rezacou hlavou v smere hlavnej pohybovej osi X stroja. Autokalibrácia v tomto prípade prebehne postupne pre každú rezaciu hlavu samostatne v tej istej meracej stanici, pričom táto na rezacom stroji musí byť umiestnená v mieste, v ktorej sa pracovné oblasti všetkých rezacích hláv prekrývajú. Riadiaci systém stroja po uskutočnení kalibrácie prvej rezacej hlavy a určení korekcií pre ňu, realizuje kalibráciu druhej rezacej hlavy rovnakým postupom ako prvej, pričom korekcia dráhy v smere pohybových osí X, Y, Z v procese rezania sú uplatnené na príslušnú pomocnú pohybovú os Xj a pohybové osi Y|, Zi.

Použitím autokalibrácie už nie je potrebné mechanické nastavovanie polohy rezacieho nástroja v rezacej hlave, čo významne urýchľuje proces nastavenia stroja a dosahovanie vysokej presnosti pri rezaní aj v prípade, ak je stroj opatrený viacerými rezacími hlavami.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1. Rezací stroj s automatickým nastavovaním presnej polohy rezacieho nástroja v rezacej hlave autokalibráciou

Obr. 2. Možné kinematické štruktúry rezacej hlavy

Príklad uskutočnenia vynálezu

Príkladom uskutočnenia vynálezu je CNC stroj na rezanie jedným alebo viacerými rezacími nástrojmi znázornený na obr. 1, opatrený rezacou hlavou umožňujúcou realizovať náklon rezacích nástrojov v procese rezania za účelom rezania dielcov s úkosmi, potrebnými pre následné zváracie procesy, pričom alternatívne možnosti realizácie kinematickej štruktúry rezacej hlavy sú znázornené na obr. 2.

Rezací stroj podľa vynálezu pozostáva z pozdĺžnych pohybových osí X 1 s pohonmi 5 pozdĺžnych osí X 1_ a portálu 2 s prvým suportom 3 s pohybovou osou Y s pohonom 6 pohybovej osi Y a s pohybovou osou Z s pohonom 7 pohybovej osi Z nesúcim prvú rezaciu hlavu 20, zabezpečujúcu náklon rezacieho nástroja W, opatrenú pohybovou osou A s pohonom 9 pohybovej osi A a pohybovou osou B s pohonom 8 pohybovej osi B; meracej stanice 17 ; riadiaceho systému 22 s interpolátorom; rezacieho a meracieho nástavca 11, ktoré môžu byť uložené vo výmenníku 23 koncových nástavcov

-4a pracovného stola 19. Na obr. 2 sú znázornené alternatívy kinematiky rezacej hlavy 20 realizujúcej náklon rezacieho nástroja 10 v procese rezania. V prípade požiadavky paralelného rezania viacerými rezacími nástrojmi 10. môže rezací stroj obsahovať ďalšie prídavné suporty, druhý, tretí až i-ty suport 4, ktoré sú opatrené pohybovými osami Xj 18 s pohonom 12 pohybovej osi Xj, Y, s pohonom 13 pohybovej osi Yj a Zj s pohonom 14 pohybovej osi Z_h Tieto i-te suporty 4 nesú ďalšie rezacie hlavy opatrené pohonným systémom s pohybovými osami Aj s pohonom 16 pohybovej osi Aj a B| pohonom 15 pohybovej osi Bj náklonu rezacích nástrojov 10. V pracovnom priestore rezacej hlavy 20, resp. v prieniku pracovných priestorov v prípade viacerých rezacích hláv 20, 21, je umiestnená meracia stanica 17 polohy rezacieho nástroja 10. ktorá realizuje meranie polohy jeho koncového bodu v smere jednotlivých súradnicových osí X, Y, Z rezacieho nástroja, pričom výstup tejto meracej stanice je napojený do riadiaceho systému 22 stroja. Riadiaci systém 22 stroja realizuje po kolízii rezacieho nástroja 10, alebo na pokyn obsluhy prostredníctvom meracej stanice 17 automatickú kontrolu jeho skutočnej polohy. V prípade ak nedošlo k odchýlke skutočnej polohy od želanej polohy, rezací proces pokračuje. V prípade ak odchýlka nastala, prechádza systém do režimu autokalibrácie. Režim autokalibrácie začína výmenou koncového nástavca rezacej hlavy 10 za merací nástavec 11. V prípade ak je CNC rezací stroj opatrený automatickým výmenníkom 23 koncových nástavcov rezacej hlavy 20, 21, prebehne tento proces automaticky a v prípade ak CNC rezací stroj nie je opatrený automatickým výmenníkom 23 koncových nástavcov, je tento vymenený obsluhou. Režim autokalibrácie pokračuje identifikáciou polohy koncového bodu meracieho nástavca 11 na meracej stanici 17 postupne v smere súradnicových osí X, Y, Z. Identifikácia slúži k zjednoteniu súradnicovej sústavy rezacej hlavy 20, 21 s meracím nástavcom 11, ktorá je od želanej polohy vychýlená, so súradnicovou sústavou meracej stanice 17. Po zosúladení súradnicových sústav je merací nástavec 11 rezacej hlavy zasunutý do meracej stanice 17 a riadiaci systém 22 spúšťa merací proces, pri ktorom je postupne naklápaný rezací nástroj 10 v celom rozsahu možných náklonov definovaných pracovným priestorom stroja. Počas tohto procesu riadiaci systém 22 stroja zaznamenáva údaje z meracej stanice 17 o pohybe koncového bodu meracieho nástavca 11 v smere súradnicových osí X, Y, Z. Pri ideálnom nastavení rezacej hlavy sú pohyby koncového bodu meracieho nástavca 11 v smere jednotlivých pohybových osí nulové. Po ukončení merania riadiaci systém 22 vyhodnotí odchýlky koncového bodu meracieho nástavca 11 od presnej želanej polohy a vypočíta polohové odchýlky, ktorými je potrebné želané hodnoty polohy v jednotlivých súradnicových osiach stroja deformovať pre dosiahnutie požadovanej polohy meracieho nástavca 11 rezacej hlavy 10 v celom rozsahu jeho náklonov. Po ukončení tohto procesu je merací nástavec

-5H automaticky, alebo obsluhou vymenený za rezací nástavec a v procese následného rezania sú korekcie automaticky uplatňované pri generovaní trajektórie koncového bodu rezacieho nástroja 10 interpolátorom riadiaceho systému 22. Ide o samoučiaci sa proces autokalibráciu polohy rezacieho nástroja 10.

V prípade ak CNC rezací stroj je opatrený dvomi, alebo viacerými suportmi 4 s rezacími hlavami 20, 21. potom autokalibrácia prebehne postupne pre každú rezaciu hlavu 20, 21 samostatne v tej istej meracej stanici, pričom táto na rezacom stroji musí byť umiestnená v mieste prieniku pracovných oblastí všetkých rezacích hláv. Riadiaci systém stroja po uskutočnení kalibrácie prvej rezacej hlavy a určení korekcií pre ňu, realizuje kalibráciu druhej, tretej až i-tej rezacej hlavy rovnakým postupom ako prvej, pričom korekcia dráhy v smere pohybovej osi X v procese rezania je uplatnená na príslušnú pomocnú pohybovú os X_f a príslušnú pohybovú os Yj.

CNC stroj podľa predkladaného vynálezu nevyžaduje mechanické nastavovanie polohy rezacieho nástroja 10 v rezacej hlave 20, 21.

Zoznam vzťahových značiek:

pozdĺžne osi X portál prvý suport i-ty suport pohon pohybovej osi X pohon pohybovej osi Y pohon pohybovej osi Z pohon pohybovej osi B pohon pohybovej osi A rezací nástroj merací nástavec pohon pohybovej osi Xi pohon pohybovej osi Y, pohon pohybovej osi Z, pohon pohybovej osi B, pohon pohybovej osi A, meracia stanica pohybová os X, pracovný stôl

-620 prvá rezacia hlava i-ta rezacia hlava riadiaci systém s interpolátorom automatický výmenník rezacích nástavcov rezacej hlavy

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. CNC stroj na rezanie plazmou, kyslíkom a vodným lúčom ako rezacím nástrojom s automatickým nastavovaním presnej polohy rezacieho nástroja v rezacej hlave autokalibráciou, vyznačujúci sa tým, že pozostáva z • pozdĺžnych pohybových osí X (1) s pohonmi (5) pozdĺžnych pohybových osí

X;

• portálu (2) s prvým suportom (3) s pohybovou osou Y s pohonom (6) pohybovej osi Y a pohybovou osou Z s pohonom (7) pohybovej osi Z, umiestneným na pohybových osiach X (1) a nesúcim rezaciu hlavu (20), s rezacím nástrojom (10), s pohybovou osou A s pohonom (9) pohybovej osi A a pohybovou osou B s pohonom(8) pohybovej osi B , a voliteľne ďalšími prídavnými i—tými suportmi (4) s pohybovými osami X| (18) s pohonom (12) pohybovej osi X_i( Y| s pohonom (13) pohybovej osi Yj a Zi s pohonom (14) pohybovej osi Z₍ a nesúcim ďalšie rezacie hlavy (21) opatrené pohybovou osou Aj pohonom (16) pohybovej osi Aj a pohybovou osou B) s pohonom (15) pohybovej osi B| náklonu ďalších rezacích nástrojov (10);

• meracej stanice (17) umiestnenej v pracovnom priestore rezacej hlavy (20), resp. v prieniku pracovných priestorov v prípade viacerých rezacích hláv;

• riadiaceho systému (22) s interpolátorom, pričom výstup meracej stanice (17) je pripojený na vstup riadiaceho systému (22), prepojeného svojim výstupom na pohony pohybových osí X (5), Y (6), Z (7) ,resp. Xj (12), Yj (13) ,Zj (14) stroja;

• rezacieho nástavca a meracieho nástavca (11); a • pracovného stola (19).
2. CNC stroj podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že rezací nástavec a merací nástavec (11) sú umiestnené vo výmenníku (23) koncových nástavcov rezacej hlavy, výhodne automatickom.
3. Spôsob automatického nastavovania presnej polohy rezacieho nástroja v rezacej hlave CNC stroja podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že riadiaci systém (22) uskutoční prostredníctvom meracej stanice (17) meranie skutočnej polohy koncového bodu rezacieho nástroja (10), opatreného meracím nástavcom (11) v celom rozsahu jeho možných náklonov a pootočení, pričom namerané

-8hodnoty porovná so želanými hodnotami a vypočíta korekčné hodnoty, ktorými v následnej činnosti stroja, v procese rezania, deformuje žiadanú trajektóriu generovanú cez svoj výstup pre pohony jednotlivých pohybových osí X (5), Y (6), Z (7),resp. X, (12), Y, (13) ,Z_f(14).
4. Spôsob podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že meranie sa uskutoční automaticky a/alebo na pokyn obsluhy po kolízii rezacieho nástroja (10) s rezaným povrchom a/alebo vo vopred určených intervaloch v priebehu procesu rezania.