Resolução de problemas da máquina de corte a laser CO2

Introdução

Em 2013, a oficina de componentes estruturais da empresa introduziu duas máquinas de corte a laser CO2 da Trumpf, modelo CP3000.

Devido à falta de experiência na manutenção e reparação deste tipo de equipamento, a maioria das avarias dependia do serviço pós-venda do fabricante, o que resultava em ciclos de reparação longos e custos de manutenção elevados.

Através da análise das causas das avarias, foram formuladas medidas correctivas e preventivas e foi criado um Relatório A4 de Avarias do Equipamento para evitar futuras avarias.

Durante este processo, a experiência de manutenção foi continuamente acumulada e as competências do pessoal de manutenção do equipamento foram melhoradas, conseguindo-se gradualmente uma transição da manutenção externalizada para um modelo de manutenção autossuficiente + externalizada.

1 Reparação de avarias por "queda de alta tensão

1.1 Descrição da avaria:

Durante o processo de corte, o monitor laser apresentou subitamente um alarme "2104", que indicava uma "queda de tensão elevada".

Depois de reiniciar o equipamento, este funcionou normalmente, mas depois disso, ocorreram alarmes intermitentes durante o processo de corte e a frequência dos alarmes aumentou.

1.2 Análise das causas:

De acordo com o princípio de funcionamento do laser, existem cinco causas possíveis para este alarme.

(1) Impurezas no gás de alta pureza, especialmente o excesso de água. A humidade que entra na cavidade ressonante faz com que a resistividade do plasma na cavidade diminua, resultando num aumento anormal da corrente de alimentação de alta tensão.

(2) Fuga na cavidade ressonante, com o ar ambiente a entrar na cavidade. Quando a cavidade ressonante está a funcionar normalmente, é um ambiente de pressão negativa. Se houver um ponto de fuga, o ar ambiente entrará na cavidade.

(3) Fuga do permutador de calor ou do seu anel de vedação, permitindo a entrada de água de arrefecimento na cavidade ressonante.

(4) Relação incorrecta de mistura de gases. Uma razão de mistura incorrecta pode resultar numa diminuição da potência do lasere o laser aumentará a potência através do aumento adequado da corrente de alta tensão da fonte de alimentação. Quando a corrente de alta tensão ultrapassa um determinado intervalo, é emitido um alarme.

(5) Refluxo da bomba de vácuo. Se a válvula unidirecional da bomba de vácuo não estiver bem fechada, o gás residual com vapor de óleo fluirá de volta para a cavidade ressonante, contaminando os componentes ópticos, tais como lentes sujas, e causando uma diminuição da potência.

1.3 Resolução de problemas:

(1) O gás foi transferido para outro laser e utilizado normalmente, excluindo as impurezas do gás como causa.

(2) A cavidade ressonante foi evacuada para menos de 1 kPa (10 mbar), todas as válvulas solenóides foram fechadas e, após 20 minutos, a pressão aumentou em 40 Pa (0,4 mbar), cumprindo os requisitos do fabricante do equipamento, excluindo fugas e fugas do permutador de calor como causa.

(3) O rácio de mistura do gás foi verificado e reajustado. Após o ajustamento, a avaria continuou a existir e a frequência não diminuiu, o que exclui a hipótese de uma relação de mistura de gás incorrecta como causa.

(4) A tubagem entre a bomba de vácuo e a cavidade ressonante foi removida e limpa de manchas de óleo. Antes de desmontar o espelho frontal, o espelho retrovisor e o espelho rebatível, estes foram limpos, reinstalados e ajustados. No entanto, a falha continuava a existir, eliminando o refluxo da bomba de vácuo como causa.

1.4 Resolução de problemas adicionais:

Foi efectuada uma análise e resolução de problemas do estado de funcionamento do equipamento. Durante o processo de corte efetivo, observou-se que, antes de ocorrer o alarme de "queda de alta tensão", a potência subiu subitamente para cerca de 1200W, tendo depois ocorrido o alarme.

O modo de "aquecimento" foi ativado e a potência de aquecimento foi aumentada gradualmente. Quando a potência de ajuste atingiu os 1500W, a potência de saída medida foi de apenas 1200W, e verificou-se um fenómeno de "filamentação" na cavidade ressonante do 1#.

Depois de funcionar durante cerca de 20 segundos, o laser emitiu um alarme de "queda de tensão elevada" e a fonte de alimentação apresentou um alarme de "sobreintensidade". Os componentes electrónicos da fonte de alimentação do laser foram verificados e estavam normais.

A saída de tensão da deteção da cavidade ressonante 1# foi medida na placa de circuito de monitorização de potência (Figura 1), que era de 8,4V, enquanto a tensão da cavidade ressonante 2# era de cerca de 7,6V, indicando que a fonte de alimentação de reforço imersa em óleo da cavidade ressonante 1# estava danificada.

A fonte de alimentação imersa em óleo foi desmontada (Figura 2) e os componentes electrónicos, tais como o transformador, o condensador de reforço e o díodo de reforço da fonte de alimentação de reforço de cavidade ressonante 1#, foram medidos, tendo-se verificado que estavam todos normais.

O circuito de deteção de redução de tensão foi medido e verificou-se que uma das resistências redundantes de 100k tinha um valor medido de 116kΩ. Considerou-se preliminarmente que a razão para o alarme de "queda de tensão elevada" se devia ao facto de esta resistência estar danificada.

1.5 Medidas de emergência:

Uma resistência de 100kΩ e 2W foi retirada de outra placa de circuito antiga e utilizada para substituir a resistência danificada. O modo de "aquecimento" foi ativado e a regulação da potência foi gradualmente aumentada até se atingir a potência máxima de 3000W.

O estado de funcionamento do laser foi observado, não tendo ocorrido qualquer alarme de "queda de alta tensão", nem qualquer fenómeno de "filamentação".

1.6 Análise das verdadeiras causas:

(1) Foram testadas as 16 resistências redutoras de tensão em duas máquinas laser, e os seus valores de resistência eram todos superiores ao normal em 5%. Estas resistências são resistências de película de carbono, que têm uma baixa potência e são facilmente oxidadas por choques de tensão, aumentando gradualmente o seu valor de resistência.

Por conseguinte, considerou-se que a utilização de resistências de película de carbono na conceção da placa de circuitos não era razoável, devendo ser utilizadas resistências de película metálica mais estáveis e resistentes ao impacto.

(2) Outros problemas detectados durante o processo de resolução de problemas incluíam um grande desvio entre o rácio de mistura de gás e a definição de fábrica, bem como a substituição e utilização inadequadas de gás de alta pureza.

1.7 Medidas correctivas e preventivas:

(1) Adquirir resistências de película metálica de 100kΩ, 2W para substituir as defeituosas, a fim de evitar tais falhas.

(2) Modificar o manual de operação e manutenção, acrescentando verificações periódicas da tensão e da corrente da fonte de alimentação, ajustando a proporção de mistura de gás e acrescentando itens de inspeção e ajuste regulares. Devem ser desenvolvidos e divulgados, através de acções de formação, procedimentos operacionais de ventilação normalizados e requisitos de utilização.

(3) Inspecções por terceiros de gases de elevada pureza (N2, CO2, He2) utilizados na máquina laser, devendo o fornecedor retificar quaisquer problemas de não conformidade dentro de um prazo especificado.

Resolver o problema da colisão frequente entre a cabeça de corte e a chapa metálica

2.1 Descrição do problema:

(1) Devido à deformação frequente da chapa metálica, a cabeça de corte da corte a laser A máquina colide com a chapa metálica deformada, causando danos em componentes como a cabeça capacitiva, o corpo cerâmico, o bocal de corte e o componente de quatro elos.

Após a colisão, a substituição de peças sobresselentes e a regulação do equipamento conduzem a uma perda de tempo considerável que atrasa a produção.

(2) Em 2018, foi incorrida uma perda total de 103 000 RMB devido a danos por colisão de componentes, detalhados no Quadro 1 (perdas por tempo de inatividade não incluídas).

Quadro 1: Estatísticas das perdas causadas por duas colisões de laser em 2018.

2.2 Análise da causa principal

Analisar as possíveis causas a partir dos cinco elementos: pessoas, máquina, material, método e ambiente.

(1) Pessoas: O novo funcionário não é competente na operação e não consegue lidar com a deformação do chapa metálica a tempo. O operador tem um fraco sentido de responsabilidade e não lida com situações em que podem ocorrer colisões. Após a colisão, o coaxial não foi reajustado, resultando na deflexão do feixe laser e na queima da cabeça do condensador; o seguimento não foi ajustado a tempo, resultando numa nova colisão.

(2) Máquina: A resposta do movimento da cabeça de corte à colisão não é suficientemente sensível e não pode ser parada a tempo quando ocorre uma colisão, o que leva à expansão dos acidentes.

(3) Material: O tensão interna da placa é grande, e a placa deforma-se devido à libertação de tensões causada pelo aquecimento durante o corte.

(4) Método: A definição do percurso de corte não é suficientemente considerada e as partes susceptíveis de deformação não são tidas em conta para as evitar tanto quanto possível; não são utilizadas microconexões.

(5) Ambiente: As curtas prateleiras de armazenamento das placas, o longo tempo de armazenamento e os anteriores atropelamentos de pessoal fazem com que as placas se dobrem, tornando-as fáceis de deformar durante o corte.

2.3 Medidas de investigação e de retificação

(1) Formar e avaliar todos os operadores e estabelecer um sistema de recompensas e sanções correspondente.

(2) Ajustar a sensibilidade da resposta ao movimento de colisão para o nível mais elevado sem afetar a utilização.

(3) Aplanar a chapa metálica antes de a colocar na máquina para libertar alguma da tensão interna.

(4) Otimizar o percurso de corte durante a programação e a disposição, tentar evitar as peças propensas a deformação; utilizar microconexões para reduzir a probabilidade de deformação da peça de trabalho.

(5) Alargar a prateleira de armazenamento de placas para evitar que se afunde e dobre em ambas as extremidades; planear de novo a área de armazenamento de placas, criar barreiras para evitar que o pessoal caminhe e pise.

Após a aplicação das medidas acima referidas, a frequência dos problemas de colisão diminuiu ligeiramente, mas o problema não foi completamente resolvido.

2.4 Análise de vídeo e foto para investigação

(1) A causa principal do problema, que não foi resolvido durante muito tempo, é o facto de o pessoal profissional não estar no local quando ocorrem colisões, sendo impossível restabelecer a situação nessa altura.

Posteriormente, através da instalação de monitorização no equipamento e de fotografias após cada colisão, analisando os dados de vídeo e fotografia, verificou-se que as colisões ocorriam durante o percurso em vazio entre o fim de um corte e o ponto de partida do corte seguinte.

Antes do funcionamento em vazio, a cabeça de corte sobe uma certa distância (altura de elevação).

Ao tentar aumentar a altura de elevação, o problema pode ser resolvido.

(2) Estudar o programa de controlo. Observando o programa de corte, verificou-se que a elevação da cabeça de corte durante o funcionamento em vazio é controlada pelas sub-rotinas 1012 e 1022. Abrir a sub-rotina para analisar o princípio de controlo.

(3) Princípio de controlo da altura da cabeça de corte. Utiliza um sensor para detetar e calcular a distância até à altura da placa. Quando é necessário um funcionamento em vazio, o eixo Z move-se na direção negativa até parar quando a altura de deteção é de 10 mm, e depois executa uma ação de funcionamento em vazio.

2.5 Análise da causa principal

(1) Este método de controlo apresenta as seguintes deficiências: o sensor só consegue detetar com precisão a distância de 10 mm. Quanto maior for a distância, maior será o erro. Não pode evitar colisões e só pode parar de funcionar depois de ocorrer uma colisão.

Utilizando o controlo PID, há um problema de atraso de resposta quando ocorre uma colisão, o que leva à expansão dos acidentes de colisão. Só consegue detetar a situação em que a queda de altura da placa é alterada uniformemente e não consegue detetar a situação em que a queda de altura da placa muda subitamente.

(2) De acordo com as fotografias do local da colisão tiradas pelo operador (Figura 3), é estabelecido um modelo numérico (Figura 4) para analisar a ocorrência de colisões: a colisão ocorrerá quando o ponto a se deslocar em qualquer direção e a colisão ocorrerá quando o ponto b se deslocar para a esquerda.

(3) De acordo com o modelo numérico, o cálculo mostra que a altura máxima de elevação ou afundamento da peça de trabalho é de 30 mm, e a altura de elevação é definida para 10 mm, o que não pode evitar completamente as colisões. No entanto, atualmente, este método de controlo não pode definir a altura de elevação para mais de 10 mm.

2.6 Medidas correctivas e preventivas

(1) Desenvolver um plano de ajustamento. Ajustar a sub-rotina da Máquina #1, eliminar o movimento do eixo Z para a posição de deteção do sensor de 10 mm e alterá-lo para: O eixo Z desloca-se 35 mm na direção negativa, deixando de utilizar o controlo do seguidor do sensor, e funciona sem anomalias durante o teste de funcionamento. Após 24 horas de funcionamento contínuo sem colisões ou anomalias, ajustar o programa da máquina #2.

(2) Validar a viabilidade. Registar a taxa de carga do servomotor do eixo Z antes e depois do ajustamento, a diferença máxima da taxa de carga antes e depois do ajustamento é muito pequena, e ambas não excedem 30%.

(3) Verificação. Tem funcionado continuamente até à data (4 meses), sem colisões nem anomalias.

Conclusão

A falha da "queda de alta tensão" e a colisão da cabeça de corte do Máquina de corte a laser CO2 afectam gravemente a eficiência da produção e causam perdas substanciais. Analisando a causa da falha, excluindo as falhas, identificando a causa real e implementando medidas correctivas e preventivas, evitam-se completamente falhas semelhantes. Ao estudar a estrutura e o princípio do equipamento e ao resumir as experiências de reparação, conseguimos a reparação autónoma de algumas falhas deste tipo de equipamento.