System för kompensation av vinkelfel
För att säkerställa att vattenskärningssystem kan användas även vid höga hastigheter används speciella mjukvarusystem för att kompensera för de vinkelfel som uppstår – bieffekter av vattenskärning.
Skärkantens konicitet (koniska form) – även känt som vinkelfel – är en känd bieffekt av vattenskärning. Under lång tid har dock ingen lyckats bemästra de mekaniska och matematiska kraven på programvaran i samband med de komplexa rörelsesekvenser som är involverade i conicity-kontrollen.
Konventionella vattenskärningssystem genererar ett betydande vinkelfel vid skäreggarna vid höga skärhastigheter. Skärspalten smalnar av från topp till botten eftersom strålens intensitet och därmed slipverkan under skärprocessen i skärspalten minskar avsevärt vid höga skärhastigheter. Denna nedåt försvagade balk har mindre skärkapacitet.
De olika system för kompensation av vinkelfel som finns på marknaden, t.ex. DWJ (Dynamic Waterjet) från Flow, TAJ (Tilt-A-Jet) från Omax eller IKC (Intelligent Kerf Compensation) från Tecnocut, motverkar denna resulterande avsmalning genom att permanent justera skärhuvudets skärvinkel. Denna vinkelkompensation förhindrar effektivt ett vinkelfel på arbetsstyckets skäregg genom att svänga vinkelfelet på en skäregg två gånger in i avfallsstycket.
Tillverkarna Flow och Omax utvecklade t.ex. ursprungligen en egen mekanism med vilken skärhuvudet kan flyttas tredimensionellt i syfte att begränsa skärkoniciteten. När svängteknik används har skärhuvudfästet ett specialutvecklat rörelsesystem (A-B-kinematik) som gör att det kan svängas från sitt vertikala läge i alla riktningar (upp till maximalt 10 grader). Om vinkeln på skärhuvudet ändras för att kompensera för avsmalningar är vattenstrålen inte längre i linje med den önskade skärbanan. X-, Y- och Z-axlarna måste justeras för att vattenstrålen ska riktas in igen. När skärhuvudets vinkel ändras måste därför tre separata rörelser utföras för att uppnå ett bra snitt.
Systemen har utvecklats så att alla konturer kan skäras mjukt och sömlöst. Ur mekanisk synvinkel är det lätt att åstadkomma smidiga rörelser. Den verkliga utmaningen under utvecklingsarbetet var vilka kombinationer av rörelser som skulle användas och när de skulle användas för att bevara geometrin hos raka kanter, kurvor samt inner- och ytterhörn. Ingenjörerna arbetade i flera år med att utveckla de komplexa matematiska modeller som styr rörelserna hos den dynamiska vattenstrålen.
Källdata omfattade t.ex. skärtider för material med olika hårdhet och tjocklek, effekten av storleken på slipande partiklar, storleken på jetöppningen vid olika skärhastigheter och effekten av ett lutande läge för skärhuvudet på avsmalningen. Kombinationen av dessa faktorer avgör beteendet hos Dynamic Waterjet och Tilt-A-Jet. Därefter beaktades de mekaniska egenskaperna och slutligen beräknades, med hjälp av framåtriktad och invers kinematik, de exakta rörelser för alla fem axlar som krävs för att ta hänsyn till skärhuvudets vinkel- och/eller rotationsförändring.
För varje vinkeländring och rotationsrörelse måste positionen för X-, Y- och Z-axlarna ändras i motsvarande grad så att vattenstrålen är korrekt inriktad mot den önskade skärbanan. Dessa rörelser måste kontinuerligt övervakas och styras varje millisekund eftersom styrsystemet, beroende på konturen, måste förutse förändringar i hastighet och därmed den vinkel som ska ställas in, även på en rak skärlinje. Denna permanenta justering av skärvinkeln utförs av respektive styrsystem, som använder den så kallade „look-ahead-metoden“ för att leta efter nästa nödvändiga dataposter för verktygsbanan och därmed kontrollerar skärhuvudets hastighet och vinkelposition i ett tidigt skede.
Bestämning av lutningsvinkel och svängrörelse
Hittills har maskintillverkare främst använt komplexa CNC-styrningar för att styra maskiner med fem axlar. Omax och Flow använder däremot intelligenta PC-stödda styrsystem. Med denna programvara kan maskinstyrningen läras in snabbt och utan omfattande utbildning. Hela den matematiska beräkningen är dold och utlöser lämpliga rörelsekommandon för alla fem axlarna med en hög cykelfrekvens.
Användaren anger endast grundläggande skärdata, t.ex. materialtyp och tjocklek samt önskad ytkvalitet. Styrsystemet beräknar sedan i förväg lutningsvinkeln och den erforderliga svängrörelsen för alla nödvändiga, på varandra följande punkter längs en skärbana. Till exempel vid kapning av ytterhörn med höga skärhastigheter måste skärhuvudet lutas för att få en vertikal skärkant.
Dessa PC-kontroller känner också till den optimala skärhastigheten för att uppnå önskad noggrannhet och undvika ett avsmalnande snitt. Ju högre hastighet, desto mer lutande måste skärhuvudet vara. Som ett resultat av detta ger det totala systemet en avsevärt förbättrad kvalitet på arbetsstycket med betydligt kortare kaptider per arbetsstycke än vad som är möjligt med den konventionella metoden.