Introdução
Em 2013, a oficina de componentes estruturais da empresa apresentou duas máquinas de corte a laser CO2 da Trumpf, modelo CP3000.
Devido à falta de experiência na manutenção e reparação deste tipo de equipamentos, a maioria das avarias dependia do serviço pós-venda do fabricante, resultando em longos ciclos de reparação e elevados custos de manutenção.
Através da análise das causas das avarias foram formuladas medidas corretivas e preventivas e criado um Relatório de Falhas no Equipamento A4 para prevenir futuras avarias.
Durante este processo, a experiência em manutenção foi continuamente acumulada e as competências do pessoal de manutenção dos equipamentos foram melhoradas, conseguindo gradualmente uma transição da manutenção terceirizada para um modelo de manutenção autossuficiente + terceirizada.
1 Reparo de falha de “queda de alta tensão”
1.1 Descrição da falha:
Durante o processo de corte, o monitor a laser exibiu repentinamente um alarme “2104”, que mostrou que houve uma “queda de alta tensão”.
Após reiniciar o equipamento, ele funcionou normalmente, mas a partir daí 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 em gases de alta pureza, especialmente excesso de água. A umidade que entra na cavidade ressonante fará com que a resistividade do plasma na cavidade diminua, resultando em um aumento anormal na corrente da fonte de alimentação de alta tensão.
(2) Vazamento na cavidade ressonante, com entrada de ar ambiente na cavidade. Quando a cavidade ressonante está funcionando normalmente, é um ambiente de pressão negativa. Se houver um ponto de vazamento, o ar ambiente entrará na cavidade.
(3) Vazamento do trocador de calor ou de seu anel de vedação, permitindo a entrada de água de resfriamento na cavidade ressonante.
(4) Proporção de mistura de gás incorreta. Uma proporção de mistura incorreta pode resultar em uma diminuição na potência do laser, e o laser aumentará a potência aumentando adequadamente a corrente de alta tensão da fonte de alimentação. Quando a corrente de alta tensão exceder uma determinada faixa, ocorrerá um alarme.
(5) Retorno da bomba de vácuo. Se a válvula unidirecional da bomba de vácuo não estiver bem vedada, o gás residual com vapor de óleo fluirá de volta para a cavidade ressonante, contaminando componentes ópticos, como lentes sujas, e causando uma diminuição na potência.
1.3 Solução de problemas:
(1) O gás foi trocado para outro laser e usado normalmente, descartando impurezas no gás como causa.
(2) A cavidade ressonante foi evacuada abaixo de 1 kPa (10 mbar), todas as válvulas solenóides foram fechadas e, após 20 minutos, a pressão aumentou em 40 Pa (0,4 mbar), atendendo aos requisitos do fabricante do equipamento, descartando vazamentos e vazamento do trocador de calor como causa.
(3) A proporção de mistura de gases foi verificada e reajustada. Após o ajuste, a falha ainda existia e a frequência não diminuiu, descartando como causa a relação incorreta de mistura de gases.
(4) A tubulação entre a bomba de vácuo e a cavidade ressonante foi removida e limpa de manchas de óleo. Antes de desmontar o espelho dianteiro, o espelho traseiro e o espelho dobrável, eles foram limpos, reinstalados e ajustados. Porém, a falha ainda existia, eliminando o refluxo da bomba de vácuo como causa.
1.4 Solução adicional de problemas:
Foram realizadas análises e solução de problemas do estado de funcionamento do equipamento. Durante o processo de corte real, observou-se que antes de ocorrer o alarme de “queda de alta tensão”, a potência subiu repentinamente para cerca de 1200W, então o alarme ocorreu.
O modo “aquecimento” foi ativado e a potência de aquecimento foi aumentada gradualmente. Quando a configuração de potência atingiu 1.500 W, a potência de saída medida foi de apenas 1.200 W, e houve um fenômeno de “filamentação” na cavidade ressonante 1#.
Após funcionar por cerca de 20 segundos, o laser emitiu um alarme de “queda de alta tensão” e a fonte de alimentação apresentou um alarme de “sobrecorrente”. Os componentes eletrônicos da fonte de alimentação do laser foram verificados e considerados normais.
A saída de tensão da detecção da cavidade ressonante 1# foi medida na placa de circuito de monitoramento de energia (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 de a cavidade ressonante 1# foi danificada.
A unidade de fonte de alimentação imersa em óleo foi desmontada (Figura 2), e os componentes eletrônicos como o transformador, o capacitor de reforço e o diodo de reforço da fonte de alimentação de reforço de cavidade ressonante 1# foram medidos, e todos foram considerados normais .
O circuito de detecção de redução de tensão foi medido e descobriu-se que um dos resistores redundantes de 100k tinha um valor medido de 116kΩ. Foi julgado preliminarmente que o motivo do alarme de “queda de alta tensão” foi devido ao dano deste resistor.
1.5 Medidas de emergência:
Um resistor de 100kΩ e 2W foi removido de outra placa de circuito antiga e usado para substituir o resistor danificado. O modo “aquecimento” foi ativado e a configuração de potência foi aumentada gradativamente até atingir a potência máxima de 3000W.
O estado de funcionamento do laser foi observado, não ocorreu nenhum alarme de “queda de alta tensão” e também não houve fenômeno de “filamentação”.
1.6 Análise das verdadeiras causas:
(1) Os 16 resistores redutores de tensão em duas máquinas a laser foram testados e seus valores de resistência foram 5% superiores ao normal. Esses resistores são resistores de filme de carbono, que possuem baixa potência e são facilmente oxidados por choques de tensão, aumentando gradativamente seu valor de resistência.
Portanto, foi considerado que o uso de resistores de filme de carbono no projeto da placa de circuito não era razoável, e resistores de filme metálico mais resistentes a impactos e estáveis deveriam ser usados.
(2) Outros problemas descobertos durante o processo de solução de problemas incluíram um grande desvio entre a proporção de mistura de gás e a configuração de fábrica, bem como substituição inadequada e uso de gás de alta pureza.
1.7 Medidas corretivas e preventivas:
(1) Compra de resistores de filme metálico de 100kΩ e 2W para substituir os defeituosos e evitar tais falhas.
(2) Modificar o manual de operação e manutenção, adicionar verificações periódicas de tensão e corrente para a fonte de alimentação, ajustar a taxa de mistura de gases e adicionar itens regulares de inspeção e ajuste. Procedimentos operacionais de ventilação padrão e requisitos de uso devem ser desenvolvidos e divulgados através de treinamento.
(3) Inspeções de terceiros de gases de alta pureza (N2, CO2, He2) usados na máquina a laser, e o fornecedor deve retificar quaisquer problemas de não conformidade dentro de um prazo especificado.
Resolvendo o problema de colisão frequente entre a cabeça de corte e a chapa metálica
2.1 Descrição do problema:
(1) Devido ao empenamento frequente da chapa metálica, a cabeça de corte da máquina de corte a laser colide com a chapa empenada, causando danos a componentes como cabeça capacitiva, corpo cerâmico, bico de corte e componente de quatro elos.
Após a colisão, a substituição de peças sobressalentes e o ajuste do equipamento levam a uma considerável perda de tempo que atrasa a produção.
(2) Em 2018, ocorreu uma perda total de 103.000 RMB devido a danos por colisão de componentes, detalhados na Tabela 1 (perdas por tempo de inatividade não incluídas).
Tabela 1: Estatísticas de perdas causadas por duas colisões de laser em 2018.
| Componente danificado | Quantidade /peças |
Preço unitário /10.000 yuans |
Montante total /10.000 yuans |
Observações |
| Cabeça do capacitor | 6 | 0,3 | 1,8 | Para ser usado após reparo terceirizado |
| Cabeça do capacitor | 2 | 2 | 4 | Não é possível reparar, preciso comprar |
| Junta de isolamento | 1 | 0 | 0 | Nova peça de reposição |
| Corpo cerâmico | 20 | 0,02 | 0,4 | Self made |
2.2 Análise de Causa Raiz
Analise as possíveis causas dos cinco elementos: pessoas, máquina, material, método e ambiente.
(1) Pessoas: O novo funcionário não é proficiente na operação e não consegue lidar ou lidar com o empenamento da chapa a tempo. O operador tem pouco sentido de responsabilidade e não lida com situações onde possam ocorrer colisões. Após a colisão, o coaxial não foi reajustado, resultando na deflexão do feixe de laser e na queima da cabeça do capacitor; o acompanhamento não foi ajustado a tempo, resultando em nova colisão.
(2) Máquina: A resposta de movimento da cabeça de corte à colisão não é suficientemente sensível e não pode ser interrompida a tempo quando ocorre uma colisão, o que leva à expansão dos acidentes.
(3) Materiais: A tensão interna da placa é grande e a placa deforma devido à liberação de tensão causada pelo aquecimento durante o corte.
(4) Método: Não se dá atenção suficiente ao ajuste do caminho de corte, e as peças que são propensas a empenar não são consideradas para evitá-las tanto quanto possível; micro conexões não são usadas.
(5) Meio Ambiente: Os curtos racks de armazenamento das placas, o longo tempo de armazenamento e o pisoteio do pessoal fazem com que as placas dobrem, tornando-as fáceis de deformar durante o corte.
2.3 Medidas de Investigação e Retificação
(1) Treinar e avaliar todos os operadores e estabelecer um sistema correspondente de recompensa e punição.
(2) Ajuste a sensibilidade da resposta de movimento à colisão ao nível mais alto sem afetar o uso.
(3) Alise a chapa antes de colocar a máquina para liberar parte da tensão interna.
(4) Otimizar o trajeto de corte durante a programação e layout, evitando peças que possam empenar; use microconexões para reduzir a probabilidade de deformação da peça.
(5) Estenda o rack de armazenamento de pratos para evitar afundar e dobrar em ambas as extremidades; replaneje a área de armazenamento de placas, instale barreiras para evitar que o pessoal ande e pise.
Após a implementação das medidas acima, 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 raiz do problema que não é resolvido há muito tempo é que o pessoal profissional não está no local quando ocorrem as colisões e é impossível restaurar a situação naquele momento.
Posteriormente, ao instalar monitoramento no equipamento e tirar fotos após cada colisão, analisando dados de vídeo e foto, constatou-se que as colisões ocorriam durante o percurso em vazio desde o final de um corte até o ponto inicial do corte seguinte.
Antes do funcionamento vazio, a cabeça de corte subirá uma certa distância (altura de elevação).
Ao tentar aumentar a altura de elevação, o problema pode ser resolvido.
(2) Estude o programa de controle. Observando o programa de corte, constatou-se que o levantamento da cabeça de corte durante o funcionamento em vazio é controlado pelas sub-rotinas 1012 e 1022. Abra a sub-rotina para analisar o princípio de controle.
(3) Princípio de controle de altura da cabeça de corte. Use um sensor para detectar e calcular a distância até a altura da placa. Quando é necessário um funcionamento em vazio, o eixo Z move-se na direção negativa até parar quando a altura de detecção é de 10 mm e, em seguida, executa uma ação de funcionamento em vazio.
2.5 Análise de Causa Raiz
(1) Existem as seguintes deficiências neste método de controle: o sensor só pode detectar com precisão a distância de 10 mm. Quanto maior a distância, maior o erro. Ele não pode evitar colisões e só pode parar de correr após a ocorrência de uma colisão.
Usando o controle PID, há um problema de atraso de resposta quando ocorre uma colisão, o que leva à expansão dos acidentes de colisão. Ele só pode sentir a situação em que a queda de altura da placa muda uniformemente e não pode sentir a situação em que a queda de altura da placa muda repentinamente.
(2) De acordo com as fotos da cena 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 mover em qualquer direção, e a colisão ocorrerá quando o ponto b se move para a esquerda.
(3) De acordo com o modelo numérico, o cálculo mostra que a altura máxima de elevação ou afundamento da peça é de 30 mm, e a altura de elevação é definida em 10 mm, o que não pode evitar completamente colisões. No entanto, atualmente este método de controlo não pode definir a altura de elevação para mais de 10 mm.
2.6 Medidas Corretivas e Preventivas
(1) Desenvolva um plano de ajuste. Ajuste a sub-rotina da Máquina nº 1, exclua o movimento do eixo Z para a posição de detecção do sensor de 10 mm e altere-a para: O eixo Z se move 35 mm na direção negativa, não usa mais o controle do seguidor do sensor e funciona sem anormalidades durante a execução do teste. Após 24 horas de operação contínua sem colisões ou anormalidades, ajuste o programa da Máquina nº 2.
(2) Validar a viabilidade. Registre a taxa de carga do servo motor do eixo Z antes e depois do ajuste, a diferença máxima da taxa de carga antes e depois do ajuste é muito pequena e ambas não excedem 30%.
(3) Verificação. Ele tem funcionado continuamente até o momento (4 meses), sem colisões ou anormalidades.
Conclusão
A falha de “queda de alta tensão” e a colisão da cabeça de corte da máquina de corte a laser CO2 afetam gravemente a eficiência da produção e causam perdas substanciais. Ao analisar a causa da falha, descartando falhas, identificando a causa real e implementando medidas corretivas e preventivas, falhas semelhantes são completamente evitadas. Ao estudar a estrutura e o princípio do equipamento, e resumindo as experiências de reparação, conseguimos a reparação autónoma de algumas avarias desses equipamentos.
