LIBO: Prozesshöhe des Brenners für optimale Schnitte

Beim Plasmaschneiden muss er Abstand zwischen Brenner und dem Schneidgut konstant nachgeführt werden, diese Aufgabe übernimmt die Lichtbogenhöhenregelung! Durch das Einbringen von thermischer Energie verformt sich das zu schneidende Material. Unebenheiten im Brenntisch führen ebenso zu Erhebungen oder Senken im Material. Dickes Material mag sich weniger verformen, doch dafür sind die Materialungenauigkeiten in der Dicke ein anderes Problem. Wir sprechen dabei nicht von Millimetern, sondern von wenigen Zehnteln. Diese geringe Abweichung kann bereits über einen guten oder schlechten Zuschnitt entscheiden.

Die Höhe des Plasmabrenners beim Zuschnitt ist mit dem Augenmaß nicht einstellbar, da die Schnitthöhe sich in einem Bereich von wenigen Zehntel-Millimetern bewegt und im Brennfleck Temperaturen von rund 30.000 Kelvin herrschen - in einem solchen Lichtbogen kann das Auge nichts mehr erkennen. Außerdem arbeitet das Plasmaverfahren mit recht hohen Schnittgeschwindigkeiten, bei denen jede nachträgliche Korrektur zu spät käme.

=> Daher muss diese Aufgabe von einer hochwertigen elektronische Regeleinheit oder einem mechanischen System übernommen werden.

Qualitätskriterium beim Zuschnitt: Prozesshöhe des Brenners

Möglichkeit 1: Der Platerider für Dünnbleche

Häufig wurde die Höhenregelung des Plasmaschneidkopfes über einen mechanischen Abstandsteller geregelt, der über einen Pneumatikzylinder den Brennkopf auf das Blech drückte. Im Dünnblechbereich bis zu 2 mm Blechdicke wird oft ein Platerider eingesetzt. Ein Platerider bezeichnet einen pneumatisch angedrückten Rollenteller, der über eine Gewindestellmechanik einen Differenzabstand zum Blech einhält, über den Auflageschlitten mit integrierten Kugelrollen konnte der Relativabstand von der Düse zu den Kugelrollen eingestellt werden.

Das ist eine sehr einfache Lösung mit einigen Nachteilen, die aber auch heute noch bei einfachen Anwendungen zum Beispiel im Dünnblechbereich in der Klimaindustrie vorzufinden ist und dort durchaus ihre Berechtigung hat. Diese mechanische Höhenregelung des Plasmaschneidkopfes nennt man "Platerider". Bei höheren Schneidströmen brennt sich der Stromfluss auch über die Kugelrrollen in das Material ein und erzeugte unschöne Markierungen. Die Rollen nutzen bei hohen Strömen auch schnell ab und verlieren auch durch die hohe Staubbelastung schnell die Möglichkeit, sich zu bewegen, so dass sie nur noch über das Blech schaben. Platerider kommen daher nur bei einfachen Schneidanlagen oder im Dünnblechbereich zum Einsatz. Diese Methode ist für den Einsatz bei dicken Blechen ungeeignet und liefert keine besonders hohe Präzision, wenn Qualitätsplasmen diese einfordern.

Möglichkeit 2: Die geregelte Libo-Höhenregelung der Z-Achse

Die Qualität des Plasmaschnittes ist mitunter abhängig von einer einwandfreien Höhe.

Über einen guten und einen schlechten Plasmazuschnitt entscheiden bereits wenige zehntel Millimeter Höhendifferenz. Diese hohe Anforderung bedeutet auch eine hohe Anforderung an die Höhenregelung. Denn sie muss nicht nur geringste Abweichungen erkennen, sie muss darüber hinaus auch sehr schnell reagieren, da Plasmaschnitte nicht selten mit bis zu 6.000 mm/min von statten gehen. Darüber hinaus muss die Höhenregelung unabfällig von Umwelteinflüssen, wie Störstrahlung, Hitze, Ultraschall und Staub sein. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde als gute Lösung die Messung der Lichtbogenspannung (Abgekürzt "Libo") eingeführt. Die Lichtbogenspannung ist eine für jeden Brennertypen charakteristische elektrische Größe, die in der Schneidstromquelle abgegriffen und als Regelgröße verwendet wird. Ändert sich die Spannung zwischen dem zu schneiden Blechstück und der Elektrode schließt eine Regelelektronik auf eine damit einhergehende Änderung des Abstands und regelt den Brennersupport so lange nach, bis der Spannungssollwert wieder dem Istwert entspricht.

Dies ist jedoch nur eine stark vereinfachte Erklärung, denn in Wirklichkeit ist dieser Regelprozess noch von vielen weiteren Parametern abhängig, die von modernen und guten CNC-Steuerungen oder externen Höhenregelungen erfasst und verarbeitet werden. Manche Maschinenhersteller verfügen über eigene Libo-Entwicklungen, während andere Maschinenhersteller auf Drittanbieter setzen, die sich darauf spezialisiert haben. Wieder andere kaufen sich die Höhenregelung über interne Funktionalität der CNC-Steuerung ein, die dieses Gebiet heutzutage ebenfalls mit abdecken. Die Funktionen unterscheiden sich je nach Modell und Hersteller und es ist ratsam, sich dieses Kernelement einer modernen Schneidanlage bis ins Detail erklären zu lassen.

Arbeitet die Höhenregelung nicht perfekt, hat der Betreiber nicht selten im Nachgang Ärger mit Kundenreklamationen über ungenaue Zuschnitte oder hohe Nacharbeitskosten, wie dem Entgraten. Oder er verbraucht große Mengen an Plasmaverschleißteilen, die schnell einige Tausend Euro an Mehrkosten pro Jahr ausmachen können, weil die Höhenregelung nicht exakt oder nicht schnell genug arbeitet.

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Hochwertige CNC-gesteuerte Schneidmaschinen und Anwendungen bei denen dickeres Material geschnitten werden soll, sind häufig mit einer elektronischen Lichtbogen Höhenregelung und einer CNC gesteuerten Z-Achse ausgestattet - Kurzbezeichnung: LIBO.

Anfang der 1990er Jahre gab es nur wenige Hersteller die in der Lage waren, lichtbogengesteuerte Höhenregelungen sogenannte "LIBO" über externe Steuergeräte zu bauen. Doch das ist Geschichte, da heute viele CNC-Hersteller bereits integrierte Lichtbogenspannungsmessungen in ihren Steuerungen implementiert haben und eine effektive Regelung der Z-Achse erlauben.

Während man bei einfachen Steuerungen noch die Spannungs-Vorgabe als Sollwert einstellen muss, übernehmen moderne Steuerungen diese Werte aus einer Datenbank. Hier besteht für den Maschinenbediener zusätzlich die Möglichkeit, diese Werte im Prozentbereich an das Blech anzupassen, falls dies erforderlich sein sollte.

Selbstverständlich sollten diese geregelten Z-Achsen auch mit einem effektiven Havarieschutz des Schneidkopfes ausgestattet sein, um etwaige Kollisionsschäden, die durch aufgestellte, gekippte Ausschnitte entstehen können, zu vermeiden und so die hochwertige Mess- und Regeleinrichtung sowie der Schneidkopf vor weiterem Schaden zu bewahren.  

Die 3. Achse, auch z-Achse einer CNC-gesteuerten Schneidanlage genannt, übernimmt die besonders schwierige Aufgabe der Abstandssteuerung zwischen Brennerdüse und dem zu schneidenden Material.

Dieser Abstand kann aufgrund der harschen Bedingungen, die durch den Lichtbogen entstehen, wie UV-Strahlung, EMV-Störstrahlung, Funkenflug, Temperatur, Staub, Lärm sinnvoll nur als Funktion der Lichtbogenspannung geregelt werden, da diese sich diesen Einflüssen entzieht. Andere Messverfahren, Sensoren etc. würden nach kurzer Zeit aufgrund der besonderen Umgebungsbedingungen ausfallen oder zu ungenauen Ergebnissen führen.

Je nach gewählten Schneidstrom ergibt sich auch eine dazu passende Lichtbogenspannung, die zwischen der Düse und dem zu schneiden Material ansteht und welche die Hersteller in ihren Handbüchern aufführen.

Diese Spannung je nach Brenner und Strom liegt häufig in einem Bereich von 110 V bis 150 V und sie kann im Inneren der Plasmastromquelle abgegriffen und gemessen werden. Ändert sich die Spannung, so folgt daraus auch der Umkehrschluss, dass sich der Abstand zwischen Blech und Brenner geändert haben muss. Eine entsprechende Regelelektronik erfasst in Echtzeit diese Spannungsänderung und steuert auf dem Delta der Änderung basierend, den Abstand an der z-Achse solange nach, bis die eingestellte Spannung wieder ihren vorgegebenen Sollwert erreicht hat.

Je schneller diese Regelung erfolgt, desto genauer und besser der Schnitt.

Dies klingt logisch und einfach, wenn da nicht die Physik wäre. Leider ändert sich diese Lichtbogenspannung nun nicht nur bei einer Änderung des Materailabstands sondern auch während die Schneidanlage beschleunigt oder abbremst. Und dies erfolgt zu Beginn und zu Ende jedes Kursrichtungswechsels und auch beim Schneiden kleiner Lochdurchmesser, wo die Winkelgeschwindigkeit kaum Zeit hat, auf die Sollvorgabe der Schneidgeschwindigkeit zu kommen um gleich darauf schon wieder abbremsen zu müssen, denn sie hat nur 180° Zeit zu beschleunigen und 180° Zeit abzubremsen. Ist der Radius klein, gelingt es der CNC nicht, die Sollgeschwindigkeit zu erreichen. Mit anderen Worten, zu jeder Zeit ist das Delta der Geschwindigkeit nicht konstant - ergo, darf die CNC in einer kleinen Bohrung keine Messung durchführen, sonst würde der Brenner in das Material eintauchen und der Düsenabbrand wäre sehr hoch. Während dieser Zykluswechsel muss die LIBO gesperrt, disabeld, sein, sie darf dann nicht messen, da die Werte in diesen Fällen falsch wären.

Gute LIBOs erhalten von der CNC die Freigabe, wann sie messen dürfen und wann nicht. Geht da was schief, erhält man einen unnatürlich hohen Düsenverschleiß.

Auf die korrekte LIBO-Regelung kommt es daher an, wenn man geringe Kosten und einen optimalen Schnitt haben will.