Przez wiele lat, maszyny napędzane były napędami zębatkowymi. Na nieruchomym elemencie zainstalowana jest zębatka, a na trawersie lub na osiach umieszczone są serwonapędy z przekładniami, w których są zainstalowane koła zębate – te napędzają głowicę dzięki współpracy zębnika i zębatki. System ten był najczęściej obustronny. Czasem był to jeden napęd, wówczas trawers był połączony wałem. Niektóre firmy robiły dwa serwonapędy, natomiast wszystkie rozwiązania oparte były o napędzanie przez przekładnie koła zębatego, które poruszało się po zębatce. Niestety, każdy element mechaniczny, nawet jeśli jest bezluzowy, ma wady. Np. układ pomiarowy, który montowany jest na osi silnika, nie mierzył pozycji bezpośredniej rzeczywistego położenia trawersy w osi maszyny, nie mógł uwzględnić luzów na przekładniach zębatych. W obróbce laserowej nie jest zwykle potrzebna ekstremalna dokładność, więc przez wiele lat tradycyjny napęd zębatkowy był stosowany. Pojawienie się laserów światłowodowych wymusiło jednak znalezienie rozwiązania, które zwiększyłoby znacznie dynamikę pracy maszyny, prędkość i przyspieszenia, aby wykorzystać potencjał nowej technologii. Producenci zaczęli więc sięgać po napęd liniowy.
Napęd liniowy
Napęd liniowy to układ, który wzdłuż ruchu maszyny ma ułożoną ścieżkę magnetyczną i forser, który jest rozwinięciem stojana silnika obrotowego. Dzięki takiemu układowi maszyna porusza się bez przełożenia mechanicznego pomiędzy elementami stałymi. Elementy ruchome ciągnie pole magnetyczne tak, jak wewnątrz silnika obrotowego pole magnetyczne ciągnie wirniki w stosunku do stojana. Taki napęd jest praktycznie nie zużywa się, nie jest narażony na wycieranie się elementów stykowych, obciążenia. Umożliwia to znaczne zwiększenie przyspieszeń. Silniki liniowe mogą osiągać prędkości nawet do 5 m/s, co pozwala na znacznie większe wykorzystanie potencjału drzemiącego w światłowodowym źródle lasera. Ponieważ jednak liniowy układ napędowy jest bardzo dynamiczny, reakcja całej konstrukcji maszyny na taką dużą dynamikę musi być odpowiednia. Maszyny muszą być odpowiednio sztywne i stabilne, a elementy ruchome jednocześnie dosyć lekkie. W każdym układzie o dużej dynamice ciężar elementów konstrukcji ma znaczenie zgodnie z proporcją: im mniejsza masa tym większa dynamika pracy. Dwukrotnie mniejsza masa poruszanych elementów daje możliwość dwukrotnego zwiększenia przyspieszenia.
Typy układów mechanicznych
Aby urządzenie nie wpadało w wibracje, należy przyjąć pewną filozofię projektowania maszyn. Układ musi być przede wszystkim zwarty i sztywny. Rama powinna być jak najcięższa, a elementy ruchome jak najlżejsze, wówczas można uzyskać dużą precyzję odwzorowania kształtu i zminimalizować ryzyko drgań. Układy mechaniczne laserów światłowodowych, a także innych tego typu maszyn, są robione w kilku koncepcjach. Pierwsza to konstrukcja z jeżdżącą trawersą, napędzaną z dwóch stron, po której porusza się głowica. Taka konstrukcja jest optymalna z mechanicznego punktu widzenia, ponieważ dysproporcje pomiędzy masami przemieszczania osi X w stosunku do osi Y są znaczne. Oś poprzeczna ma do wożenia tylko głowicę, silnik i elementy jezdne, natomiast oś wzdłużna nosi na sobie całą masę trawersy i głowicę dodatkowej osi, która jeździ po trawersie. Trawersę powinno się napędzać z dwóch stron silnikami, ponieważ wówczas można do niej doprowadzić dużo więcej mocy i pchać ją z większą siłą, niż jest to potrzebna w osi poprzecznej, gdzie pracuje dużo lżejszy element. Niektórzy producenci laserów próbują uprościć konstrukcję lub oszczędzić na kosztach elementów napędowych. Spotykane jest często napędzanie obu osi pojedynczymi silnikami. Można wówczas zamontować belkę jezdną nad obszarem roboczym, która pośrodku trawersy ma układ napędowy. Tworzy to kształt, w którym pod belką jezdną podwieszona jest trawersa. Innym rozwiązaniem jest belka z wysięgnikiem: układ zawieszony i napędzany jest z jednej strony, a belka ruchoma z drugiej strony w ogóle nie jest podparta. Układ łożyskowania liniowego po stronie mocowania musi być wówczas bardzo mocny, ponieważ nawet przy niewielkim zwiększeniu dynamiki łożyska są bardzo mocno przeciążane przez siły, skręcające belkę. Układy takie mają ograniczone przyspieszenia i nie są polecane do szybkich laserów światłowodowych.
Konstrukcja maszyny
Aby podołać wysokim prędkościom i przyspieszeniom, konstrukcja musi być stabilna, a tą zapewnia przede wszystkim monolityczność ramy. W projektowaniu i produkcji maszyn stosuje się dwie koncepcje. Pierwsza to wykonanie elementów ramy, które są skręcane w całość podczas montażu. Druga to spawanie ramy monolitycznej, która jest jednym korpusem z idealnie obrobionymi powierzchniami. Ta druga metoda zapewnia dużo większą precyzję pracy oraz stabilność urządzenia, minusem są jednak wymiary urządzenia w transporcie. W przypadku ramy skręcanej, maszynę można zapakować do kontenera i wysłać konwencjonalną spedycją. Taką metodę produkcji przyjęli globalni producenci obrabiarek. Jednak elementy skręcane powodują znaczne zmniejszenie sztywności w stosunku do ramy monolitycznej. Nie da się uzyskać takiej geometrii, aby równoległość łożyskowania liniowego była tak dokładna na całej długości, żeby wózki jeżdżące po trawersie były zamontowane „na sztywno”. Trzeba wówczas stosować kompensatory długości trawersy, które co prawda rozwiązują ten problem, ale powodują w ten sposób elastyczność układu, kompensując niedokładności ustawienia ram, powoduje to dużo gorszą jakość regulatorów. Nie można tak ostro zestroić serwonapędów, żeby maszyna sztywno reagowała na wszystkie komendy systemu sterowania, ponieważ elastyczny układ zaczyna się wzbudzać. Maszyna drga, dlatego trzeba zmniejszać nastawy regulatorów. Maszyna ma ograniczaną dynamikę, bo jeśli nie jest poprawnie zestrojona z serwonapędem, pojawiają się oscylacje pozycji, przegrzewają się napędy, a na detalu mogą pojawić się wady kształtu. W przypadku wykonawstwa ramy monolitycznej wykonuje się obróbkę wszystkich wymiarów prowadnic na jednej maszynie i w jednym zamocowaniu. Dzięki temu w dalszym procesie produkcji nie ma potrzeby stosowania kompensatorów nierównoległości ścian. W jednym zamocowaniu obrabiane są także wszystkie kanały pod prowadnice, napędy liniowe, układy pomiarowe.
