W celu zwiększenia wydajności cięcia, szczególnie przy cienkich blachach, należy zadbać o jak największe przyspieszenie, aby maszyna na jak najkrótszym odcinku mogła osiągnąć prędkość zadaną. O tym, jak poradzić sobie z tym zagadnieniem oraz o korzyściach płynących z zastosowania napędów liniowych w rozmowie z redakcją czasopisma „STAL Metale&Nowe Technologie” opowiedział Przemysław Kimla.
Chcąc zwiększyć moc silnika, producenci maszyn muszą liczyć się z koniecznością zwiększenia jego masy, co w konsekwencji prowadzi do jego samoograniczenia, ponieważ dwukrotne zwiększenie mocy jest niwelowane poprzez podwojenie masy napędów. Działo się tak, aż do momentu, kiedy firma KIMLA rozpoczęła pracę nad nową generacją napędów bazujących na nowoczesnych materiałach magnetycznych o wysokiej indukcji nasycenia. Dzięki temu rozwiązaniu udało się wdrożyć do produkcji napędy liniowe, w których moc została trzykrotnie podniesiona bez konieczności zwiększenia masy silnika. Zaowocowało to nieosiągalną do tej pory dynamiką pracy. Zacznijmy jednak od początku.
Dlaczego kwestia napędu jest tak istotna w pracy maszyny?
Każda maszyna CNC musi posiadać napędy, które przetwarzają sygnały sterujące na mechaniczny ruch osi. Najczęściej są to serwonapędy działające na bazie obrotowego silnika elektrycznego z zainstalowanym enkoderem do pomiaru aktualnej pozycji napędu. Może to być śruba toczna lub co w przypadku laserów jest znacznie częstsze – listwa zębata. Pomiędzy listwą zębatą a silnikiem stosowana jest przekładnia planetarna w celu dostosowania prędkości i momentu obrotowego. Są to przekładnie mechaniczne, które z czasem zużywają się, co wymaga ich okresowej wymiany, szczególnie w przypadku szybkich i dynamicznych ruchów lasera fiber. Nie świadczy to korzystnie o takim rozwiązaniu…
Rzeczywiście rozwiązania tego typu są niekorzystne, jednak przez wiele lat były to jedyne dostępne na rynku możliwości. W zdecydowanej większości przypadków obrabiarki wyposażone są w osie liniowe, natomiast napędzane są silnikami obrotowymi. W konsekwencji wymaga to przełożenia ruchu obrotowego na ruch liniowy za pomocą konkretnej przekładni mechanicznej. Zastosowanie przekładni, po pierwsze, zawsze w jakimś stopniu zakłóca pracę, a po drugie, ma liczne ograniczenia wynikające z tarcia, naprężenia, czy ze zużycia. Pojawiający się luz zwrotny nie może być precyzyjnie kompensowany, ponieważ pomiar pozycji dokonywany jest przez enkoder na osi silnika i ruch osi w zakresie luzu zwrotnego nie może być zmierzony przez enkoder.
Jak dotychczas radzono sobie z tą problematyką?
Historycznie kwestia przenoszenia napędu zawsze była problematyczna. Pierwsze obrabiarki były napędzane zwykłymi śrubami trapezowymi z mosiężnymi nakrętkami śrubowymi, gdzie uzyskanie stanu braku luzu zwrotnego było właściwie niemożliwe. Było to spowodowane tym, że w sytuacji, gdy nakrętka została mocniej ściśnięta, to niemożliwe stawało się ruszenie śruby. Natomiast kiedy możliwe było poruszanie śrubą, zawsze pojawiał się luz zwrotny. Poza tym te elementy, współpracując ze sobą, dość szybko się zużywały, powodując bardzo szybki wzrost luzu. Wymagało to jego ciągłej kontroli i korekcji, co stanowiło bardzo karkołomne zadanie. Dość szybko pojawił się na rynku pomysł zastosowania śruby tocznej. Śruba toczna z nakrętką kulkową jest wydajną śrubą z kulką umożliwiającą ruch toczny pomiędzy osią śruby a nakrętką. Jest to dosyć skomplikowany mechanizm, wymagający bardzo precyzyjnego wykonania, w którym nie ma miejsca na błędy. Drobne niedokładności powodują poważne problemy z precyzją, trwałością czy płynnością ruchu napędów. Oczywiście rozwiązania śrubowo-toczne na przestrzeni lat zostały dopracowane, powstało nawet wiele maszyn dedykowanych konkretnie do ich produkcji. Jednak nadal są to rozwiązania skomplikowane, drogie i ciągle nie dość perfekcyjne.
Wspomniał Pan wcześniej, że istnieje możliwość zastosowania listew zębatych…
Tak – śruby toczne stosuje się wyłącznie na krótkich dystansach. Kiedy mamy do czynienia z długimi napędami, konieczne staje się zastosowanie listwy zębatej. Rozwiązanie to jest mniej dokładne, jednak jego zdecydowaną przewagą jest brak ograniczeń dotyczących długości. Tym razem również podejmowano próby poradzenia sobie z problemami związanymi z dokładnością na przykład poprzez zastosowanie listwy zębatej z zębami skośnymi, dzięki czemu uzyskujemy płynniejsze przejście pomiędzy zębami. Problematyczna staje się tutaj kwestia dodatkowej przekładni, której potrzebuje silnik, aby napędzać takie włókno. Zastosowanie dodatkowej przekładni generuje kolejne luzy i niedokładności. W prostych maszynach takich jak plotery stosowane są pasy zębate, gdzie na osi silnika znajduje się koło zębate napędzające pas, który, przesuwając się, ciągnie głowicę.
Na jakiej zasadzie działają w takim razie najnowsze rozwiązania, którymi są napędy liniowe?
W ostatnich latach w wycinarkach laserowych zaczęły pojawiać się magnetyczne napędy liniowe, które działają bezdotykowo. Ruch osi wywoływany jest bezpośrednio przez pole magnetyczne, które się nie zużywa, a brak przekładni mechanicznych powoduje znaczne zwiększenie sprawności napędów. Firma KIMLA w swoich laserach wykorzystuje napędy liniowe z absolutnym odczytem pozycji, co oznacza, że maszyna po włączeniu nie wymaga najazdów na punkty referencyjne, ponieważ odczyt realizowany jest na podstawie mikrokodu kreskowego naniesionego na taśmę inwarową wzdłuż każdej osi z rozdzielczością 1 nm, co powoduje niespotykaną dokładność oraz wyeliminowania luzu zwrotnego. Napęd portalu realizowany jest obustronnie przez dwa napędy liniowe z elektryczną korekcją kąta. Odczyt pozycji dokonywany jest bezdotykowo za pomocą głowicy optycznej, która wykonuje sto tysięcy pomiarów na sekundę.
