Zanim kupisz laser – wszystko, co należy wiedzieć przed podjęciem decyzji zakupowej – cz. III

W dwóch poprzednich częściach artykułu [1, 2] zostały omówione kwestie związane z doborem systemu sterowania czy pierwszymi kontaktami z producentem wycinarek laserowych. Niniejsza część artykułu zostanie poświęcona napędom stosowanym w maszynach CNC oraz budowie korpusu lasera.

Każda maszyna CNC musi być wyposażona w 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. Silnik napędza mechanizm zamieniający jego ruch obrotowy na ruch liniowy osi roboczej. 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 laserów fiber. Z napędami mechanicznymi nierozerwalnie związany jest również luz zwrotny powodowany przez niedokładności przekładni, tarcie, naprężenia oraz zużycie. Pojawiający się luz zwrotny nie może być precyzyjnie kompensowany, ponieważ pomiar pozycji jest dokonywany przez enkoder na osi silnika i ruch osi w zakresie luzu zwrotnego nie może być zmierzony przez enkoder.

W ostatnich latach w wycinarkach laserowych zaczęły pojawiać się magnetyczne napędy liniowe, które działają bezdotykowo. Ruch osi powoduje bezpośrednio pole magnetyczne, które się nie zużywa, a brak przekładni mechanicznych powoduje znaczne zwiększenie sprawności napędów. W wycinarkach laserowych, gdzie nie ma narzędzia stawiającego opór podczas ruchu, niemal cała energia włożona w rozpędzenie danej osi może być odzyskana podczas hamowania, co firma Kimla wykorzystała, implementując technologię Common DC Bus. Odzyskana energia jest przekazywana do rozpędzającej się osi i dzięki temu energia krąży pomiędzy napędami, minimalizując jej zużycie. Dzięki użyciu tej technologii ograniczono zużycie energii nawet do 70%.

Liniały absolutne

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 jest realizowany na podstawie mikrokodu kreskowego naniesionego na taśmę inwarową wzdłuż każdej osi z rozdzielczością 1 nm, co powoduje niespotykaną dokładność pozycjonowania oraz wyeliminowanie luzu zwrotnego. Napęd portalu jest realizowany obustronnie przez dwa napędy liniowe z elektroniczną korekcją kąta.

Napędy liniowe o dużej gęstości mocy

W celu zwiększania wydajności cięcia, szczególnie przy cienkich blachach, należy zadbać o jak największe przyspieszenie, aby maszyna na jak najkrótszym odcinku mogła osiągnąć prędkość zadaną. W tym celu producenci starają się zastosować napędy o jak największych mocach. Początkowo, gdy moc napędów jest stosunkowo niska, ich masa nie stanowi istotnej części masy poruszanej osi. Zwiększanie mocy silników powoduje zwiększanie ich masy, aż w końcu masa silników staje się na tyle istotna, że pojawia się efekt samoograniczenia (dwukrotne zwiększenie mocy jest niwelowane poprzez podwojenie masy napędów). Powstaje zatem bariera w zwiększaniu wydajności, która wydawała się nie do pokonania. Wytwórcy laserów kupują bowiem silniki liniowe od producentów, którzy oferują rozwiązania konstrukcyjne sprzed 10-15 lat.

Niedawno jednak na rynku pojawiły się nowoczesne materiały magnetyczne o wysokiej indukcji nasycenia, które umożliwiły stworzenie napędów nowej generacji. Firma Kimla rozpoczęła badania nad zastosowaniem tych materiałów do budowy napędów o wysokiej gęstości mocy. Ich efektem było stworzenie i wdrożenie do produkcji napędów liniowych, w których trzykrotnie podniesiono moc bez zwiększenia masy silnika, dzięki czemu osiągnięto dynamikę niedostępną dla innych producentów wycinarek laserowych.

Korpus

Maszyna powinna być sztywna, dokładna i stabilna. To ogólne cechy pożądane dla maszyn CNC. Jednak wielu producentów uważa, że te wymagania dla wycinarek laserowych nie są najistotniejsze i pozwalają sobie na pewne uproszczenia generujące konkretne problemy dla użytkownika.

Idealnie byłoby, aby korpus lasera był monolityczny, obrobiony w jednym mocowaniu na dużej frezarce bramowej. Niestety nie są to maszyny często spotykane, a co za tym idzie – są one drogie, więc producenci decydują się często na korpusy skręcane z kilku elementów. Najczęściej są to dwie ściany boczne połączone poprzeczkami. Niestety takie rozwiązanie powoduje, że maszyna ma niewielką sztywność, w szczególności na skręcanie się korpusu. Dlatego producenci wymagają wykonania fundamentu pod instalację takiej maszyny. Przy instalacji wycinarka jest przykręcana do takiego fundamentu i stanowi on element konstrukcyjny, który ją usztywnia i jest niezbędny do prawidłowej pracy. Niestety wykonanie fundamentu jest kosztowne i czasochłonne, a czasami wręcz niemożliwe, gdy pomieszczenie, w którym ma być zainstalowane urządzenie, jest wynajmowane.

Są jeszcze inne konsekwencje takiego podejścia. W konstrukcjach skręcanych niezwykle trudno jest zapewnić równoległość prowadnic, po których porusza się trawers. Nawet niewielkie odkształcenia czy niedokładności obróbki powodują odchyłki dochodzące do 1 mm, co byłoby katastrofalne dla prowadnic i wózków tocznych. Dlatego producenci takich konstrukcji stosują elastyczne kompensatory szerokości, ale to z kolei wpływa na zmniejszenie sztywności prowadzenia trawersu. Firma Kimla dzięki inwestycji w dedykowane obrabiarki bramowe do korpusów oferuje wycinarki laserowe. Ich monolityczne korpusy obrabiane są w jednym mocowaniu, co zapewnia równoległość prowadnic na poziomie 0,01 mm. Rozwiązanie takie nie potrzebuje kompensatorów, jest sztywne, stabilne i nie wymaga fundamentowania. Kimla oferuje lasery z korpusami monolitycznymi do wielkości 3000 x 12000 mm.

Źródło: KIMLA

Piśmiennictwo

1. Kimla P.: Zanim kupisz laser – wszystko, co należy wiedzieć przed podjęciem decyzji zakupowej – cz. I. „STAL Metale & Nowe Technologie”, nr 1-2/2019, s. 94.
2. Kimla P.: Zanim kupisz laser – wszystko, co należy wiedzieć przed podjęciem decyzji zakupowej – cz. II. „STAL Metale & Nowe Technologie”, nr 3-4/2019, s. 82.