Advanced Technology Machine Solutions

Podstawowym zagadnieniem przy projektowaniu obrabiarek CNC jest sposób zamiany ruchu obrotowego silników elektrycznych na ruch liniowy pozwalający na realizację pracy poszczególnych maszyn. Obecnie stosuje się różne układy przeniesienia napędu w zależności od wymagań związanych z rodzajem obróbki oraz gabarytami maszyn. Do najczęściej stosowanych napędów liniowych należą:

• Napęd z paskiem zębatym

  Układ przeniesienia napędu realizowany przez pasek zębaty jest powszechnie stosowany w ploterach laserowych CO2. Do jego najważniejszych cech należą możliwość osiągnięcia dużych prędkości oraz przyspieszeń, brak luzu nawrotnego oraz duża dokładność. Cechy te są niezwykle istotne przy procesie grawerowania. Dodatkowo napęd tego typu charakteryzuje się prostą budową oraz niską ceną. Do wad napędów z paskiem zębatym zaliczyć można stosunkowo niewielką trwałość związaną ze stopniowym rozciąganiem się paska oraz trudności eksploatacyjne związane z koniecznością zapewnienia odpowiedniego napięcia paska. Napędy z paskiem zębatym nie są w stanie przenosić dużych obciążeń, lecz w przypadku ploterów laserowych nie stanowi to problemu ze względu na niewielką masę głowicy oraz brak kontaktu głowicy z obrabianym materiałem. 

• Napęd śrubowy

  

  Kolejnym układem realizacji ruchu liniowego jest napęd śrubowy. Obecnie stosuje się kilka rodzajów mechanizmów śrubowych, głównie mechanizm śrubowy trapezowy oraz śrubowo toczny. Mechanizm śrubowy trapezowy pośród wielu zalet (możliwość przenoszenia dużych obciążeń, samohamowność, dobra trwałość, niska cena) posiada dwie wady, które ograniczają możliwości jego zastosowania w precyzyjnych maszynach CNC, mianowicie duży luz i bardzo małą prędkość. Zdecydowanie częściej w nowoczesnych maszynach stosowane są mechanizmy śrubowo-toczne, potocznie zwane śrubami kulowymi. Do głównych zalet tego typu napędu należy duża dokładność, brak luzów oraz dosyć duża nośność, znacznie większa niż w przypadku napędów z paskiem zębatym. Śruby kulowe stosowane są przede wszystkim we frezarkach o niewielkich gabarytach. Do ograniczeń śrub kulowych należy ryzyko ugięcia śruby w przypadku zastosowania w maszynie o dużych gabarytach. Problem ten może być wyeliminowany poprzez zastosowanie śruby o odpowiednio dużej średnicy lub poprzez zastosowanie układu siłowników podtrzymujących śrubę (układ taki stosowany jest np. w wycinarkach wodnych WaterJet ATMSolutions). Dodatkowo układ napędowy ze śrubą toczną nie może rozwijać dużych prędkości i przyspieszeń. Z tego względu napęd ten nie może być stosowany w ploterach laserowych służących do grawerowania.

• Listwa zębata

  Kolejnym napędem umożliwiającym realizację ruchu liniowego jest listwa zębata. W porównaniu ze śrubą kulową umożliwia przenoszenie jeszcze większych obciążeń. Jest to istotna zaleta, która pozwala na jej stosowanie w ploterach frezujących o dużych gabarytach. Dodatkowo w przypadku listw zębatych nie występuje problem z ich stosowaniem w maszynach o dużym polu roboczym. Ponadto pozwala na osiągniecie większych wartości prędkości i przyspieszeń niż śruba kulowa. Do wad napędów z listwą zębatą zaliczyć można duży luz nawrotny. Można go jednak wyeliminować poprzez stosowanie listw o zębach helikalnych, które stosowane są w ploterach frezujących ATMSolutions. W napędach tego typu występuje również duże tarcie, które powoduję redukcję sprawności, konieczność dostarczenia większej mocy oraz zmniejszenie trwałości. Ze względu na gorszą dynamikę oraz zdecydowanie większy koszt napędy z listą zębatą nie są stosowane w ploterach laserowych. 

• Silnik liniowy

  

  Wraz z ciągłym wzrostem wymagań stawianych przed układami realizacji przemieszczeń liniowych wprowadzane są coraz bardziej innowacyjne napędy pozwalające na uzyskanie większej płynności ruchu oraz większej dynamiki.  Przykładem takich napędów są silniki liniowe. Pozwalają na zwiększenie wydajności produkcji ze względu na doskonałe parametry dynamiczne. Silnik liniowy w uproszczeniu to rozłożony rotacyjny silnik elektryczny. W silniku liniowym funkcję stojana spełnia listwa z magnesami trwałymi, natomiast rolę wirnika pełni wzbudzany siłownik. Do głównych zalet silników liniowych należą: duże wartości prędkości i przyspieszeń, duża niezawodność i małe zużycie (brak tarcia między elementami konstrukcyjnymi, brak przekładni, sprzęgieł), dokładne pozycjonowanie, bardzo niska emisja hałasu, małe luzy/brak luzu nawrotnego. W porównaniu z napędami z listwą zębatą oraz śrubą toczną, silniki liniowe są w stanie przenosić mniejsze siły, z tego względu obecnie stosowane są głównie w ploterach laserowych oraz wycinarkach fiber. Jednak ze względu na stały rozwój technologii silników liniowych istnieje szansa, że w przyszłości wyprą one klasyczne układy napędowe. 

 

Porównanie układów przeniesienia napędu w maszynach CNC

	Pasek zębaty	Śruba toczna ( śruba kulowa )	Listwa zębata	Silnik liniowy
Maks. prędkość
Maks. przyspieszenie
Dokładność
Przenoszone obciążenie
Zastosowania w maszynach ATMSolutions

Źródła:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_motor
[2] Katalog produktów firmy Hiwin – Positioning Systems/Linear Motor Systems
[3] https://www.cncinfo.pl
[4] https://www.hiwin.com/ballscrews.html
[5] https://pivexin-tech.pl
[6] https://www.hiwin.com/linear-motors.html
[7] http://silnikliniowy.pl/zalety.html
[8] https://www.linearmotiontips.com/choose-the-best-linear-positioning-device-for-your-application/
[9] https://www.apexdyna.nl/en/news/linear-drives-advantages-rack-pinion/
[10] https://www.atmsolutions.pl