Кинематические системы для лазерного оборудования

При этом может решаться задача позиционирования (переезд из одной точки в другую) и контурных перемещений (воспроизведение траектории с заданным отклонением по положению). Большая часть воспроизводимых механических движений носит прямолинейный характер либо складывается из совокупности линейных движений.

Вместе с тем существуют кинематические системы для обработки тел вращения — шпиндельные узлы, поворотные столы и т.п.

Позиционирование и контурные перемещения: базовые задачи

Что важнее — скорость или точность? В идеале — и то, и другое. Но на практике приходится искать компромисс.

Два типа движений

Любой станок решает две основные задачи:

• ✓ Позиционирование — быстрый переезд из точки А в точку Б
• ✓ Контурные перемещения — движение по сложной траектории с высокой точностью

Первое требует скорости. Второе — точности. А лучше бы и того, и другого сразу.

Большая часть движений — прямолинейная. Или состоит из линейных отрезков. Но есть и исключения: поворотные оси, круговые интерполяции.

Рис. 1. Поворотная ось с приводом на линейных двигателях и виброустойчивым гранитным основанием

Традиционные системы: ШВП и шестерня-рейка

На сегодняшний день в промышленности, в частности, при производстве лазерных станков применяется несколько типов кинематических систем.

Как работает классика

Традиционные системы: ШВП и шестерня-рейка

Шарико-винтовые пары и передачи типа шестерня-рейка — традиционный способ получения линейных движений. Заключается он в преобразовании вращательного движения в поступательное. В системе привода применяется электродвигатель и механический преобразователь (шарико-винтовая пара, реечная передача).

Проще говоря: мотор крутится — винт или рейка двигается. Старая, проверенная схема.

Точность и стоимость

Станки на таких приводах хорошо отработаны и находят свое применение в целом ряде высокотехнологичных отраслей.

Точность станков с такими приводами составляет порядка 30-50 мкм. При этом возможно повышение точности за счет применения систем обратной связи, которые обеспечивают непрерывный контроль положения вала двигателя и точное позиционирование с достаточно высоким разрешением.

Стоимость таких приводов и, соответственно, станков сравнительно невысока.

Рис. 2. Традиционная схема: управление рабочим органом через механическую передачу

Рис. 3. Прямой привод: линейный двигатель без промежуточных передач

Недостатки классических приводов: люфты, износ, ограничения

Однако при решении задач, связанных с высокой производительностью и повышенной (порядка 1-5 мкм) точностью обработки, возникает целый ряд проблем, обусловленных устройством приводов.

Пять главных проблем

Использование различных компенсаторов далеко не всегда позволяет уйти от этих проблем. Среди недостатков выделяются:

1. Нестабильность точностных параметров, обусловленная наличием в передаче люфтов (успешно компенсируется системами обратной связи)
2. Пониженные скоростные и динамические характеристики (за счет механической редукции при преобразовании одного вида движения в другой)
3. Склонность к механическому износу элементов (износ подшипников, ремней, ходовых винтов)
4. Излом и истирание поверхности зубьев, из-за чего передача начинает проскальзывать
5. Потеря эффективности движения, снижение степени безопасности работы

Понимаете масштаб проблемы? Каждый элемент передачи — это потенциальный источник погрешности.

Энергетические потери

Задумывались ли вы, сколько энергии тратится впустую?

В системах с преобразованием движений за счет механической редукции только порядка 5% кинетической энергии содержится в элементах, линейно перемещающихся. А 95% — это кинетическая энергия вращающегося ротора электродвигателя и присоединенных к нему элементов.

Эту энергию нужно набирать и компенсировать при разгоне-торможении системы. Представьте: 95% энергии крутится вхолостую!

Неэффективно? Безусловно.

Линейные двигатели: прямой электромагнитный привод

Кардинальное решение изложенных выше проблем возможно за счет применения линейных двигателей (ЛД), реализующих прямой электромагнитный привод без преобразования видов движения.

Принцип работы

Это позволяет создавать технологическое оборудование с существенно улучшенными эксплуатационными характеристиками, а зачастую и новыми свойствами.

Более того, целый ряд технологических задач не может быть качественно решен с использованием других типов приводов.

Линейные двигатели позволяют избавиться от преобразователей вращательного движения в поступательное, снижающих точность, быстродействие и долговечность оборудования.

Отсутствие износа

В ЛД нет соприкасающихся частей, подверженных износу. Таким образом высокие точностные характеристики линейного двигателя остаются неизменными.

Это критически важно. Представьте: станок работает год, два, пять — точность не падает. Потому что нечему изнашиваться.

Вследствие сравнительно малой величины статического усилия ЛД имеют габариты и массу, не превышающие аналогичные показатели приводов на ШВП.

Преимущества ЛД: точность 1-5 мкм и скорость до 1000 мм/с

За счет реализации технологии прямого электромагнитного привода кинематические системы на основе ЛД обладают существенно лучшими динамическими характеристиками.

Энергоэффективность

При этом их мощность и установленная мощность силовых элементов систем управления (сервоусилителей) на порядок меньше показателей аналогичных традиционных систем.

Почему так происходит?

Всё просто: нет вращающихся масс — нет потерь на их разгон и торможение. Вся энергия идет непосредственно на перемещение рабочего органа.

Динамические характеристики

Когда ЛД незаменимы

Наибольший технико-экономический эффект достигается при производстве оборудования, в котором нет механической реакции рабочего инструмента, либо она мала.

Это комплексы обработки листовых материалов, реализующие:

• ☑ Лазерную резку
• ☑ Плазменную резку
• ☑ Газокислородную резку
• ☑ Гидроабразивную резку
• ☑ Электроэрозионную обработку
• ☑ Тонкое фрезерование
• ☑ Прецизионную механическую резку

Области применения: от лазерной резки до микрообработки

Такие привода наиболее активно применяются при решении задач, требующих высокой точности и производительности.

Семь основных направлений

Конкретные применения:

1. → Прецизионная обработка
2. → Резка и раскрой листовых материалов
3. → Скрайбирование (нанесение рисок)
4. → Термораскалывание
5. → Сверление отверстий
6. → Микрофрезерование
7. → Обработка тонкопленочных элементов
8. → Резка композитов

Впечатляет список? Еще бы. От макро до нано — один двигатель.

Почему именно эти области

Лазерная резка требует высокой скорости и точности одновременно. ЛД дают и то, и другое.

Микрообработка? Точность в единицы микрон — без проблем.

Тонкопленочные элементы? Никакого износа, никакого загрязнения частицами трения.

Российские производители: ЭСТО, ВНИТЭП и белорусский Ruchservomotor

На сегодняшний день из российских производителей лазерного оборудования линейные двигатели в составе станков используют всего два производителя:

Три игрока на рынке

ЭСТО – Лазеры и аппаратура ТМ, г. Зеленоград (ЛД собственного производства)

ВНИТЭП, г. Дубна, МО (ЛД производства компании Siemens)

Производство линейных двигателей освоил и белорусский Ruchservomotor. Он оснащает ими свои станки для резки и раскроя.

Импортозамещение или свои разработки

ЭСТО пошла путем собственных разработок. Это сложно, но дает независимость.

ВНИТЭП использует Siemens. Надежно, проверено, но зависит от импорта.

Белорусы выбрали свой путь — собственное производство.

Какой подход лучше? Время покажет.

Технические характеристики: сравнение систем на разных основаниях

Основные технические характеристики кинематических систем производства ЭСТО – Лазеры и аппаратура ТМ на линейных двигателях на различных основаниях (стальных или виброустойчивых гранитных) для прямолинейных или поворотных перемещений приведены в таблице.

Четыре типа систем

Основные технические характеристики координатных систем на линейных двигателях:

Гранит или сталь: что лучше

Обратите внимание на точность:

• ★ Портал на стали: 10-20 мкм
• ★ На граните: 1-5 мкм

Разница в 4-5 раз! Почему?

Гранит виброустойчив. Он гасит вибрации, не деформируется от перепадов температур. Это критически важно для прецизионной обработки.

Но гранит дороже. И тяжелее.

Выбор зависит от задач. Для раскроя металла с точностью 50 мкм — сталь подойдет. Для микрообработки — только гранит.

Поворотные оси

Отдельно стоит упомянуть поворотные системы.

Точность 0,0006° — это меньше одной двухтысячной градуса! Скорость 360°/с — полный оборот за секунду.

Для чего это нужно?

Обработка сложных пространственных деталей. Пятикоординатная обработка. Когда нужно повернуть заготовку под точным углом.

Крестовые столы

Рабочий ход до 1500×6000 мм — это серьезно.

Лист металла 3×6 метров? Без проблем.

Точность 5-10 мкм на такой длине — impressive.

Скорость 500 мм/с — баланс между производительностью и точностью.

Что выбрать

Зависит от задач:

1. Портал — универсальное решение для большинства задач
2. На граните — для прецизионной обработки, когда важна каждая микрон
3. Крестовые — для раскроя больших листов
4. Поворотные — для сложной пространственной обработки

А можно комбинировать. Портал на граните с поворотной осью — это уже пятикоординатный станок.

Технологии не стоят на месте. Линейные двигатели — это не будущее. Это настоящее.

О.А. Рокачевский, А.Л. Кудрявцева

ЭСТО – Лазеры и аппаратура, г. Зеленоград