Линейный привод

Ниже приведены схемы реализации линейного перемещения трех видов наиболее распространенных кинематических схем портального механизма, которые используются в современном станкостроении: шарико-винтовой пары (ШВП), реечной передачи (шестерня-рейка) и линейного двигателя (прямого привода).

Шарико-винтовая пара

  • Элементы, подверженные механическому износу

Реечная передача

  • Элементы, подверженные механическому износу

Линейный двигатель

  • Элементы, подверженные механическому износу
  • Элементы, не подверженные механическому износу

Сравнение ШВП с прямым приводом

Конструкция ШВП предполагает большое количество механических сопряжений, что приводит к износу частей шарико-винтовой пары и как следствие потери точности обработки. В свою очередь, линейный двигатель состоит всего из двух частей, взаимодействие которых происходит исключительно на электромагнитном уровне. Механического контакта между частями нет, следовательно, нет механического износа самого линейного привода.

Однако кроме привода в координатной системе используются линейные направляющие и линейные подшипники, которые также являются механическими компонентами и подвержены износу. Они используются равно как в системах на линейном приводе, так и в системах на ШВП или зубчатой рейке. Таким образом, утверждение, что системам на линейном приводе не свойственен механический износ – маркетинговая уловка и лишь отчасти является правдой.

Следует отметить что, присутствует дополнительная сложность реализации систем ШВП для длинных ходов, что обусловлено дополнительными механическими напряжениями вследствие прогиба винта. Для таких систем требуется точный инженерный расчёт и использование высококачественных комплектующих. Поэтому производители, не обладающие достаточным инженерно-научным потенциалом, делают координатные системы ШВП с низкой надёжностью, либо избегают её использования.

Сравнение особенностей реечной передачи с прямым приводом

Реечная передача лишена таких недостатков ШВП, как прогиб и высокая инерционная нагрузка на двигатель, но требует ещё более высококачественного исполнения координатной системы: высокоточной установки направляющих, зубчатой рейки, редуктора и двигателя. При должном качестве изготовления станины и сборке, современная зубчатая передача на основе закалённой шестерни-рейки обеспечит длительную и стабильную работу станка.

Однако погрешности в изготовлении станины или установке направляющих могут привести к появлению люфтов и быстрого механического износа привода. Поэтому, как и в случае с ШВП, производители, не обладающие опытом и технологиями высокоточного изготовления координатных систем, либо не могут обеспечить должной надёжности станка, либо избегают использования реечной передачи.

Рассмотрим процесс управления в каждом случае

В силу меньшего количества этапов преобразования электрической энергии в поступательное движение, линейный привод обладает лучшим КПД, нежели привод на ШВП или зубчатой рейке. Кроме этого, благодаря отсутствию механических сочленений линейный привод лишён механических люфтов.

Однако, поскольку привод является неединственной частью координатной системы, само по себе использование линейного привода не означает отсутствие люфтов в системе целиком. Координатная система опирается на линейные подшипники, которые движутся по линейным направляющим. И эти механические компоненты имеют собственные люфты.

Кроме этого, обратная связь (магнитная или оптическая линейка) линейного привода, имеют так называемый гистерезис, т.е. определенную зону нечувствительности при смене направления движения. Эффект на точность позиционирования координатной системы у этого явления точно такой же, как и у механического люфта.

Поэтому декларирование отсутствия люфтов в координатной системе на линейном приводе – это маркетинговая полуправда.

Сравнение характеристик различных типов приводов

Износ

Координатные системы на ШВП и зубчатая передача подвержены несколько большему износу, чем линейный привод, в силу взаимодействия большего числа механических компонентов. Тем не менее, поскольку координатная система ни в том, ни в другом случае не лишена механических компонентов полностью, линейные привод не гарантирует отсутствия износа.

Люфты

Механические люфты системы напрямую влияют на повторяемость позиционирования координатной системы. В силу большего количества механических сочленений координатные системы на ШВП и зубчатой рейке имеют несколько большую величину механического люфта. Однако, координатная система на линейном приводе также не лишена люфтов, появляющимися в линейных подшипниках.

Точность на длинных ходах

Точность на длинных ходах в случае координатной системы на линейном приводе определяется точностью системы обратной связи по положению (магнитной или оптической линейкой), а также точностью установки портала (прямого угла) и самой системы слежения. В случае координатных систем на основе ШВП или зубчатой рейки, точность определяется качеством изготовления станины и установки направляющих. В обоих случаях, чтобы компенсировать отклонения на больших ходах, требуется калибровка координатной системы при помощи лазерного интерферометра. После такой калибровки, точность системы на длинных ходах остаётся приблизительно одинаковой, независимо от типа используемого привода. При отсутствии надлежащего качества производства и инженерно-технических возможностей для калибровки координатной системы, использованием прямого (линейного) привода является более предпочтительным в силу своей простоты. Однако само по себе использование линейного привода не гарантирует потери точности перемещений на длинных ходах.

Динамика

Координатные системы на базе ШВП имеют не очень высокие динамические характеристики, в силу технологических особенностей (высокая масса ШВП и, как следствие, высокая инерционность нагрузки). Тем не менее, динамические характеристики могут быть подняты за счёт наращивания мощности двигателей.

Координатные системы на базе зубчатой рейки имеют высокие динамические характеристики, ограниченные инерционностью нагрузки и ротора двигателя.

Координатные системы на линейном приводе имеют высокие динамические характеристики, ограниченные инерционность нагрузки и двигателя.

Конкретные динамические характеристики координатной системы зависят от используемого типа привода и веса нагрузки (портала). Слабый линейный привод не обеспечит надлежащей динамики, и даже не сравнится с системой на зубчатой рейке и сервоприводе. В тоже время двигатель высокой мощности, установленный с ШВП, может обеспечить вполне достаточные динамические характеристики координатной системы.

Надёжность

В силу меньшего количества механических компонентов и сочленений система на линейном приводе обеспечивает несколько более высокий уровень надёжности. Однако, всегда следует помнить, что привод является не единственным компонентом станка лазерной резки, и следует оценивать общую надёжность системы в целом.

Точность контурных перемещений

Точность контурных перемещений мало зависит от типа привода и определяется в первую очередь механической жёсткостью конструкций координатной системы (в т.ч. портала), а также частотным ответом координатной системы (который, в свою очередь, зависит от конструктивных особенностей портала, крепления головки и других компонентов).

Точность контурных перемещений также связана с динамическими характеристиками координатной системы. Установив мощный привод можно добиться высокой динамики на холостых ходах (с отключенным инструментом), но для обеспечения точности, если конструкция станка недостаточно жёсткая, требуется значительное понижение значений ускорений и торможений.

Стоимость

При равных технических параметрах координатная система на линейном приводе дороже, чем координатная система на ШВП или зубчатой рейке. Это объясняется тем, что для прямого привода требуется длинная «магнитная дорога», вдоль которой и движется привод, собранная из мощных неодимовых магнитов. В то время как у обычного серводвигателя количество таких магнитов значительно меньше и они находятся на роторе, который поворачивается множество раз в пределах рабочего хода координаты.

Таблицу можно прокручивать влево/вправо

Координатная система на ШВП Координатная система на зубчатой рейке Линейный двигатель
Подвержена износу. Высокий износ при некачественном изготовлении. Подвержена износу. Высокий износ при некачественном изготовлении. Подвержена износу. Износ несколько меньше, чем у координатных систем других типов.
Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность. Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность. Наличие люфтов в тележках, влияющих на точность. Наличие гистерезиса в обратной связи, влияющего на точность. Повторяемость позиционирования несколько выше, чем у КС других типов.
Снижение точности на длинных ходах. Снижение точности на длинных ходах. Высокая точность на любых ходах.
Средняя динамика. Высокая динамика перемещения (при использовании мощного привода). Высокая динамика перемещения (при использовании мощного привода).
Высокая надёжность при должном качестве изготовления. Высокая надёжность при должном качестве изготовления. Высокая надёжность.
Средняя стоимость. Средняя стоимость. Высокая стоимость.

Выводы

Линейный привод обладает рядом неоспоримых преимуществ, однако не является «панацеей от всех бед». Сам по себе линейный привод лишь незначительно увеличивает срок службы оборудования, повышает точность координатной системы и динамику перемещений. Достоинства линейного привода раскрываются только при условии его высокой мощности, продуманной конструкции координатной системы (с высокой жёсткостью и частотным ответом) и высокого качества изготовления станка, иными словами, при комплексном подходе к оборудованию.

При высоком качестве изготовления машины на базе традиционных приводов (ШВП и зубчатой рейке) лишь немногим будут уступать в надёжности станкам на прямом приводе (при условии, что все остальные комплектующие на станках сравниваемых типов обладают одинаковой надёжностью). Тем не менее, при недостаточных технологических и инженерных возможностях линейный привод – наиболее простой и эффективный выход для обеспечения приемлемого уровня надёжности координатной системы, что обуславливает его возрастающую популярность.

Продвижение координатных систем на базе линейного привода, как «вечных» - не более чем маркетинговая уловка для завлечения не особо сведущего в технических подробностях покупателя. Компания Unimach производит станки на всех трёх типах приводов: ШВП, зубчатой рейке и линейном (прямом) приводе, что позволяет всегда предложить наиболее эффективное решение с точки зрения цены, производительности и надёжности для каждой задачи.