Tuy nhiên, thiết kế hệ thống truyền động cho máy cắt laser đi kèm với những cân nhắc cụ thể do yêu cầu cao về định vị và gia tốc.
Trong bài đăng trên này, chúng tôi sẽ đi sâu vào chỉ số kỹ thuật chính của phương pháp truyền động của máy cắt laser, bao gồm hành trình, độ chính xác định vị, độ chính xác định vị lại, tốc độ định vị, lực truyền động, độ cứng truyền động, truyền động dây đai đồng bộ, truyền động vít bi, và bánh răng và giá đỡ.
Cho dù bạn là nhà sản xuất hay độc giả tò mò, bài viết này sẽ cung cấp cho bạn những hiểu biết có giá trị về thế giới máy cắt laser.
Chỉ số kỹ thuật chính của phương pháp điều khiển máy cắt laser
Đột quỵ
Hành trình của máy cắt laser là phạm vi xử lý mà nó có thể xử lý, xác định kích thước phôi gia công tối đa có thể xử lý và là một tham số cơ bản.
Phạm vi xử lý phổ biến nhất hiện nay là 3m x 1,5m, mang lại sự cân bằng tốt giữa khả năng cơ học, phạm vi xử lý và chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, khi trình độ công nghiệp nói chung tiếp tục được cải thiện, tỷ lệ các mẫu xe lớn hơn đã tăng lên hàng năm.
Độ chính xác định vị
Là một máy công cụ chuyên dụng, máy cắt laser tương tự như máy công cụ nguội truyền thống. Khung truyền tổng thể về cơ bản là giống nhau. Tuy nhiên, cắt laser thường không được sử dụng cho mục đích gia công chính xác, do đó độ chính xác tuyệt đối của bộ truyền động thấp hơn một chút so với máy công cụ nguội NC.
Độ chính xác định vị của máy phản ánh vị trí của nhà sản xuất, đầu vào sản phẩm và cấp độ chính xác của các bộ phận truyền động đã chọn. Tuy nhiên, đối với cắt laser, độ chính xác định vị không có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả xử lý cuối cùng, chẳng hạn như dung sai kích thước bộ phận và chất lượng cắt.
Tuy nhiên, để cắt tinh, thiết bị cắt laze có thể cắt chính xác hàng chục micron của khe, ngang bằng với độ chính xác hoạt động của máy cắt laze. Tại thời điểm này, độ chính xác định vị trở nên rất quan trọng.
Định vị lại độ chính xác
Độ chính xác tái định vị đạt được bằng máy cắt laser phụ thuộc phần lớn vào độ hở ngược của xích truyền động, tương tự như gia công nguội truyền thống.
Độ hở ngược của máy cắt laser cũng có một số ảnh hưởng đến độ nhám của phần cắt. Người dùng rất đặc biệt về chất lượng cắt phần nên chú ý đến chỉ số này.
Tốc độ định vị
Tốc độ định vị, là thông số kỹ thuật rõ ràng nhất, là chỉ số chính mà mọi nhà sản xuất máy cắt laser đều chú ý đến. Nó thường được sử dụng làm tiêu chí chính để phân loại các tính chất cơ học và cấp độ của máy cắt laser.
Hiện tại, các mẫu máy hàng đầu đã liên tiếp vượt qua tốc độ định vị trục đơn là 100m/phút. Tốc độ định vị cao có tác động đáng kể đến việc nâng cao hiệu quả xử lý tấm.
Tuy nhiên, đối với các tấm có độ dày trung bình, do hạn chế về tốc độ cắt, việc rút ngắn thời gian xử lý tổng thể có thể không quan trọng bằng.
Động lực
Do tính linh hoạt cao của quá trình xử lý bằng laser, việc cắt tốc độ cao các bộ phận phức tạp đã trở thành phương pháp chính để các nhà sản xuất khác nhau thể hiện các đặc tính cơ học.
Cắt tốc độ cao đòi hỏi mô-men xoắn đầu ra cao cho động cơ. Chuỗi truyền động đòi hỏi hiệu quả cao và phản ứng nhanh để đảm bảo độ chính xác của đường ray và đáp ứng các yêu cầu về tẩy trống. Do đó, gia tốc cũng quan trọng như tốc độ định vị.
Tuy nhiên, có sự đánh đổi giữa tốc độ cao và khả năng tăng tốc cao. Điều này đòi hỏi các nhà sản xuất máy cắt phải cân bằng cẩn thận mối quan hệ và tìm ra giải pháp tối ưu thông qua tính toán và thử nghiệm.
Độ cứng truyền
Trong quá trình tốc độ cao của máy cắt laser, ứng suất bên trong của chuỗi truyền động có thể dao động dữ dội. Nếu độ cứng của đường truyền không đủ, nó có thể dễ dàng gây ra biến dạng rãnh và phản hồi chậm của đầu ra cuối cùng. Điều này dẫn đến độ chính xác của hoạt động động khác xa so với các giá trị đo thấp hoặc tĩnh, điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước và độ nhám của phôi.
Tuy nhiên, chỉ số này không dễ định lượng.
4 phương pháp điều khiển máy cắt laser
Truyền động đai đồng bộ
Đai đồng bộ chủ yếu bao gồm các ròng rọc và đai.
Thông thường, bánh dẫn động và mô tơ servo cũng sử dụng bộ giảm tốc để khuếch đại mô-men xoắn khi sử dụng đai đồng bộ có răng
Đai đồng bộ răng có các ưu điểm như tốc độ nhanh, ít tiếng ồn, giá thành rẻ, không cần bôi trơn, dễ bảo trì. Tuy nhiên, nó có những nhược điểm như sự khác biệt về độ cứng, dễ hao mòn, độ chính xác thấp và lực truyền động nhỏ. Do đó, nó phù hợp với các ứng dụng chi phí thấp, tải nhẹ và tốc độ cao.
Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cắt và đánh dấu laser công suất vừa và nhỏ, chi phí thấp và không yêu cầu độ chính xác cao.
Đối với thiết bị cắt laser tốc độ cao và độ chính xác cao, độ chính xác chạy của đai đồng bộ rõ ràng là không đủ và khả năng chịu lực cũng không đủ để truyền trực tiếp các bộ phận chuyển động nặng, cứng và kích thước lớn. Cách sắp xếp phổ biến hơn là đặt nó vào chuỗi truyền động của vít bi tốc độ cao và các tổ chức khác để tạo thành một ổ đĩa hai giai đoạn.
Trong sản phẩm cấp thấp của máy cắt laser công suất cao, truyền động trục Z được điều khiển trực tiếp bởi dây đai đồng bộ
Đối với máy hai chiều có hệ thống ba trục, độ chính xác truyền của trục Z thường không ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng cắt.
Thiết kế này tận dụng một cách thông minh các lợi ích của truyền động dây đai đồng bộ, chẳng hạn như tốc độ nhanh, độ ồn thấp và chi phí thấp, đồng thời khắc phục nhược điểm về độ chính xác thấp.
Ổ vít bi
Vít bi (được hiển thị trong Hình 3) là một cơ cấu truyền động thường được sử dụng trong các loại thiết bị xử lý lạnh khác nhau. Công nghệ này đã được phát triển rộng rãi và chi phí của nó là hợp lý.
Vít me bi là một cơ cấu dẫn động được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị gia công nguội khác nhau nhờ khả năng đạt được độ hở bằng 0 và duy trì hiệu quả truyền động cao cũng như độ cứng thông qua việc áp dụng áp suất trước hoặc hành trình dẫn. Nó cũng có thể đạt được hiệu suất truyền lên tới 95%, làm cho nó trở thành một phương pháp truyền động lý tưởng cho các ứng dụng khác nhau.
Tuy nhiên, việc sử dụng vít bi trong máy cắt laser có những hạn chế. Do trọng lượng của nó, vít bi thường được đỡ ở hai đầu, dẫn đến độ võng nhất định ở tâm vít. Sự lệch hướng này có thể gây rung giật, đặc biệt ở tốc độ cao.
Để giải quyết vấn đề này, phải chọn thanh dây dày hơn, điều này có thể làm tăng chi phí sản xuất và đặt tải nặng hơn lên động cơ. Do đó, vít me bi là một lựa chọn tuyệt vời cho các phương pháp truyền động trong máy cắt laser có hành trình ngắn và diện tích cắt nhỏ, vì độ chính xác, tốc độ và chi phí của nó rất phù hợp cho các ứng dụng như vậy.
Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có hành trình dài (≥3m) và tốc độ cao (≥60m/phút), việc tích hợp trình điều khiển vít bi không phải là phương pháp tối ưu. Mặc dù có thể đạt được các ứng dụng hành trình dài và tốc độ cao với vít bi thông qua xoay đai ốc hoặc bổ sung thiết bị hỗ trợ phụ trợ để tránh chuyển động của đai ốc, các giải pháp như vậy là thách thức về mặt kỹ thuật và đối mặt với những thách thức đáng kể về chi phí và độ tin cậy.
Bánh răng và giá đỡ
Giá bánh răng thường được kết hợp với bộ giảm tốc bánh răng hành tinh hoặc bộ giảm tốc tuabin để phù hợp với quán tính và khuếch đại mô-men xoắn. Một số nhà sản xuất cũng sử dụng động cơ mô-men xoắn để kết nối trực tiếp với bánh răng cuối cùng.
Giá đỡ bánh răng có độ chính xác cao tương tự như vít bi về độ chính xác định vị, vì chúng có thể dễ dàng đạt được độ chính xác định vị 0,03mm/m, cao hơn độ chính xác cần thiết để cắt laser.
Về tốc độ, bánh răng và thanh răng có thể đạt được nhiều sự kết hợp khác nhau bằng cách thay đổi số răng của bánh răng và tỷ số tốc độ của bộ giảm tốc. Không có giới hạn về giới hạn tốc độ tới hạn của vít bi, giúp động cơ servo hoạt động dễ dàng hơn trong phạm vi tốc độ cao và rút ngắn bước tương đương để truyền tải quán tính lớn với động cơ nhỏ hơn.
Giới hạn lý thuyết của bánh răng và giá đỡ có thể đạt tới 400m/phút và dễ dàng đạt được tốc độ lên tới 100m/phút.
Cả răng thẳng và răng lệch đều được sử dụng rộng rãi trong máy cắt laser. Răng xiên dễ cài đặt và phát hiện hơn và có thể đạt được độ chính xác vận hành cao hơn trong cùng điều kiện lắp đặt và độ chính xác gia công.
Ưu điểm của răng lệch là khả năng chịu lực cao hơn một chút dưới cùng một tải trọng, giúp thiết kế nhỏ gọn hơn. Hơn nữa, sự khác biệt đáng kể nhất giữa hai loại là tiếng ồn của răng xiên tương đối thấp ở tốc độ cao, mang lại môi trường vận hành tốt hơn cho người vận hành.
Miễn là giường có thể duy trì đủ độ chính xác và độ cứng, hành trình của giá bánh răng có thể được kéo dài gần như vô tận, với chi phí sản xuất tăng tuyến tính.
Tuy nhiên, thanh răng cũng có nhược điểm. Ví dụ, nó đòi hỏi độ chính xác gia công của giường cao hơn và quá trình lắp đặt phức tạp hơn so với vít bi. Ngoài ra, do nhu cầu bôi trơn và giãn nở nhiệt, có một khoảng lùi cụ thể giữa thanh răng và thanh răng, trong khi bộ giảm tốc hành tinh trong chuỗi truyền động có một khoảng hở ngược nhỏ nhưng có thể nhận thấy được. Sự tích tụ của các yếu tố này khiến giá bánh răng khó đạt được hiệu quả vận hành khe hở bằng 0, như trong trường hợp vít me bi.
Sử dụng động cơ kép, bộ giảm tốc kép hoặc các phương tiện đàn hồi khác có thể bù đắp cho những nhược điểm này, nhưng điều này dẫn đến các chỉ số về trọng lượng, chi phí và khả năng lái không thuận lợi.
Tuy nhiên, may mắn thay, với thiết kế hợp lý và cấu tạo chính xác, giá đỡ bánh răng hai tầng có thể đáp ứng tốt yêu cầu về độ chính xác của việc cắt laser phổ thông hiện nay. Và, vẫn còn nhiều chỗ để phát triển.
Với sự xem xét toàn diện, độ chính xác của truyền động bánh răng và thanh răng có khả năng đáp ứng nhu cầu cắt laser. Hệ thống truyền động này cung cấp sự linh hoạt trong việc lựa chọn, tối đa hóa hiệu suất động cơ servo và giúp dễ dàng đạt được hiệu suất động cao.
Do đó, truyền động giá đỡ bánh răng đã trở thành giải pháp chính cho máy cắt laser công suất cao.
Động cơ tuyến tính
Động cơ tuyến tính, như một chế độ lái mới, đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị NC khác nhau, bao gồm cả máy cắt laser.
Sau đây là một số ưu điểm rõ ràng của động cơ tuyến tính:
(1) Không có tiếp xúc cơ học và truyền động được tạo ra trong khe hở không khí, dẫn đến không có sự hao mòn trực tiếp của bộ phận truyền động.
(2) Về mặt lý thuyết, hành trình là không giới hạn và hiệu suất của động cơ tuyến tính không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong hành trình.
(3) Nó có thể cung cấp nhiều loại tốc độ, từ vài micromet đến vài mét trên giây, với tốc độ cao là một ưu điểm nổi bật.
(4) Gia tốc đáng kể, lên tới 10g.
(5) Có thể đạt được độ chính xác và độ lặp lại cao. Do liên kết trung gian bị loại bỏ nên độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào phần tử phát hiện vị trí. Với một thiết bị phản hồi thích hợp, độ chính xác hoạt động cuối cùng có thể đạt đến mức dưới micron. Tính năng này đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cắt laser chính xác.
Do những ưu điểm của động cơ tuyến tính, máy cắt laser với động cơ tuyến tính đã lập kỷ lục về tốc độ và gia tốc trong ngành. Có vẻ như động cơ tuyến tính cuối cùng có thể thay thế vít bi và giá đỡ bánh răng làm cơ chế truyền động chính cho máy cắt laser.
Tuy nhiên, với việc áp dụng rộng rãi các ổ đĩa động cơ tuyến tính, các vấn đề mới đã xuất hiện mà trước đây không lường trước được:
(1) Động cơ tuyến tính tiêu thụ quá nhiều điện năng, đặc biệt là khi tải và tăng tốc cao. Dòng điện tức thời của máy có thể gây gánh nặng đáng kể cho hệ thống cung cấp điện của xưởng.
(2) Rung động cao xảy ra do độ cứng động của động cơ tuyến tính thấp, không thể đệm hiệu ứng giảm chấn, dẫn đến rung động cộng hưởng ở tốc độ cao ở các bộ phận khác của máy.
(3) Động cơ điện tuyến tính cố định ở dưới cùng của bàn làm việc tạo ra nhiệt đáng kể. Vị trí lắp đặt không thuận lợi cho việc tản nhiệt tự nhiên, đặt ra thách thức đáng kể đối với việc kiểm soát nhiệt độ của máy cắt laser.
(4) Trục động cơ được điều khiển bởi động cơ tuyến tính, đặc biệt là trục thẳng đứng, phải được trang bị cơ cấu khóa bổ sung như kẹp dẫn hướng để đảm bảo vận hành an toàn. Điều này làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp của máy cắt laser.
(5) Động cơ tuyến tính tạo ra từ trường mạnh và thu hút các mạt sắt, đây có thể là vấn đề trong môi trường cắt laser có nhiều bụi kim loại nhỏ bị tia laser làm tan chảy và làm mát. Duy trì sự sạch sẽ bên trong trở nên khó khăn.
Phần kết luận
Việc theo đuổi phản ứng động xuất sắc là mục tiêu chung của các thiết bị gia công CNC chính xác khác nhau, đặc biệt đối với gia công tốc độ cao trong máy cắt laser.
Để đạt được mục tiêu này đòi hỏi một dự án hệ thống rộng lớn và phức tạp.
Về bản chất, tải trọng tốt (nhẹ, độ cứng cao, quán tính nhỏ), chuỗi truyền động mạnh mẽ (độ cứng cao, phản ứng nhanh, phản ứng dữ dội thấp, hiệu quả cao, ma sát thấp) và động cơ mạnh mẽ (khớp quán tính, phản ứng nhanh, mô-men xoắn mạnh ) được cần.
Tuy nhiên, hầu hết các yếu tố này đều mâu thuẫn với nhau nên cần phải lựa chọn một cách khoa học và thiết kế hệ dẫn động hợp lý.
Mỗi nhà sản xuất có sự hiểu biết và cách tiếp cận riêng trong việc lựa chọn và cân bằng các yếu tố này để đạt được kết quả tốt nhất.
