Você já se perguntou como os diferentes métodos de acionamento afetam as máquinas de corte a laser? Este artigo explora quatro métodos principais de acionamento: acionamento por correia síncrona, acionamento por fuso de esferas, acionamento por engrenagem e cremalheira e motor linear. Ao compreender suas vantagens e limitações exclusivas, os leitores podem obter insights sobre como cada método afeta a precisão do corte, a velocidade e a eficiência geral. Independentemente de você ser um profissional experiente ou novo na área, este guia fornece informações essenciais para ajudá-lo a tomar decisões informadas sobre a tecnologia de corte a laser.
O curso de um cortador a laser é a faixa de processamento que ele pode realizar, o que determina o tamanho máximo da peça de trabalho que pode ser processada e é um parâmetro fundamental.
Atualmente, a faixa de processamento mais comum é de 3 m x 1,5 m, o que oferece um bom equilíbrio entre recursos mecânicos, faixa de processamento e custos de fabricação.
No entanto, como o nível industrial geral continua a melhorar, a proporção de modelos maiores vem aumentando ano a ano.
Como uma máquina-ferramenta especializada, corte a laser são semelhantes às máquinas-ferramentas tradicionais a frio. A estrutura geral da transmissão é essencialmente a mesma. Entretanto, o corte a laser não é normalmente usado para fins de usinagem de precisão, portanto, a precisão absoluta da transmissão é um pouco menor do que a das máquinas-ferramentas a frio NC.
A precisão do posicionamento da máquina reflete o posicionamento do fabricante, a entrada do produto e o grau de precisão das peças de transmissão selecionadas. No entanto, para o corte a laser, a precisão do posicionamento não tem um efeito significativo sobre o resultado final do processamento, como as tolerâncias de tamanho da peça e a qualidade da seção de corte.
Para cortes finos, no entanto, o equipamento de corte a laser pode cortar com precisão uma dúzia de mícrons da fenda, o que está no mesmo nível da precisão operacional do cortador a laser. Nesse ponto, a precisão do posicionamento se torna muito importante.
A precisão de reposicionamento obtida por uma máquina de corte a laser depende muito da folga reversa da corrente de transmissão, que é semelhante à usinagem a frio tradicional.
A folga reversa da máquina de corte a laser também tem alguma influência sobre a rugosidade da seção cortada. Os usuários que são muito exigentes quanto à qualidade do corte da seção devem prestar muita atenção a esse indicador.
A velocidade de posicionamento, que é o parâmetro técnico mais aparente visualmente, é um índice importante ao qual todo fabricante de cortadores a laser presta atenção. Ela é frequentemente usada como o principal critério para classificar as propriedades mecânicas e os graus dos cortadores a laser.
Atualmente, os principais modelos têm ultrapassado sucessivamente a velocidade de posicionamento de eixo único de 100 m/min. A alta velocidade de posicionamento tem um impacto significativo na melhoria da eficiência do processamento de chapas.
No entanto, para placas de espessura média, devido às limitações de velocidade de corte, a redução do tempo total de processamento pode não ser tão crucial.
Devido à alta flexibilidade do processamento a laserO corte em alta velocidade de peças complexas se tornou o principal método de vários fabricantes para exibir propriedades mecânicas.
O corte em alta velocidade exige alto torque de saída para o motor. A corrente de transmissão exige alta eficiência e resposta rápida para garantir a precisão da trilha e atender aos requisitos de corte. Portanto, a aceleração é tão importante quanto a velocidade de posicionamento.
No entanto, há uma compensação entre alta velocidade e alta aceleração. Isso exige que os fabricantes de cortadores equilibrem cuidadosamente essa relação e encontrem a solução ideal por meio de cálculos e experimentos.
Durante o processo de alta velocidade de uma máquina de corte a laser, o estresse interno da cadeia de transmissão pode flutuar violentamente. Se a rigidez da transmissão for insuficiente, isso pode facilmente causar distorção da trilha e resposta lenta da saída final. Isso faz com que a precisão da operação dinâmica fique longe dos valores de medição baixos ou estáticos, o que pode afetar a precisão dimensional e a rugosidade da peça de trabalho.
No entanto, esse índice não é facilmente quantificado.
O dentado correia sincronizada (mostrado na FIG. 1) é composto principalmente de polias e correias.
Fig.1 Acionamento por correia síncrona
Normalmente, a roda motriz e o servomotor também usam um redutor para amplificação do torque ao usar a correia dentada síncrona (mostrada na FIG. 1).
A correia dentada síncrona tem vantagens como velocidade rápida, baixo ruído, baixo custo, não precisa de lubrificação e é de fácil manutenção. No entanto, ela tem desvantagens como diferenças de rigidez, desgaste fácil, baixa precisão e pequena força motriz. Portanto, ela é adequada para aplicações de baixo custo, carga leve e alta velocidade.
É amplamente utilizado em equipamentos de corte e marcação a laser de pequena e média potência, que são de baixo custo e não exigem alta precisão.
Para equipamentos de corte a laser de alta velocidade e alta precisão, a precisão de funcionamento da correia síncrona obviamente não é suficiente, e a capacidade de rolamento também não é suficiente para acionar diretamente peças móveis pesadas, rígidas e de grande porte. O arranjo mais comum é colocá-la na corrente de acionamento do fuso de esferas de alta velocidade e em outras instituições para formar um acionamento de dois estágios.
No produto básico das máquinas de corte a laser de alta potência, o acionamento do eixo Z é diretamente acionado pela correia síncrona (conforme mostrado na figura 2).
Fig.2 O movimento superior e inferior do cabeçote de corte da seção do eixo z é acionado pela correia síncrona.
Em uma máquina bidimensional com um sistema de três eixos, a precisão da transmissão do eixo z normalmente não afeta a precisão e a qualidade do corte.
Esse projeto aproveita de forma inteligente os benefícios da transmissão por correia síncrona, como a velocidade rápida, o baixo ruído e o baixo custo, ao mesmo tempo em que evita a desvantagem da baixa precisão.
O fuso de esferas (mostrado na FIG. 3) é um mecanismo de acionamento comumente usado em vários tipos de equipamentos de processamento a frio. Essa tecnologia foi amplamente desenvolvida e seu custo é razoável.
Fig.3 Parafuso de esferas rotativo com porca
Fig.4 Estrutura interna do fuso de esferas
O fuso de esferas é um mecanismo de acionamento amplamente utilizado em vários equipamentos de processamento a frio devido à sua capacidade de obter folga zero e manter alta eficiência de transmissão e rigidez por meio da aplicação de pré-pressão ou excursão de chumbo. Ele também pode atingir uma eficiência de transmissão de até 95%, o que o torna um método de acionamento ideal para várias aplicações.
No entanto, o uso de um fuso de esferas em uma máquina de corte a laser tem limitações. Devido ao seu peso, o fuso de esferas normalmente é apoiado em duas extremidades, o que resulta em uma certa inclinação no centro do fuso. Essa deflexão pode causar trepidação, principalmente em altas velocidades.
Para resolver esse problema, é necessário selecionar um fio-máquina mais grosso, o que pode aumentar os custos de fabricação e sobrecarregar o motor. Portanto, o fuso de esferas é uma excelente opção para métodos de acionamento em cortadores a laser com curso curto e área de corte pequena, pois sua precisão, velocidade e custo são adequados para essas aplicações.
No entanto, para aplicações de curso longo (≥3 m) e de alta velocidade (≥60 m/min), a integração de uma chave de fuso de esferas não é o método ideal. Embora seja possível obter um curso longo e aplicações de alta velocidade com um fuso de esferas por meio da rotação da porca ou da adição de um dispositivo de suporte auxiliar para evitar o movimento da porca, essas soluções são tecnicamente desafiadoras e enfrentam desafios significativos em termos de custo e confiabilidade.
A cremalheira de engrenagens é comumente combinada com redutores de engrenagens planetárias ou redutores de rosca sem-fim de turbina para combinar a inércia e amplificar o torque. Alguns fabricantes também usam motores de torque para se conectar diretamente com a engrenagem final.
As cremalheiras de engrenagens de alta precisão são semelhantes aos fusos de esferas em termos de precisão de posicionamento, pois podem facilmente atingir uma precisão de posicionamento de 0,03 mm/m, que é maior do que a precisão necessária para o corte a laser.
Com relação à velocidade, a engrenagem e a cremalheira podem obter várias combinações alterando o número de dentes da engrenagem e a relação de velocidade do redutor. Não há limite para a velocidade crítica do fuso de esferas, o que facilita o trabalho dos servomotores em faixas de alta velocidade e o encurtamento do passo equivalente para acionar grandes cargas de inércia com motores menores.
O limite teórico da engrenagem e da cremalheira pode chegar a 400 m/min, e é fácil atingir velocidades de até 100 m/min.
Tanto os dentes retos quanto os inclinados são amplamente utilizados em máquinas de corte a laser. Os dentes inclinados são mais fáceis de instalar e detectar e podem alcançar maior precisão operacional sob a mesma precisão de usinagem e condições de instalação.
A vantagem dos dentes inclinados é que eles têm uma capacidade de carga ligeiramente maior sob a mesma carga, o que torna o projeto mais compacto. Além disso, a diferença mais significativa entre os dois tipos é que o ruído dos dentes inclinados é relativamente baixo em altas velocidades, proporcionando um ambiente operacional melhor para os operadores.
Desde que a base possa manter precisão e rigidez suficientes, o curso da cremalheira de engrenagens pode ser estendido quase indefinidamente, com os custos de fabricação aumentando linearmente.
Fig.5 Soldagem a laser acionamento por engrenagem
No entanto, a cremalheira de engrenagens (Figura 6) também tem suas desvantagens. Por exemplo, ela exige maior precisão de usinagem da base e o processo de instalação é mais complicado em comparação com o fuso de esferas. Além disso, devido à necessidade de lubrificação e expansão térmica, há um espaço traseiro específico entre a cremalheira de engrenagens e a cremalheira, enquanto o redutor planetário na cadeia de transmissão tem uma folga reversa pequena, mas perceptível. O acúmulo desses fatores faz com que seja difícil para a cremalheira de engrenagens obter um efeito de operação com folga zero, como no caso de um fuso de esferas.
O uso de motores duplos, redutores duplos ou outros meios elásticos pode compensar essas desvantagens, mas isso resulta em indicadores desfavoráveis de peso, custo e dirigibilidade.
No entanto, felizmente, com um projeto razoável e uma construção precisa, um rack de engrenagem de dois estágios pode atender bem aos requisitos de precisão do corte a laser convencional no momento. E ainda há muito espaço para desenvolvimento.
Fig.6 Cremalheira de precisão do máquina de corte a laser
Com uma consideração abrangente, a precisão do acionamento do pinhão e da cremalheira é capaz de atender às demandas do corte a laser. Esse sistema de acionamento oferece flexibilidade na seleção, maximiza o desempenho do servomotor e facilita a obtenção de alto desempenho dinâmico.
Como resultado, o acionamento por cremalheira de engrenagens se tornou a principal solução para máquinas de corte a laser de alta potência.
Os motores lineares, como um novo modo de acionamento, têm sido amplamente utilizados em vários equipamentos NC, incluindo máquinas de corte a laser.
A seguir estão algumas das vantagens claras dos motores lineares:
(1) Não há contato mecânico, e a transmissão é gerada no espaço de ar, o que resulta em nenhum desgaste direto do componente de acionamento.
(2) O curso é teoricamente ilimitado, e o desempenho do motor linear não é afetado por mudanças no itinerário.
(3) Ele pode oferecer uma ampla faixa de velocidade, de vários micrômetros a vários metros por segundo, sendo a alta velocidade uma vantagem importante.
(4) A aceleração é significativa, de até 10g.
(5) É possível obter alta precisão e repetibilidade. Como o link intermediário é eliminado, a precisão do sistema depende do elemento de detecção de posição. Com um dispositivo de feedback adequado, a precisão operacional final pode atingir o nível submicrônico. Esse recurso foi amplamente aplicado no campo de corte de precisão a laser.
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Devido às vantagens dos motores lineares, as máquinas de corte a laser com motores lineares estabeleceram recordes de velocidade e aceleração no setor. Parece que o motor linear pode acabar substituindo os fusos de esferas e as cremalheiras de engrenagens como o principal mecanismo de acionamento das máquinas de corte a laser.
Entretanto, com a adoção generalizada de acionamentos de motores lineares, surgiram novos problemas que não haviam sido previstos anteriormente:
(1) O motor linear consome muita energia, especialmente em altas cargas e acelerações. A corrente instantânea da máquina pode sobrecarregar significativamente o sistema de fornecimento de energia da oficina.
(2) A alta vibração ocorre devido à baixa rigidez dinâmica do motor linear, que não é capaz de amortecer o efeito de amortecimento, levando a vibrações ressonantes em altas velocidades em outras partes da máquina.
(3) O motor elétrico linear fixado na parte inferior da bancada de trabalho gera um calor significativo. A posição de instalação não é propícia para a dissipação natural do calor, o que representa um desafio significativo para o controle termostático do cortador a laser.
(4) O eixo do motor acionado pelo motor linear, especialmente o eixo vertical, deve ser equipado com um mecanismo de travamento adicional, como um grampo de guia, para garantir uma operação segura. Isso aumenta o custo e a complexidade do cortador a laser.
(5) O motor linear gera um forte campo magnético e atrai limalha de ferro, o que pode ser problemático em ambientes de corte a laser com muita poeira de metal minúscula que é derretida e resfriada pelo laser. Manter a limpeza interna torna-se um desafio.
Embora fabricantes estrangeiros, como a MAZAK e a AMADA, tenham introduzido modelos completos ou parciais acionados por motor linear para demonstrar sua experiência técnica e estabelecer recordes de velocidade, os preços altos e os retornos modestos tornaram o mercado menos receptivo a esse tipo de modelo.
Apesar do excelente desempenho do motor linear, ainda há problemas práticos na aplicação do corte a laser unidades de máquinas. Embora isso represente uma tendência para o futuro, ainda há muito trabalho a ser feito para resolver esses problemas.
A busca por uma excelente resposta dinâmica é um objetivo comum entre vários equipamentos de usinagem CNC de precisão, especialmente para usinagem de alta velocidade em máquinas de corte a laser.
Para atingir esse objetivo, é necessário um projeto de sistema vasto e complexo.
Essencialmente, são necessários uma boa carga (leve, alta rigidez, pequena inércia), uma cadeia de transmissão robusta (alta rigidez, resposta rápida, baixa folga, alta eficiência, baixo atrito) e um motor potente (correspondência de inércia, resposta rápida, torque forte).
No entanto, a maioria desses fatores é conflitante entre si, o que torna necessário selecioná-los cientificamente e projetar o sistema de acionamento de forma razoável.
Cada fabricante tem seu entendimento e abordagem exclusivos na seleção e no equilíbrio desses fatores para obter os melhores resultados.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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