Obecnie tylko ok. 1% maszyn CNC korzysta z napędów liniowych, co sprawia, że koszty ich produkcji są bardzo wysokie (ceny takich maszyn zaczynają się od miliona złotych), to zaś staje się barierą w ich rozpowszechnieniu – i koło się zamyka. Co istotne, ceny silników liniowych, w przeciwieństwie do silników obrotowych, będą zawsze proporcjonalne do długości ruchu osi, ponieważ na całej drodze silnika musi znajdować się ścieżka magnetyczna, nad którą porusza się forcer, czyli zespół rdzenia z cewkami.

Jak to działa

Silnik liniowy i zasadę jego działania najłatwiej wyobrazić sobie jak rozwinięcie silnika obrotowego z magnesami trwałymi. W silniku obrotowym rdzeń z cewkami tworzy obracające się pole magnetyczne, a magnesy na powierzchni wirnika oddziałują z tym polem, obracając wirnik. Jeśli wyobrazimy sobie, że taki obrotowy silnik rozwiniemy jak dywan, to otrzymujemy obraz silnika liniowego. Zamiast obracającego się pola magnetycznego powstanie przesuwające się pole magnetyczne, a w miejsce magnesów umieszczonych na powierzchni wirnika mamy magnesy umiejscowione na powierzchni ścieżki magnetycznej.

Aby silnik mógł działać, ścieżka magnetyczna musi znajdować się na całej długości ruchu osi – i to właśnie jest główny powód wyższych kosztów stosowania takiego rodzaju napędów.

Silniki liniowe były znane już na początku rozwoju maszyn elektrycznych, jednak wykorzystywane wówczas magnesy miały stosunkowo niską gęstość energii magnetycznej i do uzyskania użytecznych sił niezbędne było stosowanie bardzo dużych i ciężkich silników liniowych. Sytuacja zmieniła się wraz z odkryciem magnesów neodymowych – w latach 80. ubiegłego wieku.

Magnesy neodymowe są wielokrotnie silniejsze niż stosowane wcześniej magnesy ferrytowe, co pozwoliło na znaczne zmniejszenie gabarytów magnesów w ścieżce magnetycznej, ale ich początkowo wysoka cena skutecznie zniechęcała producentów do ich stosowania. Ponieważ jednak w silnikach obrotowych magnesów neodymowych jest niewiele, to bardzo szybko zastąpiły one magnesy ferrytowe w tej aplikacji. Obecnie nie produkuje się już serwonapędów z użyciem magnesów ferrytowych, ponieważ przewaga magnesów neodymowych jest na tyle duża, że z nawiązką kompensuje ich wyższą cenę. Podobnie w napędach liniowych wszystkie ścieżki magnetyczne wykonywane są obecnie wyłącznie z magnesów neodymowych.

Ograniczone możliwości przekładni

Napędy liniowe mają ogromną przewagę nad tradycyjnymi metodami napędu osi obrabiarek. Stosowanie silników obrotowych do napędu liniowych osi maszyn wymaga zastosowania przekładni zamieniającej obrotowy ruch silnika na liniowy ruch osi. Może to być pas zębaty, listwa zębata bądź śruba toczna, jednak każde z tych rozwiązań ma ograniczoną dokładność, sprawność i żywotność.

Najprostszy i najtańszy sposób zamiany ruchu obrotowego na liniowy to pas zębaty napędzany kołem zębatym umieszczonym na osi silnika wraz z kołem napinającym na przeciwległym końcu ruchu liniowego maszyny. Oś liniowa napędzana jest bezpośrednio odcinkiem pasa poruszającego się prostoliniowo między kołem napędowym a napinającym. Niestety pas jest elastyczny i rozciąga się już przy niewielkim obciążeniu. Takie rozwiązania stosowane są więc tylko w prostych maszynach, np. ploterach tnących lub drukarkach do przesuwania głowicy. Dokładność takich napędów z reguły nie przekracza 1 mm.

W maszynach cięższych, a jednocześnie wymagających przemieszczania się na dużych odległościach stosowane są napędy wykorzystujące listwy zębate – podobnie jak to ma miejsce w napędzie wjazdowych bram przesuwnych. Koło zębate zazębione jest z listwą zębatą i podczas obrotu przesuwa ją lub przesuwa się po niej. Koło zębate nie może być zbyt małe ze względu kształt zębów, dlatego wymagany jest stosunkowo duży moment obrotowy, który nie może być wytworzony bezpośrednio za pomocą silnika.

W związku z tym w praktyce między silnikiem a kołem zębatym współpracującym z listwą zębatą wykorzystywana jest przekładnia zwiększająca moment obrotowy. Choć taki rodzaj napędu jest znacznie sztywniejszy od pasa zębatego, to luzy międzyzębne i naprężenia skrętne powodują dodatkowo zwiększa się w czasie eksploatacji ze względu na zużycie powodowane tarciem. Takie napędy pozwalają na osiąganie dokładności rzędu 0,1 mm. Można je zwiększać, stosując przekładnie z zębami skośnymi (tzw. przekładnie helikalne), jednak osiągane dokładności nie przekraczają 0,05 mm.

Kolejne możliwości zwiększania dokładności dają przekładnie śrubowe toczne. Działają one na zasadzie wkręcania śruby w nakrętkę – w celu minimalizacji luzu i tarcia pomiędzy śrubę i nakrętkę wprowadzane są kulki, podobnie jak w łożysku tocznym. Kulki te po przejściu przez nakrętkę kierowane są specjalnymi kanałami na jej drugą stronę, cyrkulując w obiegu zamkniętym. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskiwanie dokładności rzędu 0,01 mm, jednak takie napędy nie nadają się do stosowana na długich dystansach ze względu na obwisanie niepodpartej śruby, co przy szybszych posuwach skutkuje drganiami i wibracjami.

Wszystkie te rodzaje przełożenia mają jedną cechę wspólną: pomiar położenia osi jest realizowany w sposób pośredni za pomocą enkodera umieszczonego na osi silnika serwo. Powoduje to, że przemieszczenia elementu roboczego w zakresie luzu zwrotnego lub naprężeń w napędach nie mogą być wykryte i skorygowane. W takiej sytuacji po zmianie kierunku ruchu serwonapęd wykonuje pewien obrót nieskutkujący przemieszczeniem elementu roboczego. Dopiero po skasowaniu luzu po zmianie kierunku obrotu oraz naprężenia układu napędowego obrót silnika zaczyna przekładać się na ruch liniowy narzędzia. Wartości luzów zwrotnych w zależności od rodzajów przekładni zawierają się w zakresie 0,01–0,1 mm i rosną w czasie eksploatacji w związku ze zużyciem powierzchni współpracujących.

Zalety napędów liniowych

Wszystkich ww. niedoskonałości pozbawione są napędy liniowe. Nie istnieje w nich zjawisko luzu zwrotnego, ponieważ pomiar położenia realizowany jest za pomocą liniałów mierzących bezpośrednio przemieszczenia liniowe osi, a ruch powodowany jest w sposób bezdotykowy przez pole magnetyczne, którego nie można zużyć.

Nie ma też ograniczeń długości ruchu wynikających z obwisania śrub ani elastyczności związanej z naprężaniem przekładni. Tego typu napędy bez problemu uzyskują dokładności na poziomie 0,001 mm. Ponieważ do przeniesienia napędu nie są używane mechaniczne elementy stykające się ze sobą, nie występuje tu zjawisko zużycia i po 10 latach eksploatacji maszyna może być tak dokładna jak nowa. Brak ograniczenia prędkości obrotowej silnika serwo powoduje, że maszyny mogą być znacznie szybsze, a wyeliminowanie momentu bezwładności elementów obrotowych pozwala na uzyskiwanie większych przyspieszeń.

Są to bezsprzeczne zalety silników liniowych w zestawieniu z napędami klasycznymi, wciąż jednak pojawia się szereg mitów dotyczących użycia napędów liniowych w obrabiarkach CNC.

Mit 1: Napędy liniowe zużywają więcej energii

Zgodnie z zasadą zachowania energii energia nie znika ani nie pojawia się znikąd – jeśli zamierzamy wykonać pracę, energię trzeba do układu doprowadzić. Jeśli tą pracą ma być np. frezowanie narzędziem obrotowym z siłą skrawania 100 N i prędkością posuwu 0,2 m/s, to moc potrzebna do samego poruszania się narzędzia w materiale wyniesie P = F*V, czyli 100*0,2 = 20 W. Zaskakująco mało jak na moce silników napędu osi w obrabiarkach. Po co w takim razie te kilowaty mocy w silnikach napędu posuwu? Spróbujmy poruszyć ręką stół wyłączonej maszyny CNC. W większości przypadków okaże się to niemożliwe, co oznacza, że opory ruchu przekładni są stosunkowo duże. Jeśli założymy, że siła potrzebna do poruszenia osi średniej wielkości obrabiarki wynosi co najmniej 1000 N, to okazuje się, że samo przesuwanie nieobciążonej osi wymaga dostarczenia mocy 200 W. Pozostają jeszcze opory toczenia prowadnic, jednak te nie generują istotnych oporów i można przyjąć, że wartość 100 N będzie i tak przesadzona. W sumie więc taki układ potrzebuje 240 W mocy mechanicznej.

Jak widać, większość mocy zużywanej do napędów posuwu osi to moc potrzebna do skompensowania strat w samych przekładniach. W napędach liniowych tych przekładni po prostu nie ma, dlatego moc pobierana przez oś z napędem liniowym będzie sumą oporu ruchu narzędzia i oporu toczenia wózków na prowadnicach – czyli 40 W.

Pozostaje jeszcze sprawność samych silników. Pojęcie to oznacza stosunek mechanicznej mocy wyjściowej do mocy elektrycznej zasilającej silnik. Zarówno serwonapędy obrotowe, jak i silniki liniowe opierają się na tej samej zasadzie działania: są to silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (ang. Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM), a ich sprawność przekracza 90%. Nie ma zatem racjonalnego powodu, by uważać, że silniki liniowe zużywają więcej energii – powyższa analiza pokazuje wręcz, że jest dokładnie odwrotnie i to właśnie silniki liniowe są wyraźnie oszczędniejsze. Różnica jest tak duża, że nawet przy pracy z większa prędkością i wyższymi przyspieszeniami napędy liniowe pobierają mniej energii niż napędy klasyczne.

Ponadto w wycinarkach laserowych, gdzie nie występuje opór narzędzia, niemal cała energia wykorzystana do rozpędzenia osi może być odzyskana przy hamowaniu i przekazana do rozpędzającej się osi. Taka technologia została zastosowana przez firmę Kimla i pozwoliła na dalsze zmniejszenie zużycia energii nawet o 70%.

Mit 2: Napędy liniowe są drogie w eksploatacji i naprawie

Napędy liniowe, w przeciwieństwie do obrotowych, pracują bezdotykowo – nie mają powierzchni stykowych, które w trakcie współpracy by się zużywały. Praca bezdotykowa całkowicie eliminuje ten proces, ponieważ oś poruszana jest bezpośrednio przez pole magnetyczne, które nie ulega zużyciu. Należy podkreślić, że najdroższym elementem w napędach liniowych jest ścieżka magnetyczna.

Ta jednak składa się z wielu segmentów przykręcanych do korpusu obrabiarki, dzięki czemu nawet w przypadku uszkodzenia mechanicznego wystarczy wymienić jeden uszkodzony segment, którego koszt wynosi ułamek ceny całego napędu. Przy czym forcer, czyli rdzeń z uzwojeniami, jest najczęściej tańszy niż klasyczny silnik obrotowy.

Mit 3: Napędy liniowe brudzą się i wymagają częstego czyszczenia

Napędy liniowe posiadają dużą liczbę magnesów, które mogą przyciągać cząsteczki ferromagnetyczne. Dzięki temu jednak, że zawsze pracują w osłonie, mają zabezpieczenie wystarczające do ochrony magnesów przez zanieczyszczeniami.

Rzeczywiście co pewien czas napędy liniowe wymagają czyszczenia, ale są to proste czynności, wykonywane przez operatora, a ich ewentualne zaniedbanie nie spowoduje żadnego problemu przez kilka lat, ponieważ szczelina pomiędzy magnesami a forcerem ma wielkość ok. 1 mm – w praktyce tyle zanieczyszczeń gromadziłoby się przez ponad 10 lat. A jednocześnie zastosowanie napędów liniowych pozwala uniknąć konieczności smarowania i czyszczenia napędów kulowych lub zębatych, nie wspominając o konieczności ich wymiany w przypadku zużycia.

Rozwój napędów w obrabiarkach CNC można przyrównać do rozwoju kolei, gdzie początkowo lokomotywy parowe były bardzo skomplikowane i nieefektywne, ponieważ liniowy ruch tłoka silnika parowego trzeba było zamienić na ruch obrotowy kół, a ruch obrotowy kół na ruch liniowy pociągu. Po pojawieniu się napędów elektrycznych lokomotywy znacznie uproszczono, pozbywając się tłoków i korbowodów, a silniki parowe zastępując elektrycznymi. Ostatecznie nadchodzi era pociągów z napędem magnetycznym, który można porównać z nowoczesnymi liniowymi napędami obrabiarek CNC.

---

Autor jest prezesem firmy Kimla