Lineární pohony i v obráběcích strojích

Lineární pohony i v obráběcích strojích

Gustav Holub

O přednostech a nevýhodách přímých bezpřevodových lineárních pohonů a jejich aplikací v různých pohybových, manipulačních a polohovacích zařízeních bylo publikováno již mnoho informací a příkladů. Veletrh EMO 2002 v Hannoveru dokumentoval jejich úspěšné pronikání také do oboru obráběcích strojů, a to do velmi dynamických a přesných posuvových systémů. Tuto tendenci potvrdil i loňský MSV 2002 v Brně s velkou účastí renomovaných evropských výrobců obráběcích strojů. Zde kromě samostatně vystavovaných lineárních pohonů firem Siemens, Bosch Rexroth, Hiwin, SEW Eurodrive, TG Drives, VUES aj. bylo možné spatřit aplikované lineární pohony u frézovacích center, vertikálních obráběcích center a univerzálních soustruhů společnosti IMG Czech (Deckel Maho Gildemeister – obr. 1), dále u systémů firmy Sirius (prostřihovací stroj), firmy Triumf (stroj na vystřihování plechů s lineárními pohony ve dvou osách) a dalších.

Lineární technika se prosazuje sice pomalu, ale jistě, a to pro svou vysokou dynamiku, absenci opotřebení převodových mechanismů a mimořádně velkou přesnost polohování. Tyto její přednosti nabízejí možnost inovovat stroje ohledně jejich produktivity, přesnosti opracování obrobků a možnosti vybavení měniči nebo servoregulátory. Pronikání uvedených pohonů i do oboru vysokorychlostních obráběcích strojů má nesporné klady:

• energetická bilance lineárních a klasických pohonů je srovnatelná,
• přímé lineární pohony bez převodovek pracují podstatně přesněji než klasické,
• lineární pohony se vyznačují téměř bezporuchovým provozem,
• lze je použít i pro velké stroje s masivním třískovým opracováním; vyžadují však novou konstrukční koncepci samotných strojů,
• provoz s nimi není nebezpečný pro obsluhu se stimulátory životních funkcí, což bylo prokázáno měřením elektromagnetických polí,
• synchronní lineární stroje představují současný stav techniky a princip asynchronních strojů se jeví jako v praxi neupotřebitelný,
• zájem o lineární pohony narůstá zejména u výrobců strojů na elektroerozivní opracování, manipulačních prostředků, polohovacích mechanismů atd.,
• zásadní normalizační kroky týkající se rozměrů, parametrů a vlastností se zatím neočekávají.

Obr. 2. 1 – primání/pohyblivá část, 2 – sekundární/pevná část, 3 – cívka v nemagnetickém nosiči, 4 – permanentní magnety, 5 – magnetická deska, 6 – vzduchová mezera

Nejběžnějšími oblastmi jejich využití jsou elektrotechnická a elektronická výroba, osazovací a polohovací technika, polygrafické stroje, manipulační technika apod. Uplatňují se především tam, kde je potřebný přesný pohyb malých hmot s velkým počtem taktů a kde výrobní proces musí probíhat dlouhodobě ve vysoké a konstantní kvalitě. Princip fungování dvou nejběžnějších verzí lineárních synchronních motorů s permanentními magnety je zřejmý z obr. 2. Nahoře je typické standardní provedení s pevnou sekundární částí s neodymovými magnety a pohyblivou sekundární částí s neodymovými magnety oboustranně. Cívky vinutí jsou umístěny ve vzduchových mezerách v nemagnetickém nosiči. Motory “se železem“ se např. často používají pro pohony hlavních os obráběcích strojů a motory “bez železa“ jsou zvláště vhodné pro rychlé a velmi přesné stroje, např. pro osazovací automaty. Ve spojení s přesnými lineárními odměřovacími systémy rychlosti a polohy za použití digitálních regulátorů lze zaručit vysokou rychlost a přesnost pohybu a mechanickou tuhost celého pohonného systému.

Největšími dodavateli přímých lineárních pohonů pro obráběcí stroje s kompletními řídicími systémy CNC (Computerized Numerical Control – počítačové číslicové řízení) v SRN jsou firmy Siemens a Bosch Rexroth.

Firma Siemens má ve výrobním programu synchronní lineární pohony s motory osazenými permanentními magnety v sekundární části, které vzhledem ke své modulární konstrukční koncepci mohou být optimálně přizpůsobeny dané aplikaci z hlediska komponent, krytí a vzduchového nebo vodního chlazení primární části. Navíc motory mohou být řešeny jako “sendvičové”, tj. se dvěma primárními částmi a vnitřní sekundární částí (dvojitý motor). Paralelním řazením více primárních částí lze dosáhnout i velké přenosové síly. Za hospodárnou hranici síly u jednotlivého pohonu je považována hodnota 100 kN.

Obr. 3. 1 – přesně dimenzovaný chladič, 2 – primární část s vinutím, 3 – sekundární část s permanentními manety, 4 – průchozí kryt, 5 – výkonný chladič, 6 – svorkovnice, 7 – chladicí profily, 8 – kombinovaný koncový rozvodný adaptér a kryt

U nové řady 1 FN (obr. 3) se jmenovitá pracovní síla pohybuje od 200 do 8 100 N v závislosti na délce aktivní části a vestavné šířce motoru. Je možné volit délku napájené primární části od 255 do 700 mm při dvou délkách sekundární části s permanentními magnety (120 a 184mm). Motory jsou adaptovány na použití digitálního nebo univerzálního řídicího systému Simodrive 611.

Firma Bosch Rexroth – řada přímých lineárních motorů (obr. 4) Indra Dyn L dceřiné firmy Indramat se uplatňuje nejen v manipulačních a polohovacích zařízeních s rychlostí os až 480m/min (zrychlení do 80m/s²), ale i v obráběcích strojích a bruskách. Posuvná síla jednotlivých modulárně řešených typů se pohybuje od 500 do 11 700 A, opět v závislosti na délce primární části a rozměrech sekundární části. Kompaktní konstrukce zaručuje vzduchovou mezeru 1mm mezi aktivními částmi a krytí IP65, možné je i vodní chlazení.

Firma Baumüller je další úspěšný dodavatel lineárních pohonů pro manipulační, přepravní a polohovací systémy. Díky zvolenému principu s krátkou statickou částí se mohou realizovat různé délky dráhy pružným sestavováním magnetických lišt. Aby se při velkých posuvných silách zaručilo uživatelsky vhodné řešení pohonu, je možné za sebe nebo vedle sebe uspořádat libovolný počet statických částí. Samozřejmostí je také možnost vodního chlazení. Firma rovněž dodává planární servopohony s přesným polohováním (hodnoty v nanometrech) v osách X a Y (obr. 5), např. ve výrobě elektronických prvků a obvodů v mimořádně čistém pracovním prostředí.

Tyto planární servomotory vystavila na MSV 2002 také firma Hiwin.

Na veletrhu EMO 2002 bylo možné kromě netradičních elektrických pohonů vidět i prosazující se vysokomomentové pomaloběžné synchronní motory s vysokými počty pólů pro bezpřevodové pohony, servomotory s diskovými rotory a axiální vzduchovou mezerou, nové kinematické servosystémy typu Tripod a Hexapod atd.

V posledním roce bylo lineárními pohony vybaveno 3 500 os obráběcích strojů, na přímou lineární techniku v elektropohonech sází i další významní výrobci obráběcích strojů, jako je Weisser, Triumph, Hiller-Hüle, Jung (SRN) nebo firmy Finn Power, Forest-Liné, Jobs, Innse Berardi, MCM či Adira aj. Předpokládá se, že prodej lineární techniky v příštích letech ročně vzroste o 20 až 30 %.