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Exploración de 4 métodos de accionamiento de máquinas de corte por láser

El corte por láser ha revolucionado la forma de procesar las chapas metálicas, y no es de extrañar que se haya convertido en el método mayoritario del sector.

Sin embargo, el diseño del sistema de transmisión para máquinas de corte por láser conlleva consideraciones específicas debido a las elevadas exigencias de posicionamiento y aceleración.

En esta entrada de blog, vamos a profundizar en los principales índices técnicos del método de accionamiento de la cortadora láser, incluyendo la carrera, la precisión de posicionamiento, la precisión de reposicionamiento, la velocidad de posicionamiento, la fuerza de accionamiento, la rigidez de la transmisión, la transmisión por correa síncrona, la transmisión por husillo de bolas, y el engranaje y la cremallera.

Tanto si es usted fabricante como si es un lector curioso, este artículo le proporcionará valiosos conocimientos sobre el mundo del máquinas de corte por láser.

Índice técnico principal del método de accionamiento de la cortadora láser

Ictus

La carrera de una cortadora láser es el rango de procesamiento que puede manejar, lo que determina el tamaño máximo de pieza que se puede procesar y es un parámetro fundamental.

Actualmente, la gama de procesamiento más común es de 3 m x 1,5 m, lo que ofrece un buen equilibrio entre capacidades mecánicas, gama de procesamiento y costes de fabricación.

Sin embargo, a medida que el nivel industrial general sigue mejorando, la proporción de modelos de mayor tamaño ha ido aumentando año tras año.

Precisión de posicionamiento

Como máquina herramienta especializada, corte por láser son similares a las máquinas-herramienta en frío tradicionales. El bastidor general de la transmisión es esencialmente el mismo. Sin embargo, el corte por láser no suele utilizarse para fines de mecanizado de precisión, por lo que la precisión absoluta de la transmisión es ligeramente inferior a la de las máquinas herramienta en frío de control numérico.

La precisión de posicionamiento de la máquina refleja el posicionamiento del fabricante, la entrada del producto y el grado de precisión de las piezas de transmisión seleccionadas. Sin embargo, para el corte por láser, la precisión de posicionamiento no tiene un efecto significativo en el resultado final del procesamiento, como las tolerancias de tamaño de la pieza y la calidad de la sección de corte.

Sin embargo, para el corte fino, los equipos de corte por láser pueden cortar con precisión una docena de micras de la hendidura, lo que está al mismo nivel que la precisión operativa de la cortadora láser. En este punto, la precisión de posicionamiento se vuelve muy importante.

Precisión de reposicionamiento

La precisión de reposicionamiento alcanzada por un máquina de corte por láser depende en gran medida de la holgura inversa de la cadena de transmisión, que es similar al mecanizado en frío tradicional.

La holgura inversa de la máquina de corte por láser también tiene cierta influencia en la rugosidad de la sección cortada. Los usuarios muy exigentes con la calidad del corte de secciones deben prestar mucha atención a este indicador.

Velocidad de posicionamiento

La velocidad de posicionamiento, que es el parámetro técnico más aparente a la vista, es un índice clave al que todo fabricante de cortadoras láser presta atención. A menudo se utiliza como criterio principal para clasificar las propiedades mecánicas y las calidades de las cortadoras láser.

En la actualidad, los mejores modelos han superado sucesivamente la velocidad de posicionamiento de un solo eje de 100 m/min. La alta velocidad de posicionamiento tiene un impacto significativo en la mejora de la eficiencia del procesamiento de chapas.

Sin embargo, en el caso de las planchas de grosor medio, debido a las limitaciones de velocidad de corte, acortar el tiempo total de procesamiento puede no ser tan crucial.

Fuerza motriz

Debido a la gran flexibilidad de procesamiento láser, el corte a alta velocidad de piezas complejas se ha convertido en el método principal de diversos fabricantes para mostrar las propiedades mecánicas.

El corte a alta velocidad exige un alto par de salida para el motor. La cadena de transmisión requiere una alta eficacia y una respuesta rápida para garantizar la precisión de la trayectoria y cumplir los requisitos de corte. Por tanto, la aceleración es tan crítica como la velocidad de posicionamiento.

Sin embargo, existe un equilibrio entre alta velocidad y alta aceleración. Esto requiere que los fabricantes de cortadoras equilibren cuidadosamente la relación y encuentren la solución óptima mediante cálculos y experimentación.

Rigidez de la transmisión

Durante el proceso de alta velocidad de una máquina de corte por láser, el tensión interna de la cadena de transmisión puede fluctuar violentamente. Si la rigidez de la transmisión es insuficiente, puede provocar fácilmente una distorsión de la pista y una respuesta lenta de la salida final. Esto conduce a que la precisión del funcionamiento dinámico se aleje de los valores de medición bajos o estáticos, lo que puede afectar a la precisión dimensional y a la rugosidad de la pieza.

Sin embargo, este índice no es fácil de cuantificar.

4 Métodos de conducción de la máquina de corte láser

Transmisión por correa síncrona

El dentado correa síncrona (mostrada en la FIG. 1) se compone principalmente de poleas y correas.

Transmisión por correa síncrona

Fig.1 Transmisión por correa síncrona

Normalmente, la rueda motriz y el servomotor también utilizan un reductor para la amplificación del par cuando se utiliza la correa síncrona dentada (mostrada en la FIG. 1).

La correa síncrona dentada tiene ventajas como velocidad rápida, poco ruido, bajo coste, no necesita lubricación y es fácil de mantener. Sin embargo, tiene desventajas como diferencias de rigidez, fácil desgaste, baja precisión y pequeña fuerza motriz. Por lo tanto, es adecuada para aplicaciones de bajo coste, carga ligera y alta velocidad.

Se utiliza ampliamente en equipos de corte y marcado por láser de pequeña y mediana potencia que son de bajo coste y no requieren una gran precisión.

Para los equipos de corte por láser de alta velocidad y alta precisión, la precisión de funcionamiento de la correa síncrona es obviamente insuficiente, y la capacidad de soporte tampoco es suficiente para accionar directamente piezas móviles pesadas, rígidas y de gran tamaño. La disposición más común es ponerla en la cadena de transmisión del husillo de bolas de alta velocidad y otras instituciones para formar una transmisión de dos etapas.

En el producto básico de las máquinas de corte por láser de alta potencia, el accionamiento del eje Z es accionado directamente por la correa síncrona (como se muestra en la figura 2).

El movimiento superior e inferior del cabezal de corte de la sección del eje z es accionado por la correa síncrona.

Fig.2 El movimiento superior e inferior del cabezal de corte de la sección del eje z es accionado por la correa síncrona.

En una máquina bidimensional con un sistema de tres ejes, la precisión de transmisión del eje z no suele afectar a la precisión y la calidad del corte.

Este diseño aprovecha inteligentemente las ventajas de la transmisión por correa síncrona, como su rápida velocidad, bajo nivel de ruido y bajo coste, al tiempo que elude su inconveniente de baja precisión.

Husillo de bolas

El husillo de bolas (mostrado en la FIG. 3) es un mecanismo de accionamiento de uso común en diversos tipos de equipos de procesamiento en frío. Esta tecnología se ha desarrollado ampliamente y su coste es razonable.

Tuerca husillo de bolas giratorio

Fig.3 Tuerca husillo a bolas

Estructura interna del husillo de bolas

Fig.4 Estructura interna del husillo de bolas

El husillo de bolas es un mecanismo de accionamiento muy utilizado en diversos equipos de procesamiento en frío debido a su capacidad para lograr una holgura cero y mantener una alta eficiencia de transmisión y rigidez mediante la aplicación de presión previa o excursión de plomo. También puede alcanzar una eficacia de transmisión de hasta 95%, lo que lo convierte en un método de accionamiento ideal para diversas aplicaciones.

Sin embargo, el uso de un husillo de bolas en una máquina de corte por láser tiene limitaciones. Debido a su peso, el husillo de bolas suele apoyarse en dos extremos, lo que provoca una cierta flecha en el centro del husillo. Esta desviación puede provocar fluctuaciones, sobre todo a altas velocidades.

Para solucionar este problema, debe seleccionarse un alambrón más grueso, lo que puede aumentar los costes de fabricación y suponer una carga más pesada para el motor. Por lo tanto, el husillo de bolas es una opción excelente para los métodos de accionamiento en cortadoras láser con carrera corta y área de corte pequeña, ya que su precisión, velocidad y coste se adaptan bien a estas aplicaciones.

Sin embargo, para aplicaciones de carrera larga (≥3m) y alta velocidad (≥60m/min), integrar un husillo de bolas no es el método óptimo. Aunque es posible conseguir aplicaciones de carrera larga y alta velocidad con un husillo de bolas mediante la rotación de la tuerca o la adición de un dispositivo de soporte auxiliar para evitar el movimiento de la tuerca, estas soluciones son técnicamente complicadas y se enfrentan a importantes retos en términos de coste y fiabilidad.

Engranaje y cremallera

La cremallera suele combinarse con reductores de engranajes planetarios o reductores helicoidales de turbina para igualar la inercia y amplificar el par. Algunos fabricantes también utilizan motores de par para conectar directamente con el engranaje final.

Las cremalleras de alta precisión son similares a los husillos de bolas en cuanto a precisión de posicionamiento, ya que pueden alcanzar fácilmente una precisión de posicionamiento de 0,03 mm/m, superior a la precisión necesaria para el corte por láser.

En cuanto a la velocidad, el engranaje y la cremallera pueden lograr varias combinaciones cambiando el número de dientes del engranaje y la relación de velocidad del reductor. No hay límite de velocidad crítica del husillo de bolas, lo que facilita el trabajo de los servomotores en rangos de alta velocidad y acorta el paso equivalente para accionar grandes cargas de inercia con motores más pequeños.

El límite teórico del engranaje y la cremallera puede alcanzar los 400 m/min, y es fácil conseguir velocidades de hasta 100 m/min.

Tanto los dientes rectos como los sesgados se utilizan ampliamente en las máquinas de corte por láser. Los dientes sesgados son más fáciles de instalar y detectar y pueden lograr una mayor precisión de funcionamiento en las mismas condiciones de precisión de mecanizado e instalación.

La ventaja de los dientes oblicuos es que tienen una capacidad portante ligeramente superior con la misma carga, lo que hace que el diseño sea más compacto. Además, la diferencia más significativa entre los dos tipos es que el ruido de los dientes oblicuos es relativamente bajo a altas velocidades, lo que proporciona un mejor entorno operativo para los operarios.

Siempre que la bancada pueda mantener la precisión y rigidez suficientes, la carrera de la cremallera puede ampliarse casi indefinidamente, con lo que los costes de fabricación aumentan linealmente.

Accionamiento del engranaje de soldadura láser

Fig.5 Soldadura láser transmisión por engranaje

Sin embargo, la cremallera de engranajes (Figura 6) también tiene sus inconvenientes. Por ejemplo, requiere una mayor precisión de mecanizado de la bancada, y el proceso de instalación es más complicado en comparación con el husillo de bolas. Además, debido a la necesidad de lubricación y a la dilatación térmica, hay un espacio de retroceso específico entre la cremallera de engranajes y la cremallera, mientras que el reductor planetario de la cadena de transmisión tiene un espacio de retroceso pequeño pero perceptible. La acumulación de estos factores dificulta que la cremallera consiga un efecto de funcionamiento con holgura cero, como en el caso de un husillo de bolas.

El uso de motores dobles, reductores dobles u otros medios elásticos puede compensar estos inconvenientes, pero esto se traduce en indicadores desfavorables de peso, coste y manejabilidad.

Sin embargo, afortunadamente, con un diseño razonable y una construcción precisa, una cremallera de engranajes de dos etapas puede satisfacer bien el requisito de precisión de la corriente principal de corte por láser en la actualidad. Y, todavía hay un amplio margen para el desarrollo.

Cremallera de precisión de la máquina de corte por láser

Fig.6 Cremallera de precisión del máquina de corte por láser

Con una consideración exhaustiva, la precisión del accionamiento de piñón y cremallera es capaz de satisfacer las exigencias del corte por láser. Este sistema de accionamiento ofrece flexibilidad en la selección, maximiza el rendimiento del servomotor y facilita la consecución de un alto rendimiento dinámico.

Como resultado, el accionamiento por cremallera se ha convertido en la solución principal para las máquinas de corte por láser de alta potencia.

Motor lineal

Los motores lineales, como nuevo modo de accionamiento, se han generalizado en diversos equipos de control numérico, incluidas las máquinas de corte por láser.

Éstas son algunas de las claras ventajas de los motores lineales:

(1) No hay contacto mecánico y la transmisión se genera en el entrehierro, por lo que no hay desgaste directo del componente de transmisión.

(2) La carrera es teóricamente ilimitada, y el rendimiento del motor lineal no se ve afectado por los cambios de itinerario.

(3) Puede proporcionar una amplia gama de velocidades, desde varios micrómetros a varios metros por segundo, siendo la alta velocidad una ventaja destacada.

(4) La aceleración es significativa, de hasta 10 g.

(5) Se consigue una gran precisión y repetibilidad. Al eliminarse el eslabón intermedio, la precisión del sistema depende del elemento detector de posición. Con un dispositivo de realimentación adecuado, la precisión operativa final puede alcanzar el nivel submicrónico. Esta característica ha encontrado una amplia aplicación en el campo de corte de precisión por láser.

Gracias por solicitar una revisión del contenido. Aquí tiene la versión revisada:

Debido a las ventajas de los motores lineales, las máquinas de corte por láser con motores lineales han establecido récords de velocidad y aceleración en la industria. Parece que el motor lineal podría acabar sustituyendo a los husillos de bolas y los engranajes de cremallera como mecanismo de accionamiento principal para las máquinas de corte por láser.

Sin embargo, con la adopción generalizada de los accionamientos de motor lineal, han surgido nuevos problemas que no se habían previsto anteriormente:

(1) El motor lineal consume demasiada energía, especialmente con cargas y aceleraciones elevadas. La corriente instantánea de la máquina puede suponer una carga importante para el sistema de alimentación eléctrica del taller.

(2) Las vibraciones elevadas se producen debido a la baja rigidez dinámica del motor lineal, que es incapaz de amortiguar el efecto de amortiguación, lo que provoca vibraciones resonantes a altas velocidades en otras partes de la máquina.

(3) El motor eléctrico lineal fijado en la parte inferior del banco de trabajo genera un calor importante. La posición de instalación no favorece la disipación natural del calor, lo que supone un reto importante para el control termostático de la cortadora láser.

(4) El eje accionado por el motor lineal, especialmente el eje vertical, debe estar equipado con un mecanismo de bloqueo adicional como una abrazadera guía para garantizar un funcionamiento seguro. Esto aumenta el coste y la complejidad de la cortadora láser.

(5) El motor lineal genera un fuerte campo magnético y atrae las limaduras de hierro, lo que puede ser problemático en entornos de corte por láser con mucho polvo metálico diminuto que es fundido y enfriado por el láser. Mantener la limpieza interna se convierte en todo un reto.

Aunque fabricantes extranjeros como MAZAK y AMADA han introducido modelos completos o parciales accionados por motores lineales para demostrar sus conocimientos técnicos y establecer récords de velocidad, los elevados precios y la modesta rentabilidad han hecho que el mercado sea menos receptivo a este tipo de modelos.

A pesar de las excelentes prestaciones del motor lineal, siguen existiendo problemas prácticos en la aplicación del corte por láser accionamientos de máquinas. Aunque representa una tendencia de futuro, aún queda mucho por hacer para resolver estos problemas.

Conclusión

La búsqueda de una excelente respuesta dinámica es un objetivo común entre varios equipos de mecanizado CNC de precisión, especialmente para el mecanizado de alta velocidad en máquinas de corte por láser.

Alcanzar este objetivo requiere un vasto e intrincado proyecto de sistema.

En esencia, se necesita una buena carga (peso ligero, gran rigidez, poca inercia), una cadena de transmisión robusta (gran rigidez, respuesta rápida, poca holgura, gran eficacia, poca fricción) y un motor potente (adaptación a la inercia, respuesta rápida, par fuerte).

Sin embargo, la mayoría de estos factores entran en conflicto entre sí, por lo que es necesario seleccionarlos científicamente y diseñar el sistema de propulsión de forma razonable.

Cada fabricante tiene su propia visión y enfoque a la hora de seleccionar y equilibrar estos factores para lograr los mejores resultados.

¡A un paso!

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1 comentario en “Exploring 4 Laser Cutting Machine Driving Methods”

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