Что такое шаг винта чпу
Расчет и настройка ремённой и винтовой придачи ЧПУ станка. Калибровка.
При расчете нужно учитывать один немало важный параметр, который мы еще не рассматривали подробно – это Микрошаг.
Что такое микрошаг и как настраивать микрошаг шагового двигателя.
Основной параметр шаговых двигателей (ШД) это количество шагов на 1 оборот. Самое распространённое значение для ШД – 200 шагов на оборот (или 1,8 градуса на шаг). Мы будем использовать это разрешение во всех сегодняшних примерах. Более точную информацию можно узнать в описании к вашему шаговому двигателю. Зачастую 200 шагов на оборот, могут быть недостаточными для достижения необходимой точности. С целью повышения точности можно изменить передаточное число механически (использовать редуктор), а можно включить микрошаг – режим деления шага шагового двигателя, это увеличит число шагов на оборот, с коэффициентом 2n (n — целое число). Драйвер A4988 поддерживает деление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16. Подробнее о драйвере A4988 читайте тут: Драйвер шагового двигателя A4988. Драйвер DRV8825 поддерживает деление шага: 1; 1/2; 1/4; 1/8; 1/16; 1/32. Подробнее о драйвере DRV8825 читайте тут: Драйвер шагового двигателя DRV8825.
Давайте рассмотрим пример. Если мы выставим микрошаг 16, что является в 16 раз больше полного шага и в нашем примере даст 3200 (200х16) шагов на оборот. На первый взгляд это отличный результат и почему бы не использовать максимальное деление шага во всех станках. Но тут есть и минус – это падение крутящего момента при увеличении деления шага. Подробнее Микрошаг рассмотрим в следующей статье.
Расчёт винтовой передачи ЧПУ станка.
Винтовая передача ЧПУ, либо ее более продвинутый вариант шарико-винтовая передача (ШВП), являются наиболее часто используемым вариантом перевода вращательного движения вала шагового двигателя в линейное перемещение исполнительного механизма.
Для расчёта разрешения нам необходимо знать ШАГ винта, либо шаг винта ШВП. В описании трапецеидальных винтов обычно пишут Tr8x8,Tr10x2, первая цифра говорит нам о диаметре винта, вторая как раз о его шаге в мм. Винты ШВП обычно обозначаются 1204, 1605 и т.п. Первые 2 цифры – это диаметр винта, вторые две – это шаг в мм. В 3d-принтерах обычно используют винт Tr8x8, диаметром 8 мм и с шагом 8 мм. Обзор моего 3d-принтера можно посмотреть тут:Обзор 3D принтера Anet A8. Сборка. Наладка.
Формула расчета винтовой передачи ЧПУ получается следующей, в числителе – количество шагов на оборот, в знаменателе – перемещение за оборот.
Тп = Sшд*Fшд/Pр
Рассчитаем пример со следующими параметрами, двигатель 200 шагов на оборот, с 4-кратным микрошагом, с трапецеидальным винтом Tr8x8 даст нам 100 шагов на мм.
Другими словами, для того чтобы ЧПУ станок переместился на 1 мм, нам нужно сделать 100 шагов двигателя. Что является неплохой точностью.
Расчетные значения нужно указать в прошивке GRBL:
Расчет ременной передачи ЧПУ станка.
Во многих ЧПУ станках используются ремни и шкивы. Ремни и шкивы бывают разных форм и размеров, но одним из распространённых стандартов является GT2.
Следующие уравнение применимо для цепных и ременных передач, если вы введете правильный шаг. Обратите внимание, что эти уравнения не учитывают люфт.
Вот простое уравнение, которое вы можете использовать для расчета шагов на мм для линейного движения с ремнями и шкивами.
Тлп = Sшд*Fшд/Pр*Nшк
Попробуем посчитать для примера с такими параметрами, двигатель 200 шагов на оборот, с 2-кратным микрошагом, 2-миллиметровыми ремнями GT2 и шкивом с 20 зубцами даст нам 10 шагов на мм.
200*2/2*20=10 шагов/мм.
Данный пример подойдет для расчета перемещения 3d-принтера. ЧПУ станков на ремнях: лазерный гравировальный, плоттер и пр.
Расчетные значения нужно указать в прошивке GRBL:
Калибровка ЧПУ станка.
После настройки станка необходимо проверить точность перемещения станка по осям. Для этого нужно отправить команду на перемещение по оси, на относительно большое расстояние. Я чаще всего использую 100 мм. После чего произвести замер перемещения. Если значения не отличаются – это означает, что все работает верно. Но если расстояние перемещения больше или меньше, то нужно внести корректировку – провести калибровку ЧПУ станка. Для этого будем использовать формулу:
Тк = Тп * Kп / Kф
Для примера проведем расчёт винтовой придачи, которую рассчитывали выше и выяснили, что нужно совершить 100 шагов для перемещения на 1 мм. Также допустим, что мы отправили команду на перемещение станка на 100 мм, а по факту он переместился на 99 мм. Произведём расчет:
100*100/99=101,01 шагов/мм.
Указываем данное значение в прошивке GRBL и проводим калибровку еще раз. Если ЧПУ станок перемещается на заданное значение, можно пользоваться станком. Иначе проводим повторную калибровку.
А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.
Спасибо за внимание!
Технологии начинаются с простого!
Комментарии к статье Сергея Павлова «Механика самодельного станка ЧПУ»
• Назначение
• Усилия резания и шаговый двигатель
Рассчитывать эти килограммы по формулам не обязательно. Вы легко и наглядно можете оценить максимально возможные усилия прямо голыми руками. Для этого возьмите тонкую концевую фрезу диаметром 1 мм и постарайтесь сломать ее в руках. Вы удивитесь, насколько легко вам это удастся. Фрезу диаметром 3 мм в руках сломать труднее, но все равно усилия эти не запредельны. Разрушение фрезы при превышении допустимых нагрузок и будет тем предохранителем, который убережет наш станок от критических напряжений и выхода из строя.
Вот технические характеристики двигателя ДШИ-200-3 (в скобках значения для ДШИ-200-2):
• Точность
Часто путают разрешающую способность позиционирования и точность фрезерования. Разрешающая способность зависит от выбора шагового двигателя и вида трансмиссии. Например, шаговый двигатель ДШИ-200-3 при работе в оптимальном полушаговом режиме делает 400 шагов за оборот. Следовательно, если применить винтовую передачу с шагом винта 2 мм, то за один шаг рабочий орган передвинется на 2 / 400 = 0,005 мм, т.е. на 5 микрон. При шаге 3 мм – 3 / 400 = 0,0075 мм, т.е. дальше на 2,5 мкм, но зато и скорость будет на треть выше. Можно, конечно, подробить шаг на 16 и более, однако, погрешность отработки шага, для некоторых двигателей, составляет ± 5% от величины полного шага, т.е. большим дроблением шага не удастся добиться повышения разрешающей способности..
Для получения точности фрезерования, к значению разрешения следует приплюсовать технологические люфты в направляющих и трансмиссии, а так же значения перемещений вследствие упругих деформаций, обусловленных общей жесткостью станка. Люфты можно рассчитать, а вот с общей жесткостью сложнее. Рассчитать ее невозможно. Возможно.
При серийном производстве вначале проектируется и изготавливается опытный образец (как правило, на основе прототипа, т.е. другого станка). Затем станок испытывают, производят тщательные замеры, и смотрят, отвечает его точность требованиям ТЗ или нет. Если не отвечает, то конструкцию анализируют, определяют проблемные места, где надо усиливают жесткость, проводят изменения в конструкторской документации и запускают установочную серию. Процесс повторяется уже на нескольких экземплярах. Такая процедура называется доводкой станка.
Если вы хотите построить надежный и долговечный станок для повседневного использования, а не для демонстрации принципиальных возможностей, но опыта конструирования у вас недостаточно, не искушайте судьбу, возьмите за основу проверенный прототип, это сэкономит и нервы, и время, и деньги.
Если вы все же решили разработать конструкцию станка сами, придерживайтесь нескольких простых правил:
Но мы отвлеклись. Точность станка декларируется в техническом задании на конструирование исходя из задач, которые будут выполняться на станке. Вот и мы задекларировали точность в пределах 0,05 мм на рабочей площади фрезерования, ограниченной размерами 150х150 мм. Постараемся ее обеспечить. Когда станок будет готов, посмотрим, что реально получилось, а пока проведем некоторые оценки.
Первое. Привод с зубчатым ремнем не годится по разрешающей способности. Привод с ремнем вообще не годится. Если используется привод с ремнем, как это делается в принтерах, то обязательно нужно обратная связь по положению. Значит винт. С точки зрения разрешения, шаг винта 2 или 3 мм не принципиален, и тот и другой подходит. Кстати, еще одно распространенное заблуждение – чем меньше шаг винта, тем выше точность станка. Выше становится разрешение позиционирования, но не точность фрезерования.
Второе. Очевидно, наиболее нагруженные направляющие у станка по оси Х. Вес каретки Х ожидается в пределах 5 кг, ожидаемые усилия резания 2…3 кг. При таких нагрузках две цилиндрические направляющие диаметром 16 мм, длиной 700 мм, сделанные из заклеенной (закаленной) стали 40Х, будут иметь стрелу прогиба порядка 2-3 мкм. Пусть даже 5 мкм, все равно это вполне приемлемо.
Третье. Будем считать, что мы сумеем обеспечить жесткость корпусных деталей каретки Х такой, при которой не будет заметных деформаций от усилий резания. Тогда вся погрешность (порядка 0,04 мм) останется на люфты, в основном на люфты в винтовых парах и на погрешности изготовления ходовых винтов.
В приводе с зубчатым ремнем накопленная ошибка винта отсутствует, но ремень только условно не тянется, на самом деле он тянется, поэтому точность фрезерования с ним невысока и редко бывает лучше 0,25…0,3 мм на длине 700 мм.
• Скорость
У станка есть две скорости – скорость перемещения шпинделя во время фрезерования (подача) и скорость холостого хода (позиционирование). Первая задается по условиям резания и может меняться в широком диапазоне, вторая должна быть максимально возможной. Очевидно, что если максимально возможная скорость будет ниже, чем оптимальная подача при фрезеровании материала, на который станок рассчитан, производительность станка будет недостаточна.
Для бальзы оптимальные режимы фрезерования такие:
Для других материалов подачи меньше. Скорость зависит от шпинделя. Даже если сегодня у меня нет шпинделя на 50000 об/мин, возможно, он появится завтра, поэтому станок надо делать на подачи 500…600 мм/мин.
• Подшипники скольжения и направляющие
Для сравнительно точных малогабаритных станков типа того, который мы конструируем, альтернативу круглым стальным направляющим с подшипниками скольжения найти трудно. По крайней мере, в той ценовой категории, на которую мы рассчитываем. Это не так, там более, что подшипники каченя весьма недроги.
По этим же причинам снимем с рассмотрения всевозможные конструктивные схемы, использующие рельсы и колесики в виде шариковых подшипников, как несерьезные для станка заданной точности, и вплотную рассмотрим опоры скольжения. Зря, кстати, очень хорошие рельсы вот такие
Корпус с подшипником скольжения
• Материалы
При выборе материала для подшипников скольжения будем ориентироваться на доступные материалы, имеющие хорошие характеристики трения для наших условий эксплуатации. А условия эти следующие:
Для направляющих повышенной точности, как в нашем случае, особое внимание следует уделить плавности хода, которая зависит, прежде всего, от различия коэффициентов трения покоя и трения скольжения (как без смазки, так и при слабой смазке). Эта характеристика особенно важна для нас, т.к. применяем мы шаговый двигатель, и каретки по направляющим будут двигаться хоть мизерными, но рывками. Тем более лучше использовать направляющие качения.
После несложных поисков получился вот такой список доступных и приемлемых по плавности хода (при слабой смазке) материалов с коэффициентами трения по стальному валу:
В принципе, для подшипников можно использовать любой из вышеперечисленных материалов, кроме резины, которая приведена для сравнения, и чугуна, который отбросим как материал для домашнего станка экзотический. Прямо скажем, выбор не велик. По большому счету, он сводится к следующему – металл (бронза) или неметалл (любой из вышеперечисленных, кроме резины).
• Неметаллические подшипники
Ничего против неметаллических подшипников не имею. Если бы по каким-либо причинам мне была бы недоступна бронза (правда, сегодня трудно представить себе такие причины), я бы выбрал для подшипников текстолит. Текстолитовые подшипники изготавливают из многослойной шифонной ткани, пропитанной бакелитом и опрессованной под давлением приблизительно 1000 кг/см2, при 150…180 градусов. Они работают лучше, если слои расположены перпендикулярно поверхности трения. Текстолит можно обрабатывать твердосплавным инструментом при малых подачах и высоких скоростях резания с довольно жесткими допусками. А еще он лохматится при обработке.
Капрон и нейлон хорошо работают при недостаточной смазке или без смазки вообще. Но, как и все полиамиды плохо поддаются механической обработке. Капроновые и нейлоновые подшипники изготовляются пресс-литьем в металлических формах с точностью размеров в пределах нескольких сотых миллиметра. При изготовлении с нужными допусками на универсальном обрабатывающем оборудовании могут возникнуть проблемы – не возьмется никто. Полиамиды неплохо поддаются механической обработке, например, капролон (Полиамид ПА-6).
Все неметаллические подшипники применяют в сочетании с направляющими повышенной твердости (> HRC 50). При этом условии они обнаруживают высокую износостойкость. Требование повышенной твердости направляющих это не недостаток неметаллических подшипников, это данность. Кстати и для бронзовых втулок тоже неплохо подкалить направляющую.
• Ресурс
Что касается ресурса подшипников, то здесь должны приниматься в расчет следующие соображения. Если мы приняли принцип равнопрочности и равножесткости, как основополагающую концепцию при конструировании, ничто не мешает принять такой же принцип по отношению к ресурсу основных узлов. Что я имею в виду? Основными узлами нашего станка являются ходовые винты с гайками и направляющие. Логично сделать их таким образом, чтобы ресурс винтовой пары был соизмерим с ресурсом подшипников скольжения. Т.е. установив подшипники один раз, они должны проработать все время, пока функционируют винты и гайки. По выходе винтовых пар из строя, станку потребуется капитальный ремонт, в этот момент можно и подшипники заменить. Делать замену раньше нецелесообразно, ставить подшипники, которые переживут не только винтовую пару, но и нас с вами – тоже.
Известно, что обычная винтовая пара со стальным ходовым винтом и бронзовой гайкой служит очень долго. При надлежащем выборе параметров и качественном изготовлении, такие узлы работают годами каждый день в три смены. Не думаю, что мой станок будет загружен подобным образом. Однако точно рассчитать ресурс невозможно. Можно прогнозировать, основываясь на опыте и знании предмета. Я думаю, что в данном случае винтовая пара послужит около 8 лет, даже с учетом того, что я буду пилить на станке КИТ-ы. За это время много воды утечет, и станок морально устареет, и технологии новые появятся, и стоимость производства возможно упадет. Может и ремонтировать смысла не будет.
Проживет ли столько же неметаллический подшипник? Не уверен. Может проживет, а может и нет. В принципе не смертельно, можно предусмотреть сменные вкладыши, но это удорожает подшипниковый узел, а кроме того, вложив большие деньги в изготовление станка, не хочется изначально закладывать геморрой с заменой подшипников.
• Принимаем решение
Учитывая вышесказанное, при конструировании направляющих можно принять следующее техническое решение по реализации подшипникового узла:
Уже сейчас можно сказать, что такое решение видится целесообразным, но все-таки рассмотрим и другие варианты.
Металлофторопластовая гильза.
Тогда может быть, мы выиграем в точностях, упростим механическую обработку и тем самым сэкономим? Тоже нет. Если в первом случае мы точно растачиваем бронзовую втулку, то во втором, точно растачивать придется посадочное место под гильзу в корпусе, т.е. дорогую операцию на хорошем расточном станке мы не исключаем. Мало того, в расчет размерных цепей включаются допуска несоосности, биения, некруглости и др. самой покупной гильзы, которые придется учитывать, при условии, что допуска эти известны и достоверны, т.е. это хорошие дорогие подшипники, а не гильзы неизвестного происхождения – 3 рубля за мешок. В итоге, все это точности нашему станку никак не добавляет, скорее наоборот.
Ну, а если бронзы нет? А вот это, извините, полная фигня. Если вы имеете доступ к приличному станочному парку и затеяли дорогой проект, то не найти кусок бронзы для двенадцати небольших втулок и четырех ходовых гаек, просто смешно!
• Из чего делать и как
До сих пор мы все время говорили: «сталь», «бронза»…. А какая сталь и какая бронза, конкретно?
При наших требованиях к износостойкости (каждый день в три смены работать не будем) и невысоких требованиях к стабильности сил трения, выбор марок стали и бронзы, а также термообработка стальных направляющих существенного значения не имеют. Поэтому, если мне позвонят с завода и спросят: «Такой бронзы (стали), которую вы записали в чертеже, у нас нет. Можно мы сделаем замену на…?». Я сразу и без тени сомнения отвечу: «Можно! Лишь бы это была действительно бронза, а сталь была со средним содержанием углерода. Например, стали 30, 40 или 45».
Но в чертеже все-таки надо что-то записать, и записать надо наилучший вариант. Ухудшить всегда успеется. Для втулок подшипников скольжения хорошо подходят оловянные фосфористые (БрОФ10-1) и цинковые (БрОЦС5-7-12, БрОЦС6-6-3) бронзы. Безоловянные бронзы (БрАЖ9-4, БрС30) лучше работают с гладко обработанными закаленными направляющими, поэтому в любом случае направляющие надо закалить до твердости 40…50 HRC и отполировать с шероховатостью Ra 0,63.Мало ли из чего в итоге нарежут втулки. Внутреннюю поверхность втулок полировать не надо, но шероховатость у нее должна быть не хуже Ra1,25.
Не будем забывать о том, что у нас кроме подшипниковых втулок есть еще бронзовые ходовые гайки. Там требования к материалу пожестче, но для нашего случая не намного. Имеет смысл унифицировать материал для ходовых гаек и втулок скольжения.
Что касается геометрии и зазоров, то тут вольностей лучше не допускать. Для обеспечения работоспособности нашего изделия при заданных точностях максимальный гарантированный зазор между втулкой и направляющей (диаметр 16 мм) должен быть порядка 0,034 мм, что соответствует ходовой посадке по 7-му квалитету (Н8/f7).
На практике, при штучном (не серийном) изготовлении поступают так. Сначала растачивают, запрессованные в корпусах втулки, с нужными допусками формы и расположения поверхностей, затем точно измеряют получившиеся отверстия, и только затем шлифуют направляющие до размера, обеспечивающего необходимый зазор. Потом все это дело маркируют, чтобы в дальнейшем не перепутать какие корпуса, по каким направляющим скользят.
• Ходовые винты и гайки
Практически, тут могут быть только два варианта – классический стальной ходовой винт с бронзовой гайкой, снабженной устройством компенсации люфта, или шариковинтовая передача (ШВП).
• Винтовая передача с трением скольжения
Почти все общие соображения, высказанные в предыдущей главе касательно выбора материалов для направляющих и подшипников скольжения, справедливы и для винтовой передачи с трением скольжения, повторяться нет смысла. Рассмотрим еще одно важное свойство винтовой пары, которое может иметь большое значение применительно к нашему случаю, а именно – демпфирующую способность винтовой передачи трения скольжения.
Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора. Борьбу с этим эффектом можно вести по двум направлениям. Электронными методами, например переходом на микрошаговый режим работы двигателя (или на уровне алгоритма работы драйвера), и организацией механического демпфирования.
Обидно, сделав или купив контроллер и построив станок, нарваться на явление резонанса. Поэтому нужно заранее позаботиться о том, чтобы при разгоне и торможении двигателя безболезненно пройти резонансную частоту. Переход на микрошаговый режим не всегда приемлем из-за резкой потери скорости и момента на валу. Да, если и приемлем, никогда не вредно иметь в виду механическое демпфирование.
Резонансная частота вычисляется по формуле F0 = (N*TH/(JR+JL)) 0.5 /4*pi,
Из формулы видно, что резонанс в большой степени зависит от подключенной к двигателю нагрузки. Очевидно, что при жестком креплении ходового винта к валу двигателя суммарный момент инерции системы существенно возрастет, что сдвигает резонанс в область более низких частот, на которых хорошо проявляются демпфирующие свойства вязкого трения в витках ходовой резьбы. Выбирая число витков, и регулируя в резьбе зазор (натяг) можно добиться устранения симптомов резонанса.
При использовании для связи с нагрузкой упругих муфт из эластичных материалов, надо следить, чтобы эластичный материал способствовал поглощению энергии в резонансной системе и приводил к затуханию паразитных колебаний, а не наоборот. Такие муфты не дешевы, но зато в этом случае демпфирование в витках резьбы теряет свое значение, вот почему при использовании ШВП, в которой вязкое трение явно не выражено, хорошая муфта обязательна.
Упругие сильфонные муфты: 
Далее остановимся на специфических особенностях стальных ходовых винтов и бронзовых гаек.
• Ходовой винт
Ходовые винты рассчитывают на прочность износостойкость и устойчивость. Прочность и КПД нас интересует мало. Износостойкость интересует в плане определения среднего давления на рабочих поверхностях резьбы и выбора высоты витка. А вот, исходя из расчета на устойчивость, мы должны определить диаметр винта при заданной длине и выбранной схеме закрепления винта в опорах. Схему эту тоже надо выбрать.
Не буду тут надувать щеки, делать умный вид и утомлять вас расчетами по хитрым формулам. Тем более что сам я, хотя и умею это делать, давно уже такие вещи не рассчитываю. Наш станок это не домкрат с упорной грузовой резьбой на заданную многотонную нагрузку, а точный механический прибор. Выбор геометрических параметров винта можно, и нужно, производить на основе анализа прототипов. Если вы проанализируете (анализировать нужно промышленное оборудование, а не самоделки) большое количество аналогичных станков и приборов схожей схемы, то обнаружите следующее:
Можно провести расчеты конкретно для нашего станка и убедиться в этом, но время жалко. При конструировании основное внимание нужно уделить материалам и технологии что в данном случае гораздо важнее. Дальше будут изложены технические требования к винтам. К их выполнению следует стремиться, но сделать это не всегда возможно и довольно дорого. Тут необходимо искать компромиссы. Чем можно поступиться, а чем нельзя вопрос сложный и решается каждым конструктором по-разному, в соответствии со своими предпочтениями. Не настаивая на своем мнении, приведу основные требования, как это должно быть на самом деле.
Для термически необработанных ходовых винтов нормальной и повышенной точности лучшим материалом является горячекатаная сталь А40Г. Применяют также сталь 45 и 40Х улучшенную. В этом случае материал направляющих можно унифицировать с материалом винта.
В случае окончательной обработки винта резцом применяют сталь У10А, которую отжигают на твердость 197 НВ.
Для закаливаемых и шлифуемых по профилю резьбы винтов применяют сталь марок 40ХГ и 65Г, которая обладает высокой износостойкостью. Этот вариант для домашнего станка слишком крутой, а вот ШВП, кстати, только так и делают.
Допускаемые отклонения винтов:
Нетрудно догадаться, что от отклонений по п.1 впрямую зависит точность станка. Если бы мы передвигали каретки вручную по нониусам, то так бы оно и было, но в нашем случае жить легче, потому что в станке ЧПУ накопленную ошибку можно компенсировать программно.
Если бы мы затеяли трапециидальную резьбу, то к уже изложенным требованиям следовало бы добавить кучу важных, но сложновыполнимых требований к углам профиля резьбы. Но стоимость ходового винта и так высока, чтобы изготавливать специальный инструмент для нарезания трапециидальной резьбы (а он именно изготавливается для каждого конкретного случая). При штучном изготовлении без подготовки специальной оснастки вполне сгодится ленточная резьба с прямоугольным профилем.
И все же, чем лучше трапециидальная резьба по сравнению с ленточной? Только одним – лучшей износостойкостью, т.к. рабочая поверхность витка у трапециидальной резьбы больше, а давление на этой поверхности, соответственно, меньше. Выбор между трапециидальной и ленточной резьбой – вопрос компромисса между долговечностью и стоимостью. Если вы готовы заплатить приличные деньги (сопоставимые со стоимостью ШВП) за долговечность, выбирайте трапециидальную резьбу. Я лично, не готов.
Предвижу вопрос из серии: «А что будет, если…?». Что будет, если взять хороший пруток и нарезать на нем метрическую резьбу с треугольным профилем? Отвечаю – будет хуже. На диаметре 12 мм стандартно режется метрическая резьба с шагом 1,75. Высота профиля у нее 1,137 мм, что недостаточно по износоустойчивости. Ближайшая резьба, подходящая по высоте профиля (1,624) имеет шаг 2,5 и режется на диаметре 18 мм. Получается приличная дубина. Но самое главное, требования к винту по пунктам 1-5 остаются те же. Выигрыш в стоимости изготовления если и будет, то небольшой.
• Ходовая гайка
Обычно гайки изготавливают из бронзы марок БрО10Ф1 и БрО6Ц6С3. Если вы найдете такую бронзу, то будет очень хорошо, но отнюдь не смертельно, если вы примените любую другую. Вообще все, что мы говорили о материалах для втулок скольжения, справедливо и для ходовых гаек.
Допускаемые отклонения гаек:
Наличие зазоров между резьбами винтовой пары является причиной возникновения мертвого хода. Его устранение достигается конструктивными мерами – за счет стягивания разрезной гайки винтом, пружиной или цанговым зажимом. Проще всего сделать разрезную гайку со стяжкой ее винтом
Разрезная гайка
• Как поступить
Помните, что мы говорили про направляющие и подшипники скольжения: «На практике поступают так. Сначала растачивают втулки, и только потом шлифуют направляющие до размера, обеспечивающего необходимый зазор». Так вот, с ходовыми винтами и гайками все происходит с точностью до наоборот – сначала делают винты, а потом по ним точат гайки.
Это обстоятельство сулит большую выгоду. Винты практически не изнашиваются (именно так на производстве капитально ремонтируют станки – делают новые гайки к старым винтам), значит, вы можете принести на завод подходящий ходовой винт, и вам по нему сделают гайку. Подходящие винты можно купить, можно снять со старых станков и приборов, найти на свалке, наконец. Это сильно удешевит производство вашего станка, т.к. стоимость ходовых винтов составляет больше половины всех затрат на изготовление механики.
Как всегда бывает, у такого решения есть не только плюсы. Покупные (найденные) винты уже имеют разделанные концы, которые диктуют совершенно определенную конструкцию опор, возможно, вам не выгодную, а так же применение тех подшипников, которые подходят к винту, а не тех, которые хотелось бы поставить вам. Часто появляется необходимость в изготовлении для опор дополнительных деталей, которые добавляют стоимость, и которые не потребовались бы, будь конструкция винтов и гаек ваша. Это реальный минус.
В последнее время появилось много фирм (включая зарубежные), которые продают готовые винтовые пары. В принципе, стоимость покупки и изготовления отличаются не сильно, но возникает проблема с концами. Часто эти фирмы готовы изготовить для вас винты нужной длины и с разделкой концов, которую вы сами нарисуете, но цена при этом вырастет в 1,5…2 раза. В любом случае, изготавливать свои ходовые винты или купить готовые, решать вам.
Если вы не уверены в том, что вам удастся изготовить качественные винтовые пары, и вы решили в своем станке применить покупные или вообще «левые» винты, то будет правильно сначала их купить или найти, а уж потом приниматься за конструирование станка. Точнее за конструктивное оформление, потому что конструировать в нем особо нечего.
В шариковинтовой передаче трение скольжения заменено трением качения. Это позволяет значительно повысить КПД механизма до 95…98%, а также на порядок увеличить его ресурс. Именно этим объясняется широкое применение ШВП в машиностроении.
Точность ШВП ниже точности винтовых передач с трением скольжения. Объясняется это просто. В обычной винтовой передаче в контакте находятся всего две детали и технологический зазор (мертвый ход) регулируется, а в ШВП, кроме тех же самых двух деталей (винт и гайка) в работу включается третья деталь – шарик, вернее куча шариков, и регулировать мертвый ход проблематично. Но это не значит, что ШВП не точная. Она точная, только технологически точность эта дается не просто. Скажем так, если сравнивать ШВП и винтовую передачу с трением скольжения одинаковой точности, то ШВП получается существенно дороже.
Я не плохо отношусь к ШВП и не ратую исключительно за классический винт с гайкой. Наоборот, мне нравятся ШВП, сам мечтаю сделать с ними станок. Но. Кроме того, что это надежно, красиво, дорого и вообще круто, это ко многому обязывает. Странно видеть ШВП рядом с направляющими из трубок для штор и капроновыми подшипниками, просверленными дрелью. И наоборот, хорошие направляющие с модными металлофторопластовыми подшипниками смотрятся рядом с резьбовой шпилькой, купленной на рынке, и шестигранной гайкой за 3 рубля не менее странно.
Уж если применять ШВП, то совместно с хорошими направляющими, качественными гильзами подшипников скольжения, добротными переходными муфтами для подсоединения ШВП к двигателю, да и остальные детали станка должны быть на уровне. Иначе смысла нет. А это уже совсем другая ценовая категория.
• Конструкция станка
Нудная часть повествования закончена. Дальше будет веселее, с картинками и фотографиями. Первым делом обозначим несколько ключевых моментов, на которые будем опираться при конструировании.
Поиски в Интернете дали результат. Мне понравился австрийско-немецкий станок Step-Four (http://cooltool.ru/).
Общий вид прототипа
Очень подходящий прототип. Если бы он стоил дешевле, хотя бы раза в два, то можно было бы вообще не заморачиваться с собственным изготовлением, а просто взять и купить. Кстати на сайте есть подробный прайс лист. В нем отчетливо прослеживается резкое увеличение цены станка в зависимости от увеличения рабочего хода по Х. Это как раз то, о чем мы говорили в предыдущей главе.
Вот на этот прототип и будем ориентироваться. Приступим.
• Ходовая часть
Начнем с каретки Z. Это будет просто брусок со встроенными в него подшипниками скольжения и отверстиями крепления кронштейна для шпинделя.
Каретка Z
Каретка Y это уже два бруска с подшипниками и отверстиями для направляющих Z. Направляющие должны вставляться в отверстия по плотной (переходной) посадке и фиксироваться установочными винтами. Фиксация винтами нужна больше для успокоения души, чем для реального крепления. Направляющие должны сидеть в отверстиях как вкопанные. В нижнем бруске имеется отверстие для подшипникового узла ходового винта, а в верхнем – посадочное место для шагового двигателя.
Каретка Y
Каретка Х – две стенки, имеющие такие же конструктивные элементы, что и бруски каретки Y. Толщина стенок 15 мм. Меньше никак нельзя, иначе направляющие будут плохо держаться. В нижней части стенок привинчиваются корпуса подшипников скольжения для перемещения каретки по направляющим, расположенным в раме.
Каретка Х
В таком виде каретка Х имеет достаточную жесткость. Усилия необходимые для придания каретке заметных упругих деформаций намного превосходят усилия, необходимые для того, чтобы сломать фрезу. (Помните, ломали в начале статьи?) Обратите внимание, конструкция позволяет в некоторых небольших пределах компенсировать набежавшие допуска в координатах отверстий для направляющих.
Рамы, в том понимании, как мы привыкли, не будет совсем. Вместо нее будут две балки с корпусами для направляющих, собранных на алюминиевом уголке 30х60х5.
Балка
Ставим каретку Х на раму.
Ходовая часть в сборе
Осталось прикрутить готовую ходовую часть станка к прочному и жесткому основанию за уголки балок. Основанием может служить, например кусок ламинированной доски, применяемой для изготовления столешниц кухонной мебели, или просто письменный стол. Балки рамы сами займут нужное положение. Главное им не мешать.
Заметьте, изменяя длину направляющих можно легко сделать станок с любыми (в разумных пределах) размерами рабочей плоскости фрезерования, не меняя корпусные детали.
• Трансмиссия
Можно приступать к установке винтов.
Винт с подшипниками и мотором
Как мы уже говорили, один конец винта висит прямо на шаговом двигателе, а другой опирается на подшипниковый узел, состоящий из двух радиально-упорных подшипников, которые не дают перемещаться винту вдоль оси. Один подшипник обеспечивает упор в одну сторону, другой – в другую. Натяг в подшипниках создается колпачковой гайкой через втулки, стоящие между подшипниками. Узел подшипников, а значит, и весь винт фиксируется в корпусе установочным винтом через отверстие во внешнем кольце.
Подшипники могут быть любые. Я применил с габаритными размерами 6х15х5. По идее, тут должен стоять радиально-упорный сдвоенный подшипник (серия 176 ГОСТ 8995-75), но найти его трудно. Даже простые радиально-упорные подшипники на рынке кучами не лежат, а уж сдвоенных и вовсе нет. Можно поставить обыкновенные радиальные подшипники. Осевые усилия и скорости у нас не большие, а если через некоторое время захрустят, то заменить их легко, не надо даже ничего разбирать.
На ось мотора винт насажен через втулку с клеммными зажимами.
Передача момента с приводного винта координаты Х на неприводной осуществляется специальным пластиковым зубчатым ремнем.
Зубчатый ремень
Последний штрих. Ставим кронштейн для шпинделя.
Общий вид станка
Вот и все. Можно цеплять электронику, ставить шпиндель и запускать станок. Все должно работать. И работает, надо сказать! Принципиально больше ничего не нужно. Ах да, концевые выключатели надо поставить, но можно и не ставить. Это опция, станок прекрасно работает и без концевых выключателей.
Концевой выключатель
• Придаем «товарный» вид
Глядя на фото прототипа с сайта, видим, что там станочек солидный, а у нас какой-то скелетистый и дохлый!
Установим снизу рамы швеллеры – основания (толщина 5 мм) и закроем ходовые винты швеллером – кожухом (толщина 2 мм).
Установим траверзы, тоже из швеллеров. Таким образом, с одного конца закроем ременную передачу, а с другого на траверзу можно установить разъемы от шаговиков.
На каретке Х установим кожух, защищающий ходовой винт Y, а к нему привинтим желоб, в котором будет лежать кабель от каретки Z. Такой же желоб привинтим к раме со стороны приводов.
Придадут ли все эти кожухи нашему станку жесткости? Безусловно, придадут, но не шибко много. Усиливать конструкцию и придавать ей общую жесткость подобным способом нельзя. Силовая схема станка должна работать сама по себе и без этих подпорок. Но зато теперь станок можно легко переносить с места на место, а не держать его привинченным к письменному столу.
Поставим крышечки, выпилим (для пробы) на новом станке коробочки, чтобы спрятать в них переходные колодки для проводов от шаговиков. И, последний штрих, установим гусеницы для кабелей.
Все! Теперь совсем другое дело! Смотрим на прототип – брат близнец!
Осталась сущая ерунда – начертить чертежи, грамотно назначить допуски на ключевые размеры и можно отдавать на завод.
Кое-кто скажет – слизал, и радуется! Пожалуйста, мне эти упреки пофигу, мне станок нужен хороший, а не патент на изобретение. Я скажу по-другому – творчески переработал, потому что не тупо срисовывал, а знал, что я делаю, зачем, и почему именно так.
Я не являюсь большим специалистом в области металлообработки и конструирования конкретно металлообрабатывающих станков, поэтому возможно, где-то оказался неправ или неточен, знающие товарищи меня поправят. Кроме того, за многие годы реального конструирования в приборостроении и машиностроении у меня сложились определенные стереотипы в подходах к проектированию деталей машин (выбор конструктивных баз, особенности назначения допусков и посадок, адаптация конструкции под конкретное заводское оборудование и пр.), возможно, вас эти подходы не устроят, поэтому здесь их и не привожу. Но при проектировании данного станка я опирался именно на те общие соображения, которые изложил в статье. И станок этот работает! Как задумано! Прослужит ли он 8 лет – не знаю, время покажет, но, имея конструкторскую документацию, я могу изготовить не только запчасти, но еще парочку таких же станков. Если понадобится.