Содержание
КАК ВЫБРАТЬ ПЕРЕДАЧУ ДЛЯ ЧПУ СТАНКА. ВИДЫ ПЕРЕДАЧ, ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ.
В приводе оси с ЧПУ передача используется для преобразования вращательного движения вала двигателя в поступательное движение вдоль оси. Для того, чтобы вам было проще выбрать передачу для ЧПУ, ниже перечислены наиболее широко используемые виды передач в станках ЧПУ. Экзотические для DIY-сектора передачи, такие как линейный серводвигатель и линейный шаговый двигатель, останутся за пределами данной статьи по причинам практического характера, и будут рассмотрены самые распространенные.
- Строительная шпилька и гайка. Самый бюджетный вариант. Строительная шпилька вообще не предназначена для использования в станкостроении, техпроцесс её изготовления нацелен на применение в строительной сфере, вследствие чего данный вид передачи обладает самым полным набором недостатков — высокой погрешностью, низкой прямолинейностью, малыми нагрузочными характеристиками, малой износостойкостью, высоким трением и т.д. Однако, все же применяется в DIY-станках, изготавливаемых в учебных целях, вследствии низкой себестоимости. Если Вы решили во что бы то ни стало сэкономить на передаче и поставить строительную шпильку, обязательно предусмотрите возможность замены её на трапецеидальный винт или ШВП! Скорее всего, станок на строительной шпильке не оправдает Ваших надежд.
Приводной винт с трапецеидальной или прямоугольной резьбой. Винт с трапецеидальной резьбой — наиболее распространный вид передачи в металлообрабатывающих станках в прошлом веке и по настоящее время. Трапецеидальные винты производятся их разных видов конструкционных углеродистых сталей путем нарезки резьбы на стальном прутке или её накатки. Накатные винты имеют существенно лучшие характерстики, чем нарезные. Широкое применение трапецеидальных винтов обусловливается их широкой номенклатурой, доступностью на рынке винтов разных классов точности, от C10 до С3. Гайка на винт изготавливается из износостойких материалов, таких, как полиамиды (капролон, нейлон), тефлон, бронза. Правильно рассчитанные и изготовленные трапецеидальные передачи отличаются высокой износостойкостью, т.к. трение идет с малым давлением(вследствие сравнительно большой поверхности трения). На многих все еще работающих станках советского производства пары стоят с момента выпуска станка, и не менялись уже 30-40 лет. Также на таких ходовых винтах возможно использование разрезных гаек, что позволяет с помощью сжатия гайки регулировать натяг и выбирать появляющийся со временем люфт. Из минусов стоит отметить, как ни странно, простоту изготовления винта, что автоматически означает наличие множества производителей, с очень широким разбросом показателей качества. Бюджетные серии винтов изготавливаются из стали #45 без закалки поверхности, что может привести к нарушению прямолинейности винта(иначе говоря, винты малого диаметра мягкие и часто гнутся в процессе транспортировки). К минусам и плюсам одновременно относится высокое трение в передаче. С одной стороны, это снижает КПД, требуется более мощный двигатель для вращения винта. С другой — трение несколько демпфирует вращательные колебания винта, что может быть полезным в случае использования шаговых двигателей(см. резонанс шаговых двигателей). Данный эффект, правда, проявлен достаточно слабо, и для борьбы с резонансом нужны другие способы. Подводя итог, можно сказать, что трапецеидальный винт еще не утратил своего значения в качестве передачи станка с ЧПУ и с успехом используется в станках всех классов.
Шарико-винтовая передача (см. основную статью: ШВП) ШВП, или шарико-винтовая передача(также называют "шарико-винтовая пара"), в настоящий момент является стандартом де-факто при строительстве станков с ЧПУ. Стальной винт с беговыми дорожками для шариков, подвергнутый индукционной закалке и последующей шлифовке, и специальным образом подогнанная гайка с циркулирующими внутри шариками. При вращении винта гайки катятся по беговым дорожкам, передавая усилие на корпус гайки. Такая передача отличается высокой точностью, высокими КПД (80, 90% и более) и ресурсом. ШВП чаще используется в станках с ЧПУ, так как его использование позволяет использовать двигатели меньшей мощности(не требуются столь существенные усилия страгивания, как в случае с передачей винт-гайка). ШВП поставляется как законченная пара, не требует подгонки гайки и зачастую не требует обработки концов для установки в опоры — это делает производитель, т.е. ШВП зачастую соответствует принципу plug and play, тогда как в случае использования трапецеидальных винтов гайки и винты зачастую изготавливаются в разных местах, и могут потребовать тщательной подгонки, без которой могут возникнуть зазоры, люфты, повышенное трение, износ и т.п. ШВП хуже переносит опилки,пыль и отсутствие смазки, чем передача винт-гайка, при попадании инородного тела даже очень малого размера передача может подклинивать, т.к. соседние шарики в канале вращаются в противоположном направлении. Часто требуется дополнительная защита винта с помощью гофроматериалов. ШВП, также как и трапецеидальный винт, имеют ограничения по длине — слишком длинный винт провисает под собственным весом и при вращении винта(скорость вращения винта с шагом 5 мм в портальных станках достигает 10-15 об/сек и выше) ведет себя как скакалка, от чего станок вибрирует, а узлы, фиксирующие винт, испытывают ударные нагрузки, их ресурс быстро снижается, в посадочных местах появляются зазоры, что в свою очередь усиливает вибрацию станка и снижает качество производимых изделий. Опыт показывает, что отношение диаметра ШВП к его длине не должно быть менее числа 0.022, а также не рекомендуется превышать длину винта в 2000 мм. Для устранения эффекта "скакалки" применяются конструкции с неподвижным винтом и вращающейся гайкой, но такие узлы, как правило, существенно дороже и сложней в изготовлении, а также требуют места, что не всегда возможно реализовать на компактных порталах. Если Вы планируете иногда отключать двигатели приводов и работать на станке в ручном режиме, то лучше не использовать ШВП — передача без самоторможения может доставить Вам уйму хлопот. О разновидностях ШВП и их особенностях смотрите основную статью.Зубчатая передача
- Ременная передача. Ременная передача используется в тех случаях, когда масса движимой части невелика. Зубчатый ремень растягивается вдоль оси и фиксируется по концам специальными пластиками. Зубчатый шкив надевается непосредственно на вал двигателя, закрепленного на движимой части(портале), плотных обхват шкива ремнем обеспечивается натяжными роликами, которые обычно изготавливаются из подходящих по размеру радиальных шарикоподшипников. Главный минус ременной передачи — свойства ремня. Несмотря на то, что все приводные ремни армированы стальным или стекловолоконным кордом, это не спасает его от растяжения, и чем длиннее ремень, тем сильней он будет тянуться. Чем сильнее тянется ремень, тем меньше точность и ниже частота собственных колебаний — передача может попадать в мощнейший резонанс на самых необходимых частотах перемещений. Этот эффект можно снизить, закрепив отрезок ремня на станке зубцами вверх, и наложив на него зубец-в зубец еще один ремень, приподняв петлю, в которую размещается шкив. Как видно из схемы, растяжению подвергается его незначительный по длине отрезок, что нивелирует указанные выше недостатки. Ременная передача дает мягкое движение, если нет резонанса, в отличие от ШВП практически не боится пыли и стружки, а также позволяет регулировать натяг ремня для выборки люфта, из-за чего в первом приближении зачастую ременные редукторы рассматриваются как безлюфтовые. Ремни используются, как правило, там, где нет высоких требований по точности и мала масса портала и нагрузка на рабочий инструмент — раскроечные станки плазменной резки, пенорезки.
Разделы сайта
Интересное предложение
Лучшее
Статистика
Designed by:
Раньше самодельные ЧПУ станки изготавливали используя обычную винтовую шпильку со строительного рынка в качестве ходового винта.
Единственным достоинством шпильки является ее низкая цена, все остальное — это минусы. Основными минусами в использовании резбовой шпильки в конструкции ЧПУ станка является мелкая резьба (медленный ход) и фактически никакая прочность на изгиб.
Все изменилось, когда появились в продаже недорогие ходовые винты!
Конечно, ходовые винты и раньше продавались в России, но вот цена. Раньше цена за 3 ходовых винта с гайкой превышала все остальные расходы на электронику и шаговые двигатели, теперь, со входом Китая на этот рынок, стоимость стала на порядок ниже!
Ходовые винты изготовлены из стали и идут в комплекте с ходовой гайкой, что гораздо лучше, чем использовать самодельную ходовую гайку.
Кроме этого, можно выбрать ходовой винт для ЧПУ станка с обработанными концами для крепления к шаговому двигателю или взять готовый комплект для оси.
На фотографии ниже представитель первого варианта — с концами обработанными под установку на ЧПУ станок.
- Купить ходовой винт для ЧПУ станка можно тут .
Там же на сайте можно подобрать ходовые винты для ЧПУ станка другой длины.
Вторым представителем является набор для установки на ось, этот набор включает в себя ходовой винт, бронзовую гайку, подшипники с держателями и муфту.
- Купить набор для оси самодельного ЧПУ станка можно тут .
Такой набор легко устанавливается на самодельный ЧПУ станок практически любого типа. Фактически, необходимо только прикрутить держатели подшипников, зафиксировать бронзовую гайку на перемещаемой части оси и установить шаговый двигатель закрепив его ось на муфте.
Длину ходового винта так же можно подобрать на сайте.
С фабричными ходовыми винтами ваш самодельный ЧПУ станок обретет совсем другое качество обработки деталей!
Конечно, если у вас есть доступ к токарному станку, то можно сделать ходовой винт своими руками, как на видео ниже.
Но, к винту придется делать и ходовую гайку, желательно из бронзы, а если владелец станка не вы, то,зачастую проще (да и дешевле) заказать набор из ходового винта с гайкой с Китая, чем найти возможность нарезать его самостоятельно.
Собственное
производство
с 2012 года
Низкие
цены
Гарантия
качества
0 товаров
0 товаров
Заказ звонка
Каталог товаров
При выборе фрезерного станка(CNC Router) с чпу определитесь:
1. с каким материалом Вы собираетесь работать. От этого зависят требования к жесткости конструкции фрезерного станка и её типу.
Например, ЧПУ станок из фанеры позволит обрабатывать лишь дерево(в том числе фанеру) и пластики(в том числе композитные материалы — пластик с фольгой). статья почему из фанеры
На фрезерном станке из алюминия можно обрабатывать уже и заготовки цветных металлов, при этом увеличится и скорость обработки изделий из дерева.
Для обработки стали фрезерные станки из алюминия не пригодны, здесь уже нужны массивные станки с литой станиной из чугуна, при этом и обработка цветных металлов на таких фрезерных станках будет с большей эффективностью.
2. с размером заготовок и размером рабочего поля фрезерного станка. Это определяет требования к механике станка с ЧПУ.
При выборе станка уделите внимание изучению механики станка, от её выбора зависят возможности станка, а заменить её без существенной переделки конструкции невозможно!
Механика фрезерного ЧПУ станка из фанеры и алюминия зачастую одинаковая. Подробнее ниже по тексту.
Но чем больше размер рабочего поля станка тем более жесткие и дорогие направляющие линейного перемещения потребуются для его сборки .
При выборе станков для решения задач изготовления высоких деталей, с большими перепадами высот, существует распространенное заблуждение в том, что достаточно выбрать станок с большим рабочим ходом по оси Z. Но даже при большом ходе по оси Z, невозможно изготовить деталь с крутыми склонами, если высота детали больше рабочей длины фрезы, то есть более 50мм.
Подробнее об этой проблеме, а также о способах её решения в статье Изготовление высоких моделей, методом создания многослойной модели.
Рассмотрим устройство фрезерного станка и варианты выбора на примере станков с чпу серии Моделист.
A) Выбор конструкции CNC станка
Существует два варианта построения CNC станков:
1) конструкции с подвижным столом, рисунок 1.
2) конструкция с подвижным порталом, рисунок 2.
Рисунок 1 Фрезерный станок с подвижным столом
Преимущества конструкции станка с подвижным столом — это простота реализации, большая жесткость станка ввиду того, что портал неподвижен и закреплен к раме (основанию) станка.
Недостаток — большие размеры, по сравнению с конструкцией с подвижным порталом, и невозможность обработки тяжелых деталей в связи с тем, что подвижный стол несет на себе деталь. Данная конструкция вполне подходит для обработки дерева и пластиков, то есть легких материалов.
рисунок 2 Фрезерный станок с подвижным порталом(портальный станок)
Преимущества конструкциифрезерного станка с подвижным порталом:
— жесткий стол, выдерживающий большой вес заготовки,
— неограниченная длина заготовки,
— возможность исполнения станка без стола (например, для установки поворотной оси).
Недостатки:
— меньшая жесткость конструкции.
— необходимость применения более жестких (и дорогих) направляющих (ввиду того, что портал «висит» на направляющих, а не закреплен на жесткой станине станка, как в конструкции с подвижным столом).
B) Выбор механики Фрезерного станка с ЧПУ
Механика представлена (см. цифры на рис.1, рис.2 и рис.3):
3 — держателями направляющих
4 — линейными подшипниками или втулками скольжения
5 — опорными подшипниками (для крепления ходовых винтов)
6 — ходовыми винтами
10 — муфтой соединения вала ходового винта с валом шаговых двигателей (ШД)
12 — ходовой гайкой
Выбор системы линейного перемещения фрезерного станка (направляющие — линейные подшипники, ходовой винт — ходовая гайка).
В качестве направляющих могут использоваться:
1) роликовые направляющие качения, рисунок 4,5
Рисунок 4
Этот тип направляющих попал в конструкции любительских лазеров и станков из мебельной промышленности,рисунок 6
Недостаток — низкая нагрузочная способность и низкий ресурс, поскольку изначально не предназначены для использования в станках с большим количеством перемещений и высокими нагрузками, невысокая прочность алюминиевого профиля направляющих приводит к развалу , рисунок 5 и как следствие неустранимый люфт, что делает непригодным дальнейшей использование станка.
Ещё один вариант роликовых направляющих, рисунок 7, также не пригодный для высоких нагрузок и потому используется только в лазерных станках.
2) круглые направляющие, представляют собой стальной вал изготовленный из высококачественной износоустойчивой подшипниковой стали со шлифованной поверхностью, с поверхностной закалкой и жестким хромированием, показаны под цифрой 2 на рисунке 2.
Это оптимальное решение для любительских конструкций, т.к. цилиндрические направляющие имеют достаточную жесткость для обработки мягких материалов при небольших размерах станка с чпу при относительно низкой стоимости. Ниже представлена таблица выбора диаметра цилиндрических направляющих в зависимости от максимальной длины и минимальной величины прогиба.
Некоторые китайские производители дешёвых станков устанавливаю направляющие не достаточного диаметра, что ведет к снижению точности, например, при использовании на станке из алюминия на рабочей длине 400мм направляющих диаметром 16мм приведет к прогибу в центре под собственным весом на 0,3..0,5мм(зависит от веса портала).
При правильном выборе диаметра вала, конструкция станков с их использованием получается достаточно прочная , большой вес валов придает конструкции хорошую устойчивость, общую жесткость конструкции. На станках размером более метра применение круглых направляющих требует значительного увеличения диаметра для сохранения минимального прогиба, что делает применение круглых направляющих неоправданно дорогим и тяжелым решением.
Таблица1 Рекомендуемые диаметры направляющих.
| Станок из алюминия для работ по дереву | Цилиндрические направляющие на опоре | |||
| 12 | 16 | 300мм | 16 | 16 |
| 16 | 20 | 600мм | 25 | 16 |
| 25 | 35 | 
4) Цилиндрические направляющие на опоре Преимущества — отсутствие прогиба и отсутствие эффекта рессор. Цена вдвое выше, чем у цилиндрических направляющих. Их использование оправдано при длине перемещения выше 500мм.
рисунок 9 Цилиндрические направляющие на опоре Перемещение можно выполнить как на втулках (трение скольжения) — рис.10 слева, так и с использованием линейных подшипников (трение качения) — рис. 10 справа.
рисунок 10 Втулки и линейные подшипники Недостаток втулок скольжения — износ втулок, приводящий к появлению люфтов, и повышенное усилие на преодоление трения скольжения, требующее применения более мощных и дорогих шаговых двигателей (ШД). Их преимущество — низкая цена. В последнее время цена на линейные подшипники настолько снизилась, что их выбор экономически целесообразен даже в недорогих хоббийных конструкциях. Преимущество линейных подшипников в меньшем коэффициенте трения по сравнению с втулками скольжения, а, соответственно, большая часть мощности шаговых моторов идет на полезные перемещения, а не на борьбу с трением, что делает возможным применение моторов меньшей мощности. Для преобразования вращательного движения в поступательное на ЧПУ станке необходимо применение винтовой передачи (ходового винта). За счет вращения винта, гайка движется поступательно. В фрезерно-гравировальных станках может применяться винтовые передачи скольжения и винтовые передачи качения. Недостаток винтовой передачи скольжения — довольно большое трение, ограничивающее её использование при больших оборотах и приводящее к износу гайки. Винтовые передачи скольжения: 1) метрический винт. Достоинство метрического винта — низкая цена. Недостатки — низкая точность, малый шаг и низкая скорость перемещения. Максимальная скорость перемещения винта (velocity mm`s per min) исходя из максимальных оборотов ШД (600об/мин). Лучшие драйвера сохранят момент вплоть до 900об/м. При такой скорости вращения можно получить линейное перемещение: — для винта М8 (шаг резьбы 1,25мм) — не более 750мм/мин, — для винта М10 (шаг резьбы 1,5мм) — 900мм/мин, — для винта М12 (шаг резьбы 1,75мм) — 1050мм/мин, — для винта М14 (шаг резьбы 2,00мм) — 1200мм/мин. При максимальных оборотах у мотора останется порядка 30-40% от его первоначально указанного момента, и данный режим используется исключительно для холостых перемещений. При работе на такой низкой подаче повышенные расход на фрезы, уже через несколько часов работы на фрезах образуется нагар .
2) трапецеидальный винт. В двадцатом веке занимал лидирующее положение в станках для металлообработки, до появления ШВП. Достоинство — высокая точность, большой шаг резьбы, а следовательно, и высокая скорость перемещения. Следует обращать на вид обработки, чем более гладкая и ровная поверхность винта тем больший срок службы у передачи винт-гайка. Катанные винты имеют преимущество перед нарезными винтами. Недостатки трапецеидальной передачи винт-гайка — достаточно высокая цена в сравнении с метрическим винтом, трение скольжение требует применения шаговых двигателей достаточно большой мощности. Основное распространение получили винты TR10x2 (диаметр 10мм , шаг резьбы 2мм), TR12x3 (диаметр 12мм , шаг резьбы 3мм) и TR16x4 (диаметр 16мм , шаг резьбы 4мм). В станках маркировка такой передачи TR10x2,TR12x3,TR12x4,TR16x4
Винтовые передачи качения: Шарико-винтовая передача (ШВП). В Шарико-винтовой передаче трение скольжения заменено на трение качения. Для достижения этого в ШВП винт и гайка разделены шариками, которые катаются в углублениях резьбы винта. Рециркуляция шариков обеспечена с помощью возвратных каналов, которые идут параллельно оси винта.
ШВП обеспечивает возможность работы при больших нагрузках, хорошую плавность хода, значительно увеличенный ресурс(долговечность) за счет уменьшения трения и смазки, увеличенный коэффициент полезного действия(до 90%) за счет меньшего трения. Она способна работать на больших скоростях, обеспечивает выокую точность позиционирования, высокую жёсткость и отсутствие люфта. То есть станки с использованием ШВП обладают значительно большим ресурсом, но имеют более высокую цену. В станках имеют маркировку SFU1605, SFU1610, SFU2005, SFU2010, где SFU -одинарная гайка, DFU — двойная гайка, первые две цифры — диаметр винта, вторые две — шаг резьбы.
Ходовой винт фрезерного станка может крепиться следующим образом: 1) Конструкция с одним опорным подшипником. Крепление осуществляется с одной стороны винта гайкой к опорному подшипнику. Вторая сторона винта через жесткую муфту крепится к валу шагового двигателя. Достоинства — простота конструкции, недостаток — повышенная нагрузка на подшипник шагового двигателя. 2) Конструкция с двумя опорными подшипниками в распор. В конструкции используется два опорных подшипника во внутренних сторонах портала. Недостаток конструкции — более сложная реализация по сравнению с вариантом 1). Достоинство — меньшие вибрации, если винт не идеально ровный. 3) Конструкция с двумя опорными подшипниками в натяг. В конструкции используется два опорных подшипника на внешних сторонах портала. Достоинства — не деформируется винт, в отличие от второго варианта. Недостаток — более сложная реализация конструкции, по сравнению с первым и вторым вариантом. Ходовые гайки бывают: — бронзовые безлюфтовые. Достоинство таких гаек — долговечность. Недостатки — сложны в изготовлении (как следствие — высокая цена) и имеют большой коэффициент трения в сравнении с с гайками из капролона. — капролоновые безлюфтовые. В настоящее время капролон получил широкое распространение и все чаще заменяет метал в профессиональных конструкциях. Ходовая гайка из графитонаполненного капролона имеет значительно меньший коэффициент трения по сравнению с той же бронзой.
рисунок 14 Ходовая гайка из графитонаполненного капролона — в гайке шарико-винтовой пары (ШВП) трение скольжения заменено на трение качения. Достоинства — низкое трение, возможность работы на высоких скоростях вращения. Недостаток — высокая цена.
Выбор соединительной муфты 1) соединение с использованием жесткой муфты. Достоинства : жесткие муфты передают больший крутящий момент с вала на вал, нет люфта при больших нагрузках. Недостатки: требуют точной установки, так как эта муфта не компенсирует несоосность и перекос валов.
2) соединение с использованием сильфонной (разрезной) муфты. Преимуществом использование сильфонной муфты является то, что ее использование позволяет компенсировать несоосность установки ходового вала и оси шагового двигателя до 0,2мм и перекос до 2,5 градусов, в следствии чего меньшая нагрузка на подшипник шагового двигателя и больший ресурс шагового двигателя. Она также позволяет гасить возникающие вибрации.
3) соединение с использованием кулачковой муфты. Достоинства : позволяет гасить возникающие вибрации, передают больший крутящий момент с вала на вал, в сравнении с разрезной. Недостатки: меньшая компенсация несоосности, несоосность установки ходового вала и оси шагового двигателя до 0,1мм и перекос до 1,0 градуса.
C) Выбор электроники Электроника представлена (см. рис. 1 и 2): 7 — контроллером шаговых двигателей 8 — блоком питания контроллера ШД 11 — шаговыми двигателями Существуют 4х-проводные , 6-ти проводные и 8-ми проводные шаговые двигатели. Всех их можно использовать. В большинстве современных контролеров подключение осуществляется по четырех проводной схеме. Остальные проводники не используются.
При выборе станка важно чтоб шаговый двигатель был достаточной мощности для перемещения рабочего инструмента без потери шагов, то есть без пропусков. Чем больше шаг резьбы винта тем более мощные потребуются моторы. Обычно чем больше ток двигателя тем больше и его крутящий момент(мощность). Многие моторы имеют 8 выводов для каждой полуобмотки в отдельности — это позволяет подключить мотор с последовательно соединенными обмотками либо параллельно. При параллельно соединенных обмотках вам потребуется драйвер на в два раза больший ток, чем при последовательно соединенных обмотках, но при этом будет достаточно в два раза меньшего напряжения. При последовательном наоборот — для достижения номинального момента потребуется в два раза меньший ток, но для достижения максимальных оборотов — в два раза большее напряжение. Величина перемещения за один шаг, обычно, 1,8 градуса. Для 1,8 получается 200 шагов на один полный оборот. Соответственно для вычисления величины количество шагов на мм («Шагов на мм» (Step per mm) ) пользуемся формулой : кол-во шагов на оборот / шаг винта. Для винта с шагом 2мм получим: 200/2=100 шагов/мм. Подробнее об этом Вы можете прочитать в статье Шаговые двигатели Выбор контроллера 1) DSP контроллеры. Достоинства — возможность выбора портов (LPT , USB, Ethernet) и независимость частот сигналов STEP и DIR от работы операционной системы. Недостатки — высокая цена (от 10 000 руб.). 2) Контроллеры от китайских производителей для любительских станков . Достоинства — низкая цена (от 2500 руб.). Недостаток — повышенные требования к стабильности работы операционной системы, требует соблюдения определенных правил настройки, предпочтительно использование выделенного компьютера, доступны только версии LPT.
3) Любительские конструкции контроллеров на дискретных элементах. Низкая цена китайских контроллеров вытесняет любительские конструкции. Наибольшее распространение в любительских конструкциях станков получили китайские контроллеры. Выбор блока питания Для двигателей Nema17 необходим блок питания не менее 150Вт Для двигателей Nema23 необходим блок питания не менее 200Вт |
