Ходовая гайка для чпу. Шарико-винтовые передачи (ШВП). Преимущества ШВП перед остальными видами передач

Ходовой винт - это важная деталь, которая используется в качестве преобразователя движения. Он изменяет вращательное движение в поступательно-прямолинейное перемещение. Для этого он снабжается специальной гайкой. Кроме этого, он обеспечивает перемещение с заданной точностью.

Показатели качества винта

Винт, как очень важная деталь, должен соответствовать множеству требований. Для того чтобы его можно было использовать, к примеру, в настольных тисках, он должен подходить по таким параметрам, как: диаметральный размер, точность профиля и точность шага резьбы, соотношение резьбы винта с его опорными шейками, износостойкость, толщина нитки резьбы. Также важно отметить, что в зависимости от степени точности перемещения, которую обеспечивают винты, их можно разделить на несколько классов точности от 0 до 4. К примеру, ходовые винты металлорежущих станков должны соответствовать классу точности от 0 до 3. 4 класс точности не подходит для использования в таком оборудовании.

Материал для заготовки ходового винта

В качестве заготовки для производства винта используют обычный пруток, который отрезается от сортового металла. Однако здесь важно отметить, что к материалу, служащему заготовкой, предъявляются некоторые требования. Металл должен обладать хорошей стойкость к износу, хорошей обрабатываемостью, а также обладать состоянием стабильного равновесия в условиях внутреннего напряжения, которое возникает после обработки. Это очень важно, так как данное свойство поможет избежать деформации ходового винта при его дальнейшем использовании.

Для производства этой детали со средним классом точности (2-й или 3-й), к которой не будут предъявляться требования повышенной устойчивости к температуре, используют сталь А40Г, являющуюся среднеуглеродистой, с добавками серы и стали 45 с дополнением свинца. Такой сплав улучшает возможность обработки винта, а также уменьшает шероховатость поверхности материала.

Профиль винта

Существует три профиля винта, которые используются при производстве ходового винта токарного станка или любого другого. Профиль может быть трапецеидальным, прямоугольным или треугольным. Наиболее распространенным типом считается трапецеидальная резьба. К ее преимуществам можно отнести то, что она выше по точности, чем прямоугольная. Кроме этого, используя разрезную гайку, можно регулировать осевые зазоры трапецеидальным винтом, которые возникают из-за износа оборудования.

Здесь важно также отметить, что нарезание, как и шлифовка трапецеидальной резьбы на винт, гораздо проще, чем прямоугольной. Но при этом нужно понимать, что точностные характеристики прямоугольной резьбы выше, чем у трапецеидальных. Это значит, что если стоит задача создать винт с наилучшей регулировкой по точности, то придется все же нарезать прямоугольную резьбу. Трапецеидальные винты не подходят для проведения очень точных операций.

Обработка винта

Основными деталями, на которых базируется винт в станке, стали опорные шейки и буртики. Исполнительной поверхностью у винта считается его резьба. Наибольшая точность в настольных тисках и любых других станках, имеющих такой винт, должна быть обеспечена между исполнительной поверхностью детали, а также основной базирующей поверхностью. Технологической базой при производстве ходового винта считается его По этой причине, для того чтобы избежать деформации, обработку всех этих поверхностей осуществляют с использованием Применение этой детали определяет специфику обработки ходового винта.

Здесь также важно отметить, что винт с разным классом точности, обрабатывается до различных величин. Детали, которые будут принадлежать к 0,1 и 2 классу точности обрабатывают до 5-го квалитета. Винты, принадлежащие к 3-му классу точности, проходят обработку до 6-го квалитета. Винты, относящиеся к 4-й категории, обрабатываются также до 6-го квалитета, но при этом у них имеется поле допуска по наружному диаметру.

Центровка и нарезание резьбы

Для того чтобы получить приемлемого качества винт, необходимо осуществить еще несколько операций. Одной из них стала центровка детали, которая проходит на токарном станке. Ходовой винт, а точнее, заготовка для этой детали центрируется на указанном оборудовании и здесь же ей подрезают торцы. Кроме этого, проводится операция по шлифовке заготовки. Для этого применяют бесцентрошлифовальные или круглошлифовальные станки в центрах. Здесь важно добавить, что шлифовка в центрах осуществляется только для винтов 0,1 и 2 класса точности.

Далее, прежде чем приступить к нарезке резьбы, заготовку необходимо подвергнуть правке. Здесь нужно отметить, что этой операции подвергают только винты с 3-м и 4-м классом точности. После этого их поверхность дополнительно шлифуется. В качестве оборудования для нарезания резьбы на ходовом винте используют токарно-винторезный станок.

Описание гайки винта

Гайка ходового винта предназначается для того, чтобы обеспечить точные установочные перемещения. В некоторых редких случаях их могут производить из такого материала, как антифрикционный чугун. Этот элемент должен обеспечивать постоянное зацепление с витками винта, а также выступать в роли компенсирующей детали. Компенсировать придется зазор, который неизбежно возникнет при износе винта. К примеру, гайки для ходовых винтов, использующихся в токарных станках, изготавливаются сдвоенными. Это необходимо для того, чтобы убрать зазор, который может возникнуть либо вследствие производства и сборки станка, либо в результате износа его деталей.

Особенность винта с гайкой сдвоенного типа в том, что она обладает неподвижной и подвижной частью. Подвижная часть, которая является правой, может перемещаться вдоль оси неподвижной части. Именно это передвижение и будет компенсировать зазор. Производство гайки осуществляется лишь для винтов нулевого, 1-го и 2-го класса точности. Для их изготовления используют оловянистую бронзу.

Из чего изготавливают гайки и их износ?

Наиболее распространенными материалами для производства этого вида деталей стали алюминиево-железистые бронзы, по нормам станкостроения МТ 31-2. Кроме этого материала, может также использоваться антифрикционный чугун, как заменитель для неответственных

Здесь важно добавить, что гайка изнашивается намного быстрее, чем непосредственно ходовой винт. Для этого есть несколько причин:

резьба гайки плохо защищена от любого вида загрязнений, а также ее довольно трудно очищать от этих ненужных элементов;
часто случается так, что этот элемент изначально плохо смазывается и это сильно сказывается на сроке службы;
при зацеплении гайки с винтом получается так, что у второго элемента работают одновременно все витки, а вот у винта лишь те, что находятся в сцепке с гайкой.

По этим причинам винты с гайкой должны проверяться чаще, поскольку износ гайки наступает довольно быстро.

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).

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.

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,

Компактность,

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

рисунок 3

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

Рисунок 5

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.

Рисунок 7

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.

Длина по оси	Станок из фанеры	Станок из алюминия для работ по дереву	Станок из алюминия для работ по алюминию
200мм	12	12	16	12
300мм	16	16	20	16
400мм	16	20	20	16
600мм	20	25	30	16
900мм	25	30	35	16

3) профильные рельсовые направляющие
На смену полированным валам на станках большого габарита приходят профильные направляющие. Использование опоры по всей длине направляющей позволяет использовать направляющие значительно меньших диаметров. Но использование данного вида направляющих накладывает высокие требования к жесткости несущей рамы станка, поскольку станины из листового дюраля или листовой стали сами по себе не являются жесткими. Малый диаметр рельсовых направляющих требует использования в конструкции станка толстостенной стальной проф трубы или конструкционного алюминиевого профиля большого сечения для получения необходимой жесткости и несущей способности рамы станка.
Использование особой формы профильного рельса позволяет получить лучшую износоустойчивость в сравнении с другими типами направляющих.

Рисунок 8

4) Цилиндрические направляющие на опоре
Цилиндрические направляющие на опоре являются более дешевым аналогом профильных направляющих.
Также как и профильные требуют использования в раме станка не листовых материалов, а проф трубы большого сечения.

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.

Рисунок 12

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.

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

Особенность его конструкции заключается в том, что ходовой винт по оси X закреплен неподвижно (не вращается). Для статичного винта требуется особенная ходовая гайка. В станках с ЧПУ небольшого размера обычно ходовая гайка жестко закреплена, а винт вращается, перемещая каретку. У меня же наоборот — ходовая гайка вращается вокруг винта, приводимая в движение шаговым двигателем. Ну и очевидно, что ходовая гайка для ЧПУ большого размера должна быть изготовлена своими руками, потому как такая просто-напросто нигде не продается!

Зачем нам вращать ходовую гайку вместо ходового винта на станке с ЧПУ большого размера?

Промышленный ходовой винт ШВП длиной в 2 метра и более стоит просто безумных денег (по сравнению со строительной шпилькой). Он должен быть довольно большого диаметра — от 20 мм и толще, что стоит еще более безумных денег. Плюс такую махину еще и не всякий шаговик провернет, и нужно ставить серву, которая стоит еще более безумных денег (по сравнению с шаговиком). И, вообще говоря, на большой станок с ЧПУ ставят обычно 2 ходовых винта (по одному с каждой стороны). Получается двойное безумие по бюджету.
Крайне бюджетным и неплохим вариантом является строительная шпилька (см. ), но если при длине в 2 метра мы попробуем ее вращать, то она начнет прыгать, как скакалка, и в конце концов отвалится.
На длинную станину 2-3 метра с неподвижным винтом по оси X можно поставить не одну, а целых две или даже три независимых оси Y, каждая из которых будет индивидуально трудиться над своим заказом. Т.е. на одной станине будет установлено как бы 2 независимых станка с ЧПУ с одной механически общей осью X. Очевидно, что с вращающимся винтом независимые каретки не получатся, а получится только клонирование оси.

Ходовая гайка для ЧПУ своими руками изготавливается довольно просто: берем отрезок капролона нужной длины и просто нарезаем внутреннюю резьбу под строительную шпильку. Капролон довольно мягкий и резьбу можно нарезать даже самой строительной шпилькой, предварительно изготовив из нее метчик при помощи нарезания канавок болгаркой. Я внутреннюю резьбу делал на моем домашнем токарничке, а потом делал проход таким самодельным метчиком из шпильки для более точного и плотного подгона резьбы. На токарнике для этого нужно специально резьбу не дорезать, чтобы оставить под проход самой шпилькой. Тогда ходовая гайка будет ходить плотненько и без люфтов. Люфты также убираются увеличением длины ходовой гайки. Уже при длине 35-40 мм люфты полностью исчезают. В интернете можно найти много конструкций с двойной регулируемой ходовой гайкой, которой также можно убрать люфт, но ее недостаток в значительном усложнении конструкции. Если вы используете свой станок с ЧПУ для хобби, то обычная ходовая гайка из капролона прослужит вам очень и очень долго — несколько лет точно! У меня до сих пор живы, хотя я на них даже алюминий попиливаю

Ходовая гайка для моего большого станка с ЧПУ будет вращаться сама вокруг неподвижного винта, поэтому с двух сторон мы ее подпираем подшипниками и довольно плотно зажимаем между двух алюминиевых пластин. В этих пластинах отфрезерованы посадочные места под подшипники. Не беда, если посадочные места получатся немного кривоваты. Алюминий очень мягкий, поэтому подшипник потом можно будет туго запрессовать тисками через фанерные прокладки. И так даже лучше, потому что нам необходимо полностью исключить продольное движение гайки в промежутке между этими двумя пластинами. Для жесткой фиксации пластин между собой, а также для передачи поступательного движения гайки на каретку станка, применим листовой металл толщиной 4-5 мм (вон она — шкрябаная ржавая железяка на фотке). На фото не хватает аналогичной связки пластин в горизонтальной плоскости (прямо под гайкой) — это я потом доделаю.

Остается только передать вращение с шагового двигателя на гайку. Я планирую сделать это при помощи зубчатого ремня. Но загвоздка в том, что мне придется изготовить свою собственную нестандартную шестеренку, а этого я пока еще никогда не делал.

Для изготовления своей собственной шестеренки мне пришлось немного попыхтеть. Причем пыхтеть пришлось за компьютером. Я написал свою собственную программу для расчета шкивов с заданными параметрами, потому как ничего дельного и бесплатного мне найти не удалось. За основу был взят открытый файл на Thingiverse в OpenSCAD, который я переписал на Python и сделал экспорт в DXF. Шестеренку я изготовил из капролона — это прочный конструкционный и легко обрабатываемый пластик. Кроме самой шестеренки для зубчатого ремня нужен также ролик-натяжитель (оне же успокоитель) ремня. Его я тоже изготовил из капролона, но внутрь вставил подшипник.

После установки вращающейся гайки на станок я немного промучился со шкивами для двигателей, которые все время съезжали из-за очень высокой скорости вращения и сильного натяжения. Мне даже пришлось сверлить в валах шаговых двигателей небольшие канавки и фиксировать шкивы на валах установочными винтами с внутренним шестигранником. Но в итоге результат порадовал: на всей длине ходового винта гаечка шла плавно покачиваясь и ни капельки не трепыхала винт.

Редукция ходовой гайки получилась 30:12 (30 зубов на гайке, 12 зубов на шкиве двигателя), т.е. редуктор усиливает момент двигателя в 2.5 раза. Разрешающая способность станка на шпильке с шагом 2 мм/оборот получилась 0.004 мм (2мм/оборот ÷ (200 шагов/оборот * 2.5)).

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.

Передача винт-гайка

Под передачей винт-гайка подразумевается пара стальной винт с трапецеидальной или метрической резьбой и гайка. Данный вид передачи является передачей с трением скольжения и на практике в свою очередь имеет несколько разновидностей.

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 () 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

Зубчатые передачи , применяемые в станках с ЧПУ, бывают 2 видов

Как выбрать передачу для станка с ЧПУ

Для того, чтобы выбрать передачу для ЧПУ станка , выбор должен базироваться на тех характеристиках, которые для Вашего станка наиболее критичны. Передачи винт-гайка применяются там, где нет высоких требований по точности и скорости перемещений, если от передачи требуется самоторможение, а также в случае жестких ограничений по бюджету. ШВП обладает наибольшим спектром применения, вы можете купить ШВП с нужным Вам классом точности, шагом, возможностью создания преднатяга и без неё. Единственный случай, когда ШВП не может быть использовано - если от передачи требуется самоторможение, однако если речь о торможении передачи в целях безопасности (удержание шпиндельной бабки), то вопрос решается использованием электромагнитного тормоза на двигателе, противовесом и т.п. Рейка и ремень применяются в станках с большим рабочим полем - от 1.5 квадратных метров и больше - прежде всего для достижения большой скорости раскроя и холостых перемещений. На станках таких размеров не ставится цель достигнуть точности в десятки микрон, 0.2-0.3 мм в большинстве случаев более чем достаточно, поэтому растяжимость ремня и точность реечной передачи не являются препятствием для их применения.

Итого, если у вас большой раскроечный станок - вам стоит выбрать зубчатую рейку или ременную передачу. Если у вас настольный фрезерно-гравировальный станок для учебных или хоббийных целей, Вам подойдет передача винт-гайка. Если вы строите станок среднего формата для бизнеса, на производство, оптимальным выбором будет ШВП. После выбора типа, вам следует определиться с конкретными параметрами передачи.

(с) 2012 сайт

Копирование разрешено с указанием прямой ссылки на источник