Po rozważeniu możliwości projektowania osi długiej – X – możemy przejść do rozważenia osi Y. Oś Y w formie portalu jest najpopularniejszym rozwiązaniem w społeczności konstruktorów obrabiarek hobbystycznych i nie bez powodu. To proste i całkiem działające, sprawdzone rozwiązanie. Ma jednak również pułapki i punkty, które należy zrozumieć przed rozpoczęciem projektowania. Stabilność i prawidłowe wyważenie są niezwykle ważne dla portalu - zmniejszy to zużycie prowadnic i kół zębatych, zmniejszy ugięcie belki pod obciążeniem i zmniejszy prawdopodobieństwo zaklinowania się podczas ruchu. Aby określić prawidłowy układ, spójrzmy na siły przyłożone do portalu podczas pracy maszyny.
Przyjrzyj się dobrze diagramowi. Zaznaczone są na nim następujące wymiary:
- D1 - odległość od obszaru cięcia do środka odległości pomiędzy prowadnicami belek portalowych
- D2 - odległość śruby napędowej osi X od dolnej belki prowadzącej
- D3 - odległość pomiędzy prowadnicami osi Y
- D4 - odległość pomiędzy łożyskami liniowymi osi X
Przyjrzyjmy się teraz rzeczywistym wysiłkom. Na zdjęciu portal porusza się od lewej do prawej strony na skutek obrotu śruby napędowej osi X (znajdującej się na dole), która napędza nakrętkę zamocowaną w dolnej części portalu. Wrzeciono jest opuszczane i frezuje obrabiany przedmiot, pojawia się siła przeciwna skierowana w stronę ruchu portalu. Siła ta zależy od przyspieszenia portalu, prędkości posuwu, obrotu wrzeciona i siły odbicia od frezu. To ostatnie zależy od samego noża (rodzaj, ostrość, obecność smaru itp.), prędkości obrotowej, materiału i innych czynników. Wiele literatury na temat doboru trybów cięcia poświęcone jest określeniu wielkości odrzutu od frezu, obecnie wystarczy nam wiedzieć, że podczas ruchu portalu powstaje złożona siła przeciwna F. Siła F przyłożona do nieruchomy wrzeciono przykładane jest wzdłuż elementów konstrukcyjnych do belki portalowej w postaci momentu A = D1 * F. Moment ten można rozłożyć na parę równych co do wielkości, ale przeciwnie skierowanych sił A i B, przyłożonych do prowadnic #1 i nr 2 belki portalowej. Modulo Siła A = Siła B = Moment A / D3. Jak widać, siły działające na belki prowadzące zmniejszają się, jeśli wzrasta odległość między nimi D3. Zmniejszenie sił zmniejsza zużycie prowadnic i odkształcenie skrętne belki. Również wraz ze spadkiem siły A zmniejsza się również moment B przyłożony do ścian bocznych portalu: Moment B = D2 * Siła A. Ze względu na duży moment B, ściany boczne, nie mogąc zgiąć się ściśle w płaszczyźnie, będą zacznij się zwijać i zginać. Moment B również należy zmniejszyć, ponieważ należy dążyć do tego, aby obciążenie było zawsze równomiernie rozłożone na wszystkich łożyskach liniowych - zmniejszy to odkształcenia sprężyste i drgania maszyny, a co za tym idzie, zwiększy dokładność.
Moment B, jak już wspomniano, można zmniejszyć na kilka sposobów -
- zmniejszyć siłę A.
- zmniejszyć dźwignię D3
Celem jest możliwie równe wyrównanie sił D i C. Siły te składają się z pary sił momentu B i ciężaru portalu. Dla prawidłowego rozłożenia ciężaru konieczne jest obliczenie środka masy portalu i umieszczenie go dokładnie pomiędzy łożyskami liniowymi. To wyjaśnia powszechną zygzakowatą konstrukcję ścian bocznych portalu - ma to na celu cofnięcie prowadnic i zbliżenie ciężkiego wrzeciona do łożysk osi X.
Podsumowując, projektując oś Y, należy wziąć pod uwagę następujące zasady:
- Spróbuj zminimalizować odległość od śruby/szyny napędowej osi X do prowadnic osi Y - tj. zminimalizować D2.
- Jeśli to możliwe, zmniejsz wysięg wrzeciona względem belki, zminimalizuj odległość D1 od obszaru cięcia do prowadnic. Za optymalny skok Z uważa się zwykle 80–150 mm.
- Jeśli to możliwe, zmniejsz wysokość całego portalu – wysoki portal jest podatny na rezonans.
- Oblicz z wyprzedzeniem środek masy całej suwnicy łącznie z wrzecionem i zaprojektuj rozpórki suwnicy tak, aby środek masy znajdował się dokładnie pomiędzy wózkami prowadzącymi osi X i jak najbliżej śruby pociągowej osi X.
- Odsuń belki prowadzące portalu na większą odległość — zmaksymalizuj D3, aby zmniejszyć moment przyłożony do belki.
PROJEKT OSI Z
Kolejnym krokiem jest wybranie konstrukcji najważniejszej części maszyny – osi Z. Poniżej znajdują się 2 przykładowe projekty.
Jak już wspomniano, budując maszynę CNC, należy wziąć pod uwagę siły powstające podczas pracy. Pierwszym krokiem na tej ścieżce jest jasne zrozumienie natury, wielkości i kierunku tych sił. Rozważ poniższy diagram:
Siły działające na oś Z
Na schemacie zaznaczono następujące wymiary:
- D1 = odległość pomiędzy prowadnicami osi Y
- D2 = odległość wzdłuż prowadnic pomiędzy łożyskami liniowymi osi Z
- D3 = długość platformy ruchomej (płyty podstawy), na której zamontowane jest samo wrzeciono
- D4 = szerokość całej konstrukcji
- D5 = odległość pomiędzy prowadnicami osi Z
- D6 = grubość płyty podstawowej
- D7 = odległość pionowa od punktu przyłożenia sił skrawania do środka pomiędzy wózkami wzdłuż osi Z
Spójrzmy na widok z przodu i zwróćmy uwagę, że cała konstrukcja przesuwa się w prawo wzdłuż prowadnic osi Y. Płyta podstawy jest wysunięta maksymalnie w dół, frez jest zagłębiony w materiale i podczas frezowania powstaje siła przeciwna F, skierowana. oczywiście przeciwnie do kierunku ruchu. Wielkość tej siły zależy od prędkości wrzeciona, ilości przejść frezu, prędkości posuwu, materiału, ostrości frezu itp. (przypominamy, że pewne wstępne obliczenia jakie materiały będą frezowane, a co za tym idzie ocena sił skrawania należy wykonać przed rozpoczęciem projektowania maszyny). Jak ta siła wpływa na oś Z? Siła ta przyłożona w pewnej odległości od miejsca mocowania płyty podstawy wytwarza moment obrotowy A = D7 * F. Moment przyłożony do płyty podstawy jest przenoszony przez łożyska liniowe osi Z w postaci par sił poprzecznych do przewodników. Siła przeliczona od momentu jest odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy punktami przyłożenia – dlatego w celu zmniejszenia sił zginających prowadnice należy zwiększyć odległości D5 i D2.
Odległość D2 ma również znaczenie w przypadku frezowania wzdłuż osi X – w tym przypadku powstaje podobny obraz, jedynie wynikowy moment przykładany jest na zauważalnie większą dźwignię. Moment ten próbuje obrócić wrzeciono i płytę podstawy, a powstałe siły są prostopadłe do płaszczyzny płyty. W tym przypadku moment jest równy sile skrawania F pomnożonej przez odległość od punktu cięcia do pierwszego wózka - tj. im większe D2, tym mniejszy moment (przy stałej długości osi Z).
Stąd zasada: przy wszystkich pozostałych parametrach należy zdecydowanie starać się rozmieszczać wózki osi Z w większej odległości od siebie, szczególnie w pionie – znacznie zwiększy to sztywność. Zasadą jest, aby odległość D2 nigdy nie była mniejsza niż 1/2 długości płyty podstawy. Upewnij się również, że platforma D6 jest wystarczająco gruba, aby zapewnić pożądaną sztywność, obliczając maksymalne siły robocze na frezie i modelując ugięcie płytki w CAD.
Całkowity, przy projektowaniu osi Z maszyny bramowej należy przestrzegać następujących zasad:
- zmaksymalizuj D1 - zmniejszy to moment (a tym samym siłę) działający na rozpórki suwnicy
- zmaksymalizuj D2 - zmniejszy to moment działający na belkę portalową i oś Z
- zminimalizować D3 (w obrębie danego skoku Z) - zmniejszy to moment działający na belkę i słupki portalowe.
- zmaksymalizuj D4 (odległość pomiędzy wózkami osi Y) - zmniejszy to moment działający na belkę portalową.
I tak, w ramach tego artykułu instruktażowego, chcę, abyś wraz z autorem projektu, 21-letnim mechanikiem i projektantem wykonał własny. Narracja będzie prowadzona w pierwszej osobie, ale wiedzcie, że z wielkim żalem nie dzielę się swoimi doświadczeniami, a jedynie swobodnie opowiadam o autorze tego projektu.
W tym artykule będzie sporo rysunków., notatki do nich są sporządzone po angielsku, ale jestem pewien, że prawdziwy technik zrozumie wszystko bez zbędnych ceregieli. Aby ułatwić zrozumienie, podzielę historię na „kroki”.
Przedmowa autora
Już w wieku 12 lat marzyłam o zbudowaniu maszyny, która będzie w stanie tworzyć różne rzeczy. Maszyna, która da mi możliwość wykonania dowolnego przedmiotu gospodarstwa domowego. Dwa lata później natknąłem się na to określenie CNC lub mówiąc dokładniej, fraza "frezarka CNC". Kiedy dowiedziałem się, że są ludzie, którzy potrafią samodzielnie wykonać taką maszynę na własne potrzeby, we własnym garażu, zrozumiałem, że ja też mogę to zrobić. Muszę to zrobić! Przez trzy miesiące próbowałem zebrać odpowiednie części, ale nie ustąpiłem. Tak więc moja obsesja stopniowo zanikała.
W sierpniu 2013 pomysł budowy frezarki CNC ponownie mnie zachwycił. Właśnie ukończyłem studia licencjackie z wzornictwa przemysłowego na uniwersytecie, więc byłem całkiem pewny swoich umiejętności. Teraz wyraźnie zrozumiałam różnicę między mną dzisiaj a mną pięć lat temu. Nauczyłem się pracować z metalem, opanowałem techniki pracy na ręcznych maszynach do obróbki metalu, ale co najważniejsze, nauczyłem się korzystać z narzędzi programistycznych. Mam nadzieję, że ten poradnik zainspiruje Cię do zbudowania własnej maszyny CNC!
Krok 1: Projekt i model CAD
Wszystko zaczyna się od przemyślanego projektu. Zrobiłem kilka szkiców, aby lepiej poznać rozmiar i kształt przyszłej maszyny. Następnie stworzyłem model CAD przy użyciu SolidWorks. Po zamodelowaniu wszystkich części i podzespołów maszyny przygotowałem rysunki techniczne. Użyłem tych rysunków do wykonania części na ręcznych maszynach do obróbki metalu: i.
Szczerze mówiąc, uwielbiam dobre, wygodne narzędzia. Dlatego też starałem się maksymalnie uprościć czynności związane z konserwacją i regulacją maszyny. Łożyska umieściłem w specjalnych blokach, aby móc je szybko wymienić. Prowadnice są dostępne w celu konserwacji, dzięki czemu moje auto będzie zawsze czyste po zakończeniu prac.
Pliki do pobrania „Krok 1”
wymiary
Krok 2: Łóżko
Łóżko zapewnia maszynie niezbędną sztywność. Zostanie na nim zamontowany ruchomy portal, silniki krokowe, oś Z i wrzeciono, a później powierzchnia robocza. Do stworzenia ramy nośnej użyłem dwóch profili aluminiowych Maytec 40x80mm i dwóch aluminiowych płyt końcowych o grubości 10mm. Wszystkie elementy połączyłem ze sobą za pomocą aluminiowych narożników. Aby wzmocnić konstrukcję wewnątrz ramy głównej, z profili o mniejszym przekroju wykonałem dodatkową ramę kwadratową.
Aby w przyszłości zapobiec osadzaniu się kurzu na prowadnicach zamontowałem aluminiowe narożniki ochronne. Montaż kątownika odbywa się za pomocą nakrętek teowych, które montuje się w jednym z rowków profilu.
Obie płyty końcowe posiadają bloki łożyskowe do montażu śruby napędowej.
Montaż ramy nośnej
Narożniki chroniące prowadnice
Pliki do pobrania „Krok 2”
Rysunki głównych elementów ramy
Krok 3: Portal
Ruchomy portal jest elementem wykonawczym Twojej maszyny, porusza się wzdłuż osi X i podtrzymuje wrzeciono frezarskie oraz podporę osi Z. Im wyższy portal, tym grubszy przedmiot można obrobić. Wysoki portal jest jednak mniej odporny na obciążenia powstające podczas obróbki. Wysokie słupki boczne portalu działają jak dźwignie w stosunku do liniowych łożysk tocznych.
Głównym zadaniem jakie planowałem rozwiązać na mojej frezarce CNC była obróbka części aluminiowych. Ponieważ maksymalna grubość aluminiowych półfabrykatów, która mi odpowiada, wynosi 60 mm, zdecydowałem się, aby prześwit portalowy (odległość od powierzchni roboczej do górnej belki poprzecznej) był równy 125 mm. Wszystkie pomiary przekształciłem w model i rysunki techniczne w SolidWorks. Ze względu na złożoność części poddałem je obróbce na przemysłowym centrum obróbczym CNC, co dodatkowo umożliwiło mi obróbkę fazek, co byłoby bardzo trudne do wykonania na ręcznej frezarce do metalu.
Pliki do pobrania „Krok 3”
Krok 4: Suwmiarka osi Z
Do konstrukcji osi Z użyłem panelu przedniego mocowanego do łożysk ruchu osi Y, dwóch płytek wzmacniających zespół, płyty do montażu silnika krokowego oraz panelu do montażu wrzeciona frezującego. Na panelu przednim zamontowałem dwie prowadnice profilowe, po których wrzeciono będzie się poruszać w osi Z. Należy pamiętać, że śruba osi Z nie posiada od spodu podpory.
Pliki do pobrania „Krok 4”
Krok 5: Przewodniki
Prowadnice zapewniają możliwość poruszania się we wszystkich kierunkach, zapewniając płynne i precyzyjne ruchy. Wszelkie luzy w jednym kierunku mogą powodować niedokładności w przetwarzaniu produktów. Wybrałem najdroższą opcję - profilowane szyny ze stali hartowanej. Dzięki temu konstrukcja wytrzyma duże obciążenia i zapewni wymaganą przeze mnie dokładność pozycjonowania. Aby prowadnice były równoległe, podczas ich montażu użyłem specjalnego wskaźnika. Maksymalne odchylenie względem siebie nie przekraczało 0,01 mm.
Krok 6: Śruby i koła pasowe
Śruby przekształcają ruch obrotowy silników krokowych w ruch liniowy. Projektując maszynę, możesz wybrać kilka opcji dla tego urządzenia: parę śrub i nakrętek lub parę śrub kulowych (śruba kulowa). Nakrętka z reguły poddawana jest większym siłom tarcia podczas pracy, a także jest mniej dokładna w porównaniu do śruby kulowej. Jeśli potrzebujesz większej dokładności, zdecydowanie musisz wybrać śrubę kulową. Ale powinieneś wiedzieć, że śruby kulowe są dość drogie.
Przy wyborze routera CNC decydować:
1. z jakim materiałem będziesz pracować? Od tego zależą wymagania dotyczące sztywności konstrukcji frezarki i jej rodzaju.
Przykładowo maszyna CNC wykonana ze sklejki pozwoli na obróbkę wyłącznie drewna (w tym sklejki) i tworzyw sztucznych (w tym materiałów kompozytowych - tworzyw sztucznych z folią).
Za pomocą frezarki do aluminium można również obrabiać półfabrykaty z metali nieżelaznych, a prędkość obróbki produktów drewnianych również wzrośnie.
Frezarki do aluminium nie nadają się do obróbki stali, potrzebne są tutaj masywne maszyny z żeliwną ramą, podczas gdy obróbka metali nieżelaznych na takich frezarkach będzie bardziej wydajna.
2. z wielkością obrabianych przedmiotów i wielkością pola roboczego frezarki. Określa to wymagania mechaniczne maszyny CNC.
Wybierając maszynę, zwróć uwagę na przestudiowanie mechaniki maszyny; możliwości maszyny zależą od jej wyboru i nie da się jej wymienić bez znaczącej zmiany projektu!
Mechanika frezarki CNC wykonanej ze sklejki i aluminium jest często taka sama. Więcej przeczytasz poniżej w tekście.
Ale im większy rozmiar pola roboczego maszyny, tym do jej montażu potrzebne będą sztywniejsze i droższe prowadnice ruchu liniowego.
Przy wyborze maszyn do rozwiązywania problemów związanych z produkcją wysokich części, o dużych różnicach wysokości, panuje powszechne błędne przekonanie, że wystarczy wybrać maszynę o dużym skoku roboczym w osi Z, ale nawet o dużym skoku w osi Z , niemożliwe jest wykonanie części o stromych zboczach, jeśli wysokość części jest większa niż długość robocza frezu, czyli większa niż 50 mm.
Przyjrzyjmy się konstrukcji frezarki i możliwościom jej doboru na przykładzie maszyn CNC serii Modelist.
A) Wybór projektu maszyny CNC
Istnieją dwie możliwości budowy maszyn CNC:
1) projekty z ruchomym stołem, obrazek 1.
2) projekt z ruchomym portalem, Rysunek 2.
Obrazek 1Frezarka z ruchomym stołem
Zalety Konstrukcja maszyny z ruchomym stołem to łatwość wykonania, większa sztywność maszyny dzięki temu, że portal jest nieruchomy i mocowany do ramy (podstawy) maszyny.
Wada- duże gabaryty w porównaniu do konstrukcji z ruchomym portalem oraz brak możliwości obróbki ciężkich części ze względu na fakt, że część dźwiga się na ruchomym stole. Ta konstrukcja jest całkiem odpowiednia do obróbki drewna i tworzyw sztucznych, czyli lekkich materiałów.
Rysunek 2 Frezarka z portalem ruchomym (maszyna bramowa)
Zalety projekty frezarki z portalem ruchomym:
Sztywny stół wytrzymujący duży ciężar przedmiotu obrabianego,
Nieograniczona długość detalu,
Ścisłość,
Możliwość wykonania maszyny bez stołu (np. montaż osi obrotowej).
Wady:
Mniejsza sztywność konstrukcji.
Konieczność stosowania sztywniejszych (i droższych) prowadnic (ze względu na to, że portal „wisi” na prowadnicach, a nie jest przymocowany do sztywnej ramy maszyny, jak w konstrukcji z ruchomym stołem).
B) Dobór mechaników ploterów CNC
Przedstawiono mechanikę (patrz liczby na rys. 1, rys. 2 i rys. 3):
3 - uchwyty prowadnic
4 - łożyska liniowe lub tuleje ślizgowe
5 - łożyska podporowe (do mocowania śrub pociągowych)
6 - śruby pociągowe
10 - sprzęgło łączące wał śruby pociągowej z wałem silników krokowych (SM)
12 - nakrętka działająca
rysunek 3
Dobór układu ruchu liniowego frezarki (prowadnice – łożyska liniowe, śruba pociągowa – nakrętka pociągowa).
Poniższe informacje mogą służyć jako wskazówki:
1) prowadnice rolkowe, Rysunek 4.5
Rysunek 4 
Rysunek 5
Tego typu prowadnice znalazły zastosowanie w projektach amatorskich laserów i maszyn z branży meblarskiej, ryc. 6
Wadą jest mała nośność i niska żywotność, ponieważ pierwotnie nie były one przeznaczone do stosowania w maszynach o dużej liczbie ruchów i dużych obciążeniach, niska wytrzymałość aluminiowego profilu prowadnic prowadzi do zapadnięcia się, rysunek 5 i, jak w rezultacie nieodwracalny luz, który sprawia, że dalsze użytkowanie maszyny jest nieodpowiednie.
Inna wersja prowadnic rolkowych, rysunek 7, również nie nadaje się do dużych obciążeń i dlatego jest stosowana tylko w maszynach laserowych.
Rysunek 7
2) okrągłe prowadnice, to wał stalowy wykonany z wysokiej jakości trudnościeralnej stali łożyskowej o szlifowanej powierzchni, utwardzanej powierzchniowo i twardej chromowaniu, pokazany pod numerem 2 na rysunku 2.
Jest to optymalne rozwiązanie dla projektów amatorskich, ponieważ... prowadnice cylindryczne mają wystarczającą sztywność do obróbki miękkich materiałów przy małych rozmiarach maszyn CNC przy stosunkowo niskim koszcie. Poniżej znajduje się tabela doboru średnicy prowadnic walcowych w zależności od maksymalnej długości i minimalnego ugięcia.
Niektórzy Chińczycy Producenci tanich maszyn, które instaluję prowadnice o niewystarczającej średnicy, co prowadzi do zmniejszenia dokładności, np. przy użyciu maszyny aluminiowej na długości roboczej 400 mm prowadnice o średnicy 16 mm spowodują ugięcie w środku pod własnym ciężarem o 0,3. 0,5 mm (w zależności od ciężaru portalu).
Przy właściwym doborze średnicy wału konstrukcja wykorzystujących je maszyn jest dość mocna; duży ciężar wałów zapewnia konstrukcji dobrą stabilność i ogólną sztywność konstrukcyjną. Na maszynach większych niż metr zastosowanie prowadnic okrągłych wymaga znacznego zwiększenia średnicy, aby zachować minimalne ugięcie, co sprawia, że zastosowanie prowadnic okrągłych jest nieracjonalnie drogim i ciężkim rozwiązaniem.
| Długość osiowa | Maszyna do sklejki | Aluminiowa maszyna do obróbki drewna | Maszyna aluminiowa do obróbki aluminium | |
| 200mm | 12 | 12 | 16 | 12 |
| 300 mm | 16 | 16 | 20 | 16 |
| 400mm | 16 | 20 | 20 | 16 |
| 600mm | 20 | 25 | 30 | 16 |
| 900mm | 25 | 30 | 35 | 16 |
3) prowadnice szynowe profilowe
Polerowane wały w dużych maszynach zastępowane są prowadnicami profilowymi. Zastosowanie podpórki na całej długości prowadnicy pozwala na zastosowanie prowadnic o znacznie mniejszych średnicach. Jednak zastosowanie tego typu prowadnic nakłada wysokie wymagania na sztywność ramy nośnej maszyny, ponieważ łóżka wykonane z blachy duraluminiowej lub samej blachy stalowej nie są sztywne. Mała średnica prowadnic szynowych wymaga zastosowania w konstrukcji maszyny grubościennej stalowej profesjonalnej rury lub konstrukcyjnego profilu aluminiowego o dużym przekroju, aby uzyskać niezbędną sztywność i nośność ramy maszyny.
Zastosowanie specjalnego kształtu szyny profilowej pozwala na uzyskanie większej odporności na zużycie w porównaniu do innych typów prowadnic.
Cyfra 8
4) Cylindryczne prowadnice na wsporniku
Prowadnice cylindryczne na podporze są tańszym odpowiednikiem prowadnic profilowych.
Podobnie jak profilowane wymagają zastosowania w ramie maszyny profesjonalnych rur o dużych przekrojach, a nie materiałów arkuszowych.
Zalety - brak ugięcia i brak efektu sprężystości. Cena jest dwukrotnie wyższa niż prowadnic cylindrycznych. Ich zastosowanie jest uzasadnione przy długościach przesuwu powyżej 500mm.
rysunek 9 Cylindryczne prowadnice na wsporniku
Ruch można wykonać w następujący sposób: tuleje(tarcie ślizgowe) - Rys. 10 po lewej stronie i użycie łożyska liniowe(tarcie toczne)- Ryż. 10 po prawej stronie.
rysunek 10 Tuleje i łożyska liniowe
Wadą tulei ślizgowych jest zużycie tulei, prowadzące do pojawienia się luzów i zwiększonego wysiłku w celu pokonania tarcia ślizgowego, co wymaga stosowania mocniejszych i droższych silników krokowych (SM). Ich zaletą jest niska cena.
Ostatnio cena łożysk liniowych spadła tak bardzo, że ich wybór jest ekonomicznie wykonalny nawet w niedrogich projektach hobbystycznych. Zaletą łożysk liniowych jest niższy współczynnik tarcia w porównaniu z tulejami ślizgowymi, w związku z czym większość mocy silników krokowych trafia do użytecznych ruchów, a nie do zwalczania tarcia, co umożliwia stosowanie silników o mniejszej mocy.
Do zamiany ruchu obrotowego na ruch postępowy na maszynie CNC konieczne jest zastosowanie napędu śrubowego ( śruba pociągowa ). W wyniku obrotu śruby nakrętka przesuwa się do przodu. Może być stosowany w frezarkach i maszynach grawerujących ślimakowe koła zębate I koła zębate śrubowe .
Wadą przekładni śrubowej jest dość duże tarcie, które ogranicza jej zastosowanie przy dużych prędkościach i prowadzi do zużycia nakrętki.
Przesuwne koła zębate śrubowe:
1) śruba metryczna. Zaletą śruby metrycznej jest jej niska cena. Wady - niska dokładność, mały skok i mała prędkość ruchu. Maksymalna prędkość ruchu śmigła (prędkość w mm na minutę) w oparciu o maksymalną prędkość silnika (600 obr/min). Najlepsi kierowcy utrzymają moment obrotowy aż do 900 obr./min. Przy tej prędkości obrotowej można uzyskać ruch liniowy:
Dla śruby M8 (skok gwintu 1,25mm) - nie więcej niż 750mm/min,
Dla śruby M10 (skok gwintu 1,5mm) - 900mm/min,
Dla śruby M12 (skok gwintu 1,75mm) - 1050mm/min,
Dla śruby M14 (skok gwintu 2,00mm) - 1200mm/min.
Przy maksymalnej prędkości silnik będzie miał około 30-40% początkowo określonego momentu obrotowego, a ten tryb jest używany wyłącznie w przypadku ruchów na biegu jałowym.
Przy pracy przy tak niskim posuwie wzrasta zużycie frezów; już po kilku godzinach pracy na frezach tworzą się nagary.
2) śruba trapezowa. W XX wieku zajmował wiodącą pozycję w maszynach do obróbki metalu, przed pojawieniem się śrub kulowych. Zaletą jest duża dokładność, duży skok gwintu, a co za tym idzie duża prędkość ruchu. Należy zwrócić uwagę na rodzaj obróbki; im gładsza i bardziej równa powierzchnia śruby, tym dłuższa żywotność przekładni śrubowo-nakrętkowej. Śruby walcowane mają przewagę nad śrubami gwintowanymi. Wadami przekładni śrubowo-nakrętkowej jest dość wysoka cena w porównaniu ze śrubą metryczną; tarcie ślizgowe wymaga zastosowania silników krokowych o dość dużej mocy. Najczęściej stosowane śruby to TR10x2 (średnica 10mm, skok gwintu 2mm), TR12x3 (średnica 12mm, skok gwintu 3mm) i TR16x4 (średnica 16mm, skok gwintu 4mm). W maszynach oznaczenie takiego koła zębatego to TR10x2,TR12x3,TR12x4,TR16x4
Przekładnie śrubowe:
Napęd śrubowy kulowy (śruba kulowa). W śrubie kulowej tarcie ślizgowe zastępuje się tarciem tocznym. Aby to osiągnąć, w śrubie kulowej śruba i nakrętka są oddzielone kulkami, które toczą się we wgłębieniach gwintu śruby. Recyrkulacja kulek jest zapewniona poprzez kanały powrotne, które biegną równolegle do osi ślimaka.
Rysunek 12
Śruba kulowa zapewnia możliwość pracy pod dużymi obciążeniami, dobrą płynność pracy, znacznie zwiększoną żywotność (trwałość) dzięki zmniejszonemu tarciu i smarowaniu, zwiększoną wydajność (do 90%) dzięki mniejszemu tarciu. Może pracować z dużymi prędkościami, zapewnia wysoką dokładność pozycjonowania, dużą sztywność i brak luzów. Oznacza to, że maszyny wykorzystujące śruby kulowe mają znacznie dłuższą żywotność, ale mają wyższą cenę. Maszyny są oznaczone SFU1605, SFU1610, SFU2005, SFU2010, gdzie SFU to pojedyncza nakrętka, DFU to podwójna nakrętka, pierwsze dwie cyfry to średnica śruby, drugie dwie to skok gwintu.
Śruba pociągowa Frezarkę można zamontować w następujący sposób:
1) Konstrukcja z pojedynczym łożyskiem podporowym. Mocowanie odbywa się z jednej strony śruby za pomocą nakrętki do łożyska oporowego. Druga strona śruby jest przymocowana do wału silnika krokowego poprzez sztywne sprzęgło. Zalety - prostota konstrukcji, wada - zwiększone obciążenie łożyska silnika krokowego.
2) Konstrukcja z dwoma łożyskami oporowymi. W konstrukcji zastosowano dwa łożyska podporowe po wewnętrznych stronach portalu. Wadą projektu jest to, że wdrożenie jest bardziej złożone w porównaniu z opcją 1). Zaletą jest mniej wibracji, jeśli śruba nie jest idealnie prosta.
3) Konstrukcja z dwoma naprężonymi łożyskami podporowymi. W konstrukcji zastosowano dwa łożyska podporowe po zewnętrznych stronach portalu. Zalety - śruba nie odkształca się, w przeciwieństwie do drugiej opcji. Wadą jest to, że wdrożenie projektu jest bardziej złożone w porównaniu z pierwszą i drugą opcją.
Biegające szaleństwa tam są:
Brąz bezluzowy. Zaletą takich nakrętek jest trwałość. Wady - są trudne w produkcji (w efekcie wysoka cena) i mają wysoki współczynnik tarcia w porównaniu do nakrętek kaprolonowych.
Caprolon bez luzów. Obecnie kaprolon stał się powszechny i coraz częściej zastępuje metal w profesjonalnych konstrukcjach. Nakrętka bieżna wykonana z kaprolonu wypełnionego grafitem ma znacznie niższy współczynnik tarcia w porównaniu do tego samego brązu.
rysunek 14 Nakrętka bieżna wykonana z kaprolonu wypełnionego grafitem
W nakrętce śruby kulowej tarcie ślizgowe zastępuje się tarciem tocznym. Zalety: niskie tarcie, możliwość pracy przy dużych prędkościach obrotowych. Wadą jest wysoka cena.
Wybór sprzęgła
1) połączenie za pomocą łącznika sztywnego. Zalety: sztywne sprzęgła przenoszą większy moment obrotowy z wału na wał, nie ma luzów przy dużych obciążeniach. Wady: wymagają precyzyjnego montażu, ponieważ to sprzęgło nie kompensuje niewspółosiowości i niewspółosiowości wałów.
2) połączenie za pomocą sprzęgła mieszkowego (dzielonego). Zaletą stosowania sprzęgła mieszkowego jest to, że jego zastosowanie pozwala na kompensację niewspółosiowości wału napędowego względem osi silnika krokowego do 0,2 mm oraz niewspółosiowości do 2,5 stopnia, co skutkuje mniejszym obciążeniem łożyska silnika krokowego i dłuższa żywotność silnika krokowego. Pozwala także wytłumić powstające drgania.
3) połączenie za pomocą sprzęgła kłowego. Zalety: pozwala tłumić wibracje, przenosić większy moment obrotowy z wału na wał w porównaniu do typu dzielonego. Wady: mniejsza kompensacja niewspółosiowości, niewspółosiowość wału napędowego i osi silnika krokowego do 0,1 mm i niewspółosiowość do 1,0 stopnia.
C) Dobór elektroniki
Przedstawiono elektronikę (patrz rys. 1 i 2):
7 - sterownik silnika krokowego
8 - zasilacz do kontrolera SD
11 - silniki krokowe
Są 4-przewodowe, 6-przewodowe i 8-przewodowe silniki krokowe . Można z nich wszystkich skorzystać. W większości nowoczesnych sterowników połączenie odbywa się za pomocą obwodu czteroprzewodowego. Pozostałe przewody nie są używane.
Przy wyborze maszyny ważne jest, aby silnik krokowy miał wystarczającą moc, aby poruszać narzędziem roboczym bez utraty kroków, czyli bez przeskakiwania. Im większy skok gwintu, tym mocniejsze będą silniki. Zazwyczaj im większy prąd silnika, tym większy jest jego moment obrotowy (moc).
Wiele silników ma 8 zacisków dla każdego półuzwojenia osobno - pozwala to na podłączenie silnika z uzwojeniami połączonymi szeregowo lub równolegle. W przypadku uzwojeń połączonych równolegle potrzebny będzie sterownik o dwukrotnie większym prądzie niż w przypadku uzwojeń połączonych szeregowo, ale wystarczy połowa napięcia.
Natomiast w przypadku połączenia szeregowego, aby osiągnąć znamionowy moment obrotowy, wymagana będzie połowa prądu, ale aby osiągnąć maksymalną prędkość, wymagane będzie dwukrotnie większe napięcie.
Wielkość ruchu na krok wynosi zwykle 1,8 stopnia.
W przypadku 1,8 okazuje się, że na pełny obrót przypada 200 kroków. Odpowiednio, aby obliczyć wartość, liczba kroków na mm ( „Kroki na mm” (Kroki na mm)) korzystamy ze wzoru: liczba kroków na obrót / skok śruby. Dla śruby o skoku 2mm otrzymujemy: 200/2=100 kroków/mm.
Wybór kontrolera
1) Kontrolery DSP. Zalety - możliwość wyboru portów (LPT, USB, Ethernet) oraz niezależność częstotliwości sygnałów STEP i DIR od działania systemu operacyjnego. Wady - wysoka cena (od 10 000 rubli).
2) Sterowniki chińskich producentów do maszyn amatorskich. Zalety - niska cena (od 2500 rubli). Wada - zwiększone wymagania dotyczące stabilności systemu operacyjnego, wymaga przestrzegania pewnych zasad konfiguracji, lepiej jest używać dedykowanego komputera, dostępne są tylko wersje LPT.
3) Amatorskie projekty sterowników opartych na elementach dyskretnych. Niska cena chińskich sterowników wypiera konstrukcje amatorskie.
Chińskie sterowniki są najczęściej stosowane w amatorskich konstrukcjach maszyn.
Wybór zasilacza
Silniki Nema17 wymagają zasilania o mocy co najmniej 150W
Silniki Nema23 wymagają zasilania o mocy co najmniej 200W
Wiedząc, że jest to złożone urządzenie techniczne i elektroniczne, wielu rzemieślników uważa, że nie da się tego zrobić własnymi rękami. Jednak ta opinia jest błędna: możesz sam wykonać taki sprzęt, ale aby to zrobić, potrzebujesz nie tylko jego szczegółowego rysunku, ale także zestawu niezbędnych narzędzi i odpowiednich komponentów.
Przetwarzanie półwyrobu duraluminiowego na domowej frezarce stołowej
Decydując się na wykonanie własnej maszyny CNC, należy pamiętać, że może to zająć znaczną ilość czasu. Ponadto wymagane będą pewne koszty finansowe. Jednak nie bojąc się takich trudności i prawidłowo podchodząc do wszystkich zagadnień, możesz stać się właścicielem niedrogiego, wydajnego i produktywnego sprzętu, który pozwala na obróbkę detali z różnych materiałów z dużą dokładnością.
Aby wykonać frezarkę wyposażoną w system CNC, można skorzystać z dwóch możliwości: kupić gotowy zestaw, z którego taki sprzęt składa się ze specjalnie dobranych elementów, lub znaleźć wszystkie komponenty i własnoręcznie złożyć urządzenie, które w pełni spełnia wszystkie Twoje wymagania.
Instrukcje montażu domowej roboty frezarki CNC
Poniżej na zdjęciu widać wykonany własnoręcznie egzemplarz, do którego dołączona jest szczegółowa instrukcja produkcji i montażu, wskazująca użyte materiały i komponenty, dokładne „wzory” części maszyny i przybliżone koszty. Jedynym minusem jest to, że instrukcje są w języku angielskim, ale zrozumienie szczegółowych rysunków jest całkiem możliwe bez znajomości języka.
Pobierz bezpłatną instrukcję wykonania maszyny:
Frezarka CNC jest zmontowana i gotowa do pracy. Poniżej kilka ilustracji z instrukcji montażu tej maszyny.
„Wzory” części maszyn (widok pomniejszony) Początek montażu maszyny Etap pośredni Końcowy etap montażu
Praca przygotowawcza
Jeśli zdecydujesz, że zbudujesz maszynę CNC własnymi rękami, bez użycia gotowego zestawu, to pierwszą rzeczą, którą musisz zrobić, to wybrać schemat obwodu, zgodnie z którym taki mini-sprzęt będzie działał.
Jako podstawę sprzętu frezującego CNC można wziąć starą wiertarkę, w której głowicę roboczą z wiertłem wymienia się na frezarską. Najtrudniejszą rzeczą, jaką trzeba będzie zaprojektować w takim sprzęcie, jest mechanizm zapewniający ruch narzędzia w trzech niezależnych płaszczyznach. Mechanizm ten można zmontować za pomocą wózków z niedziałającej drukarki; zapewni to ruch narzędzia w dwóch płaszczyznach.
Łatwo jest podłączyć sterowanie programowe do urządzenia zmontowanego według tej koncepcji. Jej główną wadą jest jednak to, że na takiej maszynie CNC można obrabiać wyłącznie elementy wykonane z tworzywa sztucznego, drewna i cienkiej blachy. Wyjaśnia to fakt, że wózki starej drukarki, które zapewnią ruch narzędzia tnącego, nie mają wystarczającego stopnia sztywności.
Aby Twoja domowa maszyna CNC mogła wykonywać pełnoprawne operacje frezowania na przedmiotach wykonanych z różnych materiałów, za poruszanie narzędziem roboczym musi odpowiadać odpowiednio mocny silnik krokowy. Nie ma potrzeby szukać silnika krokowego, można go wykonać z konwencjonalnego silnika elektrycznego, poddając go niewielkim modyfikacjom.
Zastosowanie w Twoim silniku krokowym pozwoli uniknąć stosowania napędu śrubowego, a funkcjonalność i właściwości domowego sprzętu nie pogorszą się. Jeśli nadal decydujesz się na wykorzystanie karetek z drukarki do swojej mini maszyny, wówczas wskazane jest wybranie ich z większego modelu urządzenia drukującego. Aby przenieść siłę na wał sprzętu frezującego, lepiej zastosować nie zwykłe, ale paski zębate, które nie będą się ślizgać na kołach pasowych.
Jednym z najważniejszych elementów każdej takiej maszyny jest mechanizm frezujący. To właśnie jego produkcji należy poświęcić szczególną uwagę. Aby prawidłowo wykonać taki mechanizm, potrzebne będą szczegółowe rysunki, których należy ściśle przestrzegać.
Rysunki frezarek CNC
Zacznijmy montować sprzęt
Podstawą domowego sprzętu do frezowania CNC może być prostokątna belka, którą należy bezpiecznie zamocować na prowadnicach.
Konstrukcja nośna maszyny musi mieć dużą sztywność; podczas jej montażu lepiej nie stosować połączeń spawanych, a wszystkie elementy należy łączyć tylko za pomocą śrub.
Wymaganie to tłumaczy się faktem, że spoiny bardzo słabo wytrzymują obciążenia wibracyjne, którym koniecznie będzie poddana konstrukcja nośna urządzenia. Obciążenia takie w efekcie doprowadzą do tego, że rama maszyny z biegiem czasu zacznie się zużywać i nastąpią w niej zmiany wymiarów geometrycznych, co będzie miało wpływ na dokładność ustawień sprzętu i jego wydajność.
Spoiny podczas montażu ramy domowej frezarki często powodują rozwój luzu w jej elementach, a także ugięcie prowadnic, które występuje pod dużymi obciążeniami.
Frezarka, którą zmontujesz własnymi rękami, musi mieć mechanizm zapewniający ruch narzędzia roboczego w kierunku pionowym. Najlepiej zastosować do tego przekładnię śrubową, której obrót będzie przenoszony za pomocą paska zębatego.
Ważną częścią frezarki jest jej oś pionowa, która w przypadku domowego urządzenia może być wykonana z płyty aluminiowej. Bardzo ważne jest, aby wymiary tej osi były precyzyjnie dopasowane do wymiarów montowanego urządzenia. Jeśli dysponujesz piecem muflowym, możesz samodzielnie wykonać oś pionową maszyny, odlewając ją z aluminium zgodnie z wymiarami wskazanymi na gotowym rysunku.
Po przygotowaniu wszystkich elementów domowej frezarki możesz przystąpić do jej montażu. Proces ten rozpoczyna się od montażu dwóch silników krokowych, które są zamontowane na korpusie urządzenia za jego osią pionową. Jeden z tych silników elektrycznych będzie odpowiadał za ruch głowicy frezującej w płaszczyźnie poziomej, a drugi za poruszanie głowicy odpowiednio w płaszczyźnie pionowej. Następnie instalowane są pozostałe komponenty i zespoły domowego sprzętu.
Obrót wszystkich elementów domowego sprzętu CNC musi być przenoszony wyłącznie za pośrednictwem napędów pasowych. Przed podłączeniem układu sterowania programowego do zmontowanej maszyny należy sprawdzić jego funkcjonalność w trybie ręcznym i niezwłocznie wyeliminować wszelkie stwierdzone usterki w jego działaniu.
Proces montażu można obejrzeć na filmie, który łatwo znaleźć w Internecie.
Silniki krokowe
Konstrukcja każdej frezarki wyposażonej w CNC koniecznie zawiera silniki krokowe, które zapewniają ruch narzędzia w trzech płaszczyznach: 3D. Projektując do tego celu domową maszynę, można wykorzystać silniki elektryczne zainstalowane w drukarce igłowej. Większość starszych modeli urządzeń drukujących igłowych była wyposażona w silniki elektryczne o dość dużej mocy. Oprócz silników krokowych warto zabrać ze starej drukarki mocne stalowe pręty, które można wykorzystać także przy projektowaniu własnej domowej maszyny.
Do wykonania własnej frezarki CNC potrzebne będą trzy silniki krokowe. Ponieważ w drukarce igłowej są tylko dwa z nich, konieczne będzie znalezienie i zdemontowanie innego starego urządzenia drukującego.
Dużym plusem będzie, jeśli znalezione silniki będą miały pięć przewodów sterujących: znacznie zwiększy to funkcjonalność Twojej przyszłej mini-maszyny. Ważne jest również, aby poznać następujące parametry znalezionych silników krokowych: o ile stopni obraca się w jednym kroku, jakie jest napięcie zasilania, a także wartość rezystancji uzwojenia.
Konstrukcja napędu domowej frezarki CNC składa się z nakrętki i kołka, których wymiary należy wcześniej wybrać zgodnie z rysunkiem sprzętu. Aby zamocować wał silnika i podłączyć go do kołka, wygodnie jest użyć grubego gumowego uzwojenia z kabla elektrycznego. Elementy Twojej maszyny CNC, takie jak zaciski, mogą być wykonane w formie nylonowej tulei, w którą wkładana jest śruba. Do wykonania tak prostych elementów konstrukcyjnych potrzebny będzie zwykły pilnik i wiertło.
Elektroniczne wyposażenie
Twoja maszyna CNC do samodzielnego montażu będzie sterowana przez oprogramowanie i musi zostać poprawnie wybrana. Wybierając takie oprogramowanie (możesz je napisać samodzielnie), ważne jest, aby zwrócić uwagę na to, czy jest ono sprawne i pozwala maszynie realizować całą jego funkcjonalność. Oprogramowanie takie musi zawierać sterowniki do sterowników, które zostaną zainstalowane na Twojej minifrezarce.
W domowej maszynie CNC wymagany jest port LPT, poprzez który podłączony jest elektroniczny układ sterowania do maszyny. Bardzo ważne jest, aby takie połączenie zostało wykonane poprzez zamontowane silniki krokowe.
Wybierając komponenty elektroniczne do domowej maszyny, należy zwrócić uwagę na ich jakość, ponieważ od tego będzie zależeć dokładność operacji technologicznych, które zostaną na niej wykonane. Po zainstalowaniu i podłączeniu wszystkich elementów elektronicznych systemu CNC należy pobrać niezbędne oprogramowanie i sterowniki. Dopiero po tym następuje uruchomienie próbne maszyny, sprawdzenie poprawności jej działania pod kontrolą załadowanych programów, wykrycie braków i szybkie ich wyeliminowanie.
W przygotowaniu do zaprojektowania procesu technologicznego przeprowadzana jest szczegółowa analiza rysunku w celu zidentyfikowania brakujących wymiarów oraz danych projektowych i technologicznych. Brakujące wymiary i inne dane można uzyskać od projektanta, z rysunków montażowych lub poprzez geometryczną konstrukcję konturu części.
Aby ułatwić przygotowanie NC, wymiary na rysunku części muszą spełniać wymagania programistyczne.
Ponieważ przetwarzanie na maszynach CNC odbywa się za pomocą poleceń określających współrzędne punktów trajektorii w prostokątnym układzie współrzędnych, wymiary na rysunkach należy również określić w prostokątnym układzie współrzędnych z ujednoliconych podstaw projektowych części. Aby to zrobić, musisz wybrać początek i kierunek osi. Pożądane jest, aby kierunek osi względnego układu współrzędnych części pokrywał się po jej zamontowaniu na maszynie z kierunkiem osi współrzędnych maszyny.
Rysując wymiary na rysunkach, w niektórych przypadkach otwory, grupy otworów lub elementy części można określić w lokalnym układzie współrzędnych, jak pokazano dla otworu B (rys. 11.8a). Przejście z takiego układu mającego początek w punkcie A do układu głównego nie nastręcza trudności.
Otwory mocujące umieszczone w takim lub innym promieniu od środka głównego otworu są zwykle określone przez środkowy kąt łuku pomiędzy ich osiami i promieniami. W przypadku maszyn CNC takie informacje należy zastąpić współrzędnymi osi każdego otworu (ryc. 11.8, b). W rozważanym przykładzie wskazane jest przypisanie osi dużego otworu jako początku współrzędnych, ponieważ zapewnia minimalną długość skoków jałowych (pozycjonujących) podczas obróbki.
Ryż. 11.8. Wymiary na rysunkach części do maszyn CNC:
a) w lokalnym układzie współrzędnych; b) w układzie współrzędnych głównego otworu
Często części mają dużą liczbę małych otworów montażowych. Wskazanie współrzędnych osi każdego z nich jest niepraktyczne, ponieważ sprawia to, że rysunek jest trudny do odczytania. W takich przypadkach racjonalne jest zastosowanie metody tabelarycznej do wskazania wymiarów, co jest również wygodne w programowaniu (ryc. 11.9a).
Ryż. 11.9. Wymiary na rysunkach części metodą tabelaryczną:
a) osie otworów montażowych; b) zakrzywione kontury
Zgodnie z ogólną zasadą rysowania wymiarów na rysunkach części obrabianych na tokarkach, obszary o wąskich tolerancjach (wymiary a 1, a 2 i 3 na rys. 11.10a) oraz przekroje pośrednie z szerokimi tolerancjami (wymiary a 1, a 2 , w 3, w 4). Jest to całkiem uzasadnione w przypadku maszyn sterowanych ręcznie, ponieważ... pracownik musi jedynie zachować dokładnie te wymiary. W przypadku maszyny CNC nie ma to znaczenia, ponieważ dokładność zliczania przemieszczeń jest taka sama, a punkt odniesienia z reguły nie pokrywa się z podstawą projektu i znajduje się na zewnątrz części. Dlatego wymiary takich części należy zastosować w łańcuchu (ryc. 11.10, b).
Ryż. 11.10. Wymiary na rysunkach części do toczenia:
a) na maszynach obsługiwanych ręcznie; b) na maszynach CNC
Ogólnie rzecz biorąc, nałożenie wymiarów na rysunki części obrabianych na maszynach CNC powinno być takie, aby podczas przygotowywania programu sterującego nie było konieczności ich ponownego przeliczania.