Точность токарных станков с чпу. Рекомендации по выбору фрезерного станка с чпу. Повторяемость позиционирования оси с ЧПУ

Критерий жесткости в машинах наряду с критерием прочности является одним из важнейших. Его роль непрерывно растет, с одной стороны, в связи с повышением требований к точности, с другой стороны, в связи с отставанием роста модуля упругости материалов от роста их прочностных характеристик. В станкостроении критерий жесткости имеет особо большое значение, так как наряду с геометрической и кинематической точностью жесткость станков обуславливает точность обработанных деталей.

Под точностью обработки понимается степень соответствия формы и размеров детали формам и размерам, заданным чертежом. Полное их соответствие может быть у идеальной детали с абсолютно точными размерами и геометрически правильными поверхностями. Однако, реальные детали никогда в точности не соответствуют заданным, всегда есть отклонения. Поэтому принято точность характеризовать величиной погрешности, т. е. отклонением реальной детали от заданной. Соответственно различают погрешности формы деталей и размеров. Погрешность формы представляет ошибку взаимного расположения поверхности детали. Это может быть не прямоугольность, не плоскостность и не прямолинейность кромок, а также их не параллельность. Цилиндрические детали могут быть выполнены конусными, овальными, бочкообразными.

Учитывая, что значительная номенклатура деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов, в связи, с чем удельный вес погрешностей обработки, вызываемых недостаточной жесткостью в балансе точности станка возрастает.

Под жесткостью системы станка вдоль данной оси понимают отношение составляющей силы резания по этой оси к упругому перемещению в этом же направлении от равнодействующей силы резания. Упругие деформации приводят к неправильному контакту деталей и к резкому ухудшению их совместной работе. Важнейшим условием хорошей работы подшипников, зубчатых и червячных передач является малость концентрации нагрузки, определяемая упругими деформациями валов.

Определение показателя жесткости является также актуальной задачей при входном контроле вновь приобретаемого металлорежущего оборудования и для оценки качества станков после ремонта и модернизации.

Узлы работающего станка подвергаются воздействию сил резания, трения, инерции; сил, вызываемых весом обрабатываемых заготовок и технологической оснастки; сил, возникающих при закреплении заготовок. Под действием этих сил возникают упругие деформации деталей, входящих в узел, и деформации стыков. Соответственно различают собственную и контактную жесткость.

Узлы станка, несущие заготовку и инструмент, являются основными узлами, определяющими их взаимное расположение в процессе обработки под действием вышеуказанных сил, и определяют точность обработанных деталей. Поэтому жесткость основных узлов определяет жесткость станка в целом.

Для станков токарной группы с ЧПУ ГОСТ устанавливает в качестве показателя жесткости относительное перемещение под нагрузкой закрепленной на шпинделе оправки относительно револьверной головки.

При статическом методе испытания на жёсткость нагрузки, действующие на оправку в шпинделе и револьверную головку, имитируются приближенно, так как при этом не создаётся крутящий момент и осевая составляющая силы резания.

Нагружение системы силой Р производится в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя, под углом 60° к направлению поперечной подачи.

При испытаниях токарных станков на жесткость производят искусственное нагружение, имитирующее результирующую составляющих сил резания Pz , Py, Px. Статическое нагружение создают специальным устройством, конструкция и техническая характеристика которого должна соответствовать типу и размеру станка.

Относительные перемещения измеряют индикатором часового типа (МИГ) с ценой деления 1мкм и диапазоном измерения, превышающим в 1.5-2 раза предельно допустимое значение этих перемещений.

Список литературы

Испытания и исследования металлорежущих станков: методические указания к лабораторным работам / сост. Ю. В. Кирилин. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. - 48 с.
Металлорежущие станки и автоматы. Учебник для ВУЗов. Под ред. А.С.Проникова - М.: Машиностроение. 1981г.
Ресурсы сети Internet.

Обработка металла с высокой (прецизионной) точностью требует особого подхода для изготовления станочного оборудования. Все прецизионные станки делятся на классы по степени предельной точности, с которой они способны обрабатывать детали:

Станки класса А (особо высокая точность).
Класс B (оборудование высокой точности).
Класс C (станки особой точности).
Станки класс П (повышенная точность обработки).

Прецизионное оборудование обеспечивает обработку деталей идеальной геометрической формы, особо точным пространственным расположением осей вращения. Станки позволяют получить шероховатость поверхности до одиннадцатого класса чистоты. Параметры изготовления, при определенных условиях, достигают значений характерных для первого класса чистоты.

Для достижения таких показателей необходимо применение станочных узлов и агрегатов, изготовленных по соответствующим стандартам, имеющих минимальные погрешности при их производстве . Особое значение придается используемым подшипникам. На прецизионных станках по металлу используются гидродинамические и аэростатические подшипники высокого класса изготовления.

При работе металлообрабатывающего оборудования происходит большое выделение тепла, воздействующее как на узлы станка, так и на заготовки. При этом и те, и другие испытывают механические деформации, приводящие к снижению точности изготовления. В высокоточных станках реализована функция активного отвода тепла, препятствующая геометрическим отклонениям элементов станка и деталей. Понижение уровня нежелательных вибраций также способствует точности изготовления.

Основы теории высокоточной обработки металла

Современный металлорежущий станок можно рассматривать как некую систему из трех составляющих: измерительной, вычислительной, исполнительной. Ни одна из них несовершенна, каждая вносит погрешности в точность изготовления.

Точность измерительной части зависит от показаний применяемых датчиков. Точность измерения повышается с применением более совершенных датчиков - измерительных устройств. Сегодня подобные устройства способны отслеживать размеры до нескольких нанометров.

Исполнительная точность непосредственно зависит от узлов и агрегатов станка. Чем выше будут параметры составляющих оборудования, тем меньшая сложится окончательная погрешность.

К погрешностям металлообрабатывающих станков относятся:

Геометрические , зависящие от качества изготовления комплектующих станка и их сборки. От этого зависит точность расположения относительно друг друга рабочего инструмента и заготовки в процессе обработки.
Кинематические погрешности зависят от соответствия передаточных чисел в механизмах станка. Кинематические цепи особое влияние оказывают на точность изготовления зубчатых элементов, резьбы.
Упругие погрешности определяются деформациями станка. В процессе резания происходит отклонение, под действием возникающих сил, взаимного расположения инструмента и заготовки. В прецизионных станках, для борьбы с такими проявлениями, создают особо жесткие конструкции.
Температурные . Неравномерный нагрев узлов станка приводит к потере начальной геометрической точности, снижая качество изготовления.
Динамические погрешности объясняются относительными колебаниями рабочего инструмента и заготовки.
Погрешности изготовления и установки режущего инструмента.

Двигатели, редукторы содержат подвижные части, имеющие люфты, поверхности скольжения со временем претерпевают износ - все это непосредственно влияет на качество обработки. Такое понятие,

как точность позиционирования системы «станок - деталь», напрямую зависит от исполнительной точности.

Некоторые способны обрабатывать детали с точностью до 0,0002 мм, при частоте вращения шпинделя 15000 об/мин. Такие показатели имеют и оборотную сторону. Стоимость оборудования значительно выше по сравнению с обычными станками. Это является следствием применения новейших наукоемких технологий при изготовлении станков. В качестве примера можно указать использование аэростатических направляющих, где суппорт с рабочим инструментом скользит на расстоянии в несколько микрон от поверхности. То есть фактически находится в «воздухе».

Современный прецизионный шлифовальный станок - это автоматизированный комплекс, позволяющий обрабатывать детали с точностью до 0,01 мм . Служит для заточки инструментов из алмазов, твердых сплавов, инструментальной стали. Ультрапрецизионные шлифовальные станки способны обрабатывать внутренние и внешние поверхности детали за одну установку. Прецизионный сверлильный станок обладает жесткой конструкцией, оборудован цифровой индикацией, отображающей параметры сверления.

Общим для всех типов прецизионных станков является использование в приводах фрикционных передач. При этом повышается качество изготовления, упрощаются кинематические цепи. Более высокий КПД снижает себестоимость работ.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТОЧНОСТЬ ТОКАРНОГО

СТАНКА С ЧПУ

Доц, В.В. ДО ДОНОВ, доц. Ю.В. НИКУЛИН

В статье рассмотрены вопросы формирования точности токарных станков. Представлены экспериментальные методы оценки точности вращения шпиндельного узла по параметрам его круговых траекторий с приложением и без приложения к нему рабочих нагрузок; обсуждаются вопросы определения точности перемещения суппорта станка, влияние тепловых деформаций станка на его точность. Приводится схема измерительно-испытательной установки и результаты измерения параметров, характеризующих точность токарных станков

Questions of precision quality shaping of lathes are examined in this article. Experimental methods of an exactitude estimation of a head slide rotation on parameters of its circular trajectories with and without the application of working loadings are presented. Also questions of running accuracy of a planing tool box, influence of thermal strains of the machine tool on its exactitude are discussed. The scheme of measuring and presetting station and results of measurements on parameters describing exactitude of

lathes are presented in conclusion.

Повышение качества металлорежущих станков - одна из основных проблем современного машиностроения. Технологический процесс обработки резанием должен гарантированно обеспечивать заданное качество изготовления деталей в соответствии с установленными чертежами, технологическими требованиями. Важнейшая компонента, средство реализации технологического процесса - металлорежущий станок- это сложная прецизионная технологическая машина, формирующая показатели качества обрабатываемых на ней деталей. Уровень качества металлорежущего станка определяется, в основном, требованиями к точности обрабатываемых деталей - точность размеров, формы, взаимного расположения, обрабатываемых поверхностей, шероховатость, волнистость. Более высокие требования к станкам возникают при окончательной обработке, формирующей параметры жесткости обрабатываемого изделия. Ввиду этого показатели жесткости металлорежущего станка являются основными показателями, от реализации которых зависит эффективность его применения.

Испытания токарных станков на геометрическую и кинематическую точность включают проверки точности вращения шпинделя, прямолинейности направляющих, прямолинейности перемещения суппортов, оценивается правильность взаимного движения узлов станка, параллельность и перпендикулярность направляющих и оси шпинделя.

Испытания станков на статическую жесткость предусматривают измерение деформаций под рабочей нагрузкой узлов токарного станка - шпиндельного узла и суппорта. Динамические процессы в станке при обработке резанием измеряется при испытаниях станка на виброустойчивость , которая оказывает непосредственное влияние на точность формы обработанной детали, волнистость и шероховатость обработанной поверх-

ности. При повышении требований к точности обработки все более возрастающую роль в формировании точности обработки играть тепловые деформации .

Точности обработки на токарных станках во многом определяется геометрической точностью станков, геометрической точностью шпиндельного узла (ШУ), приво-

да продольной и поперечной подачи, несущей системой станка, что, в основном, определяет точность взаимного положения инструмента и детали в процессе обработки , .

Точность обработки на токарных станках определяется комплексным влиянием входящих в технологическую систему станка подсистем, факторов, компонент (рис. 1).

Рис. 1. Технологическая система станка

Точность металлорежущих станков определяется тремя группами показателей : 1) показатели, характеризующие точность обработки образцов изделий; 2) показатели, характеризующие геометрическую точность станков; 3) дополнительные показатели.

Геометрическая точность станка характеризуется такими группами показателей : точность траекторий перемещения рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент; точность расположения оси вращения и направления прямолинейных перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно баз; точность баз дня установки заготовки и инструмента; точность координатных перемещений (позиционирования) рабочих органов станка несущих заготовку и инструмент.

Предусмотренные стандартами и техническими условиями проверки геометрической точности отражают влияние точности станка на точность обработки.

Зажим, вращение и обработка изделия на токарном станке осуществляются с помощью шпиндельного узла.Токарный станок является основной подсистемой во многом определяющей качество обработки: точность, чистота поверхности, волнистость. Существенный вклад в формирование качества обработки вносят и другие подсистемы и факторы: погрешности приспособления, погрешности ШУ, точность работы приводов подачи станка, систем управления и измерения, свойства заготовки .

Максимальная точность обработки диаметральных размеров на современных токарных станках оценивается величинами 0,5,. Л мкм , поэтому при разработке основных формообразующих узлов токарного станка - ШУ и приводов продольной и поперечной подачи предъявляются очень жесткие требования, так как их геометрические погрешности должны быть меньше суммарного допуска на обработку.

Для экспериментального определения параметров и характеристик круговых траекторий ШУ, определяющих допустимую жесткость токарной обработки на кафедре станков и автоматов МГТУ им. Н.Э.Баумана разработана измерительная установка, схема которой представлена на рис. 2.

Схема испытательной установки

Тензометрический усилитель

Цифровой вольтметр

Таблица координат по оси X

Таблица координат по оси У

Траектория

оси шпинделя

Рис. 2. Схема испытательной установки

В схему испытательной установки (информационно-измерительный канал (ИИК) круговые траектории (КТ)) входят следующие измерительные приборы и оборудование: датчики Д1-Д4 (первичные бесконтактные преобразователи информации индуктивного типа); тензометрический усилитель типа УТ4-1; аналого-цифровой преобразователь; персональная ЭВМ для сбора результатов эксперимента, обработки и отображения их на графическом мониторе, печатающем и графопострои-тельном устройствах; гидравлическое нагрузочное устройство (ГНУ), служащее для имитации сил резания. ГНУ, представляет собой два взаимно перпендикулярных нагружающих гидроцилиндра, закрепленные на общем кронштейне в суппорте испытуемого станка.

Испытательно-измерительная установка содержит два канала измерения: по координате X и по координате К Основные технические характеристики испытательно-измерительной установки:

диапазон измерения смещений оси ШУ по каждому каналу, мкм...........................20

диапазон частоты вращения ШУ, на которых осуществляется измерение,

об/мин..........................................................................................................................±6000

быстродействие первичных преобразователей, мс...............................................-0,003

максимальная погрешность измерения, мкм............................................................±0,5

Точность вращения шпинделя на холостом ходу станка зависит от математического ожидания и среднеквадратического отклонения значений эксцентриситетов для каждой /-ой опоры шпинделя от четырех видов погрешностей: биение шейки относительно его осей; биение дорожки качения внутреннего кольца подшипника относительно посадочного отверстия; биение дорожки качения наружного кольца подшипника относительно его наружной поверхности; несоосность посадочного отверстия под подшипник в шпиндельной бабке (пиноли).

отклонения

биения шпиндельного узла токарного станка СТП-125 дал следующие результаты:

влияющим на точность токарного станка является суммарная

кам сил резания задавались с помощью ГНУ

Сила резания Ру

125 250 500 1000 2000

(шкапа неравномерная)

Перемещение по оси 1

Рис. 3. Графики зависимостей

В МГТУ им. Н.Э. Баумана, на кафедре металлорежущих станков был разработан стенд для измерения круговых траекторий (КТ) шпиндельного узла (ШУ). В качестве объекта испытаний был использован станок СТП-125. Были проведены пробные испытания ШУ по параметрам КТ,

Проведение предварительных испытаний. Условия проведения испытаний. Испытания проводились на разогретом в течение 2-3 часов станке при повороте ШУ вручную, при холостом ходе с разным числом оборотов вращения ШУ, под нагрузкой, создаваемой гидравлическим нагрузочным устройством (ГНУ). В последнем случае варьировали как числом оборотов л, так и величиной нагрузки Р (рис. 3), радиально нагружающей специальную оправку, вставленную в ШУ. Радиальные смещения ШУ измерялись вдоль координат А" и Ус помощью 4-х индуктивных бесконтактных преобразователей, работающих на несущей частоте 5200 Гц, Сигнал с индуктивных преобразователей поступал на четырехканальный тензоусилитель, а затем, после АЦП и ЭВМ, - на графопостроитель.

Результаты предварительных испытаний приведены на рис. 4-6. Испытания проводились на холостом ходу при п = 100 . На рис. 5 и 6 приведены типичные траектории оси ШУ, выведенные на экран ЭВМ.

Точность вращения шпинделя зависит от точности изготовления его деталей, точности подшипников, качества его сборки и регулировки. Погрешности вращения шпинделя, в первую очередь, определяются разностенностью колец подшипника и разноразмерное-

Рис. 4. Биение оси шпинделя на холостом ходе

Рис, 5. Траектория оси шпиндельного узла

Рис. 6. Траектория оси шпиндельного узла

тью тел качения. Эта погрешность у подшипников малых и средних размеров лежит в пределах 1...10 мкм (в зависимости от класса точности и размера подшипника).

Волнистость дорожек и геометрические погрешности тел качения вызывают меньшие смещения шпинделя порядка 0,1... 1 мкм и накладываются в виде высококачественных составляющих на погрешности от разностенности колец.

Еще более высокую частоту и меньшую амплитуду колебаний шпинделя вызывает шероховатость дорожек качения. Сложение этих колебаний вызывает сложную, комплексную картину перемещения оси шпинделя в пространстве (фигуры Лиссажу, перемещение оси шпинделя по гипоциклоиде или эпициклоиде с различным числом петель).

Большое влияние на точность вращения шпинделей станков, особенно высокоскоростных, оказывает остаточный дисбаланс, который определяется в [Н мм/Н] либо в виде эксцентриситета е в [мкм], который определяет действительное смещение центра тяжести шпинделя относительно оси вращения . Одеваемый на шпиндель патрон также должен быть отбалансирован .

Результаты испытаний на холостом ходу при проворачивании ШУ от руки вывести на ЭВМ не представляется возможным из-за особенностей программного обеспечения ЭВМ. Однако измерения радиального биения ШУ с помощью датчиков показало, что его численная величина находится в пределах 1,5-2,5 мкм по обеим координатам X и У и по своей величине несколько меньше соответствующего радиального биения при измерении ШУ на холостом ходу без нагрузки.

Испытания биения ШУ без нагрузки на холостом ходу проводились при различных числах оборотов ШУ: п = 10, 30, 70, 100, 160, 220, 300, 450, 600, 800, 1000, 1300, 2000 об/мин (рис. 7),

100 " 200 " 300 " 400 500 600 ,~700 " 8СО 900 " 1000 " 1100 " 1200 " 1300

Рис, 7. Биение шпиндельного узла на холостом ходу без нагрузки на различных оборотах вращения

Испытания показали, что с ростом числа оборотов ШУ радиальное биение монотонно возрастает до п = 500-600 об/мин, а затем скорость увеличения амплитуды радиального биения имеет тенденцию к некоторому увеличению. Измерения проводились при одетом патроне.

Шпиндельный узел представляет собой сложную механическую систему, состоящую из упругих элементов нескольких типов: подшипника, вала, фланцев, втулок, пружин, связанных между собой, воздействующих друг на друга и образующих единое техническое устройство, в котором протекают сложные процессы, каждый из которых может быть описан своей математической моделью .

Наиболее существенные модели: упругодеформационная, динамическая, вибрационная, трибологическая, тепловая, усталостного разрушения.

Входами этих моделей являются конструктивные и технологические факторы проектирования и изготовления шпинделя, условия эксплуатации. Выходные параметры моделей - это жесткость, вибрации, момент трения, быстроходность, технический ресурс, теплоустойчивость, усталостная долговечность и другие расчетные параметры, характеризующие в том числе и геометрическую точность станка и точность обработки на нем детали.

При испытании ШУ при снятом патроне с фиксированной частотой его вращения (п = 1000 1/мин) и нагрузке, которая задавалась гидравлическим нагрузочным устройством, круговая траектория ШУ несколько расширялась по своему среднему диаметру (увеличение Ах и Ду) и смещалась в направлении действия нагрузки

%=№ - р; (рис- 8)-

В результате предварительных испытаний определялась также зависимость амплитуды колебаний ШУ от частоты (АЧХ*). Исследования проводились с помощью специального анализатора спектра колебаний типа СК4-72 Сигнал поступал с датчиков перемещений на вход анализатора, строились АЧХ колебаний ШУ при различных частотах его вращения.

Амплитуды А и В АЧХ примерно соответствуют по частоте колебаниям ШУ от колебания жесткости, вызванного 18 опорами качения переднего подшипникового узла и колебаниями зубчатого приводного ремня.

При работе станка между заготовкой и инструментом возникают относительные колебания, вызывающие те или иные погрешности обработки. Для снижения уровня этих колебаний и по-

вышения устойчивости динамической системы станка проводят построения форм колебаний шпиндельного узла и суппорта. Форма колебаний характеризуется совокупностью отношений перемещений отдельных колеблющихся

точек упругой системы к перемещению какой-либо одной точки, взятых в определенный момент времени (с учетом сдвига фаз) для определения частоты и направления колебаний. Рабочий диапазон частоты колебаний находится обычно в пределах от 10 до 500 Гц.

Для повышения точности измерения желательно использовать избыточное число точек измерения вибраций. Вибрации измеряют, как правило, в 2--3-х взаимно перпендикулярных направле-

Рис. 8. Круговая траектория шпиндельного узла под

нагрузкой

Форму колебаний измеряют виброметрами, которые могут работать в режимах измерения виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Первый режим используется в низкочастотной области (до 200 Гц), второй предпочтителен для частот (100-400 Гц), третий используется для более высокочастотных рабочих диапазонов виброметрирования.

Траектория какой-либо фиксированной точки на торце шпинделя с достаточно большим приближением отражает форму поперечного сечения обрабатываемой детали. Степень этого приближения определяется, кроме того, и радиальным смещением инструмента, закрепленного на суппорте при поперечной подаче и отклонениями траектории

суппорта от прямолинейного движения при продольной подаче.

Были определены теоретически и проверены экспериментально (рис, 9) данные о точности диаметральных размеров изготовляемой детали. Она зависит от точности позиционирования Д поз привода поперечной подачи, т.е. от отклонения действительного положения привода Х1 от заданного программой X при многократном двустроннем позиционирова-

нии, Методами математической статистики при испытаниях приводов определяются X л и

Средние арифметические значения положения привода при позиционировании в

среднее ар!

е того, определяются средние квадратические отклони ческое значение действительного положения привода.

X = (X п + X „)/2; За ■- величина зоны рассеивания;

/ - ! X + X . | - зона нечувствительности, возникающая при реверсе привода

поперечной подачи (рис. 9).

Измеренное на станке максимальное значение оказалось равной 5,5 мкм. Реальная погрешность от Д при обработке детали будет зависеть от диаметра обработки.

к Д поз, мкм

Рис. 9. График погрешностей двустороннего позиционирования револьверной головки станка СТП-125 при

поперечном перемещении

1. Разработана и опробована испытательно-измерительная установка для измерения параметров круговых траекторий шпиндельного узла токарного станка с ЧПУ.

2. В результате испытаний токарного станка СТП-125 получены результаты влияния внешних возмущающих воздействий (сил резания, смещения шпинделя) на параметры круговых траекторий шпиндельного узла.

3. Проведена оценка влияния погрешностей позиционирования поперечного суппорта на точность обработки.

4. Показаны пути и возможности диагностирования шпиндельного узла и суппортной группы токарного станка с ЧПУ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. VDI Richtlinien 2060, «Нормы для балансировки вращающихся твердых тел». -1980.

2. ГОСТ8-82Е, «Станки метет л о режу щи е. Общие требования к испытаниям на точность». - М.: Изд-во Стандартов, 1982. - 10 с.

3. Проников А. С. Программный метод испытания металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

4. Адаптивное управление станками. / Под ред. Балакшина. - М.: Машиностроение, 1973. - 688 с.

5. Конструкции и программные испытания шпиндельных узлов металлорежущих станков / Л.И. Вереина, В.В, Додонов. - М.: ВНИИТЭМР, 1991. - Вып. 1.

6. Фигатнер А.М. Расчет и конструирование шпиндельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. - М.: НИИМАШ, серия С-1, 1971.

7. Расчет высокоскоростных шпиндельных узлов / В.Б. Бальмонт. - М.: ВНИИТЭМР, 1987. - Сер. I. - Вып. 1. - 52 с.

В этой статье представлены теоретические рассуждения на этапе подготовки к созданию . Без этих знаний не стоит приступать к его созданию, поэтому статья рекомендуется к прочтению тем, кто еще только планирует построить свой станок с ЧПУ. Спустя полтора года с момента ее опубликования, я написал следующую статью для тех, у кого уже есть сам станок. Она называется . В ней я расскажу о методике измерения точности и о выводах, которые следуют после измерений.

Начну с того, что для домашнего производства станок с ЧПУ является просто незаменимым оборудованием. Поэтому я и решил собрать фрезерный станок с ЧПУ своими руками. Дело это нелегкое и, надо сказать, крайне затратное. На данный момент потраченная на создание станка сумма уже приближается к стоимости готового станка. Но для меня это не было секретом — об этом везде и часто пишут. Просто когда делаешь фрезерный станок с ЧПУ своими руками, то по неволе будешь досконально знать все тонкости: как он работает, как его настроить, какие шаги предпринять, чтобы повысить его точность, скорость обработки и другие параметры. В общем, с головой окунаешься в технологическую среду станкостроения.

В данной статье на ТехноБлоге Dimanjy пойдет речь о точности станка с ЧПУ в зависимости от выбора типа передачи, шаговых двигателей и режимов их работы.

Совсем немного теории. Если вы уже интересовались фрезерными станками с ЧПУ, то наверняка знаете, что они состоят из режущего/фрезерующего инструмента (шпиндель с установленной фрезой) и системы линейных перемещений инструмента, т.е. системы, обеспечивающей автоматическое перемещение инструмента в пространстве. Именно так станок с ЧПУ сам выпиливает заданную деталь.

Система линейных перемещений станка строится (обычно) на базе шаговых двигателей. Здесь я буду рассматривать именно станки с ЧПУ, собранные своими руками, а не дорогие промышленные образцы, на которых могут стоять гораздо более дорогие промышленные серво-двигатели. А собирая станок своими руками обычно стараются придерживаться минимального бюджета. Именно бюджетным вариантом является использование шаговых двигателей.

Идем далее. Задача системы линейного перемещения на базе шаговых двигателей состоит в преобразовании вращательного движения ротора двигателя в поступательное (линейное) движение каретки, к которой крепится инструмент. Существует два вида преобразователей: передача винт-гайки (и ее разновидности) и зубчатые передачи (зубчатые ремни или рейки).

Выбирая тип передачи (винтовая или зубчатая), конструктор руководствуется задачами, которые стоят перед станком, требованиями точности и доступности тех или иных материалов. В общем случае, винтовая передача обеспечивает более высокую разрешающую способность станка, чем зубчатая передача, но уступает последней в скорости перемещения инструмента. Если вам нужен станок, способный фрезеровать ювелирные украшения, то он скорее всего должен быть построен на винтовых передачах, но он будет медленный. Если вы хотите выпиливать много и быстро не мелких деталей (относительно ювелирки), то строить его желательно на зубчатых передачах. Но на нем нельзя будет делать что-то очень мелкое, т.к. его разрешающая способность не позволит. Давайте теперь немного посчитаем на конкретных примерах.

Расчеты начинаются с шагового двигателя, у которого есть такой параметр, как число шагов на один полный оборот. Для самодельных станков с ЧПУ обычно применяют шаговые двигатели, имеющие 200 шагов на один оборот (360° / 200 = 1.8°). Шаговые двигатели могут работать в режиме полушага и делать 400 шагов на оборот. Теперь попробуем переложить это число на винтовую и зубчатую передачи, и посмотреть, какой теоретической разрешающей способности можно добиться от них при использовании одного и того же шагового двигателя. Здесь и далее я буду говорить именно о разрешающей способности, а не о точности, хотя нередко люди путают эти понятия и под «точностью станка с ЧПУ» подразумевают именно его разрешающую способность.

Итак, какое же разрешение можно получить на винтовой передаче, имея шаговый двигатель с 400 полушагами на один оборот? Винтовая передача имеет такой параметр, как шаг резьбы. Пусть шаг резьбы у винтовой передачи будет 2 мм (именно такой шаг делают на обыкновенных строительных шпильках). Т.е. гайка, накрученная на этот винт за полный оборот переместится на 2 мм. Если приделать к винту шаговый двигатель и покрутить им винт, то получится, что за один полушаг двигателя винт переместит гайку на 2мм/400 = 0.005 мм! или 5 микрон! Невероятно! С таким разрешением тульский Левша не только подковал бы блоху, но и набил бы ей татуху!

Однако представьте, теперь, что при помощи такой винтовой передачи нам нужно переместить инструмент на 20 см. Это 100 оборотов винта или 100 х 400 = 40.000 полушагов. Скорости шаговых двигателей обычно относительно небольшие — 50 оборотов в минуту это уже достаточно быстро для шаговика. Значит чтобы переместить инструмент на 20 см, сделав 100 оборотов, надо ждать целых 2 минуты! Катастрофа!

Посмотрим теперь на точность зубчатого ремня. Точнее, разрешающую способность, которой можно добиться используя передачу на зубчатом ремне. В самодельных станках с ЧПУ часто применяют зубчатые ремни с шагом зубьев 5.08 мм. На ротор шагового двигателя одевается шкив, который также имеет определенное число зубьев, входящих в зацепление с зубчатым ремнем. Для примера расчетов возьмем шкив на 12 зубьев. Получается, что за полный оборот шагового двигателя (400 полушагов) зубчатый ремень пройдет 12 х 5.08 = 61 мм. Значит на один полушаг приходится 61 / 400 = 0.15 мм.

Да уж! Тут микронами и не пахнет, и даже в «десятку» (одну десятую миллиметра) не укладываемся. Но задайте себе вопрос, будете ли вы создавать детали, у которых элементы (например, соседние отверстия) будут располагаться друг к другу ближе чем на 1 мм? И теперь представьте, как быстро будет перемещаться инструмент вашего станка с ЧПУ: при 50 оборотах в минуту передача на зубчатом ремне передвинет инструмент на 61 х 50 = 3000 мм или 3 метра! за минуту. Это вам не 10 см в минуту на винтовой передаче!

Здесь вы бы могли мне возразить, особенно если изучаете вопрос создания станков с ЧПУ своими руками достаточно длительное время, потому как в сети есть умельцы, которые разгоняют шаговые двигатели до космических скоростей. Я встречал упоминания чуть ли не о 500 оборотах в минуту! С такой скоростью можно и винтовую передачу крутить достаточно быстро. Теоретически, да… Но на практике шаговый двигатель очень сильно теряет свой момент при увеличении скорости вращения. Он вообще не предназначен для быстрого вращения — для этого существуют другие типы двигателей.

С самого начала, когда я только приступил к изготовлению станка с ЧПУ своими руками и начал описывать этот процесс в своем ТехноБлоге Dimanjy, я также решил использовать винтовую передачу. Набрал в ближайшем магазине строительных шпилек по 100 рублей, заказал для них гайки из капролона, купил на базаре подшипники, выточил на них держатели… Но когда я все это хозяйство собрал в единую конструкцию, то провернуть руками винт передачи просто не смог! Строительные шпильки все кривые — дают биение до 2мм на 1 метре длины. Подшипники отцентровать в домашних условиях просто нереально, поэтому ни о какой соосности речи быть не могло. Спрашивается, как это все будет вращать бедный шаговый двигатель? А никак!

После первого неудачного эксперимента я решил-таки обратить внимание на промышленные элементы передач для станков. Начал сравнивать их и прикидывать стоимость.

Винтовая передача требует высокоточные винты, подшипники на каждый винт с двух сторон, держатели для подшипников и гайку передачи на каждый винт. Но винты надо как-то вращать, поэтому на шаговые двигатели нужны еще специальные муфты, а еще лучше — те же зубчатые ремни и два шкива: один на двигатель, один на ходовой винт. В общем — уйма деталей, да еще и большой головняк при настройке, не говоря о изначально повышенных требованиях к станине будущего станка для соблюдения соосности при установке держателей винтов. Двойной ценник с заведомо непредсказуемым результатом. Нафик-нафик!

Передача на зубчатом ремне оказалась наиболее бюджетным вариантом. Для самодельного станка с ЧПУ нужен только сам зубчатый ремень, шкивы для него на шаговые двигатели и по два натяжных ролика в комплект к шкиву. Натяжные ролики я сделал из обычных подшипников. Настройка зубчатого ремня сводится только к его натягу — просто чтобы не болтался.

Итак решено — делаю на зубчатом ремне. Закупил комплектующие, переделал станину, установил шаговые двигатели и ремни. И вуаля — все зашуршало, и довольно бодро! Двигатели не испытывали никаких трудностей при перемещении много-килограммовой станины вместе с увесистым шпинделем. Все недочеты сборки и мелкую кривизну передача на зубчатом ремне сглаживает за счет собственной эластичности. Однако малое разрешение в 0.15 мм никак не давало мне покоя. Конечно всегда хочется большей точности, и я начал поиски путей ее увеличения.

Первое, что приходит на ум — использовать редуктор. Но это влечет к усложнению конструкции, ее удорожанию и, опять-таки, снижению скорости! А можно как-то повысить разрешающую способность самодельного станка с ЧПУ при сохранении прежней скорости перемещений? Оказалось, что теоретически такое возможно. Решение нашлось в способе управления шаговым двигателем.

Все дело в том, что шаговый двигатель может работать не только в полношаговом или полушаговом режиме. Специальным образом управляя током в обмотках двигателя можно добиться так называемого «микрошагового» режима работы двигателя. При этом есть возможность раздробить один полный шаг на множество более мелких шагов, получая 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 шага и даже больше! Уже при 1/4 шага разрешение станка с ЧПУ на ременной передаче повышается в 2 раза с 0.15 до 0.075 мм, при 1/8 — до 0.04 мм, при 1/16 — до 0.02 мм. Это уже кое-что!

Однако тут кроется небольшая проблема. Дело в том, что производители не гарантируют работу двигателя в микрошаговом режиме. Кроме того, разные шаговые двигатели ведут себя в режиме микрошага по-разному, и нигде не описывается характеристика конкретного двигателя в микрошаговом режиме. Оно и понятно — этот режим в принципе не предусматривался при разработке шагового двигателя, который по сути является конечным автоматом с четко определенными состояниями, свойственными цифровой технике (1 — шагнули, 0 — стоим на месте). Микрошаговый режим — это попытка аналогового управления двигателем, изначально рассчитанным на «цифровой» сигнал.

В микрошаговом режиме шаговый двигатель раскрывает перед нами всю свою аналоговую нелинейность, свойственную всему сущему в нашем мире. Если ток в одной из обмоток зафиксировать, а во второй плавно поднимать от нуля до того же уровня, то ротор двигателя, вопреки ожиданиям, не станет плавно перемещаться. При величине тока во второй обмотке порядка 50% от тока первой шаговый двигатель вообще не движется. От 50 до 70% ротор оживает и начинает еле заметно проворачиваться, а от 70 до 100% проворачивается уже в три раза быстрее. Т.е. зависимость угла поворота от величины тока в обмотке близка к экспоненциальной. Такая картина характерна для мощных гибридных шаговых двигателей, применяемых в самодельных станках с ЧПУ. Если же взять маломощный шаговый двигатель от старого принтера, то там зависимость уже другая, почти линейная. И так для каждого двигателя. Разные двигатели — разные характеристики для микрошагового режима.

На рынке широко представлены контроллеры шаговых двигателей с поддержкой микрошагового режима, но в них для его реализации применяется обычная таблица синусов, которая совершенно не учитывает нелинейность и индивидуальные особенности каждого конкретного двигателя. Какой прок от такого кривого микрошага? Как ни странно, но прок есть даже от такого. Все дело в том, что в обычном режиме полного шага или полушага шаговые двигатели сильно вибрируют. Наступает механический резонанс, который заставляет вибрировать и громыхать весь станок, что крайне негативно может сказаться на точности. Если же каждый шаг, поступающий из управляющей программы разделить на микрошаги и подать их на двигатель, то перемещение станет значительно плавнее и тише. Но фиксации двигателя в микрошаговом положении такие контроллеры не обеспечивают, потому как положение ротора в этом промежуточном состоянии совершенно не предсказуемо для обычного микрошагового контроллера.

Давайте теперь представим, что контроллер откуда-то знает о нелинейности характеристики шагового двигателя, и вместо стандартной таблицы синусов, записанной в его памяти, он будет выбирать значения для токов обмоток из специальной индивидуальной таблицы, составленной под конкретный двигатель. Тогда микрошаговый режим можно будет использовать не только для снижения резонанса, но и для реального увеличения разрешающей способности станка с ЧПУ!

Но как же передать в контроллер шагового двигателя эту волшебную таблицу, рассчитываемую индивидуально под каждый двигатель? Решить эту задачу нам поможет предварительная калибровка шагового двигателя и специальный контроллер, поддерживающий работу с этой калибровочной таблицей! Такой я как раз в данный момент и разрабатываю. На моем ТехноБлоге Dimanjy вы можете следить за ходом его разработки и последними обновлениями.

Я решил осуществлять оптическим методом с использованием обычной лазерной указки, жестко установленной на ротор шагового двигателя, но об этом читайте в моей следующей статье на ТехноБлоге Dimanjy.

Также я начинаю цикл статей о том, как создать , потому как у меня уже появились некоторые результаты в этом направлении. Следите за обновлениями!

Точность станков в ненагруженном состоянии называют геометрической. В зависимости от точностной характеристики станки с ЧПУ подразделяют в порядке возрастания точности на четыре класса: нормальной Н ; повышенной П ; высокой В ; особо высокой А .

Станки повышенной точности отличаются от станков нормальной точности в основном более точным выполнением или подбором деталей, а также отдельными особенностями монтажа и эксплуатации у потребителей. Они обеспечивают точность обработки в среднем в пределах 0,6 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки с ЧПУ высокой точности класса В обеспечивают точность обработки в пределах 0,4, а станки класса А - в пределах 0,25 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки классов В и А получают в результате специального конструктивного исполнения, их узлов и элементов, а также высокой точности изготовления.

При проверке норм точности станков устанавливают* точность геометрических форм и относительного положения опорных поверхностей, базирующих заготовку и инструмент; точность движений по направляющим рабочих органов станка; точность расположения осей вращения и траекторий перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно базирующих поверхностей; точность обработанных поверхностей образца; шероховатость обработанных поверхностей образца.

Проверка точности

Точность станков с ЧПУ выявляется дополнительно следующими специфическими проверками: точностью линейного позиционирования рабочих органов; величиной зоны нечувствительности, т. е. отставанием в смещении рабочих органов при смене направления движения; точностью возврата рабочих органов в исходное положение; стабильностью выхода рабочих органов в заданную точку; точностью отработки круга в режиме круговой интерполяции; стабильностью положения инструментов после автоматической смены.

При проверках выявляют как точность, так и стабильность, т. е. многократную повторяемость прихода рабочих органов в одно и то же положение, причем зачастую стабильность важнее для достижения точности обработки на станках с ЧПУ, чем сама точность.

Общая допускаемая ошибка при позиционировании рабочих органов Δ р = Δ + δ.

Исходя из допускаемых отклонений, наибольшая погрешность в отработке перемещения, например, длиной в 300 мм по осям X и Y для станка класса П составит 17,2 мкм, а для станка класса В - 8,6 мкм.

Для сохранения станком точности в течение длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности почти на все проверки при изготовлении станка, по сравнению с нормативными, ужесточают на 40 %. Тем самым завод-изготовитель резервирует в новом станке запас на износ.

Возможно, будет полезно почитать: