День добрый. У меня большая просьба к опытным людям. Хотелось бы услышать ваше мнение по поводу данной модели станка.
Относительно недавно я задался вопросом: найти такую конструкцию станка, которая будет на порядок проще классической (с порталом и тремя взаимно перпендикулярными осями), но при этом не в ущерб точности. Основная идея заключается в следующем. Упор делается на программной части: усложнив математику позиционирования головки шпинделя, мы можем обойтись без определенных деталей, присущих классической модели станка ЧПУ (например, портала, который в большинстве бюджетных моделей не обладает достаточной жесткостью). После долгих изысканий родилась следующая конструкция:
Рисунок 1 – Принципиальная модель станка
Основная идея заключается в следующем. Естественно, у станка должно быть три оси. Здесь они расположены не взаимно перпендикулярно, как на классической модели, что усложняет математику позиционирования головки шпинделя, но, тем не менее, позволяют однозначно задавать положение фрезы. В чем преимущества такой модели:
- В модели отсутствуют направляющие как таковые. Их функцию берут на себя ШВП. Причем нагрузка на винты ШВП будет всегда направлена вдоль оси ШВП, следовательно, люфты в продольных направлениях практически исключаются. И это не зависит от длины ШВП.
- В модели практически отсутствуют заводские элементы каркаса. Вертикальная ось крепится через кардан к потолку (ее примерная длина – 2 метра). Основное требование к кардану (да и ко всем остальным элементам конструкции) – это также отсутствие люфтов. Если карданные передачи будут выполнены на промышленных подшипниках, то это условие обеспечивается. Потолок должен не ходить ходуном, как и рабочий стол. Оси «правой» и «левой» руки жестко крепятся к рабочему столу. Обеспечить жесткость рабочего стола и потолка – это уже задача пользователя, а не наша. В идеале – правую и левую руку с рабочим полем вообще можно закрепить на полу – тогда длину вертикальной оси можно увеличить до трех метров, а чем длиннее вертикальная ось – тем меньше размеры мертвых зон (о них речь пойдет ниже).
- Пользователю не нужно с точностью до миллиметра устанавливать точки крепления на стол и на потолок – они могут быть выбраны произвольно (естественно, в разумных пределах). Конечно, чем ближе будет их положение к идеальному – тем лучше. Но основной смысл в том, что после монтажа опор осей программная часть сама определит их координаты (на основе шаблона, положенного на рабочий стол), а при каждом новом запуске будет автоматически производить калибровку этих координат на случай, если вдруг стол немного сместится или потолок опустится под воздействием чересчур активных соседей сверху.
- Конструкция практически не подвержена воздействию стружки, т.к. все основные ее элементы расположены на значительном удалении от режущего механизма.
- Не так остро стоит вопрос о подводе управляющего питания на шаговые двигатели, т.к. все двигателя не перемещаются вместе с порталом, а находятся в одной точке и лишь осуществляют поворот по карданным осям. Т.е. можно обойтись без сложных кабель-каналов.
- Рабочее поле станка легко масштабировать. Для этого достаточно заменить винты ШВП правой и левой руки на более длинные.
- Станок достаточно компактный, его можно перевозить в багажнике автомобиля, а при желании даже вручную (ориентировочно габариты упакованного станка примерно будут составлять 30×30×120 см). Это особенно актуально для регионов, где ближайший продавец станков с ЧПУ находится за несколько сотен километров.
Рассмотрим подробней основные элементы модели:
Отвечает за крепление вертикальной оси к потолку. Подойдет и старый кардан от автомобиля.
Крепление «левой» руки
Опора выполнена из металлического цилиндра, на опору надет подшипник. К подшипнику через кардан крепится шаговый двигатель. Крепление правой руки аналогичное. Единственное отличие – она должна быть чуть выше, чтобы винты ШВП не задевали друг друга.
Крепление «левой» и «правой» руки к шпинделю
Правая рука крепится к шпинделю через кардан и подшипник. Левая рука также крепится через кардан, но без подшипника. Данная конструкция позволяет однозначно позиционировать головку шпинделя в пространстве. Позиционирование осуществляется только тремя шаговыми двигателями.
ШВП вертикальной оси
Тут вроде все понятно из рисунка. Длина ШВП вертикальной оси выбирается исходя из запаса хода по оси Z. Всю остальную часть вертикальной руки (шток) можно выполнить из недорогого материала (например, из металлического прута или даже деревянной рейки).
Как и любой механизм, данная модель не лишена недостатков. Поговорим о них ниже.
Во-первых, длина винтов ШВП будет на 20-30% больше, чем у станка классической конструкции (при равных размерах рабочего поля).
Во-вторых, поскольку данная модель относится к бюджетному варианту станка (станок для хобби), то предполагается, что пользователю самому придется крепить все три руки к потолку и к столу, а это требует от него некоторой инженерной квалификации.
В-третьих, у данной конструкции станка существуют мертвые зоны: чем дальше элемент изделия расположен от центра, тем эти зоны становятся шире:
При этом с увеличением длины вертикальной руки ширина мертвых зон будет уменьшаться. Если у пользователя потолки высотой 6 метров, как это было в одной столярке, в которой я работал, то мертвых зон практически не будет. Но пока не проведены испытания такого варианта конструкции (или хотя бы компьютерное моделирование), сложно сказать о том, насколько данный недостаток критичен.
Проблему можно полностью устранить, добавив одну степень свободы для шпинделя. При этом шпиндель нужно расположить под углом к оси вертикальной руки. А крепление левой руки к шпинделю выполнить аналогично креплению правой руки – через подшипник:
Теперь шпиндель может вращаться вокруг вертикальной оси. При этом для поворота вокруг оси можно использовать уже не такой мощный двигатель, как для перемещения по осям.
Другой вариант – не обязательно добавлять в конструкцию еще один шаговый двигатель. Достаточно предусмотреть в гайке ШВП вертикальной оси возможность фиксации положения винта ШВП в гайке (другими словами, электроуправляемый тормоз). А у подшипника также предусмотреть возможность фиксации. Но при этом тормоза должны гарантировать однозначную фиксацию шпинделя без смещения и накопления ошибок. При этом за удлинение оси и за поворот будет отвечать один и тот же шаговый двигатель.
Таким образом, мы программно можем подать сигнал на то, чтобы удлинить вертикальную ось и также можем подать сигнал, чтобы повернуть шпиндель на определенный угол. При этом мы увеличиваем возможности станка – шпиндель уже может «залазить» фрезой в такие места, куда классический станок попасть не может. Можно сказать, что мы почти добавили четвертую ось, при этом применив в конструкции «три с половиной» шаговых двигателя. Попробовав различные углы наклона шпинделя относительно вертикальной оси, можно подобрать оптимальный угол.
В-четвертых, для данного станка придется с нуля написать среду проектирования управляющих программ, т.к. все существующие среды формируют управляющие программы по другому принципу.
В-пятых, фреза будет работать под наклоном, следовательно, основной тип фрез для данного станка – это концевые радиусные. При этом можно по максимуму задействовать боковую режущую кромку фрезы (это уже достоинство, а не недостаток) и выпуклые поверхности обрабатывать уже боковой кромкой, а не острием. Можно, конечно попробовать устанавливать фигурные фрезы, но что получится на выходе можно узнать только после проведения испытаний.
В результате в конструкции станка остались только самые основные элементы за счет усложнения математики позиционирования фрезы.
По моему скромному мнению, данная модель достаточно перспективна: при аналогичных размерах рабочего поля станка, его стоимость можно снизить примерно в два раза по сравнению с аналогичной классической моделью.
