Исполнитель: Валуй Роман Андреевич, 541 об
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович
Фрезерно-гравировальный станок с ЧПУ "Вектроник"
Введение
Фрезерно-гравировальный станок "Вектроник А1-РП" представляет собой портальную конструкцию, состоящую из трёх управляемых осей с вертикально расположенным шпинделем, рис.1.
Рисунок 1 - Внешний вид станка "Вектроник"
Вертикально-фрезерный станок портального типа наиболее универсальный и востребованный станок для различных видов производств. Конструктивно состоит из рамы, предназначенной для крепления основных узлов, и механизмов станка. На раму устанавливается рабочий стол, к которому крепятся заготовки и технологические приспособления. Вдоль стола в продольном направлении перемещается портал, на котором находится каретка со шпинделем. Шпиндель перемещается вдоль по порталу и на каретке в вертикальном направлении.
Конструкция портала и вертикальной оси Z гравировально-фрезерного станка с ЧПУ
ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПОРТАЛА СТАНКА С ЧПУ
Для портала крайне важна устойчивость и правильный баланс - это снизит износ направляющих и передач, снизит прогиб балки под нагрузкой, уменьшит вероятность подклинивания при перемещении. Для определения правильной компоновки, посмотрим на силы, приложенные к порталу во время работы станка.
Рисунок - 2 Размеры
На рисунке 2 отмечены следующие размеры:
• D1 - расстояние от области резания до цента расстояния между направляющими балки портала
• D2 - расстояние между приводным винтом оси X до нижней направляющей балки
• D3 - расстояние между направляющими оси Y
• D4 - расстояние между линейными подшипниками оси X
Теперь рассмотрим действующие усилия. На картинке портал перемещается слева направо за счет вращения приводного винта оси X(расположен внизу), который приводит в движение гайку, зафиксированную снизу на портале. Шпиндель опущен и фрезерует заготовку, при этом появляется сила противодействия, направленная навстречу движению портала. Эта сила зависит от ускорения портала, скорости подачи, вращения шпинделя и силы отдачи с фрезы. Последняя зависит от собственно фрезы(типа, остроты, наличия смазки и т.п.), скорости вращения, материала и прочих факторов. Определению величины отдачи с фрезы посвящено множество литературы по подбору режимов резания, в настоящее время нам достаточно знать, что при движении портала возникает сложносоставная сила противодействия F. Сила F, приложенная к зафиксированному шпинделю, по конструктивным элементам прикладывается к балке портала в виде момента A = D1 * F. Данный момент может быть разложен на пару равных по модулю, но разнонаправленных сил A и B, приложенных к направляющим #1 и #2 балки портала. По модулю Сила А = Сила B = Момент А / D3. Как отсюда видно, силы, действующие на направляющие балки уменьшаются, если увеличивать D3 - расстояние между ними. Уменьшение сил снижает износ направляющих и крутильную деформацию балки. Также, с уменьшением силы А, уменьшается и момент B, приложенный к боковинам портала: Момент B = D2 * Сила A. Из-за большого момента B боковины, будучи не способными согнуться строго в плоскости, начнут виться и изгибаться. Момент B необходимо уменьшать также потому, что необходимо стремиться к тому, чтобы нагрузка всегда распределялась по всем линейным подшипникам равномерно - это снизит упругие деформации и вибрации станка,а, значит, повысит точность.
Момент B, как уже было сказано, можно уменьшить несколькими путями -
1. уменьшить силу A.
2. уменьшить плечо D3
Задача - сделать силы D и C сделать как можно более равными. Эти силы складываются из пары сил момента B и веса портала. Для правильного распределения веса надо рассчитать центр масс портала и разместить его точно между линейными подшипниками. Именно этим объясняется распространенная зигзагообразная конструкция боковин портала - это сделано для того, чтобы сместить направляющие назад и приблизить тяжелый шпиндель к подшипникам оси X.
Итого, при проектировании оси Y учитываются следующие принципы:
• Стараемся минимизировать расстояние от приводного винта/рельсов оси X до направляющих оси Y - т.е. минимизируем D2.
• Снижаем по возможности вылет шпинделя относительно балки, минимизируем расстояние D1 от области реза до направляющих. Оптимальным ходом по Z обычно считается 80-150 мм.
• Снижаем по возможности высоту всего портала - высокий портал склонен к резонансу.
• Рассчитываем заранее центр масс всего портала, включая шпиндель и разрабатываем стойки портала таким образом, чтобы центр масс располагался точно между каретками направляющих оси X и как можно ближе к ходовому винту оси X.
• Разносим направляющие балки портала подальше - максимизируем D3 для снижения момента, приложенного к балке.
КОНСТРУКЦИЯ ОСИ Z
Следующим шагом является выбор структуры наиболее важной части станка - оси Z. Ниже приведены 2 примера конструктивного исполнения.
Рисунок - 3 Примеры конструктивного исполнения.
Как было уже упомянуто, при строительстве станка с ЧПУ необходимо учитывать силы, возникающие при работе. И первым шагом на этом пути является отчетливое понимание природа, величины и направления этих сил. Рассмотрим схему ниже:
Силы, действующие на ось Z
Рисунок - 4 Размеры
На рисунке 4 отмечены следующие размеры:
• D1 = расстояние между направляющими оси Y
• D2 = расстояние вдоль направляющих между линейными подшипниками оси Z
• D3 = длина подвижной платформы(базовой пластины), на которую собственно монтируется шпиндель
• D4 = ширина всей конструкции
• D5 = расстояние между направляющими оси Z
• D6 = толщина базовой пластины
• D7 = вертикальное расстояние от точки приложение сил реза до середины между каретками по оси Z
Посмотрим на вид спереди и отметим, что вся конструкция перемещается вправо по направляющим оси Y. Базовая пластина выдвинута максимально вниз, фреза заглублена в материал и при фрезеровке возникает сила противодействия F, направленная, естественно, противоположно направлению движения. Величина этой силы зависит от оборотов шпинделя, числа заходов фрезы, скорости подачи, материала, остроты фрезы и т.п.Как влияет данная сила на ось Z? Будучи приложена на расстоянии от места, где закреплена базовая пластина, эта сила создает крутящий момент А = D7 * F. Момент, приложенный к базовой пластине, через линейные подшипники оси Z передается в виде пар поперечных сил на направляющие. Силы, преобразованная из момента, обратно пропорциональная расстоянию между точками приложения - следовательно, для снижения усилий, изгибающих направляющие, необходимо увеличивать расстояния D5 и D2.
Расстояние D2 также участвует в случае фрезерования вдоль оси X - при этом возникает аналогичная картина, только возникающий момент приложен на заметно большем рычаге. Этот момент старается провернуть шпиндель и базовую пластину, а возникающие силы перпендикулярны плоскости пластины. При этом момент равен силе реза F, умноженной на расстояние от точки реза до первой каретки - т.е. чем больше D2, тем меньше момент(при неизменной длине оси Z).
Отсюда следует правило: при прочих равных надо стараться обязательно разнести каретки оси Z подальше друг от друга, особенно по вертикали - это значительно увеличит жесткость. Возьмите за правило никогда не делать расстояние D2 меньше 1/2 длины базовой пластины. Также убедитесь, что толщина платформы D6 достаточна, чтобы обеспечить желаемую жесткость - для этого необходимо рассчитать максимальные рабочие усилия на фрезе и смоделировать прогиб пластины в САПР.
Итого, придерживаемся следующих правил при конструировании оси Z портального станка:
• максимизируем D1 - это снизит момент(а следовательно, силы), действующий на стойки портала
• максимизируем D2 - это снизит момент, действующий на балку портала и ось Z
• минимизируем D3(в пределах заданного хода по Z)- это снизит момент, действующий на балку и стойки портал.
• максимизируем D4(расстояние между каретками оси Y) - это снизит момент, действующий на балку портала.
