Станок с чпу для выполнения фрезерных работ

Аннотация

Глущенко Д.А., Лахин А.М., Горобец И.А. Станок с чпу для выполнения фрезерных работ

Ключевые слова: шаговый двигатель, станок с ЧПУ, контролер, обработка

разработана конструкция фрезерного с ЧПУ станка для высокоэффективной контурной обработки изделий с использованием доступных технических и программных средств.

Общая постановка проблемы

В настоящее время происходит вытеснение станков с аналоговым, ручным управлением, у которых точность достигается методом пробных ходов и промеров, к оборудованию с ЧПУ. Применение такого оборудования обладает рядом преимуществ, среди которых: возможность быстрой настройки на обработку деталей сложной конфигурации, возможность использования универсального инструмента для обработки изделий сложного профиля, а также возможность хранения множества программ обработки на ПК и быстрой их загрузки на контролер.

Между тем ввиду стремительного развития и удешевления полупроводниковых приборов оборудование для оснащения станков системами ЧПУ становится все более доступным, что позволяет создавать доступные станки для выполнения, фрезерных, сверлильных работ, а также контурной вырезки стальных листовых изделий плазмой или лазерным лучом. Кроме того становится возможным оснащение системами ЧПУ универсальных металлорежущих станков путем внедрения для координатных перемещений инструмента сервоприводов с устройствами для их управления.

Целью данной работы является разработка конструкции универсального вертикально-фрезерного станка для контурной обработки изделий из древесины, полимерных материалов а также мягких цветных сплавов.

В качестве привода рабочих подач приняты шаговые двигатели типа NEMA 23, имеющие максимальный рабочий ток 2 А при рабочем напряжении на обмотках 3.6 В. Угол шага составляет 1.8 градусов, что соответствует перемещению 0.02 мм – при шаге винта 4 мм (на осях X и Y) и 0.01 мм – при шаге винта 2 мм (на оси Z). Для управления шаговыми двигателями используется контролер ТВ6560HQT (рис.1) который имеет выводы для управления тремя шаговыми двигателями а также вывод для питания шпинделя для реализации главного движения резания. При этом контролер автоматически адаптирует рабочее напряжение на выводы электродвигателей, а также есть возможность регулировки рабочего тока в зависимости от параметров используемых электродвигателей.

Представленный контролер позволяет управлять биполярными шаговыми двигателями с максимальным током обмотки до 3.5 А. Также имеется возможность через выносной драйвер подключать 4й шаговый двигатель, если возможностей перемещения по 3 осям окажется недостаточно. Контролер позволяет обеспечить управление как в режиме полного шага, так и в режиме дробления шага 1/2, 1/8, и 1/16 шага. Напряжение питание контролера зависит от типа используемых шаговых двигателей и мощности привода шпинделя.

Для сопряжения с ПК служит параллельный (LPT) порт. управляющей программы на контролер реализуется с помощью различных программ, наиболее распростран?нная из которых MACH3, заглавный интерфейс которой показан на рис.2. Данная программа позволяет выводить G –код на контролер, а также задавать параметры движения шаговых двигателей, управлять приводом шпинделя станка, выставлять инструмент на исходную позицию, управлять скоростью быстрых перемещений и пр. Создание G-кода для конкретной обработки реализуется в специализированных САПР, наиболее простая и доступная из который ArtCAM. Возможности данного пакета позволяют создавать G-коды по 3Д модели детали или векторному изображению обрабатываемого объекта.

При проектировании станка рассматривались два варианта реализации перемещений по осям X и Y а именно: перемещение рабочего стола относительно неподвижного шпинделя установленного в фиксированной позиции, перемещение шпинделя относительно неподвижного стола. Так как второй вариант обеспечивает значительно большее активное рабочее пространство и возможность устанавливать более габаритные детали, он был принят за основу конструкции.

Модель разработанного станка с ЧПУ представлена на рис. 3. В конструкции базой является стол станка, на котором устанавливается заготовка.

Исходным требованием при проектировании станка являлись размеры рабочего пространства, определяющие габариты заготовок. Ограничивающими факторами являются длины ходовых винтов стандартной конструкции, которые составили по 500 мм для осей X и Y и 250 мм для оси Z. При этом размеры рабочего стола были приняты 400х700 мм ввиду необходимости размещения достаточно габаритных деталей и приспособлений для их закрепления. Материалом рабочего стола, а также боковых стоек, был принят гетинакс, так как данный материал обладает достаточной прочностью и жесткостью. В то же время боковые стойки были усилены металлическими листами в местах соединения направляющих штанг и двумя поперечинами, что требовалось для обеспечения требуемой жесткости станка.

Так как станок не предназначен для выполнения высокоточных работ, для перемещения шпиндельного блока выбрана передача винт-гайка с устройством упругого выбора зазора. Данная конструкция позволяет достигать точность позиционирования не менее 0.2 мм. Для опор поступательного перемещения приняты линейные подшипники, перемещающиеся по цилиндрическим штангам диаметром 8 и 12 мм.

Продольное перемещение вдоль оси Y реализовано посредством продольных плоских направляющих, а передача поступательного движение – за счет передачи винтгайка. При этом гайка закреплена на кронштейне, который также соединен со стенками боковых стоек. Шаговый двигатель, а также опоры подшипников ходового винта прикреплены к нижней грани стола(рис.4).

Перемещение по оси X реализовано по двум цилиндрическим штангам с помощью линейных подшипников. Каретка с приводом оси Z и фрезерным шпинделем перемещается в поперечном направлении с помощью передачи винт-гайка с гайкой закрепленной в Г-образом кронштейне (рис.5).

Аналогичным образом реализовано перемещение по оси Z.

В результате были достигнуты следующие длины перемещений шпиндельного блока: по оси Y – 460 мм, по оси X – 480 мм, по оси Z- 220 мм. Также за счет настроечного перемещения каретки оси Z есть возможность настройки габаритов рабочего пространства станка в пределах 200 мм.

В качестве шпинделя привода главного движения был выбран бытовой фрезер для столярных работ с мощностью 1,1 кВт и частотой вращения шпинделя 5000-30000 об/мин. Питание шпинделя реализовано от сети 220 В.. Привод шпинделя закреплен на салазках оси Z с помощью усиленного кронштейна.

Таким образом был спроектирован вертикально-фрезерный станок с ЧПУ, который позволяет выполнять контурную обработку деталей а также получение сложных криволинейных поверхностей в изделиях из древесины, полимерных материалах и силумина. Данный станок может быть использован при изготовлении: мастер моделей для литейных работ, художественных изделий, а также изделий из легких сплавов.

Список использованной литературы

1. Звонцов И. Ф., Иванов К. М., Серебреницкий П. П. Разработка управляющих программ для оборудования с ЧПУ: Учебное пособие. — СПб.: Издательство «Лань», 2017. —588 с.: ил.

2. Калачев, О.Н. Моделирование CAD/CAM Cimatron механообработки на станках с ЧПУ/ Ярославский государственный технический университет. – Ярославль: 2013. – 30 с.

3. Станки с ЧПУ: устройство, программирование, инструментальное обеспечение и оснастка [Электронный ресурс]: учеб. пособие / А.А. Жолобов, Ж.А. Мрочек, А.В. Аверченков, М.В. Терехов, В.А. Шкаберин. – 2- е изд., стер. – М. : ФЛИНТА, 2014. – 355 с.