Шарикоподшипниковые обоймы являются элементами качения шариковых направляющих качения линейного типа; в круглых направляющих скольжения – это  бронзовые или латунные втулки. По характеристикам точности и качества оптимальными считаются рельсовые направляющие, однако и цена их является самой высокой из ряда.

Китайские гравировально-фрезерные станки малого формата, как правило, оснащаются круглыми направляющими, реже – направляющими рельсового типа. Станки большого формата основной массы производителей оснащаются рельсовыми направляющими. Круглые направляющие, имеющие втулки, применяются в большинстве марок граверов от компании Roland и в некоторых моделях китайских станков, например, в станках от компании FortunaMectronic линейки DB. Дадим более подробную характеристику направляющим.

Шариковые направляющие качения рельсового типа

Рельсовые направляющие общепромышленного назначения применяются в области  станкостроения, при изготовлении или модернизации дерево- или металлообрабатывающего оборудования, а также в транспортных системах (подъемники, складское, конвейерное оборудование), в ходе конструирования промышленных роботов, при разработке лабораторного и научно-исследовательского оборудования, в приборостроении. Направляющие миниатюрного размера применяются в основном при изготовлении лабораторного  оборудования и медицинской техники, при сборке микросхем и полупроводников, а также в различного назначения системах точного линейного перемещения (легких и сверхлегких). Несущая платформа или каретка устанавливается на направляющие (специально подготовленные стальные рельсы, имеющие закаленную и отшлифованную  поверхность).

Каретка перемещается по рельсу посредством четырех независимых  друг от друга цепочек шариков блока качения. При этом шары каждой цепочки катятся по рельсу по внутренней части закольцованной канавки и толкают  друг друга. Подобная схема движения дает низкий коэффициент трения, который можно уменьшить через принудительную подачу смазки посредством ниппеля, располо

женного на каретке. Для того, чтобы предотвратить попадание посторонних частиц в зону блока качения, на каретку ставятся скребки, а также ряд резиновых уплотнителей. Каретки, разработанные для  систем общепромышленного назначения, производятся с 3-мя типами преднатяга. Здесь преднатягом является показатель нагрузки отдельно взятого шарика, принадлежащего блоку качения (подшипнику),  относительно каждого другого. Преднатяг предназначен для снижения аксиального люфта, а также  повышения жесткости системы с целом. Фирма SBC выпускает комплектующие систем линейного перемещения 3-х  классов точности. Посредством класса точности определяются отклонения в геометрии передвижения каретки. Класс точности зависит от качества обработки элементов системы. Одна направляющая может быть оснащена  более чем одной кареткой. Установка разноклассовых кареток на  одном рельсе не допускается.

Предустановленная каретка и рельсовая направляющая качения составляют пару  или блок линейного перемещения, если  устанавливается более чем одна каретка. Готовые блоки можно комплектовать заглушками для отверстий монтажа и гофрозащитой в целях предотвращения проникновения на  направляющие пыли и различных твердых частиц. Можно изготавливать направляющие со сквозными монтажными отверстиями, а также глухими резьбовыми. Специальная физико-химическая обработка направляющих и каретки позволяет защитить их от коррозии и улучшить эксплуатационные характеристики. Миниатюрные направляющие качения бывают двух классов точности и изготавливаются с легким или стандартным типом преднатяга.

Круглые шариковые направляющие качения

Блоком линейного перемещения является одна или несколько шариковых втулок, которые устанавливаются в алюминиевый, чугунный или пластиковый корпус, имеющий крепежные отверстия. Таким образом, заказчик может не изготавливать самостоятельно детали корпуса для закрепления внутри линейного подшипника. Создание системы линейного перемещения, основанной на линейных блоках, производится путем их комбинирования с высококачественными прецизионными валами.

Основными характеристиками являются относительно небольшая грузоподъемность (в статическом состоянии грузоподъемность составляет до 2 т на один блок); невысокая стоимость изделий; блоки для валов имеют диаметр в диапазоне 3-60 мм; огромный ассортимент исполнений (закрытого типа,  открытые, с возможностью регулирования зазора, сдвоенные); наличие самореализующихся установок для компенсирования погрешностей монтажа; наличие готовых систем в сборе, содержащих вал на рельсовой опоре и линейные блоки; блоки втулки для линейно-поворотного и линейного перемещений; стандартизованные дюймовые, метрические размерные ряды; показатель скорости до 2 м/с; стойкие к коррозии исполнения, выполненные из нержавеющей стали.

Линейные направляющие

Линейные подшипники представляют собой достаточно простой экономичный механизм, обеспечивающий линейное движение с минимальным трением. Шариковые втулки линейного типа широко применяются во всех промышленных областях. Они получили высокую оценку среди заказчиков и считаются  «идеальным продуктом». Создаются системы линейного перемещения с применением  шариковых втулок, которые комбинируются с качественными прецизионными валами.

Основными характеристиками являются: невысокая грузоподъемность (в статике грузоподъемность составляет 10 кг — 3,5 тонны на подшипник); относительно небольшая точность (возможно точно задать только направление перемещения, а не точное позиционирование); линейные подшипники  валов размером 3 — 150 мм; невысокая стоимость изделий; большой ассортимент исполнений (открытого и закрытого типов, имеющие регулируемый зазор, удлиненные); работа самоустанавливающихся исполнений, компенсирующих  погрешности монтажа; шариковые втулки, предназначенные для линейно-поворотного и линейного перемещения; различные варианты крепежа (стандартного типа  и через разные фланцы; показатель скорости до 2 м/с; исполнения, стойкие к коррозии, изготовленные из нержавеющей стали; разнообразие дополнительных покрытий антикоррозионного и косметического характера; размерные метрические и дюймовые ряды.

Шариковые втулки бывают  стандартного типа, шариковые втулки и блоки либо линейно-поворотные, позволяющие выполнять одновременно линейные и вращательные  движения. Прецизионные валы применяются для совместной работы с блоками и линейными шариковыми втулками. Так как качество вала напрямую влияет на ресурс линейного подшипника, совместно с которым применяется вал, качество прецизионных валов проверяется с особой тщательностью.

При выборе направляющих следует учесть несколько основных моментов. Как было упомянуто выше, наилучшими направляющими из перечисленных являются линейные рельсовые направляющие. Такой тип направляющих обеспечивает максимальную жесткость конструкции, высокую надежность и вносит минимум погрешностей перемещения. По этому основная масса производителей станков чаще всего в дорогостоящие и точные модели устанавливает рельсовые направляющие. Дорогостоящие машины оснащаются  японскими или европейскими направляющими, например, произведенными японской компанией THK, а  недорогие — направляющими, изготовленными в Тайване. Но и сегодня многие производители оснащают простые дешевые модели станков круглыми линейными направляющими, и большинство задач по изготовлению рекламной продукции выполняются вполне качественно.

Таким образом, если имеются высокие требования к точности производства изделий, а также материальная возможность, то следует останавливать свой выбор на рельсовых направляющих, в противном случае основная масса задач может быть решена посредством круглых направляющих.

Шаговые двигатели классифицируются на биполярные и униполярные. ШД первого типа имеют две обмотки и четыре провода.

Рассмотрим типовую схему включения биполярного ШД.

 Кратко рассмотрим работу данной схемы. Каждая из обмоток включается по индивидуальной мостовой схеме. В центре проходит обмотка двигателя, на верхней точке схемы находится «плюс» источника питания, «минус» — на нижней. Диоды предназначены, чтобы защитить транзисторы от ЭДС самоиндукции; их влияние на функционирование схемы не будем рассматривать. Подается логическая единица на вход 1А, затем происходит включение транзистора Q1 и выключение Q3. Т.о. напряжение питания посредством открытого Q1 идет  на левую точку присоединения обмотки. Одновременно на вход 1В подают логический нуль, что позволяет открыть транзистор Q4 и закрыть транзистор Q2. Так на правой точке присоединения обмотки получается напряжение «минуса» источника питания. Итогом является образование на левой клемме обмотки «плюса», а на правой  — «минуса», и ток начинает поступать через обмотку, в результате ротор ШД на 1 шаг поворачивается. Если затем А1 дать логический нуль, а A2 — логическую единицу, транзисторы переходят в противоположное состояние, обмотка запитывается в обратную сторону (правая клемма — «плюс», левая – «минус»). Это заставляет ШД выполнить еще шаг. Но обмотки только две, таким образом, вариантов прохождения тока только четыре. В таблице выше приведены вариации логических состояний на входах 1A, 1В, 2А, 2В, чтобы у двигателя была возможность шагать в любую сторону. Отрицательным моментов в данной схеме являются сквозные токи, возникающие, когда происходит переключение транзисторов одного плеча из одного в другое состояние. Иначе говоря, в положении, когда  транзистор Q1 еще не закрыт, а Q3 уже стал открываться, тогда ток идет от «плюса» источника питания через два полуоткрытых транзистора к «минусу». Это приводит к разогреву транзисторов и искажению на обмотке формы сигнала. Специализированные драйвера аппаратно решают данную проблему. Если Вы решили разрабатывать собственную схему, вероятнее всего нужно будет ознакомиться с данным эффектом и способах его преодоления в спецлитературе, к примеру, в книге авторов У.Хилла, П.Хоровица «Искусство схемотехники».  Однако на принцип функционирования моста это нисколько не влияет – отдельно взятое плечо способно подавать на клемму обмотки только «минус» или  «плюс» питания.

Рассмотрим схему униполярных шаговых двигателей.

Униполярный  ШД: типовая схема включения:

Функционирование униполярной схемы гораздо проще для понимания. Каждая обмотка имеет центральный провод, всегда подключенный к «плюсу» питания. Предназначение диодов — защита от обратного ЭДС. Открывается транзистор Q1  — ток течет по верхней половине обмотки на «минус». Открывается  Q2  — ток идет по нижней половине обмотки на «минус». Проблема сквозных токов полностью отсутствует.

 На схеме показано, что биполярный ШД разработан на основе более простой схемы обмоток, но более сложной схемы управления. Униполярный двигатель отличается более сложной схемой обмоток, но более простой  управления. Существуют двигатели, которые включаются любым из приведенных способов, в зависимости от драйвера ШД и типа двигателя, который он поддерживает.

Рассмотрим типовую  схему генератора сигналов для приведенных схем.

 На вход генератора производится подача логических сигналов Dir и Step. Dir задает направление вращения двигателя — порядок изменения логических состояний на выходе 1A, 1B, 2A, 2B. Step тактует шаги, а также указывает схеме, какое следующее логическое состояние на выходах согласно таблице выработать.

Таким образом, электросхемы управления ШД довольно просты. В Сети можно найти различные варианты подобных схем на основе микросхем 555ТМ7 и силовых ключей. Они недороги, хорошо функционируют, не требуют наладки. Сложные схемы представляют собой по сути улучшенные  приведенные здесь схемы, которые оснащены еще и регулировкой тока (обратной связью по току) и возможностью дробления шага. Существуют также специализированные микросхемы-драйверы для управления ШД. К примеру, TB 6560 (PDF), содержащая в себе микроконтроллер, оснащенный таблицами Брадиса и формирующий правильную синусоиду для различных режимов полушага, а также имеющий  возможность программного регулирования токов обмоток.

Стоимость повторения данных схем  — порядка 250 рублей на ШД. Стоимость специальной микросхемы TB 6560 — 400 рублей, к тому же следует приобрести обвязку. Итого 700 рублей/канал. Приобрести полностью плату управления можно за 1500 рублей/канал, но сделать ее самому не составит особого труда.

Предлагаем рассмотреть еще пример того, как реализован  Step/Dir драйвер.

Такой драйвер реализован на основе логического контроллера L 297 (PDF), а также токовых усилителях L 6203 (PDF). Данная схема позволяет регулировать ток обмоток, а также полушаговый режим, наладка и программирование при этом не нужны. Можно порекомендовать  связку L 297 + L 298. Драйвер L 297 (PDF) поддерживает питание до 46W, ток обмоток — до 5А.

Под шпинделем понимают двигатель, на который надета цанга – патрон для закрепления и вращения рабочего инструмента, такого, как фреза, сверло, нож или гравер. Шпиндели условно классифицируются на две основные  группы — любительские и

промышленные. Шпиндель промышленный представляет собой специальное устройство, как правило рассчитанное на большую боковою нагрузку; имеет сложную воздушную или водяную систему охлаждения и смазку. К любительским можно отнести любой бытовой фрезер или дрель. Следует заметить, что бытовая дрель рассчитана продольные нагрузки, т.е. на высверливание отверстий,

 а потому имеет подверженные быстрому износу подшипники удержания вала. Все нагрузки, возникающие при работе на станке, как правило, перпендикулярны оси шпинделя. Поэтому шпиндель высокого качества оснащен прочными подшипниками, рассчитанными на подобные нагрузки.

Промышленный шпиндель не требует ухода – смазки и чистки – в течение всего периода эксплуатации. При этом специализированный шпиндель оборудован так называемым цанговым зажимом, прошедшим хорошую балансировку, который дает возможность зажима  любого инструмента, имеющего  стандартный хвостовик. В стандартных станках применяется цанга ЕР11 или модификация ЕР13,  позволяющая зажимать инструмент, имеющий рабочий хвостовик от 2,5 до 3,2 мм. Реже используется промышленная цанга ЕР25, позволяющая зажимать инструмент, имеющий 6 миллиметровый хвостовик. Такой инструмент предназначен для снятия толстых слоев металла, так что, не следует гнаться за наибольшим диаметром рабочего инструмента. Станок должен быть сбалансированным, поэтому следует остановить свой выбор на цанге ЕР13, которая прослужит долгие годы.

Что произойдет, если традиционную дрель установить на станок? Функционировать конечно будет, однако по мере износа подшипников будет становиться  сильнее биение патрона, что приведет к уменьшению точности позиционирования инструмента. К тому же, станок в ходе тонких работ производит массу мелкошаговых проходов, при этом шпиндель работает не один час подряд. Дрель в таком случае может сгореть, или перегреться — сработает тепловая защита, и дрель остановится. ПО, отвечающее за управление, не содержит информации о состоянии дрели, поэтому будет продолжать работу инструмента даже того, как вращение остановится.  Это обязательно приведет к неисправности рабочего инструмента.

Выбирая оптимальную мощность  шпинделя, лучше руководствоваться общепринятыми правилами.  Для выполнения небольших сверлильно-гравировальных работ будет достаточно 400-600W, при фрезеровке металлических деталей и толстых слоев древесины необходимо 1000-1400W. Универсальным шпинделем, способным выжимать из фрезы и системы подачи все по  максимуму, считается шпиндель с  мощностью более 2000W.  Однако следует оговориться. Фрезеровочные работы бывают двух типов — силовые и скоростные:  можно либо быстро вращать фрезу, при этом медленно ее подавать; или медленно вращать — быстро подавать. Станки профессиональной категории применяют силовое фрезерование как наиболее быстрый способ обработки заготовки. В данных целях в станок вводят режимы резания с указанием максимальной скорости подачи для каждой конкретной фрезы, а также скорости  заглубления и вращения. Это дает возможность выжимать из инструмента максимальную производительность, избегая его перегрева и повреждения. Если станок не может развить требуемое усилие подачи (главный параметр станка), то единственным вариантом является раскручивание шпинделя до максимальных оборотов и  дальнейшее его аккуратное перемещение по заготовке. Так будет выполняться скоростное фрезерование.

Таким образом, выбирая шпиндель, следует останавливать свой выбор либо на быстром, либо на мощном, способном развивать на инструменте крутящий момент по максимуму. Дорогостоящие специализированные шпиндели способны развивать скорости более 20000 об/мин, передавая при этом  на фрезу усилие до 2000W. Вы будете выполнять фрезеровочные работы на скорости до 15000 оборотов. Стоит помнить, что скоростное вращение  — это не всегда хорошо. К примеру, при обработке малых кусочков древа возможно образование  мелкой пыли, которая затирается между фрезой и заготовкой, а затем начинает подгорать. Это может привести к  перегреву как фрезы, так и заготовки.

Цена промышленного шпинделя, имеющего трехфазное питание и водяное охлаждение, мощностью 1,5 кВт составляет порядка 9 тыс. рублей. Однако необходимо будет приобрести преобразователь частоты (порядка 3 тыс. рублей).

Цена на специализированный шпиндель с воздушной системой охлаждения оставляет около 8 тыс. рублей. Преобразователь частоты также стоит приобрести.

Фрезер  Kress-1050 представляет на сегодня одно из самых лучших устройств на отечественном рынке. Его цена составляет 4 тыс. рублей. В Сети можно  найти руководство по замене в нем подшипников, а также инструкции по  доработке до максимально высокого уровня. Нет лучше бюджетного  варианта.

Цена дрели составляет около 1200 рублей. Этот вариант приемлем только в случае,  когда на станке выполняется только  координатное сверление.

Отдельно стоит коснуться трехфазных шпинделей. Они оснащаются тремя проводами питания, одной нейтралью и одним проводом заземления. Напрямую подключаются к бытовой сети — из одной фазы делается три посредством преобразователя частоты. Устройство позволяет выпрямить переменный ток и сгенерировать из него переменный нужной частоты и фазности. Следует заметить, что ПЧ несет массу сервисных функций. Так, если напряжение на входе составляет 50Гц и изменить его нет возможности, то на выходе преобразователь частот может развить частоту в диапазоне 1-400 Гц согласно установке. Для наших задач это значит, что возможно устанавливать требуемую частоту вращения шпинделя. Кроме того, ПЧ управляется программным обеспечением станка, и программа в автоматическом режиме может установить требуемые обороты шпинделя исходя из таблицы скоростей для выбранного материала. Также дорогостоящие ПЧ содержат векторное управление мотором, что позволяет развивать максимальный момент на инструменте через косвенное определение фактической скорости шпинделя, а также своевременной трансформации эпюры формируемых  импульсов. Преобразователь частоты дает возможность устанавливать скорость разгона/замедления оборотов, что хорошо сказывается на длительности его ресурса. ПЧ может сигнализировать о готовности шпинделя программному обеспечению, т.е. передавать, что шпиндель набрал заданные обороты, либо от них отклонился. Это дает возможность при необходимости остановить программу и избежать поломки  инструмента в случае неожиданного отключения шпинделя. Т.о., наличие ПЧ существенно увеличивает надежность и эргономичность шпинделя.

Шпиндель  может быть оснащен воздушной или  водяной системой охлаждения. Воздушная система оборудована как у  стандартной дрели — на валу шпинделя находится вентилятор. Отрицательным моментом данной системы является то, что функционально она напоминает пылесос, засасывая в шпиндель все обрезки, а также то, что эффективность самого вентилятора напрямую связана со скоростью вращения вала, и на низких скоростях возможен перегрев шпинделя и его поломка. Водяная система не имеет  недостатков предыдущей и очень эффективна, однако необходима доработка гидравлики. Можно применять стандартные пищевые шланги, имеющие внешний диаметр 8 мм и внутренний 6 мм. Для создания станков можно применять компьютерную систему водяного охлаждения процессора фирмы Termaltake, состоящую из  насоса, радиатора и вентилятора. Единственный недостаток данной системы – высокая стоимость. Также можно использовать  в качестве насоса бензиновый от автомобиля, который является более надежным и недорогим. Стоит обратить внимание на то, что существуют бензонасосы среднего и низкого давления. Впрысковые машины оснащаются насосами среднего давления, они способны развивать порядка трех атмосфер, что слишком много. Насосы от карбюраторных авто  развивают давление порядка 0.3 атмосферы, что более приемлемо. В крайнем случае, можно использовать насосы для аквариумов, но надежность бензонасосов и аквариумных насосов несопоставима. Нужно помнить, что при запуске шпинделя без циркуляции воды может возникнуть его перегрев и поломка.

Вода охлаждения готовится как раствор дистиллированной воды и неагрессивного антисептика. Шпиндель 1.5кВт потребляет трехлитровый  баллон с водой, и в радиаторе нет необходимости – когда шпиндель работает непрерывно, вода остается теплой, ее остывание происходит за счет большой площади баллонных стенок  и трубок.