Шарико-винтовые пары (ШВП) представляют собой наиболее популярные компоненты систем линейного перемещения, которыми оснащаются гравировально-фрезерные станки. Их применение дает возможность получить максимально высокую точность и высокую скорость перемещения при невысоком коэффициенте трения.

ШВП имеет ряд ограничений по длине и скорости.  Увеличение длины ШВП может спровоцировать появление дополнительных нагрузок по причине прогиба. Во избежание этого при больших длинах применяют ШВП с большим диаметром. Однако при повышении диаметра шарико-винтовых пар тепловое расширение будет оказывать влияние на точность.

Таким образом, ШВП применяются в большинстве станков гравировально-фрезерного типа малого и среднего размера, которые требуют повышенной точности при эксплуатации. Станки формата большего, чем 1,5х2 м, ими оснащаются редко.

Винт-Гайка представляет собой упрощенную схему ШВП, в которой вместо обоймы с шариками применяется гайка, изготовленная из пластика или латуни. К положительным характеристикам данной передачи, по сравнению с ШВП, можно отнести меньшую  стоимость и прочное удержание позиции после отключения двигателей.

Отрицательным моментом является высокая скорость износа гайки, а также небольшие предельные скорости функционирования (большое трение скольжения, чем трение качения).

Таким образом, передача Винт-Гайка применяется вместо ШВП в целях удешевления конструкции, а также для жесткой фиксации положения после отключения питания двигателей (по оси Z для граверов). В граверах используются редко.

Рейка-Шестерня имеет более скоростную передачу, нежели ШВП и Винт-Гайка, однако, меньшую точность и невысокую себестоимость.Применяется, в основном, для станков большого формата при раскройке материала, в ходе граверных работ больших барельефов, для вырезания фигур и  букв,  создания прочей рекламной продукции. Особые ограничения на длину рейки не накладываются (не ШВП, рейка привинчивается к станине по всей длине), и в этой связи данную передачу зачастую применяют в станках, имеющих большое рабочее поле. Вместе с  мощными серводвигателями или шаговыми двигателями подобные станки становятся более быстрыми в перемещениях.

Таким образом, подобный тип передачи применяется во фрезерных станках в целях скоростной раскройки или сквозной резки, а также гравировки материалов. Чаще всего такие станки по оси  Z оснащаются ШВП.

Металлическая лента-Шестерня применяется в раскроенных плоттерах планшетного типа различного формата вместе с другой передачей —  Зубчатая резиновая лента–Шестерня. Подобная передача имеет высокую точность реза и отличается отсутствием удара — жесткого старта–остановки.

Передача Зубчатая резиновая лента– Шестерня применяется в определенных экземплярах планшетных плоттеров и в основной массе рулонных плоттеров. Также подобной передачей оснащается большинство лазерных CO2-граверов и  граверов Rоland ЕGХ-400, ЕGХ-600. Основным положительным моментом является отсутствия в ходе работ жесткого старта – стопа.

Передача Ремень-колесо, Пассик-Колесо (ременная передача) является самым простым способом передачи для всей гравировально-фрезерной техники. Подобный способ передачи имеется в младших экземплярах граверов Roland. Плюс такой передачи  — ее низкая стоимость.

Выбираем передачу

Из рассмотренных выше передач оптимальные и наиболее популярные – это Шарико-Винтовые Пары (ШВП), а также передача Рейка-Шестерня. Остальные виды передач имеют невысокую точность, а также низкую жесткость конструкции, а потому используются только в недорогих и слабых станках (младших экземплярах  Roland, Мimaki и пр.), а также в станках, имеющих меньшие нагрузки: в планшетных и рулонных плоттерах, лазерных граверах и других.

Сделать выбор будет гораздо проще, если классифицировать станки на 2 группы: Фрезерно-гравировальные, имеющие размер  рабочего поля порядка 1 – 1,5 м по любой из координат. Основное требование, предъявляемое к  таким станкам, это точность позиционирования, в связи с чем в них следует  устанавливать ШВП. Фрезерно-раскроечные станки, имеющие  размер рабочего поля свыше 1,5 м по любой из координат. Основным требованием к таким станкам является скорость перемещений, в связи с чем  их оборудуют передачей Рейки-Шестеренки и более мощными моторами. При этом ось часто оснащают сразу двумя моторами (применяется при перемещении тяжелого портала).

Линейные направляющие рельсового типа представляют собой специальный рельс, имеющий профиль сложной формы, оснащенный четырьмя или двумя канавками, выполняющими функцию дорожек качения, и оборудованные на нем один и более линейных подшипников – кареток.

Обычно рельсы изготавливаются из хромистой стали или нержавейки высококачественных сортов и с четырех сторон шлифуются посредством высокоточного шлифования. Твердость возрастает до 58 — 64HRC в ходе индукционной закалки. Прикрепление к станине выполняется через гладкостенные или резьбовые отверстия в рельсе.

Каретки (бегунки) классифицируются по типу рекомендованных производителем крепежных фланцев.  Такой тип предусматривает  крепление к каретке и со стороны рельса, и со стороны устанавливаемых деталей. 

Другой тип крепежа к каретке имеет  крепление только у бегунка.

Линейный подшипник отличается довольно сложной конструкцией, которая состоит из корпуса, механизма, позволяющего циркулировать элементам качения (роликам, шарикам), системы фиксации элементов качения в целях предотвращения их выскальзывания из каретки в ходе снятия ее с рельса, пылезащитных уплотнений, смазочного ниппеля. Модернизированные конструкции также предусматривают установку сепаратора между деталями качения и дополнительных прокладок для смазки.

В целях дополнительной антикоррозийной защиты система может быть обработана специализированным напыляемым составом или выполнена полностью из нержавеющей стали. Также предусмотрена возможность монтажа гофрированных рукавов и ряда уплотнений со скребками, не позволяющих повредить каретки крупной стружкой металла или дерева, а также прикипевшими сварочными брызгами.

Линейные направляющие характеризуются не только габаритными и присоединительными размерами, но и прочими параметрами: грузоподъемностью, классом точности и преднатягом. Показатель грузоподъемности отдельно взятого типоразмера линейных  подшипников дает возможность оценить в заданных условиях их ресурс эксплуатации. Класс точности является отражением величины допусков на размеры, согласно которыми изготовлены подшипники и рельсы, а также допусков в сборе всего цикла «каретка — линейная направляющая».

Преднатягом являются дополнительные напряжения, которые прилагаются к линейному подшипнику в ходе его производства. Это выполняется посредством установки шариков более крупного диаметра. Класс преднатяга влияет на изменение максимальной величины упругой деформации линейного подшипника в ходе приложения к нему нагрузки. И чем больше показатель преднатяга, тем меньшая деформация будет возникать от заданной силы. Иначе, преднатяг дает возможность усилить жесткость системы посредством приложения строго определенной постоянной дополнительной нагрузки.

Рама станка может быть сварной или сборной, либо  изготовленной методом литья.

При изготовлении методом литья создается жесткая и довольно тяжелая конструкция, к тому же, трудная в реализации для станков большого формата. В связи с этим чаще применяется в малых и средних станках или в станках, имеющих большой формат, при предъявлении к ним повышенных требований точности (фрезерных центрах обработки в области машиностроения). Применяется в станках фирмы  Suda (серия SD) и пр.

Стальная рама сборная-сварная является наиболее популярной конструкцией,  сочетающей в себе высокую жесткость и простоту исполнения, если сравнивать с  литой. Однако, жесткость конструкции при этом гораздо меньше. Яркий представитель — станки Suda (серия VG), Woodpecker (серия CAMARO) и пр.

Легкая стальная рама или сборная алюминиевая – это максимально  простая по реализации конструкция, однако в ней трудно достигнуть высокой жесткости, как на литых конструкциях и конструкциях сварного типа. Часто подобные конструкции применяются в недорогих станках, однако встречаются и в более дорогостоящих машинах (к примеру, германский станок VHFСАМ 2030 activepro, представленный фирмой BALTEXIМ на выставке «Реклама-2009»).

Что следует учесть при выборе рамы станка? Основная масса  фрезерных станков имеет известную закономерность: чем это более тяжелая и  жесткая  конструкция, тем более незначительной вибрации будет подвергаться станок,  и, как следствие, будет обладать большей точностью. Именно поэтому чаще всего предпочтение отдают литым конструкциям, а в случае большого формата  — стальным сварным  конструкциям, поскольку литые сборные являются сложными в исполнении, а поэтому редко применяются в крупноформатных станках.

 2. Реализация станков: напольные и настольные модели

Напольные модели (основная масса китайских станков крупного и среднего форматов).

Положительные моменты:

— увеличенная масса станка, стандартные опоры, изготовленные в заводских условиях, дают гарантию повышенной устойчивости оборудования к различным вибрациям, что ведет к повышению точности станка, по сравнению  с настольными конструкциями;

— традиционные напольные станки имеют большую  жесткость конструкции, что существенно  увеличивает показатель точности станка.

Отрицательные моменты:

— крупные габариты станка делают более сложными такелажные работы, хотя стоит сказать, что множество станков напольного типа оснащены отвинчивающейся подставкой, что значительно уменьшает их размеры при необходимости перемещения.

Настольные модели (к ним относятся все модели Roland, основная масса китайских малоформатных станков  и пр.).

Положительные моменты:

-небольшие габаритные размеры и масса существенно упрощают такелажные работы;

— компактность – возможность устанавливать на любом удобном рабочем месте.

Отрицательные моменты:

— невысокая виброустойчивость, если сравнивать с большими, тяжелыми напольными конструкциями;

— зависимость устойчивости станка от стола-подставки для него.

Особенности выбора станков исполнения следующие: оптимальным вариантом считаются напольные конструкции, независимые от вибраций стола, на котором они располагаются. К тому же, напольные конструкции, как правило, выше.

 3.  Подвижный или неподвижный портал станка

 Неподвижный портал

Положительный момент – отсутствие вибрации шпинделя при передвижении по оси Y.

 Подвижный портал:

Положительный момент – отсутствие вибрации стола при передвижении по оси Y.

Следует учесть тот факт, что неподвижный портал для трех и более станков координатного типа подразумевает подвижность рабочего стола. Следовательно, выбирая станок, мы определяемся, что является более критичным  — вибрация портала или вибрация стола. Основываться можно на сравнении веса стола и портала (инерционности элементов). Подвижный портал применяют для больших размеров стола, при малых форматах чаще используют подвижный стол. На практике производители обеих систем стремятся получить минимальную  вибрацию и погрешности, связанные с ними.

Особенности выбора подвижности портала следующие. Проще исходить из взаимной массы подвижных частей станка: часть с меньшим весом имеет меньшую инерцию,  а значит, способна внести  минимум погрешности в перемещения.  Фрезерно-обрабатывающие центры с тяжелым шпинделем и небольшим размером рабочего стола, а также граверы малого формата следует оснащать системами  с подвижным столом. Для станков крупного формата необходимо применять станки с подвижным порталом.