Точность станков в ненагруженном состоянии называют геометрической. В зависимости от точностной характеристики станки с ЧПУ подразделяют в порядке возрастания точности на четыре класса: нормальной Н ; повышенной П ; высокой В ; особо высокой А .

Станки повышенной точности отличаются от станков нормальной точности в основном более точным выполнением или подбором деталей, а также отдельными особенностями монтажа и эксплуатации у потребителей. Они обеспечивают точность обработки в среднем в пределах 0,6 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки с ЧПУ высокой точности класса В обеспечивают точность обработки в пределах 0,4, а станки класса А - в пределах 0,25 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки классов В и А получают в результате специального конструктивного исполнения, их узлов и элементов, а также высокой точности изготовления.

При проверке норм точности станков устанавливают* точность геометрических форм и относительного положения опорных поверхностей, базирующих заготовку и инструмент; точность движений по направляющим рабочих органов станка; точность расположения осей вращения и траекторий перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно базирующих поверхностей; точность обработанных поверхностей образца; шероховатость обработанных поверхностей образца.

Проверка точности

Точность станков с ЧПУ выявляется дополнительно следующими специфическими проверками: точностью линейного позиционирования рабочих органов; величиной зоны нечувствительности, т. е. отставанием в смещении рабочих органов при смене направления движения; точностью возврата рабочих органов в исходное положение; стабильностью выхода рабочих органов в заданную точку; точностью отработки круга в режиме круговой интерполяции; стабильностью положения инструментов после автоматической смены.

При проверках выявляют как точность, так и стабильность, т. е. многократную повторяемость прихода рабочих органов в одно и то же положение, причем зачастую стабильность важнее для достижения точности обработки на станках с ЧПУ, чем сама точность.

Общая допускаемая ошибка при позиционировании рабочих органов Δ р = Δ + δ.

Исходя из допускаемых отклонений, наибольшая погрешность в отработке перемещения, например, длиной в 300 мм по осям X и Y для станка класса П составит 17,2 мкм, а для станка класса В - 8,6 мкм.

Для сохранения станком точности в течение длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности почти на все проверки при изготовлении станка, по сравнению с нормативными, ужесточают на 40 %. Тем самым завод-изготовитель резервирует в новом станке запас на износ.

Работая в автоматическом или полуавтоматическом режиме станок с ЧПУ прежде всего должен обеспечить точность изготовляемых деталей, которая зависит от суммарной погрешности. Суммарная погрешность в свою очередь складывается из ряда факторов:

Точность станка;

Точность системы управления;

Погрешности установки заготовки;

Погрешности наладки инструментов на размер;

Погрешности наладки станка на размер;

Погрешности изготовления инструмента;

Размерный износ режущего инструмента;

Жесткость системы СПИД.

Под точностью станка понимают, прежде всего, его геометрическую точность, т.е. точность в ненагруженном состоянии. Различают станки четырех классов точности: Н (нормальной), П (повышенной), В (высокой), А (особо высокой). При проверке станков на соответствие нормам точности выявляют точность геометрических форм и положения базовых поверхностей, точность движений по направляющим, точность расположения осей вращения, точность обработанных поверхностей, шероховатость обработанных поверхностей.

Точность станков с ЧПУ характеризуют дополнительно следующие специфические проявления: точность линейного позиционирования рабочих органов, величина зоны нечувствительности, т.е. отставание при смене направления движения, точность возврата, стабильность выхода в заданную точку, точность в режиме круговой интерполяции, стабильность положения инструмента после автоматической смены.

Следует отметить, что для станков с ЧПУ стабильность выхода рабочих органов в заданную точку часто важнее чем сама точность станка. Для сохранения точности станка в течении длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности при изготовлении станка по сравнению с нормативными ужесточают на 40%, резервируя тем самым запас на изнашивание.

Точность системы управления. Точность системы управления, прежде всего, связывают с работой в режиме интерполяции – режим при котором система осуществляется управления одновременно несколькими осями. Отклонения, связанные с работой интерполятора не превышают цены дискреты. Для современных станков с ценой единичных импульсов 0,001-0,002 мм погрешность является незначительной, но проявляется в виде отклонений микрогеометрии, т.е. шероховатости.

Весьма существенными могут оказаться погрешности, не зависящие от работы интерполятора, но проявляющиеся в режиме интерполяции. Их причиной является систематическая ошибка в передаче движения приводами подач. Эти ошибки возникают в кинематической цепи двигатель привода подач – редуктор – ходовой винт – датчик. При движении по одной оси такие ошибки проявляются виде неравномерности движения рабочих органов и практически не влияют на результат обработки. Однако при движении по нескольким осям неравномерность движения даже по одной оси приводит к погрешности обработки виде волнистости обработанной поверхности.

Погрешности установки заготовок. Погрешность установки определяется суммой погрешностей базирования и закрепления. Погрешность базирования возникает вследствие несовмещения установочной базы с измерительной. На станках с ЧПУ имеется возможность достижения более высоких точностей, когда за один установ обрабатывают измерительные базы и все поверхности, размеры которых отсчитаны от этих баз.

При закреплении заготовок возможны ее смещения под действием зажимных сил. Смещение заготовки из положения определяемого установочными элементами приспособления, происходит вследствие деформаций отдельных звеньев цепи: заготовки, установочных элементов, корпуса приспособления. В связи с неоднородностью качества поверхностей и нестабильностью удельных нагрузок компенсировать возникающие деформации при помощи коррекции инструмента невозможно.

Погрешности наладки инструментов на размер. При наладке инструмента на размер вне станка независимо от точности используемого прибора возникают погрешности. Эти отклонения определяются погрешностью самого прибора и погрешностью закрепления налаженного на размер инструмента. Такую погрешность компенсируют после пробного прохода.

Погрешности наладки станка на размер. Наладка станка на размер заключается в согласованной установке налаженного на размер режущего инструмента, рабочих элементов станка и базирующих элементов приспособления в положение, которое с учетом явлений происходящих в процессе обработки, обеспечивает получение требуемого размера. Погрешность наладки станка возникает вследствие того, что невозможно расположить рабочие элементы станка и инструменты точно в расчетное положение. Для обеспечения требуемой точности изготовления наладчик использует пробные ходы. Под регулировкой установочного размера понимают восстановление установочного размера, изменившегося вследствие размерного изнашивания инструментов или температурной деформации системы. Для того чтобы сократить количество подналадок на протяжении обработки партии деталей необходимо правильно выбрать установочный размер. Рекомендуется установочный размер выбирать таким образом, чтобы он отстоял от нижней или верхней границы поля допуска на 1/5 поля. Ближе к нижней границе следует налаживать инструменты при обработке наружных поверхностей, а ближе к верхней при обработке внутренних поверхностей.

Погрешности изготовления инструмента. При фасонной токарной обработке поверхность формируется различными точками, лежащими на закругленной части резца. Современные УЧПУ позволяют программировать коррекцию на радиус инструмента. При отсутствии такой возможности необходимо радиус закругления при вершине резца учитывать при составлении программы обработки. Необходимо помнить о том, что для режущий инструмент изготавливают с некой допустимой погрешностью, которую также необходимо учитывать при программировании обработки.

Размерный износ режущего инструмента. В процессе обработки режущий инструмент подвержен изнашиванию, что в свою очередь влияет на погрешность обработки. Критерием износа является размер площадки износа по задней грани. Изнашивание инструмента вносит в первоначальную наладку систематическую погрешность т.е. действительный размер обработанной поверхности выходит за пределы поля допуска, через некоторый интервал времени, требуется подналадка. Период подналадки зависит от интенсивности изнашивания инструмента. Коррекция (подналадка) на износ инструмента может быть автоматической или ручной. При ручной коррекции оператор вносит изменения в наладку через определенный интервал времени, а при автоматической коррекцию размера осуществляет система ЧПУ по программе.

Жесткость системы СПИД. Упругие деформации. Как отмечалось ранее, система СПИД представляет собой упругую систему. Под жесткостью упругой системы понимают ее способность оказывать сопротивления деформирующему действию. При недостаточной жесткости под действием сил резания происходит деформация системы СПИД, что вызывает погрешности формы и размеров обработанной поверхности. Погрешности связанные с недостаточной жесткостью системы тем выше, чем выше нагрузки (т.е. чем больше силы резания). Для уменьшения указанных погрешностей необходимо уменьшить размер снимаемого за один проход слоя металла. Необходимо отметить, что станки с ЧПУ как правило имею жестокость на 40-50% выше чем универсальное оборудование, что позволяет вести обработку за меньшее количество проходов.

Тепловые деформации и деформации от внутренних напряжений заготовки. В процессе работы оборудования происходит нагрев всех элементов и узлов станка. Эти деформации весьма существенны, например нагрев стального стержня длиной 1м на 1º С приводит к удлинению его на 11 мкм.

Тепловые деформации протекают интенсивно в начальный период работы станка после чего величина деформации стабилизируется и не влияет на дальнейшую работу. Изменения протекающие в начальный период могут значительно повлиять на точность обработки, поэтому необходим прогрев станка до начала обработки деталей. Также следует избегать продолжительных остановок оборудования.

Тепло, выделяемое в зоне резания, способствует нагреву заготовки, особенно при многопроходной черновой обработке на высоких скоростях резания. При этом происходит ее деформация. Для того, чтобы получить высокую точность необходимо перед началом чистовой обработки обеспечить охлаждение заготовки. Для этих целей применяют обработку с использованием СОЖ, а при обработке нескольких заготовок (на многоцелевых) станках используют также рациональную схему обработки, при которой осуществляется выдержка времени на стабилизацию температуры. Кроме того, высокоточные станки устанавливают в термоконстантных помещениях.

Заготовкам присущи внутренние напряжения, образующиеся при неравномерном охлаждении отдельных частей заготовки при их изготовлении. С течением времени внутренние напряжения выравниваются, а заготовка деформируется. Особенно активно протекает процесс деформации после снятия поверхностных слоев, имеющих наибольшие напряжения. Для уменьшения воздействия таких деформаций следует разделять черновые и чистовые деформации, а для получения высокоточных деталей следует между черновой и чистовой операцией выполнять естественное или искусственное старение.

Обработка металла с высокой (прецизионной) точностью требует особого подхода для изготовления станочного оборудования. Все прецизионные станки делятся на классы по степени предельной точности, с которой они способны обрабатывать детали:

• Станки класса А (особо высокая точность).
• Класс B (оборудование высокой точности).
• Класс C (станки особой точности).
• Станки класс П (повышенная точность обработки).

Прецизионное оборудование обеспечивает обработку деталей идеальной геометрической формы, особо точным пространственным расположением осей вращения. Станки позволяют получить шероховатость поверхности до одиннадцатого класса чистоты. Параметры изготовления, при определенных условиях, достигают значений характерных для первого класса чистоты.

Для достижения таких показателей необходимо применение станочных узлов и агрегатов, изготовленных по соответствующим стандартам, имеющих минимальные погрешности при их производстве . Особое значение придается используемым подшипникам. На прецизионных станках по металлу используются гидродинамические и аэростатические подшипники высокого класса изготовления.

При работе металлообрабатывающего оборудования происходит большое выделение тепла, воздействующее как на узлы станка, так и на заготовки. При этом и те, и другие испытывают механические деформации, приводящие к снижению точности изготовления. В высокоточных станках реализована функция активного отвода тепла, препятствующая геометрическим отклонениям элементов станка и деталей. Понижение уровня нежелательных вибраций также способствует точности изготовления.

Основы теории высокоточной обработки металла

Современный металлорежущий станок можно рассматривать как некую систему из трех составляющих: измерительной, вычислительной, исполнительной. Ни одна из них несовершенна, каждая вносит погрешности в точность изготовления.

Точность измерительной части зависит от показаний применяемых датчиков. Точность измерения повышается с применением более совершенных датчиков - измерительных устройств. Сегодня подобные устройства способны отслеживать размеры до нескольких нанометров.

Исполнительная точность непосредственно зависит от узлов и агрегатов станка. Чем выше будут параметры составляющих оборудования, тем меньшая сложится окончательная погрешность.

К погрешностям металлообрабатывающих станков относятся:

• Геометрические , зависящие от качества изготовления комплектующих станка и их сборки. От этого зависит точность расположения относительно друг друга рабочего инструмента и заготовки в процессе обработки.
• Кинематические погрешности зависят от соответствия передаточных чисел в механизмах станка. Кинематические цепи особое влияние оказывают на точность изготовления зубчатых элементов, резьбы.
• Упругие погрешности определяются деформациями станка. В процессе резания происходит отклонение, под действием возникающих сил, взаимного расположения инструмента и заготовки. В прецизионных станках, для борьбы с такими проявлениями, создают особо жесткие конструкции.
• Температурные . Неравномерный нагрев узлов станка приводит к потере начальной геометрической точности, снижая качество изготовления.
• Динамические погрешности объясняются относительными колебаниями рабочего инструмента и заготовки.
• Погрешности изготовления и установки режущего инструмента.

Двигатели, редукторы содержат подвижные части, имеющие люфты, поверхности скольжения со временем претерпевают износ - все это непосредственно влияет на качество обработки. Такое понятие,

как точность позиционирования системы «станок - деталь», напрямую зависит от исполнительной точности.

Некоторые способны обрабатывать детали с точностью до 0,0002 мм, при частоте вращения шпинделя 15000 об/мин. Такие показатели имеют и оборотную сторону. Стоимость оборудования значительно выше по сравнению с обычными станками. Это является следствием применения новейших наукоемких технологий при изготовлении станков. В качестве примера можно указать использование аэростатических направляющих, где суппорт с рабочим инструментом скользит на расстоянии в несколько микрон от поверхности. То есть фактически находится в «воздухе».

Современный прецизионный шлифовальный станок - это автоматизированный комплекс, позволяющий обрабатывать детали с точностью до 0,01 мм . Служит для заточки инструментов из алмазов, твердых сплавов, инструментальной стали. Ультрапрецизионные шлифовальные станки способны обрабатывать внутренние и внешние поверхности детали за одну установку. Прецизионный сверлильный станок обладает жесткой конструкцией, оборудован цифровой индикацией, отображающей параметры сверления.

Общим для всех типов прецизионных станков является использование в приводах фрикционных передач. При этом повышается качество изготовления, упрощаются кинематические цепи. Более высокий КПД снижает себестоимость работ.

Критерий жесткости в машинах наряду с критерием прочности является одним из важнейших. Его роль непрерывно растет, с одной стороны, в связи с повышением требований к точности, с другой стороны, в связи с отставанием роста модуля упругости материалов от роста их прочностных характеристик. В станкостроении критерий жесткости имеет особо большое значение, так как наряду с геометрической и кинематической точностью жесткость станков обуславливает точность обработанных деталей.

Под точностью обработки понимается степень соответствия формы и размеров детали формам и размерам, заданным чертежом. Полное их соответствие может быть у идеальной детали с абсолютно точными размерами и геометрически правильными поверхностями. Однако, реальные детали никогда в точности не соответствуют заданным, всегда есть отклонения. Поэтому принято точность характеризовать величиной погрешности, т. е. отклонением реальной детали от заданной. Соответственно различают погрешности формы деталей и размеров. Погрешность формы представляет ошибку взаимного расположения поверхности детали. Это может быть не прямоугольность, не плоскостность и не прямолинейность кромок, а также их не параллельность. Цилиндрические детали могут быть выполнены конусными, овальными, бочкообразными.

Учитывая, что значительная номенклатура деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов, в связи, с чем удельный вес погрешностей обработки, вызываемых недостаточной жесткостью в балансе точности станка возрастает.

Под жесткостью системы станка вдоль данной оси понимают отношение составляющей силы резания по этой оси к упругому перемещению в этом же направлении от равнодействующей силы резания. Упругие деформации приводят к неправильному контакту деталей и к резкому ухудшению их совместной работе. Важнейшим условием хорошей работы подшипников, зубчатых и червячных передач является малость концентрации нагрузки, определяемая упругими деформациями валов.

Определение показателя жесткости является также актуальной задачей при входном контроле вновь приобретаемого металлорежущего оборудования и для оценки качества станков после ремонта и модернизации.

Узлы работающего станка подвергаются воздействию сил резания, трения, инерции; сил, вызываемых весом обрабатываемых заготовок и технологической оснастки; сил, возникающих при закреплении заготовок. Под действием этих сил возникают упругие деформации деталей, входящих в узел, и деформации стыков. Соответственно различают собственную и контактную жесткость.

Узлы станка, несущие заготовку и инструмент, являются основными узлами, определяющими их взаимное расположение в процессе обработки под действием вышеуказанных сил, и определяют точность обработанных деталей. Поэтому жесткость основных узлов определяет жесткость станка в целом.

Для станков токарной группы с ЧПУ ГОСТ устанавливает в качестве показателя жесткости относительное перемещение под нагрузкой закрепленной на шпинделе оправки относительно револьверной головки.

При статическом методе испытания на жёсткость нагрузки, действующие на оправку в шпинделе и револьверную головку, имитируются приближенно, так как при этом не создаётся крутящий момент и осевая составляющая силы резания.

Нагружение системы силой Р производится в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя, под углом 60° к направлению поперечной подачи.

При испытаниях токарных станков на жесткость производят искусственное нагружение, имитирующее результирующую составляющих сил резания Pz , Py, Px. Статическое нагружение создают специальным устройством, конструкция и техническая характеристика которого должна соответствовать типу и размеру станка.

Относительные перемещения измеряют индикатором часового типа (МИГ) с ценой деления 1мкм и диапазоном измерения, превышающим в 1.5-2 раза предельно допустимое значение этих перемещений.

Список литературы

1. Испытания и исследования металлорежущих станков: методические указания к лабораторным работам / сост. Ю. В. Кирилин. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. - 48 с.
2. Металлорежущие станки и автоматы. Учебник для ВУЗов. Под ред. А.С.Проникова - М.: Машиностроение. 1981г.
3. Ресурсы сети Internet.

В этой статье представлены теоретические рассуждения на этапе подготовки к созданию . Без этих знаний не стоит приступать к его созданию, поэтому статья рекомендуется к прочтению тем, кто еще только планирует построить свой станок с ЧПУ. Спустя полтора года с момента ее опубликования, я написал следующую статью для тех, у кого уже есть сам станок. Она называется . В ней я расскажу о методике измерения точности и о выводах, которые следуют после измерений.

Начну с того, что для домашнего производства станок с ЧПУ является просто незаменимым оборудованием. Поэтому я и решил собрать фрезерный станок с ЧПУ своими руками. Дело это нелегкое и, надо сказать, крайне затратное. На данный момент потраченная на создание станка сумма уже приближается к стоимости готового станка. Но для меня это не было секретом — об этом везде и часто пишут. Просто когда делаешь фрезерный станок с ЧПУ своими руками, то по неволе будешь досконально знать все тонкости: как он работает, как его настроить, какие шаги предпринять, чтобы повысить его точность, скорость обработки и другие параметры. В общем, с головой окунаешься в технологическую среду станкостроения.

В данной статье на ТехноБлоге Dimanjy пойдет речь о точности станка с ЧПУ в зависимости от выбора типа передачи, шаговых двигателей и режимов их работы.

Совсем немного теории. Если вы уже интересовались фрезерными станками с ЧПУ, то наверняка знаете, что они состоят из режущего/фрезерующего инструмента (шпиндель с установленной фрезой) и системы линейных перемещений инструмента, т.е. системы, обеспечивающей автоматическое перемещение инструмента в пространстве. Именно так станок с ЧПУ сам выпиливает заданную деталь.

Система линейных перемещений станка строится (обычно) на базе шаговых двигателей. Здесь я буду рассматривать именно станки с ЧПУ, собранные своими руками, а не дорогие промышленные образцы, на которых могут стоять гораздо более дорогие промышленные серво-двигатели. А собирая станок своими руками обычно стараются придерживаться минимального бюджета. Именно бюджетным вариантом является использование шаговых двигателей.

Идем далее. Задача системы линейного перемещения на базе шаговых двигателей состоит в преобразовании вращательного движения ротора двигателя в поступательное (линейное) движение каретки, к которой крепится инструмент. Существует два вида преобразователей: передача винт-гайки (и ее разновидности) и зубчатые передачи (зубчатые ремни или рейки).

Выбирая тип передачи (винтовая или зубчатая), конструктор руководствуется задачами, которые стоят перед станком, требованиями точности и доступности тех или иных материалов. В общем случае, винтовая передача обеспечивает более высокую разрешающую способность станка, чем зубчатая передача, но уступает последней в скорости перемещения инструмента. Если вам нужен станок, способный фрезеровать ювелирные украшения, то он скорее всего должен быть построен на винтовых передачах, но он будет медленный. Если вы хотите выпиливать много и быстро не мелких деталей (относительно ювелирки), то строить его желательно на зубчатых передачах. Но на нем нельзя будет делать что-то очень мелкое, т.к. его разрешающая способность не позволит. Давайте теперь немного посчитаем на конкретных примерах.

Расчеты начинаются с шагового двигателя, у которого есть такой параметр, как число шагов на один полный оборот. Для самодельных станков с ЧПУ обычно применяют шаговые двигатели, имеющие 200 шагов на один оборот (360° / 200 = 1.8°). Шаговые двигатели могут работать в режиме полушага и делать 400 шагов на оборот. Теперь попробуем переложить это число на винтовую и зубчатую передачи, и посмотреть, какой теоретической разрешающей способности можно добиться от них при использовании одного и того же шагового двигателя. Здесь и далее я буду говорить именно о разрешающей способности, а не о точности, хотя нередко люди путают эти понятия и под «точностью станка с ЧПУ» подразумевают именно его разрешающую способность.

Итак, какое же разрешение можно получить на винтовой передаче, имея шаговый двигатель с 400 полушагами на один оборот? Винтовая передача имеет такой параметр, как шаг резьбы. Пусть шаг резьбы у винтовой передачи будет 2 мм (именно такой шаг делают на обыкновенных строительных шпильках). Т.е. гайка, накрученная на этот винт за полный оборот переместится на 2 мм. Если приделать к винту шаговый двигатель и покрутить им винт, то получится, что за один полушаг двигателя винт переместит гайку на 2мм/400 = 0.005 мм! или 5 микрон! Невероятно! С таким разрешением тульский Левша не только подковал бы блоху, но и набил бы ей татуху!

Однако представьте, теперь, что при помощи такой винтовой передачи нам нужно переместить инструмент на 20 см. Это 100 оборотов винта или 100 х 400 = 40.000 полушагов. Скорости шаговых двигателей обычно относительно небольшие — 50 оборотов в минуту это уже достаточно быстро для шаговика. Значит чтобы переместить инструмент на 20 см, сделав 100 оборотов, надо ждать целых 2 минуты! Катастрофа!

Посмотрим теперь на точность зубчатого ремня. Точнее, разрешающую способность, которой можно добиться используя передачу на зубчатом ремне. В самодельных станках с ЧПУ часто применяют зубчатые ремни с шагом зубьев 5.08 мм. На ротор шагового двигателя одевается шкив, который также имеет определенное число зубьев, входящих в зацепление с зубчатым ремнем. Для примера расчетов возьмем шкив на 12 зубьев. Получается, что за полный оборот шагового двигателя (400 полушагов) зубчатый ремень пройдет 12 х 5.08 = 61 мм. Значит на один полушаг приходится 61 / 400 = 0.15 мм.

Да уж! Тут микронами и не пахнет, и даже в «десятку» (одну десятую миллиметра) не укладываемся. Но задайте себе вопрос, будете ли вы создавать детали, у которых элементы (например, соседние отверстия) будут располагаться друг к другу ближе чем на 1 мм? И теперь представьте, как быстро будет перемещаться инструмент вашего станка с ЧПУ: при 50 оборотах в минуту передача на зубчатом ремне передвинет инструмент на 61 х 50 = 3000 мм или 3 метра! за минуту. Это вам не 10 см в минуту на винтовой передаче!

Здесь вы бы могли мне возразить, особенно если изучаете вопрос создания станков с ЧПУ своими руками достаточно длительное время, потому как в сети есть умельцы, которые разгоняют шаговые двигатели до космических скоростей. Я встречал упоминания чуть ли не о 500 оборотах в минуту! С такой скоростью можно и винтовую передачу крутить достаточно быстро. Теоретически, да… Но на практике шаговый двигатель очень сильно теряет свой момент при увеличении скорости вращения. Он вообще не предназначен для быстрого вращения — для этого существуют другие типы двигателей.

С самого начала, когда я только приступил к изготовлению станка с ЧПУ своими руками и начал описывать этот процесс в своем ТехноБлоге Dimanjy, я также решил использовать винтовую передачу. Набрал в ближайшем магазине строительных шпилек по 100 рублей, заказал для них гайки из капролона, купил на базаре подшипники, выточил на них держатели… Но когда я все это хозяйство собрал в единую конструкцию, то провернуть руками винт передачи просто не смог! Строительные шпильки все кривые — дают биение до 2мм на 1 метре длины. Подшипники отцентровать в домашних условиях просто нереально, поэтому ни о какой соосности речи быть не могло. Спрашивается, как это все будет вращать бедный шаговый двигатель? А никак!

После первого неудачного эксперимента я решил-таки обратить внимание на промышленные элементы передач для станков. Начал сравнивать их и прикидывать стоимость.

Винтовая передача требует высокоточные винты, подшипники на каждый винт с двух сторон, держатели для подшипников и гайку передачи на каждый винт. Но винты надо как-то вращать, поэтому на шаговые двигатели нужны еще специальные муфты, а еще лучше — те же зубчатые ремни и два шкива: один на двигатель, один на ходовой винт. В общем — уйма деталей, да еще и большой головняк при настройке, не говоря о изначально повышенных требованиях к станине будущего станка для соблюдения соосности при установке держателей винтов. Двойной ценник с заведомо непредсказуемым результатом. Нафик-нафик!

Передача на зубчатом ремне оказалась наиболее бюджетным вариантом. Для самодельного станка с ЧПУ нужен только сам зубчатый ремень, шкивы для него на шаговые двигатели и по два натяжных ролика в комплект к шкиву. Натяжные ролики я сделал из обычных подшипников. Настройка зубчатого ремня сводится только к его натягу — просто чтобы не болтался.

Итак решено — делаю на зубчатом ремне. Закупил комплектующие, переделал станину, установил шаговые двигатели и ремни. И вуаля — все зашуршало, и довольно бодро! Двигатели не испытывали никаких трудностей при перемещении много-килограммовой станины вместе с увесистым шпинделем. Все недочеты сборки и мелкую кривизну передача на зубчатом ремне сглаживает за счет собственной эластичности. Однако малое разрешение в 0.15 мм никак не давало мне покоя. Конечно всегда хочется большей точности, и я начал поиски путей ее увеличения.

Первое, что приходит на ум — использовать редуктор. Но это влечет к усложнению конструкции, ее удорожанию и, опять-таки, снижению скорости! А можно как-то повысить разрешающую способность самодельного станка с ЧПУ при сохранении прежней скорости перемещений? Оказалось, что теоретически такое возможно. Решение нашлось в способе управления шаговым двигателем.

Все дело в том, что шаговый двигатель может работать не только в полношаговом или полушаговом режиме. Специальным образом управляя током в обмотках двигателя можно добиться так называемого «микрошагового» режима работы двигателя. При этом есть возможность раздробить один полный шаг на множество более мелких шагов, получая 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 шага и даже больше! Уже при 1/4 шага разрешение станка с ЧПУ на ременной передаче повышается в 2 раза с 0.15 до 0.075 мм, при 1/8 — до 0.04 мм, при 1/16 — до 0.02 мм. Это уже кое-что!

Однако тут кроется небольшая проблема. Дело в том, что производители не гарантируют работу двигателя в микрошаговом режиме. Кроме того, разные шаговые двигатели ведут себя в режиме микрошага по-разному, и нигде не описывается характеристика конкретного двигателя в микрошаговом режиме. Оно и понятно — этот режим в принципе не предусматривался при разработке шагового двигателя, который по сути является конечным автоматом с четко определенными состояниями, свойственными цифровой технике (1 — шагнули, 0 — стоим на месте). Микрошаговый режим — это попытка аналогового управления двигателем, изначально рассчитанным на «цифровой» сигнал.

В микрошаговом режиме шаговый двигатель раскрывает перед нами всю свою аналоговую нелинейность, свойственную всему сущему в нашем мире. Если ток в одной из обмоток зафиксировать, а во второй плавно поднимать от нуля до того же уровня, то ротор двигателя, вопреки ожиданиям, не станет плавно перемещаться. При величине тока во второй обмотке порядка 50% от тока первой шаговый двигатель вообще не движется. От 50 до 70% ротор оживает и начинает еле заметно проворачиваться, а от 70 до 100% проворачивается уже в три раза быстрее. Т.е. зависимость угла поворота от величины тока в обмотке близка к экспоненциальной. Такая картина характерна для мощных гибридных шаговых двигателей, применяемых в самодельных станках с ЧПУ. Если же взять маломощный шаговый двигатель от старого принтера, то там зависимость уже другая, почти линейная. И так для каждого двигателя. Разные двигатели — разные характеристики для микрошагового режима.

На рынке широко представлены контроллеры шаговых двигателей с поддержкой микрошагового режима, но в них для его реализации применяется обычная таблица синусов, которая совершенно не учитывает нелинейность и индивидуальные особенности каждого конкретного двигателя. Какой прок от такого кривого микрошага? Как ни странно, но прок есть даже от такого. Все дело в том, что в обычном режиме полного шага или полушага шаговые двигатели сильно вибрируют. Наступает механический резонанс, который заставляет вибрировать и громыхать весь станок, что крайне негативно может сказаться на точности. Если же каждый шаг, поступающий из управляющей программы разделить на микрошаги и подать их на двигатель, то перемещение станет значительно плавнее и тише. Но фиксации двигателя в микрошаговом положении такие контроллеры не обеспечивают, потому как положение ротора в этом промежуточном состоянии совершенно не предсказуемо для обычного микрошагового контроллера.

Давайте теперь представим, что контроллер откуда-то знает о нелинейности характеристики шагового двигателя, и вместо стандартной таблицы синусов, записанной в его памяти, он будет выбирать значения для токов обмоток из специальной индивидуальной таблицы, составленной под конкретный двигатель. Тогда микрошаговый режим можно будет использовать не только для снижения резонанса, но и для реального увеличения разрешающей способности станка с ЧПУ!

Но как же передать в контроллер шагового двигателя эту волшебную таблицу, рассчитываемую индивидуально под каждый двигатель? Решить эту задачу нам поможет предварительная калибровка шагового двигателя и специальный контроллер, поддерживающий работу с этой калибровочной таблицей! Такой я как раз в данный момент и разрабатываю. На моем ТехноБлоге Dimanjy вы можете следить за ходом его разработки и последними обновлениями.

Я решил осуществлять оптическим методом с использованием обычной лазерной указки, жестко установленной на ротор шагового двигателя, но об этом читайте в моей следующей статье на ТехноБлоге Dimanjy.

Также я начинаю цикл статей о том, как создать , потому как у меня уже появились некоторые результаты в этом направлении. Следите за обновлениями!