Search in topic

Самоустнавливающиеся винтовые приводы для станков с ЧПУ

Рад, что страсти, наконец, улеглись.
Консенсус - не консенсус, но все успокоились. Те, кто решительно не приемлет принцип самоустанавливаемости, поняли, что им ничто и никто не угрожает и что они спокойно могут продолжать строить свои станки так, как привыкли. И что прявлять заботу о собратьях, которые вдруг могут “сбиться с пути праведного”, не стоит. Хотят попробовать, - флаг им в руки, как сказал в соседней теме Граф.

А те, кому этот принцип показался сисмпатичным, но дорогим или слишком сложным, поняли, что можно найти и не сложые и не дорогие решения. Такие, например, как последний вариант карданного подвеса и самоустанавливающейся опоры винта с упорными подшипниками.

Сейчас мало свободного времени. Но надеюсь, вскоре предложить здесь еще одно интересное, на мой взгляд, решение привода. На этот раз с вращающейся гайкой. В нем будут учтены все высказанные до сих пор существенные замечания и мои сосбтевенные новые знания, почерпнутые в этой дискуссии, за что всем спасибо!

Отыскал добротный каталог по ШВП одесского завода «Микрон». Не знаю, каково реальное качество этих ШВП по сравнению с продукцией SKF, но каталог явно лучше. Там скрытая хвала своих изделий и поругание продукции конкурентов, а здесь точная и исчерпывающая информация о конкретных характеристиках.

Так что, в дальнейшем буду предлагать конструктивные решения на основе комплектующих из этого каталога.

А пока привожу две таблицы, как аргумент в споре о целесообразности применения принципа самоустанавливаемости в самодельных станках с ЧПУ.
Обращаю ваше внимание на то, что в таблицах приведены параметры точности, заявляемые заводом. Чтобы эти параметры были сохранены на реальном станке, необходим тот же порядок точности взаимного положения посадочных мест под гайку на суппорте и под опоры винта на портале или на станине.
Прошу оценить, насколько это реально. Особенно прошу это сделать Бывшего механика, как человека, знающего толк в допусках на мехобработку и в возможностях технологического оборудования, на котором эта обработка может быть выполнена.
Отмечу, что самоустанавливающаяся конструкция без особых ухищрений и гораздо дешевле обеспечивает практически полное сохранение исходной заводской точности ШВП.

Прошу оценить, насколько это реально.

Уважаемый Даниил, сохранить точность винтовых пар совершенно реально.
Просто эту задачу нужно рассматривать в общем контексте работы над
конкретным станком с привязкой к его размерам, весу, требуемой точности,
параметров направляющих и так далее.

Точная установка гайки и опор подшипников это не только мехобработка
с определенными допусками, но и комплекс технологических операций и
комплект соответствующей им оснастки.

К примеру, никто не станет выполнять финишное крепление опор
подшипников на многотонной станине, длинной несколько метров,
без уже собранной каретки с установленной гайкой.

Каретка загоняется в крайнее положение и опора штифтуется “по месту”.
Точно так же существуют десятки и сотни, специально продуманных,
технологом по сборке, приемов, позволяющих добиться необходимой
точности даже на станках весом в десятки тонн.

Что касается формата станков, о котором идет разговор на
форумах самодельщиков, то, в условиях производства,у нас,
даже сборки из УСП , соответствующего размера, имели на порядок
большую точность, чем необходима для нормальной работы
винтовых пар.
То есть, при таких размерах станка, изготовить финишные посадочные места под гайки и опоры
сразу, не составляет ни малейшего труда.
Технологическая оснастка подобных размеров (специальная, не УСП) имела
микронную точность уже 30 лет назад.

ПС: Хочу сразу оговорится, я не призываю самодельщиков выполнять
мехобработку с микронной точностью ( не пугайтесь), для точной установки винта существуют менее затратные приемы.

На вскидку, простой прием:

Дано: станина с выставленными направляющими и выполненными привалочными
плоскостями под установку подшипников винта.

Примерные рекомендации по сборке:

1. Опоры подшипников выполняются не в станине, в специальных
   проставках .

2. Вал в сборе с гайкой подшипниками,опорами и проставками “наживляется” к
   привалочным плоскостям станины и поджимается с определенным усилием,
   позволяющим тугой поперечный ход, в пределах люфта отверстий проставок.

3. Рядом с проставками, на привалочные плоскости, закрепляюся
   специально изготовленные “уголки” с микрометрическими винтами
   (или просто с винтами с мелким шагом). На каждом “уголке” винты
   расположены взаимно перпендикулярно.

4. Поджатием винтов добиваются точного положения ходового
   вала относительно направляющих.

5. Проставки штифтуются, крепежные болты затягиваются окончательно.

6.Уголки снимаются, для дальнейшего применения.

7. Гайка крепится к столу.

Точная установка гайки и опор подшипников это не только мехобработка с определенными допусками, но и комплекс технологических операций и комплект соответствующей им оснастки.

Уважаемый Константин, спасибо за исчерпывающий ответ. Охотно соглашаюсь со всем, что Вами сказано по поводу приемов обеспечения оптимальной точности при монтаже промышленного оборудования. Однако считаю, что и там не мешает помнить про пропагандируемый мною принцип. Если Вы смотрели раздел “Неподвижные соединения” в основной статье моего сайта, Вы должны были обратить внимание на старую немецию рекомендации к тому, как следует ставить станки на фундамент. Здесь я пока об этом и заикаться не хочу, догадываясь, какой поднимется шум. Но Вы-то понимаете насколько это существенный фактор, когда дело доходит до установки оборудования в термоконстатном помещении и когда деталь идет на выброс из-за открытой форточки. На это здеь отвечать не нужно, - это нас уведет далеко в сторону.

Ваши рекомендации для самодельшиков безусловно полезны. Но только такими примемами всех погрешностей компенсировать нельзя. Микрометриченскими винтами можно выставить ось ходового винта параллельно уже выставленным напаравляющим и соосно с гайкой, если в его опорах стоят самоустанавливающиеся подшипники и тогда не понадобится плавающая гайка. Но что делать когда подшипники жесткие, а привалочные плоскости на портале или станине под корпуса подшипников неизбежно и произвольно наклонены к оси направляющих? Тут винтами не обойтись. Нужны какие-то косые прокладки и т. п. И при любой точности такой пригонки по месту, всегда останутся какие-то, пусть и небольшие, “лишние” изгибные нагрузки на винте и “перекашивающие” на его подшипникох. Не сомневаюсь, что Вы лучше меня знаете приемы и на этот случай. Но это все именно приемы, требующие изрядных навыков, каких нет у большинства самодельщиков.
Наконец, мне еще никто не ответил, как в традиционной схеме привода исходная его регулировка или пригонка по месту может устранить влияние на его работу неибежных деформаций всей системы от рабочих нагрузок.

Проставки штифтуются, крепежные болты затягиваются окончательно

По поводу штифтования. Я знаю, что это хороший прием, но не очень понимаю, как самодельшик может сделать точное отверстие под штифт в двух сопрягаемых деталях уже собранного станка. С помощью дрели? Или я чего-то здесь не понимаю? Ну да ладно с самоделками. Но вот пример из сегодняшней промышленной практики. Я специально тщательно осматривал многие заводские модули линейного перемещения, собираемые из профильных рельсовых направляющих с установленными на них каретками качения. Тут-то сам бог велел после тщательной выверки положения кареток и соединяющей их жесткой плиты ставить штифты. Но их там нет. Видимо, не потому, что изготовители модулей не понимают необходимости штифтовки. А просто потому, что заштифтовать каленый корпус каретки не так-то просто, если вообще возможно. Кстати, изготовителям этих колплектующих следовало бы делать на своих изделиях отверстия под штифты. Если не на каретках (поскольку это бесполезно), то уж на рельсах могли бы сделать. Тогда пользователь мог бы, используя эти отверстия в каленом рельсе как контуктор, сделать отверстия под штифты и в своей “сырой” плите. Но таких отверстий нет. Есть только достаточно свободные крепежные отверстия, которые позволяют выставить рельс, но надежно фиксировать его приходится какими-то другими средствами.

надежно фиксировать его приходится какими-то другими средствами.

Я уже отвечал Роману в соседней теме. Если нет возможности ( желания) штифтовать рельсу,
впрочем, как и каретку, то можно использовать специальные упоры, и их уже штифтовать.
На практике, я так думаю, призводитель направляющих подразумевал для их позиционирования,
как минимум упорные ступеньки на станине, а как максимум точные пазы с посадочными допусками.

Кстати, изготовителям этих колплектующих следовало бы делать на своих изделиях отверстия под штифты.

Вы же сами приводили как примеры, каталоги SKF, в которых можно видеть как устанавливаются рельсы. Стандартно по упорам, в качестве которых или выступы или пазы, в других случаях применют упорные болты, в третьих упорные планки, но ни у одного производителя нет способа штифтования. Это абсолютно не нужно. Так как рельсы обычно упираются в упоры противоположными сторонами, а каретки крепятся к одной детали и чаще всего с одной стороны тоже упираются в буртик. Таким образом исключается сдвиг рельс относительно друг друга.

не очень понимаю, как самодельшик может сделать точное отверстие под штифт в двух сопрягаемых деталях

Согласен, проблема имеет место. Основным узким местом дрели является биение ее шпинделя,
но не забываем, что у всех самодельщиков есть ось Z , как правило с досточно
точным шпинделем.
Вот ее в сборе и можно использовать в качестве сверлилки.
Лучше всего изготовить или купить специальное приспособление ( можно и УСП),
обеспечивающее прямой угол.
В крайнем случае изготовить направляющие втулки
(можно в виде плиты толщиной не менее трех диаметров) с резьбовыми зажимами.
Сверлить не спеша, острым сверлом с крестовой подточкой, с маслицем, сразу в размер,
естественно с припуском на развертку.
Развернуть руками.

но ни у одного производителя нет способа штифтования. Это абсолютно не нужно. Так как рельсы обычно упираются в упоры противоположными сторонами, а каретки крепятся к одной детали и чаще всего с одной стороны тоже упираются в буртик. Таким образом исключается сдвиг рельс относительно друг друга.

Думаю, что Бывший механик лучше меня мог бы Вам обяснить зачем “это нужно”, и в чем разница между штифтами и упорами, показанными на приведенной вами картинки. Левая каретка вместе с рельсом или отдельно от него может уйти влево, а правая - вправо. В этой схеме направляющих штифты могут заменить “точные пазы с посадочными допусками”. При чем эти пазы должны быть как на станине под обоими рельсами, так и на плите над обеими каретками. Можно, конечно, дополнить упоры-ступентки упорными болтами или еще какой-либо прием применить (я ведь сам писал о “других средствах”), но то, что нарисовано, штифты полноценно не заменяет. Не так ли, Константин?

Совет Вам Марат. Пореже упоребляйте слова, вроде “абсолютно не нужно”. Даже при хорошем понимании ситуации, всегда есть вероятность что-то упустить из виду. Тем более, когда и понимание хромает, лучше писать “на мой взгяд” или “мне кажется”.

как самодельшик может сделать точное отверстие под штифт в двух сопрягаемых деталях уже собранного станка

На блоке подшипников предварительно сверлят “дырки” под развёртку, затем всё это выставляют на станке и затягивают, а затем по месту дрелкой…
ну и развернуть собственно.

Но их там нет. Видимо, не потому, что изготовители модулей не понимают необходимости штифтовки

Вы правы, производители предусматривают совершенно другой способ и связан он с тем что рельса, особенно длинная, должна иметь
некоторую степень “свободы перемещения” вдоль рельсы воизбежание дополнительных напряжений, тепловых и механических в время работы.
Ведь не зря обусловленно усилие затяжки болтов!

И вопрос:
Есть две балки, одинаковой длинны и сечения, ну и материал соответственно один и тоже.
Одна лежит свободно на опорах, а вторая имеет жёстко закреплённые концы.
Пролёт одинаковый и первом, и вовтором случае.
И собственно вопрос:
Какая из балок сможет нести большую нагрузку при условии одинаковой стрелки прогиба?

то, что нарисовано, штифты полноценно не заменяет

Пара штифтов на детали, фиксирует ее на плоскости полностью, это очевидно.

воизбежание дополнительных напряжений, тепловых и механических в время работы.

На направляющих станков Вам это не грозит. Что бы почувствовать тепловые деформации,
рельса должна быть значительно длиннее.

И вопрос:

Хотел отправить Вас читать Беляева, но потом посмотрел на возраст, извините.
Ответ: очевидно, что во втором.
Где то мне попадался готовый калькулятор с
возможностью установки расчетной схемы, но с разгона не найду.

Еще можете подружится с Солидворксом там есть Симулейшн, но это
чуть дольше.

Тем более, когда и понимание хромает, лучше писать “на мой взгяд” или “мне кажется”.

“На мои взгляд” абсолютно самоустанавливающийся станок.

!

Думаю, что Бывший механик лучше меня мог бы Вам обяснить зачем “это нужно”, и в чем разница между штифтами и упорами, показанными на приведенной вами картинки.

Уважаемый! Мне ничего объяснять не надо - я более двадцати лет проработал технологом в инструментальном цехе крупного машиностроительного предприятия и это в СССР, не считая ещё многих лет в Германии. И разницу между штифтами и упорами великолепно понимаю. А вот вы видно не понимаете, что хоббисту, который сверла нормального иногда не имеет, найти штифты, а под них ещё и развёртку 2 сотки в минусе будет точно не просто.

Левая каретка вместе с рельсом или отдельно от него может уйти влево, а правая - вправо.

Ну если срежет болты крепления каретки к пластине, или порвёт саму пластину, к которой каретки прикручены. Вы пов
нимательнее посмотрите

Тем более, когда и понимание хромает

Ну да, у великих конструкторов, понимание всегда на высшем уровне!!! Смешно слушать - вроде взрослый человек…

Ок… придумывайте дальше самоустанавливающиеся станки… может когда-нибудь потомки памятник поставят!

“На мои взгляд” абсолютно самоустанавливающийся станок.

Красиво работает, а главное, все из фанеры.

я более двадцати лет проработал технологом в инструментальном цехе крупного машиностроительного предприятия и это в СССР, не считая ещё многих лет в Германии. И разницу между штифтами и упорами великолепно понимаю. А вот вы видно не понимаете, что хоббисту, который сверла нормального иногда не имеет, найти штифты, а под них ещё и развёртку 2 сотки в минусе будет точно не просто.

Искренне жму руку, но мне действительно не очевидно, как у человека,
способного потратить несколько тысяч долларов на комплектующие
станка, не найдется совсем немного на покупку сверла и развертки.

Это абсолютно не нужно. Так как рельсы обычно упираются в упоры противоположными сторонами, а каретки крепятся к одной детали и чаще всего с одной стороны тоже упираются в буртик. Таким образом исключается сдвиг рельс относительно друг друга.

Честно говоря, я бы не стал использовать каретки, как средство удержания
рельсы от смещения. Все таки у них несколько иное назначение.
Все равно там есть какой то люфт, или обязательно появится при
эксплуатации, и под действием поперечных вибраций стола,
рельса вполне может оторваться.
А если, к тому же, крепить ее к алюминиевому основанию,
как тут делают многие, то не просто может, а скорее всего
оторвется.

Вот практика точного станкостроения:

Если же направляющие требовали отдельного монтажа (были и такие узлы), то разрабатывалась специальная особо точная технологическая оснастка. Направляющие занимали свое родное место и очень “густенько” штифтовались.

А вот предположения Creolka:

производители предусматривают совершенно другой способ и связан он с тем что рельса, особенно длинная, должна иметь некоторую степень “свободы перемещения” вдоль рельсы воизбежание дополнительных напряжений, тепловых и механических в время работы. Ведь не зря обусловленно усилие затяжки болтов!

Кто тут прав, судите сами. С учетом комментариев Бывшего механика.

Какая из балок сможет нести большую нагрузку при условии одинаковой стрелки прогиба?

Не думаю, что Вы решили проверить мои познания в сопромате. Скорее всего, вопрос с подвохом. Ну, давайте.
Стрела прогиба определяется изгибной нагрузкой. На рисунке показаны эпюры изгибающих моментов, построенные на растянутых волокнах балки для двух случаев ее опирания при одинаковой нагрузке в пролете. Во втором случае картина изгибных нагрузок много благоприятнее, чем в первом. Следовательно, стрела прогиба при одинаковой нагрузке будет здесь существенно меньше. А при одинаковой стреле прогиба, балка будет нести существенно большую нагрузку.

“На мои взгляд” абсолютно самоустанавливающийся станок.

Очень похоже, что Вы правы.

Честно говоря, я бы не стал использовать каретки, как средство удержания
рельсы от смещения. Все таки у них несколько иное назначение.
Все равно там есть какой то люфт, или обязательно появится при
эксплуатации, и под действием поперечных вибраций стола,
рельса вполне может оторваться.

Ну почему нужно всё доводить до абсурда?
Мне кажется что конструктор, который будет проектировать этот узел просто посчитает максимальные усилия, которые могут быть приложены с боковых сторон и посчитает усилие сдвига, которое выдержат конкретные 16 болтов и если а) первое не превышает второе, то он применит этот конкретный частный случай крепления рельс и кареток, б) первое превышает второе, то он применит другой частный случай крепления (в каталогах производителей методов крепления достаточно приводится) и даже если и другие методы не будут отвечать требованиям, он просто перейдёт на другой типоразмер рельс и кареток, где применяются болты крепления большего диаметра.
По моему это именно так на практике и делается. Или вы делаете как-то по другому?

А если, к тому же, крепить ее к алюминиевому основанию,
как тут делают многие, то не просто может, а скорее всего
оторвется.

При тех усилиях резания, которые на хобийных станках имеются, все эти разговоры можно просто забыть.

Честно говоря, я бы не стал использовать каретки, как средство удержания
рельсы от смещения. Все таки у них несколько иное назначение.

Если типоразмер кареток (по динамическим нагрузкам) выбран в соответствии с максимальными нагрузками, то ничего страшного в этом не вижу.

Что бы почувствовать тепловые деформации,
рельса должна быть значительно длиннее.

Из теории и практики для стали усреднённо удлинение будет 13 микрон на метр на градус.
При длине рельса 1м и повышении температуры в помещении где работает станок на 5 градусов рельс удлинится на 6 соток. При тяжёлых условиях обработки направляющие прогреваются до 80 -ти градусов (это тоже из практики) и температура в цехе бывает увеличивается на 10 -15 градусов - вот и считайте…

По моему это именно так на практике и делается. Или вы делаете как-то по другому?

Абсолютно согласен с Вами, но я исхожу не из абстрактных рассуждений, а
просмотра конкретных проектов людей с этого форума.

Вот, к примеру, популярные рельсы HGH15, HGH20 и HGH25.
Прозводитель предусматривает крепление болтами М4, М5 и М6, соответственно.
Не мне Вам объяснять, что это за крепление в алюминий болтом М5.
Не хочется считать, но по ощущениям ( могут уже быть ощущения у не молодого
конструктора), ее “ветром сдувать” будет, тем более при обработке на станке
металла.
Разве что посоветовать людям крепиться “насквозь” станины и ставить снизу
стальную гайку. И то, болты и гайки М5 должны быть не с магазина метизов.
По-мне, так уж лучше применить упоры.

Не мне Вам объяснять, что это за крепление в алюминий болтом М5.

Их там много…

Не хочется считать, но по ощущениям ( могут уже быть ощущения у не молодого
конструктора), ее “ветром сдувать” будет, тем более при обработке на станке
металла.

Да нет… объясню - в большинстве случаев применяются высокооборотистые (до 24000) шпиндели (чаще всего китайские 1,5 Квт, но в реальности они способны отдавать максимум 750 ватт, да и то на максимальных оборотах, при снижении оборотов до 8000 (минимальные) все они катастрофически теряют крутящий момент). Думаю вам не надо объяснять, каким диаметром фрез можно пользоваться по металлу на 20 - 24000 об в мин. ну и глубина обработки по аллюминию обычно не превышает 1 мм, а посему и усилия резания не большие - намного меньше чем могут выдержать 16 болтов М4 крепления 4-х кареток или скажем 20 болтов крепления рельс.

Не думаю, что Вы решили проверить мои познания в сопромате

Нет, конечно же!
Вы выложили эпюры, на это я и расщитывал.
Теперь можно наглядно видеть, что ШВП на самоустанавливающихся опорах, первый случай, будет менее устойчива чем
ШВП в жёстких опорах, нижняя картинка. Спросите какое отношение имеет сие к ШВП - самое прямое.
Расщитанные вами максимальные обороты ШВП - 950 об/мин. это реальное значение.
Обозначенные мной 1000 об/мин - это не расщётное значение, на самом деле максимальные обороты для этого вала
составляют 1172 об/мин. Этим я показал разницу в оборотах и не более того. При шаге ШВП - 5мм разница в двести
оборотов даёт разницу по скорости 1 метр в минуту.
Это как раз то на что я и хотел обратить ваше внимание.
Я не против всяких систем облегчающих жизнь, но делать это в ущерб, повышеная стоимость и пониженная скорость,
согласитесь не логично.

Бывший механик
Про болты.
Вот такая вот деталька вырезалась нами из листа в количестве 500 штук. Крепеж делался ОДНИМ болтом М4 в отверстие в детали. Болт вкручивался в алюминиевую оправку из листа 10мм.
Т.е. алюминий по алюминию, оба гладкие (прокат), один болт М4 (момент затяжки не знаю правда, шуруповерт на 4 из 8, сколько это надо померить), фреза 3.2мм, 1мм за проход, 1 м/мин, 24к об/мин - смещения деталей не было!

Теперь можно наглядно видеть, что ШВП на самоустанавливающихся опорах, первый случай, будет менее устойчива чем ШВП в жёстких опорах…

Что-то в этом роде и предполагал.
Вы так настойчиво и, очень похоже, что искренне, пытаетесь меня вразумить, излагая азбучные истины, что как-то неудобно становится.
Поверьте, я эти истины знаю и даже достаточно хорошо понимаю. Позвольте и мне изложить Вам кое-что из азбуки.

Действительно, если считать по известной формуле, критическая скорость вращения для традиционной схемы монтажа винта существенно выше, чем у винта на сферических опорах. Только такие расчеты зачастую бывают очень далеки от реальности.

В этой формуле учитывается вид опор вала (шарнир, жесткая заделка и т. д.), диаметр и длина вала. И больше ничего. Не учитываются такие вещи, снижающие устойчивость, как, например, неизбежное наличие изгибающего момента в одной из опор (в той, где стоят спаренные подшипники). О причинах неизбежности уже неоднократно говорил и повторять не буду. Винт еще не сделал ни одного оборота, а уже в большей или меньшей степени изогнут. Если такие вещи и учитываются, то это делается с помощью коэффициентов, которые действительны только для тех условий, в которых они определялись
Поэтому для традиционной схемы установки винта определить реальную критическую скорость вращения расчетом, предлагемым какой-то конкртеной фирмой или каким либо-справочником и т. п. практически невозможно.
В формуле, которую приводит SKF, есть коэффициенты для различных схем опирания винта. В этих коэффициентах вся соль. Именно этими коэффициентами, помимо собственно вида опор, учитываются и реальные погрешности монтажа этих опор. Видимо, они определены опытным путем, для реальных винтов SKF, для реальных подшипников SKF, установленных в реальных корпусах SKF, которые закреплены на станине с соблюдением всех рекомендаций SKF по точности монтажа. Вот если соблюсти все эти условия, тогда расчету можно верить. Но попробуйте все это соблюсти.

А для статически определимой схемы эта формула (не SKF – у них коэффициента для шарнирных опор нет) дает близкий к реальности результат, для самых разных уровней точности монтажа. На то эта схема и «определимая». В ней нет привходящих факторов, снижающих устойчивость, или они пренебрежимо малы.

Мы говорим, главным образом о самодельных станках, в которых точность изготовления и монтажа заведомо невысока. Вспомните, что рекомендует та же SKF для условий невысокой точности. Это натяжение винта, самоустанавливающиеся опоры для винта и карданный подвес для вала. Полагаю, что специалисты фирмы не хуже нас с Вами понимают смысл формул, которые приводят в своем каталоге, в том числе и формулы расчета критической скорости вращения.

Давайте не будет больше мусолить эту критическую скорость. Меня сейчас больше другое занимает. Полемика в этой теме навела на новые для меня решения, которые, на мой взгляд, снимут большую часть проблем. В том числе и проблему критической скорости. Скоро смогу показать обещанную конструкцию с вращающейся гайкой. Надеюсь, и Вам будет интересно.