Ось Х : правильно или нет?
Здравствуйте уважаемые профессионалы и любители станкостроители. Почитывая темы по самодельным станкам, задался вопросом: а правильно ли устроена ось X? Классическая схема - это две направляющие по краям и ходовой винт по центру между ними. Всё вроде бы правильно, но часто возникает вопрос по поводу жёсткости и перекоса портала в связи с нагрузкой на фрезу при резе по краю стола.
Вот, что по поводу оси X пишет в своём дневнике Сергей Павлов:
Один ходовой винт по Х или все-таки два?
Очень хочется сделать два винта по Х.
Плюсы такого решения очевидны:
- Жесткость и точность станка с двумя винтами по Х выше, чем с одним винтом.
- Исключен перекос портала при фрезеровании на краях рабочего поля по Y.
- Базу портала по Х можно сделать меньше, а значит при тех же габаритах рабочее поле по Х будет больше.
- Легче сделать жесткий стол.
При одном винте практически весь стол висит в воздухе. Опоры можно устроить только на краях стола по торцу. По другому нельзя, т.к. под столом будет ходить траверза, соединяющая стенки портала. Это значит, что для стола придется делать жесткую раму. Толщина стола вырастет раза в два. Соответственно увеличится высота стенок портала, вырастут плечи нежелательных моментов. Увеличится габарит станка по высоте. И т.д. и т.п.
С двумя винтами, соответственно, стол проще, надежнее и дешевле.
Минус один - стоимость.
Для варианта с одним винтом этот минус является единственным плюсом, больше никаких плюсов нет, сплошные минусы. То, что так часто делают - не аргумент. Два винта по Х по определению лучше, чем один, если длина балки портала не слишком мала.
По моим оценкам, длина балки портала, при которой два винта по Х непозволительная роскошь, составляет 350…400 мм. Длина балки, при которой один винт по Х категорически противопоказан, составляет 600 мм и более. От 400 до 600 мм в принципе можно делать и так, и сяк. У меня габарит балки 504 мм, как раз посередине спорного диапазона. Отсюда и сомнения - сделать как лучше, или сэкономить. Цена вопроса - стоимость ШВП, опор, муфты и шаговика - около $350…400.
Конец цитаты.
Да, мне лично приходилось видеть “вживую” несколько промышленных станков с большим полем: порядка двух метров в длину и почти столько же в ширину. Все они имеют два ходовых винта по краям, точнее - зубчатые рейки (но это не принципиально: винт или рейка, суть всё равно одна). Да, два винта - это, пожалуй классика.
Вот у меня и возник вопрос: а что если направляющие не раздвигать, а наоборот сдвинуть к центру и поставить так же между ними винт? Схемы представлены на рисунках А и Б. На мой взгляд в классической схеме А перекос неизбежен, т.к. при несимметричной нагрузке (сила указана стрелкой) винт загонит левый край балки на перекос. Чтобы удержать балку от перекоса - это нужно обеспечить отсутствие люфта в паре подшипник-направляющая и достаточно большой натяг в этой паре. Классический пример подобного перекоса мы видим при пользовании обычной столярной струбциной.
В схеме Б перекос сделать сложнее, т.к. при повороте балки относительно центральной точки возникают реакции в парах подшипник-направляющая, направленные перпендикулярно к направляющим, а не вдоль их.
Очень бы хотелось услышать Ваше мнение по поводу сказанного. Не знаю, может я в чём-то ошибаюсь, опять же, я не навязываю никому своего решения, а просто хочу разобраться. Надеюсь последний рисунок понятен и не требует пояснений.
Перекос может быть по схеме Б и меньше, но только в том случае если портал очень жесткий. по схеме А все нагрузки по краям ложатся на ШВП и если механика работает правильно, то перекос невозможен.
Если рассуждать по поводу сближение рельсов = уменьшение перекосов, то попробуйте довести рассуждение до абсурда - ставьте только один рельс по центру. Часто такие размышления сразу дают правильный ответ. Вывод - при прочих равных, вторая конструкция будет хуже. Кроме того добавятся перекосы и в другой плоскости.
Построил станок с двумя винтами по длинной оси, плюсов больше, чем с одним (пробовал не понравилось), даже при небольшом усилии на край портала край отводило на несколько мм. При системе с двумя винтами проблем нет, да цена конечно возрастает, но оно того стоит.
Если рассуждать по поводу сближение рельсов = уменьшение перекосов, то попробуйте довести рассуждение до абсурда - ставьте только один рельс по центру.
Как ни странно, но схема с одним рельсом существует. У меня был токарный станок (промышленный маленький по металлу), у которого суппорт двигался по цилиндрической направляющей (труба диаметром порядка 70-80 мм). Такие станки есть у многих моделистов, они свободно продавались. Есть даже книжка автора по фамилии Гликин, который пишет, как превратить такой станок в обрабатывающий центр для обработки дерева. Посадка самого суппорта по принципу “втулка на валу”, работало на трении. Ходовой винт рядом сбоку от направляющей. Для исключения вращения относительно трубы суппорт имел вторую скользящую опору с сухарём снизу по форме “Г”. Если не понятно, могу нарисовать схему. На рисунке в первом посте я не стал подробно прорисовывать, как на самом деле выглядят опоры по краям балки. Там нет сухаря, дающего зацеп снизу. По сути это однотипные конструкции.
Вообще, я считаю, что перекос (угол поворота балки вокруг центральной точки) в схеме Б всё же будет таким же, как и в схеме А. Это потому, что там имеет место равенство всех сил и реакций в опорах. Но в схеме А обязательно будет разница во взаимном перемещении подшипников по левой и правой направляющим. А вот в схеме Б такая разница либо будет совсем маленькой, либо будет чистый поворот относительно центра за счёт люфтов в парах (без смещения по направляющим). Всё же на мой взгляд схема Б более выгодна хотя бы потому, что в ней проще балке вернуться в исходное состояние после снятия усилия, вызывающего перекос (поворот балки). С перекошенной балкой в схеме А после снятия усилия потребуется вращение ходового винта в обратную сторону, чтобы вернуть балку в нейтраль, а это не всегда возможно, т.к. винт вращается программно. Сама же перекошенная балка в нейтраль вернуться свободно вряд ли “захочет”: это могут сделать только возникшие реакции в подшипниках, но они не выгодно направлены (не вдоль направляющей).Кстати сказать, я бы не стал отрицать применение и одной рельсовой направляющей по центру при условии, что она должна быть достаточно толстой и жёсткой и иметь малый допустимый люфт в подшипниках. Либо увеличивать базу между парой подшипников.
При системе с двумя винтами проблем нет, да цена конечно возрастает, но оно того стоит.
Если нужен мощный и большой станок, то два винта-однозначно. Но я ищу способ, как улучшить то, что делают чаще: с одним винтом. А вообще мы пытаемся удержать балку в направлении, котором она перемещается “по определению”. Вот винт держать будет, а скользящая опора сама себя держать не будет.
Как ни странно, но схема с одним рельсом существует
Вы приводите не корректный пример сравнивая токарный станок с фрезерным, к тому же у Универсала2, рабочие плечи очень маленькие, ну и в станках при расчёте на жёсткость главное не силы а момент.
Некорректность заключается только в том, что в токарном варианте направляющая работает в более щадящем режиме. Но я всё же имел ввиду сам принцип перемещения. Да, плечи малы, но при обработке больших диаметров (точение фланцев, например) тоже есть действие смещённой силы, вызывающей перекос (воздействие) относительно всех осей. К тому же величина силы на резец всегда прилично большая, если обрабатывать металл типа стали. В маленьком токарном станке (да и в любом другом) как раз ось X и будет самой мощной, т.к. в конечном итоге именно на неё и приходит основная нагрузка.
По большому счёту, в полученных ответах я пока не увидел убедительных доказательств того, что предложенная мной схема хуже классической с крайним расположением направляющих.
ну и в станках при расчёте на жёсткость главное не силы а момент.
Главное - силы, вызывающие моменты. Сила может быть и мала, но на плече…В общем, как Архимед сказал. В подавляющем большинстве в сопромате и идёт расчёт на изгиб и кручение, а потом уже на поперечную силу, смятие, срез и т.д.
по схеме А все нагрузки по краям ложатся на ШВП и если механика работает правильно, то перекос невозможен.
А что значит “механика работает правильно” ? Нагрузка на ШВП правильна только в одном случае: если она направлена по оси ШВП. Если есть боковая нагрузка на винт, то она даст изгиб, к тому же циклический из-за вращения ходового винта. А там Вам будет и износ винтовой пары, и усталость винта.
По большому счёту, в полученных ответах я пока не увидел убедительных доказательств того, что предложенная мной схема хуже классической с крайним расположением направляющих
Я думаю нет смысла доказывать прописные истины классической механики, это сделано до нас, то что вы предагаете не жизнеспособна, и к тому же все Универсалы это не удачная копия станков юнимат, попробуйте на универсале поработать, у меня когда то была 3 модель.
При системе с двумя винтами проблем нет
Вот и все прописные истины классической механики применительно к оси X фрезерного станка. Кто делает с одним винтом, тот рискует получить кривую деталь.
попробуйте на универсале поработать
Да всю сознательную жизнь и работал, считай с 13 лет. И в Харьковской моделке тоже потом токарил и фрезеровал детали для ДВС: cторил моторчики под присмотром Юры Чайки (он и сейчас в строю в сборной Украины в F2C).
P.S. Думаю, можно уже сказать: Всем спасибо! Я для себя вопрос выяснил.
Главное - силы, вызывающие моменты. Сила может быть и мала, но на плече…
Как раз на вашей правой схеме это и произойдёт - сила может быть даже мала, но плечо приложения силы… со всеми вытекающими.
Плечо одинаковое в обеих схемах. Поворот будет относительно точки в центе балки, там где нарисован винт зелёными линиями. Надо было её обозвать буквой, чтобы проще было. Схему всех приложенных сил и реакций в опорах (скользящих подшипниках) могу нарисовать, если хотите. Уравнения моментов тоже одинаковые. Это давно изученный сопромат.😁
Каким образом вы собираетесь создать такой перекос как в схеме А отмеченный жёлтыми линиями - у вас в рельсах зазоры по 0,5 мм???
Плечо относительно точки на винте одинаковое, но перекос-то обусловливается возможностью смещения на рельсах!
Представте, что у вас зазоры в рельсах одинаковые и составляют к примеру 1мм - в какой схеме возникнет больший перекос именно относительно рельсов???
Это давно изученный сопромат
Сопромат тут вообще нипричём - классическая механика…
Так, похоже без чертежа я тут ничего не объясню: где перекос, где зазор, где смещение.
Каким образом вы собираетесь создать такой перекос как в схеме А отмеченный жёлтыми линиями - у вас в рельсах зазоры по 0,5 мм???
В схеме перекошенная балка показана чисто условно. Если бы я нарисовал балку, длиной где-нибудь 1 метр, а смещение на рельсе 2 мм, то Вы бы на чертеже не заметили угла поворота на этот градус.
Плечо относительно точки на винте одинаковое, но перекос-то обусловливается возможностью смещения на рельсах!
А я этого и не отрицаю, а подтверждаю! Но если направляющие рядом, то поворот будет и без смещения, а только за счёт люфтов в парах, а может и сопровождаться изгибом направляющих, если они не жёсткие.
Сопромат тут вообще нипричём - классическая механика…
Сопромат- это прежде всего раздел механики, который изучает прочность, жёсткость, устойчивость, напряжения и деформации, возникающих в конструкциях под действием приложенных сил. Сейчас мы и рассматриваем эти силы, которые вызывают реакции в опорах и деформации в элементах. Можно почитать www.kakprosto.ru/kak-833884-chto-takoe-sopromat Там по абзацам.
Ну что, рисовать схемы с объяснениями, где чего смещается и поворачивается?
Но если направляющие рядом, то поворот будет и без смещения, а только за счёт люфтов в парах,
Что вам и пытаются объяснить…
Если
а может и сопровождаться изгибом направляющих, если они не жёсткие.
Вы же понимаете - абсолютно жёстких конструкций в природе не существует, а исходя из того, что мы тут обсуждаем хоббийные конструкции, то ваши выкладки вообще теряют смысл…
Схемы рисовать не надо - всё уже давно разжёвано, но если вы хотите верить, тому, что пишите… что ж … ваше право…
Сейчас мы и рассматриваем эти силы, которые вызывают реакции в опорах и деформации в элементах.
всё рассматривание сводится
Представте, что у вас зазоры в рельсах одинаковые и составляют к примеру 1мм - в какой схеме возникнет больший перекос именно относительно рельсов???
Учитывая, что силы в обеих случаях приложены одинковые.
А что значит “механика работает правильно”
Я некорректно выразился, имелась в виду даже не механика, а больше электроника, т.е. если ШД отрабатывает правильно без пропусков шагов, то ШВП будет работать четко, а вот в случае пропуска шагов или сбоя электроники по одной из осей, будут проблемы, тут однозначно перекосит, почему собственно и стараются синхронизировать вращение обоих ШВП от одного ШД, другое дело что это довольно сложно, проще рискнуть и поставить 2 ШД, в этом плане 1 центральная ШВП надежней.
Ну если уж поставили по винту на каждую направляющую, то уж пожалуйста постарайтесь, чтобы они работали синхронно. По-другому нельзя. А вот, к примеру, представим, что стоит один винт и широко раздвинутые направляющие (по краям), но при этом мы винт будем крутить руками за маховик. Что, при нессиметричной нагрузке разве не будет перекоса? Вот хорошо бы по другому краю приложить такую же силу, как и на фрезе (например тормозящую муфту на направляющей), тогда и перемещение будет ровным.
Ну что, рисовать схемы с объяснениями, где чего смещается и поворачивается
Я думаю не стоит, вы станок рассматривает как механизм в двумерной плоскости, да и в двухмерном мире ваш станок не долго проживет.
Почитайте посты на этом форуме, Механика, у него было предложение ещё изощреннее, станки с одной опорой на каждую ось. Он для сравнения и примера, приводил схему козлового крана, главным аргументом был то что он мол профессор ВУЗа по механике.
Я думаю не стоит, вы станок рассматривает как механизм в двумерной плоскости, да и в двухмерном мире ваш станок не долго проживет.
Благодарю. Если потребуется, я смогу разложить силы и в трёхмерном пространстве, учесть можно всё. Для компенсации вертикальных сил существуют дополнительные опоры по бокам балки. Они плоские и будут воспринимать нагрузки в вертикальной плоскости. Понятно, что часть этих сил будут распределяться и на рельсы, и на винт (будет момент вокруг горизонтальной оси Y по отношению к данной балке). Если эти опоры организовать правильно, то они погасят и эти силы. Но здесь я определяю разницу между двумя схемами. Часть воспринимаемых нагрузок будет одинаковой.
P.S. Необходимость пояснений у меня возникла после вопроса, заданного не Вами, уважаемый Baha, поэтому и не Вам на этот вопрос отвечать. Кто не хочет читать мои рассуждения, я не заставляю. Я ещё в первом сообщении об этом написал.
Для компенсации вертикальных сил существуют дополнительные опоры по бокам балки.
я совсем не об этом, к тому же с такими костылями это будет не совсем станок. 😒
На этом же форуме лежит ссылки на немецкий и английский сайт, где приведены полные расчётные схемы и формулы, моментов сил, для различных конструкций и материалов, с учётом сечения несущих профилей, и т.д. выжимка из теормеха и сопромата под специфику фрезерных станков.
Наконец то прилетел в Москву, дождик поливает!!!😃
Вот, по быстрому прикинул…