Устранение люфта на ЧПУ станках
Если вы читаете эту статью, значит, вас интересует, как устранить люфт на ЧПУ, возможно, вы хотите построить ЧПУ с нуля или модернизировать ручной станок с наличием люфта.
Что такое люфт?
Люфт — это нежелательное смещение оси, вызванное зазорами или слабинами в механических компонентах. Когда оси задается движение, двигатель может на мгновение повернуться без фактического перемещения оси. Это и есть люфт.
Причин люфта множество. Основная из них — это зазор между резьбой ходового винта и гайкой. Винты ACME часто имеют значительный люфт, а шарико-винтовые передачи (ШВП) — минимальный. Также люфт могут вызывать ослабленные подшипники, ремни, цепи или крепежные элементы, а также прогиб монтажных пластин.
Для борьбы с люфтом часто используют прецизионные радиально-упорные подшипники с предварительным натягом. Шестерни, ремни и цепи также могут добавить люфт в систему. Даже ослабленные крепления или прогиб монтажных пластин или шасси могут стать причиной люфта.
Зачем устранять люфт?
Люфт на ЧПУ — важная проблема, которую стремятся решить производители станков. Почему это так важно?
Во-первых, станки с ЧПУ «слепы». Даже системы с замкнутым контуром не всегда могут определить, что ось не двигалась, хотя двигатель сдвинулся. Системы с линейными энкодерами могут обнаружить отсутствие движения, но проблема люфта все равно остается.
Вторая проблема — это фрезерование с подъемом, которое часто предпочтительнее, так как обеспечивает лучшее качество поверхности и меньшую нагрузку на инструмент. Однако, при наличии люфта, резак может внезапно втянуть заготовку на величину люфта, что приведет к дефектам обработки или даже к повреждению инструмента и станка.
Кроме того, люфт мешает плавному изменению направления при непрерывной обработке, что особенно важно при вырезании сложных форм, таких как круги.
На изображении видно, как люфт проявляется при вырезании круга: появляются небольшие выбоины в местах изменения направления движения оси.
Профилирование деталей также страдает от люфта, так как при изменении направления движения шпиндель может не сразу вернуться в правильное положение, что приводит к неточностям.
На самом деле, вырезание круга — это серьезное испытание для станка. Попробуйте это сделать, чтобы оценить состояние вашего станка и выявить люфт.
Для токарных станков проблема люфта менее критична, чем для фрезерных. На токарных станках нет эквивалента подъемного фрезерования, и изменение направления происходит реже.
Кроме того, программное обеспечение CAM, используемое для генерации G-кодов, предполагает отсутствие люфта в станке. Оно не создает код, который учитывает люфт, как это делает опытный оператор.
Таким образом, важно минимизировать люфт. Однако, для некоторых приложений, таких как плазменная резка, допустимы большие зазоры из-за низких требований к разрешению.
Что насчет компенсации люфта?
При работе с люфтом операторы стараются его компенсировать. Этот процесс включает в себя устранение провисания маховиков перед началом резки.
Необходимо убедиться, что ось движется в нужном направлении на достаточно большое расстояние, чтобы компенсировать люфт. Программное обеспечение управления станком, например Mach 3, может автоматически выполнять эту процедуру.
Однако, программное обеспечение не может заменить опытного оператора, который может почувствовать, когда фреза начинает резать. Трудно точно определить величину люфта, и она может изменяться по мере износа оборудования.
Компенсация люфта — это временное решение. Она может помочь в короткие сроки, но в долгосрочной перспективе лучше устранить люфт механически. Для токарных станков компенсация люфта может быть достаточной.
Существуют также G-коды для устранения люфта, которые могут быть полезны при точной установке инструментов, например, при сверлении отверстий. Подробнее о точном останове и G-кодах компенсации люфта читайте в нашей статье о точном останове и G-кодах защиты от люфта.
Как измерить люфт на вашем станке?
Как определить величину люфта? Система цифровой индикации (УЦИ) удобна для этого, так как она напрямую измеряет перемещение оси.
Если у вас нет УЦИ, используйте индикатор часового типа. Закрепите его в шпинделе и настройте так, чтобы он измерял перемещение относительно эталона. Переместите ось на расстояние больше возможного люфта, затем верните её на то же расстояние. Разница в показаниях индикатора — это ваш люфт.
Когда я измерял люфт на своем станке с винтом ACME, он составлял 0,010 дюйма. После установки ШВП люфт значительно уменьшился.
Источники люфта в станках
Основным источником люфта является ходовой винт и гайка. На большинстве станков с ручным управлением используются винты ACME. Если гайка затянута слишком туго, это вызывает слишком большое трение. Гайка часто изготавливается из материала, который изнашивается быстрее, чем винт, и её можно регулировать для уменьшения люфта.
На качественных ручных станках люфт может составлять 0,005 дюйма, а на сильно изношенных станках — до 0,025 дюйма или больше. Другие источники люфта включают упоры и крепления винта. Наиболее распространённое решение — замена ходового винта на шарико-винтовую передачу (ШВП).
«Хорошие детали»: альтернативы ходовым винтам
Наиболее популярная альтернатива винтам ACME — шарико-винтовая передача (ШВП). В гайке ШВП используются рециркулирующие шарики, что обеспечивает низкое трение и жесткие допуски.
ШВП бывают прокатанные и шлифованные, последние — более точные и с меньшим люфтом. Прокатанные ШВП обеспечивают люфт около 0,003 дюйма, а шлифованные — ещё меньше.
ШВП также бывают разных классов точности, таких как C0 (3 мкм на 300 мм), C3 (7 мкм на 300 мм) и C5 (14 мкм на 300 мм). Кроме того, программы управления станками, такие как Mach 3, могут компенсировать ошибки в ШВП, используя таблицы компенсации.
Для более точных станков компании, такие как Heidenhain, продают системы, которые динамически компенсируют ошибки, вызванные температурными колебаниями и другими факторами. Эти системы могут значительно повысить точность станка.
Если ШВП установлена правильно, она может значительно уменьшить люфт в станке.
Гайки и люфт
Можно ли уменьшить люфт в гайках винтов ACME? Да, можно использовать гайки из делрина или других материалов с низким коэффициентом трения. Эти гайки подходят для небольших машин с ограниченными усилиями резания.
Также можно использовать две гайки с пружиной между ними для предварительного устранения люфта. Этот метод работает и с винтами ACME, хотя и с большим трением.
Для уменьшения люфта в ШВП можно использовать увеличенные шарики. Однако, при этом важно соблюдать точность, чтобы избежать заедания.
Решения с двойной шариковой гайкой
На фотографиях ниже показано, как Рэй Ливингстон разработал систему с двумя шариковыми гайками для уменьшения люфта:
Правильная установка ходового винта и гайки: угловой контакт
Для правильной установки ШВП необходимо использовать пару радиально-упорных подшипников. Один конец винта обычно оставляется свободно плавать, чтобы винт мог расширяться и сжиматься при изменении температуры.
Радиально-упорные подшипники устанавливаются с предварительным натягом, что устраняет осевое смещение. Конструкция опоры ШВП может быть сложной и дорогой, поэтому важно ознакомиться с литературой производителя подшипников и выбрать правильные компоненты.
Схема установки с двумя радиально-упорными подшипниками выглядит следующим образом:
Обратите внимание на углы контакта подшипников. Они обеспечивают сопротивление осевому смещению и устраняют люфт.
Предварительный натяг достигается с помощью проставки между подшипниками и стопорной гайки на конце ШВП. Крутящий момент гайки устанавливает предварительный натяг, и все поверхности должны быть обработаны с высокой точностью.
В установке показаны два подшипника в конфигурации DF (лицом к лицу), что позволяет компенсировать перекосы. Конфигурация DB (спина к спине) более жесткая, но менее устойчива к перекосам.
При выборе подшипников нужно учитывать несколько параметров:
| Диаметр отверстия | Подберите подшипник, соответствующий вашему ШВП. Чем точнее посадка, тем выше точность. Нельзя использовать втулку для подгонки подшипника, так как это снижает точность. |
| Угол контакта | Чем больше угол, тем жестче подшипник. Минимальный угол — 15 градусов, максимальный — 60 градусов. |
| Предварительная загрузка | Чем больше предварительная загрузка, тем лучше. Но не превышайте рекомендуемую нагрузку, чтобы избежать повреждений. Подумайте о 500 фунтах и больше для максимального контроля люфта. |
| Качество и точность | Выберите подшипники высокого класса точности (например, ABEC-7). Чем выше точность, тем меньше люфт. |
| Номинальная осевая нагрузка | Выберите подшипники с высокой осевой нагрузкой для лучшего сопротивления осевому перемещению. |
Для установки подшипников можно использовать прокладки для точной регулировки предварительного натяга. Используйте прокладки из фольги или закажите лазерную резку прокладок из прокладочного материала.
Важно отметить, что гайку предварительного натяга нельзя затягивать динамометрическим ключом. Большая часть усилия будет поглощена трением, и точная настройка станет невозможной.
Также учтите, что установка предварительного натяга «на ощупь» может повредить подшипники. Используйте специальные измерительные приборы для точной настройки предварительного натяга.
Совместите высокие точки при установке подшипников!
Запишите ориентацию подшипников относительно корпуса, чтобы при сборке вернуть их в исходное положение. При сборке новых подшипников совместите высокие точки подшипников для достижения максимальной точности.
Итак, у вас есть качественная ШВП, подходящая гайка и правильная установка подшипников. Это значительно уменьшит люфт в станке.
Интересно….