ЧПУ станок своими руками. Часть 3. Выбор конструкции станины

ОСНОВАНИЕ СТАНКА(СТАНИНА)

Когда вы разрабатываете и строите ЧПУ станок, первое, что должно быть спроективано - это основание станка(станина). Основание связывает все остальные части воедино, несет на себе львиную долю возникающих нагрузок и определяет взаиморасположение двигателей и передач осей и т.п. Возможно, дизайн станины будет зависеть от того, какими материалами и средствами обработки Вы располагаете, приводов, укладывающися в бюджет и так далее. Такое часто происходит, если проектируется единичное изделия для собственного пользования. По этой причине в самодельных ЧПУ роутерах сложно встретить две абсолютно одинаковые детали. Однако, необходимо представлять себе возможные виды структуры станины, чтобы иметь возможность выбрать наилучший вариант и докупить недостающие комплектующие.

СТРУКТУРА ОСИ X

Ось Х является основанием для всего станка, так как Х - ближайшая к земле ось. Рама оси Х выполняет 3 основные задачи:

•  Служит основанием для остальных частей станка
•  Является опорой для системы линейного перемещения по оси Х
•  Несет на себе рабочий стол

Основные виды дизайна рамы оси Х таковы:

Рама с полной опорой.

Рама с полной опорой - один из наилучших вариантов и используется в большинстве профессиональных станков. "Полная опора" означает, что конструкция опирается на пол или другую несущую поверхность по всей своей длине и ширине. Такой конструктив означает, что не получится сделать портал, охватывающий рабочий стол "кольцом". Такая конструкция весьма жесткая, а главное - не прогибается под вертикальными нагрузками, своим весом и весом шпинделя. Это существенный момент, так как прогиб на большой длине может свести на нет все усилия - прогиб в 0.1 мм допустим только если вы рассчитываете получить от станка точность 0.5 мм. У этого варианта есть и минусы, прежде всего это необходимость установки двух передач на одну ось - двух винтов, двух гаек, двух двигателей и двух драйверов. Синхронизацию осей можно делать программно, а можно воспользоваться ременной передачей с раздаточного шкива на две оси. В этом случае необходимо убедиться, что мощность мотора достаточно для вращения двух осей. Используя конструктив с полной опорой, вы можете не задумываться о весе материала, из которого будет станина и его влиянии на прогиб - он целиком будет передаваться на опорную плоскость. 

Станина с полной опорой и направляющие с полной опорой

Полная опора - это когда примыкание объекта к опоре идет по всей длине. В качестве объекта причем может выступать не только станина, но и направляющие оси. Роль вида крепления направляющих обсуждается в отдельных статьях: Линейные направляющие в станках с ЧПУ и Выбор направляющих для станка с ЧПУ, но это будет позже, здесь только обратим внимание на опору станины, и на то, что возможно сделать станок с полной опорой направляющих, но точечной опорой станины: такой дизайн не избавляет станок от прогиба под вертикальными нагрузками.

Станина с полной опорой по оси Y и частичной опорой по X

Наиболее распространенный вариант дизайна, его вы можете видеть на картинке. Рама оси Х ставится на плоскость ножками, оставляя свободное пространство снизу, поперек кладутся балки, несущие рабочий стол. В результате стол получает большую жесткость при сгибе по Y, и малую - при воздействии по X. Портал в этом случае имеет замкнутый контур и две балки, соединяющие стойки портала сверху и снизу. Нижняя балка соединена с гайкой передачи, перемещаясь в свободном пространстве под рамой. Этот конструктив подразумевает установку направляющих как с фиксацией по всей длине(профильные рельсы), так и по концам(валы). В любом случае прогиба не избежать, но первый случай позволит вам несколько снизить погрешность, т.к. портал будет повторять изгибы оси X. Дизайн с частичной опорой по X подходит в тех случаях, когда длина оси X не слишком велика и не ставится высоких требований точности по оси Z. В противном случае рассмотрите другие варианты. 

Станина с полной опорой по оси X и частичной опорой по Y

Если у нас есть только один двигатель и один приводной винт для оси X, но требуется получить высокую точность позиционирования, можно использовать этот вид. В нем рама оси Х расположена целиком на опорной плоскости, и отстуствуют балки вдоль оси Y. Освободившееся место использовано для хода портала - рама портала расположена внутри рамы оси X. Теперь, как бы не был нагружен портал, ось Х не прогнется(упругие деформации материала станины не учитываем из-за их малой величины). Зато может прогнуться ось Y и - рабочий стол. Рабочий стол в данном случае наиболее проблемное место - он должен быть сооружен таким образом, чтобы не мешать перемещениям нижней балки: это означает, что закрепить его удастся лишь по краям, и стол будет подвержен прогибам. Перед использованием такого конструктива примите решение, что важней - отсутствие деформаций в собственно станке или чтобы станок и стол все же могли изгибаться как единое целое. 

Прочие варианты

Существуют и другие компоновки, а также - разнообразные вариации уже изложенных. Например, чтобы получить преимущества станины с полной опорой, можно отказаться от нижней балки портала, и приводить в движение П-образный портал винтом, расположенным сверху - прикрепив гайку ШВП к верхней балке(правда, это довольно громоздко и затрудняет доступ к рабочей области). Можно обратиться к классическому решению - расположить 2 привода по бокам оси X.

Подвижный рабочий стол

В в нем перемещение портала по оси X заменяется перемещением рабочего стола. Это позволяет решить сразу несколько проблем, в том числе получить станину и направляющие с фиксацией по всей длине(на рисунке показан вариант без фиксации), но сокращает рабочее поле. А также преимущество в том, что требуется только один привод по оси X. 

Во время разработки станины, на выбор конструктива существенное влияние оказывает материал - разные материалы по-разному деформируются. Наиболее популярны следующие материалы:

•  алюминиевые станочные профили
•  стальной прокат
•  фрезерованные детали из алюминиевых сплавов типа Д16Т
•  Чугун
•  Полимерные материалы -полимербетон, полимергранит
•  Прочие бюджетные материалы - фанера, МДФ, оргстекло

Обязательно учитывайте свойства материала при создании вашего станка.