Модернизация токарного ЧПУ - это комплексные действия предполагающие установку новой системы ЧПУ, приводов, серводвигателей, электроавтоматики. Также обязательно устанавливают новую электропроводку. Чаще всего проблемы программных станков связаны не с механической частью, а именно с электроникой. Она или выходит из строя, или просто морально устаревает. Именно тогда и нужен не капремонт, а модернизация токарного станка.
Модернизация токарного чпу в части проектирования фрезерной части должна обеспечивать жесткость всей конструкции и необходимый диапазон перемещений исполнительного органа. Опорная поверхность несущего элемента будет располагаться с наклоном к оси шпинделя, что позволит расширить рабочее пространство и придать конструкции необходимую жесткость. Спроектируем в качестве основы плиту размером 954 х 105 мм и толщиной 10 мм (рис. 1). Данные значения обусловлены конструкцией станка. В местах крепления смоделируем отверстия для винтовых соединений.
Рис. 1. Плита модернизируемого станка чпу
На плите должны располагаться опоры, обеспечивающие наклон конструкции в сторону рабочей зоны станка. Для этого спроектируем две призмы и срежем их плоскостью, расположенной под углом. Соединим призмы между собой и добавим галтели, для равномерного распределения нагрузки. В основании опоры спроектируем шип, он поможет точно расположить опору на плите (рис. 2). Добавим в конструкцию плиты отверстия на одинаковом расстоянии и создадим сборку (рис. 3).
Рис. 2. Опора
Рис. 3. Несущий элемент фрезерной части
Дальнейшая модернизация токарного чпу заключается в том, что на опоры кладется рама, которая будет служить базой для установки стандартных линейных направляющих и подшипниковых опор ШВП. Всего на несущем элементе должно быть установлено две подшипниковых опоры: первая с жесткой фиксацией вала винта возле двигателя, и вторая опора с плавающим подшипником. Использование двух типов опор необходимо, т.к. в процессе работы винт передачи может расширяться из-за действующих на него нагрузок. В опорах расположим винт соответствующей длины и диаметром 16 мм. Лицевая и тыльная сторона конструкции закрывается стальными листами. Все детали крепятся с помощью винтовых соединений.
Рис. 4. Несущий элемент с ходовым винтом и опорами
Теперь можем приступить к проектированию нижней каретки фрезерной части.
Каретка должна обеспечивать устойчивость будущей конструкции, поэтому придадим ей прямоугольную форму, чтобы ее опорные точки располагались как можно дальше друг от друга. В качестве опорных точек выступают элементы качения, установим их в углах с тыльной стороны плиты каретки. Также на тыльной стороне расположим гайку винта ШВП по центру.
На проектируемой каретке, в рамках модернизации токарного ЧПУ, должны располагаться стандартные направляющие, по которым будет перемещаться еще одна каретка с исполнительным органом. Для того чтобы обеспечить диапазон перемещений исполнительного органа в поперечном направлении, добавим в конструкцию плиты выступ (рис. 5).
Рис. 5. Основная плита нижней каретки фрезерной части
Чтобы обеспечить зазор между гайкой поперечной направляющей и плитой нижней каретки, установим направляющие на раму с подложками. Также разместим опоры ШВП и винт по центру. Верхняя каретка, которая будет перемещаться по установленным направляющим должна иметь электропривод с редуктором. Для его установки сконструируем кронштейн и закрепим его к нижней грани плиты каретки. Полученная модель представлена на рис. 6.
Рис. 6. Модель нижней каретки
Аналогичным образом строим верхнюю каретку. Задаем геометрические параметры плиты, добавляем элементы качения и гайку ШВП. Также установим на каретку червячный редуктор, который будет задавать угол наклона шпинделя. Шпиндель должен быть жестко закреплен, поэтому спроектируем для него удерживающий элемент. Установим сверху защитный кожух, закрывающий червячный редуктор. Модель каретки представлена на рис. 7. Произведем сборку всех компонентов. Добавим в конструкцию модернизируемого токарного чпу двигатели с планетарными редукторами (рис. 8).
Рис. 7. Каретка верхняя
Рис. 8. Фрезерная часть в сборке
Все элементы фрезерной части должны иметь защиту от пыли и стружки. Поэтому смоделируем защитные приспособления для кареток и направляющих. Полученная модель фрезерной части токарного станка ТПК-125 представлена на рис. 9.
Рис. 9. Фрезерная часть станка ТПК-125
Проектирование механизма подъема/опускания шпинделя
Шпиндель - двигатель, на который надет патрон или цанга для удержания и вращения режущего инструмента (фрезы, сверла, гравера). Промышленный шпиндель - специально разработанное устройство, которое рассчитано на высокую боковою нагрузку, имеет систему охлаждения и смазку. Как правило, промышленный шпиндель, не требует смазки и чистки на протяжении всего срока эксплуатации.
Система охлаждения шпинделя бывает воздушная или водяная. У шпинделя с воздушным охлаждением на вращающемся валу расположен вентилятор. Главным недостатком такой конструкции является то, что вентилятор всасывает воздух вместе с пылью, образующейся при обработке. Водяная система лишена этого недостатка и в целом более эффективна.
По этим причинам для модернизации токарного чпу выберем промышленный фрезерный шпиндель GDZ 0.8 водяного охлаждения (рис. 10). Мощность шпинделя 0.8 кВт. Скорость вращения 0-24000 об/мин. Габаритные размеры: 195 х 65 мм. Данный шпиндель подходит для фрезерно-гравировальных работ по дереву, пластику, текстолиту и прочим материалам.
Рис. 10. Шпиндель GDZ 0.8 водяного охлаждения
При фрезеровании важно, чтобы шпиндель был жестко закреплен в установленном положении. Поэтому в качестве механизма подъема/опускания шпинделя применим червячный редуктор. Данный тип редуктора обладает самотормозящим свойством, что важно при воздействии на шпиндель поперечных нагрузок.
Выберем редуктор червячный SITI MU30 (рис. 11). Червячный редуктор комплектуется двигателем 0,9 кВт. Его выбор обусловлен техническими характеристиками:
- Крутящий момент – 30 Нм
- Диаметр выходного вала – 14 мм
- Масса – 1,6 кг
- Габаритные размеры (ШхДхВ) – 57х84х90 мм
- Червячный редуктор комплектуется двигателем 0,09 кВт.
Рис. 11. Червячный редуктор SITI MU30
Проектирование приводов движения кареток
Наибольшее применение в станках с ЧПУ получили бесколлекторные шаговые двигатели постоянного тока. Они имеют высокую надежность и большой срок службы, высокий крутящий момент на низких оборотах и небольшую стоимость. Отсутствие в них скользящих электрических контактов увеличивает срок службы и обеспечивает высокую надежность этого типа двигателей. Основными недостатками являются сложность схем управления и потеря крутящего момента при увеличении скорости вращения.
Для привода кареток конструируемой фрезерной части модернизируемого токарного чпу выберем шаговый двигатель FL86STH118-6004A. Данный двигатель обладает крутящим моментов 87 Нм. Вес составляет 3,8 кг. Габаритные размеры: 86 х 118 мм.
Рис. 12. Шаговый двигатель FL86STH80-6004A
Приводы кареток фрезерной части также должны быть оборудованы редукторами. Планетарные редукторы, в отличие от червячных, цилиндрических и прочих, обладают рядом преимуществ - соосностью, точностью, высоким КПД. Благодаря малому люфту применяются в осях с ЧПУ, модулях линейных перемещений, cnc приводах, актуаторах.
Выберем редуктор планетарный PX86-6 (рис. 13):
- Входной фланец - 86 мм
- Входное отверстие - 12.7 мм
- Передаточное отношение - 6:1
- Ступени редукции - 1
- Номинальный момент - 33 Нм
- Крутящий момент, max. - 65 Нм
- КПД - 87%
- Люфт до - 1°
- Радиальная нагрузка - 750 Н
- Осевая нагрузка - 380 Н
Рис. 13. Редуктор планетарный PX86-6
Дальнейшая модернизация токарного чпу заключается в выборе ШВП. Шариковые винтовые передачи является наиболее распространенной разновидностью передачи винт-гайка качения. Обладает всеми основными преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.
Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков.
Рис. 14. Шарико-винтовая передача (ШВП)
Каретки ФЧ перемещаются по направляющим качения. Направляющие качения – это узлы, предназначенные для перемещения инструмента, заготовки и связанных с ними узлов по заданной траектории с требуемой точностью. В настоящее время при конструировании и строительстве станков с ЧПУ применяются несколько основных видов направляющих: валы на опоре, ласточкин хвост, шлицевые валы и профильные рельсовые направляющие.
Из рассмотренных видов направляющих, наиболее подходящими для фрезерной части являются шариковые рельсовые направляющие. Профильные рельсы отличаются высокой точностью и прямолинейностью, высокой грузоподъемностью, высокой износоустойчивостью, низким люфтом или полным его отсутствием. Недостатком профильных направляющих является высокие требования к шероховатости и прямолинейности места крепления, а также сложность установки.
Для модернизации токарного чпу выберем направляющие ТНК HSR-M1 высотой 14 мм (рис. 15).
Рис. 15. Направляющие ТНК HSR-M1
