Frezarka, ploter wycinający, tokarka, wiertarka stołowa… To tylko część z urządzeń, które można spotkać w dobrze zaopatrzonym warsztacie. Łączy je jednak jedna, wspólna cecha, muszą posiadać stabilną i wytrzymałą ramę, czyli konstrukcję, do której przytwierdzone są wszystkie moduły obrabiarki. Do tego dochodzą różne podzespoły oraz napędy. Dopiero wtedy możemy mówić o funkcjonalnej maszynie.

W tym krótkim artykule postaram się opisać moje spostrzeżenia, uwagi, ciekawostki oraz rozwiązania związane z mechaniczną częścią plotera frezującego.

Spis treści:

1. Podstawowe kryteria

2. Typ konstrukcji

3. Materiały

4. Zespoły prowadnicowe

5. Napęd główny

6. Napęd posuwowy

7. Podsumowanie

1. Podstawowe kryteria

To od nich zacząłem jakiekolwiek plany związane z obrabiarką. Nie trzeba się tutaj nakręcać na podzespoły pochłaniające połowę budżetu już na samym początku, tylko przyjąć w miarę rozsądne, optymalne rozwiązania.

Wspominając o budżecie – warto określić wstępną kwotę na wydatki związane z projektem. W moim przypadku wstępnie rozpocząłem od dwóch tysięcy złotych polskich. Jak się później okazało – budżet się stopniowo rozrastał, ale co najważniejsze – mogłem na bieżąco pokrywać wszystkie koszty.

Załatwiając temat funduszy określiłem gabaryty maszyny, jej możliwości oraz skontrolowałem, które podzespoły uda się wykonać samemu, a które trzeba będzie kupić jako gotowe. Decydowała głównie cena. Na temat tego, co musiałem wykonać samemu (lub też zlecić do wykonania), a co kupiłem, będę na bieżąco komentował.

Jako (na tamten czas – przyszły) inżynier, rozpocząłem prace od projektu w oprogramowaniu CAD, aby już na wstępie przewidzieć trudności, haczyki czy proste niuanse, takie jak prowadzenie przewodów, czy położenie krańcówek bazujących.


2. Typ konstrukcji

Jako, że w Internecie oraz czasopismach technicznych, można spotkać mnóstwo rozwiązań konstrukcyjnych obrabiarki – trzeba było skupić się na jednym z ważniejszych aspektów, czyli sztywności. Mając do tego dość ograniczony budżet, nie mogłem pozwolić sobie na wymyślanie. Trzeba było postawić na prostą konstrukcję.

WP 20160102 13 50 12 ProWybrałem zatem taką, która nie wymaga zaawansowanego zaplecza warsztatowego do jej wykonania, nie pochłonie na wstępie połowy budżetu, a tym samym będzie cechowała się zadowalającą sztywnością. Wybór padł na konstrukcję ze stałą bramą, a ruchomym stołem roboczym w jednej z osi. Dwa pozostałe przejazdy liniowe realizowane są na bramie oraz module do niej przyłączonym.


 Pole obróbcze

Mając wybraną konstrukcję, mogłem przeanalizować, jak duże pole obróbcze mogę z niej wycisnąć. Dodatkowo przyjąłem rozsądny przejazd w osi pionowej, aby całość miała użyteczny sens.

Tak też finalnie w projekcie CAD powstała obrabiarka o następujących przejazdach roboczych:

  • w osi X – 460 mm,
  • w osi Y – 500 mm,
  • w osi Z – 200 mm.

3. Materiały

Temat materiałów powinien być poruszony jeszcze przed wyborem konstrukcji, niemniej postanowiłem go umieścić tutaj. Powód jest dość prosty – ponieważ rama główna, czy pomocnicza nie są jedynymi elementami, które determinują wybór materiałów. W moim przypadku jest to szereg części głównie z aluminium stopowego, a także tworzyw sztucznych.

Mając już pierwszą wersję kompletnej obrabiarki, musiałem jedynie skontrolować warsztatowy stan materiałów, część z nich wykorzystać, część dokupić. Nie obyło się także bez kilku przeróbek konstrukcji.

Zmierzając do sedna. Do budowy ramy głównej (dolnej) oraz bramy wykorzystałem stal, dokładnie stal stopową konstrukcyjną S235JR – jeden z popularniejszych gatunków. Łatwo spawalny, przyjazny w obróbce, no i przede wszystkim – tani. W moim przypadku kosztował tyle, co przejechanie kilku kilometrów do znajomego (pozdrawiam Cię Mariusz). Na całą konstrukcję poszło kilka metrów profilu 60x60x3 oraz nieco mniej 60x50x3. Ze stalowych elementów wykorzystałem także płaskowniki o szerokościach 50 oraz 60mm. Te pierwsze, o grubości 5mm zostały przyspawane i przystosowane do planowania pod prowadnice, natomiast drugie – 60x10 posłużyły jako stopy mocujące bramę do ramy głównej.

Aby wszystkie podzespoły miały swoje miejsce, potrzebowałem dodatkowych elementów. Na nieszczęście, trzeba było je wykonać pod konkretne zamówienie. Wszystkie z nich wykonano z aluminiowych formatek o różnych grubościach oraz wymiarach. Stop, jaki wykorzystałem, to EN-AW2017A, popularnie znany z Polskiej Normy (PN): PA6. Jest to gatunek aluminium o wiele łatwiejszy do kupienia od bardziej wytrzymałego 7075 (PA9) niemniej, nie należy go ‘spychać na ławkę rezerwowych'. To wciąż konkretny, wytrzymały i wdzięczny w obróbce materiał konstrukcyjny.


4. Zespoły prowadnicowe

Zespół prowadnicowy – najprościej ujmując – jest to zespół współpracujących ze sobą minimum dwóch elementów: prowadnika (wózka, tulei itp.) oraz prowadnicy (liniowej, wałka itp.).

Tutaj także na pierwszy rzut odezwał się budżet, dlatego wszelkie prowadnice liniowe musiałem odłożyć na listę życzeń, a do koszyka trafiły wałki podparte na całej długości oraz przystosowane do nich łożyska liniowe otwarte w obudowach.


5. Napęd główny

Czym jest napęd główny? Jest to napęd wprawiający w ruch obrotowy narzędzie skrawające. Wiele osób określa je mianem ‘wrzeciona’, ’szlifierki osiowej’, a także ‘frezarki’. O ile dwa pierwsze mają jakikolwiek sens, tak trzecie jest nie bardzo trafione.

W moim projekcie wykorzystałem wrzeciono firmy Kress, model FME-1 1050. Jest to popularny model, choć głośny – do zastosowań amatorskich, naukowych – jak najbardziej trafiony. Cyfra ‘1’ przy FME oznacza, że zakres obrotów został zmniejszony względem standardowego modelu z 10k-30k obr./min do 5k-25k obr./min. Regulacja obrotów odbywa się (niestety) poprzez elektroniczny układ, który posiada moduł tzw. ‘soft-start’ oraz kontroler podtrzymania obrotów.

Pisząc 'niestety', mam tutaj na myśli fakt, że nie jest to właśnie mechaniczna regulacja obrotów. W przypadku wrzeciona Kress, ograniczając obroty, ograniczana jest także moc wyjściowa, a co za tym idzie - moment obrotowy przekazywany na narzędzie.

W przypadku mechanicznej regulacji prędkości, silnik zawsze pracuje na swoich nominalnych obrotach, jego moc przekazywana jest na poszczególne stopnie przekładni, a najprzyjemniejsza kwestia powstaje wtedy, gdy redukując prędkość obrotową n razy, zwiększamy moment obrotowy również n razy.


6. Napęd posuwowy

Napęd posuwowy potrzebny jest, aby możliwy był jakikolwiek ruch (translacja i/lub rotacja) narzędzia w obszarze obróbczym. Patrząc, jak dużo funduszy z budżetu pochłonęły powyższe komponenty, musiałem zadowolić się prymitywnym rozwiązaniem – napędem śrubowym z gwintem trapezowym.

Mając doświadczenie w pracy z tego typu napędem, drugim razem zastanowiłbym się co najmniej 3 razy, zanim poszedłbym w tę stronę. Niewątpliwe jest jedno – cały napęd na trzy osie liniowe wyniósł mnie nieco ponad 200zł, wliczając w to śrubę trapezową Tr 16x4, łącznie 2,5m, 6 sztuk łożysk kulkowych skośnych oraz 3 szt. nakrętek wykonanych z brązu. Całość to dość śmieszna cena, ponieważ nawet za 250 zł ciężko jest znaleźć zestaw śruba kulowa + nakrętka i to na jedną oś o długości raptem 300mm!


7. Podsumowanie

Kwestia wyboru konstrukcji maszyny, materiałów oraz jej dokładnej kinematyki jest równie ważna, co elektronika nią sterująca. Chciałoby się powiedzieć, że jedno, zależne jest od drugiego - i tak w rezultacie jest. Na całe szczęście, mnogość dostępnych gotowych rozwiązań, podzespołów oraz elementów konstrukcyjnych sprawia, że proces projektowania, prototypowania oraz wykonanie finalnej obrabiarki nie jest tak trudny, jak mogłoby się wydawać. Dodatkowo, jak mawia powiedzenie "Trening czyni mistrza", ten projekt jest dał mi całą masę doświadczeń w projektowaniu oraz późniejszych montażu, aby przy kolejnej maszynie zastosować wszystkie optymalne rozwiązania.

 

{jcomments on}