Мастера загибать пальцы разглядывая чужие проекты очень любят швыряться тапочками, применительно к теме станков с ЧПУ дежурной темой троллинга является тема жесткости станков. Каждый продавец или стратег (читаем Витязя в тигровой шкуре) плюется в сторону конкурентов. Но что такое жесткость станка и сколько это вешать в граммах, никто не рассказывает. Потому немного ликбеза не помешает, расскажу и о типичных заблуждениях (земля ведь плоская?), и о «сколько вешать в граммах».
Итак, про жесткость станка. Под жесткостью понимается способность станка сохранять свою формы и размеры под нагрузкой. Любая конструкция подвергается нагрузкам. В случае с ЧПУ, укрупненно, учитываем нагрузки двух видов — вес собственных деталей и усилия, требуемые в выполняемой работе.
Вес собственных деталей имеет два значения — условно статическое, когда все неподвижно или скорость не меняется, и условно динамическое от изменения скорости движения. Тов. Ньютон, между прочим, не за постылым кабинетным столом, но под известной яблоней и наверняка не по суху и не без Музы, донес до нас истину — сила это масса на ускорение. Ускорение — это скорость изменения скорости. При смене направления движения слева-направо действуют ускорения и их мы задаем в настройках станка в качестве ограничений. Но мы не в силах влиять на ускорения шагового двигателя — он совершает свои шаги пинками силы, распространяющейся в проводах со скоростью света. Ускорения каждого шага неизвестны, но огромны, а сами шаги малюсенькие. Соответственно даже при равномерном движении станка, управляемого шаговыми двигателями, мы непрерывно испытываем весь комплекс нагрузок, раскачивающих конструкцию станка. И отдельно — при смене направления движения. Ощущения? — все ведь вылетают в лобовое сткло при резком торможении? разбиваются насмерть при падении с высоты? не падают вниз на чертовом колесе, где мы преодолеваем всего лишь ускорение 1g = 9.82м/с/с.
Работая лазером мы просто перемещаем лазерную голову над обрабатываемом материалом и еще — обрабатываемую деталь под лазером. Движение лазерного луча не вызывает сопротивления от контакта с обрабатываемой деталью. То же касается печатающей головы 3д принтера или 3д сканера, струйного принтера и т.п. Другое дело механический контакт фрезы с заготовкой. Мы можем гравировать печатные платы — кончик очень острой фрезы едва касается заготовки, мы можем резать шпон, бумагу, пленку, тонкий пластик и даже тонкую фанеру. Во всех этих случаях уже возникает сила сопротивления, на котору, мы можем влиять скоростью движения фрезы по заготовке и оборотами шпинделя. Для этих не тяжелых работ годится станок с ЧПУ даже конструкции Тадам-9.
Однако даже стальные фрезы ломаются. Тому же тов. Ньютону мы обязаны открытием про действие и равное ему противодействие. Если фреза ломается, значит где-то возникли силы, ее ломающие. Источник силы — моторы, шаговики. Точка приложения силы — кончик фрезы. Как сила дошла от источника до кончика? — правильно, через механическую конструкцию. Любая конструкция, даже самая-самая-самая жесткая под изменяющейся нагрузкой меняет свои размеры. Мотылек сел на сталь? — под ножками мотылька сталь прогнулась, величину прогиба трудно измерить, но она есть. Фреза не мотылек. Итак, еще раз — под жесткостью понимают способность станка сохранять свою форму и размеры при приложении нагрузки. Соответственно и измеряют — отношение приложенной силы и вызванные ею изменения размеров. Это мм/кг, или мм/Н, или кг/мм, или Н/мм. Все это одно и тоже. Но и здесь нашлось место для упрятывания дьявола.
Крайне редко изготовители станков открыто публикуют эти граммы, т.е результаты измерения жесткости. Мало того, что тогда многие рекламные утверждения расспаются в пыль, на измерения надо тратить время и силы. Автору же, сделавшему в 2017г. чрезвычайно нахальную экстремистскую версию своего станка Тадам-1 на замену популярному китайцу CNC 3040, было необходимо убедиться в преимуществе собственной конструкторской мысли над китайской. Победа Тадам-1 была с таким отрывом, что только врожденная скромность спасла от постыдностей.
Теперь о местах для дьявола. Мы должны измерить изменения геометрии станка вцелом при изменении нагрузки. Но где именно измерять изменения, где именно прикладывать нагрузку, как измерять нагрузку, как измерять изменения размеров, в каком режиме работы станка? По каждому вопросу есть не одна версия ответов, дело пахнет факториалом числа версий результатов.
Типичной и, полагаю, попахивающей жульничеством, схемой измерения является схема, широко применяемая среди любителей помериться выступающими частями. Схема такова — голова станка занимает центральное положение на станке (это нормально), ось Z со шпинделем занимает какое-то положение, как правило — наиболее выгодное с точки зрения прочности, моторы выключены, все каретки так или иначе механически зажаты, вплоть до струбцин (логика такая — мы мерим жесткость того, что сделано нашими руками, т.е. корпуса, а качество кареток и т.п. мы не контролируем). Нагрузку при этом прикладывают к патрону шпинделя и измеряют отклонения низа корпуса шпинделя.
Автор не Воланд, но и мы не в цирке, да и магии никакой здесь нет. Зажимая струбцинами каретки мы жульничаем — каретки бывают погаными, мягкими или качественными, но в любом случае они имеют собственный люфт и упругость. Сзязь с мотором имеет свою упругость и люфт — те же повсеместно применяемые способы соединения мотора с винтом через полиуретанового посредника, это-ж просто песня. В этих хитростях был отмечен известный мастер Фрезеряга, чаще всего применявший тапочки в критике конкурентов, см. его модели ниже в таблице. Усилие в жизни прикладывается к кончику фрезы и на качество работ влияет отклонение положения именно кончика фрезы, а не низа корпуса шпинделя. Тем не менее именно такие результаты хоть и редко, но публикуют. Часть такого рода огрехов «методики постановки эксперимента» можно учесть и скорректировать математикой (пересчитать отклонение к кончику фрезы используя знание длины фрезы и расстояние до кончика от низа шпинделя), также можено поступить с перерасчетом усилия. Но жульничество со струбцинами пересчитать невозможно.
Как поступил автор с измерениями на своем Тадам-1 (рабочее поле 570*360*100) и CNC 3040 (рабочее поле 280*375*50) — зажал в цанговый патрон стальной закаленный штифт диаметром 6мм, включил станок, на включенных моторах приехал в центр, под штифт поставил электрический контакт и поехал головой станка со шпинделем вниз до контакта. Станок это умеет делать по команде G38.3 Z0 — контакт сработает и мы увидим на экране замеренное положение всех координат. Поднимаем голову и ставим сверху шпинделя груз, в моем случае стальная штуковина весом 0.8кг — вполне значимый вес, не мотылек. Снова едем до контакта, получаем вторую координату Z и вычисляем разницу. И это все в рабочем состоянии, «на включенных моторах». Китайский CNC 3040 показал отклонение 0.14мм на кг нагрузки, и это уже не тот, что был куплен, а существенно усиленный моими же руками (все винты м4 заменены на м5 с шайбами и на большую глубину, прикручено дно и т.п.). Тадам-1 оказался в три раза жестче, сильнее — 0.05мм на кг нагрузки. CNC 3040 сделан из «алюминия увеличенной толщины», Тадам-1 из массива дуба, моторы одинаковые, CNC 3040 ездит по «закаленным высокопрочным валам на опоре» и с помощью ШВП, Тадам-1 имеет наглую конструкцию «одна каретка (вместо двух) на один рельс Hiwin» и использует вместо ШВП зубчатую рейку с редукторами в деревянных корпусах, полюбоваться на фото в работе можно здесь. Тадам-3 (дсп — столешница с кухни после ремонта, массив ясеня, две каретки на рельс, SKF, зубчатая рейка, деревянные корпуса редукторов, рабочее поле 1200*3200*185мм) при многократном увеличении размера рабочего поля эти показатели жесткости улучшил еще в несколько раз, до 0.015мм/кг. Результаты Тадам-4 (те же каретки и те же редукторы) уже вышли за пределы точности измерений — минимально возможный шаг по Z оказался меньше изменений геометрии и потому все измерения показали 0мм изменений, что физически недостоверно.
Но это еще не все про измерения. Есть еще оси X и У. Методика применялась аналогичная — к концу штифта на веревочке привязывался невесомый полиэтиленовй пакет, в него помещался калиброванный весом двухкилограммовый пакет муки и через спинку стула свешивался к полу. Зачем и почему? — конкуренты применяли «динамоментры», в просторечии — пружинные безмены, одной рукой тянули и другой измеряли. Но усилие безмена нестабильно и зависит от перемещения, сжатия пружины. Вариант с мешком муки стабилен и руки свободны. Все также — едем до контакта по оси Х, ззаписываем координату, отъезжаем, кладем пакет с мукой, едем снова — получаем вторую координату, вычисляем жесткость. Китайский CNC 3040 показал отклонение 0.046мм на кг нагрузки, Тадам-1 оказался в пять раза жестче, сильнее — 0.0095мм на кг нагрузки. Для Тадам-3 и Тадам-4 такие измерения произвести не получалось поскольку некуда мешок с мукой свешивать — эти модели стоят на полу.
Этим доказано, что дело в руках и голове, а не материале изготовления корпуса станка.
Табличка известных значений жесткости разных станков, пересчитанных к единой системе координат «на кончик фрезы», для большинства моеделей показатели завышены путем зажима кареток и моторв (замерены не на включенных моторах) —
Отдельно следует отметить мягко посредственные характеристики бьющих себя пяткой в грудь за чугунную станину Росфрезер и высказать комплименты тов. Самоделкину за М-серию.