Уже было сказано, что вариантов привода механической части станков с ЧПУ не так уж и много, а именно — ШВП (шарико-винтовая передача), ремень, шестерня-рейка (зубчатая передача), винт, ну и Святой Дух, как без него. У каждого вида свои достоинства и недостатки, о чем также уже говорилось. Также ранее в статье о выравнивании портала была анонсирована эта лекция о борьбе с люфтами.
Для правильного понимания проблематики без вводной части не обойтись, постараюсь максимально сдержанно.
Эвольвента — это ключевое свойство любого зубчатого зацепления. Суть в том, чтобы избежать неравномерностей вращения при контакте шестеренок и зубьев. Никакие зубья не могут «тянуть» в принципе, могут только «толкать» и имеют не нулевую высоту в точке «толкания», следовательно радиус от центра вращения по высоте зуба меняется, следовательно меняется «плечо» (рычага) и «передаточное отношение«. Тов. Эйлер, наш, кстати, человек, эту проблему решил, создав Эвольвенту — специальный профиль зуба, пары зубьев, которые в любой конкретный момент «толкает» нагрузку так, чтобы точка условного контакта в любой момент времени была на одном постоянном радиусе при том, что всегда «толкают» не менее двух зубов одновременно. Попутно обеспечено «качение» зуба по зубу вместо скольжения. Этим объясняется странная форма зубьев.
Т.е. Эвольвента — это российский вклад в мировую механику, как и зацепление Новикова.
Зазоры. Когда одна шестерня «толкает», то она соприкасается со вторым зубом только в одной точке (линии сечения). Эйлер рассматривал идеальный случай — без зазоров. В жизни зазоры есть всегда. При смене направления движения, вращения, мотор начинает крутиться в другую сторону, зубья начинают толкать в другую сторну, но до тех пор, пока зубья его шестерни не пройдут путь зазора от одной стороны до другой стороны (межзубового пространства), движение не начнется. Это и есть люфт. Он явно слышим — подергайте туда-сюда и усшлышите стуки. Их быть не должно. Люфты есть и в гайке ШВП, но они менее слышимы, потому все сказанное ниже применимо и к системам перемещения, построенным на основе использования любых видов винтов — обычных, трапецевидных, шарико-винтовых пар.
Метод борьбы с люфтом есть только один — повышение точности изготовления деталей и их взаимного расположения. Но способы устранения люфта есть разные.
Самый распространенный способ устранения люфта «шестерня — зубчатая рейка» — это прижим шестерни к рейке, например, на рычаге с пружиной. Метод шумный, плохой, ненадежный и допускающий «перепрыгивание» — при повышении нагрузки усилие шестерни ее всегда приподнимает над рейкой, это зависит от сочетания тягового усилия и силы прижима. При таком приподнимании во-первых движение становится нелинейнам (сперва опаздывает, затем при опускании догоняет), а во-вторых может перепрыгнуть через зуб. Для борьбы с этим прижимают со всей возможной силой, пытаются ограничивать ход рычага и пр. Но в любом случае из-за неустранимой неравноместности высоты зубьев, зубчатой рейки и неравномерности износа почти всегда будет зазор, почти всегда будет люфт.
В промышленном, дорогом случае для этого могут использовать т.н. «разрезные шестерни» —
суть которых в том, что берут вместо одной шестерни толщиной (условно) 20мм две шестерни толщиной 10мм, надевают их пачкой на один вал, и за счет непростого гидравлического или пружинного механизма обеспечивают взаимный сдвиг. И метод этот в жизни не применяется по тривиальной причине — по рейке катится малая шестерня, 13-18 зубьев, у нее маленький диаметр и впихнуть в нее нужные механизмы с досточным запасом прочности не получается. Представленная на фотографии шестерня огромна и явно для других целей. Но даже если бы и сделали такую конструкцию, то зубчатая рейка будет вдвое шире работающего зубчатого колеса, происходит соответствующая выработка зубчатой рейки с условным ее расслоением (за счет износа) и, главное, такая схема склонна резонансу и излишне упруга. Для любых видов винтов способ аналогичен — установка второй, Slave гайки и пружины между ходовой Master гайкой и ведомой Slave гайкой —
В настоящее время единственно правильный способ устранения люфта в зубчатом приводе «шестерня-рейка» это преварительное напряжение за счет применения второго мотора. В терминологии google это будет схема Master-Master (покамест google знает только схему Master-Slave). Поскольку цены на моторы стали очень низкими, значительно ниже стоимости «разрезной шестерни» и к ней увеличенной толщины зубчатой рейки (купить невозможно), выгоднее использовать два мотора, нежели один мотор и сложную к нему механику. Для этого нам всегда будут нужны вдоль одной оси два привода, т.е. два мотора на ось, одна или две рейки и т.д. Ведь напряжение — это разность потенциалов, а разность потенциалов возможна только между чем-то и чем-то, между верхним и нижним мотором, между правым и левым и т.д. Суть метода проста — в самом начале работы, при включении станка, моторы начинают вращение и фиксируют свое взаимное положение так (условно), чтобы «правый» мотор тянул «вперед», а «левый» — «назад». Сложно? Простая аналогия — возьмите палку шире дверного проема и возьмите ее одной рукой по центру. Любой ребенок взявшись за край палки сможет изменить ее положение. Теперь путь даже и одной рукой двумя концами палки упритесь в дверную коробку — как бы это ни делалось, но в любом случае это будет вращательное движение кисти руки, палка упрется в дверную коробку и уже далеко не любой ребенок или уже не так легко сможет изменить положние плаки в пространстве.
Каждый мотор в положении покоя будет под нагрузкой, каждая шестерня будет соприкасаться только одной своей стороной с одной же стороной своей зубчатой рейки, а в случае с редуктором и рейкой это еще важнее — люфтов больше (шестерня мотора -> шестерня ведомая, на которой уже вторая шестерня, котора к рейке -> зубчатая рейка). Да, в этом случае часть силы мотора тратится впустую — на сопротивление другому мотору. Но при этом не тратится сила на преодоление силы прижима к рейке и ощутимо снижается вибрация, шум и износ (в этом случае всегда имеется трение качения без трения скольжения, спасибо тов. Эйлеру).
Понятно, что когда два мотора вдоль одной оси настраиваются таким образом, возникает т.н. перекос портала. Это имеет еще один плюс — в каретках также есть зазоры и такое предварительное напряжение устраняет зазоры не только в зубчатом соединении, но и в каретках и тем самым значительно повышается жесткость всего станка вцелом.
При этом возникают и проблемы, а именно одна — искривление геометрии станка, а именно нарушается перпендикулярность осей, что вцелом недопустимо. Но эта проблема имеет простое решение — такое искривление можно измерить и компенсировать, о чем сказано здесь.
Но также возможна и другая схема: зубчатая рейка одна, а моторов — два, рядом расположенных и (предварительно, в состоянии покоя) толкающих в противоположных направлениях. В этом случае не возникает дополнительно исркивления геометрии (т.е. именно за счет усилия моторов, родное, конструкционное, никуда не девается), но при этом и не исчезает люфт кареток. Этот вариант разумно применять для оси «вдоль портала» станка —
Стоимость же дополнительного мотора запросто может оказаться не выше стоимости даже примитивного механизма прижима рычагом с пружиной.