Pierwsza część cyklu zawiera opis budowy stojaka minifrezarki, druga część przeróbkę fabrycznego stołu krzyżowego Proxxon KT70, a w tej części przedstawię konstrukcję osi Z.
Budowa osi Z
Przystępując do budowy osi Z rozpatrywałem kilka możliwych wariantów:
- najtańszy, ale najbardziej pracochłonny - konstrukcja oparta o tulejki ślizgowe DIY oraz samodzielne wykonanie większości elementów,
- najmniej pracochłonny, ale najdroższy - wykorzystanie gotowych precyzyjnych fabrycznych prowadnic liniowych (np. THK z serii KR),
- pośredni, z użyciem typowych fabrycznych elementów (łożyska, wałki, wsporniki) oraz samodzielnym wykonaniu pozostałych części.
O wyborze rozwiązania w sumie zadecydował przypadek. Jako że zależało mi na czasie (projekt już mnie trochę męczył), byłem bliski wariantu drugiego. Ale akurat wtedy nie mogłem znaleźć odpowiedniej prowadnicy w akceptowalnej cenie, a podczas poszukiwań trafiłem na przyzwoitą ofertę z pasującymi łożyskami linowymi i w efekcie przystąpiłem do budowy wg wariantu trzeciego. Z-ka nie ma kompletnej dokumentacji rysunkowej, bo projekt krystalizował się „w locie”, poniżej podaję jedynie najważniejsze wymiary.
Podstawę dla Z-ki stanowi profil AL 100x20x2mm (długość 200mm, oznaczenie Z na rozkroju pokazanym w cz.1). Pozostałe elementy to „handlowe” wałki 12mm (długości 195mm), łożyska liniowe 12mm w obudowie, wsporniki końcowe 12mm (5szt), wspornik końcowy 20mm na mocowanie wrzeciona, kątownik AL o grubości ścianki 5mm na mocowanie silnika oraz płyta suwaka. W moim przypadku ten ostatni element to resztka profilu AL „z szuflady” - kształtownik o grubości ścianki 4mm, lepiej byłoby użyć grubszego - np. 6mm. Podczas frezowania nie zauważam jakichś problemów ze sztywnością, ale przy bardzo silnym dokręcaniu kluczem śruby mocującej wrzeciono czuć, że ten element jednak minimalnie sprężynuje.
Sposób mocowania wsporników na podstawie jest pokazany ze szczegółami na rysunku. Dwie wewnętrzne śruby M5 przechodzą przez profil na wylot i są dociągnięte nakrętkami, pozostały (wystający) odcinek gwintu służy do mocowania Z-ki na stojaku, będzie to omówione dalej. Śruby te wewnątrz profilu przechodzą przez dodatkowe tuleje usztywniające fi 12mm. Jest to zabieg konieczny z dwóch powodów - umieszczenia nakrętki na drugiej ściance profilu, a także ze względu na to, że gdyby się przyjrzeć, to typowy ciągniony profil nie jest prostokątem. Dłuższe ścianki zawsze są lekko łukowate („zapadnięte” do wewnątrz). Chodzi wprawdzie o dziesiąte części mm, ale żeby mechanizm działał precyzyjnie, trzeba zmierzyć suwmiarką zewnętrzną grubość profilu w miejscu otworów pod mocowanie wsporników i tak dobrać wysokość tulejek, aby po zamocowaniu wsporników ich podstawa układała się na linii prostej. Na dolnej części Z-ki wsporniki są przysunięte do krawędzi profilu, na górnej odsunięte o 12mm w dół, pozostawiając miejsce na montaż kątownika (mocowanie silnika i blokada śruby pociągowej). Krótkie śruby M5 mocujące wsporniki od zewnętrznych stron są dociągnięte nakrętkami wewnątrz profilu podstawy w ten sposób, że nakrętka jedną ścianką dotyka profilu i nie trzeba jej unieruchamiać kluczem w trakcie dokręcania śruby. W zależności od użytych nakrętek może zajść konieczność lekkiego zeszlifowania jednej krawędzi, ale ogólnie ten sposób się sprawdził, więc polecam takie rozwiązanie. Jest na pewno prostsze w realizacji niż otwory gwintowane, a tu przy ściance 2mm i śrubach M5, to trochę za mała grubość, aby taki gwint można było dokręcać z dużą siłą.
Nie będę szczegółowo opisywał pozycjonowania prowadnic (idealna równoległość wałków), spodziewałem się, że będzie to bardzo trudne zadanie, ale w efekcie nie było tak źle. Jedna z prowadnic została zamocowana na sztywno, otwory mocujące pod drugą zrobiłem z lekkim luzem, co pozwalało na minimalną regulację położenia drugiej pary wsporników. Wykonałem pomocniczą płytkę (szablon) „związującą” obudowy łożysk liniowych i starałem się to zrobić z dużą precyzją. W efekcie mimo, że robiłem taką regulację prowadnic pierwszy raz w życiu, udało się bez większych problemów, cały zespół jeździ bardzo gładko i zupełnie bez luzów.
Mocowanie nakrętki pociągowej rozwiązałem na swój oryginalny sposób również z wykorzystaniem wspornika końcowego SK12. Sama nakrętka to walec z pręta POM o średnicy 12mm i szerokości odpowiadającej szerokości wspornika. W walcu tym najpierw przewierciłem precyzyjnie na wylot (wzdłuż średnicy) otwór 2mm. Przez ten otwór przechodzi widoczny na fotce poziomy drut średnicy 2mm. W samym wsporniku wcześniej wykonałem w odpowiednich miejscach (tak jak wchodzi i wychodzi drut) otwory fi 6,5mm pod śrubę pociągową. Element z POM został ustawiony w taki sposób, aby pomocniczy drut układał się idealnie równolegle do podstawy i w tym położeniu została dociągnięta śruba zaciskająca wspornik. To była operacja pomocnicza, pozwalająca na precyzyjne oznaczenie miejsca, w którym śruba pociągowa będzie przechodzić przez kątownik mocujący silnik.
Płytka suwaka została następnie przykręcona do obudów łożysk liniowych (w pozycji odwróconej, nakrętka pociągowa pod spodem). Został również przykręcony kątownik mocujący silnik.
Przesuwając suwak z pomocniczym drutem fi 2mm wyznaczyłem punkt w którym oś śruby pociągowej będzie przechodzić przez kątownik. Został on następnie zdemontowany, przewiercony wiertłem 2mm (tolerancja lekko na plus) i założony ponownie dla sprawdzenia, czy otwór wypadł tam gdzie potrzeba, oraz czy pręt pomocniczy gładko wysuwa się z kątownika przy poruszaniu suwakiem. Potem kątownik został ponownie zdemontowany, otwór rozwiercony do fi 8mm, a także wykonane i nagwintowane otwory pod wsporniki silnika. Na tym etapie została także zdemontowana ze wspornika nakrętka pociągowa POM, otwór 2mm rozwiercony do fi 4,2mm i nagwintowany gwintownikiem M6. Nakrętka została ponownie założona we wsporniku, przed zaciśnięciem ustawiłem ją podobnie jak poprzednio - tym razem już z wykorzystaniem pręta gwintowanego 6mm w położeniu równoległym do płyty suwaka.
Wymiary i sposób mocowania silnika jest podobny do mocowania silników XY, dokładniejsze informacje można znaleźć w cz2. tego cyklu. Sama śruba pociągowa (stal nierdzewna M6) jest również zbudowana tak samo jak śruby osi XY i jest zakończona - tak jak poprzednie - gwintowaną tuleją oporową wklejoną na końcu śruby na klej epoksydowy. Tulejki z POM pozycjonują śrubę pociągową w otworze w kątowniku, a jednocześnie pełnią rolę łożysk ślizgowych. Widoczne „wybranie” materiału w kątowniku jest spowodowane kolizją wewnątrz podstawy ze śrubami mocującymi wsporniki wałków.
Zamontowana śruba wygląda jak na fotkach powyżej. Różnica w stosunku do osi XY jest taka, że tam śruba była blokowana standardową nakrętką kontrującą po przeciwnej (do silnika) stronie stołu, tutaj blokada jest po jednej stronie na kątowniku mocującym silnik, przy pomocy samodzielnie wykonanej nakrętki. Jest to nagwintowana tuleja aluminiowa, którą po odpowiednim dokręceniu (bez luzu osiowego ale z możliwością obrotu śruby) blokuje się na gwincie 3 wkrętami i imbusowymi. W praktyce to rozwiązanie nie okazało się zbyt wygodne, bo do założenia śruby na suwak z nakrętką pociągową (kiedy kątownik silnika jest już założony na podstawę) nakrętka blokująca musi być zdjęta ze śruby i potem, kiedy się ją ponownie dokręca, dostęp do wkrętów blokujących jest dużo bardziej utrudniony niż w sytuacji jak wygląda to przy zdjętym kątowniku (jak na zdjęciach wyżej).
Sposób mocowania Z-ki na stojaku jest wyjaśniony dokładnie na rysunku (w przekroju łamanym). Prawa część pokazuje mocowanie w górnej części Z-ki, lewa mocowanie dolnej części. W obu przypadkach wykorzystuję wystające końcówki śrub mocujących wsporniki wałków linowych. Górna część Z-ki jest dokręcona przy pomocy zwykłych nakrętek na przedniej ściance profilu (F), natomiast dolne wymagają wykonania specjalnych nakrętek. Montaż Z-ki wymaga lekkiego poluzowania śrub, którymi są skręcone ze sobą elementy D, E, F. Po ponownym dociągnięciu wszystkich śrub, całość staje się bardzo sztywna.
Nakrętki specjalne (z wykorzystaniem wklejonych krótkich śrub imbusowych) umożliwiają zablokowanie dolnych śrub mocujących Z-kę na przedniej ściance profilu (F) poprzez otwór w tylnej ściance elementu (F).
Silnik został zamontowany na takich samych wspornikach (szczegóły w cz.2) jak w osiach XY, oś silnika jest połączona ze śrubą również za pomocą sprzęgła 6,35/8mm. Przykręcenie uchwytu wrzeciona (wspornik SK20) zakończyło ten etap i umożliwiło przeprowadzenie pierwszych testów.
Testy te niestety wypadły niezbyt optymistycznie. Wydawało mi się, że jeśli tuleje ślizgowe dobrze sprawdziły się w roli łożysk oporowych w osiach XY, to podobne rozwiązanie w osi Z powinno również się sprawdzić. Niestety tak nie było. W tej konfiguracji opór tarcia na takim łożysku jest nieporównywalnie większy niż przy XY. Grawitacja robi swoje, do ciężkiego suwaka (duża ilość metalu) dochodzi jeszcze ciężar wrzeciona. Silnik na takich samych ustawieniach jak dla XY nie był w stanie obracać śrubą napędową. No cóż, ciągle człowiek się uczy, próbując rozwiązać ten problem zdecydowałem się na wykonanie przeciwwagi. Jest to rozwiązanie stosowane w dźwigach i windach - dzięki przeciwwadze silnik o niewielkiej mocy jest w stanie podnosić bardzo dużą masę. W CNC z ruchomą (w poziomie) Z-ką tego rozwiązania nie da się zastosować, ale w moim przypadku jak najbardziej, co więcej stojak z tyłu ma nawet swego rodzaju komorę na taką przeciwwagę. Z tą myślą wykonałem i zamocowałem na kątowniku (pod silnikiem) 2 wsporniki zakończone obracającymi się kółkami z POM do prowadnicami linek, na których z jednej strony miał być zawieszony suwak Z-ki a z drugiej przeciwwaga.
Zanim jednak dokończyłem tę modyfikację, dzięki podpowiedzi WojtkaO udało mi się kupić pasujące kulkowe łożyska oporowe i to rozwiązało całkowicie problem. Wstawiłem je pod i nad tulejki ślizgowe i tym razem silnik (na tych samych ustawieniach jak dla XY) już bez problemu kręcił śrubą pociągową. A wsporniki do przeciwwagi pozostały, skoro już je zamontowałem, to zostawiam je na wszelki wypadek. Jeśli w przyszłości zdecyduję się powalczyć o zwiększenie prędkości obrotowej silników lub zechcę użyć cięższych narzędzi, to mając w zanadrzu przygotowaną przeciwwagę będę miał pole manewru. W każdym razie ten przypadek uświadomił mi, jak bardzo różni się specyfika pracy osi Z od pracy osi XY.
Jak wspomniałem wcześniej do zamocowania wrzeciona zastosowałem typowy wspornik SK20 - rozwiązanie tańsze niż inne (dedykowane) uchwyty dla narzędzi z mocowaniem 20mm. Jak widać na zdjęciu wspornik został lekko podfrezowany z obu stron, chodziło o zmniejszenie jego grubości w obszarze otworu, co umożliwia zamocowanie zarówno wrzeciona 220V Proxxon IB\E jak i miniszlifierki 12V Micromot 50/E, która ma znacznie niższy chwyt niż IB\E.
W ten sposób zakończyłem mechaniczną część projektu, kolejny etap - elektronika - zostanie opisana w czwartej części cyklu.