Ось Z фрезера: как рассчитать ход, проверить перпендикулярность шпинделя и не дать ему упасть при отключении питания

Сколько хода нужно на самом деле

Каталог называет ход Z максимальным подъёмом шпинделя. Для работы нужна другая величина: какую заготовку станок примет по высоте. Шпиндель стоит на нижнем упоре, фреза касается стола, и от этого положения кончик поднимается на величину хода. Отсюда формула:

максимальная высота заготовки с оснасткой = ход Z − жертвенный слой − прижимы и подкладки − запас подъёма над заготовкой.

Запас подъёма нужен, чтобы кончик фрезы прошёл над самой высокой точкой с зазором на холостых перебегах. Практики закладывают 15–20 мм и больше, если по столу ходят прижимы.

Пример для хода 150 мм. Жертвенный лист 18 мм, прижимы и подкладки 10 мм, запас подъёма 20 мм. Максимальная высота заготовки 150 − 18 − 10 − 20 = 102 мм. При ходе 120 мм получится 72 мм, и это совпадает с рассказами практиков: на 120 мм хода рабочей высоты выходит около 80 мм.

Вылет фрезы из цанги в формулу хода не входит, но связан с глубиной: фреза должна выступать на глубину реза плюс 5–10 мм, иначе гайка цанги заденет заготовку. Длинный вылет роняет жёсткость, и тонкая фреза начинает «гулять».

С каталожной длиной винта картина другая. Если нужен ход оси Z 400 мм, а винт взят длиной 500 мм, из длины уходят хвосты под опоры, посадочные места подшипников и тело гайки. В одном из обсуждений винт длиной 500 мм с одной гайкой дал реальный ход около 370 мм. Считайте по чертежу производителя, а не по общей длине.

Если шпиндель нужно поднять выше, чем позволяет ход, практики ослабляют хомут, поднимают шпиндель и затягивают: параметры станка при этом не меняют. На лёгком станке вылет оси Z больше примерно 250 мм вызывает вибрации, и операторы советуют поднять стол или портал, чем вытягивать шпиндель вверх. Если смотреть на модели Wattsan, по карточкам у Mini ход по Z 100 мм, у A1 200 мм, у M1 300–400 мм, у M6 и M9 1325 450 мм. Для глубокого рельефа или заготовок с оснасткой в 80–100 мм берут серию с запасом, а не расчёт впритык.

Почему Z плывёт

Типичная жалоба: первая деталь вышла в размер, а последующие глубже или мельче, или глубина уходит по ходу программы. Операторы называют несколько причин, и проверять их удобно в таком порядке.

1. Кабель мотора Z. Он ходит вместе со шпинделем и надламывается в одном месте. Перекиньте кабель или подвигайте его при работающем драйвере: если координата дёргается, дело в нём.
2. Муфта, шкив, шпонка. На ременной передаче проскальзывает ремень или шкив. На винте ослабла муфта. Проверьте винты на лысках вала и фиксаторы.
3. Каретка и подшипники. Разбитый линейный подшипник и ослабшие болты каретки дают хаотичный уход. Покачайте шпиндель вручную по оси, перпендикулярной движению, и смотрите на индикатор.
4. Скорость врезки по Z. На 3D-рельефе шаговик на высокой скорости врезки теряет шаги, и фреза постепенно выходит из материала. Ограничьте скорость Z в настройках и сравните.
5. Файл УП. Просмотрите программу в симуляторе: иногда координата уходит из-за самой траектории.
6. Плата управления. В одной из историй причиной «потери координат» оказалась сама плата. Но списывать на неё надо в последнюю очередь, после механики.

Проверка повторяемости: закрепите индикатор на столе так, чтобы ножка касалась шпинделя или плоскости на каретке, дайте команду подняться на 50 мм и вернуться, повторите 10 раз. Показания не должны расходиться. Если стрелка уходит в одну сторону, теряются шаги или проскальзывает передача. Если разброс случайный, смотрите люфт и кабель. Подробности про потерю шагов и питание драйверов есть в статье про дрейф координат.

Шпиндель падает при отключении питания

Шпиндель весом в несколько килограммов (у тяжёлых моделей бывает около 16 кг) сидит на винте. Когда питание пропало, ему нечего держать.

Причина двойная. Шариковый винт с КПД около 90% (у трапецеидального винта 20–25%) может вращаться под нагрузкой на гайке: линейная сила раскручивает винт. Оценка момента: T ≈ F · P · η / (2π), где F — вес, P — шаг. Для шпинделя 10 кг (около 98 Н) на винте с шагом 10 мм получается порядка 0,1 Н·м. Шаговый двигатель без тока держит положение собственным фиксирующим моментом (detent torque), и его часто не хватает для удержания при выключенном питании. В паспорте он указан отдельной строкой и, как правило, заметно меньше момента удержания под током. Итог: шпиндель медленно или рывком опускается на стол или заготовку.

Что делают операторы:

Шаговый двигатель как «держатель» на случай аварии рассматривать нельзя: при пропадании питания он держит только остаточным моментом. ИБП на станок даёт время опустить ось по программе, но тормоз и разгрузка надёжнее.

Перпендикулярность шпинделя и гребёнка

Если после выравнивания жертвенного стола остались полосы, а у детали стенки идут трапецией, шпиндель стоит не перпендикулярно столу. Сначала проверьте параллельность хода каретки Z относительно портала и стола, потом наклон самого шпинделя в хомуте: ошибка в каретке не уйдёт, как бы вы ни прокладывали хомут.

Высота гребешка между проходами равна шагу между проходами, умноженному на тангенс угла наклона: h = s · tg α. Ниже расчёт для наклона, выраженного в мм на 100 мм (индикатор показывает именно такое отклонение по кругу).

Гребешки в сотые доли миллиметра невидимы на обычной поверхности, но под лаком или глянцем заметны. Конусность деталей растёт быстрее: при наклоне 0,1 мм на 100 мм стенка высотой 50 мм получит отклонение 0,05 мм, а на ширине 600 мм наклон даёт перепад около 0,6 мм по высоте.

Отжим фрезы даёт волны, если взять широкую фрезу на тонком хвостовике: операторы советуют фрезу с толстым хвостовиком и меньшим вылетом. Тупой кончик фрезы тоже даёт нарастающую конусность. Жертвенный слой выравнивают большой фрезой на самом станке, о подготовке стола подробно сказано в статье про жертвенный стол и в материале про вакуумный стол.

Если перпендикулярность не выставляется в допуск, а станок на гарантии, не переделывайте узел сами. У продавцов с собственным сервисом, вроде Lasercut, инженеры делают пусконаладку и ремонт и для станков других поставщиков: условия описаны в разделе про запуск и наладку оборудования.