Введение, предыстория
Мне бы хотелось рассказать о процессе конструирования и изготовления деревообрабатывающего станка. Описать именно сам процесс, в комплексе, со всеми нюансами, с небольшими вставками по специализации в каждой из затрагиваемых отраслей знаний (проектирование, конструирование, электротехника, изготовление и проч.). Без углубления в излишнюю эмоциональность и процесс, и, в то же время — без сухих научных фактов и теоретизирования. Ориентируюсь на популярное и научное изложение, но не без деталей и субъективного мнения )
Предыстория такова: одно время я занимался деревообработкой и мне нужно было шлифовать и плавно выводить криволинейные поверхности на заготовках из твердых пород дерева. начал я этот путь с напильника и ножовки, но быстро понял, что ручной труд хорош только в школе, а для производства надо использовать энергию электричества.
За первым подобным станком я поработал у родственника в гараже, второй сделал самостоятельно, сейчас представляю вам третью реализацию этого изделия.
Предназначение станка, особенности эксплуатации
Подобные станки предназначены для основных и вспомогательных операций по шлифовке поверхностей изделий из дерева, пластиков и цветных металлов на производстве и в быту. А говоря простым языком — барабан (с закрепленной на нем шлифовальной шкуркой) крутится, и подводя и поворачивая к нему заготовку, можно получить именно то, что требуется. Наличие стола (опара для рук и заготовки) позволяет снимать хоть по 0,05 — 0,1 мм за проход. Или, если нужен большой съем — надавливаешь посильнее — снимаем вплоть до 0,6 — 1 мм за проход (на примере дерева типа дуба, клена). Величина подачи так же важна.
По эксплуатации — проще попробовать самому, нежели описать словами. В сравнении с другим деревообрабатывающим оборудованием данный тип станков достаточно безопасен (фрезер, циркулярная пила): все движения легко контролируются, есть опора под заготовку, съем относительно небольшой, острых вращающихся частей нет.
Требования и ограничения
Поставим следующие требования к финальному изделию:
- Станок должен быть максимально мобильным и малогабаритным. Перенос оборудования с места на место, переезды — все эти факторы ставят во главу угла минимизацию массы и габаритов.
- Пылеудаление должно присутствовать в изделии «из коробки». При шлифовке образуется мелкая пыль, которая совсем не полезна для здоровья. Для реализации этого пункта в конструкции предусмотрен принудительная вытяжка пыли через щель между диском и рабочим столом. Сзади имеется отверстие для подключение стандартного шланга от пылесоса.
- Мощность двигателя должна быть достаточна для шлифовки небольших и средних по габаритам изделий. Неоправданный рост мощности двигателя приведет к увеличению массо-габаритных характеристик станка. Берем однофазный двигатель мощностью 250 Ватт.
- Посадка инструмента на вал двигателя VS развязка привода и инструмента. Наше изделие все таки больше относится к бытовым (нежели к проф. инструменту), мощность двигателя невелика — поэтому можем смело выбрать схему с посадкой инструмента на вал двигателя. Хотя разнесение привода и инструмента сразу же может дать бонус в виде регулировки скорости вращения (через шкивы) и уменьшить вибрации. Но это приведет к удорожанию и усложнению проектирования, изготовления и сборки.
- Эргономика пользования. Стол не должен быть слишком большим и, в то же время, не слишком маленьким. Высота расположения рабочей поверхности важна (если шлифуешь больше чем 20-30 минут в день). Характеристики подбираются индивидуально.
- Освещение рабочей зоны должно присутствовать, свет должен падать сверху. Плафон должен иметь возможность двигаться и фиксироваться в широких пределах.
- Барабан должен быть сменным, с легкой возможностью замены шлифовальной ленты.
- Реверс. Барабан должен крутиться как по часовой стрелке, так и против (требуется для удобства шлифовки деталей).
Немного о компьютерном моделировании и этапах разработки
Создание чертежей деталей для передачи их в работу — это уже последний этап работ. Первоначально я долго обдумываю изделие, «кручу» его в голове, компоную элементы и т.п. Потом идет бумажный этап — черту схемы, наброски, эскизы. Прикидываю возможность реализации всего нарисованного, переделываю — и так по кругу. Потом идет уже этап рабочих чертежей с реальными размерами (пока ещё на бумаге). Опять надо согласовывать и учитывать все размеры и детали между собой. Это самый сложный этап. Так как нет компьютерной модели, все в голове — ошибки таки имеют место быть.
Дальше все проще: в 2D CAD программе черчу детали под порезку лазером, фрезеровку, точение и т.п. Я использую DraftSight — данная программа бесплатна для некоммерческого использования и обладает почти полным функционалом Автокада по 2Д черчению + сохраняет файлы в форматах *.dxf, *.dwg.
Черчение на данном этапе — это простейшая работа без намека на творчество, надо лишь быть внимательным и аккуратным к вводимым размерам. Некоторые чертежи отдельных деталей я вообще рисую на бумаге — так и проще и быстрее. ЕСКД не соблюдаю (и знаю лишь частично), но токари, как правило, понимают и делают все что требуется :)
Я осознаю излишнюю простоту и халатность в подготовке документации. Собираюсь внести изменения в этот процесс.
Как минимум планирую делать сборочную модель изделия в программе 3D моделирования. Предварительная визуализация изделия намного проще, быстрее и дешевле, нежели создание прототипа и внесение корректировок постфактум.
Я перепробовал множество программ (бесплатных) и остановился на SketchUp. В ней можно быстро сделать прототип (с точными размерами): посмотреть результат, повертеть изделие в 3Д, проверить ошибки и т.п. Да, это не твердотельное моделирование, а всего лишь каркас из плоскостей, но на данном этапе мне этого достаточно. Ближайший аналог (из бесплатных) — FreeCAD, но эта программа пока находится в стадии бета-тестирования.
Вообще, самым перспективным подходом является создание твердотельной 3Д модели, а затем уже по ней — получаем какие угодно чертежи, разрезы, сечения, тестируем нагрузки и т.п. Но всему свое время, к этому надо дорасти (иметь время и силы на осваивание, делать крупный проект по такому принципу).
Например, в этом станке я ошибся в двух местах (некритичных) при заказе фрезеровки фанеры. Обе ошибки были быстро устранены, но я понял, что надо осваивать предварительную сборку деталей в 3Д (чтобы избежать таких явлений в дальнейшем и упростить себе работу).
Процесс изготовления
Двигатель и барабан у меня уже были (остались от предыдущей версии этого станка). Фанеру я быстро заказал (по электронной почте, детали были доставлены через почтовую службу — забрал коробку в ближайшем отделении).
Электрическая часть — что-то было в запасах, что-то докупил на рынке. Инструменты все были в наличии. Начертил схему, порезал провода, обжал, собрал все вместе, проверил — работает, крутится, переключается. Соединения проводов и кнопок все разъемные, скрутки пропаяны и обжаты. Сначала я припаивал провода к кнопкам, но потом перешел на автомобильные разъёмы — так проще в сборке и эксплуатации.
Барабан требует балансировки. Если его не отбалансировать — станок будет в буквальном смысле «прыгать» по столу при включении. Для этой операции у меня есть отдельное приспособление.
Минусом данной конструкции является то, что двигатель «намертво» закреплен в корпусе станка. Но, подшипники смазаны, двигатель надежный, отверстия для охлаждения в корпусе есть — будем надеяться на долгосрочную работу изделия.
Сейчас я уже, конечно бы, покупал промышленные асинхронные двигатели: они и «фланец» и «лапы» имеют по умолчанию, и роторы в них отбалансированы получше, чем в двигателях от стиральных машинок.
Как дополнительная опция я хотел поставить в корпус охлаждающий вентилятор (от компьютера, на 5-12 Вольт). Но потом отказался от этой затеи — надо было бы вставлять ещё и блок питания, и отверстие под вентилятор в корпусе вырезать, кнопку включения для него делать и т.п.
Тепловое реле для защиты двигателя типа РТ-10 я так же не вставил.
Так же (теоретически) подсветку рабочего места так же можно было бы запитать от единого блока питания, расположенного в корпусе станка. Это бы усложнило электрическую схему и монтаж (вместе с реле и вентилятором), но кардинально повысило уровень изделия, и профессиональность разработки. В качестве лампы освежения можно было бы выбрать бытовой или промышленный (на 36 вольт есть светильники) экземпляр. Напрашивается светодиодная подсветка, но мне ближе обычная лампа накаливания (по спектру). Выбор системы освещения — это отдельная тема для дискуссии.
Для подключения пылесоса есть специальное отверстие диаметром 40 мм в задней части корпуса. Т.е. можно будет подсоединить туда патрубок D40 мм напрямую или шланг от бытового пылесоса D32 мм через переходник. Т.е. ещё на этапе проектирования были использованы стандарты для выбора диаметра отверстия для подключения системы пылеудаления.
Сборка — механика
Из порезанных фанерных заготовок склеиваем корпус.
Монтируем короб пылеуловителя. Пылесос будет всасывать воздух через щель между барабаном и рабочим столом. Теоретически, вместе с воздухом будет удаляться и образовавшаяся при шлифовке пыль.
Электрика смонтирована в корпусе.
Балансируем шлифовальный барабан на специальном приспособлении.
Подшипники использованы для обеспечения вращения балансировочного вала.
Балансировка производится путем высверливания в теле диска отверстий.
Все детали готовы к покраске.
Получившийся результат.
У меня были шильдики с соотв. надписями. Применил их на данном станке (установил при помощи заклепок). Получилось достаточно красиво и информативно.
На корпусе сзади видно гнездо под стандартный кабель питание и отверстие (с установленной водопроводной втулкой) для пылесоса.
Сборка — электрика
Рисуем принципиальную электрическую схему.
Обрезаем провода, обжимаем концы правильно.
Пользуемся специализированным инструментом.
Собираем вместе все компоненты.
Все смонтировано в корпусе.
Тестирование в работе
Тестирование аппарата показало достаточно хорошее удаление пыли при шлифовки. Двигатель греется, но немного, так как ему и положено. Плоскость барабана перпендикулярна столу (в пределах не более нескольких градусов). Станок достаточно мобилен и легко переносим. Остановить барабан путем прижатия к нему заготовки не удавалось (особо сильно я не давил). Вибрации станка при работе минимальные (но все равно присутствуют).
Получивший результат
В результате у нас получился станок с следующими характеристиками:
- масса: 8,5 кг
- габаритные размеры (ДхШхВ): 400х300х350 мм
- мощность двигателя: 250 Вт (50 Гц, 220 В)
- диаметр шлифовального барабана: 182 мм
- линейная скорость шлиф. ленты: 13,5 м/с
- выход для подключения пылеуловителя: +
- съемный барабан (с возможностью замены шлиф. шкурки): +
- реверсирование вращения шлиф. барабана: +
Недостатки, возможные улучшения:
- подсветка рабочей зоны
- принудительное охлаждение двигателя
- установка теплового реле для защиты двигателя
- сменные шлиф. барабаны разного диаметра
- регулировка оборотов инструмента
- ограничить самопроизвольный запуск двигателя в ситуации когда питание «пропало и снова появилось»
Выводы и заключения
Проектировать это одновременно и сложно и просто. Изготовление по настоящему качественного, продуманного и проработанного в мелочах изделия — долгий процесс с многими итерациями (повторениями).
Буду рад услышать ваши мысли, замечания, предложения.
Автор: volmir
