что нужно для чпу станка
Создание станка с ЧПУ из доступных деталей с минимум слесарной работы
Продолжаем обзор деятельности нашего Хакспейс-клуба.
Мы давно мечтали купить в наш клуб ЧПУ станок. Но решили его сделать сами. С нуля, начиная от железа и кончая программного обеспечение (прошивка контроллера и управляющая программа). И у нас это получилось.
Детали для станка старались выбирать из доступных в свободной продаже, многие из которых даже не требуют дополнительной слесарной обработки.
Контроллер мы выбрали Arduino Mega 2560 и что бы много не думать, драйвер шаговых двигателей использовали RAMPS 1.4 (как у RepRap 3D принтера).
Программу контроллера писали по алгоритму метода конечных автоматов. Последний раз я о нем слышал лет 20 назад в институте, не помню по какому предмету изучали. Это была очень удачная идея. Код получился маленький и легко расширяемый без потери читабельности (если в дальнейшем понадобится не только оси XYZ, или использовать другой G-код). Программа контроллера принимает с USB порта G-код и, собственно, дает команду двигателям осей XYZ двигаться в заданном направлении. Кто не знает, G-код — это последовательность конструкций типа G1X10Y20Z10, которая говорит станку переместится по оси X на 10 мм, Y на 20 мм и Z на 10 мм. На самом деле, в G-коде много различных конструкций (например, G90 — используется абсолютная система координат, G91 — относительная) и много модификаций самого кода. В интернете много о нем описано.
Подробнее остановлюсь на описание скетча (прошивка контроллера).
Вначале в описании переменных прописываем, к какому выходу контроллера будет подключены двигатели и концевые выключатели.
В этом коде метода конечных автоматов переменная принимает значение ждать с USB порта первый байт, во второй конструкции case производится проверка наличия данных и переменная _s принимает значение get_cmd. Т.е считать данные с порта.
Далее считываем все, что есть в порту, переменная _s устанавливается в get_tag; т.е. переходим на прием буквенного значение G – кода.
Теперь немного о железе.
Двигатели использовали 17HS8401, самые мощные из NEMA17, которые смогли на ebay найти. Там же купили подшипники и оптические концевики.
Все остальное отечественное, родное. Оригинальная идея с направляющими, сделали их из длинных хромированных ручек для мебели, они как раз диаметром 12 мм под подшипники, длиной они продаются до метра, и прочности вполне хватает. В торцах ручек просверлили отверстия и метчиком нарезали резьбу. Это позволило просто болтом надежно соединить направляющие с несущим конструктивом. Для оси Z так вообще ручку прикрепили к пластине конструктива целиком, Вал продается в любом строительном магазине как шпилька с резьбой любого диаметра. Мы использовали на 8 мм. Соответственно и гайки 8 мм. Гайку с подшипником и несущим конструктивом оси Y соединили с помощью соединительной скобы. Скобы купили в специализированном магазине для витрин. Видели наверно такие хромированные конструкции в магазинах стоят на которых галстуки или рубашки висят, вот там используются такие скобы для соединения хромированных трубок. Двигатель соединили с валом муфтой, которую сделали из куска стального прута диаметром 14мм, просверлив по центру отверстие и пару отверстий сбоку, для зажимания винтами. Можно не заморачиваться и купить готовые на ebay по запросу cnc coupling их куча выпадает. Несущий конструктив нам вырубили на гильотине за 1000 р. Сборка всего этого заняло не много времени и получили на выходе вот такой станок, на фото еще не установлены концевики, контроллер и не установлен двигатель фрезы.
Точность получилась просто изумительная, во-первых шаговый двигатель шагает 1/16 шага, во-вторых вал с мелкой резьбой. Когда в станок вставили ручку вместо фрезы, он нарисовал сложную фигуру, потом еще несколько раз обвел эту фигуру, а на рисунке видно как будто он один раз рисовал, под лупой рассматривали пытались другую линию найти. Жесткость станка тоже хорошая. Шатается только в пошипниках в допустимых пределах их собственого допуска и посадки. Немного шатается еще по оси Y, ну здесь я думаю конструктив оси Z надо доработать.
Фото получилось не качественное, на заднем плане стекло отражает. Не знаю какой я конструктор станка, но фотограф я просто никакой. Вот чуть получше.
Теперь об управляющей программе. Не помню почему, но мы решили сделать свою программу, которая готовый G-код с компьютера передает в контроллер. Может просто не нашли подходящий.
Программа написана на Microsoft Visual C++, использовалась библиотеки:
Module: SERIALPORT.H
Purpose: Declaration for an MFC wrapper class for serial ports
Copyright 1999 by PJ Naughter. All rights reserved.
Программа еще сырая, ну в двух словах используем
Использовался еще стандартный компонент msflexgrid таблица, в которую в реальном времени заносится выполняемый в настоящий момент G-код. Т.е. эта программа просто открывает готовый G-код и маленькими порциями запихивает его в контроллер.
Исходный код управляющей программы можно посмотреть здесь github.com/konstantin1970/cnc.git
Для понимания добавлю еще, что стандартный windows hyperterminal или putty делает то-же самое, запихивает данные в контроллер.
Сам G-код можно сделать в любой CAD/CAM системе например, мне понравился ARTCAM.
В планах у нас сделать более мощный станок на двигателях NEMA 23, но для этого нужно придумать, из чего делать более мощные направляющие. В прошивке контроллера добавить возможность изменять скорость вращения шпинделя. Особенно интересно нам установить камеру и сделать что-то подобное системе технического зрения, что бы станок сам определял размеры заготовки, вычислял начальную координату заготовки по всем осям в программе минимум. В программе максимум, чтобы с помощью камеры станок контролировал все этапы своей работы, возможно даже принимал решения изменить программу. Ну, например, увидел он, что шероховатость больше допустимого, взял и послал фрезу по второму кругу все отшлифовать с более высокой скоростью.
Надеюсь, сможем и в дальнейшем делиться своими разработками с вами уважаемые хаброчитатели.
Как я собирал ЧПУ фрезер, и в каких моментах не стоит за мной повторять
Изучая конструкции фрезерных станков, я понял, что они достаточно разнообразны, в аспекте количества осей, перемещения по ним материала и фрезера, и прочих тонкостей. Где-то, в одном станке работают несколько синхронизированных фрезеров, где-то используется сложная система рычагов, которая позволяет рассчитать положение по сложной формуле. Апофеозом конструкторской гениальности считаю вот такое:
Конструктив рамы был выбран из соображений жесткости треугольной формы (как водится, ее изменили уже на ходу):
Но в чем проблема с этим конструктивом? Дело в том, что ось Z, которая в любом случае достаточно тяжела, ездит вверх под своим весом, и, стало быть, требует более мощного ШД и драйвера. Первой мыслью было установить на тросе через блок противовес, но на форумах не очень хорошо отзываются о тросовых решениях из-за инерции. Но имея площадь, всегда можно завалить станок на длинный катет, и уменьшить этот эффект.
При наличии свободной площади, наверное, идеально было бы разместить треугольники развернутый через один, получился бы такой стол с очень жесткой станиной.
Жесткий каркас станка с горизонтальным столом.
Механика. На оси Z установлена ШВП (шарико-винтовая передача).
ШВП
Ось Y Устроена сложнее. Там тоже редуктор, но червячный, итальянский, далее полуоси через карданы от Волги, и на концах еще ременные редуктора. Очень важно застопорить эти редуктора на зубчатой рейке, чтоб не было люфта. По какой-то причине, я решил, что мебельные лифты подойдут (нет). При фрезеровании сила противодействия такая, что лифт отжимает насколько, что перескакивает шестерня. Пришлось поверх этого колхозить прижимающий эксцентрик.
Вот так это должно было быть в первом варианте 
Вообще, особое значение имеет система аспирации. Если вы не будете ее делать, готовьтесь, что при работе с деревом мельчайшая пыль накроет ВСЕ что есть в помещении, включая ваши глаза, волосы и кожу, а если вы работаете с фанерой, то она будет еще и с химикатами, что совсем неприятно.
Там, где в оригинале должны стоять CD и жесткие диски, располагаются драйвера, на них я поставил втягивающий вентилятор, и будучи осведомленным о пыли, к нему протянул вентканал и гофру из соседней комнаты (теперь не помешает также щель или клапан на улицу, так как избыток давления, очевидно, тупо выдавливает через дверные щели (это ощущается). В передней и нижней части размещены блоки питания драйверов (несложно понять, что один из них запитывает 2 драйвера, и теоретически можно запихнуть в системный блок все 5 драйверов, купив мощный БП, поскольку отбор максимальной мощности вряд ли будет со всех 5 одновременно, а во время удержания потребляемая мощность ШД не очень большая).
Прямо из ввода 220В в системный блок я сделал питание монитора и пылесоса, чтоб не плодить 10 выключателей (клемы Wago слева внизу).
Как собрать станок с ЧПУ своими руками
Что необходимо
На вопрос, как сделать станок с ЧПУ, можно ответить кратко. Зная о том, что самодельный фрезерный станок с ЧПУ, в общем-то, – непростое устройство, имеющее сложную структуру, конструктору желательно:
Не помешает просмотреть видео — своеобразную инструкцию, обучающую — с чего начать. А начну с подготовки, куплю всё нужное, разберусь с чертежом – вот правильное решение начинающего конструктора. Поэтому подготовительный этап, предшествующий сборке, — очень важен.
Видео-инструкция «Самодельный ЧПУ фрезерный станок»
Способы изготовления
Чтобы сделать самодельный ЧПУ для фрезерования, есть два варианта:
Важно определиться с предназначением, размерами и дизайном (как обойтись без рисунка самодельного станка ЧПУ), подыскать схемы для его изготовления, приобрести или изготовить некоторые детали, которые для этого нужны, обзавестись ходовыми винтами.
Есть различные примеры выбора варианта. Зачастую выполняют станок из МДФ, многие используют фанеру для изготовления самого рабочего стола, других деталей, также для направляющих можно купить трубу нержавеющую.
Возможна схема фрезерного станка с ЧПУ, в котором взяли, как основу, старый сверлильный станок, и рабочую головку со сверлом заменили на фрезерную.
А для этого нужно сконструировать механизм (в его конструкции есть подшипник), отвечающий за то, чтобы инструмент перемещался в трех плоскостях (по осях). Обычно его собирают на базе кареток принтера. Когда выполнена сборка по такой принципиальной схеме, останется подключить к устройству программное управление.
Видео «ЧПУ станок своими руками»
Но на таком самодельном станке, вследствие недостаточной жесткости кареток, будет возможность освоить производство печатных плат, выполнять обработку только пластиковых заготовок, древесины и тонкого листового металла. Для ЧПУ станка и полноценных фрезерных операций на нем, нужен мощный двигатель и хорошая электроника. И, в частности, печатная плата.
Обычно, найдя принципиальную схему устройства, сначала моделируют все детали станка, готовят технические чертежи, а потом по ним на токарном и фрезерном станках (иногда надо использовать и сверлильный) изготовляют комплектующие из фанеры или алюминия. Чаще всего, рабочие поверхности (называют еще рабочим столом) – фанерные с толщиной 18 мм.
Сборка важных узлов станка
В станке, который вы начали собирать собственноручно, надо предусмотреть ряд ответственных узлов, обеспечивающих вертикальное перемещение рабочего инструмента. В этом перечне:
Ниже – чертёж, сделанный в трёх проекциях: вид сбоку, сзади, и сверху.
Изготовление станины
Необходимая жесткость станку обеспечивается за счёт станины. На нее устанавливают подвижной портал, систему рельсовых направляющих, ШД, рабочую поверхность, ось Z и шпиндель.
К примеру, один из создателей самодельного станка ЧПУ, несущую раму сделал из алюминиевого профиля Maytec – две детали (сечение 40х80 мм) и две торцевые пластины толщиной 10 мм из этого же материала, соединив элементы алюминиевыми уголками. Конструкция усилена, внутри рамы сделано рамку из профилей меньших размеров в форме квадрата.
Станина монтируется без использования соединений сварного типа (сварным швам плохо удаётся переносить вибронагрузки). В качестве крепления лучше использовать Т-образные гайки. На торцевых пластинах предусмотрена установка блока подшипников для установки ходового винта. Понадобится подшипник скольжения и шпиндельный подшипник.
Основной задачей сделанному своими руками станку с ЧПУ умелец определил изготовление деталей из алюминия. Поскольку ему подходили заготовки с максимальной толщиной 60 мм, он сделал просвет портала 125 мм (это расстояние от верхней поперечной балки до рабочей поверхности).
Монтаж станка ЧПУ
Собрать самодельные ЧПУ станки, после подготовки комплектующих, лучше строго по чертежу, чтобы они работали. Процесс сборки, применяя ходовые винты, стоит выполнять в такой последовательности:
Затем начинается сборка остальных узлов и агрегатов самоделки.
Монтаж электронной начинки
Чтобы сделать своими руками ЧПУ станок и управлять ним, надо оперировать правильно подобранным числовым программным управлением, качественными печатными платами и электронными комплектующими (особенно если они китайские), что позволит на станке с ЧПУ реализовать все функциональные возможности, обрабатывая деталь сложной конфигурации.
Для того, чтобы не было проблем в управлении, у самодельных станков с ЧПУ, среди узлов, есть обязательные:
Только после этого станки с ЧПУ проходят проверку (при этом умелец сделает его пробный запуск, загрузив все программы), выявляются и устраняются имеющиеся недостатки.
Как видите, сделать ЧПУ, которое не уступит китайским моделям, — реально. Сделав комплект запчастей с нужным размером, имея качественные подшипники и достаточно крепежа для сборки, эта задача – под силу тем, кто заинтересован в программной технике. Примера долго искать не придётся.