Чпу станок по дереву своими руками пошаговая инструкция

Возможно, меня уволят за это!

Я давно хотел разместить серию постов по теме самодельных станков с ЧПУ. Но всегда останавливал тот факт, что Станкофф — станкоторговая компания. Дескать, как же так, мы же должны продавать станки, а не учить людей делать их самостоятельно. Но увидев этот проект я решил плюнуть на все условности и поделиться им с вами.

И так, в рамках этой статьи-инструкции я хочу, что бы вы вместе с автором проекта, 21 летним механиком и дизайнером, изготовили свой собственный настольный фрезерный станок с ЧПУ. Повествование будет вестись от первого лица, но знайте, что к большому своему сожалению, я делюсь не своим опытом, а лишь вольно пересказываю автора сего проекта.

В этой статье будет достаточно много чертежей, примечания к ним сделаны на английском языке, но я уверен, что настоящий технарь все поймет без лишних слов. Для удобства восприятия, я разобью повествование на «шаги».

Предисловие от автора

Уже в 12 лет я мечтал построить машину, которая будет способна создавать различные вещи. Машину, которая даст мне возможность изготовить любой предмет домашнего обихода. Спустя два года я наткнулся на словосочетание ЧПУ или если говорить точнее, то на фразу «Фрезерный станок с ЧПУ». После того как я узнал, что есть люди способные сделать такой станок самостоятельно для своих нужд, в своем собственном гараже, я понял, что тоже смогу это сделать. Я должен это сделать! В течение трех месяцев я пытался собрать подходящие детали, но не сдвинулся с места. Поэтому моя одержимость постепенно угасла.

В августе 2013 идея построить фрезерный станок с ЧПУ вновь захватила меня. Я только что окончил бакалавриат университета промышленного дизайна, так что я был вполне уверен в своих возможностях. Теперь я четко понимал разницу между мной сегодняшним и мной пятилетней давности. Я научился работать с металлом, освоил техники работы на ручных металлообрабатывающих станках, но самое главное я научился применять инструменты для разработки. Я надеюсь, что эта инструкция вдохновит вас на создание своего станка с ЧПУ!

Шаг 1: Дизайн и CAD модель

Все начинается с продуманного дизайна. Я сделал несколько эскизов, чтобы лучше прочувствовать размеры и форму будущего станка. После этого я создал CAD модель используя SolidWorks. После того, как я смоделировал все детали и узлы станка, я подготовил технические чертежи. Эти чертежи я использовал для изготовления деталей на ручных металлообрабатывающих станках: токарном и
фрезерном.

Признаюсь честно, я люблю хорошие удобные инструменты. Именно поэтому я постарался сделать так, чтобы операции по техническому обслуживанию и регулировке станка осуществлялись как можно проще. Подшипники я поместил в специальные блоки для того, чтобы иметь возможность быстрой замены. Направляющие доступны для обслуживания, поэтому моя машина всегда будет чистой по окончанию работ.

Файлы для скачивания «Шаг 1»

Габаритные размеры

Шаг 2: Станина

Станина обеспечивает станку необходимую жесткость. На нее будет установлен подвижной портал, шаговые двигатели, ось Z и шпиндель, а позднее и рабочая поверхность. Для создания несущей рамы я использовал два алюминиевых профиля Maytec сечением 40х80 мм и две торцевые пластины из алюминия толщиной 10 мм. Все элементы я соединил между собой на алюминиевые уголки. Для усиления конструкции внутри основной рамы я сделал дополнительную квадратную рамку из профилей меньшего сечения.

Для того, чтобы в дальнейшем избежать попадания пыли на направляющие, я установил защитные уголки из алюминия. Уголок смонтирован с использованием Т-образных гаек, которые установлены в один из пазов профиля.

На обоих торцевых пластинах установлены блоки подшипников для установки приводного винта.

Несущая рама в сборе

Уголки для защиты направляющих

Файлы для скачивания «Шаг 2»

Чертежи основных элементов станины

Шаг 3: Портал

Подвижной портал — исполнительный орган вашего станка, он перемещается по оси X и несет на себе фрезерный шпиндель и суппорт оси Z. Чем выше портал, тем толще заготовка, которую вы можете обработать. Однако, высокий портал менее устойчив к нагрузкам которые возникают в процессе обработки. Высокие боковые стойки портала выполняют роль рычагов относительно линейных подшипников качения.

Основная задача, которую я планировал решать на своем фрезерном станке с ЧПУ — это обработка алюминиевых деталей. Поскольку максимальная толщина подходящих мне алюминиевых заготовок 60 мм, я решил сделать просвет портала (расстояние от рабочей поверхности до верхней поперечной балки) равным 125 мм. В SolidWorks все свои измерения я преобразовал в модель и технические чертежи. В связи со сложностью деталей, я обработал их на промышленном обрабатывающем центре с ЧПУ, это дополнительно мне позволило обработать фаски, что было бы весьма затруднительно сделать на ручном фрезерном станке по металлу.

Файлы для скачивания «Шаг 3»

Шаг 4: Суппорт оси Z

В конструкции оси Z я использовал переднюю панель, которая крепится к подшипникам перемещения по оси Y, две пластины для усиления узла, пластину для крепления шагового двигателя и панель для установки фрезерного шпинделя. На передней панели я установил две профильные направляющие по которым будет происходить перемещение шпинделя по оси Z. Обратите внимание на то, что винт оси Z не имеет контропоры внизу.

Файлы для скачивания «Шаг 4»

Шаг 5: Направляющие

Направляющие обеспечивают возможность перемещения во всех направлениях, обеспечивают плавность и точность движений. Любой люфт в одном из направлений может стать причиной неточности в обработке ваших изделий.
Я выбрал самый дорогой вариант — профилированные закаленные стальные рельсы. Это позволит конструкции выдерживать высокие нагрузки и обеспечит необходимую мне точность позиционирования. Чтобы обеспечить параллельность направляющих, я использовал специальный индикатор во время их установки. Максимальное отклонение относительно друг друга составило не более 0,01 мм.

Шаг 6: Винты и шкивы

Винты преобразуют вращательное движение от шаговых двигателей в линейное. При проектировании своего станка вы можете выбрать несколько вариантов этого узла: Пара винт-гайка или шарико-винтовая пара (ШВП). Винт-гайка, как правило, больше подвергается силам трения при работе, а также менее точна относительно ШВП. Если вам необходима повышенная точность, то однозначно необходимо остановить свой выбор на ШВП. Но вы должны знать, что ШВП достаточно дорогое удовольствие.

Я все же решил использовать винт-гайку для своего станка. Я выбрал гайки со специальными пластиковыми вставками которые уменьшают трение и исключают люфты.

Необходимо обработать концы винтов в соответствии с чертежами. На концы винтов устанавливаются шкивы

Файлы для скачивания «Шаг 6»

Шаг 7: Рабочая поверхность

Рабочая поверхность — это место на котором вы будете закреплять заготовки для последующей обработки. На профессиональных станках часто используется стол из алюминиевого профиля с Т-пазами. Я решил использовать лист обычной березовой фанеры толщиной 18 мм.

Шаг 8: Электрическая схема

Основными компонентами электрической схемы являются:

Шаговые двигатели
Драйверы шаговых двигателей
Блок питания
Интерфейсная плата
Персональный компьютер или ноутбук
Кнопка аварийного останова

Я решил купить готовый набор из 3-х двигателей Nema, 3-х подходящих драйверов, платы коммутации и блока питания на 36 вольт. Также я использовал понижающий трансформатор для преобразования 36 вольт в 5 для питания управляющей цепи. Вы можете использовать любой другой готовый набор или собрать его самостоятельно. Так как мне хотелось быстрее запустить станок, я временно собрал все элементы на доске. Нормальный корпус для системы управления сейчас находится в разработке )).

Электрическая схема станка

Шаг 9: Фрезерный шпиндель

Для своего проекта я использовал фрезерный шпиндель Kress. Если есть необходимость, средства и желание, то вы вполне можете поставить высокочастотный промышленный шпиндель с водяным или воздушным охлаждением. При этом потребуется незначительно изменить электрическую схему и добавить несколько дополнительных компонентов, таких как частотный преобразователь.

Шаг 10: Программное обеспечение

В качестве управляющей системы для своего детища я выбрал MACH3. Это одна из самых популярных программ для фрезерных станков с ЧПУ. Поэтому про ее настройку и эксплуатацию я не буду говорить, вы можете самостоятельно найти огромное количество информации на эту тему в интернете.

Шаг 11: Он ожил! Испытания

Если вы все сделали правильно, то включив станок вы увидите, что он просто работает!

Я уверен, моя история вдохновит вас на создание собственного фрезерного станка с ЧПУ.

Послесловие

Друзья, если вам понравилась история, делитесь ей в социальных сетях и обсуждайте в комментариях. Успехов вам в ваших проектах!

Станки, которые могут вас заинтересовать:

Все доступные чертежи представлены в статье.

За профессиональной консультацией обращайтесь к нашим специалистам, отправьте заявку прямо сейчас!

Ведущий специалист по фрезерным и лазерным станкам с ЧПУ, режущему инструменту, заточным станкам и измельчителям древесины

Ведущий специалист по фрезерным и лазерным станкам с ЧПУ, заточным станкам и измельчителям древесины

Читайте в блоге:

Источник

Если вы хорошо разбираетесь в технике, для вас не составит труда собрать фрезерный ЧПУ-станок у себя дома. Это выйдет значительно дешевле, чем приобретать новое устройство, и к тому же доставит вам удовольствие от самореализации. Все необходимые компоненты можно приобрести в магазинах электроники и стройматериалов. Ниже приведены детальные инструкции по сборке станка с фотографиями.

Подготовительные работы

Подготовка к построению станка предполагает такие фазы:

создание чертежей;
закупку надежных комплектующих и крепежа;
подготовку качественных инструментов;
ознакомление с текстовыми и видеоинструкциями.

Замечательно, если у вас найдется доступ к сверлильному и токарному станкам — это существенно облегчит конструирование фрезерного.

Как сделать фрезерный станок ЧПУ своими руками: пошаговая инструкция

Устройство можно изготавливать двумя методами:

Приобрести готовый комплект запчастей и самостоятельно смонтировать из него устройство.
Изготовить или приобрести все комплектующие по отдельности.

Второй вариант более сложный и затратный по времени, зато более бюджетный.

Подбирая материал для устройства, надо учитывать, что он обязан быть прочнее тех материалов, которые будут на нем обрабатываться.

Модели с подвижными столами хороши только в том случае, если станок будет компактным, менее 30 × 30 см. Для более крупных моделей оптимальными станут двигающиеся порталы.

В большинстве случаев устройства домашней сборки оснащаются шаговыми двигателями, а промышленные модели — более сложными и дорогостоящими сервоприводами.

Если вас интересует затейливая многомерная резка, лучше приобрести шпиндель с водяным охлаждением. Он недешевый, но издает меньше шума, способен обрабатывать разнообразные материалы и не перегревается, работая на пониженных оборотах.

Станок, описанный в этой статье, обошелся ориентировочно в 1500 евро. Им можно обрабатывать фанеру, пластик, лиственную древесину и алюминий.

Как вариант: основой для фрезерной установки может послужить сверлильная, где головка со сверлом заменяется на фрезерную. Чтобы инструмент мог передвигаться по трем плоскостям, механизм следует оснастить подшипником. Удобнее всего собирать такие механизмы на основе принтерной каретки, потом останется только оснастить аппарат программным управлением.

Проектирование

Эскиз для станка можно начертить по старинке от руки, но лучше воспользоваться компьютерной программой, к примеру AutoCAD (как профессиональный вариант) или Google Sketchup (опция попроще, предоставляется бесплатное использование на месяц). На рисунке должны быть точно переданы габариты всех комплектующих, чтобы понимать, какие детали заказывать.

Комплектующие

Для изготовления станка вам потребуются следующие механические компоненты:

профиль из алюминия 30 × 60 мм, порезанный на отрезки до 10 см;
пластина из алюминия толщиной 15 мм;
штырь из стали с резьбой M10 с гайкой из делрина;
линейные направляющие SBR 16 и SBR 20;
шарико-винтовая пара с шагом 5 мм и диаметром 16 мм;
ножки для выравнивания и защиты от вибрации.

Также надо будет обзавестись нижеперечисленными электрическими элементами:

3 шаговыми двигателями 3 Nm Nema 23;
3 драйверами для этих двигателей DM556 Leadshine;
блоком питания 36 В;
интерфейсной платой 5 Axis CNC Breakout Board;
источником питания 5 В к плате;
двухпозиционным выключателем On/Off;
многожильным кабелем Shielded 4 Conductor 18 AWG;
3 сенсорными концевыми выключателями;
шпинделем Kress FME 800 (его можно заменить на Dewalt Compact Router либо Bosch Colt ).

Программ будет нужно две — CamBam, совмещающая в себе функционал CAD и CAM, а также Mach3 для контроля устройства.

Ось X

Рама оси создается из алюминиевого профиля 30 × 60 мм (4 сегмента) и пары боковых панелей 15-миллиметровой толщины. На окончаниях профилей располагаются два отверстия с диаметрами 6,8 мм. Изнутри отверстий метчиком выполняется резьба М8.

Для совпадения отверстий на концевых панелях пластины надо прижать друг к другу во время сверления. В их серединах просверливаются 4 отверстия для установки подшипниковых опор. В одной боковой пластине просверливаются дополнительно 4 отверстия, чтобы закрепить двигатель.

Из алюминиевых кусочков с габаритами 50 × 20 × 50 выполняются 4 блока для крепления ножек, которые будут обеспечивать столу ровное положение. Блоки прикручивают к профилям снаружи посредством четырех болтов М5 с t-гайками для мебели.

К профилям нужно подвести рельсы. Пазы в профилях должны идеально совпадать с отверстиями, высверленными в основаниях направляющих.

При установке можно пользоваться t-гайками для мебели и болтами М5.

Боковые пластины и сборка портала

Единственное отличие между идентичными пластинами таково: в одной высверлены четыре отверстия, куда будет крепиться мотор. Для изготовления портала применяются 15-миллиметровые пластины из алюминия. Чтобы разместить эти отверстия строго в правильных местах, сначала следует пробить углубления с помощью кернера. На следующем шаге отверстия проделываются на сверлильном станке— сперва инструментом с намеренно слишком маленьким диаметром, а потом с подходящим.

Ось Y

Каретка оси Y выполнена из единственной пластины, а на ней закреплены линейные подшипники. Работать сверлом тут необходимо максимально выверенно, без отклонений даже на миллиметр. К пластине крепятся подшипники для осей Y и Z. В силу минимального расстояния между подшипниками они могут заедать даже при незначительном смещении. Проверьте, чтобы каретка без проблем проскальзывала по обеим сторонам. Рельсам и подшипникам нужна тщательная регулировка. Чтобы выровнять их как можно точнее, желательно пользоваться цифровыми приспособлениями.

Ось Z

Рельсы оси Z подсоединяются к подвижной части узла оси Z. Важно проследить, чтобы они оказались смещены от края пластины ориентировочно на полсантиметра. Выровнять их можно с помощью двух кусков пластика, используемых как прокладки. Для установки верхней пластины на узел оси Z в окончании монтажной пластины высверливают три отверстия.

Если шаговый мотор не удается разместить вплотную к пластине, потребуется выполнить для него отдельное пластиковое крепление.

Блоки корпусов подшипников тоже делаются пластиковыми. В качестве приводного винта применяется стержень из стали с резьбой М10. Шкив для зубчатого ремня просверливают, выполняют резьбу М10 и прикручивают к верхней половине приводного винта. Фиксировать эту деталь в нужной позиции будут три установочных винта. Гайку из делрина закрепляют к каретке оси Y.

Зубчатые ремни и шкивы

Место для крепления мотора обычно выбирают на отдельной стойке либо с внешней стороны устройства. Для соединения шариково-винтовой пары с мотором можно задействовать гибкую муфту.

Однако в компактном помещении размещенный снаружи мотор будет мешать, и поэтому его убирают внутрь. Если не получается соединить мотор с шариково-винтовой парой напрямую, можно воспользоваться шкивами и зубчатыми 9-миллиметровыми ремнями HTD5m.

Используя ременную передачу, можно применить понижающую передачу, чтобы подключить мотор к приводному винту. Тогда мотор малой мощности обеспечит идентичный крутящий момент, даже если устройство будет работать небыстро.

Подшипниковые опорные блоки

Опорные блоки для осей X и Y выполняют из алюминиевого прутка круглого сечения 50 мм, от которого отсекают четыре 15-миллиметровых сегмента. На прутке маркируют места расположения четырех монтажных отверстий и просверливают их, плюс отдельно сверлят еще одно крупное посередине. Потом переходят к полости для подшипников. Их нужно запрессовать, а блоки закрепить на боковых и торцевых пластинах посредством болтов.

Опора для приводных гаек

Шарико-винтовую пару для оси Z можно заменить стержнем с резьбой М10 и гайкой из делрина. Полиформальдегид делрин является самосмазывающимся и по мере эксплуатации не страдает от износа.

Чтобы минимизировать люфт, резьбу следует выполнять метчиком высокого качества.

Для осей X и Y выполнено крепление привода из алюминия. На гайках шарико-винтовой передачи расположена пара компактных фланцев с тремя отверстиями с каждого бока. По одному отверстию с каждой стороны используется, чтобы крепить гайки к держателю.

Держатель нужно обработать с высокой точностью на токарном станке. Прикрутив гайки к порталу и каретке оси Y, можно поворачивать шарико-винтовую пару ручным способом и перемещать эти комплектующие на другую сторону. Гайку начнет клинить, если габариты держателей окажутся неправильными.

Крепления двигателя

Для опор мотора применяют фрагменты алюминиевых труб с квадратным сечением, заранее порезанные с желаемой длиной. Как вариант, можно разрезать трубу из стали.

Надо убедиться, что крепления мотора по осям X и Y можно свободно двигать с целью натяжения зубчатых ремней. Выполнить прорези и высверлить крупное отверстие на одной стороне крепления можно как на сверлильном, так и на токарном станке.

Крупное отверстие с одной стороны выпиливают при помощи концевой пилы. Таким образом, двигатель садится на один уровень с поверхностью, а вал получается центрированным. С противоположной стороны крепления выполняют четыре слота, дающие мотору возможность скольжения вперед-назад.

Для крепежа двигателя используют болты М5.

Рабочая поверхность

Идеальной опцией стала бы столешница из алюминия с пазами в форме буквы Т, но это стоит недешево. Поэтому ее имеет смысл заменить перфорированной столешницей, так как она экономичнее и позволяет зажимать обрабатываемую деталь разными способами.

Для крепления к алюминиевым профилям стола из березового фанерного листа 18-миллиметровой толщины применяются болты М5 и гайки с пазами в форме буквы Т. Сетка с шестиугольными вырезами под гайки выполняется в CAD-софте, потом отверстия проделываются на станке с ЧПУ.

Поверх фанеры устанавливают лист МДФ 25-миллиметровой толщины. Для прорезания отверстий в обеих частях применяют большую фасонную фрезу. Отверстия в МДФ выравнивают с центрами заблаговременно проделанных шестиугольных отверстий. Потом МДФ снимают, а гайки устанавливают в отверстия фанерного листа. После этого МДФ возвращают на место.

Электрика и электроника

Для создания электронной составляющей предстоит воспользоваться нижеперечисленными комплектующими:

источником питания с выходным напряжением 48V DC и выходным током 6,6 A;
3 драйверами шагового мотора Leadshine M542 V2.0;
3 шаговыми моторами 3Nm hybrid Nema 23;
интерфейсной платой;
реле — 4-32V DC, 25A/230 V AC;
главным выключателем;
блоком питания к плате 5V DC;
блоком питания для охлаждающих вентиляторов 12V DC;
парой вентиляторов Cooler Master Sleeve Bearing 80mm;
парой розеток — для пылесоса и шпинделя;
кнопкой экстренного завершения работы и концевыми выключателями.

Если моторы не самые мощные, допустимо использование платы на три мотора — однако все равно рациональнее применить индивидуальные драйверы. Микрошаговый режим драйверов Leadshine обеспечивает предельную плавность перемещения инструмента и понижает вибрации мотора.

Источник постоянного напряжения 5 В подключают к главному входу питания. Для вентиляторов устанавливают розетку, электроэнергия к ним поступает через традиционный 12-вольтовый адаптер, размещенный на стене.

Компьютер контролирует реле на 25А через прерыватель. Входные клеммы реле подключаются к выходным клеммам прерывателя. Реле подключается к паре розеток, питающих электричеством Kress и пылесос для сбора стружек.

Если в конце G-кода стоит команда M05, шпиндель с пылесосом выключатся. Для их повторного включения потребуется нажатие кнопки F5 либо ввод команды M03.

Программное обеспечение

Готовому устройству для полноценного функционирования требуется три разновидности софта:

CAD, чтобы создавать чертежи;
CAM, чтобы создавать траектории инструментов и выводить G-код;
контроллер, считывающий G-код и управляющий маршрутизатором.

Хорошим примером софта, совмещающего в себе функционал CAD и CAM, станет CamBam. Он несложный и вполне подходит для домашнего производства. Перед началом работы ему нужно задать параметры: диаметр применяемых инструментов, глубину и скорость резания, глубину за проход и так далее. Задав софту траекторию, можно будет вывести G-код, отдающий станку непосредственные команды.

В качестве контроллера следует порекомендовать Mach3. Он будет передавать сигналы на интерфейсную плату через параллельный порт компьютера. С помощью команд контроллера будет происходить обнуление режущего инструмента и запуск программы резки. Также контроллер может менять скорость резания и шпинделя.

Отладка самодельного станка с ЧПУ

Перед началом полноценной работы на станке надо обработать несколько пробных деталей различных конфигураций и габаритов, сделанных из разных материалов. Возможно, в процессе выяснится, что устройство издает слишком громкий шум, и от него во все стороны разлетается пыль. Тогда его можно оснастить пылеуловителем, соединенным с пылесосом.

Нередко оказывается, что расчет крутящего момента на Y-опоре был произведен некорректно. В таком случае из-за высокой нагрузки по оси Y станок начнет изгибаться. Для устранения этого изъяна надо купить вторую направляющую и модернизировать портал.

Как собрать ЧПУ-стол?

Чтобы по максимуму использовать возможности станка, его нужно поместить на прочный и устойчивый стол. Проще всего взять за основу старый стол и переделать его под новые нужды. Для работы нужно заранее подготовить:

кнопку завершения работы;
фиксатор роликов;
зенковку и биты;
дрель;
электрическую отвертку;
пилу;
станок X-Carve;
концевую фрезу на 4 дюйма с твердосплавным покрытием;
твердосплавную фрезу на 4 дюйма, с 4 каналами, с шариковым наконечником;
средства защиты слуха.

От старого стола нужно взять две большие полки и укрепить их. По четырем внутренним углам надо разместить угловые скобки, а по длине поперечной балки, которая проходит по нижней стороне — L-образные скобки. Чтобы закрепить полку, нужно добавить дополнительные деревянные подставки. После того как полка будет помещена на место, надо укрепить ее еще большим количеством скобок.

Чтобы найти разумное применение каждому сантиметру помещения, стол хорошо бы оснастить пегбордом, то есть перфорированной панелью для инструментов. Углы панели вырезаются электролобзиком, держатели для инструментов крепятся в отверстиях, на пегборд добавляются лотки для хранения мелких комплектующих.

Пространство в нижней части стола тоже прекрасно подходит для хранения объектов — в частности, барабанного шлифовального станка или настольной пилы. Для хранения материалов можно соорудить съемную полку, воспользовавшись для этого листом фанеры и заготовленными для ножек деревянными брусками. Ножки крепятся к листу фанеры с помощью угловых скоб.

Еще одну полку можно оборудовать наверху — иногда это помогает закрыть проводку от станка и розетку. Верхнюю полку укладывают на торцы стоек и прикручивают. У второй полки углы для ножек вырезают с помощью лобзика.

Сложности в работе, возможные ошибки и как их избежать

При монтаже станины нельзя применять соединения сварного типа, так как они не справляются с вибронагрузками. В местах крепления рекомендуется пользоваться Т-образными гайками.

Чтобы усилия передавались на вал равномерно, на винтовых передачах следует размещать зубчатые ремни, не проскальзывающие на шкивах.

Исключительно важно приобрести надежные подшипники и качественные ходовые винты — это гарантирует станку прочность и долговечность.

Габариты всех деталей необходимо подбирать с максимально возможной точностью и следить, чтобы они безупречно подходили к блоку.

Итак, теперь вы знаете, как собрать дома фрезерное устройство с ЧПУ. Конечно, это удобнее делать с напарником, а не в одиночку. Если вы обладаете достаточными навыками и свободным пространством дома или в гараже, собранный по этой инструкции станок прекрасно заменит вам аналог, созданный на заводе.

Источник

Большой портальный фрезерный станок с ЧПУ своими руками

Время на прочтение10 мин

Количество просмотров73K

Здравствуй дорогой читатель, в этой статье хочу поделиться своим опытом постройки фрезерного портального станка с числовым программным управлением.

Подобных историй в сети очень много, и я наверное мало кого удивлю, но может эта статья будет кому то полезна. Эта история началась в конце 2016 года, когда я со своим другом – партнером по разработке и производству испытательной техники аккумулировали некую денежную сумму. Дабы просто не прогулять деньги (дело то молодое), решили их вложить в дело, после чего пришла в голову идея изготовления станка с ЧПУ. У меня уже имелся опыт постройки и работы с подобного рода техникой, да и основной областью нашей деятельности является конструирование и металлообработка, что сопутствовало идее с постройкой станка ЧПУ.

Вот тогда то и началась движуха, которая длиться и по сей день…

Продолжилось все с изучения форумов посвященных ЧПУ тематике и выбора основной концепции конструкции станка. Предварительно определившись с обрабатываемыми материалами на будущем станке и его рабочим полем, появились первые бумажные эскизы, в последствии которые были перенесены в компьютер. В среде трех мерного моделирования КОМПАС 3D, станок визуализировался и стал обрастать более мелкими деталями и нюансами, которых оказалось больше чем хотелось бы, некоторые решаем и по сей день.

Одним из начальных решений было определение обрабатываемых на станке материалов и размеры рабочего поля станка. Что касается материалов, то решение было достаточно простым — это дерево, пластик, композитные материалы и цветные металлы (в основном дюраль). Так как у нас на производстве в основном металлообрабатывающие станки, то иногда требуется станок, который обрабатывал бы быстро по криволинейной траектории достаточно простые в обработке материалы, а это в последствии удешевило бы производство заказываемых деталей. Отталкиваясь от выбранных материалов, в основном поставляемых листовой фасовкой, со стандартными размерами 2,44х1,22 метра (ГОСТ 30427-96 для фанеры). Округлив эти размеры пришли к таким значениям: 2,5х1,5 метра, рабочее пространство определенно, за исключением высоты подъёма инструмента, это значение выбрали из соображения возможности установки тисков и предположили что заготовок толще 200мм у нас не будет. Так же учли тот момент, если потребуется обработать торец какой либо листовой детали длиной более 200мм, для этого инструмент выезжает за габариты основания станка, а сама деталь/заготовка крепится к торцевой стороне основания, тем самым может происходить обработка торца детали.

Конструкция станка представляет собой сборное рамное основание из 80-й профильной трубы со стенкой 4мм. По обе стороны длинны основания, закреплены профильные направляющие качения 25-го типоразмера, на которые установлен портал, выполненный в виде трех сваренных вместе профильных трубы того же типоразмера что и основание.

Станок четырех осевой и каждую ось приводит в движение шарико-винтовая передача. Две оси расположены параллельно по длинной стороне станка, спаренных программно и привязанных к Х координате. Соответственно оставшиеся две оси – это Y и Z координаты.

Почему именно остановились на сборной раме: изначально хотели делать чисто сварную конструкцию с закладными приваренными листами под фрезеровку, установку направляющих и опор ШВП, но для фрезеровки не нашли достаточно большого фрезерно-координатного станка. Пришлось рисовать сборную раму, чтобы была возможность обработать все детали своими силами с имеющимися на производстве металлообрабатывающими станками. Каждая деталь, которая подвергалась воздействию электродуговой сварки, была отожжена для снятия внутренних напряжений. Далее все сопрягаемые поверхности были выфрезерованны, и в последствии подгонки пришлось местами шабрить.

Залезая вперед, сразу хочу сказать, что сборка и изготовление рамы оказалась самым трудоемким и финансово затратным мероприятием в постройке станка. Первоначальная идея с цельно сваренной рамой по всем параметрам обходит сборную конструкцию, по нашему мнению. Хотя многие могут со мной и не согласиться.

Многие любители и не только, собирают такого рода и размера (и даже большего) станки у себя в мастерской или гараже, делая целиком сварную раму, но без последующего отжига и механической обработки за исключением сверления отверстий под крепление направляющих. Даже если повезло со сварщиком, и он сварил конструкцию с достаточно хорошей геометрией, то в последствии работы этого станка ввиду дребезга и вибраций, его геометрия будет уходить, меняться. Я конечно могу во многом ошибаться, но если кто то в курсе этого вопроса, то прошу поделиться знаниями в комментариях.

Сразу хочу оговориться, что станки из алюминиевого конструкционного профиля мы тут пока рассматривать не будем, это скорее вопрос другой статьи.

Продолжая сборку станка и обсуждая его на форумах, многие начали советовать сделать внутри рамы и снаружи диагональные стальные укосины для добавления еще большей жесткости. Мы этим советом пренебрегать не стали, но и добавлять укосины в конструкцию то же, так как рама получилась достаточно массивной (около 400 кг). А по завершению проекта, периметр обошъётся листовой сталью, что дополнительно свяжет конструкцию.

Давайте теперь перейдем к механическому вопросу этого проекта. Как было ранее сказано, движение осей станка осуществлялось через шарико–винтовую пару диаметром 25мм и шагом 10мм, вращение которой передается от шаговых двигателей с 86 и 57 фланцами. Изначально предполагали вращать непосредственно сам винт, дабы избавиться от лишних люфтов и дополнительных передач, но без них не обошлось в виду того, что при прямом соединении двигателя и винта, последний на больших скоростях начало бы разматывать, особенно когда портал находится в крайних положениях. Учитывая тот факт, что длина винтов по Х оси составила почти три метра, и для меньшего провисания был заложен винт диаметром 25мм, иначе хватило бы и 16 мм-го винта.

Этот нюанс обнаружился уже в процессе производства деталей, и пришлось быстрым темпом решать эту проблему путем изготовления вращающейся гайки, а не винта, что добавило в конструкцию дополнительный подшипниковый узел и ременную передачу. Такое решение так же позволило хорошо натянуть винт между опорами.

Конструкция вращающейся гайки довольно проста. Изначально подобрали два конических шарикоподшипника, которые зеркально одеваются на ШВП гайку, предварительно нарезав резьбу с ее конца, для фиксации обоймы подшипников на гайке. Подшипники вместе с гайкой вставали в корпус, в свою очередь вся конструкция крепится на торце стойки портала. Спереди ШВП гайки закрепили на винты переходную втулку, которую в последствии в собранном виде на оправке обточили для придания соостности. На неё одели шкив и поджали двумя контргайками.

Очевидно, что некоторые из вас, зададутся вопросом о том – «Почему бы не использовать в качестве механизма передающего движения зубчатую рейку?». Ответ достаточно прост: ШВП обеспечит точность позиционирования, большую двигающую силу, и соответственно меньший момент на валу двигателя (это то, что я с ходу вспомнил). Но есть и минусы – более низкая скорость перемещения и если брать винты нормального качества, то соответственно и цена.
Кстати, мы взяли ШВП винты и гайки фирмы TBI, достаточно бюджетный вариант, но и качество соответствующее, так как из взятых 9 метров винта, пришлось выкинуть 3 метра, ввиду несоответствия геометрических размеров, ни одна из гаек просто не накрутилась…

В качестве направляющих скольжения, были использованы профильные направляющие рельсового типоразмера 25мм, фирмы HIWIN. Под их установку были выфрезерованны установочные пазы для соблюдения параллельности между направляющими.

Опоры ШВП решили изготовить собственными силами, они получились двух видов: опоры под вращающиеся винты (Y и Z оси) и опоры под не вращающиеся винты (ось Х). Опоры под вращающиеся винты можно было купить, так как экономии ввиду собственного изготовления 4 деталей вышло мало. Другое дело с опорами под не вращающиеся винты – таких опор в продаже не найти.

Из сказанного ранее, ось Х приводится в движение вращающимися гайками и через ременную зубчатую передачу. Так же через ременную зубчатую передачу решили сделать и две другие оси Y и Z, это добавит большей мобильности в изменении передаваемого момента, добавит эстетики в виду установки двигателя не вдоль оси винта ШВП, а сбоку от него, не увеличивая габариты станка.

Теперь давайте плавно перейдем к электрической части, и начнем мы с приводов, в качестве них были выбраны шаговые двигатели, разумеется из соображений более низкой цены по сравнению с двигателями с обратной связью. На ось Х поставили два двигателя с 86-м фланцем, на оси Y и Z по двигателю с 56-м фланцем, только с разным максимальным моментом. Ниже постараюсь представить полный список покупных деталей…

Электрическая схема станка довольно проста, шаговые двигатели подключаются к драйверам, те в свою очередь подключается к интерфейсной плате, она же соединяется через параллельный порт LPT с персональным компьютером. Драйверов использовал 4 штуки, соответственно по одной штуке на каждый из двигателей. Все драйвера поставил одинаковые, для упрощения монтажа и подключения, с максимальным током 4А и напряжением 50В. В качестве интерфейсной платы для станков с ЧПУ использовал относительно бюджетный вариант, от отечественного производителя, как указанно на сайте лучший вариант. Но подтверждать или опровергать это не буду, плата проста в своем применении и самое главное, что она работает. В своих прошлых проектах применял платы от китайских производителей, они тоже работают, и по своей периферии мало отличаются, от использованной мной в этом проекте. Заметил во всех этих платах, один может и не существенный, но минус, на них можно всего лишь установить до 3-х концевых выключателя, но на каждую ось требуется как минимум по два таких выключателя. Или я просто не разобрался? Если у нас 3-х осевой станок, то соответственно нам надо установить концевые выключатели в нулевых координатах станка (это еще называется «домашнее положение») и в самых крайних координатах чтобы в случае сбоя или не хватки рабочего поля, та или иная ось просто не вышла из строя (попросту не сломалась). В моей схеме использовано: 3 концевых без контактных индуктивных датчика и аварийная кнопка «Е-СТОП» в виде грибка. Силовая часть запитана от двух импульсных источников питания на 48В. и 8А. Шпиндель с водяным охлаждением на 2,2кВт, соответственно включенный через частотный преобразователь. Обороты устанавливаются с персонального компьютера, так как частотный преобразователь подключен через интерфейсную плату. Обороты регулируются с изменения напряжения (0-10 вольт) на соответствующем выводе частотного преобразователя.

Все электрические компоненты, кроме двигателей, шпинделя и конечных выключателей были смонтированы в электрическом металлическом шкафу. Все управление станком производится от персонального компьютера, нашли старенький ПК на материнской плате форм фактора ATX. Лучше бы, чуть ужались и купили маленький mini-ITX со встроенным процессором и видеокартой. При не малых размерах электрического ящика, все компоненты с трудом разместились внутри, их пришлось располагать достаточно близко друг к другу. В низу ящика разместил три вентилятора принудительного охлаждения, так как воздух в нутрии ящика сильно нагревался. С фронтальной стороны прикрутили металлическую накладку, с отверстиями под кнопки включения питания и кнопки аварийного останова. Так же на этой накладке разместили панельку для включения ПК, ее я снял с корпуса старого мини компьютера, жаль, что он оказался не рабочим. С заднего торца ящика тоже закрепили накладку, в ней разместили отверстия под разъемы для подключения питания 220V, шаговых двигателей, шпинделя и VGA разъем.

Все провода от двигателей, шпинделя, а также водяные шланги его охлаждения проложили в гибкие кабель каналы гусеничного типа шириной 50мм.

Что касается программного обеспечение, то на ПК размещенного в электрическом ящике, установили Windows XP, а для управления станком применили одну из самых распространенных программ Mach3. Настройка программы осуществляется в соответствии с документацией на интерфейсную плату, там все описано достаточно понятно и в картинках. Почему именно Mach3, да все потому же, был опыт работы, про другие программы слышал, но их не рассматривал.

Технические характеристики:

Рабочее пространство, мм: 2700х1670х200;
Скорость перемещения осей, мм/мин: 3000;
Мощность шпинделя, кВт: 2,2;
Габариты, мм: 2800х2070х1570;
Вес, кг: 1430.

Список деталей:

Профильная труба 80х80 мм.
Полоса металлическая 10х80мм.
ШВП TBI 2510, 9 метров.
ШВП гайки TBI 2510, 4 шт.
Профильные направляющие HIWIN каретка HGH25-CA, 12 шт.
Рельс HGH25, 10 метров.
Шаговые двигатели:
NEMA34-8801: 3 шт.
NEMA 23_2430: 1шт.
Шкив BLA-25-5M-15-A-N14: 4 шт.
Шкив BLA-40-T5-20-A-N 19: 2 шт.
Шкив BLA-30-T5-20-A-N14: 2 шт.

Плата интерфейсная StepMaster v2.5: 1 шт.
Драйвер шагового двигателя DM542: 4шт. (Китай)
Импульсный источник питания 48В, 8А: 2шт. (Китай)
Частотный преобразователь на 2,2 кВт. (Китай)
Шпиндель на 2,2 кВт. (Китай)

Основные детали и компоненты вроде перечислил, если что-то не включил, то пишите в комментарии, добавлю.

Опыт работы на станке: В конечном итоге спустя почти полтора года, станок мы все же запустили. Сначала настроили точность позиционирования осей и их максимальную скорость. По словам более опытных коллег максимальная скорость в 3м/мин не высока и должна быть раза в три выше (для обработки дерева, фанеры и т.п.). При той скорости, которой мы достигли, портал и другие оси упершись в них руками (всем телом) почти не остановить — прёт как танк. Начали испытания с обработки фанеры, фреза идет как по маслу, вибрации станка нет, но и углублялись максимум на 10мм за один проход. Хотя после заглубляться стали на меньшую глубину.

По игравшись с деревом и пластиком, решили погрызть дюраль, тут я был в восторге, хоть и сломал сначала несколько фрез диаметром 2 мм, пока подбирал режимы резания. Дюраль режет очень уверенно, и получается достаточно чистый срез, по обработанной кромке.

Сталь пока обрабатывать не пробовали, но думаю, что как минимум гравировку станок потянет, а для фрезеровки шпиндель слабоват, жалко его убивать.

А в остальном станок отлично справляется с поставленными перед ним задачами.

Вывод, мнение о проделанной работе: Работа проделана не малая, мы в итоге изрядно приустали, так как ни кто не отменял основную работу. Да и денег вложено не мало, точную сумму не скажу, но это порядка 400т.р. Помимо затрат на комплектацию, основная часть расходов и большая часть сил, ушла на изготовление основания. Ух как мы с ним намаялись. А в остальном все делалось по мере поступления средств, времени и готовых деталей для продолжения сборки.

Станок получился вполне работоспособным, достаточно жестким, массивным и качественным. Поддерживающий хорошую точность позиционирования. При измерении квадрата из дюрали, размерами 40х40, точность получилась +- 0,05мм. Точность обработки более габаритных деталей не замеряли.

Что дальше…: По станку есть еще достаточно работы, в виде закрытия пыле — защитой направляющих и ШВП, обшивки станка по периметру и установки перекрытий в середине основания, которые будут образовывать 4 больших полки, под объем охлаждения шпинделя, хранения инструмента и оснастки. Одну из четвертей основания хотели оснастить четвертой осью. Также требуется на шпиндель установить циклон для отвода и сбора стружки о пыли, особенно если обрабатывать дерево или текстолит, от них пыль летит везде и осаждается повсюду.

Что касается дальнейшей судьбы станка то тут все не однозначно, так как у меня возник территориальный вопрос (я переехал в другой город), и станком заниматься сейчас почти некому. И вышеперечисленные планы не факт что сбудутся. Не кто этого два года назад и предположить не мог.

В случае продажи станка с его ценником все не понятно. Так как по себестоимости продавать откровенно жалко, а адекватная цена в голову пока не приходит.

На этом я пожалуй закончу свой рассказ. Если что-то я не осветил, то пишите мне, и я постараюсь дополнить текст. А в остальном многое показано в видео про изготовления станка на моем YouTube канале.

Источник

Всем привет! Хочу рассказать, о том, как я строю свой первый небольшой чпу станок по чертежам из интернета. На чертежи этого станка я наталкивался и раньше, и даже хотел построить его, но дальше покупки комплекта шаговых двигателей дело не пошло.
Начал с поиска его чертежей. И, в результаье поисков натолкнулся на ютуб канал Sotka Plus m.youtube.com/playlist?li…TPxj7yx21yqYWPOM48HLt68q2 . Там парень построил такой же станок и рассказал как он устроен и много других моментов, которые из чертежей сразу понять было трудно. Под первым видео были ссылки на скачивание инструкции по сборке станка и чертежи деталей, по которым вырезаются заготовки из 12мм фанеры.
Итак. Первое с чего я начал, это купил 1лист 12мм фанеры размером 1500х1500. Этого листа хватает на изготовление всего станка.
2. Надо распечатать инструкцию и чертежи деталей в натуральную величину. Чертежи деталей в формате pdf, мне распечатали на формате а3. Там распечатывается, помоему, без каких либо корректировок масштаба. Я попросил вначале распечатать 1лист и сравнил соответствует ли размер детали на чертеже, фактическому. Размеры на чертежах в дюймах. Все соответствовало, и поэтому мне распечатали весь комплект чертежей.
3. Потом распечатанные чертежи деталей надо наклеить на фанеру. Клей пва не годится (лист смощится). Я покупал полиуретановый клей в жестяной банке. Чертежи надо приклеивать к фанере всей плоскостью, клей впитывается в фанеру достаточно быстро, поэтому кое где был непроклей, и пришлось подклеивать в процессе работы с заготовками. Определенную сложность представляет склеивание кусочков чертежей больших и длинных деталей. На листах нужно прочертить линии соединения чертежей друг с другом, чтобы размеры деталей совпали. При распечатывании чертежей есть поля, вот их нужно учитывать. Достаточно кропотливая работа. Если есть возможность, распечатайте 2 комплекта чертежей. Я несколько листов испортил.
4. Потом лист фанеры раскраивается на заготовки лобзиком. Потом, уже по разметке, я выпиливал лобзиковым станком. У меня его не было, пришлось купить на авито. Выпиливал точно по разметке, с минимальным припуском.
Если что-то непонятно задавайте вопросы, и напишите, стоит ли продолжать публикации о постройке станка.
Часть 2 www.drive2.ru/b/631672454888031056/
Часть 3 www.drive2.ru/b/631721932911298245/
Еще об этом станке. Там можно скачать чертежи. homecnc.ru/plans/6-samodelkacnc