Многие хотели бы заиметь у себя в гараже или в подвале станок с ЧПУ для работы по дереву, металлу, пластику и другим материалам. С помощью такого оборудования можно изготовить практически всё что угодно, при этом качество изделия ничем не будет уступать заводскому, а может, даже и лучше.
Для справки.
ЧПУ (аббревиатура от слов "Числовое Программное Управление") - это класс технологического оборудования, где приводы управляются специальной компьютерной системой.
К такому оборудованию можно отнести:
- Популярные в сегодняшние дни 3D-принтеры (могут "печатать" изделия из различных материалов, пластика, керамики, металла и т.д.);
- Промышленные роботы;
- Автоматические сверлильно-присадочные станки;
- И др.
Но чаще всего под ЧПУ подразумевают токарные или фрезерные станки, предназначенные для обработки деревянных заготовок, а также изделий из металла, пластика и т.п.
Принцип работы
Во многом принцип их работы схож между собой (применительно к небольшим бытовым ЧПУ, промышленные образцы устроены немного сложнее):
1.Позиционирование фрезы осуществляется за счёт одной, двух, трёх или даже более направляющих.
2.За перемещение по направляющим отвечают шаговые двигатели.
3.Непосредственно за обработку заготовки отвечает фреза (сверло или другой элемент, отвечающий свойствам обрабатываемого материала).
4.Логика работы реализуется специальным контроллером, который понимает команды в соответствующем формате от компьютера.
5.На компьютере может производиться проектирование заготовки, прорабатываться траектория движения фрезы и т.п. За это отвечает специализированный софт (программное обеспечение).
Многим такая схема взаимодействия может напомнить работу струйного принтера: текст отправляется на печать, драйвер преобразует документ в набор команд для печатающей головки, которая позиционируется над листом при помощи все тех же шаговых двигателей.
Во многом всё так и есть, только осей позиционирования может быть чуть больше, чем в принтере.
ЧПУ для дома своими руками
Как и было сказано выше, применений для фрезера с ЧПУ в быту просто масса. Можно приобрести готовый станок под заданные требования, но его стоимость сильно "кусается" для обывателя. Такая ситуация - практически норма для промышленного оборудования: оно проектируется для длительной работы, проходит испытания по многим критериям и т.д. и т.п.
Делать тоже самое, но "задёшево" - не выгодно.
Поэтому многие задумываются о сборке ЧПУ своими руками. Ведь чисто технически – ничего сложного, готовый фрезер лишь нужно правильно спозиционировать на заданной площади.
Проектов и решений в сети – огромное множество. Ниже мы рассмотрим наиболее простой и доступный в реализации вариант. Работать он сможет с деревом и пластиком, с мягкими металлами. Для твёрдого металла необходима не только другая фреза, но и более точное позиционирование, а также многократные проходы (для срезания материала тонкими слоями).
Типовую схему фрезера с ЧПУ можно представить так.
Рис. 1. Типовая схема фрезера с ЧПУ
Комплектующие
В примере ниже автор большую часть элементов конструкции изготовил из алюминия на заказ (для этого нужны модели CAD, они ниже во вложениях). На самом деле каркас и часть других элементов можно изготовить из доступных материалов вручную.
Например, из фанеры, листов пластика, ЦСП и т.п. Главная задача – снизить эффект "шатания" станины и портала относительно друг друга. А за это в первую очередь отвечают направляющие.
Поэтому каркас можно сделать из чего угодно, а направляющие приобрести готовые (как и другие элементы, которые всё равно придётся покупать, например, шаговые двигатели, подшипники, фрезер и т.д.).
Станина (ось X)
В качестве примера реализации можно взять готовый вариант ниже. Станина является своего рода опорой для подвижного портала (позиционирование по одной из осей) и рабочей поверхности, где будет располагаться обрабатываемая деталь (если деталь лёгкая, возможно необходимо будет подумать о её дополнительном креплении к основанию). Сама станина для исключения вибраций может крепиться к полу на анкера.
Рис. 2. Станина
Здесь каркас собран из алюминиевых заготовок, внутри дополнительные профили для усиления. Ось вращения будет проходить ниже через подшипники, закреплённые на торцах. Рабочая поверхность – лист фанеры 18 мм.
На самом деле станину (стол) можно изготовить и проще, из других подручных материалов. Она должна быть устойчивой и обеспечивать ровную рабочую поверхность.
Ввиду того, что при работе фрезы будет оседать большое количество пыли (потенциального абразива), направляющие должны быть защищены специальными уголками (смотри чертежи во вложениях).
Подвижный портал (ось Y)
Рама, позиционирующая фрезу в плоскости, будет крепиться к направляющим, размещённым по бокам станины.
Рис. 3. Подвижный портал
Несущую конструкцию портала также можно изготовить из других материалов (фанера, ЦСП и т.п.). А направляющие взять готовые.
Фактически она представляет собой крепкий короб, внутри которого расположен винт.
Суппорт фрезы (ось Z)
Вариант монтажа суппорта для самой фрезы представлен ниже.
Рис. 4. Суппорт фрезы
Смысл конструкции уже понятен. Портал движется по направляющим на станине, на самом портале есть своя ось для горизонтального движения фрезы. Суппорт обеспечивает вертикальное перемещение.
Шаговые двигатели
Теперь, чтобы привести всё элементы в движение, необходимо установить двигатели осей.
На фото ниже всё уже готово.
Рис. 5. Шаговые двигатели
Чтобы преобразовать вращение двигателя в линейное движение, в данной конструкции было применено соединение винт-гайка + шкив. Выглядит это так.
Рис. 6. Соединение винт-гайка и шкив
Альтернативной реализацией может быть шарико-винтовая пара (ШВП). Она дороже, но точнее.
Направляющие были выбраны стальные, именно они обеспечивают минимальный люфт (не более 0,01 мм). Но могут использоваться и другие конструкции (зависит от требований к точности).
Электрическая схема подключения двигателей ЧПУ
Принципиальная схема выглядит так.
Рис. 7. Принципиальная схема подключения двигателей ЧПУ
Здесь есть сами двигатели (использовались Nema 23), отвечающие за три оси (X, Y, Z), их драйверы (это не программа, а специальная плата управления), блок питания (для Nema требуется 36 В, для контроллера – 5 В), аварийный останов (на случай экстренного отключения двигателей) и интерфейсная плата (контроллер).
Контроллер уже непосредственно подключается к ПК или ноутбуку через порт LPT.
Для работы необходимо будет установить драйвер и программу управления (есть несколько решений для ЧПУ, автор выбрал популярное ПО – Mach3).
В качестве шпинделя был использован фрезер Kress (может быть заменён на любой другой). В большинстве случаев он продаётся с большим количеством насадок и фрез, что является определённым плюсом. Он просто включается в сеть 220 В, кнопка пуска расположена на корпусе.
В промышленных ЧПУ применяются более сложные решения.
Программная часть
Теперь после полной сборки необходимо установить ПО (ранее упоминалась программа Mach3, её интерфейс можно увидеть ниже) и драйвера на ПК.
Рис. 8. Интерфейс программы Mach3
Настройка зависит от множества факторов и включает в себя, по сути, соотнесение тактовых сигналов для двигателей с фактически проходимыми расстояниями на осях.
Подробнее о настройке под ваши параметры можно узнать в профильных форумах или на сайте производителя ПО.
В процессе тестирования лучше всего выполнить калибровку двигателей.
Все необходимые файлы (чертежи, схемы и т.д.) можно найти здесь, здесь и здесь. При необходимости их можно доработать под свои нужды и комплектующие.
Автор: RadioRadar