Самодельный ЧПУ станок

Я давно хотел собрать небольшой станок ЧПУ, так как изготовление кабанчиков, нервюр, шпангоутов достаточно трудоемкий процесс, отнимающий много времени, но дальше желания дело не продвигалось. Толчком к строительству ЧПУ стал разговор на корпоративе с коллегой-радиолюбителем, после которого он подогнал два вала диаметром 12 мм и два шаговых двигателя ДШИ-200 с принтера СМ6337.

В Интернете много информации по постройке ЧПУ с применением деталей принтера, неоднократно статьи про ЧПУ выкладывались и на Паркфлаере. Но во многих статьях не упоминаются некоторые моменты строительства и эксплуатации ЧПУ или упоминаются вскользь, до которых приходилось доходить путем проб и ошибок, а расплачиваться деньгами и временем.

В данной статье я опишу проблемы, с которыми я столкнулся при изготовлении и настройке ЧПУ пенорезки и фрезерного ЧПУ станка и возможные пути их решения, надеюсь кому-то пригодиться.

Начнем с четырех осевой пенорезки состоящей из двух одинаковых консолей, мое освоение ЧПУ началось именно с нее из-за простоты изготовления.

1. Необходимо заказать порезку ДСП в мебельной конторе. Для этого нужно принести туда список деталей с их размерами и количеством или готовую карту раскроя. В какой программе делать чертежи в SolidWorks или AutoCAD? Конечно же, нет. Так как используем мебельное ламинированное ДСП то и программу для разработки пенорезки возьмем мебельную, например PRO100. Совет: подойдите к работнику, который занимается распилом ДСП, и договоритесь нарезать вам деталей с остатков, выйдет в пару раз дешевле.

Чертеж консоли в PRO100 можно скачать тут - ЧПУпенорезка.sto

Длину осей консолей с ДСП делайте на 15-20 см больше, чем мебельные телескопические направляющие - не будет проблем с установкой подвижной части. Если сделать очень длиной консоль по сравнению с мебельной телескопической направляющей, у которой не удалили защелку, будет проблематично снять подвижную часть.

2. Самым популярным (дешевым) ходовым винтом в любительском ЧПУ является строительная шпилька. Винт ШВП как то дороговато для любительского станка - не тот бюджет. Оказалось, строительные шпильки разные по качеству, и очень разные. Одни под нагрузкой прогибаются на 5-7 см, другие под той же нагрузкой только на 5-10 мм. Используйте в одном станке шпильки купленные в одном месте, одной фирмы. Для пенорезки шпилька 8 мм в самый раз, а вот под трехосевой фрезер лучше взять 12мм и более.

Лучше в качестве ходового винта использовать винт с трапециидальной резьбой – стоит в пару раз дороже шильки. Например, в Китае винт длиной 500 мм диаметром 8 мм стоит 12$. В Украине за теже деньги можно приобрести трапециидальный винт длиной 2 метра диаметром 10 мм. Нормальная разница? Да и доставка заказа пару дней, а не пару недель. Жаль, я поздно об этом узнал, иначе использовал бы винт с трапециидальной резьбой.

Ходовой винт к трех осевому ЧПУ делал из 12 мм строительной шпильки, обработку концов заказывал у токаря. В результате там где патрон зажимал шпильку на резьбе небольшие вмятинки - пришлось резьбу надфилем поправлять, а то гайка заедала.

3. Не применяйте стальные гайки в качестве ходовых. Лучше купите пруток капролона диаметром 22 мм или более, порежьте длиной 10-16 мм, просверлите в нем отверстие и нарежьте резьбу M8-M14 в зависимости от выбранной шпильки (не смотря на использование нового китайского сверлильного станка, все отверстия у меня получились наискосок, поэтому советую заказать изготовление у токаря). Шум с такой гайкой в разы ниже да люфта практически не будет. Кстати, учтите, что метчики для нарезки резьбы бывают №1 и №2. Если нарезать только первым номером, капролоновая гайка будет очень плотно сидеть на шпильке и вы потратите много времени и усилий на ее разработку.

4. Для присоединения двигателя к ходовому винту нужна соединительная муфта. Надежный бюджетный вариант из шланга высокого давления или старого шланга из душа. Я заказал у токаря муфты из стального шестигранного прутка по чертежам из интернета (вот зачем???).

С одной стороны гладкое отверстие под вал двигателя, с другой с резьбой под шпильку. Но соосности вала двигателя со шпилькой мне добиться не удавалось. Знакомый конструктор машиностороитель подсказал (как всегда опосля, ну почему раньше с ним не посоветоваться???), что нельзя делать соединительную муфту с резьбой, если нужно получить соосность, нужно было делать гладкие отверстия с двух сторон. Получились муфты по 0,8$ за штуку. Почти за теже деньги я бы пририобрел на Allliexpress простенькие сильфоновые муфты по 0.9-1,1$. Ссылки на выкладываю, чтоб не сказали, что рекламой занимаюсь.

На ШД с диаметром вала 5 мм для увеличения диаметра вала до 8 мм идеально подходит золотник с камеры.

5. Нихромовую стуну для резки пенопласта обязательно разматываем, надев спираль нихрома на сверло или спицу подходящего диаметра. Хоть она и расправляется, если хорошо нагреть и натянуть. В идеале для нагрева струны использовать стабилизированный источник питания. За неимением средств на таковое удовольствие неплохо покажет себя любой трансформаторный источник питания постоянного тока (автомобильное зарядное устройство или лабораторный источник питания) в паре с современным ШИМ регулятором постоянного тока. Такая платка ШИМ регулятора стоит пару долларов.

Настраивать пенореку лучше на тестовом резе, на фото ниже, подбирая необходимую скорость и температуру ( силу тока) реза . Это позволит сэкономить пенопласт – в последнее время он не дешево стоит. Я использовал нихромовую нить диаметром 0,3 мм.

Для качественного реза необходимо, чтобы вдоль движения струны был запас пенопласта в пару миллиметров. Когда я пытался максимально поднять вырезаемую деталь к поверхности пенопласта для экономии материала, то в результате перепрожига получал некачественную поверхность – деталь уходила в брак. Делайте зазор между несколькими деталями минимум пару миллиметров плюс толщина реза.

До изготовлении пенорезки у меня минимум каждая вторая деталь уходила в брак.

Что касается подключение электроники и настройки ПО.

1. Так как перед постройкой ЧПУ был изучен приличный объем информации, контроллер ШД для управления шаговыми двигателями (униполярными) решил сделать самодельный, так сказать для экономии средств, да и схему вроде простую нашел. Кому интересно - http://autobills.ru/cnc_pic.html

Контроллер ШД обеспечивает полушаговый режим (для униполярных двигателей), для пенорезки то, что нужно. Полевые транзисторы N-канал брал со сгоревших материнок, остальные радиодетали в радиомагазине. В радиомагазине приятно порадовали, сообщив, что при покупке у них микроконтроллера (в схеме PIC микроконтроллер) прошивают его бесплатно. Собирал на макетной плате. Получилось с Mach3 заставить двигатель крутиться в обе стороны – радости моей не было предела. Но вот побороть проблему страшного перегрева двигателя у меня не получилось. Дело в том, что данная схема подразумевает ограничение по току с помощью лампочки или мощного резистора последовательно соединенной с центральными обмотками ШД. Казалось все просто, но подсоединив последовательно нагрузку ограничивающую ток, надо увеличивать напряжение. ДШИ 200-1 расчитан на 30В и 1 A (Схемы включения ДШИ - http://www.cnccontrollers.ru/motor_on.html).

Для его включения на 24 В на данном контроллере ШД потребуется подключить последовательно 2 лампочки на 12в (одну на 24) и подать напряжение 48В. Во первых где брать такой источник питания, а во вторых транзисторы с материнок рассчитаны на 25-30В, сгорят сразу. Получен небольшой опыт в схемотехнике, но проку мало.
В итоге приобрел плату опторазвязки и драйвера шаговых двигателей на E-bay.

Подключение шаговых двигателей к драйверам лучше делать на разъемах. Я использовал четырех контактные с блока питания компьютера, попросил у сисадмина со сгоревших блоков питания компов, ответку маму купил в магазине радио.

По настройке ПО Mach3. Думаю актуально и для альтернативного ПО.

Почти во всех статьях забывают про пункт Enable на вкладке OUTPUTS (я долго промучился, пока заставил включаться контроллер, хотя до этого у меня получалось запускать его альтернативным, неправильным способом, выставляя в настойке пинов первый пин на пункте STEP любого шагового двигателя).

Этот пункт отвечает за включение/выключение контроллера по кнопке «Reset», что на экране компьютера. И еще во всех статьях, как правило, имеют ввиду именно ее (кнопку «Reset») , а не аппаратную кнопку аварийного останова (подписан разъем на контроллере «Reset»), ее единственное предназначение аварийный останов станка.

Любой тумблер вкл/выкл подходит в качестве кнопки аварийного останова, например выключатель для света в комнате, но желательно или правильно использовать кнопку грибок. В нештатной ситуации пока попадешь по кнопке «Reset» (что на экране компьютера), особенно на трех осевом ЧПУ, как минимум фреза сломается - сам пару штук сломал. Поэтому ставить обязательно.

По кабелю Lpt

Кабель подогнал сисадмин от ZIP дисковода. Распаян 1 в 1. И тут засада – номера портов DIR и STEP которые указал китаец к плате не подходят. Ничего страшного, подбираются порты путем поочередного перебора портов. Сначала находим порт DIR – двигатель начинает вращаться в одном направлении (если повезет сразу в двух) при нажатии соответствующей клавиши влево/вправо. Потом подбираем порт STEP - мотор должен начать вращаться в обе стороны.

Двигатель должен вращаться плавно. Если он сильно гудит, вибрирует, попробуйте инвертировать STEP. Мне одни доброжелатели - спекулянты советовали купить у них «правильный кабель», дабы порты соответствовали тем, что указаны в мануале.

У меня получилось так


Параметр Steps per, окно Motor Tuning, отвечает за количество поданных импульсов на двигатель. Если в режиме полного шага (режим шага задается драйвером) это число допустим 160, то в режиме полушага уже получим 320, 1/8 шага соответственно 1280. При переключении режима шага на драйвере необходимо незабывать откорректировать значение Mach3.


По трех осевому фрезерному ЧПУ. Его я собирал после пенорезки.

1. На разборке оргтехники можно за копейки достать направляющие валы со струйника формата А2. Как правило, направляющие с принтеров не каленые. При небольших ударах на них остаются вмятины и царапины – обращайтесь с ними предельно аккуратно. Тем не менее, в принтерах они не ломаются, и как запчасти не представляют ценности. Я приобрел три вала длиной около 54 см, диаметром 14 и 15 мм. Найти на них линейные подшипники проблематично, да и стоят они дороже. Поэтому изготавливал самодельные каретки на подшипниках. Не делайте каретки на втулках, особенно оси X и Y, скорее всего станок будет часто подклинивать, придется переделывать, а это время, деньги и нервные клетки.

Из за того что валы не каленые и небольшого диаметра, они дают прогиб по длине даже при небольшом усилии. Желательно ставить даже на любительский станок стальные каленые валы диаметром не меньше 16 мм, или валы на опоре. В будущем планирую поменять направляющие из принтера - эксплуатация покажет.
Тем не менее, попытка фрезеровать листовой метал толщиной 2 мм фрезой по металлу типа кукуруза увенчалась успехом. Скорость реза 200 мм в минуту, толщина снимаемого материала за один проход 0.4 мм.

2. Мне очень нравиться профильная труба, как материал. У меня была возможность заказать нарезку своего ЧПУ с фанеры, но я решил собрать станок из профильной трубы. Конструкция придумывалась на ходу, переделывалась не один раз, и вот что из этого получилось. Дверку старого шкафа разрезал пополам, промазал эпоксидной смолой, скрутил саморезами, получилось жесткое основание с шириной чуть меньше необходимой. Закрепил параллельно две поперечины из двадцатой профильной трубы. К ним будут крепиться направляющие валы оси Х.

Крепление валов на фото. Позволяет выставить по высоте вал в случае, когда не одинаково просверлены отверстия под установку вала. Портал сварил из 15мм профильной трубы. Крепление оси Y аналогично оси Х. Ось Z вначале планировал из металла, но потом передумал и сделал из строительной и ламинированой фанеры. Сварщик из меня совсем слабенький. Фанеру нарезал сам и очень много времени потратил на изготовление и подгонку деталей, сломал десяток пилочек для лобзика и пару натфилей, теперь понимаю - надо было заказывать нарезку на ЧПУ – быстро, качественно и вышло бы дешевле.



В качестве ходового винта для оси Z в трех осевом ЧПУ в самом начале проекта был заказан на Aliexpres в сборе винт 200 мм + ходовая латунная гайка + 2 упорных подшипника + сильфонная муфта.

Очень порадовало качество комплектующих.

3. В качестве фрезера планировал использовать бормашинку Proxxon или бесколектроный двигатель. Но тут вмешался мистер случай, и мне дали на временно-постоянное пользование фрезер Энергомаш с условием: применишь на ЧПУ забирай, нет - верни обратно. Из минусов: тяжелый, нет регулятора оборотов, патрон под фрезы 6 мм (под фрезы с хвостовиком 3.175 мм заказывал с Китая переходник.). С деревом, фанерой справляется на ура, с алюминием нет - нужны обороты намного меньше. Пластик не пробовал по проичине отсуствия того самого пластика.


Ход по X, Y, Z получился 390, 390, 60 мм соответственно.

По Art Cam
Подготовку чертежей делаю в Autocad (чертил в Универе, знал на отлично, хорошо подзабыл), а подготовку управляющей программы в ArtCam как самой популярной программе. Позже по совету знакомого планирую перейти на SolidWork и SolidCam.

Так вот два нюанса по ArtCam которые в обучающих видео мне не попадались.

1. Если при создании новой модели в Art Cam, модель темного, почти черного цвета, значит ваша видеокарта не поддерживает режим opengl 2.0 (это касается многих современных систем с интегрированой видеокартой). Решение - либо менять видеокарту или отключить использование данного режима в ArtCam.



2. Первой моделью созданой мной в ArtCam была рукоятка ножа. При попытке вырезать ее на станке не были прорезаны верхняя и нижняя часть рукоятки. Как оказалось причина очень проста - размер заготовки был впритык размеру модели по ширине. Размер заготовки в ArtCam должен превышать размер модели как минимум на диаметр используемой фрезы.


По длине был запас, поэтому выфрезеровало хорошо (выделено красным цветом), синим - там где фреза не до обработала материал. Заготовка подверглась тестовым резам еще пару раз.

Видео не вижу смысла выкладывать, на Ютубе его и так полно.

Заключение
Несмотря на свои недостатки, данные станки ЧПУ позволили получить базовые навыки в работе с ЧПУ и определиться на будущее в каком направлении двигаться.
Постепенно планируется модернизация и доработка фрезерного станка. На данный момент уже закуплены заводские комплектующие под ось X.

Всем удачи в строительстве и освоении ЧПУ. Лично для меня до сих пор работа ЧПУ станка связана с какой-то "магией".

автор: Виталий Шкура