Как сделать ЧПУ-станок своими руками?

Кроме древесины, пластика и композита, станки с числовым программным управлением (ЧПУ) отлично обрабатывают и цветные металлы, и даже рабочие (технические) сорта стали. Подобное оборудование выполняется в качестве фрезерно-гравировальной машинки – и доукомплектовывается лазерной пушкой-гравёром, способной прожигать дерево и сталь.

Прежде чем провести подготовку к сборке станка-фрезера или лазерно-гравировального аппарата, определитесь с требованиями, которые не остаются без внимания опытных мастеров.

В первую очередь корпус (рама, станина) должен обладать достаточной жёсткостью, т. к. механическая сила, которая прикладывается к детали в процессе обточки, сверления, прорезания технологических отверстий в заготовке, немалая.

Обработка деталей должна обладать заявленной в конкретной спецификации точностью и чёткостью. Вам ничто не мешает заказать китайские готовые комплектующие, однако основа чаще всего изготавливается из подручных средств.

Размер деталей также имеет значение. Собирать станок, который займёт весь верстак на столешнице площадью в 2 м2, когда планируется выточка мелких деталей, запчастей для механизмов и устройств, нерационально.

Решив три этих задачи, подготавливают необходимые материалы и инструменты.

• Для изготовления корпуса станка по дереву подойдёт цельнодеревянная доска, профильный лист МДФ или ДСП либо фанера. Последняя, наряду с массивом древесины, обладает наибольшей прочностью. А вот для станка по металлам лучшей конструкции, чем стальная, не найти.

• Шпиндельный мотор для древесины не должен быть более 2 кВт по мощности. Для предотвращения затяжных технологических перерывов каждые 15 минут шпиндельный двигатель желательно оснастить радиаторно-водяной системой отвода тепла.

• Инверторный электрический модуль подбирается под мощность двигателя. В связи с надёжностью и повсеместным распространением шаговых двигателей применяется система «мотор-драйвер». Плата драйвера вырабатывает импульсные или переменные токи, заставляющие вал двигателя поворачиваться на конкретный угол либо совершать несколько полных оборотов. Три шаговых двигателя обеспечивают перемещение заготовок по всем трём координатным осям.

• Кабельный короб ставится для защиты проводки от случайной порчи при работе – привод и предметный стол часто и помногу перемещаются.

В числе прочих компонентов – фрезеровальный зажимник (патрон для резаков), охлаждающий шланг, шарикоподшипниковые комплекты, муфта (передаёт плавный ход от шагового двигателя и обеспечивает совмещение его с редуктором по оси), фрезерные резаки, метизы, водопомпа (насос), шпильки. В качестве инструментов нужны:

• сварочный агрегат инверторного типа с рядом электродов;

• болгарка с набором отрезных дисков по металлу и дереву;

• универсальная отвёртка с набором насадок;

• молоток, пассатижи, универсальные разводные ключи (не менее двух);

• паяльник, канифоль, припой, паяльный флюс;

• ​​​​​​ножницы и кусачки.

Из расходников – изолента, универсальный клей (столярный, эпоксидный и/или «Момент-1»), резиновый герметик, фум-лента.

Народные умельцы изготавливают фрезеры на основе компакт-дисков и дисководов для них. Используя данные компоненты, пользователь получит весьма компактный станок.

Общая поэтапная инструкция по сборке включает в себя ниже перечисленные стадии.

1. Поиск или создание чертежа – сборочной инструкции, где все этапы, включая компоновку электрики и электроники, описаны подробно. Для создания чертежа используются программные средства типа Autocad или Visio.

2. После приобретения необходимых компонентов мастер формирует станину. Собирать её до покупки данных запчастей не рекомендуется – её габариты не согласуются с конфигурацией будущего устройства.

3. Монтаж и наладка шпиндельного агрегата с главным мотором. На двигатель ставят систему охлаждения. Для устранения протечек применяют герметик – после затвердевания он превращается в некое подобие резины.

4. Монтаж электропроводки и кабелей, пульта, кнопки аварийного отключения станка.

5. Размещение и подключение электронной платы (микроконтроллера). Можно использовать, к примеру, электронный модуль типа KY-2012 – пятиосевой контроллер CNC для драйвера шагового двигателя с кабелем DB-25. Большинство пользователей отдают предпочтение микроконтроллерам бренда Arduino.

6. Опробование работы собранного станка, загрузка электронных версий чертежей будущих заготовок, которые изготовятся на данной машинке.

Если техника работает чётко, то можно разработать план производства, закупить материалы и расходники для нее и выйти «на поток» – выпустить первую (пробную) партию деталей.

ЧПУ-станок, собранный своими руками, требует минимума ошибок и нежелательных просчётов. Самодельный агрегат, даже когда он создавался для работ исключительно по дереву и пластику, требует основательного подхода в проектировании и сборке. Итак, проект готов – осталось лишь воплотить его на практике.

Станина, схема электропитания, привод с главным двигателем, предметный стол с шаговыми моторами в работе не должны создавать препятствий друг другу. Не менее важными узлами считаются кнопка аварийной остановки и пульт с кнопками, переключающими обороты шпиндельного привода.

Установите детали, позволяющие регулировать смещение предметного стола по оси абсцисс и ординат.

Смонтируйте шпиндель. Он ставится лишь после полного завершения работ над корпусом (без сборки боковин и задней стенки). Устанавливая мотор, оставьте возможность двигать этот привод по высоте и строго вертикально.

Среди прочих компонентов – винтовая передача, использующая зубчатые зацепы на шкивах и ремне. Такое соединение исключает проскальзывание ремня по шкивам. Равномерность передачи крутящего момента практически гарантирована.

При использовании шагового мотора для миниатюрного станка применяют кареточные комплектующие от большого принтера. Чем старше по году выпуска модель, тем более высокомощный шаговый двигатель в них применялся. Большой удачей считается матричный принтер: он больше, чем лазерные и струйные модели, подходит для переделки под такой станок. Трёхкоординатная машинка потребует, соответственно, трёх таких моторов. Если найти их не удалось самостоятельно (используя старую печатную технику), то используйте шаговые двигатели от китайского бренда Nema – достаточно лишь подождать доставки заказа от 10 до 100 дней, а рассчитаны такие движки на напряжение 12 вольт и ток до нескольких ампер.

Используя крутящиеся зубчатки (колёса из инструментальной стали), вы сможете превратить вращательный момент в линейный. Чтобы получить максимальную точность, можно использовать шариковые винтовые парные детали (ШВП), однако такие запчасти не являются дешёвым решением. Используя для установки блоков гайки и крепёжные болты, снабдите их пластиковыми прокладками, чтобы снизить силу трения и уменьшить люфт.

Для шпинделя можно использовать любой коллекторный или бесколлекторный двигатель.

Вертикальная ступица, дающая возможность инструменту перемещаться по трём координатам, действует в пределах координатного стола. Ось выполняется в виде алюминиевого прута. Размеры этой детали должны соответствовать габаритам станка.

Сборка рабочей механической части начинается с закрепления первых шаговых двигателей на раме. Они размещаются за вертикальной осью. Эти моторы ответственны за горизонтальное и вертикальное перемещения. Передвижной портал, движущийся по оси абсцисс, переносит на себе шпиндельный привод и суппорт (ось, задающая высоту точки работ). Чем выше размещён портал, тем на более толстые детали при обточке мастер рассчитывает. Недостаток поднятого портала – неустойчивость к повышенному прикладываемому усилию.

Чтобы закрепить шаговый мотор, ответственный за координаты по высоте, а также прямые направляющие, применяйте все пластины, кроме боковых. Установите в этом же месте шпиндельную основу.

Для фиксации ротора шпиндельного мотора со шпилькой примените резиновую обмотку электрического кабеля, обладающего довольно широким сечением. Фиксирующими свойствами обладают и винты, всовываемые во втулочную деталь из нейлона.

Металлы и дерево при изготовлении корпуса могут сочетаться друг с другом. Так, основная (несущая) конструкция собирается из профтруб с толщиной стенки от 3 мм, а боковины (крышки, панели) могут быть изготовлены из фанеры. Но несущий каркас не собирается без сварочной технологии – чисто болтовых соединений может оказаться недостаточно.

Станок обретает предельную, заявленную на чертеже прочность лишь благодаря раме. На ней устанавливают подвижный предметный стол, шпиндельный привод, шаговые координатные двигатели, рельсообразные направляющие, вертикальную координатную ось.

Стальная рама в разы лучше, но и она может повредиться преждевременно. Чтобы избежать отрыва деталей рамы друг от друга, применяйте Т-образные гаечные крепления. Впрочем, болтовые соединения отлично сочетаются со сварными. Торцевые пластины предусматривают установку подшипников, позволяющих ходовому болту свободно крутиться по своей резьбе. Здесь применяются скользящий и подшипник на шпинделе.

Для бесперебойной работы программного блока применяют высококачественные радиоматериалы и радиокомпоненты. Китайские печатные платы, имеющие сомнительное качество, лучше обойти стороной. Цель сборки – добиться чёткого функционирования, без программных зависаний и сбросов при работе.

Кроме шаговых двигателей, управляемых с помощью драйверных электронных модулей, используется также порт USB, преобразование сигналов с которого, к примеру, производится с помощью переходника-модуля на базе технологии RS-485, выполняющего также обратное преобразование данных в формат USB.

Выберите нужное – на нём и работает всё оборудование. К примеру, современные микропроцессорные модули эксплуатируются при напряжении 3,3 В, а шаговые двигатели – от 12.

Чтобы загрузить/перезаписать программу в ЧПУ-блок, используют ПК или ноутбук. В последнее время предпринимаются попытки использовать для управления станком дополнительный микрокомпьютер размером с одну или несколько флешек, взаимодействующий со смартфонами и планшетами по Wi-Fi или Bluetooth, но данная технология пока находится в стадии долгосрочных разработок и, скорее, относится к «умным вещам».

• Ни один здравомыслящий мастер не соберёт даже крайне простой станок, не имея проекта с чертежом.
• Правильно соотнесите шпиндельный привод и частотный преобразователь.
• Не пользуйтесь шаговыми моторами с нестандартным питанием, в противном случае потребуется установка также нестандартного источника либо переделка одного из существующих. Это отодвинет финальную настройку, усложнит её.
• Не используйте лишь одни сварные соединения – при запредельной вибрации их попросту разорвёт.
• Не применяйте скользящую ременную передачу: заметное усилие может привести к частому проскальзыванию ремней.
• Приобретите подшипники и винты с тройным запасом прочности.

Как сделать ЧПУ-станок своими руками смотрите далее.