Самодельный фрезерный станок с ЧПУ: собираем своими руками. Как выбрать комплектующие для станка с чпу Что нужно фрезерного станка чпу

Проектирование и подбор комплектующих для станка с ЧПУ

Часть 1. «Какую подобрать электронику к станку?» или с чего начать.

Одним из самых распространенных вопросов у наших клиентов является «какие шаговые двигатели/драйверы подобрать для моего будущего станка?». Зачастую этот вопрос ставится в тот момент, когда станка нет даже в проекте, только в задумке – человек определился только примерно с рабочим полем и обрабатываемыми материалами. Данная ситуация является, естественно, ошибочной. Выбор электроники – далеко не первостепенное, он не составляет труда по сравнению с остальными этапами создания станка. Определиться с приводами можно только после определившись с другими параметрами, такими как перемещаемая масса, максимальная скорость и ускорения, усилия резания и пр. Поэтому при создании фрезерного станка с ЧПУ подбор комплектующих начинается с проекта, а проект – с постановки задачи.

Проектирование станка с ЧПУ. Часть 2. Постановка задачи

Итак, первый шаг – определить круг изделий, которые будут производиться на станке. Это даст возможность вычленить следующие параметры размеры рабочего поля. Размеры поля соответственно дадут представление о возможном весе станка и его габаритах. Рабочее поле не должно существенно превышать необходимое. В данном случае запас карман тянет, и еще как. Затраты на изготовление, вес и прочие сложности с увеличением станка растут нелинейно!

1. Обрабатываемые материалы и режимы обработки. Эти данные следует использовать, чтобы вычислить такую информацию как планируемый к использованию инструмент. Очень важно тщательно определить минимальный и максимальный тип и размер фрез, это затем скажется на выборе шпинделя, а он, в свою очередь, обуславливает всю остальную конструкцию станка. Надо определить вид и размер фрез, будут ли использоваться резьбонарезные головки или точное позиционирование инструмента, потребуется ли автоматическая смена, будут ли использоваться шпиндели с инструментальными конусами или достаточно цангового зажима типа ER и т.п.
2. Усилия резания на фрезе. Максимальное усилие резания на фрезе обязательно необходимо если не знать более-менее точно, то как минимум иметь интуитивное представление о нём. Усилия резания - параметр, исходя из которого определяется жесткость, т.е. важнейшая характеристика будущего станка. Станок с недостаточной жесткостью будет выдавать некачественную поверхность, ломать фрезы, изнашивать шпиндели и направляющие, с избыточной жесткостью – будет дорогим, громоздким и экономически неэффективным.
3. Модель или хотя бы тип и размер шпинделя. Он достаточно определенно вытекает из предыдущих 2 пунктов. Под разные шпиндели – разные станки!
4. Комплектация станка. От обрабатываемых материалов зависит, нужна ли будет система защиты направляющих от стружки/пыли, подача СОЖ, вытяжка для удаление продуктов резания и т.п. Скажем, для деревообрабатывающих станков практически невозможно работать без вытяжки, но не нужна СОЖ, а для станков по алюминию – наоборот, для станков по алюминию защита направляющих желательна, но в целом опциональна, а для станков по чугуну – просто необходима, и т.д.
5. Количество осей. В зависимости от требований к изделиям станок может быть 3-осевым, 4-осевым (с 1 поворотной осью), 5-осевым (с 2 поворотными осями). Число осей также сильно влияет на конструкцию станка, его сложность и стоимость.
6. Ход по осям и вылет шпинделя. Эти данные на данном этапе определяются примерно, без особой точности, для получения модели действующих сил в первом приближении.

Проектирование станка с ЧПУ. Часть 3. Определение жесткости («бюджет жесткости»)

После определения параметров, упомянутых в предыдущей части, в т.ч. примерную длину осей, можно построить условную схему приложения внешних усилий и их распространения по конструкции станка(ниже пример, одна стрелка – усилие на фрезе, вторая – на поворотной оси).

Ключевым параметром при создании фрезерного станка с заданной точностью является жесткость на режущей кромке, которая определяется как сила, требуемая для отклонения режущего инструмента от исходного положения на единицу длины(обычно мкм). Согласно некоторым данным, значения жесткости в пределах 10-25 Н/мкм считаются достаточными для большинства станков. Значения 50 Н/мкм и более свойственны высокоточным станкам.

Как правильно подобрать комплектующие для станка с ЧПУ

Далее - ряд статей, которые помогут вам в выборе конкретных комплектующих устройств для вашего станка с ЧПУ:

1. ДВИГАТЕЛИ

• коллекторный или бесколлекторный двигатель: что выбрать?

2. ПРИВОД СТАНКА
3. ДРАЙВЕРЫ
4. НАПРАВЛЯЮЩИЕ
5. ПЕРЕДАЧИ 6. ПОРТАЛ
7. ШПИНДЕЛИ

После рассмотрения вариантов конструкции длинной оси - X - можно перейти к рассмотрению оси Y. Ось Y в виде портала - наиболее популярное решение в сообществе хоббийных станкостроителей, и неспроста. Это простое и вполне рабочее, хорошо себя зарекомендовавшее, решение. Однако, и в нем есть подводные камни и моменты, которые надо уяснить перед проектированием. Для портала крайне важна устойчивость и правильный баланс - это снизит износ направляющих и передач, снизит прогиб балки под нагрузкой, уменьшит вероятность подклинивания при перемещении. Для определения правильной компоновки посмотрим на силы, приложенные к порталу во время работы станка.

Рассмотрите схему хорошенько. На ней отмечены следующие размеры:

• D1 - расстояние от области резания до цента расстояния между направляющими балки портала
• D2 - расстояние между приводным винтом оси X до нижней направляющей балки
• D3 - расстояние между направляющими оси Y
• D4 - расстояние между линейными подшипниками оси X

Теперь рассмотрим действующие усилия. На картинке портал перемещается слева направо за счет вращения приводного винта оси X(расположен внизу), который приводит в движение гайку, зафиксированную снизу на портале. Шпиндель опущен и фрезерует заготовку, при этом появляется сила противодействия, направленная навстречу движению портала. Эта сила зависит от ускорения портала, скорости подачи, вращения шпинделя и силы отдачи с фрезы. Последняя зависит от собственно фрезы(типа, остроты, наличия смазки и т.п.), скорости вращения, материала и прочих факторов. Определению величины отдачи с фрезы посвящено множество литературы по подбору режимов резания, в настоящее время нам достаточно знать, что при движении портала возникает сложносоставная сила противодействия F. Сила F, приложенная к зафиксированному шпинделю, по конструктивным элементам прикладывается к балке портала в виде момента A = D1 * F. Данный момент может быть разложен на пару равных по модулю, но разнонаправленных сил A и B, приложенных к направляющим #1 и #2 балки портала. По модулю Сила А = Сила B = Момент А / D3. Как отсюда видно, силы, действующие на направляющие балки уменьшаются, если увеличивать D3 - расстояние между ними. Уменьшение сил снижает износ направляющих и крутильную деформацию балки. Также, с уменьшением силы А, уменьшается и момент B, приложенный к боковинам портала: Момент B = D2 * Сила A. Из-за большого момента B боковины, будучи не способными согнуться строго в плоскости, начнут виться и изгибаться. Момент B необходимо уменьшать также потому, что необходимо стремиться к тому, чтобы нагрузка всегда распределялась по всем линейным подшипникам равномерно - это снизит упругие деформации и вибрации станка,а, значит, повысит точность.

Момент B, как уже было сказано, можно уменьшить несколькими путями -

1. уменьшить силу A.
2. уменьшить плечо D3

Задача - сделать силы D и C сделать как можно более равными. Эти силы складываются из пары сил момента B и веса портала. Для правильного распределения веса надо рассчитать центр масс портала и разместить его точно между линейными подшипниками. Именно этим объясняется распространенная зигзагообразная конструкция боковин портала - это сделано для того, чтобы сместить направляющие назад и приблизить тяжелый шпиндель к подшипникам оси X.

Итого, при проектировании оси Y учитывайте следующие принципы:

• Старайтесь минимизировать расстояние от приводного винта/рельсов оси X до направляющих оси Y - т.е. минимизируйте D2.
• Снижайте по возможности вылет шпинделя относительно балки, минимизируйте расстояние D1 от области реза до направляющих. Оптимальным ходом по Z обычно считается 80-150 мм.
• Снижайте по возможности высоту всего портала - высокий портал склонен к резонансу.
• Рассчитывайте заранее центр масс всего портала, включая шпиндель и разрабатывайте стойки портала таким образом, чтобы центр масс располагался точно между каретками направляющих оси X и как можно ближе к ходовому винту оси X.
• Разносите направляющие балки портала подальше - максимизируйте D3 для снижения момента, приложенного к балке.

КОНСТРУКЦИЯ ОСИ Z

Следующим шагом является выбор структуры наиболее важной части станка - оси Z. Ниже приведены 2 примера конструктивного исполнения.

Как было уже упомянуто, при строительстве станка с ЧПУ необходимо учитывать силы, возникающие при работе. И первым шагом на этом пути является отчетливое понимание природа, величины и направления этих сил. Рассмотрим схему ниже:

Силы, действующие на ось Z

На схеме отмечены следующие размеры:

• D1 = расстояние между направляющими оси Y
• D2 = расстояние вдоль направляющих между линейными подшипниками оси Z
• D3 = длина подвижной платформы(базовой пластины), на которую собственно монтируется шпиндель
• D4 = ширина всей конструкции
• D5 = расстояние между направляющими оси Z
• D6 = толщина базовой пластины
• D7 = вертикальное расстояние от точки приложение сил реза до середины между каретками по оси Z

Посмотрим на вид спереди и отметим, что все конструкция перемещается вправо по направляющим оси Y. Базовая пластина выдвинута максимально вниз, фреза заглублена в материал и и при фрезеровке возникает сила противодействия F, направленная, естественно, противоположно направлению движения. Величина этой силы зависит от оборотов шпинделя, числа заходов фрезы, скорости подачи, материала, остроты фрезы и т.п.(напоминаем, что некоторые предварительные расчеты того, какие материалы будут фрезероваться, а значит, и оценка сил реза, должна быть сделана перед началом проектирования станка). Как влияет данная сила на ось Z? Будучи приложена на расстоянии от места, где закреплена базовая пластина, эта сила создает крутящий момент А = D7 * F. Момент, приложенный к базовой пластине, через линейные подшипники оси Z передается в виде пар поперечных сил на направляющие. Силы, преобразованная из момента, обратно пропорциональная расстоянию между точками приложения - следовательно, для снижения усилий, изгибающих направляющие, необходимо увеличивать расстояния D5 и D2.

Расстояние D2 также участвует в случае фрезерования вдоль оси X - при этом возникает аналогичная картина, только возникающий момент приложен на заметно большем рычаге. Этот момент старается провернуть шпиндель и базовую пластину, а возникающие силы перпендикулярны плоскости пластины. При этом момент равен силе реза F, умноженной на расстояние от точки реза до первой каретки - т.е. чем больше D2, тем меньше момент(при неизменной длине оси Z).

Отсюда следует правило: при прочих равных надо стараться обязательно разнести каретки оси Z подальше друг от друга, особенно по вертикали - это значительно увеличит жесткость. Возьмите за правило никогда не делать расстояние D2 меньше 1/2 длины базовой пластины. Также убедитесь, что толщина платформы D6 достаточна, чтобы обеспечить желаемую жесткость - для этого необходимо рассчитать максимальные рабочие усилия на фрезе и смоделировать прогиб пластины в САПР.

Итого , придерживайтесь следующих правил при конструировании оси Z портального станка:

• максимизируйте D1 - это снизит момент(а следовательно, силы), действующий на стойки портала
• максимизируйте D2 - это снизит момент, действующий на балку портала и ось Z
• минимизируйте D3(в пределах заданного хода по Z)- это снизит момент, действующий на балку и стойки портал.
• максимизируйте D4(расстояние между каретками оси Y) - это снизит момент, действующий на балку портала.

Итак, вы решили построить самодельный ЧПУ фрезерный станок или, может быть, вы просто над этим только задумываетесь и не знаете с чего начать? Есть много преимуществ в наличии машины с ЧПУ. Домашние станки могут производить фрезерование и резать практически все материалы. Будь вы любитель или мастер, это открывает большие горизонты для творчества. Тот факт, что один из станков может оказаться в вашей мастерской, еще более соблазнителен.

Есть много причин, по которым люди хотят построить собственный фрезерный станок ЧПУ своими руками. Как правило, это происходит потому, что мы просто не можем позволить себе купить его в магазине или от производителя, и в этом нет ничего удивительного, ведь цена на них немаленькая. Или же вы можете быть похожи на меня и получать массу удовольствия от собственной работы и создания чего-то уникального. Вы можете просто заниматься этим для получения опыта в машиностроении.

Личный опыт

Когда я впервые начал разрабатывать, продумывать и делать первый ЧПУ фрезер своими руками, на создание проекта ушел примерно один день. Затем, когда начал покупать части, я провел небольшое исследование. И нашел кое-какие сведения в различных источниках и форумах, что привело к появлению новых вопросов:

• Мне действительно нужны шарико-винтовые пары, или обычные шпильки и гайки будут работать вполне нормально?
• Какой линейный подшипник лучше, и могу ли я его себе позволить?
• Двигатель с какими параметрами мне нужен, и лучше использовать шаговик или сервопривод?
• Деформируется ли материал корпуса слишком сильно при большом размере станка?
• И т.п.

К счастью, на некоторые из вопросов я смог ответить благодаря своей инженерно-технической базе, оставшейся после учебы. Тем не менее, многие из проблем, с которыми я бы столкнулся, не могли быть рассчитаны. Мне просто нужен был кто-то с практическим опытом и информацией по этому вопросу.

Конечно, я получил много ответов на свои вопросы от разных людей, многие из которых противоречили друг другу. Тогда мне пришлось продолжить исследования, чтобы выяснить, какие ответы стоящие, а какие – мусор.

Каждый раз, когда у меня возникал вопрос, ответ на который я не знал, мне приходилось повторять тот же процесс. По большему счету это связано с тем, что у меня был ограниченный бюджет и хотелось взять лучшее из того, что можно купить за мои деньги. Такая же ситуация у многих людей, создающих самодельный фрезерный станок с ЧПУ.

Комплекты и наборы для сборки фрезеров с ЧПУ своими руками

Да, есть доступные комплекты станков для ручной сборки, но я еще не видел ни одного, который можно было бы подстроить под определенные нужды.

Также нет возможности вносить изменения в конструкцию и тип станка, а ведь их много, и откуда вы знаете, какой из них подойдет именно вам? Независимо от того, насколько хороша инструкция, если конструкция продумана плохо, то и конечная машина будет плохой.

Вот почему вам нужно быть осведомленным относительно того, что вы строите и понимать какую роль играет каждая деталь!

Руководство

Это руководство нацелено на то, чтобы не дать вам совершить те же ошибки, на которые я потратил свое драгоценное время и деньги.

Мы рассмотрим все компоненты вплоть до болтов, глядя на преимущества и недостатки каждого типа каждой детали. Я расскажу о каждом аспекте проектирования и покажу, как создать ЧПУ фрезерный станок своими руками. Проведу вас через механику к программному обеспечению и всему промежуточному.

Имейте в виду, что самодельные чертежи станков с ЧПУ предлагают немного способов решения некоторых проблем. Это часто приводит к «неаккуратной» конструкции или неудовлетворительному функционированию машины. Вот почему я предлагаю вам сначала прочитать это руководство.

ДАВАЙТЕ НАЧНЕМ

ШАГ 1: Ключевые конструктивные решения

В первую очередь необходимо рассмотреть следующие вопросы:

1. Определение подходящей конструкции конкретно для вас (например, если будете делать станок по дереву своими руками).
2. Требуемая площадь обработки.
3. Доступность рабочего пространства.
4. Материалы.
5. Допуски.
6. Методы конструирования.
7. Доступные инструменты.
8. Бюджет.

ШАГ 2: Основание и ось X-оси

Тут рассматриваются следующие вопросы:

1. Проектирование и построение основной базы или основания оси X.
2. Жестко закрепленные детали.
3. Частично закрепленные детали и др.

ШАГ 3: Проектирование козловой оси Y

1. Проектирование и строительство портальной оси Y.
2. Разбивка различных конструкций на элементы.
3. Силы и моменты на портале и др.

ШАГ 4: Схема сборки оси Z

Здесь рассматриваются следующие вопросы:

1. Проектирование и сборка сборки оси Z.
2. Силы и моменты на оси Z.
3. Линейные рельсы / направляющие и расстояние между подшипниками.
4. Выбор кабель-канала.

ШАГ 5: Линейная система движения

В этом пункте рассматриваются следующие вопросы:

1. Подробное изучение систем линейного движения.
2. Выбор правильной системы конкретно для вашего станка.
3. Проектирование и строительство собственных направляющих при малом бюджете.
4. Линейный вал и втулки или рельсы и блоки?

ШАГ 6: Компоненты механического привода

В этом пункте рассматриваются следующие аспекты:

1. Детальный обзор частей привода.
2. Выбор подходящих компонентов для вашего типа станка.
3. Шаговые или серводвигатели.
4. Винты и шарико-винтовые пары.
5. Приводные гайки.
6. Радиальные и упорные подшипники.
7. Муфта и крепление двигателя.
8. Прямой привод или редуктор.
9. Стойки и шестерни.
10. Калибровка винтов относительно двигателей.

ШАГ 7: Выбор двигателей

В этом шаге необходимо рассмотреть:

1. Подробный обзор двигателей с ЧПУ.
2. Типы двигателей с ЧПУ.
3. Как работают шаговые двигатели.
4. Типы шаговых двигателей.
5. Как работают сервомоторы.
6. Типы серводвигателей.
7. Стандарты NEMA.
8. Выбор правильного типа двигателя для вашего проекта.
9. Измерение параметров мотора.

ШАГ 8: Конструкция режущего стола

1. Проектирование и строительство собственных столов при малом бюджете.
2. Перфорированный режущий слой.
3. Вакуумный стол.
4. Обзор конструкций режущего стола.
5. Стол можно вырезать при помощи фрезерного станка с ЧПУ по дереву.

ШАГ 9: Параметры шпинделя

В этом шаге рассматриваются следующие вопросы:

1. Обзор шпинделей с ЧПУ.
2. Типы и функции.
3. Ценообразование и затраты.
4. Варианты монтажа и охлаждения.
5. Системы охлаждения.
6. Создание собственного шпинделя.
7. Расчет нагрузки стружки и силы резания.
8. Нахождение оптимальной скорости подачи.

ШАГ 10: Электроника

В этом пункте рассматриваются следующие вопросы:

1. Панель управления.
2. Электропроводка и предохранители.
3. Кнопки и переключатели.
4. Круги MPG и Jog.
5. Источники питания.

ШАГ 11: Параметры контроллера Программного Управления

В этом шаге рассматриваются следующие вопросы:

1. Обзор контроллера ЧПУ.
2. Выбор контроллера.
3. Доступные опции.
4. Системы с замкнутым контуром и разомкнутым контуром.
5. Контроллеры по доступной цене.
6. Создание собственного контроллера с нуля.

ШАГ 12. Выбор программного обеспечения

В этом пункте рассматриваются следующие вопросы:

1. Обзор программного обеспечения, связанного с ЧПУ.
2. Подбор программного обеспечения.
3. Программное обеспечение CAM.
4. Программное обеспечение САПР.
5. Програмное обеспечение NC Controller.

——————————————————————————————————————————————————–

При подготовке к проектированию технологического процесса производится детальный анализ чертежа для выявления недостающих размеров и конструктивно - технологических данных. Недостающие размеры и другие данные могут быть получены от конструктора, из сборочных чертежей, либо путем геометрических построений контура детали.

С целью облегчения подготовки УП простановка размеров в чертеже детали должна удовлетворять требованиям программирования.

Так как обработка на станках с ЧПУ ведется по командам, определяющим координаты точек траектории в прямоугольной системе координат, то размеры на чертежах должны задаваться так же в прямоугольной системе координат от единых конструкторских баз детали. Для этого необходимо выбрать начало координат и направление осей. Желательно, чтобы направление осей относительной системы координат детали совпадало после ее установки на станке с направлением осей координат станка.

При нанесении размеров на чертежах в некоторых случаях отверстия, группы отверстий или элементов деталей могут быть заданы в местной системе координат, как это показано для отверстия Б (рис.11.8,а). Переход от такой системы с началом в точке А к основной системе не вызывает трудностей.

Крепежные отверстия, расположенные на том или ином радиусе от центра основного отверстия, обычно принято задавать центральным углом дуги между их осями и радиусами. Для станков с ЧПУ такая информация должна заменяться координатами осей каждого отверстия (рис.11.8,б). В рассматриваемом примере за начало координат целесообразно назначить ось большого отверстия, т.к. она обеспечивает минимальное протяжение холостых (позиционирующих) ходов при обработке.

Рис. 11.8. Простановка размеров на чертежах деталей для станков с ЧПУ:

а) в местной системе координат; б) в системе координат основного отверстия

Часто детали имеют большое число мелких крепежных отверстий. Указывать координаты оси каждого из них нецелесообразно, т.к. это затрудняет чтение чертежа. В подобных случаях для указания размеров рационально использовать табличный метод, удобный и для программирования (рис.11.9,а).

При обработке криволинейных контуров плоских деталей на станке с ЧПУ в чертеже необходимо указывать размеры радиусов дуг координаты центров радиусов и координаты точек сопряжения дуг (рис.11.9,б).

Рис. 11.9. Простановка размеров на чертежах деталей табличным методом:

а) осей крепежных отверстий; б) криволинейных контуров

Согласно общему правилу нанесения размеров на чертежах деталей, обрабатываемых на токарных станках могут быть выведены участки с жесткими допусками (размеры а 1 , а 2 , а 3 на рис.11.10,а) и промежуточные участки с широкими допусками (размеры в 1 , в 2 , в 3 , в 4). Это вполне оправдано для станков с ручным управлением, т.к. рабочему надо выдержать точно только эти размеры. Для станка с ЧПУ это не имеет значения, ибо точность отсчета перемещений одна и та же, а начало отсчета, как правило, не совпадает с конструкторской базой и находится вне детали. Поэтому размеры для таких деталей следует наносить цепочкой (рис.11.10,б).

Рис. 11.10. Простановка размеров на чертежах деталей для токарной обработки:

а) на станках с ручным управлением; б) на станках с ЧПУ

В общем случае нанесение размеров на чертежах деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, должно быть таким, чтобы при подготовке управляющей программы не возникла необходимость их пересчета.