Станок с ЧПУ своими руками

Кто из радиолюбителей не мечтал о том, чтобы для сверления плат, фрезеровки дорожек или для гравировки и сверления передних панелей использовать что либо похожее на станок с ЧПУ(числовым программным управлением), управляемый компьютером? А почему бы и нет?

Всеобщая компьютеризация привела не только к тому, что к компу можно подключить все что угодно, и почти под все задачи найти программы, но и к тому, что на свалку истории (а то и на обычную) оказались выброшены предшественники компьютеров, которые можно заставить сослужить вторую службу. О чем идет речь? Об этом чуть попозже.

А сначала об изысканиях на эту тему.

Основой любого станка с ЧПУ служит координатный стол, обеспечивающий перемещение инструмента или детали, (или того и другого) в трех плоскостях – вправо-влево, вперед-назад и вверх - вниз. Самой главной частью координатного стола являются направляющие – именно они обеспечивают точное и легкое перемещение движущихся частей относительно друг друга.

Обычно в практике самодельного станкостроения применяют круглые стержни и скользящие по ним втулки, такие, как например, в матричных и струйных принтерах или сканерах http://vri-cnc.narod.ru/obraz.htm . Но есть немало проблем, подстерегающих каждого, кто решится их использовать. Основная проблема – это износ. Станки работают в условиях обработки металлов, стружка и пыль которых оседают на смазанных стержнях и попадают под втулки. Со временем зазор между втулкой и стержнем увеличивается, что, несомненно, вызывает появление люфтов. Решить эту проблему можно только заменой стержня и втулки, или изготовлением новой втулки, под диаметр износившегося стержня. Вторая проблема, с ней придется столкнуться еще на стадии изготовления станка – высокая точность изготовления стержня и втулки, ведь зазор между ними должен быть всего несколько микрон. Можно, конечно, взять направляющую от старого принтера, но там уже очевиден износ и надеяться на получение высокой точности бессмысленно. От старого принтера можно взять только шаговые двигатели, для радиолюбительского станка они подойдут как нельзя лучше.

Что же применить в качестве направляющих? Поиски в Интернете привели к неутешительному выводу – есть отличные направляющие, да вот их цена просто на уровне космической. Самая примитивная полуметровая «рельса» с тележкой на ней стоит более 200 «зеленых». Для хорошего станка направляющих нужно как минимум 6 штук, не все конечно полуметровой длины, но, тем не менее, раскошелиться придется основательно.

Есть набор «Кулибин», http://www.mntc.ru/projects/order.htm предлагаемый за 6500 рублей, в него входит полностью все комплектующие для 3-х координатного стола нескольких конфигураций, но направляющие в этом наборе, мягко говоря, вызывают недоверие.

Итак, что же использовать в качестве направляющих, надежное, с минимальными люфтами и главное – нахаляву.

Вот и подошли к предшественникам компьютеров, о которых шла речь в начале статьи. Это старые механические и электрические печатные машинки, правда, от них нам понадобятся только каретки.

В больших печатных машинках, типа «Robotron», «Ятрань», «Уфа», «Башкирия», «Листвица» - самые подходящие для переделки в станок, каретки. Снимаются они очень просто – каретка отодвигается влево, справа откручивается одна гайка, удерживающая каретку, затем каретку сдвигаем вправо и откручиваем такую же гайку слева, затем приподнимаем каретку и отсоединяем хлопчатобумажный поводок возврата каретки. Каретку полностью разбираем, особенно аккуратно снимаем направляющие – длинные черные металлические стержни - рельсы. Аккуратно потому, что при снятии этих рельс высыпаются ролики или шарики, обеспечивающие легкое скольжение каретки.

Вот эти стержни, шарики и ролики, а также блок рельсов, обычно находящийся на подвижной части каретки, и пружина возврата каретки с креплением нам и понадобятся.

На фото показаны различные направляющие от различных печатных машинок, все они пригодны для использования.

В каретках используются роликовые или шариковые направляющие, обеспечивающие очень легкое перемещение, с минимальными потерями на трение. Вот как они устроены:

Желтым и зеленым цветом окрашены рельсы. Красным и голубым – ролики, Красным – шарики. Синий цвет – подвижная часть, розовый – неподвижная. Справа – регулировочный винт, обеспечивающий отсутствие люфта. В некоторых машинках подвижная пластина и подвижные рельсы выполнены как единое целое.

Небольшое отступление:

На фото в начале статьи изображен станок с ЧПУ для обработки мягких пластиков и дерева, изготовленный мной из трех кареток от печатных машинок «Уфа». Станок очень мощный, двигатель фрезера имеет мощность 800 ватт при 34 тысячах оборотов в минуту, что позволяет, например, фрезеровать буквы даже из 40 миллиметровой доски. Но это потребовало и повышенной прочности. Для перемещения по осям X и Y использованы каретки целиком, что обеспечило размер обрабатываемой за один раз поверхности 480х480 мм.

Для оси Z (перемещение по вертикали) использована только часть каретки, длиной 150 мм, что обеспечило глубину обработки до 60 мм.

Продолжим тему изготовления станка.

Чем же хороши каретки от печатных машинок?

Ну и во первых, все нужные нам части выполнены из очень высококачественной стали. Из множества исследованных машинок, отработавших многие годы, я не встречал такой, у которой хотя бы незначительно были бы изношены рельсы, и уж тем более не встречал потускневших(изношенных) роликов или шариков. Советское качество, ничего не скажешь.

Во вторых, практически все каретки могут быть применены как целиком, так и частично. То есть из каретки всегда можно вырезать нужный фрагмент, если станок больших размеров не нужен.

В третьих, и это самое важное – зазоры в подшипниках кареток легко регулируются, это заложено в конструкции кареток. Примечание: Это касается только перечисленных машинок с большими каретками. В маленьких и портативных машинках рельсы выполнены штампованными и зазоры в них не регулируются.

В четвертых, печатные машинки пока не дефицит, компьютеризация вытесняет их из кабинетов, они списываются, перекочевывают на склады, и в любой организации или колхозе у кладовщика можно их выпросить «за спасибо» или, в крайнем случае, за «исконно русскую валюту».

Итак, нужные каретки есть, что делать дальше? А дальше все зависит от вашего желания.

Если вы хотите иметь станок небольших размеров, то можете использовать только часть каретки, например - половину. В этом случае половина каретки может служить направляющей для рабочего стола, а вторая половина – направляющей для перемещения инструмента по оси Y, то есть поперечного перемещения. Для перемещения инструмента по вертикали можно использовать еще часть каретки, закрепив ее неподвижную часть строго перпендикулярно на подвижной части поперечной каретки. В принципе, все зависит от вашей фантазии.

Второй мой координатный стол, для работы по металлу и камню, дожидающийся сейчас гравировальной машинки «Proxxon», выполнен несколько иначе.

Основой его служит стальной швеллер размером 240х320 мм. В этом швеллере на строгальном станке сделаны полки для рельс от машинки «Robotron». Стол представляет собой пластину из 6 мм дюраля Д16Т, размером 340х260 мм, на которой снизу строго параллельно (точность до микрона) закреплены еще два рельса. Зазор в направляющих регулируется с помощью 4-х винтов ввернутых сбоку в швеллер на уровне рельс. По бокам к швеллеру крепятся две фигурные пластины из 4-х миллиметровой стали, а сверху к ним – средняя часть каретки от той же печатной машинки. Вертикальная направляющая – тоже часть каретки от печатной машинки, закрепленная перпендикулярно на подвижной части поперечной каретки. На ее подвижной части закреплена дюралевая пластина, а на ней будет крепиться гравировальная машинка «Proxxon».

Рабочее поле 210х300 мм, то есть размер листа А4, вертикальный ход – 45 мм. Все подвижные части приводятся в движение шаговыми двигателями посредством устройств привода.

Привод стола и инструмента.

Ничего сложного в нем нет – шаговый двигатель на каждую ось перемещения, ходовой вал, самодельный карданчик, бронзовая разрезная гайка, закрепляемая на подвижной части каретки.

Необязательно применять винт, можно использовать и зубчатый ремень привода, как в принтерах, но дискретность перемещений (без дополнительного редуктора), а значит – точность, с винтом будет на порядок лучше. К тому же винт обеспечивает большее тяговое усилие при том же шаговом двигателе.

Двигатель лучше взять с подшипниками, а не с втулками оси, и подвергнуть его доработке, устранив продольный люфт вала. Для этого к тыльной стороне двигателя прикручивают квадратную пластину, в центре которой сделано углубление и между пластиной и валом вставляют шарик от подшипника. Когда притягивают пластину к тыльной стороне двигателя, шарик давит на вал двигателя и не дает ему люфтить.

Не переусердствуйте!

Самодельный карданчик изготавливают из стальной или бронзовой втулки, внутренние диаметры которой сначала сверлят равными диаметру вала двигателя и ходового винта.

Затем, одев втулку на вал двигателя, через него сверлят сквозное отверстие диаметром равным диаметру иглы от маленького игольчатого подшипника, в крайнем случае - диаметру отрезка пружинной проволоки или даже велосипедной спицы. Вставив хвостовик ходового винта во втулку, поворачивают втулку на валу двигателя строго на 90 градусов и сверлят второе сквозное отверстие через хвостовик ходового вала. Сняв втулку, увеличивают ее внутренние диаметры на 0,5 - 1 мм. Затем снова вставляют в нее вал двигателя и хвостовик ходового вала, впрессовывают иглы от подшипника или отрезки велосипедных спиц. Расклепывают отверстия во втулке, чтобы иглы не выпадали. Не забудьте капнуть в карданчик пару капель масла. Люфт в карданчике при правильно подобранном диаметре сверл составит несколько микрон, что вполне устраивает для большинства задач.

Ходовой вал.

Обычный стальной стержень с нарезанной на нем резьбой. Можно купить их в хозтоварах, а можно нарезать резьбу самому. Диаметр вала для малых станков достаточен 6 мм, для больших 8-10 мм. Шаг резьбы стандартный.

При самостоятельной нарезке леркой возьмите пруток на 100-150 мм длиннее, чем необходимо и нарежьте резьбу на всей длине, кроме последних 10 мм(хвостовик). Затем отмерив необходимую длину вала, отрежьте лишний кусок со стороны начала нарезки резьбы. Дело в том, что при нарезке резьбы леркой первые 80-100 мм могут пойти неровно и гайка, накрученная на такой винт, будет вихлять. После 100 мм обычно резьба выравнивается и дальше гайка идет ровно. Вот этот неровный отрезок резьбы и надо безжалостно вырезать. Зашлифовав торец вала, сделайте строго по центру небольшое углубление, для упорного шарика.

Обращаю внимание на то, что шаг резьбы не всегда точно соответствует указанному на лерке, и при большой длине винта набегает небольшая погрешность. Так, длина 400 витков резьбы с шагом 1 мм не всегда равна 400 мм, отклонения достигают 2 мм. Учитывайте это при работе со станком.

Разрезная бронзовая гайка.

Для гайки рекомендую взять прямоугольный бронзовый брусочек, на станке с строго горизонтальным столом просверлить в брусочке отверстие под резьбу, и нарезать резьбу только первым метчиком, с диаметром, равным диаметру ходового вала. Затем, смазав вал и резьбу гайки, несколько раз навернуть гайку на вал до конца длины резьбовой части, до тех пор, пока гайка не станет вращаться легко. Это позволит снизить люфт в гайке до минимума.

Еще более снизить люфт поможет разрезание гайки поперек резьбы, но не полностью и установка регулировочного винта, обеспечивающего небольшой натяг в гайке.

А дальше – закрепите гайку на подвижной части, а двигатель с закрепленным карданчиком и ходовым валом – на неподвижной части каретки. Обязательно обеспечьте соосность вала двигателя и отверстия в закрепленной разрезной гайке.

Расчет величины и скорости подачи.

Итак, мы изготовили узел подачи, но на какое расстояние он передвинется за один шаг, пока не знаем. Вычислить это просто. Ходовой винт моего большого станка имеет шаг 1 мм, а угол поворота шагового двигателя составляет 7,5 градусов на шаг. Разделим 360 на 7,5 получим число шагов на полный оборот. Итого двигатель сделает 48 шагов за оборот. В то же время один оборот ходового винта вызовет перемещение инструмента или детали на 1 мм. Теперь разделим 1 мм на 48 и получим величину перемещения инструмента на один шаг. Она будет равна 0,0208 мм. Определим максимальную скорость перемещения инструмента. Например, по паспорту шаговый двигатель делает до 500 шагов в секунду. 500 разделим на количество шагов за оборот(48) и получим искомое число – 10,4 мм/сек. Неплохая скорость для холостого перемещения инструмента, т.е. когда инструмент поднят. Но для гравировки, например, такая скорость велика. Учтите это, когда будете вводить данные в программу обработки. Мой маленький станок имеет немного другие параметры. Величина подачи на 1 шаг – 0,0025 мм, скорость холостой подачи 2,5 мм/сек.

Маленькая поправка: Скорость подачи - только расчетная, она не учитывает такое явление как резонанс шагового двигателя. На самом деле она несколько меньше и зависит от многих факторов и определяется по каждой оси перемещения экспериментальным методом, но уже после изготовления станка.

Еще три нюанса.

1. После сборки и регулировки не надейтесь на винтовые соединения, они быстро разбалтываются. Скрепите соединяемые детали еще и штифтами. Особенно это касается направляющих и сопрягаемых с ними деталей.
2. Самый нагруженный двигатель – двигатель вертикальной подачи, в момент подъема инструмента, за счет его большого веса. Например, в моем большом станке вес фрезера и подвижной части каретки составляет 2,3 кг. Недостаток мощности двигателя может привести к тому, что в момент начала холостого перемещения инструмент окажется в детали и тогда – прощай фреза, прощай деталь. Чтобы обеспечить легкость и безопасность возврата инструмента, использован компенсатор веса инструмента, изготовленный из пружины возврата каретки той же печатной машинки. При большом весе фрезера можно использовать даже две возвратные пружины, как на первом фото.
3. Обязательно предохраняйте направляющие от попадания в них стружки. Это обеспечит высокое качество изготовления деталей, отсутствие заеданий и более долговечную работу станка в целом. Особенно нуждаются в защите продольные направляющие стола. Примените обычный фартук из кожзаменителя или полиэтилена.

Блок управления. Зависит от используемых шаговых двигателей и программы управления. Схема управления станком уже была опубликована на этом сайте, http://www.cqham.ru/Vetrov90407.htm автор - Роман Ветров. Сайт автора http://vri-cnc.narod.ru

Программа управления.

Не мудрите с попытками создать свою программу, их создано уже более чем достаточно, я например, использую программу http://vri-cnc.narod.ru/soft.htm созданную Романом Ветровым vetrovroman@mail.ru, тем более что автор обещает добавить еще один канал управления, и тогда станок можно будет превратить в режущий плоттер. Для управления азимутом режущего пера и нужен еще один канал. Уже сейчас программа рисует дорожки, сверлит отверстия, поддерживая форматы Gerber и Excellon, созданные программой Layout, а также файлы, созданные в AutoCAD.

Что еще можно делать станком?

• Можно сделать перфоратор, закрепив вместо фрезы электромагнит с пробойником.
• Можно рисовать, сверлить, пилить, строгать, фрезеровать, даже нарезать зубчатые колеса.
• Можно использовать как намоточный станок. Можно использовать как стеклорез.
• Все зависит от того, какой дополнительно инструмент вы используете и как умеете фантазировать.

Насколько трудоемкий процесс изготовления станка?

• Как говорится в поговорке – глаза бояться, руки делают.
• Большой станок я делал две недели, тратя ежедневно три часа и по 6-8 часов в выходные.
• Много времени ушло на раздумья и придумывание, все было впервой.
• На маленький станок ушло всего 5 вечеров и два выходных, сказался небольшой опыт.
• Из электроинструмента использовались болгарка, дрель и настольный сверлильный станок.
• Для маленького станка потребовалось заказать основание, но можно было бы и обойтись самодельным. Все остальное сделано в мастерской самостоятельно.

73! Удачи! Н.Филенко UA9XBI.
Пишите на ua9xbi(at)mail.ru

Статья предназначена для размещения только на СКР. Для размещения статьи в печатных изданиях и на других сайтах требуется согласие автора.