Энциклопедия Технологий и Методик

оооооооооооооооооооооооо

Энциклопедия Технологий и Методик
 
Станки с ЧПУ
 

Станок с ЧПУ

Станок с ЧПУ (Числовым Программным Управлением) – станок, работа которого подчиняется заранее заданной программе. Благодаря этому для обработки детали не нужен человек. Нарисовал на компьютере детальку, установил в станок заготовку, нажал пуск и пошел пить чай. По возвращении достаешь готовую детальку из станка. Фантастика? Совсем нет, такой станочек можно сделать самостоятельно!

Конечно же текст приведенный ниже не будет содержать пошаговых инструкций – что как пилить и куда вставлять. Поняв концепцию и ориентируясь на те детали, что есть в наличии, вы сможете собрать свой, уникальный вариант станка. Если есть возможность – можно купить готовый комплект для сборки, или заказать определенные узлы. Результат прямо зависит от аккуратности изготовления, количества промышленно изготовленных деталей и усидчивости.

Станок у нас будет с 3мя степенями свободы – поступательные движения по осям X, Y и Z. Рабочее поле прямо пропорционально длине направляющих, которые мы используем. Точность во многом будет зависеть от качества сборки.

Станок будет называться "Гефест".

Инструменты и материалы

При создании данного станка из инструмента использовались:

  • Шуруповерт
  • Лобзик
  • Электроточило
  • Резьбонарезной инструмент/напильники/надфили и прочая мелочь.

Материалы:

  • Фанера
  • алюминиевый уголок
  • много всяких винтиков и гаечек
  • Эпоксидный клей и эпоксилин
  • Метровая шпилька М10

Детали:

  • Два шаговых моторчика протяжки бумаги от лазерных принтеров.
  • Шаговый двигатель привода головки из матричного принтера.
  • Направляющие с бронзовыми подшипниками скольжения из матричных принтеров.

Материалы закупаются в любом строительном магазине, детали вытаскиваются из старой техники.

Механика

Есть отличная статья где всё по полочкам расписано как надо бы делать станки - Механика самодельного станка ЧПУ

Конструктивно была выбрана конструкция с жестким порталом, перемещающимся по оси X столом. Строгих требований к станку не предъявлялось – было просто интересно попробовать и не было желания тратить на эксперимент больших сумм денег. В итоге практически полностью станок был собран из того, что было в моих закромах.

Направляющие были использованы из матричных принтеров, вместе с родными подшипниками скольжения. В качестве ходовых винтов – стальные строительные шпильки М10. Гайки на ходовых винтах – самые обыкновенные – шестигранные.

Если есть возможность – можно купить готовый координатный стол, например proxxon сразу исчезнет проблема с обеспечением точности.

По оси Z используется мебельная направляющая с шариками. В интернете видел станок полностью выполненный на таких мебельных направляющих.

Качество работы станка прямо зависит от точности изготовления. Шпильки, обточенные вручную на электроточиле дадут более худший результат, чем шпильки обточенные на токарном станке. В данном случае шпильки были обточены вручную, как выяснилось в итоге с небольшим нарушением соосности, что в конечном итоге привело к биениям.

Шпильки по оси X и Y упираются своими концами в шарикоподшипники, которые закреплены при помощи эпоксилина. Вторым своим концом шпильки через муфты соединены с двигателями. Муфты выполнены из отрезка стальной трубочки с отверстиями под зажимающие винты. В качестве муфты можно использовать несколько слоев термоусадочной трубочки, дополнительно скрепленных нейлоновыми стяжками. При отсутствии сильного нагрева они могут дать приемлемый результат.

В связи с невозможностью изготовить все детали станка точно (а делалось всё вручную фактически на коленке) многие соединения выполнены на винтах, с последующей регулировкой. На фото станина станка и предварительно установленные направляющие с ходовыми винтами:

Стол с прикрепленным к нему приводом оси X:

После установки направляющих было необходимо выставить опоры с подшипниками скольжения так, что бы они не были перекошены и стол двигался по направляющим легко. После достаточно длинных танцев с надфилем этого удалось добиться и винты были затянуты.

Привод оси Y был сделан аналогичным образом:

Привод оси Z не имеет шарикоподшипника на конце винта.

В собранном состоянии детали станка должны перемещаться при вращении винта пальцами без значительных усилий. В противном случае мощности двигателя может просто не хватить на преодоление сил трения и деформации вследствие неточности станка.

В качестве шпинделя использована бормашинка proxxon. Можно закрепить любой достаточно мощный двигатель.

В качестве фрез можно использовать стоматологические буры, насадки для дремелей.

Двигатели

В качестве двигателей вполне подойдут шаговые двигатели от принтеров. Чем двигатель крупнее – тем лучше – бОльшую мощность от него можно получить. По оси X и Y установлены двигатели из привода бумаги лазерных принтеров, имеют 48 шагов на один оборот вала. По оси Z используется двигатель от привода головки матричного принтера с 200 шагов на один оборот вала. К сожалению, полную документацию на двигатели найти не удалось.

В станках используется два типа привода – шаговый и сервопривод.

В шаговом приводе точность перемещения полностью зависит от двигателя и исходит из допущения, что двигатель шаги не пропускает. То есть если мне нужно переместить например ось X строго на 3 мм, то при шаге резьбы 1,5 мм и 48 шагах двигателя на оборот вала мне нужно скоммутировать обмотки двигателя так, что бы он сделал ровно 96 шагов. В любой момент времени какая либо обмотка находится под напряжением поэтому если вал двигателя не вращается, то он находится в режиме удержания – пальцами поворачивается с трудом.

Преимущества такого подхода таковы:

Во первых простота как драйвера так и привода. Винт подсоединяется напрямую к валу двигателя, никаких редукторов. В планшетных сканерах каретка соединена ремнем с шаговым двигателем, что позволяет как с высокой скоростью подогнать каретку к месту сканирования, так и с заданной скоростью тащить ее вдоль сканируемого участка.

Во вторых точность перемещений обеспечивается двигателем. Если не превышать допустимую нагрузку на двигатель, то узнать текущее местоположение можно исходя из количества шагов, которые сделал двигатель.

Но есть недостатки:

Самая главная проблема – отсутствие обратной связи. Если у нас например при движении подклинит стол, то двигатель пропустит шаги – не сможет удержать магнитным полем вал в заданном положении, то возможности зафиксировать и скорректировать это нет. Поэтому в случае пропуска шагов у нас пойдет неконтролируемая погрешность, программа будет считать, что фреза в координате X=50 а на самом деле она в координате X=40, ну и соответственно пилить не там где надо.

Вторая проблема – ограничения по скорости. У шаговых двигателей есть предельная частота, с которой они могут работать, обусловленная индуктивностью обмоток, моментом инерции ротора, резонансной частотой и т.д. К примеру если у нас предельная частота 1000 Гц, то двигатель с 200 ш/об сможет вращаться со скоростью 5 об/сек, что с винтом, шаг резьбы которого 1,5 мм даст максимальную скорость перемещения 7,5 мм/сек. Поэтому заоблачных скоростей от станка ждать не стоит.

Третья проблема – малый КПД. Т.к. на малых скоростях противоЭДС мала то фактически ток нагружается на омическое сопротивление обмоток, в итоге мы получаем электропечь, с функцией двигателя. Более подробно про шаговые двигатели, про шаговый, микрошаговый режимы и прочие прелести можно прочитать тут: http://market.elec.ru/nomer/16/stepper-motor/

Сервопривод – вариант более дорогой, более сложный но сулящий определенные преимущества.

В сервоприводе существует обратная связь. Например вдоль стола мы закрепим прозрачную пленку со штрихами, и установим оптопару. Тогда двигатель, например обычный коллекторный двигатель постоянного тока, через редуктор будет вращать ходовой винт. А система обратной связи будет следить, и подавать напряжение на двигатель до тех пор, пока мимо оптопары не пройдет заданное количество штрихов. То есть существует обратная связь и точность обеспечивается показаниями датчиков.

Преимущества такого подхода в большей скорости работы, выявлении ошибок позиционирования, более высоком КПД.

Преимущества сервосистем для нас не перевешивают их недостаток – цену, поэтому станок будет построен на базе шаговых двигателей.

Электроника

Механика станка собрана, двигатели установлены. Теперь нам нужно сделать две вещи – это контроллер, который будет принимать сигналы от компьютера, и включать соотвествующие обмотки двигателей, и блок питания, который будет прокармливать всё это хозяйство.

Контроллер собран на базе микросхем L297 и L298 по следующей схеме:

Фото платы в сборе:

Это так называемый step/dir контроллер. Название говорит о том, что на вход подается для каждой из осей 2 сигнала: шаг (step) и направление (direction). Направление указывает – по часовой стрелке вращается двигатель или против. Каждый импульс step будет поворачивать вал двигателя ровно на один шаг.

Таким образом программа в компьютере должна только знать – сколько надо сделать шагов на 1 мм (например 150). Например надо переместиться на 100 мм – программа просто пошлет в драйвер 1500 импульсов step, а правильно включать обмотки это уже забота драйвера. Нужно вернуться обратно – сигнал dir поменяет значение и будет отправлено снова 1500 импульсов step – и мы вернулись обратно. Каскад диодов на выходе силовой части – это защита. Как мы помним из школьного курса физики ЭДС самоиндукции это –L (dI/dt), поэтому если резко отключить запитанную обмотку двигателя, на ее выводах может появиться высокое напряжение, которое в свою очередь может сжечь выходные транзисторы драйвера. Что бы это не допустить стоит защита из диодов. Их включение таково, что если напряжение выйдет за пределы 0..Vпит то откроется диод и спустит ток или на шину питания или на шину земли. Также микросхемы имеют в себе функцию ШИМ стабилизации тока. Для этого последовательно с обмотками двигателей устанавливаются измерительные сопротивления, величиной в 0,5 Ом. Ток через обмотки вызывает падение напряжения на резисторах, которое и измеряется компаратором в микросхеме. Если оно превышает заданное, то срабатывает ключ и отключает ток, пока напряжение не упадет. А смысл таков (формулы опущены):

Индукция соленоида зависит только от тока и количества витков. Скорость нарастания тока зависит от индуктивности. Если на малых скоростях индуктивностью можно пренебречь – включили обмотку, через нее сразу потек ток, создал магнитное поле и на валу появился момент, то при повышении скорости работы двигателя мы столкнемся с ситуацией, что ток не будет успевать нарастать. Включили обмотку, в ней протекает еще только половина необходимого тока, момент не достиг своего максимального значения – а уже нужно переключаться. Повысить скорость нарастания тока можно повысив напряжение. Но тогда и возрастет ток на обмотках, что приведет к перегреву. И вот тут то и приходит идея ШИМ стабилизации тока – мы включаем высокое напряжение, благодаря чему ток в обмотках у нас возрастает быстро, а как только он достигнет своего номинального значения – мы отключим обмотку. В индуктивностях ток не может изменяться резко, поэтому он начнет медленно спадать. Как только он упадет ниже порогового значения – мы снова включим ток. И так далее. Эта хитрость позволяет нам добиться высокого момента на высоких скоростях.

В моем драйвере такая функция пока не реализована, двигатели работают от 12В без регулировки тока. Обратите внимание, что шины питания у микросхем раздельны – 5В для питания электроники и до 48В для питания двигателей.

Подробно осциллограммы работы ШИМ стабилизации тока можно посмотреть тут. http://vri-cnc.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=22

Блок питания – простой трансформаторный, со сглаживающим конденсатором. Можно использовать компьютерный блок питания.

Контроллер вместе с блоком питания:

Контроллер подключается к компьютеру через LPT порт.

Программное обеспечение

Без программы станок всего лишь груда железа. Станки с ЧПУ обычно управляются G кодом, который стандартизирован. Прежде всего нам необходима программа, которая бы принимала на входе некоторую последовательность G команд и выдавала необходимые импульсы в LPT порт, к которому у нас подключен драйвер.

Примеры таких программ:
TurboCNC (работает под ДОС)
Mach3
KCAM
LinuxCNC

Я использовал программу Mach3, скриншот работы которой ниже:

В комплекте с Mach3 есть программа LazyCAM в которую был загружен dxf файл с картинкой, которая была превращена в набор управляющих G-кодов. Эти коды были отправлены в mach3 и запущена обработка.

Испытания

Испытания фломастером:

Вот процесс гравировки станком логотипа кафедры:

Отгравированное лого:

Как видим, станок работает. На выполнение гравировки ушло порядка 15 минут. Из-за неточности обработки хвостов шпилек и неточности изготовления деталей есть биения, например, видно волнистость линии на вершине елочки, шаг волнистости 1,5 мм как раз соответствует шагу резьбы.

Фактическая точность станка выходит порядка 0,5 мм. Максимальная скорость перемещения – 200 мм/мин. Рабочее поле 230*230 мм.

Применение

Гравировки.
Автоматическое сверление печатных плат
Раскрой деталей из пластиков
Координатное выжигание (пример: Автоматизируем процесс выжигания)
Резьба по дереву
и множество других применений.

To Do

Что следовало бы исправить
1) реализовать ШИМ стабилизацию тока в двигателе
2) реализовать опторазвязку у драйвера.

Ссылки

Контроллеры шаговых и серводвигателей станков с ЧПУ, плата опторазвязки:
http://imafania.narod.ru/contr.htm

Буржуйские наборы для самостоятельной сборки станка (двигатели и драйверы в комплекте)
http://www.hobbycnc.com/products/hobbycnc-pro-chopper-driver-board-kits/

Автор: Spiritus
Источник: http://licrym.org/

Размещение статьи в Интернете и печатных изданиях допускается только с согласия автора.

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.

 

оооооооооооооооооооооооо