ЧПУ станок своими руками: из каких узлов собрать фрезер по дереву и пластику и в каком порядке

Станок ЧПУ своими руками собирают из узлов, которые есть в каталогах: направляющих, передачи, двигателей с драйверами, контроллера, шпинделя с частотным преобразователем и датчиков. Детали подобрать проще, чем решить, в каком порядке их выбирать: поле станка определяет длину портала, портал определяет жёсткость, жёсткость определяет направляющие и привод, а привод определяет двигатели, драйверы и блок питания. Ниже порядок решений для фрезера по дереву и пластику, схема станка, таблица узлов, расчёт оси на примере ШВП 1605, порядок сборки и типичные ошибки. Полный перечень деталей по разделам собран в категории комплектующие для станка ЧПУ, здесь разобрано, как выбирать их одну за другой.

Что решить до покупки комплектующих

Материал и заготовка

Фрезер по дереву и пластику режет фанеру, МДФ, дерево, акрил и другие пластики. Сталь для лёгкого портального станка не материал: её режут на жёстком станке для металла. От материала зависят мощность шпинделя и жёсткость станка, поэтому первым записывают, что станок будет резать и из какой заготовки. Заготовка задаёт размеры поля: берёзовую фанеру по ГОСТ 3916.1-2018 выпускают листами 1525x1525 мм и 2440x1220 мм.

Рабочее поле

Поле считают под заготовку. На поле 1500x1500 мм квадратный лист 1525x1525 мм не помещается на 25 мм, и его придётся подрезать. Лист 2440x1220 мм целиком раскраивают при поле не меньше 1220x2440 мм, например 1500x2500 мм. Габарит станка больше поля на ширину станины, опор портала и приводов, поэтому место в мастерской и дверные проёмы измеряют до заказа деталей. Ход оси Z складывают из толщины заготовки, длины фрезы и высоты прижимов.

Жёсткость портала

Чем шире поле, тем длиннее балка портала. Прогиб балки на двух опорах при нагрузке посередине равен F x L³ / (48 x E x I), где F нагрузка, L пролёт, E модуль упругости материала, I момент инерции сечения. Для прямоугольного сечения шириной b и высотой h момент инерции равен b x h³ / 12. Отсюда три правила для одной нагрузки и одного материала: пролёт вдвое больше даёт прогиб в 8 раз больше, высота сечения вдвое больше даёт прогиб в 8 раз меньше, ширина сечения вдвое больше даёт прогиб только в 2 раза меньше. Поэтому при увеличении поля вдвое балку делают выше, а не шире: высота вдвое больше возвращает прогиб к прежнему значению.

Прогиб балки это только часть податливости станка: стыки, направляющие, крепления и вылет шпинделя по оси Z добавляют своё, а рельс повторяет форму основания, на котором стоит. Формула сравнивает варианты между собой и не гарантирует жёсткость готового станка.

Из чего собирается станок

Команда идёт по цепочке: компьютер или пульт передаёт программу контроллеру, контроллер выдаёт сигналы шага и направления драйверам, драйвер подаёт ток в обмотки двигателя, двигатель через передачу двигает каретку по направляющим. Шпиндель получает питание от частотного преобразователя, а концевые датчики возвращают контроллеру сигнал нуля и ограничения хода. Блок питания даёт постоянное напряжение драйверам, контроллеру и датчикам.

Узлы станка: что выбрать и что есть в каталоге

Направляющие и передача

Круглый вал на опоре SBR с открытыми подшипниками прост в установке и подходит для лёгких станков. Профильные рельсовые направляющие с каретками на шариках жёстче и держат нагрузку со всех сторон, но требуют ровной монтажной поверхности. Каретки берут того же типоразмера, что и рельс, а длину считают по ходу оси. Длинные быстрые оси делают на рейке или ремне, потому что скорость винта ограничена оборотами двигателя и частотой импульсов, а ось Z и точные короткие оси ставят на ШВП. У ШВП нет самоторможения, поэтому тяжёлую вертикальную ось удерживает момент двигателя или тормоз.

Двигатели, драйверы и блок питания

Двигатель выбирают по фланцу и моменту на рабочих оборотах: момент шагового двигателя падает с ростом оборотов. Драйвер подбирают по току фазы двигателя. У драйвера DM556 пиковый ток настраивается от 1,4 до 5,6 А, питание от 20 до 50 В, микрошаг от 400 до 25600 шагов на оборот. Ток фазы с шильдика двигателя умножают на 1,4 и берут ближайшее значение пикового тока: для двигателя с током фазы 3 А это 4,2 А, ближайшие положения 3,8 и 4,3 А. Напряжение блока питания выбирают ниже 50 В, чтобы остался запас на противо-ЭДС двигателя при торможении, а мощность считают по суммарному потреблению всех драйверов по их документации.

Контроллер

Контроллер выбирают вместе с вопросом, нужен ли компьютер у станка во время обработки. Комплект NC Studio Classic рассчитан на три оси и настольный компьютер со свободным слотом PCI, а автономный DSP читает файл с USB-флешки и работает без компьютера.

Шпиндель и частотный преобразователь

Среди шпинделей для фрезерного станка выбирают по мощности, охлаждению и цанге. Мощность определяет, какой объём материала станок снимает за минуту. Шпиндель с водяным охлаждением тише, но ему нужны помпа, шланги и ёмкость, и включать его без протока воды нельзя. Пример: шпиндель GDZ 1,5 кВт с водяным охлаждением на 220 В и 5 А, 24000 об/мин, цанга ER16 зажимает хвостовик от 1 до 10 мм, масса 4,84 кг. Он работает только через частотный преобразователь мощностью не меньше 1,5 кВт: прямое подключение к сети выводит шпиндель из строя. Масса шпинделя ложится на ось Z, поэтому её двигатель и передачу считают с учётом этой массы.

Датчики и кабели

Концевые датчики дают контроллеру нуль и ограничение хода. Как подключить индуктивный датчик, разобрано в статье индуктивный датчик NPN или PNP для концевика. Кабель для двигателей и шпинделя берут экранированным и прокладывают отдельно от сигнальных проводов, а сечение, экран и схему U, V, W разбирает статья какие провода нужны для шпинделя. Станину, шпиндель и частотный преобразователь заземляют.

Пример расчёта оси на ШВП 1605

ШВП 1605 это винт диаметром 16 мм с шагом 5 мм: гайка сдвигается на 5 мм за один оборот. Двигатель с шагом 1,8° делает 200 шагов на оборот, драйвер в режиме 1/8 шага даёт 200 x 8 = 1600 импульсов на оборот. На один миллиметр приходится 1600 / 5 = 320 импульсов, а на один импульс гайка проходит 5 / 1600 = 0,003125 мм.

Для подачи 3000 мм/мин, то есть 50 мм/с, винт делает 50 / 5 = 10 оборотов в секунду, то есть 600 об/мин, а контроллер выдаёт 50 x 320 = 16000 импульсов в секунду. Это ниже предела 25 кГц ядра Mach3 и 30 кГц у GRBL. При микрошаге 1/16 на том же винте импульсов вдвое больше: 640 на миллиметр и 32000 в секунду, что выше обоих пределов. Поэтому режим микрошага выбирают вместе с контроллером и скоростью оси.

Порядок сборки

1. Рама и портал. Станок ставят на ровное жёсткое основание и выставляют по уровню: перекос станины передаётся на геометрию портала.
2. Направляющие. Их крепят на ровную монтажную поверхность, иначе каретки идут туго и быстрее изнашиваются.
3. Механика без электроники. Передачи и двигатели ставят и проворачивают рукой: ось должна проходить весь ход без заеданий.
4. Электрика и шкаф. Драйверы ставят рёбрами вертикально на металлическую панель и оставляют место для потока воздуха, сигнальные провода ведут экранированной витой парой отдельно от проводов двигателя и питания.
5. Пуск без фрезы. На малой скорости проверяют, что каждая ось едет в нужную сторону, концевики срабатывают, а аварийная кнопка останавливает станок.
6. Импульсы на миллиметр и первый рез. Задают перемещение 100 мм, измеряют фактическое и пересчитывают число импульсов, затем первую программу гоняют над заготовкой с поднятым инструментом и только потом режут обрезок.

Типичные ошибки сборки

• Рабочее поле подобрано впритык: заготовка с прижимами не помещается.
• Балку портала при увеличении поля оставили того же сечения: при вдвое большем пролёте прогиб вырос в 8 раз.
• Шпиндель тяжелее, чем способна держать и разгонять ось Z.
• Блок питания взят по напряжению драйвера, а мощность не посчитана по суммарному потреблению всех драйверов.
• Рельс установлен на неровное основание и повторил его форму.
• Длинную быструю ось поставили на винт и не смогли поднять скорость из-за частоты импульсов и падения момента двигателя.
• Кабель шпинделя проложен рядом с сигнальными проводами датчиков.

Частые вопросы

Сколько стоит собрать станок ЧПУ своими руками?

Итог называть без перечня узлов нельзя: он складывается из выбранных поля, направляющих, передачи, двигателей, шпинделя и электроники. Сначала составляют таблицу узлов по этой статье, затем складывают стоимость деталей по их карточкам.

Какой шпиндель выбрать для фрезера по дереву?

По мощности, охлаждению и цанге. Цанга ER11 зажимает хвостовик до 7 мм, ER16 до 10 мм, ER20 до 13 мм. Шпиндель с воздушным охлаждением обдувает крыльчатка на валу, и отдельная система ему не нужна, а водяному нужны помпа и бак.

Где взять чертежи рамы?

Чертежей рамы здесь нет: размеры зависят от выбранных направляющих, поля и мощности шпинделя. Варианты рамы сравнивает расчёт жёсткости из этой статьи, а чужие чертежи сверяют со своими деталями по посадочным размерам.