ЧПУ верстат своїми руками: з яких вузлів зібрати фрезер по дереву й пластику та в якому порядку

Верстат ЧПУ своїми руками збирають із вузлів, які є в каталогах: направляючих, передачі, двигунів із драйверами, контролера, шпинделя з частотним перетворювачем і датчиків. Деталі підібрати простіше, ніж вирішити, в якому порядку їх обирати: поле верстата визначає довжину порталу, портал визначає жорсткість, жорсткість визначає направляючі й привід, а привід визначає двигуни, драйвери та блок живлення. Нижче порядок рішень для фрезера по дереву й пластику, схема верстата, таблиця вузлів, розрахунок осі на прикладі ШВП 1605, порядок складання та типові помилки. Повний перелік деталей за розділами зібрано в категорії комплектуючі для верстата ЧПУ, тут розібрано, як обирати їх одну за одною.

Що вирішити до купівлі комплектуючих

Матеріал і заготовка

Фрезер по дереву й пластику ріже фанеру, МДФ, дерево, акрил та інші пластики. Сталь для легкого портального верстата не матеріал: її ріжуть на жорсткому верстаті для металу. Від матеріалу залежать потужність шпинделя й жорсткість верстата, тому першим записують, що верстат різатиме і з якої заготовки. Заготовка задає розміри поля: березову фанеру за ГОСТ 3916.1-2018 випускають листами 1525x1525 мм і 2440x1220 мм.

Робоче поле

Поле рахують під заготовку. На полі 1500x1500 мм квадратний лист 1525x1525 мм не вміщується на 25 мм, і його доведеться підрізати. Лист 2440x1220 мм цілком розкроюють за поля не менше 1220x2440 мм, наприклад 1500x2500 мм. Габарит верстата більший за поле на ширину станини, опор порталу та приводів, тому місце в майстерні й дверні прорізи вимірюють до замовлення деталей. Хід осі Z складають із товщини заготовки, довжини фрези та висоти притискачів.

Жорсткість порталу

Що ширше поле, то довша балка порталу. Прогин балки на двох опорах за навантаження посередині дорівнює F x L³ / (48 x E x I), де F навантаження, L проліт, E модуль пружності матеріалу, I момент інерції перерізу. Для прямокутного перерізу завширшки b і заввишки h момент інерції дорівнює b x h³ / 12. Звідси три правила для одного навантаження й одного матеріалу: проліт удвічі більший дає прогин у 8 разів більший, висота перерізу вдвічі більша дає прогин у 8 разів менший, ширина перерізу вдвічі більша дає прогин лише у 2 рази менший. Тому під час збільшення поля вдвічі балку роблять вищою, а не ширшою: висота вдвічі більша повертає прогин до попереднього значення.

Прогин балки це лише частина податливості верстата: стики, направляючі, кріплення й виліт шпинделя по осі Z додають своє, а рейка повторює форму основи, на якій стоїть. Формула порівнює варіанти між собою й не гарантує жорсткість готового верстата.

З чого збирається верстат

Команда йде ланцюжком: комп’ютер або пульт передає програму контролеру, контролер видає сигнали кроку й напрямку драйверам, драйвер подає струм в обмотки двигуна, двигун через передачу рухає каретку по направляючих. Шпиндель отримує живлення від частотного перетворювача, а кінцеві датчики повертають контролеру сигнал нуля та обмеження ходу. Блок живлення дає постійну напругу драйверам, контролеру й датчикам.

Вузли верстата: що обрати й що є в каталозі

Направляючі та передача

Круглий вал на опорі SBR з відкритими підшипниками простий у встановленні й підходить для легких верстатів. Профільні рейкові направляючі з каретками на кульках жорсткіші й тримають навантаження з усіх боків, але потребують рівної монтажної поверхні. Каретки беруть того самого типорозміру, що й рейка, а довжину рахують за ходом осі. Довгі швидкі осі роблять на рейці або пасі, бо швидкість гвинта обмежена обертами двигуна й частотою імпульсів, а вісь Z і точні короткі осі ставлять на ШВП. У ШВП немає самогальмування, тому важку вертикальну вісь утримує момент двигуна або гальмо.

Двигуни, драйвери та блок живлення

Двигун обирають за фланцем і моментом на робочих обертах: момент крокового двигуна падає зі зростанням обертів. Драйвер добирають за струмом фази двигуна. У драйвера DM556 піковий струм налаштовується від 1,4 до 5,6 А, живлення від 20 до 50 В, мікрокрок від 400 до 25600 кроків на оберт. Струм фази з таблички двигуна множать на 1,4 і беруть найближче значення пікового струму: для двигуна зі струмом фази 3 А це 4,2 А, найближчі положення 3,8 і 4,3 А. Напругу блока живлення обирають нижчою за 50 В, щоб лишився запас на зворотну ЕРС двигуна під час гальмування, а потужність рахують за сумарним споживанням усіх драйверів за їхньою документацією.

Контролер

Контролер обирають разом із питанням, чи потрібен комп’ютер біля верстата під час обробки. Комплект NC Studio Classic розрахований на три осі й настільний комп’ютер із вільним слотом PCI, а автономний DSP читає файл з USB-флешки й працює без комп’ютера.

Шпиндель і частотний перетворювач

Серед шпинделів для фрезерного верстата обирають за потужністю, охолодженням і цангою. Потужність визначає, який обсяг матеріалу верстат знімає за хвилину. Шпиндель із водяним охолодженням тихіший, але йому потрібні помпа, шланги й ємність, і вмикати його без протоку води не можна. Приклад: шпиндель GDZ 1,5 кВт із водяним охолодженням на 220 В і 5 А, 24000 об/хв, цанга ER16 затискає хвостовик від 1 до 10 мм, маса 4,84 кг. Він працює лише через частотний перетворювач потужністю не менше 1,5 кВт: пряме під’єднання до мережі виводить шпиндель з ладу. Маса шпинделя лягає на вісь Z, тому її двигун і передачу рахують із урахуванням цієї маси.

Датчики та кабелі

Кінцеві датчики дають контролеру нуль і обмеження ходу. Як під’єднати індуктивний датчик, розібрано в статті індуктивний датчик NPN чи PNP для кінцевика. Кабель для двигунів і шпинделя беруть екранованим і прокладають окремо від сигнальних проводів, а переріз, екран і схему U, V, W розбирає стаття які проводи потрібні для шпинделя. Станину, шпиндель і частотний перетворювач заземлюють.

Приклад розрахунку осі на ШВП 1605

ШВП 1605 це гвинт діаметром 16 мм із кроком 5 мм: гайка зсувається на 5 мм за один оберт. Двигун із кроком 1,8° робить 200 кроків на оберт, драйвер у режимі 1/8 кроку дає 200 x 8 = 1600 імпульсів на оберт. На один міліметр припадає 1600 / 5 = 320 імпульсів, а на один імпульс гайка проходить 5 / 1600 = 0,003125 мм.

Для подачі 3000 мм/хв, тобто 50 мм/с, гвинт робить 50 / 5 = 10 обертів за секунду, тобто 600 об/хв, а контролер видає 50 x 320 = 16000 імпульсів за секунду. Це нижче за межу 25 кГц ядра Mach3 і 30 кГц у GRBL. За мікрокроку 1/16 на тому самому гвинті імпульсів удвічі більше: 640 на міліметр і 32000 за секунду, що вище за обидві межі. Тому режим мікрокроку обирають разом із контролером і швидкістю осі.

Порядок складання

1. Рама й портал. Верстат ставлять на рівну жорстку основу й виставляють за рівнем: перекіс станини передається на геометрію порталу.
2. Направляючі. Їх кріплять на рівну монтажну поверхню, інакше каретки йдуть туго й швидше зношуються.
3. Механіка без електроніки. Передачі й двигуни ставлять і провертають рукою: вісь має проходити весь хід без заїдань.
4. Електрика й електрошафа. Драйвери ставлять ребрами вертикально на металеву панель і лишають місце для потоку повітря, сигнальні проводи ведуть екранованою витою парою окремо від проводів двигуна й живлення.
5. Пуск без фрези. На малій швидкості перевіряють, що кожна вісь їде в потрібний бік, кінцевики спрацьовують, а аварійна кнопка зупиняє верстат.
6. Імпульси на міліметр і перший різ. Задають переміщення 100 мм, вимірюють фактичне й перераховують число імпульсів, потім першу програму ганяють над заготовкою з піднятим інструментом і лише потім ріжуть обрізок.

Типові помилки складання

• Робоче поле підібрано впритул: заготовка з притискачами не вміщується.
• Балку порталу під час збільшення поля залишили того самого перерізу: за удвічі більшого прольоту прогин зріс у 8 разів.
• Шпиндель важчий, ніж здатна тримати й розганяти вісь Z.
• Блок живлення взято за напругою драйвера, а потужність не пораховано за сумарним споживанням усіх драйверів.
• Рейку встановлено на нерівну основу, і вона повторила її форму.
• Довгу швидку вісь поставили на гвинт і не змогли підняти швидкість через частоту імпульсів і падіння моменту двигуна.
• Кабель шпинделя прокладено поруч із сигнальними проводами датчиків.

Часті запитання

Скільки коштує зібрати верстат ЧПУ своїми руками?

Підсумок називати без переліку вузлів не можна: він складається з обраних поля, направляючих, передачі, двигунів, шпинделя та електроніки. Спершу складають таблицю вузлів за цією статтею, потім додають вартість деталей за їхніми картками.

Який шпиндель обрати для фрезера по дереву?

За потужністю, охолодженням і цангою. Цанга ER11 затискає хвостовик до 7 мм, ER16 до 10 мм, ER20 до 13 мм. Шпиндель із повітряним охолодженням обдуває крильчатка на валу, і окрема система йому не потрібна, а водяному потрібні помпа й бак.

Де взяти креслення рами?

Креслень рами тут немає: розміри залежать від обраних направляючих, поля й потужності шпинделя. Варіанти рами порівнює розрахунок жорсткості з цієї статті, а чужі креслення звіряють зі своїми деталями за посадковими розмірами.