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!- 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.
- 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.
- Модель или хотя бы тип и размер шпинделя. Он достаточно определенно вытекает из предыдущих 2 пунктов. Под разные шпиндели – разные станки!
- 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.
- 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.
- 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?
3. ДРАЙВЕРЫ
4. НАПРАВЛЯЮЩИЕ
5. ПЕРЕДАЧИ 6. ПОРТАЛ
7. ШПИНДЕЛИ
И так, в рамках этой статьи-инструкции я хочу, что бы вы вместе с автором проекта, 21 летним механиком и дизайнером, изготовили свой собственный . Повествование будет вестись от первого лица, но знайте, что к большому своему сожалению, я делюсь не своим опытом, а лишь вольно пересказываю автора сего проекта.
В этой статье будет достаточно много чертежей , примечания к ним сделаны на английском языке, но я уверен, что настоящий технарь все поймет без лишних слов. Для удобства восприятия, я разобью повествование на «шаги».
Предисловие от автора
Уже в 12 лет я мечтал построить машину, которая будет способна создавать различные вещи. Машину, которая даст мне возможность изготовить любой предмет домашнего обихода. Спустя два года я наткнулся на словосочетание ЧПУ или если говорить точнее, то на фразу "Фрезерный станок с ЧПУ" . После того как я узнал, что есть люди способные сделать такой станок самостоятельно для своих нужд, в своем собственном гараже, я понял, что тоже смогу это сделать. Я должен это сделать ! В течение трех месяцев я пытался собрать подходящие детали, но не сдвинулся с места. Поэтому моя одержимость постепенно угасла.
В августе 2013 идея построить фрезерный станок с ЧПУ вновь захватила меня. Я только что окончил бакалавриат университета промышленного дизайна, так что я был вполне уверен в своих возможностях. Теперь я четко понимал разницу между мной сегодняшним и мной пятилетней давности. Я научился работать с металлом, освоил техники работы на ручных металлообрабатывающих станках, но самое главное я научился применять инструменты для разработки. Я надеюсь, что эта инструкция вдохновит вас на создание своего станка с ЧПУ!
Шаг 1: Дизайн и CAD модель
Все начинается с продуманного дизайна. Я сделал несколько эскизов, чтобы лучше прочувствовать размеры и форму будущего станка. После этого я создал CAD модель используя SolidWorks. После того, как я смоделировал все детали и узлы станка, я подготовил технические чертежи. Эти чертежи я использовал для изготовления деталей на ручных металлообрабатывающих станках: и .
Признаюсь честно, я люблю хорошие удобные инструменты. Именно поэтому я постарался сделать так, чтобы операции по техническому обслуживанию и регулировке станка осуществлялись как можно проще. Подшипники я поместил в специальные блоки для того, чтобы иметь возможность быстрой замены. Направляющие доступны для обслуживания, поэтому моя машина всегда будет чистой по окончанию работ.
Файлы для скачивания «Шаг 1»
Габаритные размеры
Шаг 2: Станина
Станина обеспечивает станку необходимую жесткость. На нее будет установлен подвижной портал, шаговые двигатели, ось Z и шпиндель, а позднее и рабочая поверхность. Для создания несущей рамы я использовал два алюминиевых профиля Maytec сечением 40х80 мм и две торцевые пластины из алюминия толщиной 10 мм. Все элементы я соединил между собой на алюминиевые уголки. Для усиления конструкции внутри основной рамы я сделал дополнительную квадратную рамку из профилей меньшего сечения.
Для того, чтобы в дальнейшем избежать попадания пыли на направляющие, я установил защитные уголки из алюминия. Уголок смонтирован с использованием Т-образных гаек, которые установлены в один из пазов профиля.
На обоих торцевых пластинах установлены блоки подшипников для установки приводного винта.
Несущая рама в сборе
Уголки для защиты направляющих
Файлы для скачивания «Шаг 2»
Чертежи основных элементов станины
Шаг 3: Портал
Подвижной портал - исполнительный орган вашего станка, он перемещается по оси X и несет на себе фрезерный шпиндель и суппорт оси Z. Чем выше портал, тем толще заготовка, которую вы можете обработать. Однако, высокий портал менее устойчив к нагрузкам которые возникают в процессе обработки. Высокие боковые стойки портала выполняют роль рычагов относительно линейных подшипников качения.
Основная задача, которую я планировал решать на своем фрезерном станке с ЧПУ - это обработка алюминиевых деталей. Поскольку максимальная толщина подходящих мне алюминиевых заготовок 60 мм, я решил сделать просвет портала (расстояние от рабочей поверхности до верхней поперечной балки) равным 125 мм. В SolidWorks все свои измерения я преобразовал в модель и технические чертежи. В связи со сложностью деталей, я обработал их на промышленном обрабатывающем центре с ЧПУ, это дополнительно мне позволило обработать фаски, что было бы весьма затруднительно сделать на ручном фрезерном станке по металлу.
Файлы для скачивания «Шаг 3»
Шаг 4: Суппорт оси Z
В конструкции оси Z я использовал переднюю панель, которая крепится к подшипникам перемещения по оси Y, две пластины для усиления узла, пластину для крепления шагового двигателя и панель для установки фрезерного шпинделя. На передней панели я установил две профильные направляющие по которым будет происходить перемещение шпинделя по оси Z. Обратите внимание на то, что винт оси Z не имеет контропоры внизу.
Файлы для скачивания «Шаг 4»
Шаг 5: Направляющие
Направляющие обеспечивают возможность перемещения во всех направлениях, обеспечивают плавность и точность движений. Любой люфт в одном из направлений может стать причиной неточности в обработке ваших изделий. Я выбрал самый дорогой вариант - профилированные закаленные стальные рельсы. Это позволит конструкции выдерживать высокие нагрузки и обеспечит необходимую мне точность позиционирования. Чтобы обеспечить параллельность направляющих, я использовал специальный индикатор во время их установки. Максимальное отклонение относительно друг друга составило не более 0,01 мм.
Шаг 6: Винты и шкивы
Винты преобразуют вращательное движение от шаговых двигателей в линейное. При проектировании своего станка вы можете выбрать несколько вариантов этого узла: Пара винт-гайка или шарико-винтовая пара (ШВП). Винт-гайка, как правило, больше подвергается силам трения при работе, а также менее точна относительно ШВП. Если вам необходима повышенная точность, то однозначно необходимо остановить свой выбор на ШВП. Но вы должны знать, что ШВП достаточно дорогое удовольствие.
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:
- Определение подходящей конструкции конкретно для вас (например, если будете делать станок по дереву своими руками).
- Требуемая площадь обработки.
- Доступность рабочего пространства.
- Материалы.
- Допуски.
- Методы конструирования.
- Доступные инструменты.
- Бюджет.
ШАГ 2: Основание и ось X-оси
Тут рассматриваются следующие вопросы:
- Проектирование и построение основной базы или основания оси X.
- Жестко закрепленные детали.
- Частично закрепленные детали и др.
ШАГ 3: Проектирование козловой оси Y
- Проектирование и строительство портальной оси Y.
- Разбивка различных конструкций на элементы.
- Силы и моменты на портале и др.
ШАГ 4: Схема сборки оси Z
Здесь рассматриваются следующие вопросы:
- Проектирование и сборка сборки оси Z.
- Силы и моменты на оси Z.
- Линейные рельсы / направляющие и расстояние между подшипниками.
- Выбор кабель-канала.
ШАГ 5: Линейная система движения
В этом пункте рассматриваются следующие вопросы:
- Подробное изучение систем линейного движения.
- Выбор правильной системы конкретно для вашего станка.
- Проектирование и строительство собственных направляющих при малом бюджете.
- Линейный вал и втулки или рельсы и блоки?
ШАГ 6: Компоненты механического привода
В этом пункте рассматриваются следующие аспекты:
- Детальный обзор частей привода.
- Выбор подходящих компонентов для вашего типа станка.
- Шаговые или серводвигатели.
- Винты и шарико-винтовые пары.
- Приводные гайки.
- Радиальные и упорные подшипники.
- Муфта и крепление двигателя.
- Прямой привод или редуктор.
- Стойки и шестерни.
- Калибровка винтов относительно двигателей.
ШАГ 7: Выбор двигателей
В этом шаге необходимо рассмотреть:
- Подробный обзор двигателей с ЧПУ.
- Типы двигателей с ЧПУ.
- Как работают шаговые двигатели.
- Типы шаговых двигателей.
- Как работают сервомоторы.
- Типы серводвигателей.
- Стандарты NEMA.
- Выбор правильного типа двигателя для вашего проекта.
- Измерение параметров мотора.
ШАГ 8: Конструкция режущего стола
- Проектирование и строительство собственных столов при малом бюджете.
- Перфорированный режущий слой.
- Вакуумный стол.
- Обзор конструкций режущего стола.
- Стол можно вырезать при помощи фрезерного станка с ЧПУ по дереву.
ШАГ 9: Параметры шпинделя
В этом шаге рассматриваются следующие вопросы:
- Обзор шпинделей с ЧПУ.
- Типы и функции.
- Ценообразование и затраты.
- Варианты монтажа и охлаждения.
- Системы охлаждения.
- Создание собственного шпинделя.
- Расчет нагрузки стружки и силы резания.
- Нахождение оптимальной скорости подачи.
ШАГ 10: Электроника
В этом пункте рассматриваются следующие вопросы:
- Панель управления.
- Электропроводка и предохранители.
- Кнопки и переключатели.
- Круги MPG и Jog.
- Источники питания.
ШАГ 11: Параметры контроллера Программного Управления
В этом шаге рассматриваются следующие вопросы:
- Обзор контроллера ЧПУ.
- Выбор контроллера.
- Доступные опции.
- Системы с замкнутым контуром и разомкнутым контуром.
- Контроллеры по доступной цене.
- Создание собственного контроллера с нуля.
ШАГ 12. Выбор программного обеспечения
В этом пункте рассматриваются следующие вопросы:
- Обзор программного обеспечения, связанного с ЧПУ.
- Подбор программного обеспечения.
- Программное обеспечение CAM.
- Программное обеспечение САПР.
- 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).
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.
