Пошаговая инструкция сборки фрезерного станка по дереву своими руками, чертежи с размерами

Добро пожаловать на сайт открытого проекта по разработке станка с ЧПУ на базе Arduino своими руками

Проект Простой станок с ЧПУ на Ардуино задумывался для разработки, отладки и тестирования программного обеспечения, необходимого для работы станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Соответственно, хотелось потратить минимум денег на изготовление механической и электронной составляющих станка.

В качестве контроллера была выбрана плата Ардуино, ввиду её огромных возможностей по взаимодействию с различными устройствами.
Функционал Arduino легко расширяется благодаря возможности подключения огромного количества устройств, поддерживающих стандартные протоколы передачи данных и управления.
На официальном сайте arduino.cc опубликована исчерпывающая информация о подключении устройств к Ардуино, а также о программировании Arduino.

Фрезерные станки с ЧПУ, а точнее программы для станков с ЧПУ, работают с векторными изображениями, которые сами по себе довольно дорого стоят.
Это изначально сместило направление исследований на разработку фрезерного станка с ЧПУ, который работает с бесплатными растровыми изображениями (обычными файлами в формате bmp, jpg, gif и т.д.).
Собрав всё воедино получаем совершенно потрясающие характеристики:

• низкая стоимость станка с ЧПУ (менее 100$ или 6000 руб без учёта стоимости компьютера);
• лёгкая доступность всех деталей станка;
• работа с растровыми изображениями, которые легко может создать любой человек в простом графическом редакторе (например Paint);
• расширяемая платформа для разработки множества смежный систем;
• в идеале программное обеспечение должно иметь возможность обработки фотографий и/или изображений, полученных с обычного сканера.

Изначально планировалось использовать станок с ЧПУ на ардуино для фрезерования плоских фигур, орнаментов и объёмных тел. Однако, впоследствии к станку был подключен контактный датчик для 3D-сканирования.
Затем, на станок был установлен лазерный модуль для гравирования / выжигания. И, наконец, станок с ЧПУ был превращён в 3D-принтер: для этого потребовалось установить дополнительный блок, который называется экструдер.

Таким образом, получаем не просто 3-хкоординатный станок для фрезерования с ЧПУ на Ардуино, а целую платформу, на базе которой легко собирается:

• станок для фрезерования 2D-фигур и 3D-тел;
• контактный 3D-сканер;
• лазерный гравер / выжигатель с ЧПУ;
• 3D-принтер.

На сайте выложены подробные схемы сборки станка с ЧПУ, включая его модификации, чертежи станка с ЧПУ, исходные коды программного обеспечения, а также исходные коды прошивок для Arduino.

Станок с ЧПУ на Ардуино и его модификации собирались своими руками. Для промышленных целей такой станок с CNC конечно не подойдёт, однако для штучного изготовления и освоения принципов работы механики и программного обеспечения подходит.

Кроме того, на сайте имеется отдельный раздел, посвящённый приобретению компонентов самодельного станка с ЧПУ и необходимых расходных материалов, где описано, где, как и по какой цене можно приобрести требуемые составляющие простого станка CNC.

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.

Лучшие идеи изделий на фрезере

1. Подставка под горячее. Делается из дерева, изделии имеет оригинальную форму пазлов. Подойдет как для подарка, так и для собственного использования (дома, или в бизнесе).

2. Держатель для мобильного телефона. Надоело искать место, куда положить телефон, пока он заряжается, или пока смотрите видео ? Выход найден : универсальный держатель из дерева. Делается под вашу модель телефона, возможно наличие разъема под шнур.

3. Хит этого лета спиннер тоже можно сделать на ЧПУ станке. На игрушке можно сделать разнообразные надписи: имя, фамилию, или любую другую фразу.  Для изготовления нужна фанера и подшипники.

4. Декоративные надписи из дерева. Популярными считаются такие фразы, как Home, Family, Love и др.

5. Игрушки. Детки любят интересные вещи, поэтому поделка на фрезере им точно понравится ! Сделайте крокодила Гену, машинку, самолетик, кинжал или пистолет, и ваш ребенок будет доволен.

6. Шкатулки. О подробной инструкции к созданию шкатулки мы уже говорили в нашей статье. Шкатулка может быть в форме сердца, квадратной, круглой, с разнообразными узорами и без.

7. Нужные вещи для дома: вешалка, стол, стул, полочка. Эти предметы декора также легко сделать на фрезерном станке. Это будет выглядеть стильно и оригинально.

8. Картины. Современные картины, которые продаются в магазине, имеют довольно высокую цену. Альтернативным вариантом может стать картина из дерева, которая сделана своими руками. Это может быть картина с животными, людьми, мотивирующими надписями, или даже с вашим фото.

9. Вечный календарь популярная вещь на сегодня. Представьте себе: вам не нужно менять календарь каждый год, достаточно один раз сделать его на станке. На него можно добавить красивую надпись, рисунок. Это может быть даже корпоративный подарок любой фирме.

10. Брелки. Хотите брелок с вашим именем, любимой машиной, или питомцем ? Запросто: ЧПУ станок выполнит ваше желание. На станке вырезается нужные брелок, а после добавляются нужные детали (кольцо, и соединение для кольца и самого брелка).

Сборка фрезерного станка

За основу самодельного фрезерного станка лучше всего взять прямоугольную балку, которую следует прочно закрепить на направляющих.

Вся конструкция должна иметь высокую жесткость, при этом лучше, если сварочные работы будут сведены к минимуму.

Дело в том, что в любом случае, сварочные швы подвержены разрушению и деформации при определенных нагрузках, при работе станка его станина будет подвергаться, в том числе, и вибрации, что может негативно сказаться на данных элементах крепления, что, в свою очередь, приведет к сбою в настройках.

Это должно полностью исключить возможный люфт при работе фрезерного станка с ЧПУ, а также прогиб направляющих при серьезных нагрузках.

По точно такому же принципу собирается своими руками и самодельный фрезерно-гравировальный станок, оснащенный ЧПУ. О процессе сборки своими руками достаточно функционального станка фрезерного типа с ЧПУ, подробно рассказано на видео ниже.

Видео:

В конструкции агрегата необходимо в обязательном порядке предусмотреть подъем рабочего инструмента в вертикальном положении, для чего рекомендуется использовать винтовую передачу.

В свою очередь, для необходимой отдачи вращения непосредственно на ходовой винт следует использовать зубчатый ремень.

Вертикальную ось, которая также является обязательным элементом любого фрезерного станка с ЧПУ, делают из алюминиевой плиты.

В домашних условиях отлить вертикальную ось можно при помощи муфельной плиты, и в этом случае следует взять алюминий.

После этого непосредственно на корпус сразу за осью следует смонтировать два двигателя шагового типа, один из которых будет отвечать за горизонтальное перемещение, а второй, соответственно, за вертикальное.

Все вращение должно передаваться через ремни. После того, как все элементы будут находиться на своих местах, самодельный фрезерный станок следует обязательно проверить в работе при ручном управлении, и при выявлении недочетов, устранить их на месте.

X-Y-Z

Устанавливаем Z на Y.

Устанавливаем боковые стенки портала и клеммную коробочку для кабелей.

Устанавливаем портал на раму.

Вот и все. Станок получился удобный, стройный, я бы даже сказал поджарый, ничего не торчит, к рабочему полю хороший доступ со всех сторон, никаких кожухов, которые чего-то там прикрывают, нет «гусениц» для проводов, все провода спрятаны. Кстати, в моем экземпляре контроллер тоже спрятан под стол, к станку подходит только шнур питания и кабель LPT порта от компьютера.

Даже если вы все кривовато выпилили и не очень точно просверлили отверстия, вы все равно сможете доработать станок, довести его до ума и заставить нормально работать. Потому что в этой конструкции все определяется заведомо точными покупными направляющими и приемлемой геометрической точностью прессованных профилей (параллельность и перпендикулярность граней). Тут в принципе нет сложно выполнимых посадок и жестких допусков на линейные размеры. Однако, само собой разумеется, чем точнее вы сделаете детали, тем лучше и для станка и для тех изделий, которые вы будете на нем выпиливать.

Порядок изготовления фрезерного станка с ЧПУ

Фрезерный станок из оргстекла

После выбора всех компонентов можно сделать настольный мини фрезерный станок с ЧПУ по дереву самостоятельно своими руками. Предварительно еще раз проверяются все элементы, выполняется контроль их размеров и качества.

Для фиксации элементов оборудования необходимо использовать специальные крепежные детали. Их конфигурация и форма зависят от выбранной схемы.

Порядок действий по сборке настольного мини оборудования с ЧПУ по дереву с функцией 3D обработки.

1. Монтаж направляющих суппорта, их фиксация на боковых частях конструкции. Эти блоки еще не устанавливаются на основание.
2. Притирка суппортов. Их необходимо двигать по направляющим до тех пор, пока не получится плавный ход.
3. Затяжка болтов для фиксации суппортов.
4. Крепление компонентов на основание оборудования.
5. Монтаж ходовых винтов вместе с муфтами.
6. Установка ходовых двигателей. Они крепятся к винтам муфт.

Электронная часть располагается в отдельном блоке. Это способствует уменьшению вероятности сбоя в работе во время функционирования фрезера. Также важным моментом является выбор рабочей поверхности для установки оборудования. Она должна быть ровная, так как в конструкции не предусмотрены болты регулировки уровня.

После этого можно приступать к пробным испытаниям. Сначала рекомендуется задать несложную программу фрезерования по дереву. Во время работы необходимо сверять каждый проход фрезы — глубину и ширину обработки, в особенности это касается 3D режима.

В видеоматериале показан пример как собрать большой фрезерный станок с ЧПУ, изготовленный своими руками:

Шаг 8: Электрическая схема фрезерного станка ЧПУ собранного своими руками

Основными компонентами электрической схемы являются:

1. Шаговые двигатели
2. Драйверы шаговых двигателей
3. Блок питания
4. Интерфейсная плата
5. Персональный компьютер или ноутбук
6. Кнопка аварийного останова

Я решил купить готовый набор из 3-х двигателей Nema, 3-х подходящих драйверов, платы коммутации и блока питания на 36 вольт. Также я использовал понижающий трансформатор для преобразования 36 вольт в 5 для питания управляющей цепи. Вы можете использовать любой другой готовый набор или собрать его самостоятельно. Так как мне хотелось быстрее запустить станок, я временно собрал все элементы на доске. Нормальный корпус для системы управления сейчас находится в разработке )).

Электрическая схема станка

Ноименование

Электрическая схема.pdf:

Конструкция

Самодельный станок состоит из следующих основных частей:

• станины с размещенным на ней столом;
• суппортов, имеющих возможность перемещения режущей фрезы в трех координатах;
• шпинделя с фрезой;
• направляющих по перемещению суппортов и портала;
• блока питания, обеспечивающего электроэнергией двигатели, контроллер или плату коммутации с использованием микросхем;
• драйверов для стабилизации работы;
• пылесоса для сбора опилок.

На станине устанавливают направляющие для перемещения портала по оси Y. На портале размещены направляющие для перемещения суппорта по оси X. Шпиндель с фрезой крепится на суппорт. Он двигается по своим направляющим (ось Z).

Контроллер и драйвера обеспечивают автоматизацию работы станка с ЧПУ за счёт передачи команд на электродвигатели. Использование программного комплекса Kcam позволяет использовать любой контроллер и обеспечивает управление двигателями в соответствии с внесённым в программу чертежом детали.

Конструкцию надо сделать жесткой, чтобы противостоять возникающим при работе рабочим усилиям и не приводить к вибрациям. Вибрации приведут к понижению качества получаемого изделия, поломке инструмента. Поэтому размеры крепежных элементов должны обеспечивать монолитность конструкции.

Самодельный фрезерный станок с ЧПУ используют для получения объёмного 3D изображения на деревянной детали. Она крепится на столе данного устройства. Его можно использовать и как гравировальный. Конструкция обеспечивает перемещение рабочего органа — шпинделя с установленной фрезой в соответствии с заданной программой действий. Перемещение суппорта по осям Х и Y происходит по шлифованным направляющим с применением шаговых электродвигателей.

Перемещение шпинделя по вертикальной оси Z позволяет изменять глубину обработки на создаваемом рисунке по дереву. Для получения рельефного рисунка 3D нужно сделать чертежи. Желательно использовать различные виды фрез, которые позволят получить лучшие параметры отображения рисунка.

Разновидности моделей

Представлен практически десяток фрезерных станков, различных по своему функционалу. Наиболее популярные из них — это горизонтального и вертикального вида с ЧПУ. Горизонтально-фрезерные станки также бывают без числового программного управления.

Горизонтально-фрезерные

Настольный станок имеет одну особенность — шпиндель закрепляется горизонтально. Оборудование универсальное, так как благодаря такому типу крепления можно использовать фрезы углового, концевого, фасонного, цилиндрического типа. Но в тоже время есть и нюанс — допустимо обрабатывать относительно небольшие детали из-за конструкции шпинделя. По винтовой касательной работы не проводятся.

Вертикально-фрезерные (консольные)

В отличии от горизонтального типа в них ось инструмента располагается строг вертикально. Допускается обрабатывать детали любой формы, но небольшого веса и размера. Используется реже, чем горизонтальные станки, но с их помощью выполняют некоторые виды работ, которые первым не под силу.

Универсальные и широкоуниверсальные станки

Универсальные дополнительно оснащены столом поворотов, то есть работа будет удобна с деталью любого формата, размера, конституции и веса. Широкоуниверсальные, кроме поворотного стола имеют и шпиндель, который вращается. Конечно, фланг работ значительно расширяется. Но в то же время увеличивается время, требуемое на плановый осмотр, присутствует большая вероятность поломки в сравнении с вертикальными и горизонтальными моделями.

Бесконсольные фрезерные

Шпиндель двигается по вертикали, а вот стол — продольно и поперечно. По траектории напоминает рисование креста. Есть второе название — фрезерные станки с крестовым столом. Заготовка крепится жестким образом, а не так как в привычной консоли. Основная сфера использования агрегатов — обработка больших по весу деталей. Станок явно не переносной: его конструкция массивная.

Продольно-фрезерные

Стол совершает продольные перемещения относительно оси. Бабка двигается назад или в поперечных вертикальных направлениях. Используются две опоры, по которым двигается головка. Подходит для работки больших элементов неправильной формы.

Объемно-фрезерные

Единичные по конструктивным особенностям продольно-фрезерным. Но работа начинается только после считывания информации о форме и объемах заготовки с помощью специального копированного оборудования.

Шпоночные фрезерные

Стол двигается возвратно-поступательно, а вот головка шпинделя — по планетарному типу. Возможно провести тщательную обработку любой по формату детали.

Принцип работы координатной системы

Основа станка – мощная рама. За основу берется идеально ровная поверхность. Она же служит рабочим столом. Второй базовый элемент – это каретка, на которой закрепляется инструмент. Это может быть дремель, ручной фрезер, лазерная пушка – в общем, любое устройство, способное обрабатывать заготовку. Каретка должна двигаться строго в плоскости рамы.

Для начала рассмотрим двухмерную установку

В качестве рамы (основы) для станка ЧПУ, сделанного своими руками, можно использовать поверхность стола. Главное, после юстировки всех элементов, конструкция больше не перемещается, оставаясь жестко прикрученной к основе.

Для перемещения в одном направлении (условно назовем его X), размещаются две направляющих. Они должны быть строго параллельны друг другу. Поперек устанавливается мостовая конструкция, также состоящая из параллельных направляющих. Вторая ось – Y.
Задавая вектора перемещения по осям X и Y, можно с высокой точностью установить каретку (а вместе с ней и режущий инструмент) в любую точку на плоскости рабочего стола. Выбирая соотношение скоростей перемещения по осям, программа заставляет инструмент двигаться непрерывно по любой, самой сложной траектории.

Рама станка из ЧПУ сделана руками умельца, видео

Существует еще одна концепция: каретка с инструментом закреплена неподвижно, перемещается рабочий стол с заготовкой. Принципиальной разницы нет. Разве что размеры основания (а стало быть, и заготовки) ограничены. Зато упрощается схема подачи питания на рабочий инструмент, не надо беспокоиться о гибких кабелях питания.

Решение может быть комплексным: по одной оси движется стол, по второй оси – каретка с рабочей головкой.
С помощью такой системы можно обрабатывать изделия «непрерывной линией разреза». Что это означает? Режущая головка, расположенная в плоскости заготовки, начинает работу от края, и проходит всю фигуру непрерывным распилом. Это ограничивает возможности, но двухмерный станок ЧПУ по дереву проще сделать своими руками. Вертикальная позиция головки устанавливается вручную.

Важно! Режущий инструмент должен иметь свободу перемещения по вертикальной оси. Иначе невозможно будет работать с насадками разного размера.

Направляющие для ЧПУ станка

Обрабатывающие центры с ЧПУ для мелкосерийного и домашнего использования — дорогая штука и не каждый может позволить себе купить форматно-расточной или токарный с ЧПУ, но выполнить своими руками сносное по качеству обработки и чистоте реза устройство, можно запросто. Рассмотрим несколько конструкций, но сначала посмотрим на детали заводского изготовления, чтобы понять основные принципы работы.

Все направляющие для программируемых станков бывают кругового движения или линейного типа, это зависит от траектории, по которой движется подвижный узел в координатах. Будем рассматривать только линейные, как самые востребованные у самодельщиков, да и особой нужды для применения круговых устройств нет.

Подготовка к работе

Если вы запланировали изготовить станок с ЧПУ самостоятельно, не применяя готового набора, то первое, что вам нужно будет сделать, — это остановиться на специальной схеме, по которой будет работать такое мини-устройство.

• За основание фрезерного оборудования можно взять ненужный сверлильный станок, в котором рабочая головка со сверлом поменяется на фрезерную. Самое трудное, что придется создавать в таком оборудовании, — это механизм, который обеспечит передвижение приспособления в трех разных плоскостях. Этот механизм можно изготовить на основании кареток от старого принтера, он обеспечит перемещение приспособления в двух плоскостях.
• К устройству, сделанному по этой принципиальной схеме, просто подключить программное управление. Однако его главный минус заключается в том, что обрабатывать на этом станке с ЧПУ можно будет лишь изделия из пластика, древесины или небольшого листового металла. Таким образом происходит, потому что каретки от ненужного принтера, которые будут производить перемещение режущего приспособления, не обладают нужной степенью жесткости.
• Чтобы ваше самодельное устройство было способно выполнять важные фрезерные действия с заготовками из разных материалов, за перемещение рабочего приспособления должен отвечать очень мощный специальный двигатель. Не нужно пытаться найти двигатель именно шагового вида, его можно сделать из простого электромотора, подвергнув небольшой доработке.
• Использование шагового двигателя в вашем оборудовании даст возможность избежать применения винтовой передачи, а остальные возможности и характеристики самодельного инструмента от этого не будут хуже. Если же вы все-таки захотите применить для своего мини-устройства каретки от принтера, то стоит подобрать их от более большой модели печатного устройства.
• Для передачи усилия на вал фрезерного станка лучше брать не простые, а зубчатые ремни, которые не смогут проскальзывать на шкивах. Одним из главных узлов любого похожего станка считается механизм фрезера. Именно его созданию нужно уделить много внимания. Чтобы качественно изготовить такой механизм, вам понадобятся подробные чертежи, которым придется строго следовать.

А можно…?

Отвечаю сразу — МОЖНО! Все можно! Только нужно ли?

«А можно вместо четырех шариковых блоков поставить на каретку два? Будет почти в два раза дешевле» — Можно! Но я поставил четыре, и вам советую.

«А можно заменить обычные профили станочными? Будет лучше» — Можно! В каком-то смысле действительно будет лучше. Скажем так, будет лучше ровно на столько, на сколько, к примеру, станут лучше «Жигули», если поставить на них семнадцатидюймовые колеса от «Мерседеса», Но дороже будет, это точно!

«А можно для увеличения прочности заменить не внушающие доверия алюминиевые профили хорошими стальными?» — Можно! Если удастся подобрать подходящие по размеру, и при условии замены шариковых направляющих на 20-й типоразмер. Кстати и ремни нужно взять потолще, и двигатели помощнее, и, чего там мелочиться, лучше сразу на ШВП перейти.

«А можно такой станок сделать размером 2х3 метра, и чтобы 10 мм фанеру пилил со скоростью 600 мм/мин.?» — Можно! Только профили нужно брать станочные и крепить их к стальным сварным рамам, и ремни заменить зубчатыми рейками и моторы брать с редукторами, и прочее по мелочам.

«А можно вместо дорогих шариковых направляющих применить обычные шарикоподшипники, чтобы все так же ездило?» — Можно! Ездить будет! Но я все-таки разорился на рельсы и дорогие линейные подшипники, сами догадайтесь почему.

«А можно вместо импортных шариковых линейных направляющих использовать наши, отечественные, мебельные, или компьютерные?» — Можно! См. ответ на предыдущий вопрос.

«А вот у меня нет ни дрели, ни ножовки по металлу. Как быть?» — Займите у соседа или купите… лучше сразу готовый станок.

«Хочу построить такой же станок как у вас. Не могли бы вы: дать мне готовые чертежи, ткнуть носом, где продаются все комплектующие, отвести за руку к дяде, который выточит нужные детали, оказать помощь в изготовлении, сборке и настройке станка, консультировать, отвечать на вопросы, и вообще, всячески содействовать?» — Мог бы, если у вас хватит денег на все это содействие.

Такие, вот, дела.

Сборка важных узлов станка

В станке, который вы начали собирать собственноручно, надо предусмотреть ряд ответственных узлов, обеспечивающих вертикальное перемещение рабочего инструмента. В этом перечне:

• винтовая передача – вращение передаётся, используя зубчатый ремень. Он хорош тем, что не проскальзывают на шкивах, равномерно передавая усилия на вал фрезерного оборудования;
• если используют шаговый двигатель (ШД) для мини-станка, желательно брать каретку от более габаритной модели принтера – помощнее; старые матричные печатные устройства имели достаточно мощные электродвигатели;

• для трёхкоординатного устройства, понадобится три ШД. Хорошо, если в каждом найдётся 5 проводов управления, функционал мини-станка возрастёт. Стоит оценить величину параметров: напряжения питания, сопротивления обмотки и угла поворота ШД за один шаг. Для подключения каждого ШД нужен отдельный контроллер;
• с помощью винтов, вращательное движение от ШД преобразуется в линейное. Для достижения высокой точности, многие считают нужным иметь шарико-винтовые пары (ШВП), но это комплектующая не из дешевых. Подбирая для монтажа блоков набор гаек и крепежных винтов, выбирают их со вставками из пластика, это уменьшает трение и исключает люфты;

вместо двигателя шагового типа, можно взять обычный электромотор, после небольшой доработки; вертикальная ось, которая обеспечивает перемещение инструмента в 3D, охвачивая весь координатный стол. Её изготовляют из алюминиевой плиты

Важно, чтобы размеры оси были подогнаны к габаритам устройства. При наличии муфельной печи, ось можно отлить по размерам чертежей

Ниже – чертёж, сделанный в трёх проекциях: вид сбоку, сзади, и сверху.

Итоги

Самодельный мини фрезерный станок с ЧПУ для получения 3D деталей прост в управлении, обеспечивает точность и качество обработки. При необходимости сделать более сложные работы нужно использовать шаговые электродвигатели большей мощности (например: 57BYGH-401A). В этом случае для перемещения суппортов нужно для вращения винтов использовать зубчатые ремни, а не муфту.

Установку блока питания (S-250-24), платы коммутации, драйверов можно сделать в старом корпусе от компьютера, доработав его. На нём можно установить красную кнопку «стоп» для аварийного отключения оборудования.