Электроника и механика домашнего 3-х координатного станка ЧПУ (Hobby CNC).

Автор: Геннадий Гармаш
Опубликовано 25.05.2010

Станочек получился достаточно дешев и практичен. Для сборки не требуется ничего кроме отвертки и паяльника. То, что получилось и работает:

Рабочее поле 330*220*120 мм
Шаговики от 5" дисководов + ШИМ
Сам станок из ДСП
Практическая точность 0,1 мм
Печатные платы фрезерует и сверлит на ура. Пока пробовал обрабатывать дерево, пластики, алюминий. Передние панели, гравировку, резку.
Как пример - гравировка по анодированному алюминию:

Фрагмент фрезерованной и просверленной печатной платы. DIP, SMD 0805:

Теперь более подробно.
Станочек задумывался давно, но руки дошли только сейчас. Все механические элементы выполнены из неламинированной ДСП. Благо сейчас есть много фирм, продающих ее с порезкой по чертежу. Как выяснилось, порезка выполнена достаточно точно. Лист плюс порезка деталей на три станка обошлось меньше 200 грн. Шариковые направляющие, тяговые винты (мебельная шпилька М6) саморезы, винты, и прочие метизы были куплены в хозяйственном магазине на сумму менее 80 грн. На рынке дополнительно покупались шарикоподшипники с внутренним диметром 6мм и кусок армированного силиконового шланга диаметром 5мм длинной 30 см. Обрезки листового алюминия, микросхемы простой логики, три двигателя от 5" дисководов, Вентилятор от блока питания для мини-пылесоса, и прочее было найдено в кладовке. К этому добавилось несколько выходных и станок готов.

Часть первая:
Электроника станка.
Все выполнено на одной печатной плате, куда подключается все внешние элементы: шаговые двигатели, концевые выключатели по всем осям в обоих направлениях, розетка для главного привода (у меня DREMEL 300), вентилятор мини-пылесоса, стандартный трансформатор питания. Все подключается с помощью разъемов и клемников. На этой же плате установлен разъем для связи с компьютером через LPT порт.
Схема:

Как видно из схемы, дефицитных или просто дорогих деталей нет совсем, практически все можно выпаять из старых компьютерных плат,"спектрумов", горевших свитчей и прочего хлама из кладовки.
Схемой предусмотрено программное управление включением шпинделя, включением мини-пылесоса, подключение дополнительных инструментов (например электромагниты для ударной гравировки) и дополнительных датчиков.
Схема представляет собой трех-координатный контроллер STEP/DIR с датчиками начального и конечного положения по осям, полный шаг, одновременно питаются две обмотки шагового двигателя для увеличения момента. В цепи питания каждого ШД стоит импульсный стабилизатор тока, который обеспечивает ШИМ режим питания. В итоге получается приличная скорость без снижения момента на валу ШД. Напряжения удержания на ШД - 12-15 вольт, в режиме быстрого шага - до 30 вольт, но при этом так в обмотках тот же. Переменными резисторами устанавливаем напряжение удержания в покое (номинальный ток для 12 -вольтового двигателя). Реле подключает высоковольтные потребители к сети, у меня таковым является главный привод - гравировальная машинка "DREMEL 300".
К компьютеру контроллер подключается к порту LPT стандартным кабелем. Электроника станка не требует принудительного охлаждения и практически не греется, чего не скажешь о двигателях. В процессе работы они нагреваются до 45-50 градусов и в дальнейшем к ним были приклеены подходящие радиаторы. Как выяснилось потом в основном для самоуспокоения, так как они работоспособны до 90 градусов. Зато руки не обжигает.
Вся электроника расположена в задней нише станка и закрыта от посторонних глаз, грязи и шаловливых ручек. Ведь там кое-где есть и небезопасное напряжение 220В.
Разъемы справа схемы сверху вниз:
- Шаговый двигатель оси Х (цвета указанны согласно цветам проводов из шагового двигателя);
- Шаговый двигатель оси Y;
- Шаговый двигатель оси Z;
- Подключение дополнительного инструмента (СОЖ , обдув, свет, элктро-ударник и т.п.);
Разъем FAN - мини-пылесос;
Разъем EXT - на будущее, пока не задействован;

Концевые выключатели:
S1 - Авария "грибок";
S2 - три выключателя в параллель, по концам трех осей перемещения;
S3 - нулевое положение оси X;
S4 - нулевое положение оси Y;
S5 - нулевое положение оси Z;

Реле 1 управляет главным приводом, второе пока не задействовано.
Для управления станком использовал программы Kcam4 Mach3. Они понимают разные форматы файлов фрезеровки и сверловки из программ Corel, SprintLayout, Pcad, AutoCad, Компас и других. Так в примере шрифты набраны в Corel, печатная плата сделана в SprintLayout.

Печатная плата.
Плата выполнена на одностороннем стеклотекстолите по методу ЛУТ размером 141*94мм с частичным применением SMD элементов. При правильной сборке в налаживании не нуждается. Уже на станке необходимо выставить напряжения удержания для конкретных двигателей.

Фотографии собранной платы предыдущей версии:

Двигатели.
Применены шаговые двигатели от 5" советских дисководов, как на фото.

Перед установкой протянуть болты по краям и промазать лаком/краской , чтобы сами не раскручивались. Для снятия напрессованной алюминиевой бобышки пришлось попотеть. Сначала феном паяльной станции ее надо хорошо нагреть, затем при помощи двух больших одинаковых плоских отверток аккуратно снять , не допуская изгибающего усилия на вал двигателя. Разбирать двигатель не рекомендую , собрать будет крайне тяжело, ротор будет затирать за статор. Если двигатели давно валялись в пыли, можно продуть хорошо и смазать подшипники машинным маслом.
Разъемы от двигателей были срезаны и провод был удлинен шестижильным кабелем 6х0,22 без экрана для видеонаблюдения/охранных сигнализаций до необходимой длинны.(обрезки были отобраны у монтера на работе) Цвета жил практически совпали с цветами выводов шагового двигателя и это исключило путаницу с обмотками.

ДСП и раскрой листа.
В общем, из картинки заказа все ясно. Это комплект на три станка, для одного количество каждой детали поделить на три. Одна деталь потом будет дорабатываться электролобзиком. На чертеже указанны номера деталей, потом при сборке или на фото я буду ссылаться на эти номера.

Деталь номер 5 надо доработать, выпилить ножовкой или электролобзиком. Можно заказать сразу фигурную, но на порезке за это запросили просто непомерную сумму, и было решено выпилить самому.
Вот чертеж того, что должно получиться.

Идем в хозяйственный магазин и на рынок.
Нам понадобятся мебельные шариковые направляющие, примерно вот такие:

Мои немного отличались от чертежа, но принцип такой-же.
Понадобятся по 4 штуки длинной 185 мм, 215 мм, 280 мм (размер "А" по чертежу). В хозмаге были примерно по 6-8 грн за пару.
Подшипники. Купил 6 штук с маркировкой 626RS. Внутренний диаметр 6мм, наружный 19мм, толщина 6мм.
Ходовые винты. Было куплено две резьбовые шпильки с резьбой М6 длинной 1 метр каждая.
Метизы.

Точное количество не скажу, все покупалось пакетиками по 20-50 шт.
Мебельные гайки - резьба М6, их будем запрессовывать тисками в бруски из ДСП и крепить к подвижным столам. Чтобы не выпали, дополнительно фиксировал парой маленьких саморезов. Втулки под запресовку - резьба М4. Их будем запрессовывать в отверстия стола снизу, а потом винтом с барашком притягивать заготовку к столу.
Два маленьких толстых самореза - этих набрал жменю в ближайшей конторе по сборке компьютеров (для крепления вентиляторов), ими удобно крепить шариковые направляющие к ДСП, люфт практически исключен.
При сборке, под каждый саморез, надо сверлить отверстие меньшего диаметра и только потом вкручивать саморез, иначе ДСП будет крошиться. И гораздо точнее получается. Также все стыки перед сборкой промазывал клеем ПВА, лишняя жесткость конструкции не помешает.

Кроме вышеперечисленного также понадобятся:
- Кусочки листового алюминия толщиной 1 и 2 мм
- Поливочный силиконовый армированный шланг диаметром 10-12 мм - около метра (нужен мягкий)
- Различные метизы М3,М4,М5
- Кусок силиконового армированного шланга диаметром 5мм - 10-15 см
- Пластиковая баночка для завтраков с плотной крышкой квадратной формы, размер примерно 120*120*50
- Вентилятор от блока питания (желательно помощней) на моем написано 0,3А
- Накладная розетка 220вольт
- Трансформатор ТПП-261
- Концевые выключатели - 6шт
- Тумблер, гнездо для компьютерного шнура питания, различные провода
- Обрезки поролона, обрезки полистирола разной толщины (1-3мм).
- Хорошая металлическая линейка, штангельциркуль и точный уголок (если хотим достичь приемлемой точности)
- Смекалка, терпение и свободное время.

Часть вторая.
Сборка станка.
Основанием станка служит деталь № 1. К ней с двух длинных сторон прикручиваем саморезами по две планки № 2 как на фото. С одного торца прикручиваем планку № 11

Сверху прикручиваем четыре самых длинных направляющих. А уже к ним деталь № 3. Предварительно в ней по углам вкручиваем четыре винта М4 и фиксируем гайками. Сам стол будет сменный и сделан тоже из детали №3. Он притягивается к несущему столу уже гайками-барашками. В случае порчи после неудачных фрезеровок его можно заменить. А также подкладывая разные шайбы его можно выставить строго горизонтально по отношению к инструменту во всем диапазоне перемещений. В верхний стол снизу запрессовываем латунные гайки, для крепления деталей.

Направляющие нужно прикрутить строго параллельно, иначе будет клинить. Я первую прикручивал по разметке , остальные строго параллельно первой, прокладывая между ними ровные брусочки. Направляющие прикручены со сдвигом. В этом случае стол всегда имеет 4 точки опоры на подшипниках в центре направляющих и люфты под нагрузкой минимальны.

Ставим привод оси Х. Опора подшипника сделана из склеенных обрезков полистирола. Когда будет набрана нужная толщина, нагреваем подшипник и вдавливаем в пластик. Пластик ставим на ровной поверхности и рядом ставим шаговик. Вдавливаем до получения соосности с валом шаговика. Сам подшипник потом фиксируем хомутиком из алюминия.

Аналогично делаем вторую опору и закрепляем хомутом шаговик. Отрезаем нужной длинны ходовой винт и фиксируем гайками в подшипниках. Везде применяем контргайку и клей. Муфту между валом и шаговиком делаем из куска шланга и закрепляем хомутами.

К верхнему столу прикрепляем брусок с мебельной гайкой, отпиленный от второй детали № 11. Примерно как на фото для привода оси Y:

Теперь можно прокрутить ходовой винт и проверить перемещение стола без заеданий и люфтов. После этого можно поставить концевые выключатели с обеих сторон и припаять провода.
Собираем портал.
Слева и справа от шаговика прикручиваем две детали №6. Не забываем про уголок и линейку. Все должно быть параллельно и перпендикулярно. А уже к ним прикручиваем деталь №5 и №4:

К деталям 4 и 5 прикручиваем по две направляющих средней длинны , тоже со сдвигом одна к другой. А уже к ним прикручиваем стол по оси Y. Деталь №7.
В пазу между деталями 5 и 4 крепим шаговый двигатель,

подшипник к детали №6,( плохо видно, он за проводом)

и к столу привод от винта. Не забываем установить и концевики.

На стол оси Y крепим четыре самые короткие направляющие для оси Z. Также со сдвигом и параллельно друг к другу.

К ним крепим стол для оси Z. Также как и стол по оси Х снабжаем четырьмя винтами М4 и крепим на них второй стол с инструментом, притягивая гайками-барашками. Потом этот стол с инструментом можно быстро менять на другой. Это детали № 8.
Собираем привод оси Z. На фото достаточно понятно как собрать.

Собираем бокс для электроники, прикрутив полочки - детали №9 и №10.

К верхней полке прикручиваем мини-пылесос из коробочки для завтраков и компьютерного вентилятора с тонким поролоном внутри.

Также на ней устанавливаем тумблер включения и пропускаем через нее шланг забора воздуха от режущего инструмента

Теперь в боксе устанавливаем электронику, крепим трансформатор, розетку, разъем питания, и делаем разводку проводов.

Часть третья.
Итак, сборка окончена, пора пробовать!!!

Сначала ищем в интернете программу Ксам4 (у меня версия 4.00.50)
Инсталлируем, Настраиваем. Советов по настройке много в интернете (в том числе и инструкция на русском), но я думаю следующие картинки очень помогут с настройками под этот станок.

Теперь пора освоиться с программой, покрутить все оси, убедиться что ничего не подклинивает, нет пропуска шагов. Потом надо настроить главный стол параллельно оси Y с помощью прокладываемых шайб. На этом сборку и настройку можно считать законченной.

Первая пробная деталь.
Берем кусочек алюминия и гравируем надпись.

G-коды для нее можно скачать в конце статьи.

Часть четвертая.
Делаем печатную плату.
Пример изготовления печатной платы, разработанной в программе Sprint-Layout 5.0
Сначала делаем разводку печатной платы, как обычно.

После окончания разводки экспортируем сверловку:

Следует заметить, что сверловку и фрезеровку платы на станке нужно делать с одной установки. Нужно только менять инструмент.
Для сверления - сверло, лучше твердосплавное. Для фрезеровки специальная фреза.

Ее можно изготовить на алмазном круге самому из твердосплавного сверла.

Теперь сделаем экспорт фрезеровки контуров проводников:

Ширина - половина диаметра фрезы.

И сохраняем.

Подготовка в Sprint-Layout закончена.
Загружаем Ксам и импортируем сверловку.

После автоматической обработки получим:

Теперь можно сверлить.

С фрезеровкой сложнее, Спринт передает в дюймовых размерах и путает высоту, поэтому импортируем фрезеровку

После автоматической обработки нажимаем кнопочку №1 и потом №2.

После обработки видим, что по оси Z большие значения (3). Надо выгрузить G-коды и в текстовом редакторе сделать замену на указанные во всем файле (их там много!), а потом загрузить обратно.
Теперь можно и фрезеровать.

Файлы:
Печатная плата в формате SL 5.0.
G-коды для первой детали.
Примеры файлов сверловки и фрезеровки.
Видео работы станка (1,7Мб).

Вопросы, как обычно, складываем тут.