8 этапов сборки ЧПУ фрезера по металлу своими руками

Автоматизация промышленного оборудования с каждым годом наращивает темп развития. В ближайшие 10-20 лет, порядка 70% производства в развитых странах мира планируется поставить на полностью независимый от человека формат работы.

В сегодняшней статье мы расскажем, что собой представляют автоматизированные системы управления + предоставим инструкцию сборки ЧПУ фрезера по металлу своими руками. Будут рассмотрены как простые варианты сборки агрегата, так и продвинутые «домашние» версии дорогих заводских устройств.

Что такое станок с ЧПУ?

На просторах советского пространства, первым устройством с ЧПУ стал токарно-винторезный станок 1К62ПУ. Разработка оборудования датируется второй половиной 60-х годов. После 1980 тем наращивания автоматизированного станочного оборудования резко возрос по всему миру, и в 2020 году вы можете наблюдать невероятный скачок в данной сфере деятельности.

1) Понятие ЧПУ станка и достоинства технологического решения

ЧПУ – это аналог двух иностранных аббревиатур:

• NC (Numerical control).

  Прародитель нынешних систем управления. В основе лежит контроль работы за счет жестких схем (штекеры, переключатели и так далее). Алгоритмы хранятся на внешних носителях, а оперативной памяти, как таковой, не имеется;

• CNC (Computer numerical control).

  Нынешние системы управления оборудованием, которые для работы используют специализированное программное обеспечение. Важнейшими элементами систем в аппаратном аспекте являются контроллеры и процессоры.

На крупяных заводах работа происходит по модели автоматизированного рабочего места, где программы работы передаются на оборудование через локальную/глобальную сеть. Современные ЧПУ-станки могут в 3-5 раз увеличить скорость работы по сравнению с ручным изготовлением деталей.

Важно: современное ЧПУ оборудование оперирует двумя взаимосвязанными направлениями — CAD и CAM. Первая система отвечает за проектировку, а вторая за непосредственное ее производство.

ЧПУ-оборудование – это механизмы, производящие новую деталь путем вычета с заготовки лишнего. Некоторые относят к направлению и 3D принтеры, но такие приспособления лишь косвенно можно назвать станками, ведь детали они создают с нуля.

Преимущества оборудования с ЧПУ:

1. Минимизация влияния человеческого фактора на процесс работы оборудования.
2. Скорость, плавность и направление задается заранее, а сбоев в работе таких программах наблюдается крайне мало.
3. Не требуются операции по разметке.
4. Простая работа и перенастройка алгоритмов для различных типов деталей.
5. Высокая скорость работы.
6. Минимальные объемы брака – не тот размер, изломы и так далее.
7. Эффективность при выполнении разноплановых типов задач.
8. Регламентированность по времени позволяет планировать производство, и прогнозировать сроки исполнения заказов заранее.

Хотя станки с ЧПУ и обладают массой положительных качеств, пренебрегать недостатками оборудования также не стоит – высокая стоимость, не совершенность ПО и узкая направленность в процессах. Станки с ЧПУ хорошо заходят для массовой обработки, но в отношении уникальных элементов, такой подход не прокатит.

О компонентах современных ЧПУ устройств расскажет таблица ниже. Детально изучив узлы, создать ЧПУ своими руками по металлу в будущем будет куда проще, нежели делать все наобум по примитивным чертежам из сети интернет.

Благодаря заранее проработанному алгоритму работы, человеческий фактор влияния на работу сводится к минимуму. Роль человека в современных станках с ЧПУ – оператор и обслуживающий персонал. При управлении – это нажатие пары кнопок и включение/выключение агрегата из розетки. С техобслуживанием + ремонтом куда сложнее – этим уже занимаются узкие специалисты.

2) Классификация станков с ЧПУ + области применения оборудования

Распределение станков по типу обработки:

• сверлильные. В основе механизма – сверло, которое за счет вращательного движения проделывает отверстия необходимого диаметра, либо идет «вскользь» заготовки для получения неправильных форм;
• токарные. Здесь уже идет вращение самого объекта по/против часовой оси или под определенным углом. Головка бура остается неподвижной;

2 варианта сборки токарного станка по металлу своими руками

• фрезерные. Режущие насадки головок помогают избавляться от ненужных материалов заготовки и придавать ей необходимую форму;
• химические/электрические. Особое направление в обработке, где применяются специализированные технологии по резке металлов. Например, EDM ультразвуковая или фотохимическая обработка;
• прочие. Сюда относят все технологии, которые не вписываются в вышеуказанные – станки по лазерной обработке, кислородная резка и так далее.

Чаще остальных в бытовом применении (хотя сами по себе станки с ЧПУ в быту — это диковинка), используются фрезеры и агрегаты по обработке мягких металлов или дерева. Детальнее по классификации станочного оборудования с ЧПУ расскажет таблица ниже.

При запуске производственного бизнеса станочное оборудование с ПО – это дорогое, но верное решение. Повышенные траты на закупку/техобслуживание компенсируются за счет экономии на рабочей силе. Вместо 10 человек, производству потребуется 2-3 оператора.

Как соорудить фрезерный станок по металлу с ЧПУ своими руками?

1) Обобщенная схема сборки

Здесь имеется 2 пути – заказать комплект для сборки заводского типа или сделать станок собственноручно с нуля. Второй вариант подразумевает массу трудностей, хотя и сулит существенную экономию средств на всех этапах сборки.

Покупные наборы дороже, но идут в комплекте с инструкцией по сборке. Потратив 1-2 недели, можно будет сделать ЧПУ своими руками по металлу + сэкономить до 30% от розничной стоимости агрегата. Минус конструкторов в их низкой универсальности. Если человек захочет перепрофилировать агрегат, придется обращаться к специалисту, ведь необходимых знаний и навыков у него попросту нет.

Чтобы сделать станок с нуля самостоятельно, придется изучить массу нюансов. Детальнее о каждом из них расскажет дальнейшая обобщенная пошаговая инструкция.

3 этапа сборки гидравлического пресса своими руками

Этап №1. Решения по конструкции

Какие нюансы следует рассматривать:

• конечный вариант устройства в соответствии с потребностями;
• на какие габариты заготовок будет рассчитан станок;
• уровень доступа к пространству для работы;
• какие материалы будут использоваться при изготовлении;
• методы сбора агрегата;
• какие инструменты будут использоваться в процессе сборки;
• на какой бюджет рассчитываете.

Этап №2. Разработка основы и Х-оси.

Что необходимо учесть:

• разработка проекта на базу станка (Х-ось);
• распределение узла на отдельные компоненты;
• как с необходимым уровнем жесткости зафиксировать компоненты узла;
• какие элементы сборки должны крепиться частично, либо работать на рычагах.

Этап №3. Разработка Y-оси.

Учитываемые моменты:

• проектирование самой конструкции оси Y;
• разбиение узла на отдельные составляющие для упрощения сборки;
• расчет сил и моментов на портале Y-оси и прочие мелочи.

Этап №4. Разработка оси Z.

Какие вопросы потребуется рассмотреть:

• разработка проекта по конструкции Z-оси;
• расчет моментов и сил вдоль оси;
• конструкция и тип рельсов, а также каково будет расстояние от одного подшипника к другому;
• как выбрать кабель-канал.

Этап №5. Рассматриваем систему движения станка

С каким трудностями стоит разобраться:

• каким образом функционируют системы движения линейного типа;
• какая конструкция подойдет именно для вашей сборки ЧПУ фрезера;
• как происходит разработка направляющих собственными руками с ограниченным бюджетом;
• выбор между блочно-рельсовой или линейно-валовой системами движения.

Этап №6. Узел механического привода

Что следует изучить:

• из чего состоит узел;
• поиск необходимых деталей именно для фрезеровального станка по металлу с ЧПУ;
• выбор между шаговым или серверным типом двигателя;
• какие винты и шарико-винтовые пары использовать;
• подбор гаек на привод;
• поиск подшипников радиального и упорного типа;
• каким образом будет крепиться двигатель;
• разбор муфты;
• выбор между редуктором или прямым мотором;
• каким образом собираются стойки с шестернями;
• как производится калибровка винтов по отношению к двигательной системе будущего станка.

Этап №7. Двигатель

С чем придется столкнуться:

• какие варианты двигателя рационально использовать с ЧПУ системами;
• какие двигатели на ЧПУ существуют вообще;
• принцип работы двигателей шагового типа + их типы
• принцип работы серводвигателей + их типы;
• NEMA стандарты;
• просчет параметров для двигателя.

№8. Разработка стола для обработки деталей

Решаемый список вопросов:

• как спроектировать и собрать экономный вариант стола для фрезера по металлу;
• разбор конструкционных особенностей поверхности;
• выбор типа стола – вакуумный или перфорированный;
• возможен ли вариант использования деревянного стола, который легко вырезается на станке с ЧПУ по древесине.

Этап №9. Параметры для шпинделя.

Что нужно изучить:

• какие шпиндели на ЧПУ имеются в свободном доступе для покупки;
• функционал детали в зависимости от типа;
• каким образом монтировать компонент узла + как обеспечить его охлаждение;
• сложности разработки шпинделя с нуля;
• как просчитывается нагрузка на деталь + ее сила давления при обработке заготовок;
• просчет оптимальной скорости подачи детали.

Этап №10. Электронная начинка станка.

Какие моменты изучить:

• какова будет панель по управлению;
• проводка и выбор предохранителей;
• количество и назначение кнопок с переключающими рычагами;
• MPG и Jog;
• Как будет запитываться контроллер.

Этап №11. Разбор параметров контроллера ПУ

Какие вопросы потребуется решить:

• разбор конструкции детали + выбор по необходимому числу опций;
• какой контур оптимален для вашего станка – замкнутый или разомкнутый;
• расценки на новые или б/у детали в сети интернет;
• возможность разработки контроллера собственными руками с нуля.

Этап №12. ПО для электроники.

Что стоит изучить в первую очередь:

• какое ПО для станков фрезеров по металлу существует в сети вообще;
• выбрать оптимальный вариант для CAM и САПР составляющих;
• найти качественное решение ПО на NC Controller.

Да, информации много, но в таком направлении деятельности, проектирование – это 80% успеха. Остальные 20% зависят от навыков обращения с инструментами и умению найти/собрать или даже подогнать нестандартную деталь под собственные нужды. Далее мы предоставим более четкую инструкцию по сборке фреза собственными руками с нуля.

2) Детальный вариант сборки ЧПУ фрезера по металлу своими руками

Теперь приступаем к интересному. Что самое важное при сборке станка? Естественно, чертежи деталей. Большинству ясно, что разработать деталь с нуля без инструкции и размеров крайне сложно, потому, люди бросаются в сеть интернет, и скачивают все подряд наброски, хотя они и предназначены для разных типов станков. Естественно, в финале у сборщика будет куча пробелов + не факт, что его конструкционное решение заработает вообще.

Дальнейшая инструкция базируется на едином плане сборке. Все чертежи деталей — это компоненты единой конструкции, а потому, соединить заготовки в узлы между собой будет очень просто. Приблизительный результат вашей работы можете лицезреть на рисунке выше. А теперь по самой сборке.

Шаг №1. Разработка дизайна и CAD модели

Разработка дизайн проекта осуществлялась в программном пространстве SolidWorks. Изначально формировались узлы, а далее происходила доработка непосредственно чертежей будущего устройства.

Благодаря размещению подшипников в отдельных блоках, их замена осуществляется в разы быстрее, нежели на заводских аналогах станка. Направляющие также в быстром доступе, а потому, уборка после работы агрегата осуществляется за пару минут.

Базовые габариты нашего фрезерного станка представлены на чертеже выше. Текущий + дальнейшие чертежи будут сопровождаться текстом на английском, но для понимания конструкции будет достаточно ознакомиться с самим рисунком и его указанных размерах.

Шаг №2. Начинаем со станины

В основе рамы лежат профили из алюминия + пластины торцевого типа из того же металла. Чтобы сделать конструкцию прочнее, внутри станины добавлен квадрат из алюминия, при сборке которого использовались профили с меньшим сечением.

Чертежи по конструкционному узлу:

1. Непосредственно профиль.



2. Пластина с торца.



3. Пластина с торца (2).



4. Накладки для защиты станины.



5. Т-подобная гайка.



6. Основной профиль (вид сбоку).



7. Размеры профиля внутри основной рамы станины.



8. Размеры профиля внутри основной рамы станины.

Во избежание запыления станины по уголкам необходимо расположить алюминиевые уголки. Блоки с подшипниками для расположения винта привода расположены по обеим сторонам торцов конструкции.

Шаг №3. Разработка портала

Деталь являются исполняющей частью конструкции. Задачи портала – смещение по главной оси Х + перемещение на себе суппорта Z и самого шпинделя. По мере роста высоты портала, увеличивается универсальность станка, ведь благодаря высокому подъёму, число заготовок для обработки существенно увеличивается.

Чертежи по порталу:

1. Сами стойки портала.



2. Профиль U-образного типа для верхней части конструкции портала (1).



3. Профиль U-образного типа для верхней части конструкции портала (2).



4. Двигатель по оси Y.



5. Пластина внутри конструкции портала поперечного типа, располагающая гаечным приводом.

Оговоренная конструкция портала рассчитана на пиковую высоту металлических заготовок до 55 сантиметров. Если хотите больше, придется корректировать высотные параметры чертежей самостоятельно.

Варианты сварочных струбцин своими руками

Шаг №4. Разработка суппорта по Z

В основе суппорта лежит все тот же алюминий. С целью укрепления функционального узла используется две вспомогательные пластины. Перемещение производится вдоль двух направляющих профильного типа.

Чертежи узловых элементов:

1. Пластинка, на которой будут фиксироваться гайки для перемещения вдоль Y-оси.



2. Пластинка вдоль Z-оси, на которой будут фиксироваться направляющие линейного типа.



3. Пластинка для задней части по Z-оси.



4. Пластинка по Z-оси, в рамках которого будет фиксироваться двигатель шарового типа.



5. Пластинка по оси Z-оси, которая будет использоваться с целью фиксации шпинделя фрезы.



6. Пластинки для нижней и средней части в отношении Z-оси.



7. Чертеж самого фрезерного шпинделя.

Если внимательно присмотреться к конструкции суппорта, будет заметно, что винт на нижней части Z-оси не располагает контропорой – это не ошибка, а конструкционная особенность элемента узла.

Шаг №5. Занимаемся направляющими

Конструкционная задача направляющих – обеспечение плавного + точного перемещения по периметру рабочей области. Даже малейший люфт приведет к браку в изделиях, а если взять во внимание автоматизацию процесса, подобная ситуация выльется в десятки тысяч рублей убытка.

Простейшим решением с высокой надежностью стоит считать только рельсы из закаленной стали. Такие направляющие дадут возможность станку выдерживать большие нагрузки + предоставит высокую позиционную точность обрабатывающих деталей во время работы. Максимально допустимое отклонение от параллели рельс в отношении друг друга должно быть не более 0.001 сантиметра.

2 способа сборки сверлильной стойки для дрели своими руками

Шаг №6. Занимаемся шкивами и винтами

Задача винта – конвертация вращательного движения, поступающего с двигателя шарового типа, в линейное. В процессе разработки проекта, человек может пойти несколькими путями в отношении оговоренной детали – использовать гайку-винт, либо обратиться к ШВП.

Чертежи винтов по осям:

1. Вдоль Х.



2. Вдоль Y.



3. Вдоль Z.

Хотя шариково-винтовая пара и обойдется дороже, но в отношении точности – этот вариант куда выгоднее пары винт-гайка. В нашей же сборке используется деталь подешевле – винт-гайка, которая имеет вставку из пластика, что снижает трение и убирает возможные люфты.

Шаг №7. Разработка рабочей поверхности и подготовка электросхем станка

Рабочий стол – место для крепления деталей по обработке. Здесь каждый решает для себя сам, из чего делать площадку – металл или дерево. Если говорить о заводских станках, то там часто применяются профили с Т-пазами, но в нашей сборке используется обычная фанера толщиной в 2 сантиметра.

Из чего будет состоять электросхема:

1. Двигатели шагового типа.
2. Драйвера на двигатели шагового типа.
3. Блок для запитки схем.
4. Плата интерфейса.
5. ПК или ноут.
6. Аварийная кнопка прекращения работы станка.

Здесь без вариантов – покупаем. Разработка плат с нуля – это не то, чем можно начать заниматься сиюминутно, пусть даже у вас и будет подробнейшая инструкция на руках. В нашем случае используется комплект от Nema.

С целью преобразования 36 вольт потока в 5-ти вольт, применяется трансформатор для понижения вольтажа. Если на момент прочтения статьи вы не нашли в продаже оговоренного комплекта, можно воспользоваться доступными аналогами, либо вообще по частям собрать составляющие самостоятельно.

3 пошаговые инструкции, как сделать тиски своими руками

Разработка бюджетного фрезера собственными руками:

Шаг №8. Фрезерный шпиндель и ПО для ЧПУ

В рассматриваемой конструкции применяется шпиндель от компании Kress – дешево и сердито. При желании, можно установить шпиндель промышленного направления, который будет иметь высокую частоту работы + охлаждение за счет воздуха или воды.

Обратите внимание: при установке промышленного шпинделя придется незначительно переделывать микросхему. В частности, добавить частотный преобразователь.

В отношении системы управления железом было принято решение обратиться к MACH3. ПО популярно как среди промышленных производств, так и самодельных станков с ЧПУ.

Все. Фрезерный станок по металлу с ЧПУ своими руками собран. Останется поковыряться пару дней с настройками и протестировать агрегат в полевых условиях. Если все собрано качественно + не присутствуют люфты, то ожидаемый результат оправдывается. Хотя исходя из статистики, есть вероятность в 90%, что ваш станок не сможет идеально отработать при своем первом запуске (если запустится вообще). Так что, не унывайте, ведь основная часть дела выполнена, а доработать систему – это уже мелочи!