В этой статье мы рассказываем о том, что построить своими руками фрезерный станок с ЧПУ — выполнимая задача. Подробно описывается весь процесс создания: от проектирования до применения станка.
В первом случае к покупным комплектующим добавлялись самодельные детали, сделанные на токарном станке, во втором проекте автор обошелся готовыми частями, третий — бонус, изготовление функционального стола для станка, совмещенного с полками для хранения материалов и инструментов.
ЧПУ-стол
На десерт — не станок, но полезная и интересная самоделка для станка, а именно — прочная и вместительная станина с полками. Если у вас еще нет станка с ЧПУ, вы можете построить ее раньше и использовать как рабочий верстак.
Эван и Кейтлин, владельцы сайта EvanAndKatelyn.com, обновили свой стол для станка с ЧПУ, добавив функциональности и вместительности.
Изделие собиралось полностью на винтовых соединениях, без применения клея, чтобы сохранить возможность легкой переделки и апгрейда.
Использованные инструменты и комплектующие:
- Кнопка остановки;
- Фиксатор роликов;
- Зенковка и биты;
- Дрель;
- Электрическая отвертка;
- Пила;
- Станок X-Carve;
- Четвертьдюймовая концевая фреза с твердосплавным покрытием;
- Четвертьдюймовая твердосплавная 4-канальная фреза с шариковым наконечником;
- Средства защиты органов слуха.
Шаг 1: подготовка
Шаг первый — удалить все со старого стола, начиная со станка и заканчивая кучей других вещей, лежащих там, и частично разобрать его. Было полностью разобрано все, кроме двух больших полок 120 х 120 см, которые укрепили, сделав основой нового стола.
Шаг 2: укрепление полок
Были использованы угловые скобки на четырех внутренних углах и L-образные скобки вдоль поперечной балки, проходящей вдоль нижней стороны.
На фото ниже: сравнение усиленной полки с недоделанной.
Шаг 3: отрезать лишнее
Первоначально было 4 стойки, поднимающиеся над верхней частью стола, потому что планировалась дополнительная полка над станком. Эту идею забраковали, решив оставить две стойки из четырех.
Их укрепили угловыми скобами.
Для закрепления полки добавили небольшие деревянные подставки.
На них поместили полку и укрепили ее еще большим количеством скобок.
Тест на прочность.
Шаг 4: пегборд — панель для инструментов
В обновленный предмет мебели стоило добавить как можно больше места для хранения, и одной из расширяющих его возможности деталей стала перфорированная панель, в отверстиях которой закрепляются держатели для инструментов. На панели вырезали углы электролобзиком.
Смотрите подробнее в видео. Дальше ее просто прикрутили.
Шаг 5: нижние полки
Для хранения в нижней части надо было оставить как можно больше места, т.к. там хранится настольная пила и барабанный шлифовальный станок. Для хранения материалов тоже было нужно много места, так что решено было добавить полку, но сделать ее легко удаляемой. Пригодились заготовленные для ножек деревянные бруски и лист фанеры.
Ножки прикрепили к фанерному листу угловыми скобами, получившуюся полку вставили в нижнюю часть. Ее легко снять, когда снова понадобится хранилище полной высоты.
Шаг 6: верхние полки
В старой станине была верхняя полка для компьютера, работающего со станком, и для разных мелких вещей. Там оставалось еще место, и под этой полкой решили сделать еще одну. Это также помогло прикрыть розетки и проводку для станка.
Верхнюю полку положили на торцы стоек и прикрутили.
Во второй полке лобзиком вырезали углы под ножки.
И также закрепили ее уголками.
Шаг 7: последние штрихи
На пегборд добавили лоточки для хранения отверточных бит и прочих мелочей.
На торец прикрутили табличку с надписью “Назови меня”, которая впоследствии будет заменена именем, придуманным подписчиками на YouTube.
Наконец, в стол вернули все, что лежало в его предшественнике.
Все фотографии принадлежат авторам проектов.
Икс
Начнем с простого – со стола-основания. Элементарный геометрический расчет показывает, что при ходе по Х равному 1000 мм длина стола должна быть 1300 мм. По крайней мере, у меня так получилось. При ходе по Y больше 300 мм ширина стола должна быть не менее 460 мм.
Изучив сортамент стандартных прессованных прямоугольных труб (боксов) из алюминиевого сплава АД31 (других промышленность, к сожалению, не выпускает) выбираем бокс 80х40х4 мм. Нарезаем из него несколько балок (1300 мм — 2 шт. и 460 мм -4шт.). Еще нам понадобятся два швеллера 50х30х4 длиной 1300 мм. В них отлично вписываются шариковые направляющие SBS15SL, которые я решил применить. В качестве ножек используем подходящие круглые ножки от дивана, купленные в магазине ОБИ. Сверлим во всем этом дырочки, кое-что красим, если есть такая возможность, и собираем каркас основания.
Получилось весьма крепко. Под нагрузкой швеллеры, в которые буду уложены рельсы слегка прогибаются, но ничего, поставим столешницу – будет совсем другое дело, основание по прочности и жесткости приобретет исключительную «дубовость».
Привинчиваем рельсы.
Они располагаются под столом и, как видите, относительно хорошо защищены от пыли и стружек. Не смотря на то, что шариковые блоки SBS снабжены скребками, предусмотреть дополнительную (пассивную) защиту рельс и блоков от прямого попадания стружек никогда не вредно.
Привинчиваем к шариковым блокам площадки, на которые впоследствии будет ставиться портал. Площадки эти — просто прямоугольные пластинки из сплава Д16Т с отверстиями для крепления портала и кронштейна под шаговый мотор.
О кронштейне шагового мотора, и вообще о проводке зубчатого ремня поговорим отдельно.
Проводка зубчатого ремня
Да, шаговые моторы для перемещения портала по оси Х будут крепиться на самом портале! Почему-то когда говорят о приводе зубчатым ремнем, в мозгах рисуется ремень в виде кольца с мотором, установленным на раму, а натяжение ремня организуется на портале или каретке. Так делать можно, но лучший ли это способ? Не уверен. Мы пойдем другим путем. Устроим из ремня псевдо зубчатую рейку.
Концы ремня закрепим на раме. Одну прижимную планку зафиксируем жестко, а другая будет иметь возможность перемещаться для натяжения ремня в пределах расстояния между соседними зубьями, т.е. в пределах 5 мм. Зубчатое колесо, как обычно, насаживается на вал мотора. Ролики устанавливаются на том же кронштейне, что и мотор. В общем, все очевидно – мотор крутится и перемещает сам себя.
Чем же такой способ лучше кольцевого ремня? Да, хотя бы тем, что расход ремня в два раза меньше, натягивать проще, экономия на зубчатых колесах, которые дорогие и их надо покупать вместе с ремнем. Ролики с осями можно подобрать готовые. В общем есть в таком решении плюсы. А минусы? Не знаю…. Кабели от моторов таскать за порталом? Так их все равно таскать от осей Y и Z, плюс-минус несколько проводов – не принципиально. Вес портала увеличится? Увеличится. И это, наверно, единственный минус, о котором стоит говорить. Цена вопроса 1,5…2 кг (вес моторов) и/или 100 долларов США (длинный ремень и дополнительные зубчатые колеса). Я выбрал экономию денег, а не веса. При таких размерах портала экономия двух килограммов его массы существенного выигрыша не дает. В конце концов, при использовании зубчатых реек моторы стоят именно на каретках.
Ремень надо брать с относительно мелким зубом. Я выбрал любезный моему сердцу ремень от хвостовой балки модели вертолета «Раптор 50». Он имеет шаг зубьев 5 мм. Зубчатое колесо тоже от этого вертолета. Его диаметр (по средней линии зубьев) 14 мм. Значит при включении двигателя в полушаговом режиме (400 шагов на оборот) перемещение каретки на один шаг будет 3,14*16/400 = 0,11 мм. Это больше, чем задумано. В микрошаге (1:6) перемещение на шаг получается 0,042 мм. То, что надо. И хотя «не тянущийся» ремень все равно чуть-чуть тянется, зато в ремне отсутствует накопленная ошибка, которая всегда присутствует в ходовом винте. В итоге, я думаю, мы уложимся в точность фрезерования 0,1 мм на длине 1000 мм. По крайней мере, по бальзе и четырехмиллиметровой фанере.
Что касается кронштейна шагового мотора, то это, как видите, простая пластина с дырками. Ничего особенного, выпиливаем точно так же, как и основание. Пока за рамки ножовки, дрели и напильника мы не вышли. Будем продолжать в том же духе.
Устанавливаем все это дело на раму и проверяем, как ездит. Ездит хорошо!
Собственно, это почти все с рамой. Осталось «причесать», придать изделию «товарный вид» и установить столешницу.
Товарный вид
«Made in дома» — не обязательно сикось-накось, коряво и неаккуратно. Меня удручают, закрепленные на уродских «курьих ножках» и торчащие во все стороны двигатели, пучки неубранных проводов, вывороченные наизнанку контроллеры и тому подобные «прелести» самодельных конструкций. Все бы ничего, в конце концов, каждый делает как может, пока автор очередного такого уродца не начинает всерьез рассуждать о серийном производстве своего детища для продажи, оправдывая неказистый вид станка, тем что это, дескать, опытный образец: «Тут подправим, там переделаем, кожухи понавесим, все покрасим, и будет это не станок, а конфетка». Не будет! Если для себя, любимого, автор не может сделать как надо, и ему не стыдно рекламировать свой недоделанный «товар» то и для покупателя он сделает тяп-ляп. Проверено, и не раз. Но это так, к слову….
Проложим пару дохленьких швеллеров, в которых будут размещаться петли кабелей от двигателей и концевых выключателей. Если контроллер большой и не лезет в подстольное пространство, то сделаем кронштейны для выходных соединителей. И, наконец, установим заглушки на торцы несущих профилей, чтобы в них не скапливалась грязь.
Затраты труда на эти на первый взгляд необязательные мероприятия окупаются с лихвой.
Столешница
Станок планируется в основном для пиления бальзы, фанеры, пластиков, поэтому столешница может быть сделана из ламинированной панели для кухонной мебели толщиной 40 мм, т.е. той же толщины, что и алюминиевые боксы. Столешница крепится к двум несущим балкам рамы. Швеллеры, в которых проложены рельсы, также следует прикрепить саморезами к столешнице. В целом, конструкция получается ровная, прочная и жесткая. Можно спокойно встать на получившееся основание станка и походить по нему пешком – ничего не случится.
Некоторым «продвинутым» специалистам может понравиться наборная столешница из алюминиевого станочного профиля. Пожалуйста, принципиально ничего не изменится. Однако станок на зубчатых ремнях может пилить только то, на что рассчитан, а именно — фанеру, пластики и тонкий алюминий, и не более того, поэтому ужесточать столешницу – бессмысленно.
Особенности выбора конструкции фрезера
Возможности современного оборудования с ЧПУ огромны. Но, ни один станок не является универсальным. Каждая модель имеет свои особенности и предпочтительную область применения. Перед выбором конкретной конструкции, следует четко определить, для чего будет использоваться станок. Попытка совместить все в одном, приведет к большим материальным и физическим затратам, без гарантии результата.
Сегодня выделяют два направления конструирования настольных фрезеров. Первое, самое простое, ориентировано на обработку дерева, пластмассы и других мягких заготовок. Такие станки не предъявляют высоких требований к конструкционным материалам, отличаются простотой и низкой стоимостью. Они доступны для самостоятельного изготовления, без применения дополнительного оборудования. Металлические изделия на таких устройствах обычно не фрезеруются. В редких случаях точатся только мягкие цветные металлы с небольшой подачей.
Второе направление фрезеров ориентировано работу с металлическими заготовками. Эти станки обладают значительной массой и состоят из деталей, выполнить которые можно только с использованием серьезного станочного парка.
Вторым по важности, параметром станка выступают размеры обрабатываемых деталей. Новичкам сразу хочется крупногабаритное поле, на котором они смогут делать все, что захотят
Но чем больше станок, тем больше технических проблем придется решать при его конструировании. Да и стоимость его будет не самой оптимальной. Если нет конкретных задач для большого станка, то рекомендуется в первом проекте ограничиться полем обработки размером в стандартный бумажный лист А4. Максимум можно выбрать А3.
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.
Подготовка к работе
Как сделать координатный стол своими руками
До сборки изучаем конструкцию по частям. Если не из чего выбрать, то докупаем необходимые материалы для поочередной сборки.
Какие материалы использовать?
Не запрещено своими руками собирать конструкцию из имеющихся материалов. В дело идет все:
- Фанера любой толщины.
- Доски или щиты из них. Бруски любые.
- ДСП, ДВП.
- Стальной прокат и алюминий.
- Трубный прокат.
Необходимые комплектующие
Именно докупать комплектующие нужно в том случае, если задуман фрезерный стол с ЧПУ. Но классический стационарный станок не трудно сделать из:
- Любого ручного фрезера.
- Дрели.
Инструменты для работы
Для работы готовим:
- Столярный клей.
- Гайки, саморезы и болты нужного размера.
- Материал для крышки (МДФ или фанера).
- Электроинструмент (лобзик, торцовую пилу и т.д.).
- Наждачную бумагу.
- Инструмент для разметки.
Как сделать монтажную пластину
Как сделать столярный верстак своими руками?
Монтажная пластина обязательно шире диаметра фрезы, если предвидится работа с несколькими режущими насадками. Выгоднее или же бюджетнее сформировать этот элемент из березовой фанеры на 20 мм.
Но практичнее работать на самодельном станке с литым поликарбонатом в качестве монтажной пластины. Суть работы такая:
- Снимают с электроинструмента подошву, предварительно положив пластину для монтажа «лицом» вверх.
- Временно соединяют пластину и подошву при помощи двухстороннего скотча.
- Подбирают сверла под диаметр заводских креплений, засверливают на пластине правильные для крепления отверстия.
- Дальше соединяют самодельную пластину с фрезером, устанавливают на стол для подгонки.
- В цангу ставят сверло на 8 мм, опускают двигатель. Нужно сверлом коснуться пластины, отметить центр.
- Далее по отметке делают отверстие нужного диаметра.
Зет
Ход по Z планируется сделать 90 мм. Почему 90? Потому что мне достаточно 90, а можно сделать и 150 мм. Это не принципиально.
Каретка Z и все, что с ней связано, самая многодельная и трудоемкая часть нашего станка. Оно и понятно, привод по оси Z нельзя сделать на ремне. При каждом выключении станка под действием своего веса и веса шпинделя каретка будет съезжать вниз, и терять «0». Кроме того, от двигателя требуется значительный момент удержания, который должен компенсировать не только усилие фрезерования, но и вес шпинделя. Только винт с шагом не более 5 мм (лучше 3 мм) спасает положение. Итак, вот детали, которые надо изготовить.
Ходовой винт
Начнем с винта. Я уже писал подробно о ходовых винтах и гайках в статье «Механика самодельного станка ЧПУ», не буду повторяться. НО. Так ли уж необходим в данном случае на оси Z ходовой винт с гайкой, выполненный по всем правилам точной механики? Вряд ли. Станок предназначен для плоского фрезерования, по сути, это просто лобзик с ЧПУ – опустил фрезу на нужную глубину и – погнали выпиливать. Тут сгодится катаный винт. Да, чего там катаный, простой винт с метрической резьбой сгодится! И гайка капроновая сгодится! Другое дело, если планируется 3D фрезерование, например барельефов и медалей…, но такая задача плохо согласуется с ременным приводом остальных осей. Так что, винт можно применить ЛЮБОЙ. Любой то любой, но я применил катаный винт Tr12х2 и бронзовую гайку с компенсацией люфта. Т.к. сегодня у меня это просто лобзик, а завтра я, возможно, захочу поставить винты на все оси. Конструкция позволяет.
Кстати, ходовой винт, переходная втулка для двигателя и опорные кольца подшипников – единственные детали, для изготовления которых нам потребуется токарный станок. Даже если вы купили резьбовую шпильку на рынке, концы такого винта нужно разделать.
Конструкция подшипникового узла ходового винта описана в вышеупомянутой статье. Она оказалась удачной, поэтому в новом станке сделаем точно также.
Отверстие в стенке под подшипники растачивать по посадке не обязательно, достаточно просто просверлить. Рабочие нагрузки направлены по оси винта, и если радиально-упорные подшипники будут слегка елозить в поперечном направлении, то ничего страшного, на точности работы оси это практически не скажется.
Сборка
Устанавливаем ходовой винт внутрь основания-швеллера, сделанного из профиля 60х40х5 мм, какого же, как и тот, который мы использовали для каретки Y. К торцам основания привинчиваем рельсы.
Внимательный читатель скажет: «Ага! Деталь, на которую ставится двигатель, фрезерованная!!!». Необязательно. Ее можно сделать из двух плоских деталей и свинтить вместе. Например, так.
Устанавливаем уголки на шариковые блоки. Уголки сделаны из профиля 50х50х5 мм. Это единственный доступный профиль из сплава Д16Т.
Спереди на уголки ставится панель, которая, по сути, и есть каретка Z. Но перед этим установим перемычку, которая свяжет уголки с ходовой гайкой.
На первый взгляд эта деталь лишняя. Ходовую гайку можно закрепить сразу на передней панели. Но в этом случае, существенно возрастают требования к точности изготовления деталей, и монтаж гайки придется производить вслепую. Т.к. станок у нас «на скорую руку» и делаем мы его на кухне, то в данном случае такая переходная деталька может оказаться полезной. Впрочем, кто в себе уверен, может ее и не ставить.
Последний штрих. Устанавливаем переднюю панель и кронштейн для шпинделя.
Кронштейн может быть фрезерованный, а может быть и просто плоский. Это у кого как получится. Ходовой винт по оси Z оказался хорошо защищен от прямого попадания стружки. В целом, каретка Z получилась компактной, ее ширина 118 мм. Неплохой результат, если учесть, что основные детали сделаны из стандартных профилей.
Этапы изготовления
После приобретения всех необходимых материалов и инструментов, можно перейти к самостоятельной сборке стола.
Изготовление рабочей поверхности и короба
В начале изготовления вакуумного стола для ЧПУ своими руками нужно создать рабочую поверхность. Для этого берется заранее заготовленный лист материала. В нем аккуратно, в шахматном порядке при помощи дрели или шуруповерта высверливаются дырки. Позже с тыльной части поверхность будет примыкать к вакуумному насосу, служащему для надежного закрепления изделий. Для повышения надежности конструкции устанавливаются перегородки. Они не дают столу деформироваться в процессе эксплуатации.
Коробка
Наиболее значимой здесь является высота, так как стол конструируется под станок с числовым программным управлением. Из металлических и деревянных частей собирается устойчивая конструкция для закрепления рабочей поверхности. Поверхность над рабочей зоной будет исполнять роль держателя для нагревательного элемента. Желательно, чтобы короб был разборным: это облегчит, дальнейшую работу, наладку оборудования или транспортировку стола в дальнейшем.
Рабочий стол должен быть максимально устойчивым и надежным. Поэтому в конструкции желательно избегать недолговечных или подвижных соединений. Для облегчения перестановок инструмента можно использовать ножки регулируемой высоты. Это позволит работать на неровной поверхности, обеспечивая устойчивость.
Нагревательный элемент
Вакуумная формовка пластика также требует наличия специального стола. При работе на изделие действует вакуумное поле и нагревательный элемент, разогревающий пластик до необходимой температуры. Для этого над столом устанавливается нагревательная панель. В качестве нагревательного элемента лучше всего зарекомендовала себя нихромовая нить. Однако из-за дороговизны материала, а также сложности с поиском его в свободной продаже при самостоятельном изготовлении обычно используются галогеновые лампы.
В качестве заготовки берется лист металла. В нем также высверливаются отверстия для ламп, после чего следует закрепление нагревательных элементов и монтаж электрической части. Все лампы требуется соединить параллельно. При более сложной конструкции электрическая часть выводится на контроллер или отдельные выключатели для нагрева определенных частей рабочей зоны. Соединение происходит при помощи пайки и медных проводов. Для сокращения проводки, более приятного вида, удобства работы и большей надежности проводки рекомендуется использовать печатную плату или несколько небольших плат. Конструкция световой панели также должна быть разборной для обслуживания.
Вакуумный насос
Самый важный элемент оборудования. Служит для создания вакуума и надежной фиксации детали. Лучше всего использовать специализированный генератор вакуума с манометром. При отсутствии специализированного вакуумного насоса подойдут несколько вакуумных вентиляторов. Возможна замена промышленными вакуумными пылесосами, однако на практике их эффективность ниже.
При подключении важно максимально снизить приток воздуха, то есть произвести изоляцию от входа до рабочей поверхности. Манометр нужен для измерения результатов: слишком сильный вакуум может повредить деталь, рабочую поверхность или оборудование
При более сложной конструкции столов регуляторы нагревательной части и манометр устанавливается в блок управления.
Блок управления
Электронная часть вакуумного стола нужна для эффективной регулировки нагрева рабочей зоны и создания более стабильной фиксации деталей. Вариантов реализации блока управления много, самую большую роль здесь играет фрезерный станок и числовое программное управление, установленное в рабочее оборудование. Наиболее оптимальный выбирается исходя из задач, бюджета, доступности конкретных элементов. Для оптимальной работы требуется микроконтроллер с дисплеем и по одному реле на каждый блок управления.
Для комфортной работы используются датчики температуры и давления. При минимальной комплектации требуется по одному датчику и 2 реле: одно для включения/выключения насоса, другое – для контроля нагревательной панели. Для разграничения рабочей области, использования зажима и нагрева только для части стола необходимо использовать большее количество реле и соответственно более производительный контроллер. Установка надежного блока управления сделает работу более комфортной, позволит не отвлекаться на показатели манометра.
