Самостоятельное изготовление лазерного станка с ЧПУ

Технические характеристики

Этот лазерный гравер оснащен 1,8 Вт 445 нм лазерным модулем, конечно, это ничто по сравнению с промышленными лазерными резаками, которые используют лазеры более 50 Вт. Но для нас будет достаточно и этого лазера. Он может вырезать бумагу и картон, и может выгравировать все виды древесины или изделия из фанеры. Я еще не тестировал другие материалы, но уверен, что он может наносить гравировку на многие другие поверхности. Сразу зайду наперед и скажу, что он имеет большое рабочее поле размером около 500×380 мм.

Кому под силу сделать такой лазерный станок? Каждому, не важно, вы инженер, юрист, учитель или студент, как я! Все, что вам необходимо – терпение и большое желание получить действительно качественный станок.

Мне потребовалось около трех месяцев, чтобы спроектировать и построить эту гравировальную машину, в том числе я около месяца ждал детали. Конечно, такую работу можно выполнить и быстрее, но мне всего 16 лет, поэтому работать я мог только на выходных.

Инструменты которые вам понадобятся

Для фрезерного ЧПУ нужны будут следующие инструменты:

• Сварочный аппарат для изготовления металлического корпуса. Преимуществом пользуются сварка — автомат;
• Необходимо будет выточить шпильки, возможно еще какие то токарные работы. Поэтому в идеале нужно было бы иметь доступ к токарному станку для выполнения работ по изготовлению комплектующих;
• Болгарка или ножовка по металлу;
• Отвертка;
• Молоток;
• Паяльник;
• Ножницы;
• Плоскогубцы и пассатижи;
• Изолента;
• Супер клей;
• Фумлента и герметик;
• Ключи для сборки.

Нужные материалы для сборки

Понятно, что вы не сможете сделать лазерный гравер, не имея нужных деталей, поэтому я составил спецификацию с почти всем необходимым для его изготовления. Практически все детали куплены на Aliexpress, потому что это дешево, и есть бесплатная доставка для большинства товаров. Другие детали, такие как обработанные стержни и листы МДФ (можно сделать из фанеры), были куплены в местном строительном магазине. Лазер и драйвер лазера были заказаны на ebay. Я попытался найти самые низкие цены для всех деталей (не включая доставку).

Было потрачено много времени, прежде чем я пришел к этому дизайну. Сначала я сделал несколько других, но именно этот был действительно самым красивым из всех остальных. Первым делом я нарисовал все детали в графическом редакторе и распечатал их в натуральном размере. Весь гравер я собираю из листов МДФ толщиной 18 мм и 12 мм. Выбор пал на этот дизайн также потому что можно было легко прикрепить ось Z и инструмент, превратив наш станок в фрезерный.

Конечно, я мог бы сделать другой, более простой дизайн … Но нет! Хотелось чего-то особенного!

Способы привязки

Способ привязки инструмента к детали и станку выбирают в зависимости от вида обработки и требований к точности. Принципы определения координат режущих кромок одинаковы для всех станков, но таблицы корректоров, команды и клавиатура на стойках могут различаться. Поэтому мы остановимся только на перемещениях инструмента и измерении.

Пройти тест

Привязка инструмента на токарно-фрезерных станках, как и другие операции по отладке управляющих программ, выполняется в режиме ручного ввода данных (MDI). Наладчик должен точно знать, какой именно код он прописывает, поскольку его исполнение происходит сразу же после ввода.

Торцевание

Для определения координаты резца по оси Z его аккуратно подгоняют к заготовке и обрабатывают ее торец. Не нужно снимать много материала — достаточно только «забелить» поверхность и совместить текущее положение инструмента с нулем станка. Перед остановкой шпинделя резец нужно вывести по оси X без изменения его положения по Z.

Такой способ привязки к ЧПУ не подойдет, если торцевая поверхность детали должна остаться нетронутой.

Точение по наружному диаметру и расточка

Для определения координаты по оси X резец подводят к боковой поверхности детали и протачивают ее с минимальным съемом материала до получения чистой поверхности. Необходимо обработать участок, достаточный для измерения диаметра. Именно этот размер нужно внести в таблицу, чтобы система рассчитала и запомнила координату. В этом случае резец отводят от детали по оси Z.

Определение координаты расточного, резьбового или любого другого резца для внутренней обработки несколько отличается. Сначала необходимо привязать сверло и просверлить отверстие в заготовке, после чего выполнить его расточку. Обратите внимание, что напайка внутреннего резца «смотрит» в обратную сторону (т. е. находится с другой стороны от оси), поэтому в таблицу инструмента значение диаметра нужно вносить со знаком «минус», иначе координата будет определена неправильно.

Слабое место такого способа — точность измерительного инструмента. Для определения наружного диаметра можно использовать микрометр. Его погрешность составляет 0,01 мм. Для определения диаметров отверстий лучше использовать нутромер. Он имеет такую же погрешность измерений. Но если нутромер не войдет по размеру (слишком маленькое отверстие), придется брать штангенциркуль. Даже если это электронный инструмент, добиться точности будет сложнее.

Обкатка индикатором

Этот способ привязки инструмента на токарно-фрезерном ЧПУ с револьверной головкой напоминает центровку электродвигателя. К нему прибегают, когда необходимо совместить ось вращения шпинделя со сверлом или центровкой. Для работы понадобится механический индикатор часового типа и штатив с магнитным основанием. В патрон на револьверной головке устанавливают калиброванный цилиндрический пруток или сам инструмент, если гладкая часть его хвостовика выступает из зажимных кулачков.

На шпинделе закрепляют штатив с индикатором так, чтобы измерительный наконечник опирался на цилиндрическую поверхность хвостовика. Шпиндель проворачивают вручную и смотрят на показания индикатора. Передвижением револьверной головки по X и Y добиваются такого положения, в котором стрелка будет оставаться неподвижной в любом положении шпинделя, и его принимают за ноль.

Щупы или концевые меры

Если поверхность заготовки нельзя обрабатывать, для определения координат по Z и X можно использовать мерные плитки или щупы с известными размерами. Резец подводят к детали с зазором: так, чтобы концевая мера не проходила. На минимальной подаче отводят резец, пока она не войдет. Толщину плитки нужно добавить в корректоры.

Обратите внимание, что при определении координаты резца по оси X толщину мерной плитки умножают на два и прибавляют к диаметру.

Бумага

Этот способ подойдет, когда к обработке не предъявляют высоких требований по точности: раскрой листовых материалов, обработка фасадов. Вместо концевой меры используют бумагу, а фрезу приближают к заготовке до тех пор, пока лист не зажмет между ними.

Электронные датчики

Многие станки комплектуются электронными датчиками привязки инструмента, которые также называют tool setter. Работать с ними удобно и быстро, определение координат выполняется в автоматическом режиме, что исключает вероятность ошибки. Tool setter вызывается командой со стойки. Инструмент подводится вручную на расстояние около 3 мм от датчика, после чего подается команда на определение координаты. В автоматическом режиме резец касается поверхности, а система станка сама делает расчет и вносит корректор в таблицу инструментов.

Также существуют датчики и комплектные измерительные системы, которые можно приобрести отдельно. Один из наиболее известных производителей такого оборудования — Renishaw. Компания изготавливает контактные датчики для привязки инструмента, деталей, проведения высокоточных технических измерений.

Процесс сборки

Распечатав чертежи, у меня появились детали, которые необходимо было собрать в кучу. Первое, что я сделал, – это установил дверь корпуса электроники с левой стороны и замок с петлей (дверца устанавливается без трудностей, поэтому я сделал это в первую очередь. Чтобы собрать корпус для электроники, я использовал множество L-образных железных скоб с отверстиями под саморезы. Если корпус планируется изготавливать из фанеры, то предварительно необходимо просверлить в ней также отверстия под саморезы.

Инструкция по сборке самодельного фрезерного станка с ЧПУ

Ниже на фото можно увидеть сделанный собственными руками фрезерный станок с ЧПУ, к которому прилагается подробная инструкция по изготовлению и сборке с указанием используемых материалов и комплектующих, точными «выкройками» деталей станка и приблизительными затратами. Единственный минус — инструкция на английском языке, но разобраться в подробных чертежах вполне можно и без знания языка.

Скачать бесплатно инструкцию по изготовлению станка: Самодельный фрезерный станок с ЧПУ

Фрезерный станок с ЧПУ собран и готов к работе. Ниже несколько иллюстраций из инструкции по сборке данного станка

Выводы

Это, пожалуй, и вся информацию, которую он нам донес, но это довольно неплохая инструкция для тех, у кого есть мечта собрать собственноручно хороший самодельный лазерный станок для домашних и хоббийных целей.

Сама сборка лазерного гравера не особо затратная, поскольку количество деталей минимально, да и стоимость их не особо высока. Самыми дорогими деталями являются, наверное, шаговые двигатели, направляющие и, конечно же, детали самой лазерной головки с системой охлаждения.

Именно этот станок заслуживает особого внимания, поскольку не каждый лазерный гравер позволяет быстро устанавливать на 3 ось фрезерную машинку и превращать станок в полноценный ЧПУ фрезер.

В заключение хочется сказать: если вам действительно хочется самому собрать качественный станок ЧПУ своими руками, который будет служить верой и правдой долгие годы, не нужно экономить на каждой детали и пытаться сделать направляющие ровнее заводских или заменять ШВП на шпильку с гайкой. Такой станок работать хоть и будет, но качество его работы и постоянная настройка механики и программного обеспечения просто расстроит вас, заставив пожалеть о потраченном на него времени и средствах.

Когда привязка необходима?

На любом станке ЧПУ привязку инструмента делают перед тем, как выставить ноль детали. Вылеты инструментов определяют в следующих случаях:

• Если у вас многошпиндельный станок или установлена револьверная головка, нужно сделать привязку для каждого инструмента перед началом обработки. Система станка запомнит все значения.
• Если у вас простой станок с одним шпинделем, привязываться нужно каждый раз после смены фрезы или резца.
• После переточки инструмента. Чтобы задать уменьшение длины сверла или изменение размера напайки резца, можно воспользоваться корректорами износа, которые есть в большинстве систем. Однако, если вы только начинаете осваивать станок, лучше определять вылет инструмента каждый раз после переточки, чтобы не ошибиться.

После замены твердосплавной пластины на резцах привязка к ЧПУ станка чаще всего не требуется. Достаточно сделать контрольный замер обработанной им поверхности.

Подключение индуктивного датчика к контроллеру

У Вас нормально разомкнутые датчики, поэтому надо подключить индуктивный датчик к разным входам на плате. Потому что входов на плате мало, поэтому сделайте подключение к разным контактам только базовых. Но помните,что они же будут концевыми по этим осям (x+ y+ z+) . Подключение концевых выключателей по x—,z—,y— сделайте последовательно и подключите к одному пину.

На каждом индуктивном датчике поставьте сопротивление по 1к-2.7к, между проводами чёрного цвета и синего.Концевые по минусу движения осей соедините последовательно, как на схеме ниже.

схема подключения индуктивного датчика

коричневый плюс (+),синий GND,чёрный сигнальный

Например вариант конфигурации:

X Home 11,он же концевик по x+. провод чёрный

Z Home 12,он же концевик по z+. провод чёрный

Y Home 13,он же концевик по y+. провод чёрный

x—,z—,y— к контакту 15,соединение трёх датчиков последовательное. Как на схеме выше.

Шаговые двигатели

В конструкции любого фрезерного станка, оснащенного ЧПУ, обязательно присутствуют шаговые двигатели, которые обеспечивают перемещение инструмента в трех плоскостях: 3D. При конструировании самодельного станка для этой цели можно использовать электромоторы, установленные в матричном принтере. Большинство старых моделей матричных печатных устройств оснащались электродвигателями, обладающими достаточно высокой мощностью. Кроме шаговых электродвигателей из старого принтера стоит взять прочные стальные стержни, которые также можно использовать в конструкции вашего самодельного станка.

Закрепление шагового двигателя на верхней каретке

Чтобы своими руками сделать фрезерный станок с ЧПУ, вам потребуются три шаговых двигателя. Поскольку в матричном принтере их всего два, необходимо будет найти и разобрать еще одно старое печатное устройство.

Окажется большим плюсом, если найденные вами двигатели будут иметь пять проводов управления: это позволит значительно увеличить функциональность вашего будущего мини-станка. Важно также выяснить следующие параметры найденных вами шаговых электродвигателей: на сколько градусов осуществляется поворот за один шаг, каково напряжение питания, а также значение сопротивления обмотки.

Для подключения каждого шагового двигателя понадобится отдельный контроллер

Конструкция привода самодельного фрезерного станка с ЧПУ собирается из гайки и шпильки, размеры которых следует предварительно подобрать по чертежу вашего оборудования. Для фиксации вала электродвигателя и для его присоединения к шпильке удобно использовать толстую резиновую обмотку от электрического кабеля. Такие элементы вашего станка с ЧПУ, как фиксаторы, можно изготовить в виде нейлоновой втулки, в которую вставлен винт. Для того чтобы сделать такие несложные конструктивные элементы, вам понадобятся обычный напильник и дрель.

Варианты самодельных направляющих

Направляющий механизм для ЧПУ часто бывает основан на использовании хромированной металлической трубы.

Направляющий механизм возможно сделать из хромированной металлической трубы

Она имеет небольшую стоимость, ее легко обрабатывать, меняя форму. Кроме того, есть и ряд недостатков:

• Защитный верхний слой стирается очень быстро, затем металл изнашивается быстрее.
• При высокой нагрузке на трубу, она не дает необходимой прочности.

Такое решение является дешевым для специалиста, но хватит работы такого станка лишь на несколько десятков часов. Это связано с минусами оцинкованных или хромированных труб, которые сами сделаны из мягкого металла, подверженного быстрому износу при нагрузке. Фрезер в совместном использовании с такими направляющими значительно сократит их срок службы.

Кроме этих способов, следует применять в качестве движущих частей устройства фрезера с небольшой мощностью. Они придают изготавливаемым деталям точную тщательную обработку, чаще их используют на станках для обработки дерева. Они имеют низкую цену и маленький срок выработки.

Вал и его виды

Стоит дать краткую характеристику и остальным видам.

• Шлицевому валу свойственно наличие специальной дорожки для шариков втулки. Отличаясь большей жесткостью и износостойкостью, сравнительно с валом обычного вида, применим в механизмах, в которых желателен монтаж направляющих на концах. В конструкции станков задействованы крайне редко из-за дороговизны.
• Вал на опоре в виде цилиндрических рельс линейного типа не допускает прогибания под нагрузкой и собственным весом. Его крепят на станине, надежно фиксируя. Несмотря на минусы, выражающиеся в наличии большого люфта втулок, их малом сроке эксплуатации, у цилиндрических рельс – большая грузоподъемность. Отличаясь от линейных подшипников, каретка по-разному реагирует на степень нагрузок. У небольшого станка ЧПУ, имеющего тяжелый шпиндель, есть вероятность того, что снизится точность.

• Предназначение профильных рельсовых направляющих – большая точность. Они также прикреплены к станине. Благодаря специальным дорожкам качения, нагрузки на каретку распределяются равномерно по поверхности, а профилем касания шарика к рельсе есть дуга. Среди плюсов – наличие хорошей грузоподъемности и износоустойчивости, а люфт сведен к минимуму. Сложности производства таких рельсов, отрицательно сказываются на ценообразовании, они дорогостоящие. Особенно это относится к направляющим, поставляемым известными брендами, у которых станки имеют числовое программное управление.
• У роликовых рельсов – плоские дорожки качения, а в опорном модуле, на месте шариков, установлены ролики, улучшающие все параметры направляющей. Их применяют в станках, фрезерующих черные металлы, сталь и камень.
• «Ласточкин хвост» выбирают для промышленного металлообрабатывающего оборудования, если нужна повышенная жесткость крепления. В направляющих этого типа – скольжение плоских поверхностей при максимальной площади контакта. Их выполняют в виде монолита со станиной. Вследствие сложности и трудоемкости процесса изготовления и ремонта, поэтому хоббийное станкостроение не приемлет эти направляющие.

Разработка ЧПУ

Каждый отдельный станок имеет управляющие команды, они написаны в инструкции. Используя этот набор, необходимо закодировать весь макет под нужные имеющиеся опции. К ним могут быть отнесены следующие:

• Запуск и отключение.
• Выбор режущего инструмента.
• Перемещение резца по двум и более плоскостям.
• Определение режима и скорости резания.
• Дополнительные механизмы, например, очистка от стружек или подача смазочной жидкости.

Введение данной программы может быть осуществлено двумя способами:

1. На персональном компьютере с помощью специализированного программного обеспечения кодировка происходит автоматически, затем уже готовый набор команд в коде с помощью записывающего устройства переносится на оборудование.
2. На самом станке есть стойка от пульта числового управления. Там можно ввести нужные команды.

Учтите факторы

Следует помнить о том, что чем сложнее устройство, тем больше нюансов использования. Важно учитывать:

• Сколько одновременно может быть задействовано инструментов – количество параллельно выполняемых задач.
• Какая рабочая мощность используется.
• Скорость подачи. Если подобрать параметр выше рекомендуемого, это может привести к перегреву заготовки и режущей кромки, к дефектам и деформациям.

Какие бывают направляющие

Любой станок базируются на точности обработки, которую обеспечивают направляющие стержни. Своими руками приходится изготавливать рабочие узлы, но есть такие, которые самому никак не сделать, годятся только детали заводского изготовления.

К примеру, рабочий орган фрезерного станка изготовить едва ли получится, как и со сверлильным или токарным. Поэтому приходится использовать готовые решения — дрели, приводы, граверы или электрические лобзики. С направляющими дело обстоит попроще, поскольку их характеристики и вид прямо зависит от предназначения агрегата.

Практически все они, применяемые в заводских и самодельных конструкциях бывают всего двух типов — скольжения и качения. По принципу подшипников, их метод работы понятен — одни основаны на скольжении, вторые используют в своей конструкции подшипники качения.

Для оборудования малой мощности и не требующих точности и производительности, используют принцип скольжения. В основном, такими деталями пользуются настольные сверлильные и токарные агрегаты, а также деревообрабатывающие. Есть еще подвиды, но рассмотрим те, которые проще всего изготовить своими руками из того, что есть в продаже.

Принцип работы

Перед тем как приступить к сборке подобного агрегата в домашних условиях, важно понять, как он работает. Существует три основных условия, которые позволяют лазеру нормально работать. Если хоть одно из них не будет соблюдено, пучок нужной интенсивности попросту не возникнет. Вот эти условия:

1. Источник питания.
2. Рабочая среда.
3. Резонатор оптического типа.

Источник энергии наполняет рабочую среду фотонами определенного заряда.

Эти фотоны забирают из активной среды частицы, которые аналогичны им. При движении в жидкости фотоны начинают ускоряться из-за сталкивания с атомами рабочей среды, это приводит к росту потенциала установки.

В другом конце трубки устанавливается матовое стекло, через которое и выходит пучок фотонов. Луч формируется таким образом, что все его фотоны встречаются в одной маленькой точке налагая друг на друга свою энергию, в результате обрабатываемый материал обжигается.

Видео: лазерный ЧПУ станок своими руками.

Подключение концевых выключателей ЧПУ

Ну вот я и подошёл к главному, что требует объяснения. Левая колодка служит для входных сигналов. Как вы видите, концевые выключатели ЧПУ и выключатели баз подключены к разным клеммам. Но все они имеют последовательное соединение. Особенностью являются параллельное соединение базовых выключателей по оси Y. На канале железкин я выложил видео Подключение концевых выключателей чпу

Так как по оси Y я использую двигатель Nema 17 два штуки, возможно нарушение синхронизации. Для этого я и поставил два концевых выключателя ЧПУ. Один концевой с левой стороны. Второй концевой с правой стороны. При нажатии на кнопку возврат в базы, ось Y остановится только когда будут разомкнуты оба выключателя. Если есть нарушение синхронизации, то левый и правый ШВП поставят ось Y в своё начальное положение не сразу. Сначала подойдёт одна из сторон, а потом другая. Так вот, пока отстающая сторона не достигнет своего положения, нажатия на концевой не будет. А будет продолжение движения до нажатия на концевые выключатели ЧПУ. Таким образом устраняется нарушение синхронизации.

Подключение концевых выключателей ЧПУ осуществляется к контакту Р 13 платы. Как и базовые они соединены последовательно. Но к контакту Р 13 я подключил ещё и кнопку, которую назвал «откат». Для чего она нужна? Потому что при работе станка возможны выходы за границы рабочего поля. Так как в таких случаях невозможно будет вывести ось в рабочее положение из за нажатого концевого выключателя. Поэтому придётся сначала освободить концевой от нажатия. Это возможно сделать разными способами. Но всё это долго и не очень удобно. Вот поэтому я и поставил такую кнопку.

Заключение.

Кнопку я подключил параллельно с концевыми. При выходе оси за пределы достаточно нажать на кнопку, и не отпуская её вывести ось в рабочее положение. Другими словами кнопка при нажатии шунтирует работу концевых Остальное я думаю не требует пояснений. В настройках программы я сконфигурировал концевые и базы таким образом. При нажатии на кнопку принять базы, концевые подключенные к Р 11 работают как базовые. Но при выполнении программы эти же концевые ЧПУ будут выполнять функцию аварийных концевых. По настройке программы можно почитать в моей статье, а также на канале Железкин в ютуб есть видео схема ЧПУ станка. А так же много по чпу и другим самоделкам.

Ответ на комментарий Евгения.