Строим чпу фрезер⁠⁠

Поскольку после поста https://pikabu.ru/story/maket_chpu_frezera_deystvuyushchiy_5... внезапно образовалось 5 подписчиков и в комментариях начали просить гайд по постройке и чертежи - разберем конструкцию подробнее и по пунктам.

WARNING! Я ни разу не претендую на истину в последней инстанции, кладезь вселенской мудрости и тому подобное, посему просьба воздержаться от воплей "все не так, фанера развалится", итд. Это описание конкретной конструкции, которая собрана и вполне справляется со своими задачами. Да из металла оно было бы еще лучше, но при этом процентов на 30-50 дороже.

Сборка в SolidWorks 2017 и выкройка деталей в DXF-ах лежат тут: https://yadi.sk/d/li9uyaKI3R9Gqe

WARNING №2 - крепежные отверстия для направляющих с 90% вероятностью будут иметь другое расположение, зависит от того как их вам отрежут, и потому обязательно будут нуждаться в корректировке.

Итак, что и в каких количествах нам потребуется:

Лист фанеры 21мм -  1шт. у меня все уложилось в 1 лист 1525*1525. В идеале хотя бы качества 2/2, хотя мне повезло наткнуться на вполне приличный 4/4. Главное чтобы он был ровный, пока выбирал перебрал штук 15, половина была винтом. ценник в зависимости от качества 1200-1800. Чем и где его резать придется искать самостоятельно, но лазером к примеру получится сделать не все, кое-где нужны выборки

Плата управления 1шт:

В поиске али - 5axis mach3 board

Вариантов море, на любой бюджет, разница в возможностях и естественно цене. Простейший вариант который стоит у меня:

Работает через LPT порт, USB только для питания.

Плюсы:

+Дешево - 300-500р на али.

+ Умеет до 5 осей (не слишком нужно, но 4 вполне может пригодиться в последствии)

+ умеет рулить шпинделем (я пока не использую)

Минусы:

- LPT на современных материнках нет.

- И как внезапно оказалось даже кабели приходиться поискать.

- Ограниченная скорость работы упирающаяся в частоту порта

- В идеале нужен отдельный комп с XP на котором не будет ничего кроме MACH3

Есть варианты работающие через USB, Ethernet и вообще автономные, но стоят они уже других денег (от 10 раз дороже).

Есть варианты сразу с драйверами двигателей, обычно на TB6550/ Не рекомендую категорически! Да оно суммарно выходит дешевле, но минусы сильно перевешивают. 1) если случайно выбило один канал - менять всю плату (ну или искать замену микросхеме и лезть туда паяльником). 2) гореть они любят от любого чиха (межобмоточное замыкание, провернутый подключенный движок итд). 3) Работают далеко не идеально, что в итоге даст худшие параметры станка по скорости.

Двигатели и драйвера к ним:

В данный станок нужно 3 комплекта.

бюджетный вариант - обычные шаговики типоразмера NEMA23.

Средний ценник на али порядка 2000.

Различаются по потребляемому току, параметрам обмоток, и еще кучке параметров =)

Что интересует нас:

Угол поворота - чаще всего 1.8 градуса что дает 200 шагов на оборот вала. Бывают 0.9 - они менее мощные и 1.2 - трехфазные, встречаются еще реже чем 0.9 и требуют специфический драйвер под себя. Наш выбор 1.8 как самые массовые.

Ток обмотки - в общем случае чем выше тем двигатель мощнее. Нормальный вариант 3 ампера, бывают 4.2 (меньше 3 на мой взгляд не стоит).

Индуктивность обмотки - чем меньше тем лучше. Влияет на максимальные обороты и общую "отзывчивость"

Драйвера: из бюджетных но прилично работающих - по собственному опыту DM542

Цена - 900-1300

Напряжение питания до 50V достаточно широкий диапазон настроек по току и микрошагу (программное дробление шага двигателя на несколько отдельных шагов, повышает плавность работы и снижает шум) злоупотреблять не надо, но 1/8 - 1/32 вполне нормально.

То на что меня долго давила жаба (лучше бы взял сразу...) Дороже примерно вдвое но оно того стоит:

цена 6-7к за комплект мотор+драйвер

В поиске али - nema23 closed loop

Так называемый "гибридный" шаговик. Все отличие от обычного - наличие у него на валу энкодера и обратной связи с драйвером по положению. Что это дает - при превышении нагрузки на валу двигателя у шаговиков начинаются пропуски шагов, т.е. система команду отдала, но двигатель не смог провернуться как надо. Причем поскольку обратной связи нет система об этом не знает. Последствия - запоротые заготовки, сломанные фрезы итд.

Пример пропуска шагов при гравировке:

На этих же драйвер получает обратную связь по положению вала двигателя и либо компенсирует ее если погрешность небольшая, либо останавливает двигатель с сигналом неисправности. Так же это позволяет движкам развивать больший момент/скорость т.к. драйвер отслеживает состояние двигателя и динамически подстраивает ток обмоток. Ну и по мелочи, меньший шум и нагрев. В общем наш выбор =)

Блок питания 1шт: рекомендация одна - чем больше напряжение (в рамках возможностей драйвера) тем лучше. В нашем случае 48V, ток суммарный максимальный по всем двигателям + процентов 20 хотя бы сверху. Мой вариант 48V 12.5A 600W.

Шпиндель:

поиск - spindel motor 1.5kw

выбор зависит от задач, но не рекомендую коллекторники с гордым именем "шпиндель" 300-600W которых много на али. Слабенькие, да и по отзывам что я про них слышал, частенько проблемы с качеством.

Соответственно мой вариант: Шпиндель с водяным охлажденим (меньше шум чем у варианта с воздушным, но + возня с организацией системы охлаждения), мощность 1.5kW. Управление оборотами частотой через инвертор, максимальные обороты 24000 об/мин. Цанговый зажим фрез. Встречающиеся варианты ER11 - 1-7mm, ER20 - 1-13mm.

Брать лучше сразу комплектом шпиндель+инвертор, есть варианты сразу полный фарш с креплением, помпой, шлангами и набором цанг.

С электрикой на этом вроде закончили, переходим к механике.

Основная часть которая и отвечает за преобразование вращения двигателя в линейное движение - ШВП (шарико-винтовая пара)

В отличие от трапецеидальных винтов (бюджетный вариант) обладает значительно меньшими потерями на трение. Идентифицируется обычно по цифровому обозначению например 1605 где 16 диаметр винта, 05 - шаг винта. Т.е. за один оборот гайка сместиться на 5мм.

Для данного станка потребуются 3 швп следующих параметров:

Ось Х - 1610 (можно 1605, будет ниже максимальная скорость, но возрастет усилие) - 450мм (Длина винта указывается полная с учетом обработки концов) реальный рабочий ход ~330мм

Ось Y - 1610(1605) - 550мм

Ось Z - 1605! - 190мм (можно 200, небольшой запас есть, но надо будет перенести отверстия крепления конечной опоры)

поиск по тип+длина

Warning! внимательно читаем описание при заказе, часто бывает что на картинках у продавца швп с обработкой концов, а в описании без нее. Приезжает естественно без.

Общий бюджет швп - ~5-6к

Подшипниковые опоры для ШВП:

Комплект передней и задней BK12+BF12.

Ценник порядка 1000 за комплект. нужно 3.

Warning - поскольку у меня подшипник в одном конечном блоке довольно сильно гулял - он был поставлен на Z как ось с минимальной длиной. И в связи с этим будет необходимо либо смещать подшипник, либо корректировать расположение отверстий на чертеже приведя его в соответствие с тем расстоянием между передней и задней опорой которое будет у вас.

Муфта для соединения двигателя и ШВП:

Цена 200-300р за шт. Нужно 3.

поиск - Shaft Coupler

С пружинным элементом лучше не брать. Они конечно дешевые, но разница не так велика. У меня таких лопнуло 2 шт, после чего перешел на второй тип.

Параметры: D25 L30. Смотрим на диаметр вала у шаговиков, у обычных чаще всего 6.35мм, у гибридов 8мм. Второй диаметр 10мм (стандартная обработка швп).

Крепление приводной гайки:

Нужно 3шт, цена - порядка 200р.

поиск - ballscrew nut housing bracket

Warning! Размеры у разных продавцов могут быть разные, в итоге мне пришлось подгонять по месту делая выборку под нее почти в миллиметр глубиной.

Линейные направляющие:

Ось Z:

рельсовые направляющие (самый продвинутый тип, но и самый дорогой) HG20 + удлиненные каретки HGH20HA

Длина 200 мм. (обязательно удлиненный блок HGH20HA) 2 рельсы, 2 блока.

Примерный прайс 4-4.5к

Оси X-Y:

Круглые направляющие на опоре SBR16. Дороже просто цилиндрических (самый дешевый вариант) но в отличие от них не провисают под нагрузкой за счет опоры.

2х560мм по X и 2х640мм по Y.

Цена вопроса сильно гуляет от места заказа, но с али чаще всего тащить смысла нет, т.к. оно тяжелое и взять на месте (если есть где) обычно проще.

Мне обошлось в 4700.

Линейные модули SBR16UU и SBR16LUU (удлиненные)

по 4шт каждого типа.

Вроде ничего не забыл.

А, ну и естественно кучка крепежа. В основном болты М5 разных габаритов, чуть-чуть М6 (опоры швп).

Сбор портала в тугую посадку шип-паз с дополнительной фиксацией в виде проклеивания и стягивания мебельными стяжками

С вопросами велкам в комментарии.