Большой Портальный Фрезерный Станок С Чпу Своими Руками.

Здравствуйте дорогой читатель, в этой статье я хочу поделиться своим опытом сборки портального фрезерного станка с числовым программным управлением.

Большой портальный фрезерный станок с ЧПУ своими руками.
</p><p>

Подобных историй в Интернете очень много, и я, наверное, мало кого удивлю, но, возможно, кому-то эта статья будет полезна.

Эта история началась в конце 2016 года, когда я и мой друг, партнер по разработке и производству испытательного оборудования, накопили определенную сумму денег.

Чтобы просто не тратить деньги (это молодой бизнес) мы решили вложить их в бизнес, после чего в голову пришла идея сделать станок с ЧПУ.

У меня уже был опыт сборки и работы с такого рода оборудованием, а основное направление нашей деятельности – проектирование и металлообработка, что и сопутствовало идее создания станка с ЧПУ.

Именно тогда началось движение, которое продолжается и по сей день.

Продолжалось все изучением форумов, посвященных тематике ЧПУ, и выбором базовой концепции конструкции станка.

Предварительно определившись с материалами, которые будут обрабатываться на будущем станке и его рабочем поле, появились первые бумажные эскизы, которые позже были перенесены на компьютер.

В среде трехмерного моделирования КОМПАС 3D машина визуализировалась и стала обрастать более мелкими деталями и нюансами, которых оказалось больше, чем хотелось бы, некоторые из которых решаются и по сей день.

Одним из первоначальных решений было определение обрабатываемых на станке материалов и размеров рабочего поля станка.

Что касается материалов, то решение было довольно простым – это дерево, пластик, композитные материалы и цветные металлы (в основном дюралюминий).

Так как в своем производстве мы в основном используем металлообрабатывающие станки, то иногда нам нужен станок, который бы быстро обрабатывал достаточно легко обрабатываемые по криволинейной траектории материалы, а это в последующем позволило бы снизить себестоимость изготовления заказанных деталей.

Исходя из выбранных материалов, в основном поставляется в листовой упаковке, стандартными размерами 2,44х1,22 метра (ГОСТ 30427-96 на фанеру).

Округлив эти размеры, мы пришли к следующим значениям: 2,5х1,5 метра, рабочее пространство определенное, за исключением высоты подъема инструмента, это значение выбрано из рассмотрения возможности установки тисков и мы предположили, что у нас не было бы заготовок толще 200мм.

Также мы учли тот факт, что при необходимости обработки торца любой листовой детали длиной более 200 мм, для этого инструмент выходит за размеры основания станка, а сама деталь/заготовка крепится к торцевой стороне основания, благодаря чему может происходить обработка торца детали.

Конструкция машины представляет собой сборное каркасное основание из профильной трубы 80 мм со стенкой 4 мм.

По обеим сторонам длины основания закреплены профильные прокатные направляющие 25-го типоразмера, на которых установлен портал, выполненный в виде трех сваренных между собой профильных труб того же типоразмера, что и основание.

Станок четырехосный, каждая ось приводится в движение шариковым винтом.

Две оси расположены параллельно вдоль длинной стороны станка, программно сопряжены и привязаны к координате X. Соответственно, оставшиеся две оси — это координаты Y и Z. Почему именно мы остановились на сборной раме: изначально мы хотели сделать чисто сварную конструкцию с закладными сварными листами для фрезерования, установкой направляющих и ШВП, но не нашли достаточно крупного координатно-фрезерного станка для фрезерования.

Пришлось чертить сборный каркас, чтобы можно было самому обработать все детали, используя имеющиеся на производстве металлообрабатывающие станки.

Каждую деталь, подвергавшуюся электродуговой сварке, подвергали отжигу для снятия внутренних напряжений.

Далее все сопрягаемые поверхности были фрезерованы, а в дальнейшем пришлось местами скоблить регулировки.

Забегая вперед, хочу сразу сказать, что сборка и изготовление рамы оказались самым трудоемким и финансово затратным мероприятием при постройке машины.

Оригинальная идея с цельносварным каркасом, на наш взгляд, превосходит по всем параметрам сборную конструкцию.

Хотя многие могут со мной не согласиться.

Многие любители и другие собирают станки такого типа и размера (и даже большего размера) в своей мастерской или гараже, изготавливая полностью сварную раму, но без последующего отжига и механической обработки, за исключением сверления отверстий для крепления направляющих.

Даже если вам повезло со сварщиком, и он сварил конструкцию с достаточно хорошей геометрией, то в результате работы этого аппарата из-за дребезжания и вибраций его геометрия уйдет и изменится.

Конечно, я могу во многом ошибаться, но если кто-то в курсе этого вопроса, то поделитесь своими знаниями в комментариях.

Сразу оговорюсь, что машины из алюминиевых конструкционных профилей мы здесь пока рассматривать не будем; это скорее тема другой статьи.

Продолжая собирать машину и обсуждать ее на форумах, многие стали советовать делать диагональные стальные укосины внутри и снаружи рамы, чтобы добавить еще большей жесткости.

Мы не пренебрегли этим советом, но добавили в конструкцию еще и укосины, так как рама получилась довольно массивной (около 400 кг).

А по завершении проекта периметр будет покрыт листовой сталью, которая дополнительно свяжет конструкцию.

Давайте теперь перейдем к механической части этого проекта.

Как было сказано ранее, движение осей станка осуществлялось посредством ШВП диаметром 25 мм и шагом 10 мм, вращение которых передавалось от шаговых двигателей с 86 и 57 фланцами.

Изначально планировалось вращать непосредственно сам винт, чтобы избавиться от ненужных люфтов и дополнительных шестерен, но без них не обошлось в связи с тем, что при непосредственной связи двигателя с винтом последний бы начинают раскручиваться на больших скоростях, особенно когда портал находится в крайних положениях.

Учитывая то, что длина винтов по оси X составляла почти три метра, для меньшего провисания был установлен винт диаметром 25 мм, в противном случае хватило бы винта диаметром 16 мм.

Этот нюанс обнаружился уже при производстве деталей, и пришлось быстро решить эту проблему, изготовив вращающуюся гайку, а не винт, что добавило в конструкцию дополнительный подшипниковый узел и ременную передачу.

Такое решение также позволило хорошо затянуть винт между опорами.

Конструкция вращающейся гайки довольно проста.

Изначально мы выбрали два конических шарикоподшипника, которые зеркально надеваются на гайку ШВП, предварительно нарезав с ее конца резьбу для фиксации обоймы подшипника на гайке.

Подшипники вместе с гайкой входят в корпус, в свою очередь вся конструкция крепится к концу стойки портала.

В передней части ШВП гайки крепили к винтам закрепительную втулку, которую впоследствии собирали на оправке для выравнивания.

На него надели шкив и затянули двумя контргайками.

Очевидно, некоторые из вас зададут вопрос: «А почему бы не использовать стойку в качестве передаточного механизмаЭ» Ответ довольно прост: ШВП обеспечит точность позиционирования, большую движущую силу и, соответственно, меньший крутящий момент на валу двигателя (это я сразу вспомнил).

Но есть и минусы - меньшая скорость перемещения и если брать шурупы нормального качества, то и цена соответственно.

Кстати, ШВП и гайки мы взяли от TBI, достаточно бюджетный вариант, но тоже соответствующего качества, так как из взятых 9 метров винта пришлось выкинуть 3 метра, из-за несоответствия геометрических размеров, ни одна гайка просто не закручивалась.

В качестве направляющих скольжения использованы профильные рельсовые направляющие толщиной 25 мм от HIWIN. Для их установки были профрезерованы установочные пазы, обеспечивающие параллельность между направляющими.

Мы решили сделать опоры ШВП самостоятельно; они были двух типов: опоры для вращающихся винтов (оси Y и Z) и опоры для невращающихся винтов (ось X).

Опоры для вращающихся винтов можно было приобрести, так как экономия была небольшая из-за собственного производства из 4-х деталей.

Другое дело с опорами для невращающихся винтов – таких опор в продаже не найти.

Судя по тому, что было сказано ранее, ось Х приводится в движение вращающимися гайками и через ременную передачу.

Две другие оси Y и Z тоже решили сделать через ременную передачу, это добавит большую мобильность в изменении передаваемого момента, добавит эстетики в виду установки двигателя не по оси ШВП, а на сторону, не увеличивая габариты машины.

Теперь плавно перейдем к электрическая часть , и начнем с дисков; В качестве них были выбраны шаговые двигатели, естественно, из соображений более низкой цены по сравнению с двигателями с обратной связью.

По оси X установили два двигателя с фланцем 86, по оси Y и Z стоял мотор с фланцем 56, только с разным максимальным крутящим моментом.

Ниже постараюсь предоставить полный список купленных запчастей.

Электрическая схема машины довольно проста, шаговые двигатели подключены к драйверам, которые в свою очередь подключены к интерфейсной плате, которая также подключена через параллельный порт LPT к персональному компьютеру.

Я использовал 4 драйвера, по одному на каждый двигатель.

Для упрощения установки и подключения установил все те же драйвера, с максимальным током 4А и напряжением 50В.

В качестве интерфейсной платы для станков с ЧПУ я использовал относительно бюджетный вариант от отечественного производителя, который указан на сайте как лучший вариант. Но я не буду это подтверждать или отрицать, плата проста в использовании и самое главное, что она работает. В своих прошлых проектах я использовал платы китайских производителей, они тоже работают и по своей периферии мало чем отличаются от той, которую я использовал в этом проекте.

Заметил во всех этих платах один может и не существенный, но минус в том, что на них можно установить только до 3-х концевиков, а на каждую ось таких выключателей требуется минимум два.

Или я просто не понял? Если у нас 3-х осевой станок, то соответственно нужно установить концевые выключатели в нулевых координатах станка (это еще называется «исходное положение») и в крайних координатах, чтобы в случае неисправности или отсутствия рабочее поле, та или иная ось просто не вышла из строя (просто не сломалась).

В моей схеме используются: 3 концевых бесконтактных индуктивных датчика и кнопка аварийного «Аварийного останова» в виде гриба.

Питание силовой части осуществляется от двух импульсных блоков питания напряжением 48 В.

и 8А.

Шпиндель с водяным охлаждением мощностью 2,2 кВт подключается через преобразователь частоты.

Скорость задается с персонального компьютера, поскольку преобразователь частоты подключается через интерфейсную плату.

Скорость регулируется изменением напряжения (0-10 вольт) на соответствующем выходе преобразователя частоты.

Все электрические компоненты, кроме двигателей, шпинделя и концевых выключателей, были смонтированы в металлическом электрошкафу.

Все управление машиной осуществляется с персонального компьютера; мы нашли старый компьютер на материнской плате форм-фактора ATX. Лучше было бы немного сжаться и купить небольшой mini-ITX со встроенным процессором и видеокартой.

Учитывая большие размеры электрошкафа, все компоненты в нем поместить было сложно; их нужно было разместить довольно близко друг к другу.

Внизу коробки я разместил три вентилятора принудительного охлаждения, так как воздух внутри коробки был очень горячим.

На лицевую сторону была прикручена металлическая пластина с отверстиями для кнопок включения и кнопки аварийной остановки.

Также на этой панели было гнездо для включения ПК, я его вынул из корпуса старого мини-компьютера, жаль, что оно не заработало.

К задней части коробки также была прикреплена крышка; В нем разместили отверстия для разъемов для питания 220В, шаговых двигателей, шпинделя и разъема VGA. Все провода от двигателей, шпинделя, а также водяные шланги для его охлаждения были проложены в гибких кабель-каналах шириной 50 мм.

Что касается программного обеспечения, то на ПК, расположенный в электрошкафу, устанавливалась Windows XP, а для управления машиной использовалась одна из самых распространенных программ Mach3. Программа настроена в соответствии с документацией на интерфейсную плату, там все достаточно понятно и в картинках описано.

Почему именно Mach3, а все потому, что у меня был опыт работы, о других программах я слышал, но не рассматривал их.

Технические характеристики: Рабочее пространство, мм: 2700х1670х200; Скорость перемещения осей, мм/мин: 3000; Мощность шпинделя, кВт: 2,2; Габариты, мм: 2800х2070х1570; Вес, кг: 1430. Список деталей: Профильная труба 80х80 мм.

Металлическая полоса 10х80мм.

ШВП TBI 2510, 9 метров.

Гайки шарико-винтовые TBI 2510, 4 шт. Профильные направляющие HIWIN Каретка HGH25-CA, 12 шт. Рельс HGH25, 10 метров.

Шаговые двигатели: NEMA34-8801: 3 шт. NEMA 23_2430: 1 шт. Шкив БЛА-25-5М-15-А-Н14: 4 шт. Шкив БЛА-40-Т5-20-А-Н 19: 2 шт. Шкив БЛА-30-Т5-20-А-Н14: 2 шт. Интерфейсная плата StepMaster v2.5: 1 шт. Драйвер шагового двигателя DM542: 4шт. (Китай) Импульсный источник питания 48В, 8А: 2 шт. (Китай) Преобразователь частоты 2,2 кВт. (Китай) Шпиндель 2,2 кВт. (Китай) Основные части и узлы я вроде бы перечислил, если что-то не включил, пишите в комментариях и я добавлю.

Опыт эксплуатации машины: В конечном итоге, спустя почти полтора года, мы наконец запустили машину.

Сначала мы настроили точность позиционирования осей и их максимальную скорость.

По мнению более опытных коллег, максимальная скорость 3 м/мин невелика и должна быть в три раза выше (для обработки дерева, фанеры и т. д.).

На той скорости, которую мы достигли, портал и другие оси практически невозможно остановить, оперевшись на них руками (всем телом) — мчится как танк.

Начали испытания с обработки фанеры, фреза работает как часы, вибрации станка нет, но и углублялись максимум на 10мм за один проход. Хотя после этого они стали копать глубже.

Поигравшись с деревом и пластиком, решили погрызть дюралюминий; Я был в восторге, хотя сначала сломал несколько фрез диаметром 2 мм, пока выбирал режимы резания.

Дюралюминий режется очень уверенно, в результате получается достаточно чистый срез по обработанной кромке.

Сталь обрабатывать пока не пробовали, но думаю, что гравировать станок хоть сможет, а вот для фрезерования шпиндель слабоват, жалко было бы его убивать.

В остальном машина хорошо справляется с возложенными на нее задачами.

Заключение, мнение о проделанной работе: Работы было проделано много, но в итоге мы изрядно устали, так как основную работу никто не отменял.

И денег было вложено немало, не скажу точную сумму, но это около 400 тысяч рублей.

Помимо затрат на оборудование, основная часть затрат и большая часть усилий ушла на изготовление базы.

Ох, у нас с ним столько проблем было.

В остальном всё было сделано по мере появления средств, времени и готовых деталей для продолжения сборки.

Машина получилась вполне функциональной, достаточно жесткой, массивной и качественной.

Обеспечивает хорошую точность позиционирования.

При измерении квадрата из дюраля размером 40х40 точность составила +- 0,05мм.

Точность обработки более крупных деталей не измерялась.

Что дальше…: Работы по станку еще достаточно, в виде пылезащиты направляющих и ШВП, обшивки станка по периметру и установки потолков посередине основания, которые будут образовывать 4 большие полки.

для охлаждения шпинделя, хранения инструментов и оборудования.

Один из кварталов базы хотели оборудовать четвертой осью.

Также необходимо установить на шпиндель циклон для удаления и сбора стружки пыли, особенно если вы обрабатываете древесину или текстолит, от которого пыль летит повсюду и везде оседает. Что касается дальнейшей судьбы машины, то тут все не ясно, так как у меня возник территориальный вопрос (я переехал в другой город), и работать на машине теперь почти некому.

И вышеперечисленные планы не гарантированно сбудутся.

Два года назад никто не мог себе этого представить.

В случае продажи машины с ее ценником все не понятно.

Так как продавать по себестоимости откровенно жалко, да и адекватная цена пока в голову не пришла.

Пожалуй, на этом я закончу свой рассказ.

Если я что-то не осветил, то напишите мне и я постараюсь дополнить текст. Что касается остального, то многое показано в видео о изготовлении станка на моем YouTube-канале.

Теги: #Сделай сам или сделай сам #CAD/CAM #CNC #cnc #станки с ЧПУ #строительство с ЧПУ #обработка с ЧПУ