Управление самодельным станком чпу через ардуино. Как в домашних условиях сделать ЧПУ станок на Arduino

В статье речь пойдет о том, как своими руками можно сделать ЧПУ станок из дерева. В качестве электроники автор решил использовать Arduino UNO R3, GCode Sender и GRBL. Уникальность идеи в том, что станок сделан из дерева, что делает его сборку проще и доступнее. Сложнее всего собирается механическая часть, подключить электронику не составит большого труда.


Материалы и инструменты для изготовления:
- резьбовые валы;
- фанера;
- болты и гайки;
- шариковые подшипники;
- шаговые двигатели типа Nema 23;
- для шаговых двигателей нужны драйвера TB6560;
- питается установка от напряжения 24 В 15 А;
- Arduino UNO R3;
- металлические втулки, а также втулки из нейлона (можно из капролона или фторопласта);
- провода.

Процесс изготовления:

Шаг первый. Делаем основание станка (ось Х)
Для изготовления основы понадобится несколько брусков, в которых нужно будет просверлить несколько глухих и сквозных отверстий. Затем устанавливают металлические валы, они служат в качестве привода для оси Х.

Резьбовой вал устанавливается по центру, а по бокам устанавливаются два стальных вала в качестве направляющих. Когда резьбовой вал вращается, каретка перемещает резьбовой стол по оси Х.

Брусок должен быть как можно толще, так как чем тяжелее будет основа, тем надежнее будет стоять станок во время работы. А это, в свою очередь, повышает качество изготовления во время работ.

Шаг второй. Создаем ось Y
Портальная конструкция для оси Y создается таким же образом, как и основание Х. Портал фиксируется на подвижном столе, который перемещается по оси Х. Как это происходит, можно увидеть на фото.

Шаг третий. Создаем ось Z
Ось Z создается точно так, как и две предыдущие. Благодаря этой оси происходит вертикальное перемещение рабочего органа, который подает инструмент.

Шаг четвертый. Сборка конструкции
Далее, после того как все элементы будут уже изготовлены, станок можно будет собрать и этот процесс не сложный. Для соединения элементов используются болты с гайками. Размеры станка могут быть разнообразными, все зависит от личных потребностей. Если в процессе сборки какие-то элементы поломались, не нужно использовать клей для их ремонта, лучше всего изготовить элемент заново. В таком случае будет обеспечена необходимая жесткость элементов.

Шаг пятый. Электронная часть устройства
Когда механическая часть будет собрана, можно переходить к процессу подключения электроники. Нужно соединить Arduino с драйверами и шаговыми двигателями. Каждый драйвер нуждается в источнике питания для работы. Автор использовал источник питания мощностью 24 В 15 А. Что касается драйвера, то здесь он уже выбирается индивидуально в зависимости от мощности двигателя. Катушки двигателей и их полюса обозначаются буквами A+, A-, B+, B-.

Выход CLK+ нужно подключить к пину step на Arduino. Контакт CW+ нужно подключить к пину direction. Ну а CLK- и CW нужно подсоединить к пину GND. Контакты EN+ EN- не используются.

Шаг шестой. Программная часть устройства
На следующем этапе нужно загрузить программное обеспечение, которое будет управлять станком. Процесс это не сложный, нужно загрузить код с помощью программы XLoader на плату Arduino. После этого нужно открыть GCodeSender, чтобы соединить плату Arduino с персональным компьютером. После этого плата будет готова для управления станком CNC.

Станки с ЧПУ являются неотъемлемой частью металлообрабатывающего производства. Их используют для производства разных деталей от болтов, до элементов разного рода машин и конструкций. Эту технологию можно применить и в домашних условиях разработав станок ЧПУ на Ардуино своими руками.

Что такое ЧПУ

Специально для тех, кто не в теме, в двух словах расскажу, что означает эта аббревиатура из трех букв.

ЧПУ – это числовое программное управление

Станок ЧПУ – это станок с компьютером, который управляет его приводами. Привода в свою очередь вращают оснастку (штука, которая режет заготовку), и двигают станину (на ней расположена заготовка).

Например, для изготовления сложной детали из стали, станок, словно художник, вырезая стамеской из бревна, трафарет Ленина, аналогично будет двигать оснастку по заготовке до тех пор, пока не выполнит всех инструкции кода компьютерной программы.

Возможно, ли собрать станок ЧПУ на Ардуино своими руками

Для того, чтобы собрать arduino станок своими силами понадобится много времени и терпения. Элементная база и сложность конструкции зависит только от тех задач, которые будут поставлены перед станком.

Например, для создания в домашних условиях мини плоттера (тоже является ЧПУ станком) потребуются следующие детали:

• Arduino UNO – 1 шт.
• Драйвер мотора L298 – 2 шт.
• Маленький сервопривод – 1 шт.
• DVD/CD привод – 2 шт.

Микроконтроллер будет выполнять роль компьютера. L298 нужны для управления силовой частью приводов. Привода при перпендикулярном расположении будут выполнить две оси перемещения: Х, У. Сервопривод предназначен для оси Z, на ней будет крепиться маркер, который будет выступать в роли печатающего инструмента. Вот такая простая идея, ее реализацией может заняться каждый, кто получил основные навыки работы с Ардуино.

Примеры проектов ЧПУ Ардуино

1. Гравировочный станок с мощным лазером выжигает узоры на дереве.
2. Пример создания фрезерного станка ЧПУ Ардуино. В качестве оснастки используется дрель.
3. Еще одна интересная реализация гравировочного станка на основе лазера и arduino uno

В этой статье я только рассматриваю вопрос возможности создания станка чпу на ардуино. Процесс создания мини плоттера на Ардуино – вопрос отдельной, большой темы.

В век информатизации и автоматизации. Станок с ЧПУ очень распространенный и им ни кого не удавишь. И многие самостоятельно собирают данные станки в домашних условиях. Не так давно мой старый знакомый предложил собрать станок. Он работает на фрезерном станке с ЧПУ . После небольшого размышления, мы приняли решения что будем собирать станок ЧПУ с минимальной затратой средств.

Цель создания станка ЧПУ:

Во-первых, чтобы проверить свои силы и возможности.

Во-вторых, первый бил чаше всего бывает комом. Но не в нашем случае. Буквально за 2 выходных мы собрали станок который перемешался по 2 осям.

После чего мы провели небольшие доработки. Вот что у нас получилось:

Для управления выбрали . Дешевый и надежный вариант, так как для ардуины большой выбор прошивок и программ для управления станком. Блок питания взяли от компьютера. Мотор для шпинделя взят от сломленного автомобильного компрессора. Полный обзор схемы и программы будет в следующем видео.

Для сборки были использованы материалы который у нас лежали без дела. Купили только мебельные направляющие. И один матричный принтер. В итоге наш расход привесил чуть больше 2000 руб. Написал в заголовке станок ЧПУ за 3000 руб. потому что если все покупать то в данную сумму можно уложиться.

В связи с тем что станок ЧПУ собран по принципу минимум затрат, он обладает радом недостатков. Например при работе больше часа двигателя нагреваются и им приходиться дать время для того чтобы они остыли. Поставить кулеры для охлаждения каждого двигателя пока нет возможности и скорее всего это не целесообразно. Возможно если станок использовать для лазерной гравировки двигателя не будут так быстро нагреваться. Остальные недостатки буду рассматривать в следующих виде роликах.

Станки, оснащенные числовым программным обеспечением (ЧПУ) представлены в виде современного оборудования для резки, точения, сверления или шлифования металла, фанеры, дерева пенопласта и других материалов.

Встроенная электроника на базе печатных плат «Arduino» обеспечивает максимальную автоматизацию работ.

1 Что собой представляет станок с ЧПУ?

Станки ЧПУ на базе печатных плат «Ардуино» способны в автоматическом режиме бесступенчато менять частоту вращения шпинделей, а также скорость подачи суппортов, столов и прочих механизмов. Вспомогательные элементы станка ЧПУ автоматически принимает нужное положение, и могут использоваться для резки фанеры или алюминиевого профиля.

В устройствах на основе печатных плат «Arduino» режущий инструмент (предварительно настроенный) также сменяется в автоматическом режиме.

В устройствах ЧПУ на базе печатных плат «Ардуино» все команды подаются через контроллер.

Контроллер получает сигналы от программоносителя. Для такого оборудования для резки фанеры, металлического профили или пенопласта программоносителями являются кулачки, упоры или копиры.

Поступивший из программоносителя сигнал через контроллер подает команду на автомат, полуавтомат или копировальный станок. Если необходимо сменить лист фанеры или пенопласта для резки, то кулачки или копиры заменяются другими элементами.

Агрегаты с программным управлением на базе плат" Ардуино" в качестве программоносителя используют перфоленты, перфокарты или магнитные ленты в которых содержится вся необходимая информация. С применением плат «Arduino» весь процесс резки фанеры, пенопласта или другого материала полностью автоматизируется, сто минимизирует затраты труда.

Стоит отметить, что собрать станок ЧПУ для резки фанеры или пенопласта на базе плат Arduino своими руками можно без особых сложностей. Управление в агрегатах ЧПУ на основе «Ардуино» осуществляет контроллер, который передает как технологическую, так и размерную информацию.

Применяя плазморезы с ЧПУ на базе плат «Ардуино» можно освободить большое число универсального оборудования и наряду с этим увеличить производительность труда. Основные преимущества станков на базе «Ардуино», собранных своими руками, выражаются в:

• высокой (по сравнению с ручными станками) производительностью;
• гибкости универсального оборудования в сочетании с точностью;
• снижении потребности в привлечении квалифицированных специалистов к работе;
• возможности изготовления взаимозаменяемых деталей по одной программе;
• сокращенных сроках подготовки при изготовлении новых деталей;
• возможности сделать станок своими руками.

1.1 Процесс работы фрезерного станка с ЧПУ (видео)

1.2 Разновидности ЧПУ станков

Представленные агрегаты для резки фанеры или пенопласта, использующие для работы платы «Arduino», делятся на классы по:

• технологическим возможностям;
• принципу смены инструмента;
• способу смены заготовки.

Любой класс такого оборудования можно сделать своими руками, а электроника «Arduino» обеспечит максимальную автоматизацию рабочего процесса. Наряду с классами, станки могут быть:

• токарными;
• сверлильно-расточными;
• фрезерными;
• шлифовальными;
• станки электрофизического ряда;
• многоцелевые.

Токарные агрегаты на базе «Arduino» могут подвергать обработке наружные и внутренние поверхности всевозможных деталей.

Вращение заготовок может проводиться как в прямолинейных, так и в криволинейных контурах. Устройство также предназначается для резки наружной и внутренней резьбы. Фрезерные агрегаты на базе «Arduino» предназначаются для фрезерования простых и сложных деталей корпусного типа.

Кроме того они могут производить сверление и расточку. Шлифовальные станки, которые также можно сделать своими руками могут применяться для финишной обработки деталей.

В зависимости от вида обрабатываемых поверхностей агрегаты могут быть:

• плоскошлифовальными;
• внутришлифовальными;
• шлицешлифовальными.

Многоцелевые агрегаты могут применяться для резки фанеры или пенопласта, выполнять сверление, фрезерование, расточку и токарную обработку деталей. Перед тем, как сделать станок с ЧПУ своими руками, важно учитывать, что деление оборудования производится и по способу смены инструмента. Замена может производиться:

• вручную;
• автоматически в револьверной головке;
• автоматически в магазине.

Если электроника (контроллер) может обеспечивать автоматическую смену заготовок с использованием специальных накопителей, то аппарат может длительное время работать без участия оператора.

Для того, чтобы сделать представленный агрегат для резки фанеры или пенопласта своими руками, необходимо подготовить исходное оборудование. Для этого может быть пригоден бывший в употреблении .

В нем рабочий орган заменяется на фрезу. Кроме того сделать механизм своими руками можно из кареток старого принтера.

Это позволит двигаться рабочей фрезе в направлении двух плоскостей. Далее к конструкции подключается электроника, ключевым элементом которой является контроллер и платы «Arduino».

Схема сборки позволяет сделать своими руками самодельный агрегат ЧПУ автоматическим. Такое оборудование может быть предназначено для резки пластика, пенопласта, фанеры или тонкого металла. Для того, чтобы устройство смогло выполнять более сложные виды работ, необходим не только контроллер, но и шаговый двигатель.

Он должен обладать высокими мощностными показателями – не менее 40-50 ватт. Рекомендуется использовать обычный электродвигатель, так как с его применением отпадет необходимость в создании винтовой передачи, а контроллер будет обеспечивать своевременную подачу команд.

Нужное усилие на вал передачи в самодельном устройстве должно передаваться посредством зубчатых ремней. Если для передвижения рабочей фрезы самодельный станок с ЧПУ будет использовать каретки от принтеров, то для этой цели необходимо выбрать детали от принтеров больших размеров.

Основой будущего агрегата может послужить прямоугольная балка, которая должна быть прочно закреплена на направляющих. Каркас должен отличаться высокой степенью жесткости, но использовать сварку не рекомендуется. Лучше применять болтовое соединение.

Сварочные швы будут подвергаться деформации из-за постоянных нагрузок при работе станка. Элементы крепления при этом разрушаются, что приведет к сбою настроек, а контроллер будет работать некорректно.

2.1 О шаговых двигателях суппортах и направляющих

Агрегат с ЧПУ, собранный самостоятельно, должен быть оснащен шаговыми электродвигателями. Как уже упоминалось выше, для сборки агрегата лучше всего использовать двигатели от старых матричных принтеров.

Для эффективного функционирования устройства понадобится три отдельных двигателя шагового типа. Рекомендуется применять двигатели с пятью отдельными проводами управления. Это позволит увеличить функциональность самодельного аппарата в несколько раз.

При подборе двигателей для будущего станка нужно знать число градусов на один шаг, показатель рабочего напряжения и сопротивление обмотки. Впоследствии это поможет произвести корректную настройку всего программного обеспечения.

Крепление вала шарового двигателя производится с применением резинового кабеля, покрытого толстой обмоткой. Кроме того, с помощью такого кабеля можно присоединить двигатель к ходовой шпильке. Станину можно изготовить из пластмассы с толщиной в 10-12 мм.

Наряду с пластиком возможно применение алюминия или органического стекла.

Ведущие детали каркаса крепятся с помощью саморезов, а при использовании древесины можно крепить элементы клеем ПВА. Направляющие представляют собой стальные прутья с сечением в 12 мм и длиной в 20 мм. На каждую ось приходится по 2 прута.

Суппорт изготавливают из текстолита, его размеры должны составлять 30×100х40 см. Направляющие части текстолита скрепляются винтами марки М6, а суппорты «Х» и «У» в верху должны иметь 4 резьбовых отверстия для закрепления станины. Шаговые электродвигатели устанавливаются с помощью крепежей.

Крепления можно сделать с использованием стали листового типа. Толщина листа должна составлять 2-3 мм. Далее винт соединяется с осью шагового двигателя посредством гибкого вала. С этой целью можно задействовать обычный резиновый шланг.

Создать ЧПУ на Ардуино – сравнительно несложно. Но многие воспринимают это как вариант для пользователей-непрофессионалов, считая, что такой подход устроит лишь «чайников».

Что такое Arduino

Прежде всего, стоит разобраться, что такое Arduino.

Ардуино это:

• название торговой марки аппаратуры, средств программирования, при помощи которых реально построить модели станков (в том числе, трехосевого), несложные системы автоматики и робототехники;
• линейка продукции, наличие открытой архитектуры у которой позволит скопировать или дополнить уже существующие конструкции;
• небольшая плата с собственным процессором и памятью;
• аппаратная вычислительная платформа или же контроллер;
• язык программирования, позволяющий разбирать различный софт (условно бесплатное ПО, свежие новости в области IT);
• так называемый электронный конструктор.

Создавая на Ардуино устройства электроники, способные принимать сигналы от разных цифровых и аналоговых датчиков, подключенных к нему, как к основе. Поэтому в контексте данной статьи, речь будет идти о платах.

Разработка электроники с Arduino

Такая плата может быть самостоятельно собрана пользователем или покупается в сборе. Она способна принимать программное обеспечение компьютера. Arduino, упрощая работу с микроконтроллерами, имеет преимущества перед другими устройствами:

• низкую стоимость;
• кросс-платформенность (способность работать в нескольких ОС);
• простую, понятную среду программирования (подходит для новичка, а также опытного пользователя);
• в качестве основы Arduino применяются микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168.

Один из умельцев по схеме создал первый из доступных материалов себестоимостью в пределах 170$. Его предназначение – резка пластика и фанеры, раскрой деталей для создания любой самоделки. Электронную часть собрано на arduino с прошивкой GRBL. Для этого понадобились главные узлы:

• платы Ардуина R3, cnc shield v3 Update или новая версия v4;
• ШД (тип NEMA 17);
• блок питания (24 В, 15 А).

Заготовил механику для самодельного ЧПУ своими руками, включая станину из фанеры толщиной 10 мм, шурупы и болты 8 мм. Чтобы сделать линейные направляющие, взял металлический уголок 25х25х3 мм и подшипники 8х7х22 мм. Движение оси Z на шпильке M8, а оси X и Y – зубчатые полиуретановые ремни T2.5. Использован самодельный шпиндель.

Рабочее пространство станка 45 см по X, 33 см по Y, 4 см по Z. Что касается фрезера, в Китае приобретено несколько фрез (3 и 4 канавки). Они идеальны для металла, а для фанеры (надо было вырезать шестерёнки) понадобились другие.

ЧПУ станок из дерева

Для него нужна Аrduino uno R3, G-сode Sender и GRBL. Необходимо заранее подготовить материалы и компоненты: фанеру, гайки с болтами, резьбовой вал и стержни из стали, шарикоподшипники, ШД Nema 23 и драйвера к ним, источник питания 24 В, 15 А, втулки из капролона, фторопласта и металла, провода.

Многое, входящее в электронику, прислали из Китая.

Основанием служат бруски из древесины с глухими, сквозными отверстиями. Стальной резьбовой вал, установленный по центру станка, служит приводом для оси Х. В момент его вращения – каретка (рабочий стол) выполняет перемещение вдоль этой оси Х.

ВНИМАНИЕ: чём толще фанера или деревянный брусок, тем меньшей будет вибрация, выше точность позиционирования.

Портал (ось Y) устанавливают на подвижном столе, фиксируя гайкой под столом. Ось Z служит для перемещения рабочего органа (он подает инструмент в вертикальном положении).

Для сборки понадобятся болты и гайки. Не стоит склеивать поломанные делали, лучше их заменить новыми. Подключая Arduino, ШД и драйверы к каждому из них, надо предусмотреть и блоки питания для них. Загрузив и настроив код GRBL, можно открыть G-сode Sender и подключить Arduino к ПК. Плата готова участвовать в процессе управления чпу станком.

Чтобы задать траекторию обработки, используются чертежи любой CAD программы. Затем используется CAM программа, формирующая .

Зачем нужны шилды

Обладатели самодельных устройств наслышаны о платах расширения – Arduino cnc shield, применение которых расширяет функционал фрезерного оборудования.

Обычно шилду изготавливают под форм-фактор платы. Используют и несколько шилдов одновременно, устанавливая их на микроконтроллер (один на другой). Спектр их применения:

• при помощи официального устройства Arduino – Ethernet cnc shield можно добиться независимости проекта от ПК, да и для хостинга веб-сервера его используют;
• 4 Relay Shield – возможность для того, чтобы подключать 4-х периферийные устройства;

ВАЖНО: надо соблюдать осторожность с контактами этого устройства, чтобы не повредить Arduino.

• Рrotoshield – весьма полезный шилд в момент, когда собирается схема;
• LCD Shield позволяет информацию с Arduino выводить напрямую на периферийный экран;
• еnergy Shield – расширенные возможности для питания на Arduino. Реальна подзарядка мобильников и гаджетов;
• мotor shield обеспечивает управление большим числом моторов и их защиту;
• SD Card Shield служит для обработки и хранения больших массивов информации;

• Wi-fi Shield, подключенный к серийному порту, обеспечит дистанционное управление приводами роботизированных проектов;
• GPRS Shield оснащается антеннами для использования сети GSM/GPRS;
• E-Ink shield – путь для использования технологии электронных чернил, дисплею нужен для питания минимум энергии;
• мusic Shield способен воспроизводить музыку через Arduino в отличном качестве.

Реально создать лазерный 3D принтер, ЧПУ станок, употребляя бюджетные платы Arduino. С платой расширения CNC Shield можно работать на станках с числовым программным управлением, в гравировальной или фрезерной машине. А шилд для управления тремя ШД (трехосевой станок) имеет три разъема, чтобы не было проблем с каждым драйвером при подключении.

Для любителей выжигать на различных материалах

В сети можно увидеть многочисленные самодельные модели выжигателей, которые способны создавать рисунок на фанере, пластике, металле и даже на стекле. Причем достигается фотографическая схожесть и некоторая объемность изображения. Поверхность очищают, обезжиривают, грунтуют белым акрилом марки Kudo и, применяя лазерный ЧПУ выжигатель, его ещё называют пиропринтер, создают уникальные изображения. Иногда процесс длится 6 и больше часов.

Скорость работы выжигателя – стабильная 10 м/мин, и у программистов есть идеи, как ее поднять, не вмешиваясь в работу блока управления. Управлять выжигателем можно и с ноутбука (ОС Windows XP и 7), отказавшись от LPT кабеля. Это превратит выжигание в увлекательное занятие для детей и подростков с применением возможностей лазерных фрезеров.

А как насчет взаимодействия

Удивительно слушать заявления некоторых умельцев, что для ЧПУ Ардуино не подходит, тем более, невозможен симбиоз mach3 arduino, якобы они не желают взаимодействовать.

Другие же уверены в противном: ардуину можно реализовать для ЧПУ при помощи трёх вариантов:

1. Полностью автономный контроллер.
2. Плата-интерпретатор отвечает за движения, но они рассчитываются на компьютере.
3. Плата-транслятор (переходник) – выполняет роль виртуального ЛПТ-порта.

Многие пользователи в сети, у которых проблемная электроника, просят посоветовать им программу, чтобы станки под управлением таковой, могли работать чётко и бесперебойно. призваны заготовку обрабатывать равномерно, выполняя сигналы программного блока.

Лазерный фрезер, даже сделанный своими руками, будет демонстрировать соблюдение всех параметров движения.

Вместо заключения

Какое бы устройство не собирали умельцы на базе Arduino: фрезерный станок или лазерный прибор для выжигания, им нужны чертежи и схемы, материалы и комплектующие, некоторые практические умения, чтобы справиться с этой задачей. А ещё – вера в свои силы, умело сочетающаяся с желанием чему-то научиться у других.