Конструкция станка с ЧПУ. Программное обеспечение

Немаловажным элементом станка с ЧПУ является программное обеспечение. Учитывая большое количество задач, как правило используется несколько программных пакетов. Если рассматривать их по отдельности, то можно выделить три группы.

1. Построение моделей. Для построения моделей можно использовать огромное количество программ. При этом выбор часто зависит от типа станка и принципа действия его рабочей части. Например, для вырезания плоских деталей может быть достаточно самого простого векторного редактора. Для построения более сложных 3д изделий лучше подойдет программа трехмерного промышленного моделирования.
2. Подготовка УП. Подготовка управляющих программ возможна в ручном варианте, но гораздо лучше использовать специализированное ПО (CAM). В задачу этого ПО входит определение траектории движения инструмента, задание скорости движения и множество других функций. На выходе получается готовая управляющая программа, которую надо адаптировать под конкретный станок. Для этого используется так называемый пост-процессор. Он переводит коды УП в коды станка.
3. Управляющая программа на станке. Последняя, и самая необходимая программа выполняет непосредственное управление станком. В любительских системах наиболее часто используется обычный настольный компьютер или ноутбук, поэтому данная программ пишется либо под Windows либо под Linux.

Конструкция станка с ЧПУ. Драйверы ШД

Драйверы ШД представляют собой мощные полупроводниковые преобразователи, предназначенные для создания импульсов необходимой амплитуды и формы, используемых в управлении шаговыми двигателями. Несмотря на простоту принципа действия последних, в мощных высокоточных системах требуется учитывать множество параметров, в основном электрических. Чтобы упростить весь процесс, производители электроники выпускают множество готовых микросхем, содержащих все необходимые цепи. Не так давно, популярной считалась связка микросхем L298+L297, обеспечивающая работу одного ШД с током до 3А. Сегодня появились комплектные микросхемы, которые не требую практически дополнительных элементов. К сожалению производители все чаще используют корпуса для поверхностного монтажа, что значительно усложняет любительское конструирование.

Конструкция станка с ЧПУ. Рабочий стол

Рабочий стол станка с ЧПУ, наиболее часто, представляет собой ровную поверхность, на которую крепятся заготовки. В последнее время также становится доступным станочный алюминиевый профиль, который также можно использовать для изготовления стола. К последнему предъявляется несколько требований. Первое – он должен быть ровным, а плоскость стола должна совпадать с плоскостью движения рабочего инструмента по XY. Второе – стол должен быть жестким. В противном случае, в процессе обработки, заготовки могут смещаться, вследствие чего упадет точность обработки, либо деталь не получится вообще. Третье требование к рабочему столу – он должен обеспечивать надежное и прочное крепление заготовки. Проблема здесь в том, что при обработке, например, листовых материалов, средину листа прикрепить к столу не возможно. Если жесткость заготовки, в этом случае, оставляет желать лучшего, то средина листа начинает вибрировать, что опять же отрицательно сказывается на качестве. С целью избежать подобной ситуации применяются различные ухищрения. Например, заготовка приклеивается двухсторонним скотчем и дополнительно прижимается зажимами по краям. Одним из лучших вариантов крепления может оказаться вакуумный стол, но имеет высокую стоимость и габариты.

Материалы, из которых изготавливается рабочий стол, могут быть самыми разными. Но наиболее часто используется фанера (для деревянных станков), алюминий или сталь.

Конструкция станка с ЧПУ. Шпиндель

Шпиндель представляет собой привод рабочего инструмента станка с ЧПУ. В большинстве конструкций в качестве шпинделя используются готовые устройства, такие как бормашинки, шлифмашинки или двигатели. Шпиндель должен обладать необходимой мощностью для обрабатываемых материалов, хорошим креплением инструмента и возможностью длительной работы.

В качестве шпинделя в любительских станках используются следующие устройства.

• Бормашинки. Бормашинки и им подобные электроинструменты имеют невысокую мощность в районе 100Вт, но и не высокую цену. В большинстве из них предусмотрено регулирование числа оборотов. Неплохо подходят для небольших объемов обработки дерева, пластика, фанеры. Как правило, ресурс таких устройств невысок и используются они в станках самого низкого уровня. Для начинающих станкостроителей и для занимающихся некоторыми операциями с деревом – идеальный вариант.

• Электродвигатели. Простые электродвигатели разного назначения встречаются редко, так как требуют организации зла крепления инструмента и схемы регулирования оборотов. Тем не менее при правильном подборе мотора. Они способны показать лучшие характеристики по мощности и долговечности по сравнению с бормашинками.

• Шлифмашинки. Шлифмашинки с прямым валом и привода от ручных фрезеров представляют собой более мощные устройства со значениями до 1-2кВт. Подходят для более серьезных станков, так как позволяют обрабатывать металлические изделия. Имеют как правило съемные цанговые зажимы, позволяющие закреплять инструмент диаметром от 1 до 8 мм. Также, по сравнению с бормашинками более долговечны.

• Профессиональные шпиндели. Самый лучший, но при этом и самый дорогой вариант. Конструктивно представляют собой моноблочный агрегат, способный работать на высоких оборотах. В некоторых моделях предусмотрено водяное охлаждение. Для регулирования скорости используются преобразователи частоты. Главный недостаток таких шпинделей – высокая стоимость , начинающаяся от 10 тысяч рублей.

Конструкция станка с ЧПУ. ШД

Шаговый двигатель является основой привода современных станков с ЧПУ любительского уровня. Свою популярность он получил благодаря простой организации высокоточного позиционирования. Сам принцип действия такого двигателя подразумевает поворот вала двигателя на строго определенный угол. Иногда пользуются не углом одного шага, а количеством шагов на один оборот.

Управление шаговым двигателем организуется просто. Для организации одного шага достаточно подать два импульса на обмотки двигателя, при условии, что импульсы сдвинуты по времени. Последовательность подобных импульсов приведет к непрерывному вращению вала. Зная количество отдельных шагов и коэффициент механической передачи можно точно определить положение рабочего органа.

Кроме количества шагов на один оборот ШД имеют и некоторые другие важные характеристики. Например, развиваемый момент на валу. Данная цифра отражает, какое усилие можно снять с двигателя. К сожалению, момент имеет свойство падать с ростом скорости вращения, поэтому привод на ШД не отличается высоким быстродействием. Еще одной характеристикой является номинальный ток через обмотки двигателя. Его необходимо учитывать при построении драйверов. Также немаловажное значение играет типоразмер двигателей.

При всей простоте использования, ШД имеет несколько недостатков. Главный из них – пропуск шагов. Использование ШД не предусматривает обратной связи, поэтому ударные усилия могут привести к временной остановке двигателя и соответственно к нарушению длины перемещения. Бороться с этим недостатком можно только настройкой механической части станка и выбора двигателя с запасом по мощности. Второй недостаток – резонанс. На определенной частоте импульсов может наблюдаться резкое падение момента на валу. Здесь достаточно перейти на другую скорость вращения.

Конструкция станка с ЧПУ. Электропривод

Основой создания движения по осям станков с ЧПУ является электрический привод. Наиболее часто применяются шаговые двигатели, которые позволяют простыми средствами обеспечить высокую точность перемещения. Принцип работы шагового двигателя подразумевает поворот вала строго на определенный угол, называемый шагом. Непрерывное движение создается путем подачи последовательности импульсов. Управление шаговым двигателем реализуется очень просто. Достаточно подать на его обмотки две последовательности прямоугольных импульсов, сдвинутых относительно друг друга. Это позволяет разрабатывать схемы управления движением на простой элементной базе, без применения сложных алгоритмов.

При всех своих достоинствах, шаговый двигатель обладает массой недостатков. Так, момент или развиваемое усилие на валу двигателя, сильно зависят от скорости вращения. Это не позволяет создавать высокоскоростные системы перемещения высокой точности. Еще один недостаток связан с отсутствием обратной связи в большинстве простых контроллеров. При некоторых условиях, шаговый двигатель может пропускать отдельные шаги, что сильно влияет на точность обработки.

Альтернативой шаговому двигателю являются сервопривода, представляющие собой сложные системы с обратной связью, построенные на базе двигателей переменного или постоянного тока. Эти системы обладают высокой точностью перемещения, высокой скоростью и моментом, но имеют один существенный недостаток – высокую стоимость. Если сравнивать ее со стоимостью станка, то сервопривод только на одну ось превышает по цене практически любой готовый станок любительского уровня.

Конструкция станка с ЧПУ. Фрезы

В качестве рабочего инструмента станка с ЧПУ может использоваться разное оборудование, направленное на решение тех или иных задач. Наиболее часто используются цилиндрические фрезы. Как альтернативный вариант, некоторые любители пользуют зубопротезные боры, а для некоторых работ могут быть применены разнообразные керамические шарошки.

• Выбор фрез начинается с типа обрабатываемого материала. Фреза по металлу и фреза по дереву могут иметь абсолютно разную конструкцию. Это не значит, что фрезой по металлу нельзя обрабатывать дерево, но качество процесса будет не на высоте. Также от типа материала может зависеть материал фрезы.

• Второй фактор выбора фрез – тип выполняемых работ. Фреза для раскроя и для трехмерной обработки могут иметь разную конструкцию. Также отличаются фрезы для чистовой и черновой работы.

• Третий фактор - размеры рабочей части. Здесь необходимо учитывать диаметр фрезы и длину ее режущей части. Например, резать фанеру толщиной 8 мм фрезой длиной 6 мм абсолютно не рационально, да и нерезультативно.

• Четвертый фактор – тип фрезы. Для одного и того же материала и вида работ существуют фрезы разной конструкции, отличающиеся способом заточки, количеством режущих кромок, направлением удаления стружки. Правильный выбор типа позволяет получить лучшие результаты при наименьших затратах.

• Пятый фактор – диаметр хвостовика фрезы. Часто бывают случаи, что отличная и дорогая фреза не подходит по диаметру в имеющийся цанговый зажим шпинделя. К сожалению не все модели фрез имеют хвостовики необходимых диаметров.

Конструкция станка с ЧПУ. Подшипники и опоры

Подшипники и опоры используются для закрепления ходового вала. С целью достижения наилучших характеристик можно использовать опоры промышленного изготовления. В простых станках опоры могут быть изготовлены в виде отверстий в конструкциях. В качестве подшипников лучше использовать радиально-упорные, так как вал испытывает сильную осевую нагрузку. В небольших конструкциях неплохо зарекомендовали себя и простые радиальные подшипники.

Конструкция станка с ЧПУ. Ходовые винты.

Ходовой винт – еще одна деталь, определяющая характеристики, но уже только точности и скорости перемещения. Применяется для преобразования вращательного движения вала электродвигателя в поступательное движение механизма. Также как и на направляющих, на ходовых винтах лучше не экономить, но зачастую стоимость этих элементов запредельна.

• ШВП. Шарико-винтовая передача является лучшим вариантом ходового винта, но имеет высокую стоимость.

• Трапецеидальный винт. Наиболее распространенный вариант в любительских станках. Обеспечивает приемлемую точность, но достаточно сложен в изготовлении. В качестве ходовой гайки используются бронзовые или капролоновые элементы.

• Обычная шпилька. В качестве ходового винта можно применять и обычную метрическую шпильку нужной длины. Такое решение имеет самую низкую стоимость, но при этом и низкую точность. Еще один недостаток – недолговечность.

• Передача типа рейка-шестерня. Применяется в любительских станках редко, так как имеет особенности по установке и настройке.

• Ременная передача. Для непосредственного привода системы перемещения применяется редко, и то только в станках, не имеющих высоких требований. Гораздо чаще используется для передачи вращения с вала двигателя на ходовой вал, либо синхронизации валов.

Конструкция станка с ЧПУ. Направляющие.

Для организации системы линейных перемещений используется несколько типов направляющих. По своему значению это самый важный элемент станка, так как именно направляющие определяют большинство характеристики.

• Рельсовые направляющие с линейными шарикоподшипниками. Самый лучший, но к сожалению и самый дорогой вариант создания системы линейных перемещений. Представляет собой металлическую рельсу по которой перемещается линейный подшипник.  Выпускаются сотни разных размеров и вариантов.
• Цилиндрические направляющие. Более дешевый вариант. В качестве направляющей выступает металлический вал, по которому может перемещаться линейный шарикоподшипник или втулка. Существует две разновидности таких направляющих – классическая и опорная, напоминающая рельсу. Достоинством использования таких направляющих является возможность их извлечения из самых разнообразных устройств, например принтеров.
• Эрзац-направляющие. В любительском ЧПУ часто используются и самые разные варианты направляющих. Например, распространен металлический уголок, по которому перемещаются каретки на основе обычных подшипников. 

Конструкция станка с ЧПУ. Материалы станка.

Материалы для изготовления станков используются самые разные. Часто выбирается по принципу что есть под рукой. При этом сказать, что тот или иной материал плохой нельзя, так как все зависит от назначения и качества изготовления. Ниже приведен обзор материалов, используемых для изготовления несущих конструкций станков.

• Оргстекло и другие пластики. Используются для небольших станков, не предназначенных для фрезерования. Легко обрабатываются, имеют низкую стоимость, поэтому получили определенное распространение.
• Дерево и фанера. Существует множество конструкций, изготовленных из древесных материалов. Достоинством этих материалов является доступность и простота обработки. При должно подходе позволяют создавать простые и работающие конструкции.
• Алюминий и его сплавы. Данный материал нашел, пожалуй, самое широкое распространение в любительском станкостроении. Имея относительно легкий вес и простоту обработки, алюминий используется в деталях опорных конструкций и иных узлах. Тем не менее, его применение требует солидной станочной базы.
• Алюминиевый профиль. Отличный материал, имеющий невысокое распространение на территории России. Позволяет создавать конструкции без серьезной мехобработки. Существует несколько вариантов профиля: бокс, тавр, уголок, специализированный станочный профиль. Последний вариант представляет собой наилучшее решение для любителей, но имеет значительную стоимость и отсутствует в розничной сети.
• Сталь. Самый прочный, но при этом самый тяжелый и труднообрабатываемый материал. Используется для изготовления отдельных деталей. Наилучшим потенциалом к применению является стальной прокат, но в виду необходимости использования сварки и специализированного оборудования, распространен мало.

Конструкция станка с ЧПУ. Типы системы перемещений.

Основу любого координатного станка составляет система линейных перемещений. В зависимости от назначения, может использоваться двух- или трехосевой вариант. Для расширения возможностей, любительские станки также иногда оснащают четвертой осью, представляющей собой ось вращения. Данный элемент позволяет вращать заготовку и обрабатывать ее с разных сторон. Одним из вариантов использования четвертой оси является токарная обработка.

В зависимости от взаимного расположения осей принято выделять следующие конструкции станков:

• Станок с 2-х осевым подвижным столом. В данном станке, стол на котором крепится заготовка, перемещается по двум осям X и Y. Шпиндель с системой перемещения по оси Z крепится на отдельном основании. Конструкция такого станка достаточно проста, но отличается большими габаритами. Размеры станка представляют собой минимум удвоенную величину поля обработки. Система с подвижным, по двум осям, столом часто встречается в промышленных фрезерных станках. В любительских вариантах такой тип встречается, в основном, в небольших моделях. Создание такого станка может быть сильно упрощено, если имеется готовый стол. Например, можно выбрать модель от Proxxon.

•  Станок с 1-но осевым подвижным столом. В данном варианте стол перемещается по одной оси X. Шпиндель перемещается по двум осям Y и Z. Такая конструкция позволяет получить высокую жесткость простыми решениями, имеет меньшие габариты при том же поле обработки, что и система с 2-х координатным столом. Данный вариант можно рекомендовать для первой конструкции, так как он прост в реализации и позволяет получить неплохие результаты.

• Станок портального типа.Самый сложный в изготовлении станок, отличающийся наименьшими габаритами. В этом варианте. Стол с заготовкой остается неподвижным в процессе работы, а шпиндель перемещается по трем осям. Портальный станок предъявляет высокие требования к жесткости конструкции и используемым материалам. Тем не менее, это самый популярный вариант в любительском конструировании.