Фрезерный станок с ЧПУ по дереву: идеи для мастера

Электронная начинка оборудования

Управлять вашим станком с ЧПУ, сделанным своими руками, будет программное обеспечение, а его необходимо правильно подобрать

Выбирая такое обеспечение (его можно написать и самостоятельно), важно обращать внимание на то, чтобы оно было работоспособным и позволяло станку реализовывать все свои функциональные возможности. Такое ПО должно содержать драйверы для контроллеров, которые будут установлены на ваш фрезерный мини-станок

В самодельном станке с ЧПУ обязательным является порт LPT, через который электронная система управления и подключается к станку

Очень важно, чтобы такое подключение осуществлялось через установленные шаговые электродвигатели

Схема подключения униполярных шаговых электродвигателей для 3-х координатного станка с ЧПУ (нажмите для увеличения)

Выбирая электронные комплектующие для своего станка, сделанного своими руками, важно обращать внимание на их качество, так как именно от этого будет зависеть точность технологических операций, которые на нем будут выполняться. После установки и подключения всех электронных компонентов системы ЧПУ нужно выполнить загрузку необходимого программного обеспечения и драйверов. Только после этого следуют пробный запуск станка, проверка правильности его работы под управлением загруженных программ, выявление недостатков и их оперативное устранение

Только после этого следуют пробный запуск станка, проверка правильности его работы под управлением загруженных программ, выявление недостатков и их оперативное устранение

Все вышеописанные действия и перечисленные комплектующие подходят для изготовления своими руками фрезерного станка не только координатно-расточной группы, но и ряда других типов. На таком оборудовании можно выполнять обработку деталей со сложной конфигурацией, так как рабочий орган станка может перемещаться в трех плоскостях: 3d.

Устройство и принцип работы

Не зависимо от размеров, промышленный агрегат и настольный фрезерный станок с ЧПУ по дереву имеют одинаковые узлы, обеспечивающие перемещение инструмента по 3-м основным осям:

X – шпиндельный узел, перемещающийся по балке поперек стола;
Y – перемещение консоли вдоль стола;
Z – вертикальное движение шпинделя с цанговым патроном и инструментом.

Вдоль оси Y дополнительно перемещается стол. На столе 3D станков устанавливается независимый шпиндель с кулачками для крепления заготовки. При обработке длинных деталей напротив крепится центр – задняя бабка.

Для удобной работы устанавливается приспособление для сбора стружки. На домашнем оборудовании это обычный пылесос с большим мешком. Шланг подводится в зону реза и легкие опилки засасывает внутрь поток воздуха.

Каждый узел приводится в движение отдельным приводом. Мощность двигателя и количество оборотов подбирается разное, в зависимости от назначения. Фрезеровка производится на большой скорости для обеспечения чистоты обработки. Стол и консоль перемещаются медленно, но с большими нагрузками от веса самих узлов и детали.

Основой служит станина, на которой установлены консоли, стол, блок управления. Для движения имеются направляющие и зубчатые реки. Само перемещение осуществляется вращением звездочек на подвижных узлах.

Движение всех узлов – изготовление деталей на фрезерных станках происходит по команде блока ЧПУ шаговым двигателям, каждому отдельно, исходя из положения инструмента в данный момент, и куда ему следует сместиться для гравировки или объемной обработки.

Программа закладывается в блок ЧПУ в виде координат по 3-м осям. Производится корректировка – указывается форма и размер фрезы. После включения станка начинается движение фрезы и детали относительно друг друга. Компьютер сам выбирает оптимальную траекторию фрезеровки и, какой из узлов удобнее перемещать.

Блок управления подает команды и постоянно получает отчеты о координатах фрезы в каждой оси.

Промышленное оборудование использует для управления программные блоки, созданные программистами на отдельно стоящих компьютерах. Программы загружаются в блок управления в виде дискеты. Изменить что-то невозможно, надо создавать новую программу. Возможно использование нескольких видов инструмента для изготовления одной детали. Вначале работы с первой заготовкой от партии устанавливается нулевая точка для каждого.

Настольный фрезер ЧПУ по дереву в домашней мастерской использует в основном механическое копирование. Оно производится по реальному шаблону. Копировальная втулка или считывающий датчик движется по одной из осей X или Y вдоль материального шаблона, и передают все координаты на рабочий инструмент. Обработка производится поэтапно, предварительная, грубая и чистовая.

Особенности изготовления

Арсенал инструментов домашних мастеров отличается огромным многообразием

Особенное внимание уделено фрезерному станку. Это устройство представляет собой оборудование, позволяющее выполнять множество операций по металлу, по дереву, по пластмассе и иным материалам

Размеры, мощность и набор функций фрезерных приборов могут различаться, но в основу каждого станка заложен стандартный принцип: неподвижно закреплённая заготовка, обрабатывается фрезой – специальным режущим инструментом с зубьями (режущими лезвиями)

Имея в наличии все необходимые инструменты и материалы, умельцы в своих мастерских без труда и в короткие сроки соберут компактное устройство – самодельный фрезер. Из всех существующих видов фрезеров в домашних мастерских наибольшей популярностью пользуется вертикальный фрезерный станок. Этот инструмент имеет очень простую схему, и для его сборки используются недорогие материалы. Однако вид станка определяют задачи, которые необходимо выполнять мастеру. Существуют следующие виды фрезерного оборудования:

горизонтально расположенный инструмент;
вертикальный прибор;
копировальное с пантографом устройство.

Кроме того, следует продумать размеры и расположение станка – напольный или настольный вариант.

Обладатели любого фрезерного станка могут выполнять качественную обработку заготовок и изделий из металла и дерева. В промышленности фрезерные станки относятся к многофункциональным агрегатам. Самодельные конструкции наделены достаточным количеством операций, с помощью которых доступна качественная отделка, поэтому их также можно считать многофункциональными.

Принцип работы фрезерного станка с ЧПУ

Современный станок с ЧПУ представляет собой сложный автоматизированный комплекс для фрезерования заготовок из дерева, пластика, металла, камня и пр.

Автоматизированный комплекс, помимо «классических» механизированных узлов включает в себя электронные компоненты автоматического контроля и управления режимами обработки.

Электронная система базируется на алгоритмах числового программного управления (ЧПУ) и в значительной степени упрощает работу на оборудовании (станок функционирует по заранее введённой программе и в течение рабочего цикла не требует вмешательства оператора).

Одним из главных элементов станка, непосредственно осуществляющих обработку заготовки, является фреза. Режущая часть фрезы бывает различных форм и размеров — в соответствии с задачами обработки и видом материала заготовки. Цилиндрическая часть фрезы (т. н.

«хвостовик») через цангу закрепляется в цанговом патроне, который, в свою очередь, закреплён на валу шпинделя. Электромотор шпинделя передаёт крутящий момент и сообщает фрезе вращательное движение. Соприкасаясь с обрабатываемой поверхностью, фреза снимает слой материала.

Шпиндель подвешен на подвижном портале. Электромоторы станка, по командам от контроллера ЧПУ, перемещают портал по трём координатным осям и позиционируют фрезу над поворотным столом с закреплённой заготовкой.

Таким способом и осуществляется фрезерование заготовки с целью получения готового изделия заданных форм и размеров.

Электронная часть станка включает в себя контроллер ЧПУ, вспомогательные электронные компоненты и их соединения. Для управления системой, станок может комплектоваться специальным DSP-контроллером, или подключаться к PC.

Электронная «начинка» станка работает под управлением собственного программного обеспечения (поставляется вместе с оборудованием). Задачей этого «софта» — перекодировать загруженную программу (чертеж-рисунок требуемой детали) и транслировать её в специфические G-коды — электрические команды двигателям станка.

Таким образом, программным алгоритмом для функционирования станка является файл векторного графического формата (к примеру, построенный в AutoCAD, Corel Draw).

Записав файл-программу в оперативную память контроллера, оператору остаётся выбрать режим работы станка (черновая, чистовая, трёхмерная) и частоту оборотов — в соответствие с видом материала заготовки и применяемой для обработки фрезы.

Преимущества оборудования

Современные станки с ЧПУ обладают широким спектром возможностей, обеспечивают быструю и высокоточную обработку, обладают достаточным запасом надёжности и удобством эксплуатации.

Точность обработки является не только следствием прецизионного автоматизированного управления, но и организацией специальных конструктивных мероприятий, направленных, прежде всего, на повышение жёсткости системы.

Увеличение жёсткости достигается за счёт уменьшения длины кинематических цепей и количества механических передач, уменьшения зазоров между деталями, снижения потерь на трение, а также увеличения быстродействия.

Для этого в частности скользящие направляющие изготавливаются в виде «твёрдый материал — мягкий» (например, сталь/чугун по пластику/фторопласту).

Сопрягаемые пары качения (в наплавляющих, подшипниках) отличаются ещё меньшими потерями и повышенной долговечностью. В качестве рабочих тел используются ролики с преднатягом, исключающим биение и износ.

Дополнительные системы, такие как вакуумный стол, улавливатель стружки, охлаждение режущего инструмента, переносной пульт (DSP-контроллер) и ряд других, значительно облегчают управление фрезерным комплексом и увеличивают культуру производства.

Работа на оборудовании

Функции оператора станочного комплекса, оборудованного ЧПУ, сводятся к смене и закреплению заготовок, установке требуемого типа фрезы, инсталляции управляющей программы, активации процесса и общим наблюдением за процессом работы станка.

Перед началом обработки работоспособность станка проверяется запуском специальной тестирующей программы. Оператору следует проверить надёжность крепления заготовки и фрезы, её соответствия обрабатываемому материалу.

Перед началом серийного цикла следует обработать первую заготовку, проконтролировать размеры и убедиться в их соответствии чертежу.

Классификация агрегатов

Всего существует три категории фрезеров:

Профессиональные. Обрабатывают заготовки разных размеров и в большом количестве. Для этого задействуется серьёзный спектр режущих инструментов.
Бытовые. По функционалу подходят только для домашних мастерских.
Ручные.

У каждой классификации есть свои подвиды. Так профессиональные станки имеют такие разновидности:

Стандартные. Применяются для реализации шаблонных операций. Их оснащение позволяет совершать многие работы и придавать заготовкам требующуюся конфигурацию. В режущий арсенал входят: фрезы, свёрла, отличающиеся по диаметру, особые ножи.
Копировальные. Выполняют художественные операции: нанесения сложных изображений, дислокацию образцов на разные поверхности, оформления орнаментов. В этой работе точность гарантируется, поскольку заготовка фиксируется вакуумным методом.
Для вертикальной обработки деталей (сверху вниз). Здесь вырезаются пазы с нужной шириной и глубиной, готовятся крепёжные компоненты. Детали обрезаются по требующейся длине.

Для горизонтальной работы с заготовками. Здесь ось шпинделя находится по отношению к полу горизонтально. Есть цилиндрические и торцевые фрезы.
Выполняющие одновременную обработку с двух сторон. Являются универсальными. Здесь обрабатываются разнообразные профили. Без этих станков не обходится ни одно производство мебельных составляющих: подставок, ножек, опорных элементов и т.д.
Оснащённые приборами ЧПУ. Здесь интегрирован электронный комплекс, базирующийся на специальном микропроцессоре. В него заложена программа, определяющая алгоритм операций. За счёт этого существенно развивается точность, качество и динамика работ, и трудовая производительность фрезерного станка с ЧПУ.

Бытовые модели отличаются небольшими габаритами и массой. Они реализуют базовые функции (строгание, сверление шлифовка, распил). Их виды:

Настольный. Характеризуется лёгкостью эксплуатации и сервиса.
Ручной. Используется для работы с малогабаритными деталями. На нём готовятся пазы малых размеров, требующиеся для сочленения обособленных компонентов.

Дополнительные элементы оборудования

Поворотный механизм каретки фрезера. Опция, безусловно, полезная. Она добавляет «трехмерности».
Если необходимо обработать заготовку снизу, вам не придется переворачивать изделие на 180°, заново задавать нулевую координату, и запускать процесс повторно. Но такое оборудование увеличивает стоимость.
Встроенный компьютер с экраном и программным обеспечением. Добавляет удобства и оперативности при установке новой визуальной модели.
Безусловный плюс – возможность в реальном времени вносить изменения в процесс обработки. Но стоимость этой опции настолько велика, что полноценное рабочее место входит в состав только крупных деревообрабатывающих комплексов для промышленного применения.
Возможность установки нескольких фрез. Ни на что другое, кроме как на скорость работы, не влияет. Отличная опция для 3D копировального аппарата: можно изготавливать сразу несколько одинаковых деталей.
Такая комплектация фрезеров применяется в серийном столярном производстве или для домашней мастерской.
Четвертая координата. Фактически, это поворотный шпиндель (как на токарном станке) вместо крепежного стола. Позволяет обрабатывать деталь, поворачивая ее вокруг собственной оси.
Основные преимущества – обработка цилиндрических деталей (на трехмерном станке это довольно сложно), использование шпинделя в качестве полноценного токарного станка. То есть, вы получаете два инструмента в одном корпусе.
Вакуумный отвод опилок. Опция, без которой тяжело работать в принципе, а в домашних условиях и вовсе не возможно. Отказываться от подобного оснащения нежелательно, вам все равно впоследствии придется пристраивать шланг от пылесоса.

Процесс обработки древесины станком с ЧПУ — видео

Виды и конструкционные особенности

В целом, фрезерные устройства можно разделить на две категории: ручные машинки, используемые в основном для мелких работ, и стационарные агрегаты, при помощи которых выполняется большинство видов фрезеровочных работ.

Каждая из этих категорий также включает в себя разные типы фрезеров.

Ручная фрезерная машинка

Ручная фрезерная машинка.Представляет собой аппарат небольших размеров, с пластмассовым корпусом и одной или двумя рукоятками, в зависимости от модели. Мощность такого фрезера может составлять от 400 до 2600 Вт, частота вращения фрезы — до 34000 об/мин. При работе устройство опирается на регулируемую по высоте платформу, которая оборудована пружинами и винтом с рукояткой для ее фиксации. Съемные фрезы крепятся посредством зажимной цанги.

Такой аппарат является идеальным вариантом при обработке кромок заготовок, а также для изготовления пазов, при помощи которых выполняется соединение различных деталей.

Настольный бытовой агрегат

По сути, это тот же ручной фрезер, но в перевернутом виде и оснащенный небольшим столом.

Такая конструкция легко изготавливается из ручной машинки. Для этого необходимо лишь снять с ее платформы пластмассовую подошву и прикрепить аппарат к куску фанеры или ДСП, предварительно вырезав в нем отверстие под фрезу.

Часто такое устройство используют для производства мебельных накладок, путем обкатки по шаблону.

Фрезерный станок с ЧПУ

Эти агрегаты появились не так уж давно и представляют собой модели с числовым программным устройством. Станок оборудован компьютером, посредством которого при помощи заданной программы осуществляется управление фрезерным устройством, расположенным над столом.

Такая техника позволяет изготавливать резные детали различной сложности за короткий срок с практически нулевыми трудозатратами.

Копировально-фрезерный станок

Иногда перед мастером стоит задача изготовления одинаковых деталей сложной формы с разнообразными узорами. Ручным способом добиться абсолютной точности и идентичности двух предметов практически невозможно. Здесь как раз и пригодится копировальный аппарат. Копирование изделий выполняется по шаблону, который крепиться вместе с заготовкой к столу станка. Над столом располагается подвижное приспособление, на котором параллельно друг другу зафиксированы фрезер и металлический щуп (благодаря ему фреза в точности повторяет контур шаблона).

Токарно-фрезерный станок

Предназначен для изготовления резных и витых балясин различной сложности. Может быть оборудован как ручным приводом, так и системой ЧПУ, наличие которой приобретает особую ценность при массовом изготовлении деталей. Заготовка крепится горизонтально, так же, как и в обычном токарном станке, при этом разнообразные возможности программирования позволяют обрабатывать круглые, многогранные и винтовые детали. В зависимости от характера обработки в процессе работы на станке можно использовать дисковые и пальчиковые фрезы, а также токарные резцы.

Вертикально-фрезерный станок

Для работы на таком агрегате используют самые различные виды фрез: цилиндрические, торцевые, фасонные, угловые и другие. Станок состоит из станины, на которой располагаются все элементы:

электродвигатель;
коробка скоростей;
шпиндель для установки фрез.

Глубина обработки детали может регулироваться за счет подвижного стола, опускающегося вверх-вниз, либо за счет регулировки самого шпинделя. Здесь все зависит от типа конструкции станка. Кроме того, во многих моделях предусмотрена регулировка наклона стола для угловой обработки деталей.

Такие станки имеются практически в каждой столярной мастерской, так как предоставляют возможность выполнения целого комплекса всевозможных операций.

Основные изделия

На сегодняшний день существует огромное количество предметов, которые можно сделать с помощью станка ЧПУ, таких как:

Уникальная мебель из различных материалов, включая ценные породы дерева.
Сувениры: различные шкатулочки, рамочки для фото, статуэтки и прочее.
Рекламная продукция: красивые массивные буквы, таблички и т.д.

Давайте более детально разберем каждый из предложенных вариантов.

Дизайнерская мебель. Она окружает нас повсюду: спальные комнаты, кухня, детская. Современное мебельное производство очень продумано и имеет высокую точность.

Шаги для создания изделия на станке ЧПУ:

Разработка эскиза. Для данного пункта существует большое количество программ, которые помогают виртуально моделировать обстановку. Для того, чтобы создать 3х мерный макет рисунка используйте вычислительные программы, такие как САПР. Подготовленные компьютерные файлы дадут возможность получить мебельное изделие на фрезерном станке ЧПУ.
Подготовка модели для станка. Готовый эскиз в 3D – базисе для изготовления любого комплекта деталей. К данному эскизу необходимо добавить функцию луча (вектор, который будет отвечать за направление фрезы относительно заготовочной детали). Существует также автоматическая формировка модели, которая является достаточно удобной и поможет сэкономить ваше время. Современное оборудование упрощает процесс изготовления, и передает даже самые маленькие и трудные линии.
Подборка типа режущих инструментов, настройка мощности и режима обработки.
Загрузка файлов в память машины, установка инструмента для резки, закрепление заготовки и запуск производства. Дальнейшую работу фрезерный станок ЧПУ делает самостоятельно по уже заданной программе.
Окончательная сборка. Займет незначительное количество времени, нет надобности подгонки деталей.

Сувенирная продукция. Это могут быть следующие сувениры:

шкатулочки из дерева, которые можно украсить орнаментом;
коробки для бисера или швейных принадлежностей;
ящички для украшений;
иконы и многое другое.

Наиболее популярными продуктами среди сувениров являются те изделия, которые изготовлены по 3D или 2D векторным рисункам.

Также сейчас массово внедряются в производство многошпиндельные станки (2-16 шпинделей).

Рекламная продукция. Ее создание – это актуальный на сегодняшний день вид деятельности, в котором большую популярность имеет применение фрезерных станков с числовым программным управлением. Такие машины отлично справляются с такими задачами, как производство световых коробов, стендов, панна, фигурных надписей и наружных рекламных вывесок, а также с приготовлением конструкций для выставок.

ЧПУ станок помогает выполнять следующие операции, которые связаны с рекламной продукцией:

раскрой дерева, акрила и прочих материалов;
гравировка/вырезка массивных надписей;
создание логотипа, эмблемы;
изготовление табличек, подставок и др.

Подводя итоги, можно сказать, что количество изделий, который можно сделать на фрезерном ЧПУ станке огромное количество. От вас лишь требуется оборудование, желание работать и небольшой опыт.

Контроллер GRBL

После того как вы сгенерировали G-код с помощью Inkscape может возникнуть необходимость в проверке того, укладываются ли он в заданные ограничения (по возможности рисования).

Ограничения по рисованию определяются в следующих строчках кода нашей программы для Arduino:

В следующем окне GRBL контроллера можно проверить не выходит ли изображение на сгенерированном нами G-коде за пределы рисования, указанные в программе для Arduino. Если какая то часть изображения будет выходить за эти ограничения, то она не будет нарисована.

В нашем примере значения x и y изменяются в диапазоне от 0 до 40 мм. Но поскольку мы сконструировали плоттер с большей зоной рисования, то мы изменили максимальную границу с 40 до 60 мм.

Поэтому после того как вы нарисовали G-код в Inkscape желательно перед загрузкой его в плату Arduino проверять его с помощью программы GRBL не выходит ли он за пределы области рисования. Если выходит, то просто измените его размеры в Inkscape.

Основание и оси

Сборка фрезеровального станка начинается с создания основания и размещения осей X и Y. Направляющие для ЧПУ своими руками сделать довольно сложно, так как они должны иметь точные размеры. К другим особенностям сборки основания отнесем:

Во многих случаях в качестве основания для фрезеровального станка с ЧПУ применяется старый сверлильный станок с вертикальной стойкой. Самым сложным механизмом можно назвать систему, которая обеспечивает движение инструмента в двух плоскостях и вертикальном направлении. Собрать ее можно на основе кареток от неработающего принтера. Для вертикального перемещения режущего инструмента предусматривается установка специального механизма. Рекомендуется использовать в качестве подобного механизма винтовую передачу, вращение на которую передается через ременную передачу. Зубчатые ремни не проскальзывают при высокой нагрузке. Вертикальная ось изготавливается своими руками из алюминиевой плиты

Важно выдерживать точные размеры при создании вертикальной оси, так как они будут учитываться при наладке оборудования после его сборки. При наличии муфельной печи изготовить вертикальную ось можно своими руками из алюминия

Подобный сплав характеризуется высокими литейными свойствами, а также коррозионной стойкостью

После подготовки всех конструктивных элементов проводится их сборка. Два шаговых электрических двигателей будут устанавливаться на станине, для чего создают специальные посадочные площадки. Стоит учитывать, что во время работы электрический двигатель нагревается, возникает небольшая вибрация. Поэтому при выборе наиболее подходящего места установки следует предусмотреть поступление холодного воздуха. Передача усилия в большинстве случаев проводится через клиноременную передачу. Напрямую проводить соединение мотора с исполнительными органами конструкции не рекомендуется, так как сильная вибрация и перегрузки могут уменьшить его срок службы

Подобный сплав характеризуется высокими литейными свойствами, а также коррозионной стойкостью. После подготовки всех конструктивных элементов проводится их сборка. Два шаговых электрических двигателей будут устанавливаться на станине, для чего создают специальные посадочные площадки. Стоит учитывать, что во время работы электрический двигатель нагревается, возникает небольшая вибрация. Поэтому при выборе наиболее подходящего места установки следует предусмотреть поступление холодного воздуха. Передача усилия в большинстве случаев проводится через клиноременную передачу. Напрямую проводить соединение мотора с исполнительными органами конструкции не рекомендуется, так как сильная вибрация и перегрузки могут уменьшить его срок службы.

При изготовлении станины из подручных материалов нужно обеспечить высокую жесткость. Для этого создается большое количество ребер жесткости, отдельные элементы соединяются между собой при применении крепежных элементов. Не рекомендуется применять сварочный аппарат для соединения отдельных элементов, так как сварочный шов не выдерживает воздействие вибрации. Переменная вибрационная нагрузка может стать причиной появления трещин, которые снижают прочность станины.

Параллельные прецизионные блоки

В какой-то момент вашей карьеры фрезеровщика вам понадобится проделать сквозное отверстие в заготовке. Проблема в том, что единственное, что находится под вашей заготовкой – это станина вашего станка, поэтому, просверливая сквозное отверстие, вы, вероятно, либо повредите стол, либо, что более вероятно, испортите своё сверло.

Параллельные прецизионные блоки – простой, дешевый и легкий способ решить все эти проблемы. Вы можете найти большой набор инструкций здесь, но короткая версия заключается в следующем: во первых, используйте более мягкий металл, например алюминий, так что если вы попадете фрезой в один из таких блоков вы не повредите ваш инструмент. После этого ваша задача состоит в том, чтобы просто сделать эти параллели, ну, параллельными, чтобы вы могли использовать две или более из них для поддержки заготовки и создания столь необходимой высоты.

Фрезерный станок с ЧПУ по дереву: скрытые ресурсы умной техники

Электронная начинка оборудования

Устройство и принцип работы

Особенности изготовления