Создание станка с ЧПУ из доступных деталей с минимум слесарной работы

Продолжаем обзор деятельности нашего Хакспейс-клуба.

Мы давно мечтали купить в наш клуб ЧПУ станок. Но решили его сделать сами. С нуля, начиная от железа и кончая программного обеспечение (прошивка контроллера и управляющая программа). И у нас это получилось.

Детали для станка старались выбирать из доступных в свободной продаже, многие из которых даже не требуют дополнительной слесарной обработки.

Контроллер мы выбрали Arduino Mega 2560 и что бы много не думать, драйвер шаговых двигателей использовали RAMPS 1.4 (как у RepRap 3D принтера).

Программу контроллера писали по алгоритму метода конечных автоматов. Последний раз я о нем слышал лет 20 назад в институте, не помню по какому предмету изучали. Это была очень удачная идея. Код получился маленький и легко расширяемый без потери читабельности (если в дальнейшем понадобится не только оси XYZ, или использовать другой G-код). Программа контроллера принимает с USB порта G-код и, собственно, дает команду двигателям осей XYZ двигаться в заданном направлении. Кто не знает, G-код — это последовательность конструкций типа G1X10Y20Z10, которая говорит станку переместится по оси X на 10 мм, Y на 20 мм и Z на 10 мм. На самом деле, в G-коде много различных конструкций (например, G90 — используется абсолютная система координат, G91 — относительная) и много модификаций самого кода. В интернете много о нем описано.

Подробнее остановлюсь на описание скетча (прошивка контроллера).

Вначале в описании переменных прописываем, к какому выходу контроллера будет подключены двигатели и концевые выключатели.

В этом коде метода конечных автоматов переменная принимает значение ждать с USB порта первый байт, во второй конструкции case производится проверка наличия данных и переменная _s принимает значение get_cmd. Т.е считать данные с порта.

Далее считываем все, что есть в порту, переменная _s устанавливается в get_tag; т.е. переходим на прием буквенного значение G – кода.

Завершается конечный автомат конструкцией case run_cmd: где собственно и подается управляющий сигнал на двигатель. Управлением двигателем можно было бы использовать библиотеку #include <Stepper.h> но мы написали свою функцию(char impstep -для биполярного двигателя, void UNIimpstep — униполярного ), что бы можно было не ждать пока один двигатель отработает, что бы послать сигнал другому. Ну и на будущее, отдельная процедура позволит гибче использовать возможностями шагового двигателя. Например, если будем использовать другой драйвер двигателя программно задавать полушаг или шаг двигателя. В нынешнем исполнении с RAMPS получается 1/16 шага. Если кому интересно, про управление шаговыми двигателями можно отдельную статью часами писать.

Теперь немного о железе.

Двигатели использовали 17HS8401, самые мощные из NEMA17, которые смогли на ebay найти. Там же купили подшипники и оптические концевики.

Все остальное отечественное, родное. Оригинальная идея с направляющими, сделали их из длинных хромированных ручек для мебели, они как раз диаметром 12 мм под подшипники, длиной они продаются до метра, и прочности вполне хватает. В торцах ручек просверлили отверстия и метчиком нарезали резьбу. Это позволило просто болтом надежно соединить направляющие с несущим конструктивом. Для оси Z так вообще ручку прикрепили к пластине конструктива целиком, Вал продается в любом строительном магазине как шпилька с резьбой любого диаметра. Мы использовали на 8 мм. Соответственно и гайки 8 мм. Гайку с подшипником и несущим конструктивом оси Y соединили с помощью соединительной скобы. Скобы купили в специализированном магазине для витрин. Видели наверно такие хромированные конструкции в магазинах стоят на которых галстуки или рубашки висят, вот там используются такие скобы для соединения хромированных трубок. Двигатель соединили с валом муфтой, которую сделали из куска стального прута диаметром 14мм, просверлив по центру отверстие и пару отверстий сбоку, для зажимания винтами. Можно не заморачиваться и купить готовые на ebay по запросу cnc coupling их куча выпадает. Несущий конструктив нам вырубили на гильотине за 1000 р. Сборка всего этого заняло не много времени и получили на выходе вот такой станок, на фото еще не установлены концевики, контроллер и не установлен двигатель фрезы.

Точность получилась просто изумительная, во-первых шаговый двигатель шагает 1/16 шага, во-вторых вал с мелкой резьбой. Когда в станок вставили ручку вместо фрезы, он нарисовал сложную фигуру, потом еще несколько раз обвел эту фигуру, а на рисунке видно как будто он один раз рисовал, под лупой рассматривали пытались другую линию найти. Жесткость станка тоже хорошая. Шатается только в пошипниках в допустимых пределах их собственого допуска и посадки. Немного шатается еще по оси Y, ну здесь я думаю конструктив оси Z надо доработать.

Фото получилось не качественное, на заднем плане стекло отражает. Не знаю какой я конструктор станка, но фотограф я просто никакой. Вот чуть получше.

Теперь об управляющей программе. Не помню почему, но мы решили сделать свою программу, которая готовый G-код с компьютера передает в контроллер. Может просто не нашли подходящий.

Программа написана на Microsoft Visual C++, использовалась библиотеки:

Использовался еще стандартный компонент msflexgrid таблица, в которую в реальном времени заносится выполняемый в настоящий момент G-код. Т.е. эта программа просто открывает готовый G-код и маленькими порциями запихивает его в контроллер.

Исходный код управляющей программы можно посмотреть здесь github.com/konstantin1970/cnc.git Для понимания добавлю еще, что стандартный windows hyperterminal или putty делает то-же самое, запихивает данные в контроллер. Сам G-код можно сделать в любой CAD/CAM системе например, мне понравился ARTCAM.

В планах у нас сделать более мощный станок на двигателях NEMA 23, но для этого нужно придумать, из чего делать более мощные направляющие. В прошивке контроллера добавить возможность изменять скорость вращения шпинделя. Особенно интересно нам установить камеру и сделать что-то подобное системе технического зрения, что бы станок сам определял размеры заготовки, вычислял начальную координату заготовки по всем осям в программе минимум. В программе максимум, чтобы с помощью камеры станок контролировал все этапы своей работы, возможно даже принимал решения изменить программу. Ну, например, увидел он, что шероховатость больше допустимого, взял и послал фрезу по второму кругу все отшлифовать с более высокой скоростью.

Надеюсь, сможем и в дальнейшем делиться своими разработками с вами уважаемые хаброчитатели.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎