В этой статье мы рассмотрим как сделать простейший станок с ЧПУ на основе платы Arduino с минимальным количеством деталей и без использования 3D-принтера. Конечно, с использованием 3D-принтера можно было бы построить значительно более эффективный подобный станок, но не у всех есть доступ к 3D-принтеру, поэтому в статье мы покажем как можно создать станок ЧПУ, не прибегая к помощи 3D-печати.
Ранее на нашем сайте мы рассматривали следующие проекты станков с ЧПУ на основе платы Arduino:
Обзор проекта
Я покажу вам, как я построил этот станок с ЧПУ, используя всего один электроинструмент, дрель и несколько ручных инструментов. Материал, который я использовал для этой сборки, — это 8-миллиметровая плита МДФ, которая на самом деле довольно прочная и, вероятно, более жесткая, чем материал PLA, напечатанный на 3D-принтере, и в то же время с ней легко работать.
В этой статье я буду использовать этот станок с ЧПУ в качестве лазерного гравера, а в следующей статье я планирую заставить его работать в качестве плоттера.
Очевидно, что этот тип конструкции станка не может обеспечить большую жесткость, поэтому мы не можем использовать его как фрезерный станок с ЧПУ или фрезер. Хотя, если мы прикрепим более мощный лазер, мы могли бы использовать его для резки различных материалов, таких как эта плита МДФ, которую мы здесь используем, или другие типы деревянных плит, и с довольно хорошей точностью.
Рабочая область довольно большая 390 на 360 мм, и уровень детализации, который может производить этот лазерный гравер, довольно впечатляет. Честно говоря, я был удивлен, насколько хороши получились гравюры.
3D модель лазерного гравировального станка с ЧПУ
Я начал с проектирования машины с помощью SOLIDWORKS for Makers. Двумя основными компонентами этой машины с ЧПУ являются линейные направляющие MGN15H вместе с соответствующими скользящими блоками.
Для управления блоками или двумя осями мы используем два шаговых двигателя NEMA 17 и несколько подходящих шкивов GT2 и зубчатых ремней. Для соединения всего вместе мы используем 8-миллиметровую плату MDF, а для возврата машины в исходное положение — два микроконцевых выключателя.
Также вам пригодится чертеж центральной монтажной пластины.
Сборка станка с ЧПУ
Хорошо, теперь мы можем начать собирать станок. Вот список компонентов, необходимых для сборки этого самодельного станка с ЧПУ. Список электронных компонентов можно найти ниже в разделе принципиальных схем статьи.
- MGN15H Линейный рельс
- Шаговый двигатель – NEMA 17
- Ремень GT2 + зубчатый шкив
- Натяжной ролик GT2
- Распорные гайки
- Набор болтов и гаек + винты с плоской головкой 3x16 мм
- Винты M2x20 x2, M3x12 x20, M3x16 x6, M5x25 x5, 3x16 мм x20
Также нам будет нужна 8-миллиметровая плита МДФ, которую я буду использовать, и в соответствии с чертежами, которые я взял из 3D-модели, теперь я вырежу детали нужного размера.
Для этой цели я использовал самый простой из возможных методов: карандаш для разметки мест, где нужно было резать, и ручную пилу для их резки.
Конечно, требуется приложить некоторые усилия, чтобы вырезать все детали вручную, но даже при использовании этого метода они получаются довольно красивыми и чистыми.
После того, как я вырезал все детали по размеру, я перешел к выполнению отверстий в них. Точное выполнение отверстий на самом деле важнее, чем резка деталей. Расположение отверстий должно быть очень точным, поскольку они должны соответствовать другим деталям, имеющим точные и фиксированные размеры, таким как линейные направляющие и шаговые двигатели.
Центральная пластина, на которой крепятся ось Y и шаговые двигатели, имеет множество отверстий, и чтобы сделать их правильно, я распечатал чертеж этой детали в натуральную величину.
Обычные принтеры легкодоступны для всех, поэтому я подумал, что не будет обманом, если я воспользуюсь одним из них для создания этого проекта. Таким образом, мы можем расположить деталь и чертеж и отметить места отверстий. Затем мы можем просверлить отверстия, хотя это не означает, что мы сделаем их на 100% точными. Мы все еще делаем работу вручную, поэтому нам нужно быть очень сосредоточенными и терпеливыми, чтобы сделать все правильно.
Нам понадобятся сверла диаметром 3 и 5 мм, а также одно сверло диаметром 25 мм для проделывания отверстия под шаговый двигатель.
Далее я продолжил сборку основания станка, на котором будет закреплена направляющая оси X. Для этого я разметил место, где должна быть закреплена опорная часть направляющей, и просверлил два отверстия на основании и одно отверстие на опорной части.
Затем я закрепил эти две части первым шурупом 3 мм и клеем для дерева. Когда первый шуруп был на месте, я проверил перпендикулярность, а затем просверлил второе отверстие в опорном материале сверлом 2 мм.
Аналогичным образом я добавил два кронштейна для лучшей поддержки.
Честно говоря, этот метод сборки этих деталей из МДФ не так уж хорош, так как очень сложно сделать их квадратными, так как все, что мы делаем, делается вручную, а плиты МДФ имеют толщину всего 8 мм, что дополнительно усложняет этот процесс. Возможно, лучшим и более простым способом было бы использовать металлические кронштейны, которые вы легко найдете в хозяйственном магазине.
Тем не менее, как только обе стороны были готовы, я установил на них направляющую оси X.
Рельсы MGN15H обеспечивают очень плавное и свободное движение, поскольку внутри их скользящих блоков имеются шарики или ролики.
Перед установкой их следует хорошо очистить и смазать. Я закрепил линейную направляющую на месте двумя болтами М3 с каждой стороны.
Далее нам необходимо установить ось Y поверх скользящего блока оси X. Для этого мы будем использовать центральную пластину.
Опять же, мы используем болты М3 для крепления деталей вместе. Для крепления шаговых двигателей на месте нам также понадобятся болты М3.
В дополнение к этому, для одного из шаговых двигателей я использую дистанционные гайки, чтобы получить правильную высоту его крепления, хотя я, вероятно, мог бы установить этот шаговый двигатель на нижней стороне пластины, и тогда нам пришлось бы использовать эти дистанционные гайки.
Для привода оси X нам необходимо установить два натяжных шкива GT2 рядом с валом шагового двигателя, чтобы мы могли создать необходимое натяжение между ремнем и шкивом шагового двигателя.
Для их крепления нам понадобятся болты и гайки М5. Что касается оси Y, нам понадобится только один натяжной ролик с другой стороны рельса, так как ремень для этой оси будет установлен в петле.
Хорошо, теперь следует соединение рельсов осей X и Y вместе. Мы делаем это с помощью четырех болтов M3. Это соединение имеет решающее значение для точности, так как от этого зависит точность всего станка.
Используя квадратную линейку, мы должны проверить, перпендикулярны ли две оси друг другу, и если нет, мы должны правильно их отрегулировать.
Далее мы можем установить детали, которые идут на скользящий блок оси Y и фактически удерживают концевой эффектор или лазерный модуль в этом случае. Используя метод, описанный ранее, я собрал эти детали и закрепил их на скользящем блоке с помощью четырех болтов M3.
Теперь мы можем закрепить лазерный модуль на месте двумя болтами М3.
Я продолжил установку ремней GT2. Я измерил необходимую длину и отрезал ремень по размеру.
Для крепления ремня к скользящему блоку я использовал два болта М5 и стяжки.
Я закрепил первую сторону ремня на болте М5 с помощью стяжки, а затем натянул ремень с другой стороны и закрепил его на втором болте с помощью стяжки.
Что касается оси X, ремень будет натянут по одной линии с одной стороны на другую, проходя через три шкива таким образом, чтобы обеспечить натяжение или сцепление со шкивом шагового двигателя.
Я закрепил ремень с обеих сторон с помощью одного болта и квадратного куска МДФ.
На этом наш станок с ЧПУ почти готов. Осталось сделать еще несколько вещей.
Снизу я приклеил несколько мебельных накладок, чтобы станок стоял на месте надежнее.
Затем я установил микроконцевой выключатель для оси Y. Для этого нам понадобятся два болта М2.
Что касается концевого выключателя оси X, я забыл сделать отверстия на центральной пластине, поэтому разметил их и просверлил на месте.
Подключение электронных компонентов
Механическая часть теперь завершена, поэтому мы можем перейти к подключению электронных компонентов. Как я уже упоминал, мы будем использовать плату Arduino UNO в сочетании с CNC Shield и двумя шаговыми драйверами DRV8825 или A4988.
Я закреплю плату Arduino на боковой стороне машины, поэтому я размечаю два отверстия Arduino и просверливаю их сверлом 3 мм. Я использовал гайки с расстоянием 5 мм между боковой панелью и платой Arduino.
CNC shield просто устанавливается поверх платы Arduino. Нам нужно вставить 3 перемычки для каждого драйвера, чтобы выбрать самое высокое разрешение шагового двигателя.
Обратите внимание, что обведенные желтым овалом на рисунке перемычки следует удалить, поскольку они нам не нужны. Я использовал их в одном из своих предыдущих проектов.
Затем мы можем подключить шаговые двигатели на место с помощью предоставленных кабелей. Для подключения концевых выключателей нам понадобится двухпроводное соединение.
Я припаял один конец проводов непосредственно к концевым выключателям, а с другой стороны припаял гнездовые штыревые разъемы, чтобы можно было легко подключить их к щитку ЧПУ.
Что касается подключения лазерного модуля, нам нужно 3 провода, GND, 12 В и сигнальная линия для управления ШИМ. Эти провода должны быть немного длиннее, чтобы они могли дотянуться до самой дальней точки станка.
С одной стороны у нас есть 3-контактный разъем, который подключается к лазерному модулю, а с другой стороны у нас есть провода GND и 12 В, которые будут подключаться к разъему питания щита ЧПУ, а также сигнальная линия, которую необходимо подключить к контакту концевого выключателя Z+ или Z-.
Схема лазерного гравера с ЧПУ
Вот принципиальная схема того, как все должно быть подключено.
Итак, в представленной схеме мы используем плату Arduino UNO в сочетании с CNC Shield и двумя шаговыми драйверами DRV8825 или A4988. У нас есть два микроконцевых выключателя для возврата станка в исходное положение и модуль лазера 12 В, который может управляться ШИМ. Для питания нам нужен блок питания 12 В с минимальным током 3 ампера.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
- Шаговый двигатель NEMA 17 (купить на AliExpress).
- Arduino CNC Shield (купить на AliExpress).
- DRV8825 Stepper Driver Module (модуль драйвера шагового двигателя) (купить на AliExpress).
- Концевой выключатель.
- Источник питания постоянного тока.
- Лазерный модуль.
- Очки лазерной безопасности.
Реклама: ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН: 7703380158
Прошивка и управляющее программное обеспечение
На этом мы фактически закончили сборку станка. Теперь осталось дать ему жизнь или сделать его настоящим станком с ЧПУ. Для этого нам нужно установить прошивку на Arduino для управления движением станка с ЧПУ.
Самый популярный выбор для самодельных станков с ЧПУ — это прошивка GRBL с открытым исходным кодом. В дополнение к прошивке GRBL нам также понадобится управляющее программное обеспечение, через которое мы будем отправлять G-коды и сообщать станку, что делать. В этом случае мы будем использовать контроллер LaserGRBL. Это программное обеспечение специально создано для управления лазерными граверами с прошивкой GRBL, и я могу вам сказать, что это действительно потрясающий контроллер для этой цели, учитывая, что он также с открытым исходным кодом.
С LaserGRBL у нас есть возможность напрямую прошить или загрузить прошивку GRBL в Arduino, так что нам не придется делать это вручную. Мы даже можем выбрать готовую версию для двухкоординатных машин с только X и Y-хоумингом, как та, которая нам нужна.
Итак, как только мы загрузим прошивку GRBL в наш Arduino, мы сможем подключить наш станок к контроллеру и открыть окно конфигурации GRBL, чтобы настроить некоторые параметры в соответствии с особенностями нашего станка.
Первое, что мы должны здесь настроить, это разрешение хода или значения шагов/мм для осей X и Y. Эти значения указывают, сколько шагов должен сделать двигатель, чтобы переместиться на 1 мм. Это зависит от типа шагового двигателя, который у нас есть, выбранного разрешения шага и передачи движения, в данном случае ремня и шкива GT2.
Вот как мы можем рассчитать эти значения для нашего станка. Значения по умолчанию здесь обычно составляют 250 шагов/мм. Теперь мы можем переместить станок с помощью команд JOG, например, на 20 мм, и мы должны заметить, насколько станок фактически переместится.
В моем случае при перемещении на 20 мм по оси Y фактическое перемещение составило 31 мм.
Итак, 20/31 = 0,645, и если мы умножим это значение на 250, то получим 161,29. Итак, это значение, которое мы должны установить в качестве значения шагов/мм для нашей машины.
Если мы попробуем переместить машину сейчас с обновленными значениями, машина должна переместиться на точное расстояние. Если вы не удовлетворены результатом, вы все равно можете точно настроить эти значения, нарисовав квадраты и измерив их. Я в итоге использовал значение 160 шагов/мм.
Тем не менее, есть и другие важные параметры, которые также необходимо настроить. Например, мы должны включить Hard limits, которые являются фактическими концевыми выключателями, Soft limits, которые определяют рабочую область, задать направление Homing, которое определяет, где на машине расположены наши концевые выключатели и т. д.
Вы можете загрузить мой набор параметров, чтобы просто импортировать их в свою прошивку.
Генерация G-кодов для лазерной гравировки
Еще одна замечательная вещь в этом программном обеспечении заключается в том, что оно также имеет встроенный генератор G-кода. Это означает, что мы можем загрузить любую фотографию, клипарт, карандашный рисунок и т. д. непосредственно в программное обеспечение и сгенерировать G-код для гравировки в соответствии с нашими потребностями. Инструмент растрирования изображений довольно универсален с множеством опций на выбор, например, выбор трассировки Line to Line, векторизация, 1-битное черно-белое сглаживание и т. д.
Конечно, если вы хотите, вы также можете сгенерировать G-код с помощью другого программного обеспечения, например Inkscape и его плагина Inkscape-Lasertools для генерации G-кодов и загрузить их здесь.
Сейчас я покажу вам, как можно сгенерировать G-код для лазерной гравировки из фотографии с помощью LaserGRBL. Вот у меня есть фотография собаки, которую я открою с помощью программы.
Используя опцию Яркость и Контрастность, мы можем настроить изображение по нашему желанию. Мы можем выбрать тип преобразования фотографии, например, трассировка Line to Line, 1-битное черно-белое размывание или векторный формат. Я буду использовать трассировку Line to Line для этой фотографии, и здесь мы также можем выбрать направление линии и качество гравировки, которое определяется тем, сколько линий на мм будет.
Далее мы можем выбрать скорость гравировки, установить минимальное и максимальное значения ШИМ для мощности лазера, а также задать размер гравировки.
И все, программное обеспечение сгенерирует G-код для этой гравировки. Перед тем, как начать, мы можем использовать кнопку Frame, чтобы обозначить или показать нам, где будет происходить гравировка, чтобы мы могли скорректировать нашу заготовку по мере необходимости.
Обратите внимание, что мы должны использовать защитные очки, которые защитят наши глаза от ультрафиолетового излучения лазера, поскольку это очень опасно.
Если мы правильно откалибровали нашу машину, то можем получить довольно хорошие гравировки. Для калибровки мы могли бы использовать это изображение, которое я сделал, с квадратами от 100% до 10% прозрачности.
В зависимости от результатов отрегулируйте скорость гравировки и значение ШИМ мощности лазера.
Здесь вы можете скачать калибровочное изображение: тест оттенков серого и размера шрифта.
Итак, вот и все для этого руководства. Надеюсь, вам понравилось и вы узнали что-то новое.
Видео, демонстрирующее процесс сборки и работу станка ЧПУ
Похожие статьи
(Проголосуй первым!)
Загрузка...