ЧПУ своими руками по металлу: особенности, инструкции и рекомендации

Автоматизация промышленного оборудования с каждым годом наращивает темп развития. В ближайшие 10-20 лет, порядка 70% производства в развитых странах мира планируется поставить на полностью независимый от человека формат работы.

В сегодняшней статье мы расскажем, что собой представляют автоматизированные системы управления + предоставим инструкцию сборки ЧПУ фрезера по металлу своими руками. Будут рассмотрены как простые варианты сборки агрегата, так и продвинутые «домашние» версии дорогих заводских устройств.

Что такое станок с ЧПУ?

Первые программные продукты, используемые в станках, были разработаны еще в 1804 году – это перфокарты с двоичным кодом. Далее, на смену пришли механизмы кулачного типа, которые обеспечивали плавность работы механизмов, но теряли в простоте разработки алгоритмов. Первый станок с электрическим двигателем, имеющий числовое управление, был разработан Пэрсонсоном, а его промышленное применение началось в 1949 году – агрегат использовался для штамповки деталей для самолетов.

На просторах советского пространства, первым устройством с ЧПУ стал токарно-винторезный станок 1К62ПУ. Разработка оборудования датируется второй половиной 60-х годов. После 1980 тем наращивания автоматизированного станочного оборудования резко возрос по всему миру, и в 2022 году вы можете наблюдать невероятный скачок в данной сфере деятельности.

1) Понятие ЧПУ станка и достоинства технологического решения

Направление не является простым для понимания, потому, перед непосредственной разработкой фрезерного станка по металлу с ЧПУ своими руками, необходимо изучить определенную теоретическую базу.
ЧПУ – это аналог двух иностранных аббревиатур:

NC (Numerical control).
Прародитель нынешних систем управления. В основе лежит контроль работы за счет жестких схем (штекеры, переключатели и так далее). Алгоритмы хранятся на внешних носителях, а оперативной памяти, как таковой, не имеется;
CNC (Computer numerical control).
Нынешние системы управления оборудованием, которые для работы используют специализированное программное обеспечение. Важнейшими элементами систем в аппаратном аспекте являются контроллеры и процессоры.

На крупяных заводах работа происходит по модели автоматизированного рабочего места, где программы работы передаются на оборудование через локальную/глобальную сеть. Современные ЧПУ-станки могут в 3-5 раз увеличить скорость работы по сравнению с ручным изготовлением деталей.

Важно: современное ЧПУ оборудование оперирует двумя взаимосвязанными направлениями — CAD и CAM. Первая система отвечает за проектировку, а вторая за непосредственное ее производство.

ЧПУ-оборудование – это механизмы, производящие новую деталь путем вычета с заготовки лишнего. Некоторые относят к направлению и 3D принтеры, но такие приспособления лишь косвенно можно назвать станками, ведь детали они создают с нуля.

Преимущества оборудования с ЧПУ:

Минимизация влияния человеческого фактора на процесс работы оборудования.
Скорость, плавность и направление задается заранее, а сбоев в работе таких программах наблюдается крайне мало.
Не требуются операции по разметке.
Простая работа и перенастройка алгоритмов для различных типов деталей.
Высокая скорость работы.
Минимальные объемы брака – не тот размер, изломы и так далее.
Эффективность при выполнении разноплановых типов задач.
Регламентированность по времени позволяет планировать производство, и прогнозировать сроки исполнения заказов заранее.

Хотя станки с ЧПУ и обладают массой положительных качеств, пренебрегать недостатками оборудования также не стоит – высокая стоимость, не совершенность ПО и узкая направленность в процессах. Станки с ЧПУ хорошо заходят для массовой обработки, но в отношении уникальных элементов, такой подход не прокатит.

О компонентах современных ЧПУ устройств расскажет таблица ниже. Детально изучив узлы, создать ЧПУ своими руками по металлу в будущем будет куда проще, нежели делать все наобум по примитивным чертежам из сети интернет.

Узел	Задачи компонентов
ПО для обработки заготовок	Алгоритм действий для железа станка в закодированном виде. Программа выполняет функции по включению или выключению других узлов системы + заставляет их обрабатывать деталь по заданной ранее инструкции, состоящей из латинских букв и цифр.
Устройство ввода	Для знатоков аппаратной части ПК данный пункт прост в понимании. У продвинутых ЧПУ ввод данных осуществлялся с клавиатуры. На менее зажиточных заводах используется оборудование по считыванию на базе магнитной ленты или перфоленты.
Устройство управления	Центральный блок ЧПУ. Здесь происходит декодирование сигналов с устройства ввода, реализация по интерполяциям осей + их схемам движения, регулировка скорости и запуск прочих вспомогательных задач, доступных в системе станка.
Привод	В состав узла входят схемы усилителя, передачи шариково-винтового типа + непосредственно двигатель. Благодаря усилению сигналов от системы управления, станок быстрее запускает в работу механизмы по регулировке положения движущихся компонентов оборудования.
Орудие	У большинства станков имеется стандартный набор по обработке – стол, рабочая головка с инструментом по обработке, который может двигаться по 1, 2 или 3-м осям в зависимости от модели станка с ЧПУ.
Измерительная система	Всевозможные датчики, фиксирующие данные в режиме реального времени. Полученная информация сравнивается с заданными в программе параметрами, и при несоответствии данных, система управления корректирует значения до необходимых – скорость, угол, глубина погружения и тому подобное.

Благодаря заранее проработанному алгоритму работы, человеческий фактор влияния на работу сводится к минимуму. Роль человека в современных станках с ЧПУ – оператор и обслуживающий персонал. При управлении – это нажатие пары кнопок и включение/выключение агрегата из розетки. С техобслуживанием + ремонтом куда сложнее – этим уже занимаются узкие специалисты.

2) Классификация станков с ЧПУ + области применения оборудования

Подобное оборудование рассчитано на обработку любого типа сырья – от пластика до прочных марок стали. В зависимости от выбранного материала деталей в обработке, следует разделить оборудование на 5 категорий.
Распределение станков по типу обработки:

сверлильные. В основе механизма – сверло, которое за счет вращательного движения проделывает отверстия необходимого диаметра, либо идет «вскользь» заготовки для получения неправильных форм;
токарные. Здесь уже идет вращение самого объекта по/против часовой оси или под определенным углом. Головка бура остается неподвижной;

2 варианта сборки токарного станка по металлу своими руками

фрезерные. Режущие насадки головок помогают избавляться от ненужных материалов заготовки и придавать ей необходимую форму;
химические/электрические. Особое направление в обработке, где применяются специализированные технологии по резке металлов. Например, EDM ультразвуковая или фотохимическая обработка;
прочие. Сюда относят все технологии, которые не вписываются в вышеуказанные – станки по лазерной обработке, кислородная резка и так далее.

Чаще остальных в бытовом применении (хотя сами по себе станки с ЧПУ в быту — это диковинка), используются фрезеры и агрегаты по обработке мягких металлов или дерева. Детальнее по классификации станочного оборудования с ЧПУ расскажет таблица ниже.

Параметр классификации	Составляющие	Описание
Движение	Точечные	Для работы оборудование требуется фиксация как детали, так и орудия. Подобные станки называют агрегатами с обработкой по позициям. ЧПУ контролирует переходы от точки к точке.
Движение	Контурные	Здесь уже заготовка остается в фиксированном положении, а обрабатывающий элемент движется по заданной траектории. Аппаратное управление предусматривает одновременно 2 оси движение, а положение головки и заготовки должно быть постоянно на контроле.
Система управления	Разомкнутая	Алгоритм работы подается оператором через периферийное устройство ввода. Информация преобразуется в импульсы, которые при помощи сервоусилителей приводят узлы станка в действие. Минус таких ЧПУ — отсутствие обратной связи, что не позволяет предельно точно контролировать работу системы в общем.
Система управления	Замкнутая	Имеется система по обратной связи, что повышает точность работы станка. Порядка 90% систем ЧПУ в производстве работают именно по такому принципу.
Оси	2-осевые	Пример – токарные станки. Движение происходит вдоль каждой из осей под углом в 90 градусов.
	3-осевые	Перемещение по осям X/Y/Z.
	4-осевые	Одна из осей – это поворотный механизм
	5-осевые	4-осевые + еще одна ось – это многопозиционный поворотный стол.
Привод	Гидравлические	Плюсы – сверхточность и плавность с мощностью, но в обслуживании такие станку на порядок сложнее своих аналогов.
	Электрические	Серводвигатели с переменным или постоянным током. Их достоинство в компактности и простоте управления. Оптимальный вариант для фрезерного станка по металлу с ЧПУ своими руками.
	Пневматические	Рабочим веществом выступает сжатый воздух. Такие приводы сравнительно недорогие + просты в конструкции и пожаробезопасности. Минусы – небольшая мощность, шумность и более низкая точность в позиционировании.

При запуске производственного бизнеса станочное оборудование с ПО – это дорогое, но верное решение. Повышенные траты на закупку/техобслуживание компенсируются за счет экономии на рабочей силе. Вместо 10 человек, производству потребуется 2-3 оператора.

Вариант самостоятельной сборки

Для того, кто выполняет сборку чпу станка своими руками, есть другой вариант установить электрику на станках. Можно приобрести готовый набор, в котором есть три двигателя Nema и столько же драйверов, которые подходят к ним; трансформатор понижения для питания цепи управления и платы коммутации для блока питания (36 В). Можно использовать и другие наборы, собирая станок самостоятельно.

Электронику станка следует выполнить на одной плате. Туда же подключают, применяя разъемы и клеммники, всю совокупность внешних элементов:

ШД, концевые выключатели по каждой оси;
розетка для включения главного привода (можно DREMEL 300);
вентилятор, взятый от мини-пылесоса, трансформатор для блока питания;
разъем, обеспечивающий соединение с ПК посредством LPT порта.

Почти все комплектующие несложно извлечь из старых компьютерных плат, Спектрумов – первых ПК, а также вышедших из употребления сетевых коммутаторов.

Схема предусматривает блок управления ЧПУ (программное включение шпинделя), изобилует дополнительными подключениями инструментов и датчиков. К компьютерному порту LPT контроллер ПУ подключают посредством стандартного кабеля. Для электроники станка не требуется принудительное охлаждение, она не нагревается.

Вся электроника для ЧПУ располагается в нише на задней стороне станка и закрывается панелью от пыли и грязи.

↑ Фотки

Выкладываю на ваш суд несколько фотографий того, что успел сделать за пару летних месяцев. Первый пробный блин. Фреза №1. Страшно да? А если и остальное будет такого же качества)))

Первая серьёзная проверка для станка. Размеры 17 на 25 см. Высота рельефа 10 мм, затраченное время — 4 часа. Как и следующая работа, эта выполнена всё той же фрезой №1. Как видите результат вполне сносный.

А здесь фреза затупилась, и дерево начало подгорать.

Пробовал на что способен конический гравер.

Сестра попросила вырезать ей собачку. Черновая обработка – фреза №2 3 мм, чистовая фреза №3 3 мм. Рельеф 6 мм, время обработки около 1,5часа.

Таблички на дом. Рельеф 10 мм, но уже вогнутый т.к. это значительно сокращает время обработки. Обрабатывается не вся площадь, а только надпись. Время обработки около 2ч, фрезой №5 (прямой гравер).

Моя попытка сделать объёмную деревянную фотографию. Ошибся в сопряжении человека и дерева, но в целом, мне кажется неплохо получилось. Черновая обработка — прямой фрезой 3 мм, чистовая конической 2 мм. Рельеф 5 мм, а вот время обработки не помню.

Ну и самая большая модель. Первое испытание большого фрезера, которое он перенёс с достоинством. Высота рельефа — 20 мм, размеры 45 на 30 см. Время обработки около 5часов. Черновая обработка прямой однозаходной фрезой 8 мм, чистовая — конической 8 мм. К моему удивлению детализация получилась довольно хорошей для фрезы 8 мм.

↑ Фрезы

Ну и немного расскажу о фрезах, которые имеются в моем арсенале и для чего они нужны.
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

1 — Это самая универсальная фреза – обломанное и переточенное сверло 3 мм. За неимением других фрез, используется как для черновой, так и для чистовой обработки. Огромный плюс этой фрезы её дешевизна, из минусов: не получается правильно заточить, и очень ограниченный ресурс. Буквально пара небольших картинок, после чего она начинает жечь дерево. Из всего этого вытекает не очень хорошее качество выполненной работы с последующей обязательной доработкой наждачкой, причем шкурить придётся довольно много. 2 — Прямая двухзаходная фреза 3,175 и 2 мм. Применяется в общем-то для снятия чернового слоя небольших заготовок, но при необходимости можно использовать и как чистовую. 3 — Конические фрезы 3, 2, и 1,5 мм. Применение – чистовая обработка. Диаметр определяет качество и детализацию конечного результата. С фрезой 1,5 мм качество будет лучше, чем с 3 мм, но и время обработки заметно увеличится. Использование конических фрез при чистовой обработке, практически не требует после себя дополнительную обработку шкуркой. 4 — Конический гравер. Используется для гравировки, причем сплав из которого он сделан позволяет выполнять гравировку в том числе и на металле. Ещё одно применение – обработка очень мелких деталей, которые не позволяет выполнить коническая фреза. 5 — Прямой гравер. Используется для раскроя или вырезания. Например вам нужно вырезать…букву «А» из листа фанеры 5 мм. Устанавливаете прямой гравер в шпиндель и вот вам ЧПУ-лобзик . Я его использовал вместо прямой фрезы, когда она сломалась. Качество обработки вполне нормальное, но периодически наматывает на себя длинную стружку. Нужно быть начеку. Все вышеперечисленные фрезы были с хвостовиком 3,175 мм, а сейчас тяжелая артиллерия. 6 — Прямая и коническая фрезы 8 мм. Применение то же, что и у фрез 3 мм, но для более масштабных работ. Время обработки значительно сокращается, но к сожаление они не подходят для небольших заготовок.

Всё это только малая часть из того количества фрез, которые можно применять в ЧПУ для выполнения различных задач. Начинающих не могу не предупредить о немалой стоимости хороших фрез. К примеру вышеописанные фрезы 8 мм из быстрорежущей стали стоят примерно по 700р. Фреза из твердосплава в 2 раза дороже. Так что игрушки с ЧПУ не получается поставить в ряд самых дешевых хобби.

↑ О перемещении портала

Немного о безопасном перемещении портала. Возврат шпинделя в нулевую точку (начало координат) осуществляется нажатием кнопки GOTO Z
. Но не советую ею пользоваться, если у вас произошел какой-то сбой во время обработки детали. Дело в том, что при нажатии GOTO Z движение в точку «0» начинается сразу по всем осям, а так как по оси Z возврат в ноль происходит гораздо быстрее в силу того, что шпиндель поднимается и опускается максимум на несколько сантиметров, есть большой риск сломать фрезу, если во время сбоя подклинило ШД по оси Z, и ноль оказался ниже верхней границы заготовки. Фреза упрется в деревяшку и…щелк!

Это не паранойя, а выводы, сделанные на собственном горьком опыте – сам так сломал две фрезы. Лучше перестраховаться и поочередно перевести каждую ось в «0», нажатием Zero X, ZeroY, Zero Z. На два лишних движения больше, зато инструмент останется целым.

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.