8.4. Фрезерные станки с ЧПУ
Фрезерные станки с ЧПУ предназначены для обработки плоских и пространственных поверхностей заготовок сложной формы. Конструкции фрезерных станков с ЧПУ аналогичны конструкциям традиционных фрезерных станков, отличие от последних заключается в автоматизации перемещений по УП при формообразовании.
В основе классификации фрезерных станков с ЧПУ лежат следующие признаки:
- расположение шпинделя (горизонтальное и вертикальное);
- число координатных перемещений стола или фрезерной бабки;
- число используемых инструментов (одноинструментные и многоинструментные);
- способ установки инструментов в шпиндель станка (вручную или автоматически).
По компоновке фрезерные станки с ЧПУ делят на четыре группы:
- вертикально-фрезерные с крестовым столом;
- консольно-фрезерные;
- продольно-фрезерные;
- широкоуниверсальные инструментальные.
В вертикально-фрезерных станках с крестовым столом (рис. 8.4, а) стол перемещается в продольном (ось X) и поперечном (ось Y) горизонтальном направлениях, а фрезерная бабка — в вертикальном направлении (ось Z).
Рис. 8.4. Компоновки фрезерных станков с ЧПУ с обозначением осей координат X, Y, Z и W: а — вертикально-фрезерный станок с крестовым столом; б — консольно-фрезерный станок; в — продольно-фрезерный станок; г — продольно-фрезерный станок с неподвижной поперечиной; д — широкоуниверсальный инструментальный фрезерный станок
В консольно-фрезерных станках (рис. 8.4, б) стол перемещается по трем координатным осям (X, Y и Z), а бабка неподвижна.
В продольно-фрезерных станках с подвижной поперечиной (рис. 8.4, в) стол перемещается по оси X, шпиндельная бабка — по оси Y, а поперечина — по оси Z. В продольно-фрезерных станках с неподвижной поперечиной (рис. 8.4, г) стол перемещается по оси X, а шпиндельная бабка — по осям Y и Z
В широкоуниверсальных инструментальных фрезерных станках (рис. 8.4, д) стол перемещается по осям X и Y, а шпиндельная бабка — по оси Z
Фрезерные станки в основном оснащают прямоугольными и контурными УЧПУ.
При прямоугольном управлении (условное обозначение в модели станка — Ф2) стол станка совершает движение в направлении, параллельном одной из координатных осей, что делает невозможной обработку сложных поверхностей. Станки с прямоугольным управлением применяют для фрезерования плоскостей, скосов, уступов, пазов, разновысоких бобышек и других аналогичных поверхностей.
При контурном управлении (условное обозначение в модели станка — ФЗ и Ф4) траектория перемещения стола более сложная. Станки с контурным управлением используют для фрезерования различных кулачков, штампов, пресс-форм и других аналогичных поверхностей. Число управляемых координат, как правило, равно трем, а в некоторых случаях — четырем и пяти. При контурном управлении движение формообразования производится не менее чем по двум координатным осям одновременно.
В отдельных случаях на фрезерных станках при обработке заготовок простой формы в условиях средне- и крупносерийного производства также применяют системы ЧПУ.
Во фрезерных станках с ЧПУ в качестве привода главного движения используют асинхронные электродвигатели (в этих случаях имеется коробка- скоростей) или электродвигатели постоянного тока.
На небольших фрезерных станках с прямоугольным ЧПУ применяют один приводной электродвигатель постоянного тока и коробку передач с автоматически переключаемыми электромагнитными муфтами, а на тяжелых станках с контурным управлением каждое управляемое координатное перемещение осуществляется от автономного электропривода постоянного тока.
Приводы движения подач фрезерных станков с ЧПУ имеют короткие кинематические цепи, передающие движение от двигателя непосредственно исполнительному органу.
Компоновка вертикально-фрезерного консольного станка с ЧПУ (рис. 8.5) мало отличается от компоновки традиционного станка без ЧПУ. На станине вмонтируют узлы и механизмы станка. Станина спереди имеет направляющие, закрытые кожухом 9, по которым перемещается консоль 1. На горизонтальных направляющих смонтированы салазки 2, по продольным направляющим которых передвигается стол 3. На привалочной плоскости станины закреплена фрезерная бабка 6, по вертикальным направляющим которой перемещается ползун 7 со шпинделем 5. В соответствии с требованиями безопасности труда ползун имеет защитный щиток 4. Сзади станка расположен шкаф 10 с электрооборудованием и УЧПУ.
Рис. 8.5. Фрезерный станок с ЧПУ: 1 – консоль; 2 — салазки; 3 — стол; 4 — защитный щиток; 5 — шпиндель; 6 фрезерная бабка; 7 — ползун; 8 — станина; 9 — кожух; 10 — шкаф
Контрольные вопросы
- Какие компоновки фрезерных станков с ЧПУ вы знаете?
- Какими СЧПУ оснащают фрезерные станки?
Выбор материала для фрезеровки
Для получения высококачественной продукции необходим правильный выбор материала. В зависимости от назначения и требуемых свойств будущего изделия, следуют использовать определенные виды и сорта фанеры. Рациональный выбор материала сведет к минимуму потери при обработке и сократит себестоимость.
Породы древесины
Фанера может изготавливаться из березы или хвойных пород.
Фанера хвойных пород (еловая) . Имеет менее удачные в плане возможностей обработки характеристики и применяется для изготовления временных и вспомогательных конструкций в строительстве, например, опалубки. В результате резки или фрезеровки кромка может иметь сколы.
Фрезерование овцы
Для начала создайте овцу с помощью фрезерного станка с ЧПУ! На самом деле это намного проще, чем кажется. Вы создадите программу, чтобы вырезать контур овцы в части материала. Подойдет любой материал, лучше начать с чего-нибудь, кроме высококачественной стали. Проект поможет закрепить ваши базовые навыки программирования, а также поможет узнать, с чего начать и с чего закончить программу ЧПУ. Вы можете настроить базовую программу, по мере необходимости, чтобы приспособить ее к различным станкам, материалам и размерам инструментов.
Код был разработан для вырезания на пенопласте концевой фрезой с 2 канавками 1/8 дюйма, но он также должен работать и с мягкой древесиной. Если у вас нет этих инструментов или материалов под рукой, файл .zip также содержит 3D-модель овцы, так что вы можете запустить его через желаемое программное обеспечение CAM, чтобы настроить для другого материала или инструмента.
Чтобы настроить резку, закрепите материал так, чтобы он располагался под прямым углом к машине. Используя UGS или любое другое управляющее программное обеспечение по вашему выбору, переместите инструмент. Сбросьте нулевую точку в центре. Любой метод удержания должен быть достаточным, вы можете ссылаться на них на странице «Удержание» в разделе «Основы». Размеры овцы составляют 100 мм в ширину и 70 мм в высоту, глубина реза составляет 6 мм.
Что проще освоить?
В освоении проще лазерный станок с ЧПУ. Но он в то же время и более капризный к условиям окружающей среды, напряжению и прочим моментам, так как лазер – это куча электроники ради создания сверхтонкого и мощного луча, который прорезает в доли секунды разные материалы. А фрезер это по большей степени механика.
Для работы на лазерном ЧПУ достаточно иметь опыт работы в Corel Draw. В этой программе создаются простейшие чертежи, которые станок по линиям вырезает на фанере или дереве. Лазер – это в первую очередь 2D обработка дерева и фанеры, иными словами – раскрой листового материала. Начертил кружок – получил кружок из фанеры. Все просто.
С гравировкой (нанесение надписей и изображений) не намного сложнее. Те же контурные линии, но с заливкой. Станок их понимает, как области, которые нужно выжигать сплошным полем.
Фрезерный же станок подразумевает не только раскрой, но и создание рельефных 3D поверхностей (иконы, гравюры, доски разделочные и т.п.).
Создание такого проекта требует дополнительных навыков. Но, как правило, мастера скачивают готовые чертежи. Но и они требуют определённых знаний в их использовании.
При работе на фрезерном ЧПУ в отличие от лазера, где нужна только одна лазерная трубка как главный режущий инструмент, потребуется целый набор фраз для разной чистоты и глубины обработки древесины. Причем менять их придётся довольно часто по причине неизбежного износа или ошибок мастера (или станка).
Да, это минус. Но плюсом фрезера, большим плюсом является возможность фрезеровать автоматически материалы глубиной от 8 см и более. Чего нет в лазере (как правило, все заканчивается обработкой фанеры 10 мм максимум).
LinuxCNC
ПО для управления станком с ЧПУ LinuxCNC
LinuxCNC — популярный выбор среди любителей ЧПУ. Это один из старейших и наиболее надежных вариантов.
Чтобы осуществить мечту об универсальном устройстве, он работает под управлением ядра Linux с расширением реального времени (RTAI). Устанавливая его таким образом, LinuxCNC может генерировать необходимые импульсы через параллельный порт с точной синхронизацией.
LinuxCNC существует уже некоторое время, поэтому стали популярны и другие установки. Например, также возможно использование карт Ethernet и Mesa (внешних плат), и некоторые пользователи даже экспериментировали с запуском LinuxCNC на Raspberry Pi. В конце концов, вы можете выбрать простую или углубленную настройку при использовании LinuxCNC.
В частности, LinuxCNC имеет открытый исходный код и имеет очень большое активное сообщество. Учитывая эти два условия, неудивительно, что программное обеспечение в значительной степени настраивается, особенно графический интерфейс, и имеет множество дополнительных функций.
- Стоимость: Бесплатно
- Операционная система: Linux
- Основные характеристики: Зрелое программное обеспечение, полностью открытый исходный код, активное сообщество пользователей, проста в установке, поддерживает многие станки с ЧПУ.
Характеристики оборудования: на что обращать внимание
С конструкцией разобрались. Она может немного отличаться на разных моделях, но принцип действия единый. Теперь поговорим о технических параметрах.
Казалось бы, возможности избыточными быть не могут: чем мощнее (длиннее, маневреннее, быстрее), тем лучше. Однако, станок ЧПУ – изделие высокотехнологичное и дорогое. Поэтому для правильного выбора надо понимать, за что платим.
Размер рабочего стола
От этого параметра зависят две вещи, взаимно исключающие друг друга:
- чем больше стол – можно обработать более крупное изделие;
- чем меньше стол – тем проще разметить станок в помещении.
Мини фрезерный станок
Компактный фрезерный станок может все, кроме выпиливания филенок на полотнах дверей (они просто не поместятся в рампу).
Мощность шпинделя
Вопреки распространенному мнению, этот параметр не связан с размером. От него зависит, насколько твердую заготовку вы сможете обработать. На качество фрезеровки напрямую влияет число оборотов вала.
Чем они выше – тем ровнее получается срез. В чем связь с мощностью? При работе с твердым деревом, растет сопротивление. Слабый двигатель начинает терять обороты, и обработка поверхности заготовки будет неравномерной: местами гладко, местами с заусенцами.
Популярное: Работа ручным фрезером по дереву: основные принципы
От этой характеристики станка зависит еще и скорость работы. Если двигатель работает с нагрузкой 80% — 90%, ему необходимо давать время на остывание. А фрезерный аппарат с 50% запасом мощности, работает на 2/3 номинальной нагрузки, и легко переносит непрерывную работу.
Обратите внимание
Запас мощности — это более высокая стоимость и повышенный расход электроэнергии.
Особенности конструкции
Станки для фрезеровки деревянных деталей – универсальные устройства. Их широкое применение в современной промышленности обуславливается, прежде всего, многофункциональностью. Ведь с их помощью можно выполнять следующие задачи:
- Осуществление поперечного строгания различных пород дерева, вне зависимости от их твердости, а также других особенностей обрабатываемых материалов;
- Вырезание разных деталей, которые имеют поверхность сложной формы, включая и криволинейные плоскости. Благодаря усовершенствованным технологиям они получаются максимально ровными, гладкими и с точными размерами.
Пользователи могут самостоятельно осуществлять выборку любых элементов:
- Шпунта;
- Паза;
- Калевки;
- Гребня;
- Шлица;
- Фальца.
Стандартная конструкция прибора состоит из нескольких элементов:
- Рабочий стол разных размеров – можно подобрать наиболее подходящие параметры в зависимости от условий работы;
- Мощное и достаточно тяжелое основание, которое обеспечивает хорошую устойчивость во время эксплуатации оборудования;
- Острый режущий инструмент, ровно разрезающий массивы дерева;
- Вставной шпиндель – требуется для изготовления сложных 3D-изделий;
- Шпиндель-вал;
- Передний электрический тормоз для обеспечения безопасной работы с таким станком;
- Блок программного управления – обязательная составляющая оборудования с ЧПУ. Производители прилагают к нему диск с программным обеспечением, а также специальные шнуры с разъемами соответствующих параметров.
Станок с ЧПУ своими руками
Функциональная схема станка с ЧПУ.
Итак, как сделать данное устройство? Чтобы изготовить станок ЧПУ своими руками, необходимо потратить время на разработку проекта, а также ознакомиться с существующими заводскими моделями. Следуя этим первым и самым простым правилам, удастся избежать самых распространенных ошибок.
Стоит отметить, что фрезеровочный ЧПУ станок – технически сложное устройство с электронными элементами. Из-за этого многие люди полагают, что его невозможно сделать вручную.
Конечно же, данное мнение ошибочно. Однако необходимо иметь в виду, что для сборки понадобится не только чертеж, но и определенный комплект инструментов и деталей. Например, понадобится шаговый двигатель, который можно взять из принтера и т.д.
Следует также учитывать необходимость определенных финансовых и временных затрат. Если подобные проблемы не страшны, тогда изготовить доступный по стоимости и эффективный агрегат с координатным позиционированием режущего инструмента для обработки металла или дерева не составит труда.
Схема
Наиболее трудным этапом изготовления станка ЧПУ по металлу и дереву является выбор оптимальной схемы оборудования. Тут все определяется размерами заготовки и степени ее обработки.
Для бытовых целей лучше отдать предпочтение чертежу небольшого устройства с необходимым набором функций.
Одним из вариантов может быть конструкция, состоящая из двух кареток, которые будут перемещаться в плоскости. Стальные шлифовальные прутки отлично подойдут в качестве основания. На них крепятся каретки.
Также понадобятся ШД и винты с подшипниками качения, чтобы обеспечить трансмиссию. Управление фрезера самодельного станка с ЧПУ будет осуществляться с помощью программы.
Подготовка
Для автоматизации самодельного фрезерного станка с ЧПУ необходимо максимально продумать электронную часть.
Чертеж самодельного станка.
Ее можно разделить на несколько элементов:
- блок питания, обеспечивающий подачу электроэнергии на ШД и контроллер;
- контроллер;
- драйвер, регулирующий работу подвижных частей конструкции.
Затем, чтобы построить самому станок, необходимо подобрать сборочные детали. Лучше всего использовать подручные материалы. Это поможет максимально уменьшить расходы на инструменты, которые вам понадобятся.
Основу обычно делают из дерева, оргстекла или металла
Важно, чтобы во время движения суппортов не возникали колебания. Они приведут к неточной работе аппарата. В связи с этим нужно правильно разработать их конструкцию
В связи с этим нужно правильно разработать их конструкцию
В связи с этим нужно правильно разработать их конструкцию.
Вот некоторые советы по выбору деталей:
- в качестве направляющих подойдут прутки диаметром до 12 мм;
- лучшим вариантом для суппорта будет текстолит;
- ШД обычно берут от принтеров;
- блок фиксации фрезы также делается из текстолита.
Инструкция по сборке
После подготовки и выбора деталей можно приступать к сборке фрезеровального агрегата для обработки дерева и металла.
В первую очередь следует еще раз проверить все комплектующие и удостовериться в правильности их размеров.
Схема устройства ЧПУ.
Порядок выполнения действий при сборке выглядит приблизительно следующим образом:
- установка направляющих суппорта, их крепление к боковым поверхностям конструкции;
- притирка суппортов в результате их перемещения до тех пор, пока не удастся добиться плавного хода;
- затяжка болтов;
- установка компонентов на основании устройства;
- закрепление ходовых винтов с муфтами;
- крепление к винтам муфт шаговых двигателей.
Всю электронную составляющую следует расположить в отдельном блоке. Таким образом, вероятность сбоя во время работы будет сведена к минимуму. Подобный вариант размещения электроники можно назвать лучшей конструкцией.
Особенности работы
После того, как самодельный станок с ЧПУ был собран своими руками, можно приступать к испытаниям.
Кинематическая схема работы устройства.
В ПО должны содержаться все необходимые драйверы для контроллеров.
Начинать следует с несложных программ. При первых запусках необходимо следить за каждым проходом фрезы, чтобы убедиться в правильности обработке по ширине и глубине
Особенно важно проконтролировать трехмерные варианты подобных устройств
Техника безопасности при работе с фрезером ЧПУ
При работе с техническим оборудованием придерживайтесь определенных правил. Это связано не только с эффективностью работы, но и с безопасностью.
Работа с техническим оборудованием опасна, а соблюдение техники безопасности снижает риск причинения вреда здоровью.
Правила ТБ:
- Приступать к работе только в специальной униформе. Оператору ЧПУ станка потребуется прикасаться к острым предметам. Прикосновение голыми руками повышает риск появления колотых и режущих ран.
- Рабочее пространство должно быть в 2 раза больше, чем размер станка. Это нужно для отдаления от рабочего места при критических ситуациях.
- Огнеустойчивость стен, пола и потолка. Снижает риск возникновения пожара.
- Пол должен быть ровным. Требуется для надежного закрепления аппарата.
- Наличие хорошего освещения.
Какими дополнительными возможностями обладают станки?
Удобное применение оборудования обеспечивается не только наличием большого количества функций, необходимых непосредственно для работы с деталями, так и дополнительных возможностей, которые делают работу станка более эффективной и бесперебойной:
- Стабилизатор напряжения промышленного типа предназначаются для защиты от повышенных нагрузок при перенапряжении электросети и перегрева;
- Специальное программное обеспечение с уникальным набором рабочих инструментов, которые требуются для тщательной обработки исходного материала и моделирования нужных изделий. Возможность самостоятельно задавать и регулировать числовое значение параметров позволяет в короткий срок изготавливать 2D или 3D-продукцию разных размеров.
Именно гибкость в эксплуатации, а также многофункциональность делают станок с ЧПУ незаменимым как на небольших, так и на крупных предприятиях, специализирующихся на производстве деревянной продукции.
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.
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.
Дополнительные элементы оборудования
- Поворотный механизм каретки фрезера. Опция, безусловно, полезная. Она добавляет «трехмерности».
фрезер с ЧПУ Мультикат
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.
Рабочий стол станка
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.
Работа тремя фрезами, увеличивает производительность станка
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.
Обработка детали на станке с ЧПУ
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
