Главная › Помощь ›

19.10.2020

Андрей Смирнов

Время чтения: ~13 мин.

Как в домашних условиях сделать ЧПУ станок на Arduino

Перейти на AliExpress.com

Привет! Здесь я собрал для вас информацию по некоторым двигателям и драйверам к ним для создания максимально дешёвых станков с ЧПУ под управлением Arduino.

С чем я разобрался на данный момент: дешёвый станок можно собрать на трёх разных началах:

Написать свою прошивку для Arduino, которая должна обеспечить принятие команд G кода по COM порту (через USB), обработку этих команд, а затем управление двигателями станка. Я этим заниматься не буду, я не программист.
Можно использовать софт, написанный (мне так кажется) автором сайта ecnc.ru, за что огромное ему спасибо. Есть и прошивка, и софт для управления с ПК. Но возможности этой связки не очень большие. Как подключить и настроить, описано ЗДЕСЬ
Самый прогрессивный вариант – использовать готовую систему под незатейливым названием GRBL, её разработкой занималась целая команда на протяжении нескольких лет, так что этот вариант обеспечит МАКСИМАЛЬНУЮ КРУТОСТЬ вашему домашнему станку.GRBL Wiki.

Для всех трёх предложенных вариантов нужны как минимум две вещи: шаговые двигатели и драйверы к ним. Изрядно погуглив, я собрал вот такую “выжимку” в виде таблицы.

Драйвер	Цена	Движок	Цена	Прошивка	Софт
ULN2003	80р	Униполярные (28BYJ-48)	60 р	ecnc	Arduino ЧПУ
L298N	110р	Биполярные (Nema 17)	500-730р	ecnc	Arduino ЧПУ
EasyDriver	110р	Nema 17	500-730р	GRBL	Любой сендер Джикода
CNC Shield	220р	3 штуки A4988 подключаются к CNC Shield!
A4988	60р	Nema 17	500-730р	GRBL	Любой сендер Джикода

Самое дешёвое двигло

Тип: униполярный
Напряжение: 5 вольт
Шагов на 1 оборот: 2048
Время на 1 оборот: 4 секунды
Крутящий момент: 0,034 Н/м
Диаметр выходного вала: 5 мм
Размеры: 35х19 мм

Особенности применения

Нужно использовать драйвер для униполярных движков, на микросхеме ULN2003. Кстати он в паре с ним и продаётся выгоднее всего, раздельно покупать почти нет смысла.
Очень, очень медленный! Такой движок нужно использовать только с ременной передачей, с винтовой будет работать невозможно медленно
Движок слабый и очень компактный, поэтому идеально подходит для лазерных гравёров и ручкорисовалок.

Большой китайский друг

Тип: биполярный
Напряжение: 2 вольта
Шагов на 1 оборот: 200
Время на 1 оборот: 0,16 секунды
Крутящий момент: 0.4 Н/м
Диаметр выходного вала: 5 мм
Размеры: квадрат 42 мм

Особенности применения

Нужно использовать драйвер для биполярных движков
Довольно быстрый движок, использовать нужно с винтовой передачей (шпилька+гайка или готовые варианты)
Вкупе с винтовой парой даёт довольно мощное линейное перемещение, что позволяет использовать его для создания полноценных ЧПУ фрезеров и прочих более тяжёлых станков

Отлично подходит для двигателей 28BYJ-48, обычно даже идёт с ним в комплекте
Не имеет никаких настроек

Подключение и прошивка

Программа Arduino ЧПУ

информация взята с http://www.ecnc.ru/

Подходит для управления двигателями класса NEMA
Опять же дешёвый и не имеет никаких настроек

Схема подключения

Подключение и прошивка

Программа Arduino ЧПУ

информация взята с http://www.ecnc.ru/

Подходит для управления двигателями класса NEMA
Подходит для использования с GRBL

Схема подключения

Прошивка

Подходит для управления двигателями класса NEMA
Шилд создан для работы с GRBL

Прошивка

Вопрос-Ответ

Создать ЧПУ на Ардуино – сравнительно несложно. Но многие воспринимают это как вариант для пользователей-непрофессионалов, считая, что такой подход устроит лишь «чайников». В статье найдете пошаговую инструкцию и основные советы от мастеров.

Что такое Arduino

Прежде всего, стоит разобраться, что такое Arduino.

Ардуино это:

ЧПУ СТАНОК НА ARDUINO: ДВИГАТЕЛИ И ДРАЙВЕРЫ

название торговой марки аппаратуры, средств программирования, при помощи которых реально построить модели станков (в том числе, трехосевого), несложные системы автоматики и робототехники;
линейка продукции, наличие открытой архитектуры у которой позволит скопировать или дополнить уже существующие конструкции;
небольшая плата с собственным процессором и памятью;
аппаратная вычислительная платформа или же контроллер;
язык программирования, позволяющий разбирать различный софт (условно бесплатное ПО, свежие новости в области IT);
так называемый электронный конструктор.

Создавая на Ардуино устройства электроники, способные принимать сигналы от разных цифровых и аналоговых датчиков, подключенных к нему, как к основе. Поэтому в контексте данной статьи, речь будет идти о платах.

Разработка электроники с Arduino

Такая плата может быть самостоятельно собрана пользователем или покупается в сборе. Она способна принимать программное обеспечение компьютера. Arduino, упрощая работу с микроконтроллерами, имеет преимущества перед другими устройствами:

низкую стоимость;
кросс-платформенность (способность работать в нескольких ОС);
простую, понятную среду программирования (подходит для новичка, а также опытного пользователя);
в качестве основы Arduino применяются микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168.

Один из умельцев по схеме создал первый самодельный станок с ЧПУ из доступных материалов себестоимостью в пределах 170$. Его предназначение – резка пластика и фанеры, раскрой деталей для создания любой самоделки. Электронную часть собрано на arduino с прошивкой GRBL. Для этого понадобились главные узлы:

платы Ардуина R3, cnc shield v3 Update или новая версия v4;
ШД (тип NEMA 17);
блок питания (24 В, 15 А).

Заготовил механику для самодельного ЧПУ своими руками, включая станину из фанеры толщиной 10 мм, шурупы и болты 8 мм. Чтобы сделать линейные направляющие, взял металлический уголок 25х25х3 мм и подшипники 8х7х22 мм. Движение оси Z на шпильке M8, а оси X и Y – зубчатые полиуретановые ремни T2.5. Использован самодельный шпиндель.

Рабочее пространство станка 45 см по X, 33 см по Y, 4 см по Z. Что касается фрезера, в Китае приобретено несколько фрез (3 и 4 канавки). Они идеальны для металла, а для фанеры (надо было вырезать шестерёнки) понадобились другие.

ЧПУ станок из дерева

Для него нужна Аrduino uno R3, G-сode Sender и GRBL. Необходимо заранее подготовить материалы и компоненты: фанеру, гайки с болтами, резьбовой вал и стержни из стали, шарикоподшипники, ШД Nema 23 и драйвера к ним, источник питания 24 В, 15 А, втулки из капролона, фторопласта и металла, провода.

Читайте также: Современные системы ЧПУ для станков

Многое, входящее в электронику, прислали из Китая.

Основанием служат бруски из древесины с глухими, сквозными отверстиями. Стальной резьбовой вал, установленный по центру станка, служит приводом для оси Х. В момент его вращения – каретка (рабочий стол) выполняет перемещение вдоль этой оси Х.

Наборы для сборки фрезерного станка с ЧПУ

ВНИМАНИЕ: чём толще фанера или деревянный брусок, тем меньшей будет вибрация, выше точность позиционирования.

Портал (ось Y) устанавливают на подвижном столе, фиксируя гайкой под столом. Ось Z служит для перемещения рабочего органа (он подает инструмент в вертикальном положении).

Для сборки понадобятся болты и гайки. Не стоит склеивать поломанные делали, лучше их заменить новыми. Подключая Arduino, ШД и драйверы к каждому из них, надо предусмотреть и блоки питания для них. Загрузив и настроив код GRBL, можно открыть G-сode Sender и подключить Arduino к ПК. Плата готова участвовать в процессе управления чпу станком.

Чтобы задать траекторию обработки, используются чертежи любой CAD программы. Затем используется CAM программа, формирующая G-код.

Зачем нужны шилды

Обладатели самодельных устройств наслышаны о платах расширения – Arduino cnc shield, применение которых расширяет функционал фрезерного оборудования.

Обычно шилду изготавливают под форм-фактор платы. Используют и несколько шилдов одновременно, устанавливая их на микроконтроллер (один на другой). Спектр их применения:

при помощи официального устройства Arduino – Ethernet cnc shield можно добиться независимости проекта от ПК, да и для хостинга веб-сервера его используют;
4 Relay Shield – возможность для того, чтобы подключать 4-х периферийные устройства;

ВАЖНО: надо соблюдать осторожность с контактами этого устройства, чтобы не повредить Arduino.

Рrotoshield – весьма полезный шилд в момент, когда собирается схема;
LCD Shield позволяет информацию с Arduino выводить напрямую на периферийный экран;
еnergy Shield – расширенные возможности для питания на Arduino. Реальна подзарядка мобильников и гаджетов;
мotor shield обеспечивает управление большим числом моторов и их защиту;
SD Card Shield служит для обработки и хранения больших массивов информации;

Wi-fi Shield, подключенный к серийному порту, обеспечит дистанционное управление приводами роботизированных проектов;
GPRS Shield оснащается антеннами для использования сети GSM/GPRS;
E-Ink shield – путь для использования технологии электронных чернил, дисплею нужен для питания минимум энергии;
мusic Shield способен воспроизводить музыку через Arduino в отличном качестве.

Читайте также: Процесс гравировки на станках ЧПУ

Реально создать лазерный 3D принтер, ЧПУ станок, употребляя бюджетные платы Arduino. С платой расширения CNC Shield можно работать на станках с числовым программным управлением, в гравировальной или фрезерной машине. А шилд для управления тремя ШД (трехосевой станок) имеет три разъема, чтобы не было проблем с каждым драйвером при подключении.

Умный дом на базе Ардуино: пошаговая инструкция по сборке

Для любителей выжигать на различных материалах

В сети можно увидеть многочисленные самодельные модели выжигателей, которые способны создавать рисунок на фанере, пластике, металле и даже на стекле. Причем достигается фотографическая схожесть и некоторая объемность изображения. Поверхность очищают, обезжиривают, грунтуют белым акрилом марки Kudo и, применяя лазерный ЧПУ выжигатель, его ещё называют пиропринтер, создают уникальные изображения. Иногда процесс длится 6 и больше часов.

Скорость работы выжигателя – стабильная 10 м/мин, и у программистов есть идеи, как ее поднять, не вмешиваясь в работу блока управления. Управлять выжигателем можно и с ноутбука (ОС Windows XP и 7), отказавшись от LPT кабеля. Это превратит выжигание в увлекательное занятие для детей и подростков с применением возможностей лазерных фрезеров.

А как насчет взаимодействия

Удивительно слушать заявления некоторых умельцев, что для ЧПУ Ардуино не подходит, тем более, невозможен симбиоз mach3 arduino, якобы они не желают взаимодействовать.

Другие же уверены в противном: ардуину можно реализовать для ЧПУ при помощи трёх вариантов:

Полностью автономный контроллер.
Плата-интерпретатор отвечает за движения, но они рассчитываются на компьютере.
Плата-транслятор (переходник) – выполняет роль виртуального ЛПТ-порта.

Многие пользователи в сети, у которых проблемная электроника, просят посоветовать им программу, чтобы станки под управлением таковой, могли работать чётко и бесперебойно. Фрезеры на станке призваны заготовку обрабатывать равномерно, выполняя сигналы программного блока.

Лазерный фрезер, даже сделанный своими руками, будет демонстрировать соблюдение всех параметров движения.

Вместо заключения

Какое бы устройство не собирали умельцы на базе Arduino: фрезерный станок или лазерный прибор для выжигания, им нужны чертежи и схемы, материалы и комплектующие, некоторые практические умения, чтобы справиться с этой задачей. А ещё – вера в свои силы, умело сочетающаяся с желанием чему-то научиться у других.

Набор Arduino Uno и CNC Sheild v3 — это комплект электроники, позволяющий управлять шаговыми двигателями и различными периферийными устройствами для реализации проектов различных ЧПУ устройств, таких как фрезерные и токарные станки, лазерные граверы и т. п. Данный комплект позволяет реализовать параллельную работу шаговых двигателей, что необходимо для некоторых проектов, когда используются два мотора на одной оси, обычно это ось Y.

В комплект входят:

1. Плата Arduino Uno R3.0; 2. Плата расширения CNC Shield V3.0; 3. Четыре драйвера А4988 или DRV8825 для шаговых двигателей, с радиаторами; 4. Кабель для связи с компьютером USB.

Характеристики комплекта:

— совместим с прошивкой GRBL и стандартным G-кодом;

— количество осей: до 4 (X, Y, Z, A);

— до 6-ти концевых выключателей;

— управление шпинделем (включение, направление вращения, охлаждение) или другим исполнительным устройством;

— драйверы шаговых двигателей: A4988, DRV8825 или аналогичные;

— интерфейсы: UART, I2C

— напряжение питания: 12…36В;

— размеры — 65×55×20 мм;

— вес — 32 г.

С чего начать?

Для базовой настройки набора понадобится:

— компьютер для загрузки прошивки;

— шаговые двигатели NEMA17 с разъемом Dupont с 4 контактами;

— блок питания для моторов, обычно это 12В и не менее 3А;

— мультиметр.

Шаг первый.

Сборка «бутерброда» из плат Arduino Uno и CNC Sheild v. 3.

На фотографии показана установка платы CNC Sheild v. 3 на Arduino Uno. Перепутать достаточно сложно.

Шаг второй.

Дублирование оси.

Плата CNC Sheild V.3 интересна тем, что позволяет распараллеливание шаговых двигателей для любой из осей. Это позволяет реализовывать проекты с двумя шаговыми двигателями на одну ось без дополнительных проблем.

Для реализации данной функции необходимо установить 2 джемпера в соответствующие выводы, напротив нужной оси.

Шаг третий.

Настройка тока драйверов шаговых двигателей.

Драйвера шаговых двигателей A4988 являются наиболее дешевыми и распространенными, но имеют два основных недостатка:

— шум при работе моторов;

— максимальное значение микрошага 1/16.

Замечательно подходят для построения максимально дешевой системы управления оборудованием.

Драйвера DRV8825 немного дороже, но позволяют реализовать более точную систему с микрошагом 1/32, с более низкими шумами при работе моторов.

При использовании драйверов шаговых двигателей А4988 или DRV8825 необходимо помнить, что драйвера при установке необходимо ориентировать по разному. Ориентиром может служить подстроечный резистор.

Настройку тока драйверов мы рассматривали в статье «Настройка тока драйвера шагового двигателя».

Для настройки тока необходимо:

— установить драйвера в соответствующие слоты CNC Sheild v. 3;

— подключить плату к компьютеру при помощи USB кабеля;

Напомним основные моменты при настройке тока:

— настройка тока важна для правильной работы шагового двигателя, снижения нагрева моторов при работе и снижения вероятности пропуска шагов;

— настройка происходит при полном шаге, т. е. джемперы настройки микрошага нельзя устанавливать;

— настройка происходит для каждого драйвера отдельно, в том слоте, в котором он будет дальше использоваться.

После настройки тока необходимо удалить драйвера шаговых двигателей, чтобы перейти к следующему этапу.

Шаг четвертый.

Настройка микрошага.

Выбор и настройку микрошага для шагового двигателя мы описывали в статье «Микрошаг — выбор и применение».

Напомним основные моменты:

— повышение значения микрошага ведет к потере крутящего момента на шаговом двигателе;

— высокие значения микрошага не ведет к кратному увеличению точности работы оборудования, из-за наличия люфта в подвижных элементах конструкции.

Например, при использовании ЧПУ станках трапецеидальных винтов с ходом 2 мм. Рассчитаем точность позиционирования при основном шаге. Двигатель Nema17 имеет 200 шагов на оборот.

Точность позиционирования получается следующая:

— перемещение на один оборот — 2 мм;

— шагов на оборот — 200 шагов;

— микрошаг — 1.

2 мм/ 200 шагов = 0,01 мм/шаг

Подобная точность достаточна для самостоятельных проектов.

При использовании шкивов GT2 20 зубьев (дать ссылку) в приводе, получим следующие значения:

— перемещение на один оборот — 40 мм;

— шагов на оборот — 200 шагов;

— микрошаг — 16.

40 мм/ (200 шагов * 16) = 0,0125 мм/шаг

После настройки микрошага необходимо установить драйвера шаговых двигателей.

Шаг пятый.

Подключение питания.

Помимо подключения к компьютеру кабелем USB необходимо подать силовое напряжение 12 В.

На CNC Sheild v. 3 это можно реализовать двумя путями:

— подключить блок питания с помощью разъема DC;

— подключит блок питания к клеммной колодке проводами.

Первый случай подходит для небольших проектов, типа мини лазерного гравера, второй для более энергоемких проектов, типа фрезерных станков.

При выборе мощности источника питания необходимо помнить, что его мощность должна быть больше суммарной энергоемкости устройства. Под энергоемкостью проекта надо понимать потребную мощность всех компонентов системы, таких как шаговые двигатели, исполнительный механизм (лазерный модуль или шпиндель).

Шаг шестой.

Подключение шаговых двигателей.

Подключение шаговых двигателей происходит посредством разъемов Dupont на 4 контакта, шаг разъема 2,54 мм.

Если вы купили двигатели без таких разъемов, то необходимо самостоятельно обжать их, соблюдая соответствие проводов вашего двигателя и выводом на плате CNC Sheild v.3.

На рисунке выделены подписанные контакты для подключения шагового мотора.

Они должны совпадать с описанием к выбранным шаговым двигателям.

Шаговый двигатель ноебходимо подключать в слот рядом с драйвером.

Шаг седьмой.

Прошивка контроллера.

После подключения блока питания и шаговых двигателей необходимо залить в контроллер прошивку GRBL. Мы описывали это в статье «Прошивка GRBL — скачиваем, прошиваем».

После того как вы убедитесь, что все двигатели вращаются можно приступать к установке двигателей и контроллера на устройстве и переходить к настройке параметров прошивки GRBLдля конкретного проекта.

Используемые источники: