Почему я принял решение собрать собственный станок

В первый раз мысль о создании фрезерного станка с ЧПУ для собственной коллек­ции оборудования пришла мне после завершения реконструкции шкафа на кухне. При переделке шкафа мной было изготовлено 26 (!) дверец. В результате чего я пришел к выводу, что это весьма скучное занятие. Когда вам случается рассказать друзьям о том, что вы сконструировали, обязательно кто-нибудь решить сделать то же самое и обратится к вам за помощью. Данная ситуация не оказалась исключением. Мой  друг тоже решил установить на своих кухонных шкафчиках новые двери, и я согласился помочь. Друг выбрал дизайн дверец из цельного куска. Передо мной стояла перспектива создания большого числа дверей и разработки трафаретов, способных облегчить раз­метку. Тогда-то и пришла идея о разработке небольшого станка с ЧПУ. Однотипные повторяющиеся разметки такой станок мог бы с легкостью создавать, а устранив человеческий  фактор, можно было бы добиться, чтобы двер­цы точно походили одна на другую.

Стал заниматься поисками подходящего станка, который смог справиться бы с  работой, но, подробно изучив рынок, был просто шокирован стоимостью подобного обору­дования. Я смог найти экземпляры, стоимость которых составляла порядка 6000 у.е., однако, сам никогда б не решился приобрести такой дорогой станок. Даже если такая сумма покажется разумной, следует добавить налог, стоимость дос­тавки плюс обменный курс. С учетом дополнительных расходов итоговая стоимость равнялась бы порядка 10000 у.е. Поиски чертежей или книг, содержащих описание требуемой конструкции, также не увенчались успехом, так как все найденные в сети образцы либо были слишком маленькими, либо требовали применения до­рогих комплектующих. Именно поэтому я ре­шил начать сборку собственного станка, воспользовавшись имеющимися у меня элементами для линейного перемещения, а также прочими составляющими, которые можно было модифицировать. Я  решил записывать ход работы и фиксировать всю информацию в книге. Хочется отметить, что я затеял всю эту са­мостоятельную сборку, так как люблю сложные практические зада­чи.

Портальный тип

Портальный тип ЧПУ-станка, на мой взгляд, реализовать просто. Не так давно я сконструировал раму для пилы ленточного типа и  портал, так что реализация новой установки показалась  мне нетрудоемким занятием. Меня привлекла идея передвижения инструмента над поверхностью материала, а не наоборот. Станок с перемещением материала необходимо оснастить большой рабочей поверхностью. С учетом размеров моей мастерской – порядка 20 кв.м. — порталь­ный тип станка является максимально подходящим.

Электродвигатели

Первую из комплектующих, которую я пробрел, — шаговый электродвигатель. В местном универмаге мне был предложен ряд синхронных шаго­вых электродвигателей (см. рисунки 1.1 и 1.2).

Рис. 1.1. Синхронный шаговый электродвигатель (боковой ракурс)

Рис. 1.2. Синхронный шаговый электродвигатель (вид сверху)

Данные типоразмеры берут ток 1,4А на канал, их номинальное напряжение составляет 4,5В.

Такие двигатели применялись в продукции фирмы IBM, вероятно, для производства принтеров. Они являются униполярными, но при применении их как бипо­лярных обеспечивают больший вращающий момент (см. рисунок 1.3).

Монтажная схема синхронного ШД 03-820-0240 4,5В, 1,4 А, 2 градуса/шаг

 Биполярные подключения 

Рис. 1.3. Монтажная схема синхронного ШД

Мной было обнаружено, что ШД функционируют лучше, когда на них подается не номинальные 4,5В, а 12В. Мощность данного ШД оценивается удерживающим моментом, который измеряется в Нм – Ньютонметрах. В источниках об указанных ШД говорилось, что они имеют преде­лы 0,65 — 1,6 Нм. Но я сначала приобрел электродвигатель, а уже затем ознакомился с его описанием. Лучше сначала выполнить расчет необходимой вам мощ­ности электродвигателя, которая нужна для функционирования станка, а уже потом приобретать соответствующий. В литературных источниках указано, как выполнить расчет мощности двигателя, необходимой для работы станка. Если не удалось найти требуемые  электродви­гатели, можно обратиться в компанию Pacific Scientific, которая предлагает не только огромный выбор ШД, но и возможность выбора необходимого программного продукта, позволяющего определить нужный вам тип.

Следует помнить, что несмотря высокую стоимость новых электродвигателей известных марок, они являются более надежными, и они легкостью сможете подобрать требуемую мощность. При этом новые ШД смогут существенно ускорить работу станка  — увеличить скорость перемещения, но не скорость резания. Для основной массы материалов процесс резания на данном станке будет медленным не­зависимо от установленного типа двигателя – фрезу невозможно перемещать сквозь дерево со скоростью на 5000 мм/мин и получать одновременно  качественный вырез. В данном случае скорость резания 250-750 мм/мин является диапазоном, на который можно рас­считывать с подобными двигателями.

Линейное перемещение

Разработаны различные приспособления для линейного перемещения, однако основная масса слишком дорога для нашего  замысла. Мной не так давно был приобретен копир от компании NuArc — я решил,  что он когда-нибудь сможет мне пригодиться (см. рисунок 1.4).

Рис. 1.4. Поэлементное изображение ультразвуковой камеры горизонтального типа NuArc модели SST_1418. Элемент 21 — каретка, перемещающаяся по направляющим с применением линейных подшипников скольжения. Я его разобрал и увидел, что для пе­редвижения копировальной панели на  направляющих в нем применяются ли­нейные подшипники скольжения.

Каретка, служащая для перемещения панели копира и ме­хов, станет отличным элементом будущего станка с ЧПУ — осью Y. Также в нее встроены крепления и подшипники (см. рисунки  1.5 и 1.6.).

 Рис. 1.5. Камера NuArc, элемент  82 – направляющая

Рис. 1.6. Каретка крупным планом: элемент 40 – подшипники, элемент 33 — положение гайки ходового винта

Мной было обнаружено, что из 8 подшипников лишь 4 являются пригодными для применения, и я решил собрать ось X аналогичным способом. В данном случае я использовал линейные подшипники схожей конструк­ции: в них для опорных болтов проделаны отверстия и выполнена нарезка резь­бы. Я сделал самостоятельно крепления подшипников для X-оси, так как заводские крепления имеют слишком высокую стоимость. Я не применял опоры направ­ляющих, так как сами болты смогли обеспечить высокую прочность конструкции. Если вам все же захотелось смонтировать дополнительную опору, ее следует сделать из 2-х стальных уголков, имеющих распорку. При этом поверхность, на ко­торую будет ставиться опора, должна быть очень ровной. Так как при сборке станка мной не планировалось применять стальную арматуру, использование болтов как  опор направляющих позволило дополнительно регулировать их положение.

Аналогичные подшипники и направляющие можно было применить для оси Z, однако я ре­шил взять для этих целей шарнирную телевизионную подставку, приобретенную в хозяйственном магазине. Она служит для горизонтального удержания телевизора массой до 40 кг. В разработанной мною конструкции перемещение по оси Z вертикально, а значит, салазки необходимо применять крепкие, оснащенные большими шариковыми подшипниками и имеющие достаточную длину для перемеще­ния по Z-оси. В устройстве NuArc применялись подшипни­ки 19 мм и направляющие, именно поэтому мной было решено для оси X применить аналогичный размер.

 Устройства управления двигателями

Так как я уже приобрел электродвигатели, поэтому осталось только решить, какие управляющие устройства для них выбрать. Оптимальным решением  стало применение интег­ральных схем L_297 и L_298 от компании  STMisro Electronics. Их сайт предоставляет всю информацию, необходимую для разработки устройства управле­ния биполярным ШД с применением 2-х  интеграль­ных схем, часто называемых чипами. Устройство управления, разработанное на основе данных микросхем, может давать необходимые ШД напряжение и ток.

Винт, оснащенный трапецеидальной резьбой

Далее возник еще один вопрос: каким образом будет выполняться перемещение портала и каретки. Сначала я хотел применять шарико-винтовую пару, однако после сравнения цен на ШВП и винты с трапецеидальной резьбой, принял решение, что не следует переплачивать втрое за ШВП. Преимущество применения шарико-винтовых пар заключается в возможности использования для заданных нагрузок менее мощных электродви­гателей. Как говорил ранее, в ходе обработки материала перемещение инструмента будет происходить с невысокой скоростью, поэтому существующий люфт при монтаже винта с трапецеидальной резьбой будет компенсироваться программно. Таким образом, для дан­ной конструкции целесообразно применять менее дорогостоящие винты.

Мне также нужно было определить число оборотов, которое должен вы­полнять винт для перемещения устройства на 25,4 мм. Из опыта, слишком большое число оборотов обеспечивает значительно более мед­ленное движение, а слишком малое число оборотов снижает разрешающую способ­ность в целом станка, не давая ему возможности выполнять обработку с высокой точностью. Мной было принято решение применить полудюймовый трапецеидальный винт, длина которого составляет 183 см, а также гайку на 8 оборотов длинной 25,4 мм.

Выбираем размеры станка

Как говорилось выше, площадь основания станка определялась, исходя из размеров моей мастерской. Так как размеры мастерской — 6,7×3,7 м, при этом основную ее часть занимают инструменты и материалы, габариты должны быть  предположительно 2,2х1,2 м.

Следующим шагом является создание общего чертежа, т.к. в станке применяются некоторые элементы из горизонтального копира NuArc. Рама должна иметь длину, большую длины опор направляющих, т.к. необходимо место для монтажа креплений двигателей и подшипников. Ширина рамы будет на несколько см короче, нежели оставшаяся длина винта  — 183 см,  после отрезания части, необходимой для оси Z. На рисунках 1.7 и 1.8 представлены общие чертежи проекта станка. Рисунок 1.7 отображает станок сбоку, рисунок 1.8 показывает  вид спереди.

Рис. 1.7. Чертеж будущего станка (вид сбоку)

Рис. 1.8. Вид станка спереди

Программное обеспечение

Продумав, какими будут форма и размер станка, а также выбрав шаговые элек­тродвигатели и управляющие устройства, у меня возник вопрос о программном продукте для управления станком. Я рассмотрел массу  вариантов, однако, виду отсутствия опыта  в данной сфере, решил подыскать программу с максимально простым интерфейсом и управлением.  Программа, задающая команды по перемещению шагового  электродвигателя при движении по необходимой траектории, записана как G-код и М-код. Данные коды служат для сообщения станку координат X, Y и Z для перемещения инструмента в нужное место, а также инструкций по выполнению команд.  Упрощенные программы, задающие траекторию в  виде простых фигур – прямоугольников или кругов – легко написать самостоятельно. Однако мне была необходима программа, позволяющая сначала создавать свой рисунок в редакторах типа CorelDraw, а далее выполнять его импорт и генерацию в автоматическом режиме кодов G и М. Я изучил ряд бесплатно распространяемых про­грамм, однако они оказались довольно сложными. В итоге поиск дал результат —  про­грамму KCam,  полностью соответствующую моим запросам. Рисунок 1.9 отображает рабочее окно KCam.

 Рис. 1.9. Скрин KCam

Программный продукт KCam не является бесплатным, при этом его стоимость относительно небольшая – порядка ста долларов США. Программа весьма эффективна и проста в применении, к тому же дает возможность работы посредством LPT-порта компьютера. Также KCam позволяет импортировать HPGL-файлы, разработанные в CorelDraw, DXF-файлы программ типа AutoCAD.

Итак, я рассказал вам и о своем конструктивном решении ЧПУ-станка, а также выборе шаговых электродвигателей, управляющих устройств  и про­граммного обеспечения.

Дадим краткую характеристику двигателю постоянного тока.

ДПТ включает якорную обмотку (ротор с якорной обмоткой), статор, щеточный узел. Такой двигатель представляют собой обратимые электрические машины, т. е.  в определенных условиях способные функционировать как генераторы.

Статор

В зависимости от конструктивных особенностей, на статоре ДПТ могут располагаться различные элементы.

Постоянные магниты обмотки возбуждения — специальные катушки, служащие для наведения магнитного потока возбуждения.

ДПТ классифицируются по тому, каким способом коммутируют обмотки возбуждения. На тяговые и электрические параметры электродвигателя оказывает существенное влияние тип подключения обмоток возбуждения. Имеются независимые, параллельные, последовательные и смешанные способы коммутации  обмоток возбуждения.

Ротор

Ротор ДПТ включает многочисленные катушки, одна из которых запитывается, что зависит  от угла, на который повернут ротор относительно статора. Использование большого количества (несколько десятков штук) катушек требуется для обеспечения нормального взаимодействия магнитных полей статора и  ротора – для создания на роторе максимального момента.

Выводы на всех катушках объединяют в коллекторный узел, который, как правило, является кольцом изолированных пластин-контактов, располагающихся по оси ротора. Разработаны и конструктивно другие коллекторные узлы.

Щеточный (коллекторно-щеточный) узел

Щеточный узел требуется на вращающемся роторе при подводе электроэнергии к катушкам. Щетка представляет собой неподвижный контакт, как правило, выполненный из графита или медно-графитовый.

Щетки нередко размыкают/замыкают коллекторные пластины-контакты на роторе, в итоге при работе ДПТ в обмотках ротора возникают переходные процессы. При данных процессах появляется искрение на коллекторе, что существенно снижает ресурс двигателя. От искрения избавляются посредством  выбора оптимального положения полюсов ротора к статору (снижением тока коммутации), и присоединением реактивных элементов внешнего типа (конденсаторов).

Если токи большие, в роторе ДПТ появляются мощные переходные процессы, в итоге искрение может непрерывно охватывать пластины коллектора, и положение щеток на это не влияет. Такое явление носит название  кольцевого искрения коллектора. Данное искрение является опасным, поскольку происходит одновременное выгорание всех пластин коллектора, что существенно сокращает срок его службы. Внешне кольцевое искрение проявляется как светящееся кольцо около коллектора. Появление такого эффекта недопустимо. Во избежание этого при создании проекта приводов ставятся определенные ограничения на токи в роторе (максимальные моменты двигателя).

Принцип функционирования.

Рамка с током, находящаяся под действием магнитного поля возбуждения статора, подвергается воздействию сил, создающих момент на роторе.

Управление ДПТ.

Механическая характеристика ДПТ.

Показатель, определяющий, как частота зависит от момента на валу двигателя. Отражается в виде графика, где ось абсцисс (горизонтальная) показывает момент на валу ротора, а ось ординат (вертикальная) — частоту вращения ротора. Механической  характеристикой ДПТ является прямая, которая идет с отрицательным наклоном. Данная прямая строится при заданном напряжении питания обмоток ротора. При необходимости построения механических характеристик с применением нескольких показателей напряжения питания следует говорить о семействе мех. характеристик ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Показатель зависимости частоты от момента на вале двигателя. Отражается на графике, где ось абсцисс показывает напряжение питания обмоток ротора, а ось ординат — частоту вращения ротора. Это прямая, которая идет с положительным наклоном.

Построение данной характеристики ведется при определенном моменте, который развивает двигатель. Если необходимо построить регулировочные характеристики для ряда показателей напряжения питания, следует говорить о семействе регулировочных хар-к ДПТ.

Управление ДПТ

Приводы на основе ДПТ управляемого типа применяют в целях управления идеей ШИМ.

Управление двигателем ведется по току в моторной обмотке, который является пропорциональным напряжению, приложенному к данной обмотке. Реакция двигателя на такое напряжение при определенном внешнем моменте видима на соответствующей регулировочной характеристике. Данная мех.  характеристика определяет скорость, достигаемую двигателем в установившемся режиме.

Формулы, применяемые при управлении ДПТ:

Момент, который способен развить двигатель, пропорционален току обмотки  якоря (ротора):

M = kmI, где km — коэффициент момента двигателя.

ПротивоЭДС в якорных обмотках пропорциональна угловой частоте вращения ротора:

E = kew, где ke — коэффициент ЭДС ДПТ

Закон Ома (обмотка ротора):

U = RI, где R — сопротивление обмотки ротора, I и U — ток в обмотке и напряжение, которое подается на роторную обмотку

Плюсы и минусы ДПТ.

Положительными моментами ДПТ являются простота конструкции и управления, а также практически линейные характеристики двигателя (механическая и регулировочная).

К недостаткам можно отнести необходимость профилактики коллекторно-щеточных узлов, ограничение срока службы износом коллектора.

Шаговые двигатели, применяемые в различных отраслях промышленности, необходимо оснащать автоматическим управлением электроприводами, предназначенным для бесперебойной работы ШД.  Тщательно подходить к выбору  и приобретению контроллера шагового двигателя весьма важно, как и осуществлять выбор самого двигателя.

Управлять ШД можно несколькими способами.

Первый способ — попеременная коммутация фаз, предполагающая одновременное включение только одной фазы. Точки равновесия ротора каждого из шагов совмещаются у неподключенного двигателя с «естественными» роторными точками равновесия. Подобные системы управления ШД используются, как правило, при производстве электротехнического оборудования.

Вторым способом является управление фазами мотора с перекрытием, при котором выполняется одновременное включение двух  фаз. Такой способ предполагает фиксацию ротора в промежуточных положениях между полюсами статора. При этом обеспечивается порядка 40% больший момент, нежели в случае функционирования одной фазы.

Данный способ управления электрическим приводом формирует угол шага, аналогичный первому способу, однако точки равновесия ротора смещяются на полшага.

Третьи способом является полушаговый режим, при котором каждый второй шаг запитывает только одна фаза, а других случаях — две. Системы управления электроприводом, имеющие данный режим, дают возможность  сделать меньше размер шага. В итоге угловое перемещение ротора равняется половине угла шага применительно к  первым двум способам управления. Подобное управление ШД дает возможность немного уменьшить резонанс.

Четвертым способом является микрошаговый режим. Системы, управляющие работой электропривода  на основе микрошагового режима, позволяют изменять ток в фазах малыми шагами, обеспечивая при этом  дробление половинного шага на малые микрошаги. При включении  одновременно двух фаз с неравными токами положение равновесия ротора будет не в середине шага, а в иной точке. Данная точка определяется путем соотношения токов фаз. Изменяя данное соотношение, имеется возможность обеспечить определенное число микрошагов внутри шага.

В процессе управления приводами необходимо применять специальный драйвер ШД, которым является силовая часть, имеющая встроенный простейший интерфейс, основанный на комбинации «Шаг–Направление».

Драйвер ШД представляет собой также усилитель мощности, способный преобразовывать импульсы, идущие от источника электротока, в перемещение вала. В данном случае каждый из импульсов вызывает на один шаг или на один микрошаг перемещение вала. Драйвер ШД оснащен специальной схемой, служащей для выполнения 3-х основных задач:

-включение/выключение тока в обмотках и изменение его направления (при осуществлении данной задачи управляющие электроприводом системы функционируют без сбоев);

-поддержание заданного значения тока (обеспечение максимально быстрого нарастания/спада тока в целях достижения необходимых скоростных характеристик, которые, свою очередь, влияют качественным образом на управление ШД).

Классификация драйверов, исходя из мощности вала двигателя.

Необходим заметить, что инновационные технологии, согласно которым ведется разработка привода шагового двигателя, непрерывно совершенствуются для того, чтобы была возможность получить максимальный момент на валу при наименьших габаритных размерах двигателя, больших скоростных возможностях, существенном КПД и увеличенном  показателе точности. Значимым звеном данной технологии является использование микрошагового режима.

При этом важной деталью является контроллер управления ШД. Такие контроллеры производятся на базе микроконтроллеров промышленного типа и бывают программными и аппаратными. Контроллеры первого типа используются в случае небольшого круга решаемых задач. Стоимость такого   программного контроллера существенно меньше, нежели аппаратного.

Контроллеры ШД могут применяться и в униполярных двигателях, и в двигателях других типов. В них средний ток обмотки бывает до 2,5А. Подобные контроллеры представляют собой систему, состоящую из силовой части  — драйвера, и устройства, расширяющего потенциал управления двигателем – интеллектуальной части. Здесь имеется ряд достоинств, главное из которых — возможность передачи  сигналов «Шаг–Направление».

Преимущества применения контроллеров, предназначенных  для шагового двигателя:

— возможность синхронизации с компьютером. Определенные модели и конструкции контроллеров управления ШД дают возможность подключения к ПК и управления с его помощью;

—  возможность многократного перепрограммирования. Сегодня можно приобрести всего один контроллер ШД, который в случае переориентации производства, а также при возникновении новых задач можно будет  легко перепрограммировать;

— широкая линейка моделей контроллеров отечественного и зарубежного производства дает возможность приобрести контроллер шагового двигателя, оснащенный расширенными функциями. Подобные контроллеры состоят из  программируемого логического контроллера: привод функционирует автономно по установленной программе, что дает возможность получения  готового устройства для выполнения разработанного технологического процесса с применением всего одного контроллера ШД.

Устройство управления электроприводом, имеющее контроллер, применяется для решения следующих задач:

— достигается высокий уровень точности, что напрямую связано с конструктивными особенностями: устройства управления ШД совершают порядка 20 тыс. шагов за один оборот за счет микрошага;

— применение ПО: используются производственные программы, к примеру,  Kcam и Mach;

— функционирование в различных режимах. Подобные устройства управления работают как on-line в соответствии с командами компьютера, так и в режиме off-line с применением программы, загружаемой с внешнего устройства (флеш-накопителя). Возможно применение совмещенного режима, особо выгодного при управлении однотипными процессами с изменяющимися параметрами, при управлении процедурами контроля и опросе параметров, выполняемом  с Вашего ПК.

Блок управления ШД

Вместе с ШД функционирует блок управления ШД, представляющий собой источник тока для двигателя и осуществляющий при необходимости процедуру дробления основного углового шага, а также выполняющего коммутацию фаз мотора. Такой блок управления, как правило, оснащается и ручным, и автоматическим управлением электроприводами.

Современные блоки управления электроприводом одновременно являются мультифункциональными устройствами, позволяющими выполнять их программирование, и дающими возможность работать совместно с другими устройствами и подключать автоматическое управление электроприводами. Есть разработки, в которых блок управления электроприводом является программируемым. Так, управление блоком управления ШД может осуществляться с помощью ПК.

Синхронизация выполняется:

—  посредством LPT-порта, в т.ч. с ПО для ЧПУ-станков;

— через порт COM, получая необходимые команды для установления  характера, а также алгоритма хода ШД;

— автономно без использования компьютера или контроллера внешнего типа (если необходимо автоматическое управление электрическими приводами технологических процессов);

— вручную, когда регулирование скорости движения выполняется потенциометром, а направление — датчиком реверса.

С учетом разнообразия шаговых двигателей выбирается тип их управления, а далее в соответствии с этим производится выбор блока управления электрическим приводом.

Биполярный привод ШД. Его управление.

Наряду с биполярными двигателями, существуют униполярные двигатели, имеющие обмотки со средними отводами, служащие для соединения с общим проводом – «землей».

В двигателе выходной вал имеет полный оборот с  N-м количеством шагов. Основная масса двигателей рассчитана на шаг 1,8°, т.о. полный оборот выходного вала совершается за 360°/1,8° = 200шагов.

Привод ШД меняет нахождение выходного вала на 1 шаг в ходе подачи на одну обмотку напряжения питания. Направление, в котором течет ток через обмотку, указывает направление вращения. Для того, чтобы совершить следующий шаг, следует отключить первую обмотку, а затем на вторую обмотку подать питание. При этом следует соблюдать направление тока через обмотку. Таким образом, за сто полных циклов поочередной запитки обмоток двигатель совершит один оборот выходного вала.

В результате, для направления токов необходимо использовать устройства управления ШД.

Методы управления электроприводом.

Управлять приводами можно различными  методами, применяемыми в зависимости от типа решаемых задач, а также назначения ШД по отраслям.

Одиночные импульсы. Такое управление электроприводом считается максимально простым. Здесь применяется одновременное подключение только одной катушки. Для того, чтобы ротор совершил полный оборот, требуется сорок восемь импульсов, каждый из которых перемещает ротор на 7,5°.

Двойной импульс. Данный метод управления ШД основан на одновременном подключении 2-х соседних катушек. Для совершения полного оборота ротора необходимо также сорок восемь импульсов,  каждый из которых позволяет ротору перемещаться на 7,5°.

Комбинированные импульсы. Смысл заключается в чередовании устройством управления электроприводом первого и второго из указанных методов. Двигателю необходимо девяноста шести импульсов для совершения одного оборота. Ротор перемещается с каждым импульсом на 3,75°.