Руководство по созданию фрезерного CNC ЧПУ станка. Глава 1. Электроника станка

Всем доброго времени суток! А вот и я с новой частью своего рассказа о ЧПУ - станке. Когда начинал писать статью даже не думал, что она получится настолько объемной. Когда написал про электронику станка посмотрел и испугался – лист А4 исписан с двух сторон, а ещё очень и очень много чего нужно рассказать.

В итоге получилось этакое руководство по созданию станка ЧПУ, рабочего станка, с ноля. Будет три части статьи об одном станке: 1-электронная начинка, 2-механика станка, 3-все тонкости настройки электроники, самого станка, и программы управления станком.
В общем попытаюсь объединить в одном материале всё полезное и необходимое каждому начинающему в этом интересном деле, то что сам прочел на разных интернет-ресурсах и пропустил через себя. Кстати, в той статье я забыл показать фотографии изготовленных поделок. Исправляю это. Пенопластовый медведь и фанерное растение.

↑ Предисловие

После того, как собрал свой маленький станочек без существенных затрат сил, времени и средств, меня всерьез заинтересовала эта тема. Посмотрел на ютубе, если не все, то почти все ролики, связанные с любительскими станками. Особенно впечатлили фотографии изделий, которые люди делают на своих «home CNC». Посмотрел и принял решение – буду собирать свой большой станок! Вот так на волне эмоций, хорошо всё не обдумал погрузился в новый и неизведанный для себя мир CNC.

Не знал с чего начать. Первым делом заказал нормальный шаговый двигатель Vexta на 12 кг/см, между прочим с гордой надписью «made in Japan».

Пока тот ехал через всю Россию, сидел вечерами на разных ЧПУ-шных форумах и пытался определиться в выборе контроллера STEP/DIR и драйвера шаговых двигателей. Рассматривал три варианта: на микросхеме L298, на полевиках, либо же купить готовый китайский TB6560 о котором были очень противоречивые отзывы.

У одних он работал без проблем продолжительное время, у других сгорал при малейшей ошибки пользователя. Кто-то даже писал, что у него сгорел, когда тот немножко провернул вал двигателя, подключенного в это время к контроллеру. Наверное факт ненадежности китайца и сыграл в пользу выбора схемы L297+IRFZ44 активно обсуждаемой на форуме. Схема наверное и в самом деле неубиваемая т.к. полевики драйвера по амперам в несколько раз превышают то, что нужно подавать на моторы. Пусть и самому паять надо (это же только в плюс), и по стоимости деталей выходило чуть больше, чем китайский контроллер, зато надежно, что важнее.

Немного отступлю от темы. Когда всё это делалось, даже не возникло мысли, что когда-нибудь буду об этом писать. Поэтому нет фотографий процесса сборки механики и электроники, только несколько фоток, сделанных на камеру мобильника. Всё остальное щелкал специально для статьи, в уже собранном виде.

↑ Дело паяльника боится

Начну с блока питания. Планировал сделать импульсный, провозился с ним наверное неделю, но так и не смог победить возбуд, который шел непонятно откуда. Мотаю транс на 12в – всё ОК, мотаю на 30-полная неразбериха. Пришел к выводу, что какая-то бяка лезет по обратной связи с 30в на TL494 и сносит ей башню. Так и забросил этот импульсник, благо было несколько ТС-180 один из которых пошел служить родине в качестве транса питания. Да и что ни говори, а кусок железа и меди будет надежнее кучки рассыпухи. Трансформатор перемотал на нужные напряжения, а нужно было +30в на питание моторчиков, +15в на питание IR2104, +5в на L297, и вентилятор. На двигатели можно подавать 10, а можно и 70, главное не превышать по току, но, если сделать меньше – снижаются максимальные обороты и сила, а вот больше не позволял трансформатор т.к. нужно было 6-7А. Напряжения 5 и 15в застабилизировал, 30 оставил «плавающими» на усмотрение нашей электросети.

Всё это время ежевечернее сидел за компьютером и читал, читал, читал. Настройка контроллера, выбор программ: какой рисовать, какой управлять станком, как изготовить механику и тд. и тп. В общем, чем больше читал, тем страшнее становилось, и всё чаще возникал вопрос «нафига мне это надо?!». Но отступать было поздно, двигатель на столе, детали где-то в пути – надо продолжать.

Пришло время паять плату. Имеющиеся в интернете мне не подошли по трем причинам:
1 - В магазине, котором заказывал детали не оказалось IR2104 в DIP корпусах, и мне прислали 8-SOICN. На плату они припаиваются с другой стороны, перевернутые, и соответственно нужно было зеркалить дорожки, а их (IR2104) 12 штук.

2 - Резисторы и конденсаторы также взял в SMD корпусах для уменьшения количества отверстий, которые нужно было сверлить.
3 - Имеющийся у меня радиатор был меньшего размера и крайние транзисторы были вне его площади. Нужно было смещать полевики на одной плате вправо, а на другой влево, поэтому изготовил два вида платы.

↑ Схема контроллера станка

Для безопасности LPT порта, контроллер и компьютер соединил через плату опторазвязки. Схему и печатку взял на одном известном сайте, но опять же пришлось немного переделать её под себя и убрать лишние детали.

Одна сторона платы питается через USB порт, другая, подключенная к контроллеру - от источника +5в. Сигналы передаются через оптроны. Все подробности о настройке контроллера и развязки напишу в третьей главе, здесь же упомяну только основные моменты. Данная плата развязки предназначена для безопасного подключения контроллера шагового двигателя к LPT порту компьютера. Полностью электрически изолирует порт компьютера от электроники станка, и позволяет управлять 4-х осевым ЧПУ станком. Если станок имеет только три оси, как в нашем случае, ненужные детали можно оставить висеть в воздухе, либо вообще их не впаивать. Имеется возможность подключения концевых датчиков, кнопки принудительной остановки, реле включения шпинделя и другого устройства, например пылесоса.

Это было фото платы опторазвязки взятое из интернета, а вот так выглядит мой огород после установки в корпус. Две платы и куча проводов. Но вроде бы наводок никаких нет, и всё работает без ошибок.

Первая плата контроллера готова, всё проверил и пошагово протестировал, как в инструкции. Подстроечником выставил небольшой ток (это возможно благодаря наличию ШИМ), и подключил питание (двигателей) через цепочку лампочек 12+24в, чтобы было «ничё, если чё». У меня же полевики стоят без радиатора.

Двигатель зашипел. Хорошая новость, значит ШИМ работает как надо. Нажимаю клавишу и он крутится! Забыл упомянуть, что этот контроллер предназначен для управления биполярным шаговым двигателем т.е. тем, у которого подключаются 4 провода. Игрался с режимами шаг/полушаг, током. В режиме полушаг двигатель ведёт себя стабильнее и развивает большие обороты + увеличивается точность. Так и оставил перемычку в «полушаге». С максимальным безопасным для двигателя током при напряжении примерно 30в получилось раскрутить двигатель до 2500 об/мин! Моему первому станку без ШИМ такое и не снилось. ))

Следующие два мотора заказал помощнее, Nema на 18кг/с, но уже «made in China».

По качеству они уступают Vexta, всё-таки Китай и Япония разные вещи. Когда вращаешь вал рукой у японца это происходит как-то мягко, а от китайцев ощущение другое, но на работе это пока что никак не сказалось. Замечаний к ним нет.

Спаял две оставшиеся платы, проверил через «светодиодный симулятор шагового двигателя», вроде бы всё хорошо. Подключаю один мотор – работает отлично, но уже не 2500 оборотов, а около 3000! По уже отработанной схеме подключаю третий мотор к третей плате, крутится пару секунд и встал… Смотрю осциллом – на одном выводе импульсов нет. Прозваниваю плату – одна из IR2104 пробита.

Ну ладно, может бракованная попалась, читал что часто такое бывает с этой микрухой. Впаиваю новую (брал с запасом 2 штуки), та же ерунда – пару секунд крутит и STOP! Тут я поднапрягся, и давай проверять полевики. Кстати, в моей плате установлены IRF530 (100В/17А) против IRFZ44 (50В/49А), как в оригинале. На мотор будет идти максимум 3А, так что запаса в 14А хватит с избытком, а вот разница в цене почти в 2 раза в пользу 530-ых.
Так вот, проверяю полевики и что я вижу…не припаял одну ножку! И на выход этой "ирки" полетели все 30В с полевика. Припаял ножку, ещё раз внимательно всё осмотрел, ставлю ещё одну IR2104, сам волнуюсь – это же последняя. Включил и был очень счастлив, когда двигатель не остановится после двух секунд работы. Режимы оставил такие: двигатель Vexta – 1,5А, двигатель NEMA 2,5А. При таком токе достигаются обороты примерно 2000, но лучше ограничить их программно во избежании пропуска шагов, и температура двигателей при длительной работе не превышает безопасную для моторов. Трансформатор питания справляется без проблем, ведь обычно одновременно крутятся только 2 мотора, но радиатору желательно дополнительное воздушное охлаждение.

Теперь про установку полевиков на радиатор, а их 24 штуки, если кто не заметил. В этом варианте платы они расположены лежа, т.е. радиатор просто на них ложится и чем-либо притягивается.

Конечно, желательно положить сплошной кусок слюды для изоляции радиатора от транзисторов, но у меня его не было. Выход нашел такой. Т.к. у половины транзисторов корпус идёт на плюс питания их можно крепить без изоляции, просто на термопасту. А под оставшиеся я положил кусочки слюды, оставшиеся от советских транзисторов. Радиатор и плату просверлил в трех местах насквозь и стянул болтиками. Одну большую плату я получил путем спаивания трех отдельных плат по краям, при этом для прочности впаял по периметру медный провод 1мм. Всю электронную начинку и блок питания разместил на каком–то железном шасси, даже не знаю от чего.

Боковые и верхнюю крышку вырезал из фанеры, и сверху поставил вентилятор.

В лицевой панели просверлил отверстия под многочисленные светодиоды индикации режимов работы.

Для быстро подключения/отключения двигателей и блока управления использовал разъёмы из прошлого тысячелетия. И контакт хороший и нужный ток держат без каких-либо последствий для себя.

Для того, чтобы не запутаться где какой индикатор и тумблер, нарисовал, приклеил такую бумажку, пропущенную через ламинатор.

Электронная часть закончилась. Следующая глава полностью посвящена железякам. До встречи!

↑ Одно из первых испытаний двигателей и контроллера

↑ Файлы

Все материалы найдены в свободном доступе на просторах Сети. У каждой схемы есть автор и не хочется никого обидеть - на авторство никак не претендую.
Ниже чертежи платы развязки и самого контроллера, подстроенные под себя.
🎁el.rar  126.74 Kb ⇣ 335

Спасибо за внимание! Продолжение следует.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации