中型CNC自己造,你造吗

Home / 中型CNC自己造,你造吗 - 2017年10月8日 , by cncgz

我很享受手工木作带来的乐趣和他给作品带来的独一无二的touch。不过我也很接受现代工具和传统工艺相结合所带来的方便,精确和前所未有的创意。在我看来现代加工工具将人从繁复的劳动中解放出来,才有更多的精力放在设计和创新上。 在这个数字时代,几乎所有的都是计算机控制的,我对CNC并不陌生,几年前就改装过一台小型金属铣床成数控,但是当时改装纯粹是处于对工具本身的兴趣,并没有什么需求。经过几年的经验积累,对自己的需求有所了解,在我的许多设计中,板材切割的精度和重复性都有一定要求,如果有一台可以切割大面积板材的机器,甚至可以偶尔满足我切割铝或者铜的要求就更好了。

市面上有许多板材切割CNC可以选择,对于我来说,当然是要自己做才有意思。在DIY市场里,最流行的就是基于80/20铝型材的机器。80/20铝型材精度高,装配选择多,重量和强度比高,非常适合用来制作CNC,唯一的缺点就是价格较高。基于80/20的CNC中最流行的就是https://www.cncrouterparts.com/的设计,结构简单,制作也不难,但是由于采用了高X轴的设计,如果切割较硬材料时,Z轴的晃动有些大。

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KRMX02(https://www.kronosrobotics.com/krmx02/)是另外一个基于80/20,大部分使用cncrouterparts的零件的一个设计。这个设计使用了低X大梁(相对于导轨)的设计,整个机器要结实很多。由于主要采用了普通钢材和铝材,价格和cncrouterparts的几乎一样,只是有许多零件需要自己加工,这对我来说不是问题。对于我来说制作这个机器的过程本身就是一个享受。

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其实早在一年前我就买来了所需的钢材,钻了孔,喷了漆,可是由于没有地方摆放这个机器,一直没有继续。前几个月,终于打算把后院的小房收拾一下,用来安置这台CNC。后院这个小房子是前屋主年轻的时候用来作为电子实验室的,前屋主是个电子工程师,整个小房子里面布满电线。小屋子虽然不住人,但是建筑质量一点不含糊,隔热效果非常好。缺点就是房子小了些。勉强能放下这台切割4尺x4尺的CNC。

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下单买了铝材,螺丝五金件和cncrouterparts的配件后之后,就开始制作木架子了。整个CNC将在这个木架子上装配,之所以用木头,除了成本考虑之外,木头的吸震效果也很好。木架有几个特地:

1 采用这种懒人榫卯结构,粘结面积大,制作也很简单。

2 中空,这样以后可以用来放材料

3 可拆卸,四面之间用螺栓连接

4 脚垫高度可调,用来校准cnc桌面

接下来的几天,材料陆续到了。我收到螺丝包裹的时候吓尿了,足足25公斤的螺丝。。。

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金属件很多都需要切割,尤其是铝型材。我用了一块金属切割专用的锯片在斜切上切的。效果非常好,切口平整也很直角。即使这块4寸x2寸的实心铝块,也不在话下。

制作的过程很享受,像是组装大孩子的乐高,不过由于很多孔都是手工钻的,难免有些误差, 装配中多了很多修整的步骤。

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首先将Y轴大梁组装好,这里两边两条3X3的角钢夹住铝块将大梁3X6的80/20铝型材提高。由于Y轴大梁不需要移动,重量不是问题,所以设计得非常结实。再将Y轴固定到底面的5根3X3的80/20铝型材上。我所有的导轨都使用冷压钢材,这是Y轴的导轨。由于还在等其余零件,顺手把X轴的导轨也装好了。由于X轴需要移动,所有尽量采用比较轻的铝材,只有导轨是钢的。对角线法调整Y轴成一个长方形。

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Cncrouterparts的零件到啦!我好像小孩子拿到圣诞礼物一样,迫不及待拆开。零件包装很好,有精度要求的部件都是数控切割,做了表面喷砂处理,质量很满意。我的步进电机和电机控制器也都是他们家买的,不是最便宜,但是质量有保障。整个装配过程最享受的就是组装精确切割的零件,所有孔位都对得很齐,一个晚上一边陪小妞画画,一边就把这些导轨滑块做完了。每个滑块上都有12个轴承,每组3个,夹住导轨的上下和边沿。

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第二天晚上把滑块装上Y轴,调整间隙。调整间隙花了我好长时长,不能太松,不能有间隙,但也不能太紧,整个行程需要比较流畅。然后就是上X轴大梁,这大梁估计要有60公斤,我一个人勉强能抬到位。接下来安装X轴滑块,滑块上还有Z轴的滑块。其实Z轴是反过来的,滑块固定,轨道是可以上下移动的。

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下一步是装上步进电机。整个机器Y轴最重,由两个步进电机和齿轮齿条推动,X轴由一个齿轮齿条推动,Z轴是5星丝杆驱动。

到这里机械部分基本完成,接下来是配置和连接电子部分了。

我的设计中,电子控制部分分三层,第一层是计算机,第二层是cnc控制器,第三层就是终端控制(步进电机)和感应器(限位开关)。

第一层计算机:

我的设计中,采用电脑并口直接控制,所以我需要的计算机速度不需要多快,但是不能有延时,因为cnc控制需要机器不断发出指令,如果计算机延时超过步进电机的允许范围,就会出现跳步,或者死锁之类的。由于计算机需要在工业环境工作,最好不带风扇,体积要小。我配了台Atom的小机器,由于我采用开源系统Linuxcnc,所以对机器要求不高。如果你采用比较流行的Windows平台的Mach3,那么这台机器是不够的。选择控制系统可以说是装配cnc中最大的一个决定,这比许多硬件选择都要难,这里是我选择linuxcnc的理由:

  • Linuxcnc是开源系统,并且免费。(我不想卷入盗版正版的争辩中,不过至少这里给大家提供一个正版免费的系统的选择)

  • Linuxcnc需要的系统是linux,开源并且免费。(不需要Windows,也不存在盗版正版的问题)

  • 对硬件要求比Mach3加windows低

  • 模块化设计,功能非常强大

  • 高阶的配置有很多代码要求,对我来说是个挑战

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第二层CNC控制盒:

这里面包括最复杂的部分是步进电机的控制部分,这里主要是电机驱动。我采用的是Gecko公司的G540板。这是一块多合一4轴步进电机控制板,你如果有兴趣也可以直接买步进电机的驱动电路,直接用并口线控制。除了控制电路外,控制盒内还包括开关电源用来给步进电机供电,紧急开关,信号线接口等等。我找来一个20年前的电源盒子,把里面清空了,刚好放下所有的这些元件。

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第三层电机和感应器:

理论上来说只要电机连上,机器就可以动了。可是没有限位开关,这样操作是比较危险的,操作不当很有可能超过行程,导致机器损坏甚至伤到人。整个制作过程中最艰难到一步就是忍住在没有装限位开关之前试机。。限位开关其实就是在几个行程的端点固定上微动开关,一般采用NC,也就是没有触发的时候是联通的,如果触发,驱动电路会自动切断步进电机的电源,减少危险发生的可能。

限位开关装好后总算可以试机了。,XYZ轴的运动都没有问题,限位开关也起到效果。

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只是

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线路比较乱,电线很容易夹到吃齿轮齿条里面。在正式切割之前,想把电线先整理好。整理电线用了现成的电缆导管,顺便把暴露的电线都用导管包上。

试一下车,自动归零和慢速测试。

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剩下最后一步就是桌面了。最结实和方便的做法是用铝型材做桌面,但是由于面积比较大,金属台面的成本不小,大概600刀左右。而且即使使用了金属台面,在切割的时候还是要垫一块木板在下 面,防止切到台面,并不方便。我选用了两层MDF来制作台面,地下一层是整块的MDF板 ,上面切成3寸的条,之间使用铝导轨隔开。铝导轨起到固定工件和加固台面的作用。上层的木板是损耗件,方便更换,我用了金属预埋螺母固定,这里即使更换多次也不会有过多磨碎。还找来一个免费童工干活。

数控加工中很关键的一步是CAM,也就是把三位模型转化为机器加工步骤。我用了Fusion 360自带的CAM功能,即免费,功能也很强大。先设计个测试模块,包括几个方形和一个圆形。本以为最难的部分已经过去,生下来的会比较顺利,谁知道我的机器Y轴经常卡住,系统现实Y轴错误。我花了近一周的时长总算找到原因,原来我用的驱动电路G540带有四个分开的步进电机驱动电路,其中一个电路有故障,导致Y轴两个驱动电机不同步。虽然找问题的过程很困难,但是从中也学到不少,最后找到问题也很有成就感。联系了商家后,几天后给我寄来了全新的驱动电路。换了新的驱动电路以后,一切正常,再也没有跳步了。这里切割一下测试件验证一下,上面那个是有跳步的,可以看到纵向有横移,下面一个就没有了。切口比较粗糙,因为是测试件,就是一刀到底,而且用的很钝的直刀。

估计大家最关心的就是价格了,作为大家不厌其烦看到最后的奖励,这里公布一下费用:

  • 钢材,包括冷挤压钢作为轨道 大约400刀

  • 80/20 铝型材 约900刀

  • CncRouterParts,包括轨道滑块,控制电路,电源,步进电机,电机座,Z轴丝杆等, 约1600刀

  • 齿条 约160刀

  • 桌面材料:mdf板和铝槽:约 250刀

  • 电脑:大约150刀

  • 软件:免费

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