Создание компактного станка с ЧПУ из минимального набора деталей — Учебник по DIY лазерному граверу

В этом уроке я покажу, как построить простейший станок с ЧПУ, используя минимум деталей и без 3D-принтера. Да, в последних проектах я активно использовал 3D-печать — она отлично подходит для прототипирования, позволяя создавать формы любой сложности. Но не у всех есть 3D-принтер, поэтому я хотел доказать: крутые вещи можно делать и без него, и без других станков с ЧПУ.

Вы можете посмотреть видео или прочитать текстовый урок ниже.

Обзор

Я собрал этот станок, используя всего один электроинструмент — дрель — и несколько ручных. Материал — 8-мм лист МДФ: он достаточно прочен, скорее даже жестче, чем PLA для 3D-печати, и при этом легко обрабатывается.

В этом проекте станок работает как лазерный гравер, а в будущем я планирую адаптировать его под перьеписатель.

Очевидно, такая конструкция не обеспечивает высокой жесткости, поэтому фрезеровку или сверление на ней делать нельзя. Но если установить более мощный лазер, можно резать МДФ, фанеру и другие древесные материалы с довольно хорошей точностью.

Рабочая область — 390 × 360 мм, а детализация гравировки поразительна. Честно говоря, я сам удивился качеству результатов.

«Мозг» станка — Arduino UNO с CNC Shield. Подробнее об электронике, подготовке изображений, генерации G-кода и управлении через бесплатное ПО — ниже.

3D-модель DIY лазерного гравера с ЧПУ

Конструкцию разрабатывал в SOLIDWORKS for Makers. Два ключевых компонента — направляющие MGN15H с каретками.

Привод по осям X и Y — два шаговых двигателя NEMA 17, ремни и шкивы GT2. Всё соединяется на МДФ, для парковки — два микроконцевых выключателя.

Вот и весь набор деталей для станка с ЧПУ.

Скачать 3D-модель можно здесь:

Модель доступна для просмотра и загрузки на Thangs:

Скачать сборку с Thangs.

Спасибо Thangs за поддержку урока.

Чертеж центральной монтажной пластины:

См. также: Станок с ЧПУ для резки пенопласта на Arduino

Сборка станка

Начнем сборку. Ниже список механических комплектующих (электроника — в разделе схемы).

• Направляющая MGN15H ………………………… Amazon / Banggood / AliExpress
• Шаговый двигатель NEMA 17 ………….…
• Ремень GT2 + зубчатое шкив…………………… Amazon /
• Натяжной ролик GT2 …………………………… Amazon / Banggood / AliExpress
• Распорные гайки …………………………….…….. / Banggood / AliExpress
• Набор болтов и гаек …………………………… Amazon / Banggood / AliExpress или в строительном магазине + втулковые винты 3×16 мм
• M2×20 ×2, M3×12 ×20, M3×16 ×6, M5×25 ×5, винты 3×16 мм ×20

Вот лист МДФ 8 мм. По чертежам из 3D-модели вырезаю детали.

См. также: DIY перьеписатель с автосменой инструмента | Станок с ЧПУ для рисования

Разметка — карандашом, резка — ручной пилой.

Требуется усилие, но детали получаются чистыми и ровными.

Точность отверстий важнее точности раскроя — они должны совпадать с габаритами направляющих и двигателей.

Центральная пластина имеет много отверстий. Чтобы не ошибиться, распечатал её чертеж в натуральную величину.

Принтер есть у всех — не считаю это жульничеством. Накладываем деталь на чертеж, отмечаем центры, сверлим. Ручная работа требует концентрации и терпения.

Нужны сверла 3 и 5 мм, а также 25 мм — под вал двигателя.

Собираю базу, на которую крепится рельс оси X. Отмечаю позиции, сверлю отверстия в основании и опоре.

Креплю первый винт 3 мм и клей для дерева. Проверяю перпендикулярность, досверливаю второе отверстие сверлом 2 мм.

Аналогично добавляю две уголовые опоры для жесткости.

Честно: этот метод сборки МДФ не идеален — сложно добиться идеальных углов вручную, да и толщина 8 мм усложняет задачу. Лучше использовать металлические уголки из строительного магазина.

Тем не менее, устанавливаю рельс оси X.

Рельсы MGN15H обеспечивают плавный ход без люфтов — внутри каретки шарики/валики.

Перед монтажом чистю и смазываю их. Креплю рельс по два болта M3 с каждой стороны.

Теперь монтирую ось Y на каретку оси X через центральную пластину.

Опять болты M3. Шаговые двигатели тоже на M3.

Для одного двигателя использовал распорные гайки для высоты монтажа, хотя можно было закрепить его снизу пластины и обойтись без них.

Для привода оси X устанавливаю два натяжных ролика GT2 у вала двигателя — для натяжения ремня.

Крепятся на болты M5 с гайками. Для оси Y нужен только один ролик с другой стороны рельса — ремень пойдет замкнутым контуром.

Соединяю оси X и Y — четыре болта M3. Этот узел критичен для точности всего станка.

Эquerом проверяю перпендикулярность осей и при необходимости корректирую.

Устанавливаю детали на каретку Y, держащие лазерный модуль. Собираю по описанному методу, креплю к каретке четырьмя болтами M3.

Фиксирую лазерный модуль двумя болтами M3.

Монтирую ремни GT2. Отмеряю длину, обрезаю.

Ремень к каретке креплю через два болта M5 и стяжки.

Один конец ремня затягиваю стяжкой к болту, натягиваю, затягиваю второй конец.

По оси X ремень натянут в линию между двумя роликами и шкивом двигателя, обеспечивая захват.

На обоих концах ремень зажат одним болтом и квадратным куском МДФ.

Механика почти готова. Остались мелочи.

Снизу клею мебельные накладки — станок тверже стоит.

Устанавливаю концевой выключатель оси Y — два болта M2.

Под ось X забыл сделать отверстия в центральной пластине — разметил и просверлил на месте.

Было тесно, но вышло хорошо.

Подключение электроники

Механика собрана, переходим к электронике. Используем Arduino UNO, CNC Shield и два драйвера DRV8825 или A4988.

Arduino креплю к боковине: отмечаю и сверлю два отверстия 3 мм, использую распорные гайки 5 мм.

CNC Shield надевается на Arduino. Вставляю по 3 перемычки на каждый драйвер — максимальное микрошагovoе разрешение.

Обратите внимание: эти три перемычки (на фото) должны быть сняты — они остались от прошлого проекта.

Подключаю шаговые двигатели кабельными жгутами. Концевые выключатели — двухпроводные.

Провода паяю к концевым выключателям, на другом конце — маму для подключения к CNC Shield.

Лазерный модуль требует 3 провода: GND, 12V и PWM-сигнал. Длина должна хватать до крайней точки рабочей области.

С одной стороны — 3-пиновый разъем модуля, с другой — GND и 12V на разъем питания CNC Shield, сигнал — на контакт Z+ или Z- разъема концевых выключателей.

Схема подключения DIY лазерного гравера

Принципиальная схема:

Компоненты:

• Шаговый двигатель NEMA 17………………
• Драйвер DRV8825……….……..…
• Arduino CNC Shield ………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Arduino Uno………………………………..…
• Концевой выключатель …………………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Блок питания DC …………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Лазерный модуль ………………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Очки для работы с лазером …………………….. Amazon / Banggod / AliExpress

Используем Arduino UNO + CNC Shield + два драйвера DRV8825/A4988. Два микроконцевых выключателя для парковки, лазер 12V с PWM-управлением. Питание — 12V, минимум 3 А.

Прошивка и ПО управления

Сборка завершена. Оживляем станок. Нужен прошивка для управления движением.

Популярный выбор для DIY — открытая прошивка GRBL. Для управления нужен софт, отправляющий G-код. Используем LaserGRBL — специализированный контроллер для лазерных граверов на GRBL, тоже открытый и отличный.

LaserGRBL умеет сам прошивать GRBL в Arduino — не нужно делать это вручную. Можно выбрать готовую версию для двух осей с парковкой X и Y.

После прошивки подключаем станок, открываем настройки GRBL и корректируем параметры.

Сначала — разрешение перемещения (steps/mm) для X и Y. Сколько шагов двигателя на 1 мм. Зависит от двигателя, микрошага и передачи (ремень GT2).

Расчет: дефолт 250 steps/mm. Даю команду JOG на 20 мм, измеряю реальное смещение.

У меня по Y на 20 мм ушло 31 мм.

20/31 = 0.645. Умножаю на 250 → 161.29. Ставлю это значение steps/mm.

Проверяю — теперь станок ездит точно. Донастраивал рисованием квадратов — остановился на 160 steps/mm.

Важные параметры: включить Hard limits (концевые выключатели), Soft limits (рабочая область), направление парковки (Homing direction) и др.

Мой набор параметров можно скачать и импортировать.

Генерация G-кода для лазерной гравировки

В LaserGRBL встроен генератор G-кода. Загружаем фото, клипарт, рисунок — получаем G-код. Инструмент растеризации гибок: трассировка по линиям, векторизация, дизеринг 1 бит и др.

Можно генерировать G-код и в Inkscape с плагином Inkscape-Lasertools — подробнее в прошлом видео про SCARA-робота.

Покажу генерацию из фото в LaserGRBL. Открываю фото собаки.

Настраиваю яркость/контраст. Выбираю тип конвертации: Line to Line tracing. Задаю направление линий и качество (линий на мм).

Задаю скорость гравировки, мин/макс PWM (мощность лазера), размер изображения.

Готово — G-код сгенерирован. Кнопка Frame показывает границы гравировки — можно подправить заготовку.

Обязательно используйте очки для работы с лазером — ультрафиолет опасен для глаз.

При правильной калибровке гравировки получаются отличными. Для калибровки — тестовый образ с квадратами прозрачности 100%…10%.

По результатам корректирую скорость и PWM.

Скачать калибровочный образ:

Всё на этом. Надеюсь, урок был полезен. Вопросы — в комментариях. Смотрите другие проекты на Arduino.