CNC-DESIGN
В корзине пусто!
Сборка и настройка Arduino Uno и CNC Sheild v.3
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;
— к оличество 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;
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;
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.
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.
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;
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;
40 мм/ (200 шагов * 16) = 0,0125 мм/шаг
После настройки микрошага необходимо установить драйвера шаговых двигателей.
Шаг пятый.
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.
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 GRBL для конкретного проекта.
ЧПУ плоттер на Arduino своими руками.
Сегодня расскажу, как можно собрать своими руками ЧПУ плоттер, который будет рисовать ручкой по бумаге. Собирать буду из доступных материалов. Себестоимость станка не превышает 2.5 т. руб . Недорогой и при этом справляется со своей задачей отлично. Наверное, хватит расхваливать свой ЧПУ станок, пора бы и рассказать вам как его сделать. Также рекомендую посмотреть мои предыдущие самодельные ЧПУ станки:
Сборка Самодельного плоттера на Arduino.
Для проекта понадобиться следующая электроника:
Сборка механики станка.
Недавно делал узел из карандашей (каретку для ЧПУ), и на основе данной каретки решил собрать ЧПУ плоттер. Но нужно, как минимум, 2 оси, поэтому собрал второй узел, но немного уже. Вот так выглядят узлы осей X и Y для самодельного станка.
Как собирал каретку, можете почитать в предыдущей статье. Про нее могу сказать одно: сделана она из карандашей, строительной шпильки и фанеры.
У широкой каретки поменял основание, на более широкое. Это поможет устранить лишнюю вибрацию станка, и будет поверхность, на котором можно закрепить листок бумаги.
На подвижную часть первой каретки, под углом 90 градусов, устанавливаю вторую каретку. И закрепляю ее с помощью саморезов.
Обычную ручку использовать в данном проекте не получится, так как нужен подвижный механизм, а также крепеж для нее. Для этого купил в канцелярском магазине: гелевую ручку, авторучку и циркуль «козья ножка».
Из гелевой ручки достал пасту и на край установил пружинку из авторучки. Также срезал бортик внизу пасты. Чтобы она проваливалась в корпус ручки.
Установил пасту в ручку и проверил нажатием пальца. Паста проваливается и потом обратна возвращается под действием пружинки.
Намотал и приклеил нитку на пасту. Тут я допустил ошибку, использовал хлопчатобумажную нить. Она у меня притёрлась буквально через 2 часа работы. Заменил капроновой нитью и нанес на нее смазку.
В корпусе ручки сделал отверстия, и продернул нить. Установил пасту на место.
На ось X установил сервопривод, прикрепив его саморезами.
Используя держатель от циркуля «козья ножка», прикрепил ручку на ось X.
Привязал нить от ручки к качалке сервопривода. Закрепил винтом качалку.
Все механику собрали, сейчас можно устанавливать остальные компоненты и проверять работоспособность станка.
Установка электроники плоттера.
Большая часть электроники у нас установлена. А именно, шаговые двигателя стоят на месте, сервопривод установлен. Осталось установить управляющую электронику.
На подготовленную фанерку, установил плату Arduino UNO.
Сверху двигателя оси Y установил фанерку с Arduino.
На Arduino UNO установил CNC shield v3 и 2 драйвера A4988.
Осталось все подключить, а для этого нужна схема подключения.
Схема подключения электроники ЧПУ плоттера на Arduino UNO и CNC shield v3.
Схема подключения очень простая и не требует дополнительных проводов.
Шаговые двигателя подключаю проводами, которые идут в комплекте.
Для подключения сервопривода нужно достать информационный провод из колодки, он обычно оранжевого цвета, и подключить к пину Z+, а провода питания сервопривода подключить к выводам 5v и GND, на CNC shield.
Подключение самое простое, из всех моих самодельных ЧПУ станков. Вот почему многие начинают сборку своих первых ЧПУ станков с плоттера.
Установка и настройка grbl.
Как загрузить прошивку grbl в Arduino UNO уже рассказывал не однократно, например в статье: «Установка и настройка программы LaserGRBL.», но тут будем использовать немного модифицированную прошивку, как раз под данный проект. Поэтому повторю все шаги, которые нужно сделать.
1. Установка Arduino IDE.
Сперва, нужно установить среду программирования Arduino IDE. Если она у вас установлена, то можете смело пропустить данный пункт.
Я уже рассказывал, как установить и настроить программу Arduino IDE, в статье: «Программа Arduino IDE, бесплатно для Windows, Mac OS, linux. Прошиваем Arduino». Поэтому, расскажу вкратце основные этапы установки и настройки, для операционной системы Windows.
Установка драйвера ch340.
- Скачайте драйвер внизу статьи в разделе «файлы для скачивания»;
- Распакуйте архив;
- Запустите исполнительный файл «CH341SER.EXE»;
- В открывшемся окне нажмите кнопку Install;
- На этом установка завершена.
Теперь можно приступать непосредственно к загрузке библиотеки GRBL.
2. Установка библиотеки grbl.
Как и писал ранее, использовать будем не стандартную библиотеку GRBL. Найти необходимую библиотеку можно по запросу в поисковике «Grbl Pen Servo», либо скачать внизу страницы в разделе «файлы для скачивания».
Внимание. Нужно обязательно удалить библиотеку GRBL, если вы ставили раньше. Для этого заходим в папку «Документы\Arduino\libraries» и ищем папку «grbl», и удаляем ее.
Дальше нужно установить библиотеку grbl. Это можно сделать двумя способами:
- Скопировать папку grbl, из архива, в папку с библиотеками Arduino, которая располагается по следующему пути: Документы\Arduino\libraries.
- Установить через менеджер библиотек:
Заходим в Arduino IDE и выбираем в меню: Скетч –> Подключить библиотеку –> Добавить .ZIP библиотеку… 
Выбираем скаченный архив grbl.zip и нажимаем кнопку «Открыть». После установки вы увидите надпись, что библиотека успешно добавлена.
3. Загрузка grbl в Arduino UNO.
После установки библиотеки grbl, заходим в меню Файлы –> Примеры, и в списке ищем пример «grbl». Открываем пример «grblUpload».
В примере ничего менять не нужно, его нужно загрузить в Arduino UNO. Для этого, в пункте меню «Инструменты», выбираем плату «Arduino UNO» и порт, к которому подключена плата. В моем случае это «COM9». 
Теперь мы можем загрузить прошивку GRBL в Arduino UNO. Для этого нажимаем на кнопку «Загрузить». После компиляции скетча, код будет загружен в микроконтроллер. И вы увидите надпись «Загрузка завершена».
Также вы увидите надпись оранжевого цвета «Недостаточно памяти, программа может работать нестабильно». Но не пугайтесь, все будет работать отлично.
Настройка электроники ЧПУ плоттера на Arduino.
Первым делом нам нужно определиться, какое деление шага поставить для нашего станка и затем рассчитать, сколько шагов будет делать шаговый двигатель, чтобы переместиться на 1 мм. по осям X и Y.
Деление шага.
Перед установкой драйверов необходимо установить перемычки деления шага. Что это такое, и для чего нужно деление шага, читайте в статье про драйвер A4988: «Драйвер шагового двигателя A4988». Я устанавливаю деление шага ½, потому что при увеличении деления шага падает мощность двигателя. У меня получается 400 шагов на мм, — этого вполне достаточно для плоттера.
Расчет деления шага.
Как же рассчитать деление шага, и сколько шагов нужно для совершения перемещения на 1 мм? Количество шагов, сделанных шаговым двигателем, для совершения перемещения станка на 1 мм, зависит от характеристик шагового двигателя, от передачи (винтовая или ременная), какое деление шага настроено (для разных драйверов деление шага настраивается по-разному, и количество отличается). В моем случае, получаются следующие параметры:
- Шаговый двигатель 17HS4401 совершает 200 шагов на 1 оборот вала. (Из характеристик двигателя).
- Шпилька, с метрической резьбой М6, перемещается на 1 мм. за оборот (табличное значение).
- Деление шага установил ½.
Количество шагов на 1 мм рассчитываем по формуле:
H = Sh*M/D где:
Н – количество шагов для перемещения на 1 мм.
Sh – количество шагов шагового двигателя для совершения 1 оборота.
М – перемещение при вращении ходового винта на 1 оборот.
D – установленное деление шага.
Н = 200*1/0,5 = 400 шагов для перемещения на 1 мм.
Данные параметры нам пригодятся при настройке GRBL.
Установка драйверов A4988 и настройка ограничивающего тока.
После установки деления шага, устанавливаем драйвер A4988 в разъёмы с надписью X и Y.
Дальше, нам нужно рассчитать ограничение тока драйвера A4988, для этого нужно знать параметры двигателя и номинал резисторов, установленных на драйвер A4988. Это два черных прямоугольника на плате драйвера, обычно подписаны R050 или R100.
В моем случае, номинал резисторов R100, что означает 100 Ом. Ток двигателя 17HS4401 — 1,7А.
Расчет ограничивающего тока драйвера шагового двигателя A4988:
Vref = Imax * 8 * (RS)
Imax — ток двигателя;
RS — сопротивление резистора. В моем случае, RS = 0,100.
Для 17HS4401 Vref = 1,7 * 8 * 0,100 = 1,36 В.
В связи с тем, что рабочий ток двигателя равен 70% от тока удержания, то полученное значение нам нужно умножить на 0,7. В противном случае двигатели, в режиме удержания, будут сильно греться.
Для 17HS4401 Vref ист. = 1,36*0,7 = 0,952 В.
Настраиваем ток шагового двигателя.
Для этого возьмём мультиметр, и один контакт подключим к контакту GND, а второй на переменный резистор драйвера. Поворачивая потенциометр на драйвере, подбираем нужное напряжение. На мультиметре у меня показания в мВ, поэтому такое большое значение.
Аналогично настраиваем ограничивающий ток для второго драйвера.
Внимание! Не забудьте установить радиатор охлаждения на драйвер шагового двигателя, в противном случае драйвер будет перегреваться.
Настройка GRBL ЧПУ плоттера.
Как настроить GRBL ЧПУ станка я уже рассказывал неоднократно. Например, в статье: «Установка grbl 1.1 на Arduino uno. Основы работы в программе LaserGRBL», рассказываю, как используя монитор порта Arduino IDE, настроить прошивку станка. А в статье «Установка и настройка программы LaserGRBL.», рассказываю, как настроить прошивку лазерного станка, с помощью управляющей программы LaserGRBL.
Плоттер можно настроить через монитор порта среды Arduino IDE или через управляющую программу «Universal G-Cod Sender», по аналогии с программой LaserGRBL. Для этого скачиваем программу с GitHub или внизу статьи в разделе «файлы для скачивания».
После установки, в операционной системе Windows, у меня выдало кучу знаков вопроса вместо русского текста.
Поменял язык на английский, и программа заработала нормально. Поэтому, покажу все настройки в англоязычной версии программы.
Для начала нам нужно подключить наш станок по USB кабелю к компьютеру. И программе выбрать порт скорость и нажать на кнопку «Open».
Затем переходим в меню «Setting -> Firmware Setting» 
Откроется список настроек станка, нам нужно поменять параметры:
Сколько нужно сделать шагов, чтобы наш станок переместился на 1 мм по оси X, Y. Для обеих осей это значение получилось 400. Данные параметры нужно указать в настройках
- $100=400
- $101=400
Максимальную скорость перемещения в мм/мин по осям Х, Y. Так как у меня станок на винтах, и он достаточно медленный, данное значение было подобрано, и равняется 500.
- $110=500
- $111=500
Ускорение по осям. Также, опытным путем, было подобрано значение 16 мм/сек^2.
- $120=16.000
- $121=16.000
Наша прошивка настроена так, что сервопривод срабатывает на поднятие, когда подаем команду на перемещение по оси Z, также можно настроить некоторые параметры для данной оси.
- $102=400
- $111=500
- $121=50.000
Эти параметры можно указать больше. Подробнее о них расскажу в следующей статье.
Программа для создания G-Code и управляющая программа.
С выбором программы для создания G-code у меня возникла проблема. Но об этом расскажу в следующий раз, а сейчас напишу список программ, которые я использовал. В следующей статье расскажу, почему выбор пал именно на эти программы.
Inkscape.
Программа для работы с векторной графикой. В программе есть плагин для создания G-code, но для нашей работы не подходит. Делает двойную обводку. Про данную программу я уже рассказывал в статье: «Inkscape где скачать русскую версию. Настройка Inkscape»
Carbide Create V5.
Carbide Create — бесплатная CAD/CAM программа, разработанная производителями небольших ЧПУ станков “Carbide 3D”. В данной программе можно создавать небольшие чертежи, а также генерировать G-Code из векторных рисунков формата .svg. Программа неплохая, но есть ряд минусов. О них в следующей статье.
Candle.
Candle – управляющая программа для ЧПУ станков. Она полностью на русском языке. Достаточно функциональная и при этом не сложная. Но нет простой настройки конфигурации GRBL.
Universal G-codeSender.
Отличная управляющая программа. В настройках можно выбрать русский язык. Но, к сожалению, на компьютере, с операционной системой Windows, постоянно возникают проблемы. Работал на ней в Linux, работает отлично. Использую данную программу для демонстрации простоты настройки конфигурации GRBL.
Продолжение в следующей статье.
Понравился проект ЧПУ плоттер на Arduino своими руками? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях.
А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.
Спасибо за внимание!
Технологии начинаются с простого!