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.
Плата для ЧПУ на Arduino UNO, CNC shield v3 и драйвера A4988 (DRV8825).
С драйверами шаговых двигателей A4988 и DRV8825 мы уже познакомились в предыдущих статьях. Рассмотрели подключение данных драйверов с помощью модуля. Сегодня рассмотрим CNC shield v3, которая позволяет установить драйвера в количестве 4 штук без использования дополнительных проводов подключения.
Для чего нужен CNC shield v3?
CNC shield v3 позволяет установить до 4 драйверов, которые могут управлять 4 независимыми шаговыми двигателями, что позволяет собрать лазерный гравировальный станок, плоттер, фрезерный гравировальный станок. Также возможно собрать 3D принтер, но для этого нужно будет проделать достаточно большую работу, а для чего это делать, если есть готовые решения на Arduino MEga2560 и ramps 1.4, ramps 1.5, ramps 1.6 и пр., которые рассмотрим в следующих статьях.
Для сборки мозгов ЧПУ (CNC) станка с использованием CNC shield v3 понадобиться:
- Arduino UNO – 1 шт.
- CNC Shield v3.0 – 1 шт
- Драйверы A4988 (DRV8825) – 3-4 шт.
- Шаговые двигатели- 3-4 шт.
- Источник питания 12- 36 В.
- И дополнительные материалы необходимые опционально: (джампера для установки микрошага двигателей и установки режима работы оси A, конечные выключатели, тактовые кнопки и пр.)
Все собирается практически без пайки. Достаточно установить все компоненты, настроить ток драйвера в соответствии с током шагового двигателя, который вы будете подключать. Как рассчитать ток для драйвера A4988 читайте тут, для драйвера DRV8825 читайте тут.
Также не нужно забывать про радиаторы охлаждения для драйверов, которые чаще всего идут в комплекте.
ВНИМАНИЕ! Arduino CNC Shield поддерживает источники питания до 36 В. Это не означает, что все драйвера могут работать при таком напряжении. Драйверы A4988 не предназначены для работы при напряжении 36 В., и взорвутся при первом включении их при таком напряжении. 36V предназначены для таких драйверов, как DRV8825, которые могут работать от +36V.
Полный этап сборки ЧПУ станка будет на сайте в разделе самодельные ЧПУ станки.
Характеристики платы CNC Shield version 3.0:
- Модель — CNC Shield version 3,0
- Размер — Arduino UNO и другие совместимые платы
- Количество осей — 4 (X, Y, Z, A)
- Напряжение питания логической части — 5 В.
- Напряжение питания силовой части — 12 – 36 В.
- Драйверы — A4988 или DRV8825 и другие
- Интерфейсы — UART, I2C
- Прошивка — Arduino GRBL
- Размеры — 65 х 55 х 20 мм.
- Вес — 32 г.
CNC shield v3 состоит из:
1 – Кнопка сброса.
2 – Колодки контактов для подключения внешних драйверов двигателей. Например, с помощью модулей, которые рассматривали в предыдущей статье.
3 – Ось «A» может дублировать одну из осей «X», «Y», «Z» с помощью дополнительного двигателя и драйвера или работать автономно (например, ось «A» может быть использована для двигателя экструдера, в случае 3D-принтера). Эти колодки контактов служат для настройки оси «A». Для дублирования осей нужно установить джамперы на эти колодки следующим образом:
Дублирует ось «X», т.е 4 ось (помечен как A) работает синхронно с осью «X».
Дублирует ось «Y», т.е 4 ось (помечен как A) работает синхронно с осью «Y».
Дублирует ось «Z», т.е 4 ось (помечен как A) работает синхронно с осью «Z».
Использовать D12 и D13выходы Arduino для автономного управления 4-ым шаговым драйвером (отмечен как A).
Для автономной работы оси A. Колодка D12 замыкается для возможности управления шагом, колодка D13 замыкается для возможности управления направлением вращения. Направление вращения двигателя меняется путем смены контактов двигателя или изменения маски в прошивке.
4 – Разъем питания. На плату необходимо подавать питание 12 – 36 В.
5 – Возле каждого слота для подключения драйвера двигателей имеется колодка управления микрошагом двигателя. В зависимости от выставленных перемычек вы можете добиться вплоть до 1/32 шага на драйверах DRV8825 и 1/16 шага на драйверах A4988. Установки джамперов для управления шагом или микрошагом для драйвера A4988 показаны в таблице.
MS1
MS2
MS3
Разрешение микрошага
Электроника лазерного гравера. Arduino UNO, CNC shield v3, ttl laser driver.
Лазерный гравер собран и работает, и об этом рассказывал в прошлой статье: «Самодельный Лазерный гравёр с ЧПУ, в домашних условиях». Как он гравирует, и все этапы сборки, можно посмотреть в видео, в предыдущей статье. А сегодня подробнее разберем электронику лазерного гравировального станка: Arduino UNO, CNC shield v3, драйвер шагового двигателя A4988, ttl laser driver . Почти вся электроника, которую использую для сборки самодельного лазерного гравера, расписана в отдельных статьях, которые вы можете найти в разделе сайта: «Обзор электроники для ЧПУ станков и 3D принтеров».
Тестирование электроники лазерного гравировального станка с ЧПУ.
Перед установкой всей электроники на место, рекомендую поэтапно все проверить, чтобы не искать возникшую проблему уже на станке. Можно допустить ошибку в настройке электроники или в механике, что при проверке установленной электроники приведет к ряду трудностей в определении причины сбоев в работе ЧПУ станка.
Для начала, устанавливаем CNC shield v3 на Arduino UNO. 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, а также у меня получается 400 шагов на мм, — этого вполне достаточно для лазерного гравера.
Расчет деления шага.
Как же рассчитать деление шага, и сколько шагов получится 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).
- Делениешага 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, которые будем настраивать в следующей статье.
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.
Подключение шагового двигателя и светодиода, вместо лазера.
Как писал выше, лучше лишний раз проверить все на столе, чтобы убедиться в работоспособности электроники в холостом режиме. А в связи с тем, что световое излучение от лазерного модуля опасно для зрения , работоспособность TTL сигнала лучше проверить на обычном светодиоде.
Для начала подключаем светодиод. Так как у меня лазер 450 nm, он синего свечения, и светодиод на макетную плату установил синего цвета.
Не забудьте про то, что в Arduino UNO нужно загрузить прошивку GRBL 1.1. Скачать прошивку можно внизу статьи. Подробно, как загрузить прошивку в Arduino, рассмотрим в следующей статье.
Схема подключения светодиода к CNC shield v3.
Сейчас, отправляя команду в монитор порта M3 S1 , мы можем включить светодиод минимальной мощности. Данную команду я использую для определения положения лазера при установке заготовки.
Затем, можно отправить команду M3 S255 ,и вы увидите, что светодиод светит ярче. Это означает, что все работает отлично. Если у вас что-то не получается, не переживайте, в следующей статье разберем, почему светодиод может не работать.
С работой лазера определились. Сейчас нужно проверить работу шаговых двигателей. Подключаем шаговые двигатели к CNC shield v3, как показано на схеме ниже.
Схема подключения шаговых двигателей к CNC shield v3.
На схеме у меня подключено 3 драйвера шагового двигателя A4988. По сути, должно стоять всего 2. В изображении CNC shield v3, которое я использую при рисовании схемы, сделано с 3 драйверами, и изменить изображение нельзя, поэтому на драйвер, установленный на ось Z, не обращайте внимания.
Сейчас можно проверить работоспособность шаговых двигателей. Для этого будем использовать программу LaserGRBL, скачать которую вы можете внизу статьи, в разделе материалы для скачивания.
Дальше, подключаем Arduino к компьютеру. Выбираем порт, к которому подключена Arduino UNO. Затем, в программе нажимаем на панель управления, в левом нижнем углу, на стрелки влево или вправо. У вас должен вращаться шаговый двигатель, подключённый к оси X. При нажатии стрелок вверх и вниз, должен вращаться двигатель, подключенный к оси Y.
Если у вас не получилось воспользоваться программой LaserGRBL, вы можете отправить, по очереди, следующие команды в монитор порта:
- G1 X50 F4000
- G1 Y50 F4000
- G1 X0 F4000
- G1 Y0 F4000
При удержании вала, двигатель не должен останавливаться сразу. Для остановки вала нужно приложить усилие. Если ваш шаговый двигатель сразу останавливается, то нужно проверить настройку ограничивающего тока, правильность установки драйверов. При необходимости, поменять драйвера местами. Бывают случаи глюков драйверов, и при простой их смене местами, всё начинает работать нормально.
Установка электроники на лазерный гравировальный станок, и подключение.
После проведения всех тестов, можно установить электронику на ЧПУ станок и провести первый пуск.
Схема подключения Arduino UNO + CNC shield v3 + A 4988 + ttl laser driver.
Подключаем все вот по такой схеме. Я постарался все разместить и подписать так, как у меня на TTL драйвере. У вас может быть другой порядок подключения, но значительных отличий быть не должно.
Несколько фото подключения ttl laser driver к CNC shield v3.
Вот так выглядит установленная электроника. Как станок работает, смотрите в предыдущей статье. А в следующей статье рассмотрим: как загрузить GRBL 1.1 в Arduino UNO, настроить GRBL и запустить гравировку первого изделия.
Понравился проект Самодельный Лазерный гравёр с ЧПУ, в домашних условиях? 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!