ساخت دستگاه CNC خانگی

در این آموزش کاربردی قصد داریم مراحل کامل ساخت دستگاه CNC خانگی را ارائه دهیم. برای کنترل این دستگاه CNC از برد آردوینو و نرم افزار GRBL استفاده شده است.

دستگاه های CNC یکی از مهم ترین و کاربردی ترین تجهیزات در صنعت می باشند. CNC(Computer Numerical Control) یا دستگاه های کنترل عددی به معنای کنترل ماشین آلات صنعتی با استفاده از کامپیوتر می باشد. با توجه به کنترل بسیار دقیقی که به واسطه کامپیوتر بر روی عملکرد دستگاه CNC وجود دارد، با استفاده از این دستگاه ها می توان طراحی های انجام شده را به صورت دقیق بر روی قطعاتی مانند چوب و یا انواع فلزات پیاده سازی کرد.

از نمونه های کوچک و خانگی این دستگاه نیز می توان برای پیاده سازی طرح های جذاب و دقیق استفاده کرد. مانند حکاکی روی چوب، نقاشی طرح های جذاب، سوراخ کاری و حتی حکاکی بر روی آلومینیوم و … .

پس با ما همراه باشید تا ساخت یک نمونه دستگاه CNC خانگی را به شما آموزش دهیم.

دستگاه ما به گونه ای طراحی شده است که محدوده کاری آن در محورهای مختلف بدین صورت می باشد:

محور Y : 70 سانتی متر

محور X : 40 سانتی متر

محور Z : 10 سانتی متر

قطعات مورد نیاز برای ساخت دستگاه CNC خانگی:

• تخته سه لا، قطر ۱۸ میلی متر، ابعاد ۲.۴۴ متر * ۰.۶۱ متر
• ۲ عدد میله فولادی، قطر ۱۸ میلی متر، طول ۹۰۰ میلی متر
• ۲ عدد میله فولادی، قطر ۱۸ میلی متر، طول ۵۲۸ میلی متر
• ۲ عدد میله فولادی، قطر ۱۲ میلی متر، طول ۱۸۸ میلی متر
• ۴ عدد بلبرینگ نایلونی خطی، قطر ۱۲ میلی متر
• ۸ عدد بلبرینگ نایلونی خطی، قطر ۱۸ میلی متر
• ۲ عدد پیچ متری، M8، طول ۱ متر
• ۱ عدد پیچ متری، M5، طول ۱ متر
• ۲ عدد مهره اتصال پیچ متری M8، طول ۵ میلی متر
• ۱ عدد مهره اتصال پیچ متری M5، طول ۵ میلی متر
• ۲ عدد استپر موتور NEMA17(Wantai 42BYGHW811) با گام ۱.۸ درجه/ پله
• ۱ عدد استپر موتور NEMA17(Wantai 42BYGHW208) با گام ۱.۸ درجه/پله
• ۳ عدد درایور استپر موتور TB6560
• ۱ عدد منبع تغذیه ۱۲ ولت ۱۰ آمپر
• ۳ عدد سیم ۱ متری
• تعدادی بلبرینگ ۶۰۸
• برد آردوینو UNO
• تعدادی مهره M8 و M5
• تعدادی پیچ

طراحی مکانیک دستگاه CNC خانگی:

طراحی مکانیک دستگاه CNC ختنگی با استفاده از نرم افزار Autodesk انجام شده است و در مراحل بعد بخش های مختلف طراحی همراه با ابعاد و اندازه های دقیق ارائه می شود.

طراحی و پیاده سازی محور Y دستگاه CNC خانگی:

ابعاد دقیق بخش های مختلف محور Y که باید برش خورده و به یکدیگر متصل شوند، در تصویر مشخص شده اند. دقت کنید که تمامی ابعاد بر حسب میلی متر می باشند.

نکات:

• در نقطه ای از تصویر که نوشته شده ۲۲-۷، به این معناست که باید سوراخی با قطر ۲۲ میلی متر و عمق ۷ میلی متر ایجاد شود. این سوراخ ها مربوط به بلبرینگ ها می باشد.
• صفحات A-A و C-C یکسان هستند.
• صفحات B-B و D-D تقریبا یکسان هستند. در صفحه B-B شما نیاز به سوراخ کاری با قطر ۲۲ میلی متر برای برقراری اتصال مابین استپر موتور و پیچ متری دارید، در حالی که در صفحه D-D نیاز به سوراخ کاری ندارید.
• سوراخ های ۱۸ میلی متر در پنل های B-B و D-D فقط ۹ میلی متر عمق دارند.

دقت کنید که در تصویری که ابعاد دقیق طراحی مشخص شده، از میله فولادی ۱۲ میلی متر استفاده شده است. ولی بعد از ساخت دستگاه و تست متوجه شدیم که استفاده از میله ۱۸ میلی متر مناسب تر است. به همین دلیل با حفط ابعاد دستگاه، میله ۱۸ میلی متر جایگزین میله ۱۲ میلی متر می شود و لذا سوراخ کاری های مربوط نیز باید تغییر کنند.

قبل از اتصال دو صفحه ۷۰ میلی متر و ۸۰ میلی متر به یکدیگر، ابتدا استپر موتور NEMA17 42BYGHW811 را به صفحه B-B متصل کنید. سپس مهره اتصال پیچ متری را قرار داده و استپر موتور و پیچ متری را به یکدیگر متصل کنید. سپس صفحات ۸۰ ملی متر و ۷ میلی متر را وصل کنید، اما لازم نیست در حال حاضر صفحه اصلی بزرگ را نصب کنید، چون مانع اتصال محور X می شود.

طراحی و پیاده سازی محور X دستگاه CNC خانگی:

در این مرحله شما نیاز به ۴ عدد گیره برای اتصال محور XY و ۲ عدد گیره برای اتصال محور X دارید. تمامی این گیره ها را می توانید با استفاده از چوب بسازید، ولی باید دقت بالایی در این زمینه داشته باشید.

دقت کنید که نباید تمامی بخش ها را به یکدیگر پیچ کنید، چون باید محور Z را بر روی آن سوار کنید.

نکته: دقت کنید در صفحه سمت چپ، سوراخ ۲۲ میلی متری، فقط ۷ میلی متر عمق دارد و سوراخ ۱۰ میلی متری به طور کامل سوراخ شده است. در صفحه سمت راست سوراخ ۲۲ میلی متری به طور کامل سوراخ می باشد.

طراحی و پیاده سازی محور Z دستگاه CNC خانگی:

یکی از سخت ترین بخش های پیاده سازی و ساخت دستگاه مربوط به محور Z می باشد. برای اینکه محورها به درستی و دقیق در جای خود قرار بگیرند، باید سوراخ ها با دقت بسیار بالا زده شوند. تمامی اتصالات این محور را نیز می توانید با استفاده از چوب پیاده سازی کنید. فقط باید دقت بالایی داشته باشید، در غیر این صورت اسمبل کردن دستگاه به خوبی انجام نگرفته و دستگاه لق می زند و در نتیجه طرح های پیاده سازی شده توسط دستگاه CNC خانگی، زیبایی و دقت کافی را ندارند.

تمامی بخش های دستگاه CNC خانگی را به یکدیگر متصل کنید:

حال تمامی بخش هایی که به صورت جداگانه ساخته اید را به یکدیگر متصل کنید. دقت کنید باید ابتدا از محور Z شروع کنید. سپس آن را به محور X متصل کرده و در ادامه آنها را به محور Y متصل کنید.

بعد از متصل کردن بخش های مختلف دستگاه CNC خانگی به یکدیگر، با دست پیچ های متری را بچرخانید و مطمئن شوید که محورها به درستی و بدون مشکل حرکت می کنند. حرکت محورها باید کاملا روان باشد، در صورتی که سخت حرکت می کنند و گیر دارند، باید مشکل را پیدا کرده و آن را کاملا رفع کنید.

درایو موتور و سیم کشی دستگاه CNC خانگی:

سیم کشی ها را مطابق با تصویر انجام دهید. دقت کنید در تصویر مربوط به درایور موتور، GND موجود در سمت چپ تصویر، از برد آردوینو می آید و مربوط به تغذیه ۱۲ ولت نیست.

برای پیدا کردن فازهای A و B استپر موتور می توانید از مولتی متر استفاده کنید. بدین صورت که مولتی متر را بر روی حالت اهم متر قرار دهید و سپس دو سر پراب آن را به سرهای استپر موتور متصل کنید. سیم هایی که مربوط به یک فاز باشند به طور مثال +A و –A دارای مقاومت صفر می باشند. همچنین تفاوتی نمی کند که سر +A و –A را با چه ترتیبی به درایور متصل کنید.

بر روی درایور استپر موتور یک دیپ سوئیچ وجود دارد که با تغییر وضعیت مقادیر آن می توانید دقت حرکت استپر موتور و اندازه پله های حرکتی آن را کاهش دهید. در صورتی که سوئیچ های S3 و S4 وصل باشند، تعداد پله های حرکت استپر موتور به ۱/۸ حالت نرمال کاهس می باشد که این موضوع باعث افزایش دقت خروجی دستگاه CNC خانگی خواهد شد.

نحوه اتصالات برد آردوینو در تصویر مشخص شده است، ولی ما فقط به اتصالات پین های ۲ تا ۷ و GND احتیاج داریم که باید درایور مربوط به هر کدام از موتورها به برد آردوینو متصل شود.

پروگرام کردن برنامه دستگاه CNC خانگی بر روی برد آردوینو:

ابتدا فایل GRBL را از سایت Github دانلود کرده و از حالت فشرده خارج کنید. سپس نرم افزار Arduino IDE را باز کرده و از مسیر Sketch >> Include Library >> Add zip library فایل grbl که دانلود کردید را انتخاب کنید. سپس برنامه Arduino IDE را بسته و مجددا راه اندازی کنید. حال از بخش file >> Example باید مثال مربوط به grbl با نام grblUpload را مشاهده کنید. این مثال را باز کرده و بر روی برد آردوینو آپلود کنید.

حال بخش نمایشگر سریال در نرم افزار آردوینو را باز کرده و baudrate را بر روی ۱۱۵۲۰۰ تنظیم کنید.

در ادامه باید پیام ‘Grbl 0.9j [‘$’ for help]’را دریافت کنید.

حال عبارت $ را وارد کرده و کلید enter را بزنید. در ادامه عبارت $$ را وارد کرده و کلید enter را بزنید. حال شما تمامی تنظیمات مربوط به grbl را مشاهده خواهید کرد. می توانید تمامی تنظیمات را مطابق نیاز خود تغییر دهید. توضیحات مربوط به این تنظیمات را می توانید از سایت grbl Github مشاهده کنید.

دقت کنید پس از راه اندازی و حرکت محورها، اگر جهت حرکت محور در خلاف جهت مورد نظر شماست، احتمالا اتصال سرهای سیم پیچ استپر موتور برعکس می باشد، باید آنها را تغییر دهید.

پیاده سازی اولین طرح توسط دستگاه CNC خانگی:

بعد از پیاده سازی بخش سخت افزاری و آپلود کردن برنامه بر روی برد آردوینو، حال زمان پیاده سازی طرح های می باشد. ابتدا نرم افزار Universal G-Code Sender را دانلود کنید(توضیحات مربوط به استفاده از این نرم افزار را می توانید از سایت Github مطالعه کنید). سپس با baudrate 115200 به برد آردوینو متصل شوید.

حال منبع تغذیه خود را روشن کرده و در نرم افزار Universal G-code Sender وارد بخش Machine Control شوید. در این بخش می توانید به صورت دستی و با استفاده از دکمه های موجود، محورها را به حرکت در آورید و آنها را تست کنید.

برای تست و پیاده سازی یک طرح بر روی کاغذ، ابتدا یک خودکار را به محور Z خود متصل کنید. سپس برنامه زیر را که مربوط به پیاده سازی یک دایره توسط دستگاه CNC خانگی می باشد، در notepad نوشته و با نام و فرمت circle.gcode ذخیره کنید.

G17 G20 G90 G94 G54

G0 Z0.25X-0.5 Y0.

Z0.1

G01 Z0. F5.

G02 X0. Y0.5 I0.5 J0. F2.5

X0.5 Y0. I0. J-0.5

X0. Y-0.5 I-0.5 J0.

X-0.5 Y0. I0. J0.5

G01 Z0.1 F5.

G00 X0. Y0. Z0.25

حال در نرم افزار G code sender وارد بخش file mode شوید و فایل برنامه ای را که نوشتید باز کنید و در ادامه بر روی گزینه send کلیک کنید. مشاهده خواهید کرد که دستگاه در حال پیاده سازی طرح شما می باشد.

اتمام ساخت دستگاه CNC خانگی:

بعد از انجام تست های ابتدایی و اطمینان از عملکرد صحیح و دقیق دستگاه، حال می توانید یک فرز انگشتی را به محور Z متصل کرده و کار حکاکی بر روی چوب و یا کارهای دیگر را انجام دهید.

ادامه کار به خلاقیت شما بستگی دارد.