Проект «Фрезерный станок с числовым программным управлением»
Проект «Фрезерный станок с числовым программным управлением»
Большой проблемой для людей является однообразие и трудоемкость в изготовлении той или иной модели, занимает много времени, требует высокой точности и отбивает охоту продолжать работу.
Для решения этой проблемы в настоящем проекте разработан и изготовлен фрезерный станок, который можно изготовить своими силами, без особых финансовых вложений, позволяющий автоматизировать монотонные, однообразные, сложные, точные и трудоемкие процессы изготовления различных деталей, художественной гравировки (фрезеровки), выжигания, выпиливания, разметки, сверления, черчения и многих других операций.
Цель:
Создание недорогого фрезерного станка с числовым программным управлением для автоматизации однообразных, монотонных и трудоемких процессов в техническом творчестве и других сферах.
Задачи:
Разработать и изготовить недорогой фрезерный станок с числовым программным управлением;
Облегчить обучающимся изготовление и обработку мелких деталей для спортивных моделей участвующих в соревнованиях разного уровня;
Сохранить и улучшить здоровье детей за счет работы фрезерного станка по новым технологиям;
Повышать спортивные разряды обучающихся за счет точности выполнения работ на станке;
Познакомить обучающихся с востребованными профессиями нашего города.
Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?
Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.
Быстро и объективно проверять знания учащихся.
Сделать изучение нового материала максимально понятным.
Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.
Просмотр содержимого документа
«Проект «Фрезерный станок с числовым программным управлением» »
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей
«Станция юных техников»
Фрезерный станок
с числовым программным управлением
Автор: Иванов Иван Александрович – педагог ДО
Научный руководитель: Рыбьяков Алексей Владимирович
Инженер по специальности
«Промышленная электроника»
Педагог дополнительного образования
Станция юных техников
город Ханты-Мансийск
Информационная карта проекта
«Фрезерный станок с числовым программным управлением»
1.
Номинация, в которой представляется Проект
Технологические инновации
2.
Полное название Проекта
«Фрезерный станок с числовым программным управлением»
3.
Учреждение, представившее Проект
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей «Станция юных техников»
4.
ФИО автора проекта с указанием контактов
Иванов Иван Александрович
педагог ДО
5.
Краткое содержание проекта
Большой проблемой для людей является однообразие и трудоемкость в изготовлении той или иной модели, занимает много времени, требует высокой точности и отбивает охоту продолжать работу. В промышленности и на производстве эту работу с конца позапрошлого века осуществляют роботы, что позволяет сократить время изготовления, повысить точность, освободить человека от монотонной работы и уменьшить себестоимость выпускаемой продукции. В настоящее время робототехника шагнула далеко вперед, человек пытается научить роботов не только выполнять действия по заданной программе, но и оснастить его интеллектом.
Для решения этой проблемы в настоящем проекте разработан и изготовлен фрезерный станок, который можно изготовить своими силами, без особых финансовых вложений, позволяющий автоматизировать монотонные, однообразные, сложные, точные и трудоемкие процессы изготовления различных деталей, художественной гравировки (фрезеровки), выжигания, выпиливания, разметки, сверления, черчения и многих других операций.
6.
Целевая группа и механизм её формирования
Цель:
Создание недорогого фрезерного станка с числовым программным управлением для автоматизации однообразных, монотонных и трудоемких процессов в техническом творчестве и других сферах.
Задачи:
Разработать и изготовить недорогой фрезерный станок с числовым программным управлением;
Облегчить обучающимся изготовление и обработку мелких деталей для спортивных моделей участвующих в соревнованиях разного уровня;
Сохранить и улучшить здоровье детей за счет работы фрезерного станка по новым технологиям;
Повышать спортивные разряды обучающихся за счет точности выполнения работ на станке;
Познакомить обучающихся с востребованными профессиями нашего города.
Специализация:
Сложно представить свою жизнь без компьютера. Мы с помощью него пишем, общаемся, смотрим и редактируем фотографии, рисуем, создаем презентации, храним и ищем информацию, считаем, слушаем музыку, смотрим фильмы и т.д. В данном проекте будет предложено использовать компьютер в качестве управляющего органа фрезерным станком.
7.
Возраст и количество участников Проекта
В проекте участвуют обучающиеся объединений СЮТ.
8.
Место реализации Проекта с указанием предполагаемой стационарной оздоровительной базы
В течение учебного года на базе станции юных техников. Бессрочный.
9.
Предполагаемые конечные результаты реализации Проекта
Внедрение станка ЧПУ позволит:
облегчить точность изготовление деталей в моделизме;
повысить спортивные результаты;
сохранить и улучшить здоровье наших детей;
повысить качество образования;
расширит знания учащихся,
улучшит качество изготовленной продукции.
10.
Показатели, по которым оценивается результативность реализации Проекта
Динамика достижений обучающихся
11.
Бюджет Проекта с указанием всех источников финансирования
Финансирование проекта:
Приобретение аналогичного станка обойдется 140.000 тысяч, мы предлагаем из подручных материалов изготовить станок за 25.000 рублей. Экономическая выгода составляет 115.000 тысяч рублей.
Фрезерный станок с числовым программным управлением
Автор: Иванов Иван Александрович
Техническое творчество – это интересный и увлекательный процесс, собирающий в свои ряды все больше и больше желающих заниматься этим полезным и познавательным делом.
Временами однообразие в изготовлении той или иной модели занимает много времени, требует высокой точности и отбивает охоту продолжать работу. В промышленности и на производстве эту работу с конца позапрошлого века осуществляют роботы, что позволяет сократить время изготовления, повысить точность, освободить человека от монотонной работы и уменьшить себестоимость выпускаемой продукции. В настоящее время робототехника шагнула далеко вперед, человек пытается научить роботов не только выполнять действия по заданной программе, но и оснастить его интеллектом.
Сложно представить свою жизнь без компьютера. Мы с его помощью пишем, общаемся, смотрим и редактируем фотографии, рисуем, создаем презентации, храним и ищем информацию, считаем, слушаем музыку, смотрим фильмы и т.д. В данном проекте будет предложено использовать компьютер для управления самодельным фрезерным станком.
Существующие промышленные устройства отпугивают моделистов своей дороговизной, многие из которых не могут себе позволить приобрести его.
Для решения этой проблемы в настоящем проекте разработан и представлен фрезерный станок, который можно изготовить своими силами, без особых финансовых вложений, позволяющий автоматизировать монотонные, однообразные, сложные, точные и трудоемкие процессы изготовления различных деталей, художественной гравировки (фрезеровки), выжигания, выпиливания, разметки, сверления, черчения и т.д.
Цель:
Создание недорогого фрезерного станка с числовым программным управлением для автоматизации однообразных, монотонных и трудоемких процессов в техническом творчестве и других сферах.
Задачи:
Разработать и изготовить недорогой фрезерный станок с числовым программным управлением;
Облегчить обучающимся изготовление и обработку мелких деталей для спортивных моделей участвующих в соревнованиях разного уровня;
Сохранить и улучшить здоровье детей за счет работы фрезерного станка по новым технологиям;
Повышать спортивные разряды обучающихся за счет точности выполнения работ на станке;
Познакомить обучающихся с востребованными профессиями нашего города.
Актуальность проекта:
Проблема технического творчества в трудоемкости изготовления моделей, макетов, игрушек (обработка материалов: стружка, опилки, пыль). Для того, чтобы сохранить здоровье учащихся, я разрабатываю станок для обработки, гравировки и резки различных материалов. Так как в процессе изготовления моделей и работ, при обработке материалов учащиеся дышат пылью, портится зрение, 90% детей нашего города имеют отклонение в здоровье, 68 детей – инвалидов. Внедрение работы станка по новым технологиям обработки материалов позволит сохранить и улучшить здоровье наших детей, повысит качество образования, расширит знания учащихся, развивает художественный вкус, моторику рук, улучшит качество изготовленной продукции. Облегчит труд в изготовлении моделей.
Описание работы станка
Основные составные части станка
- Механическая часть;
-Электронная часть:
- Блок питания;
- Контроллер;
- Драйвер управления двигателем;
-Управляющая программа;
Механическая часть
При выборе материалов для изготовления станка, исходя из финансовой и технической возможности выбор выпал на фанеру толщиной 15 миллиметров (приложение 1). Но без трущихся и скользящих частей здесь не обойтись, поэтому ответственные фрагменты станка изготовлены из металла - это сталь, алюминий, латунь. И поскольку есть трущиеся детали и металл, то для увеличения срока службы необходима смазка. Для того, чтобы добиться высокой точности применены четырехфазные шаговые двигатели, предназначенные для обработки дискретных угловых перемещений. Двигатели управляются не постоянным напряжением, а сериями импульсов как показано на эпюрах для каждой из четырех обмоток смещенными на 90 градусов (рисунок 1).
Из основных технических характеристик шагового двигателя (таблица 1) единичный шаг составляет 1,8 градуса, то полный оборот двигателя 360/1,8=200 шагов, что составляет 2 миллиметра (шаг резьбы трапецеидального винта) передвижения инструмента. Исходя из этого, получаем точность станка, 1 шаг двигателя это 2/200=0,01 миллиметра перемещения инструмента. (Двигатели применены от списанных копировальных аппаратов фирмы Xerox)
В качестве станины из фанеры изготовлен жесткий короб (1) с размерами 1490мм х 590мм х 140мм (приложение 1). К торцевым стенкам станины крепятся два квадратных стальных профиля (2), на которых размещается фанерная рабочая область (3) для расположения на ней изготавливаемой детали. К бортам станины по оси X закреплены алюминиевые рельсы (4)(Рельсы использованы от старых списанных струйных принтеров фирмы Epson). Рельсы имеют направляющие стальные канавки, по которым с помощью подшипников (5) закрепленных на вертикальных держателях движется по оси X механизм с осями Y и Z (6). Движение происходит с помощью двигателя (7), закрепленного с торцевой левой части станины. Двигатель крутит трапецеидальный винт (8) с шагом резьбы 2 мм., в результате накрученная на винт латунная гайка (9) передвигается, приводя в движение весь механизм с осями Y и Z.
Передвижения по оси Y происходит подобным образом на четырех опорных модулях с подшипниками (10) по двум направляющим полированным стальным валам (11) закрепленных с помощью держателей (18). Конструкция по оси Z собрана аналогично оси Y и перемещает шпиндель (12) вертикально, изменяя расстояние между инструментом (13) и изготавливаемой деталью (14). Блок питания (15) и контроллер (16) крепятся к левой торцевой части станины. Для охлаждения двигателей применяются вентиляторы (17) от любого компьютерного блока питания. Для крепления всех деталей используются саморезы по дереву, болты с резьбой М5, гайки и шайбы с граверами. Рабочая область станка составляет 300мм х 1200мм. Максимальная высота изготавливаемой детали 70мм.
Номинальное напряжение питания коммутирующих устройств, В
12
Максимальная потребляемая мощность, Вт, не более
8,8
Таблица 1. Основные технические характеристики шагового двигателя.
Электронная часть
Электронная схема состоит из трех частей: блок питания, контроллер и три драйвера шаговых двигателей.
Блок питания
Блок питания используется импульсный с высоким коэффициентом полезного действия (90-95%) от любого стационарного компьютера, который идеально подходит по необходимым нам параметрам, т.е. выдает напряжение 12 вольт и 5 вольт с большим током нагрузки.
Контроллер
За основу взята простейшая схема контроллера для управления шаговыми двигателями (Автор Ветров Р). Данный контроллер может обслуживать до 32 (в этой схеме 3) шаговых двигателей последовательно, т.е. одновременно может работать только один двигатель. Параллельная работа двигателей обеспечивается программно. Контроллер управления шаговыми двигателями собран на трех интегральных микросхемах легкодоступной, надежной и дешевой отечественной серии К555ТМ7 (четыре D-триггера с прямыми и инверсными выводами) не требующий прошивки (приложение 2 лист 1).
Для передачи данных с компьютера выбран параллельный LPT порт, что позволяет упростить конструкцию контроллера. Описание и назначение выводов разъема порта LPT приведены в (таблица 2).
Драйвер управления двигателем
Драйвер-это устройство согласования контроллера и шагового двигателя. Драйвер для каждого шагового двигателя представляет собой 4х канальный усилитель или 4 ключа и собран на четырех составных транзисторах 2SD1564 (приложение 2 лист 2) (Транзисторы использованы от старых, списанных матричных принтеров фирмы Epson).
Каждый транзистор составной и включает в себя два транзистора для большего коэффициента усиления, подключенных друг к другу последовательно, два резистора для смещения тока базы, стабилитрон для обеспечения защиты тока базы и демпферный диод для погашения обратных токов, возникающих в обмотках двигателя (рисунок 2). Контроллер и драйвера выполнены на одной печатной плате из двустороннего стеклотекстолита размерами 90мм х 130мм и крепятся в металлическом корпусе от блока питания стационарного компьютера (приложение 2 лист 3,4).
выв.
Название
Направление
Описание
1
STROBE
ввод и вывод
устанавливается PC после завершения каждой передачи данных
2..9
DO-D7
вывод
вывод
10
АСК
ввод
устанавливается в "0" внешним устройством после приема байта
11
BUSY
ввод
устройство показывает, что оно занято, путем установки этой линии в «1»
12
Paper out
ввод
для принтеров
13
Select
ввод
устройство показывает, что оно готово, путем установки на этой линии «1 »
Управляющая программа VRI-cnc 7.3 разработана Ветровым Р., которую можно купить у автора за 200 рублей. Программа предназначена для управления станком, а конкретнее шаговыми двигателями установленными на станке через контроллер, подключенный к порту LPT.
В программу VRI-cnc загружается заранее подготовленный файл обработки. Применяемые файлы для обработки по программе:
DXF autoCAD
GBR (gerber) от SprintLayout
DRL SprintLayout
G-код
Пример рисунка в autoCAD показан на рисунке 3. Графический интерфейс программы VRI-cnc показан на рисунке 4.
Специально для редактирования рисунков, в том числе и 3D графики существует специальная программа ArtCam Pro, в которой можно учитывая толщину и форму фрезы составлять управляющую программу и конвертировать ее в G-код. Достоинство ArtCam Pro заключается еще и в том, что она работает с векторной и растровой графикой, позволяет к примеру из фотографии создать 3D рельеф и наглядно, без включения станка учитывая все настройки, увидеть результат получившейся модели. Пример рисунка и графический интерфейс программы ArtCam Pro показан на рисунке 5. Фрагмент управляющей программы станком в G-коде на рисунке 6.
Рисунок 3. Пример рисунка а AutoCAD Рисунок 4. Графический интерфейс программы VRI-cnc
Рисунок 5. Пример рисунка и графический интерфейс программы ArtCam Pro
N0G90
N20Z10.000
N30G0X0.000Y0.000
N40G0X109.807Y109.882Z1.000
N50G1Z-1.000F300
N60G1X101.965Y101.776
N70X93.912Y93.868
N80X85.656Y86.167
N90X77.205Y78.681
N100X68.567Y71.417
N110X59.751Y64.382
N120X58.334Y63.244
N130X57.033Y61.969
N140X55.869Y60.573
N150X54.211Y58.046
N160X52.815Y55.357
N170X51.700Y52.547
N180X51.247Y50.755
N190X51.113Y49.959
N200X51.213Y49.141
N210X51.534Y48.401
N220X52.205Y48.178
N230X52.925Y48.151
N240X53.611Y48.322
N250X56.307Y49.204
N260X58.908Y50.356
N270X61.372Y51.761
N280X63.109Y52.953
N290X64.697Y54.337
Рисунок 6. Фрагмент управляющей программы станком в G-коде.
Предполагаемые конечные результаты реализации проекта
Внедрение станка ЧПУ позволит:
облегчить точность изготовление деталей в моделизме;
повысить спортивные результаты;
сохранить и улучшить здоровье наших детей;
повысить качество образования;
расширит знания учащихся,
улучшит качество изготовленной продукции.
Социальная значимость проекта
Проект предполагает в специально-оборудованной лаборатории создать многопрофильное дополнительное образование по изготовлению моделей самолетов, кораблей, транспортной техники, игрушек и мебели для детских садов, сувениров с национальным колоритом и др. Позволит расширить образовательные услуги учащимся и жителям города, детям – инвалидам. Молодежь и подростки с ограниченными физическими возможностями получат прекрасный шанс выразить свой внутренний мир на языке творчества, реализовать способности и продемонстрировать талант. Занятия в технических направлениях СЮТ морально поддерживают ребят, помогают им обрести уверенность в себе, преодолеть барьер отчуждения и стать полноценными членами общества.
В процессе работы станка учащиеся близко знакомятся с востребованными профессиями нашего города, определяют свое отношение к ним и пробуют силы в данном направлении.
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей 
