От костылей к шедевру. Как я 5 раз переделывал CO2 лазерный ЧПУ-станок и не сошел с ума

В предыдущей паре статей я поведал о своем первом опыте проектирования чего-то материального. Так родился конструктор для взрослых (дядек). Набор хитро выегнутых железок. Из которых должен был собраться мой первый ЧПУ-станок с большим красивым CO2-лазером на борту.

Но что-то пошло не так. Сегодня я расскажу о том, какие версии конструктора были рождены под влиянием вероятно не сильно здорового авторского перфекционизма. Постараюсь объяснить, зачем оно было нужно и что было не так. Но не покажу, к чему пришел в пятой версии своего конструктора.

Статья не будет короткой, до конца дочитают лишь самые сильные и упорные. Поэтому блок «о себе» я размещу здесь, в начале.

В рабочее время я обычный айтишник. А по вечерам – великий конструктор чпу-станков. Ну или хотя бы подающий надежды. Вполне успешно использую бесплатный FreeCAD. Проектирую в 3D детали и сборки. Перехожу на 2D для файлов машинной резки и поясняющих чертежей. Заказываю резку металла. Покупаю в Китае остальные детальки. Строю станки на базе своих конструктивов. Могу научить вас. Пишу об этом и не только в своем ТГ-канале @itmancan.

Каждый раз я радовался, что сделал круто  и что смогу больше не тратить тонны времени на переделку.   Но нет. :))

Версия 1.0 – Привлеченный специалист

Первая версия была разработана руками привлеченного специалиста. Подробно об этом я писал на Хабре вот здесь. Я генерил идеи, слушал предложения специалиста. Он рисовал модели и делал чертежи для резки.

Детали были изготовлены. Я радовался выходу на новый уровень.  У меня есть свой конструктив. Отличный от всего, что есть у других.

Металл толщиной 3мм. Хитровыделанная гибка для увеличения жесткости конструкции. Резьба в деталях, значительно повышающая удобство сборки. Замечательные ремни 2GT шириной 10мм. Ведь остальные прекрасно используют их же.

Начал собирать станок еще у себя в бытовке. Ох, как я был тогда наивен по поводу размещения станка… После сборки портала кое-что захотелось доработать/поменять. Например убрать лишние отверстия в деталях. Придуманные для возможности менять высоту портала над рабочим полем. Потому что менять высоту на деле не требовалось.

Можно было бы заказать изменения опять у специалиста. Но мне захотелось попробовать реализовать всё своими руками. В том числе потому, что для статей и других промо-материалов мне понадобилась куча различных рендеров деталей и сборок. Делать их по словесным моим заданиям силами другого человека получалось не супер удобно. Попробуй опиши ракурс того, что мне нужно.

Проект был в SolidWorks, а я убежденный маковод. Поэтому просто взять проект и разобраться с солидом для меня был не лучший вариант.

Так я погрузился в изучение FreeCAD.

Версия 2.0 – Проектировал сам

Вторая версия была спроектирована уже моими собственными руками. В свежеосвоенном FreeCAD. Я научился делать плоские детали. Научился работать с гибкой металла. Научился экспортировать задания для производства. И делать чертежи для гибки. Очень помогали чертежи первой версии, консультации производства и знакомых специалистов.

Вторая версия была, по сути, глубоко переработанной первой. Концептуально это также были стальные детали без покраски с широким применением гибки и нарезкой резьбы. Что мне казалось хорошим подходом.

В этой версии впервые применены косынки стола из толстой 6мм стали. Вместо алюминиевых уголков 6060. Для получения четкой геометрии и отличной жесткости. Они найдут применение во всех последующих версиях конструктива. 

Перешел на ремни 15мм шириной для оси Y. Все те же GT2. Упорно не слушал советы бывалых о необходимости использования ремней формата HTD-3M.

После небольших дополнительных доработок получилась версия 2.1. Она была несколько раз продана как в виде набора деталей, так и в виде станков в сборе. Интересно, что первый работающий станок на базе этого конструктива собрал не я сам, а покупатель конструктора.

Версия 3.0 – Пытался уйти от гибки, ушел не туда

В процессе изготовления деталей для второй версии конструктива выяснилась одна неприятная особенность. Гибка металла не самый точный процесс. Даже при гибке на специально «обученном» станке с ЧПУ присутствует человеческий фактор.

Это приводило к тому, что иногда мне отдавали откровенно кривые детали. Которые приходилось выкидывать в брак и заказывать переделку. Пусть не за мой счет, но за счет моего времени и кучи бензина. Производство находится на другом конце города и туда особо не накатаешься.

Иногда детали были не откровенно кривыми, но недостаточно прямыми :). То есть особого основания для переделки не было, детали можно было применять. Но чувство моего перфекционизма сильно страдало. И я не мог с этим продолжать жить.

Также стало понятно, что детали неплохо бы красить. Не всех устраивали просто металлические детали на станках. Кроме того, оказалось, что даже в сухой обстановке не окрашенные детали начинают таки потихоньку покрываться ржавчиной. Особенно там, где на них попадает дым от лазера. Изучил тему порошковой покраски. И ее ограничения. Понял, что покрасить порошком детали с кучей нарезанной резьбы будет проблематично. Нарезать резьбу после покраски – тоже.

Так я пришел к тому, что начал перепроектировать конструктив с целью отказа от использования гибки. И встроенной в детали резьбы. Также впервые было применено два мотора по оси Y вместо синхровала внутри портала. Хотелось отказаться от замороченной в сборке и сложной в обслуживании конструкции. 

В процессе проектирования мне пришла в голову интересная мысль. Раз все детали будут плоскими. Почему бы не сделать версию этих деталей из МДФ. Нарежу детальки сам, потестирую. Потом уменьшу толщину и получу конструктив для стали. Делов-то.

Неожиданно для себя я увлекся новой идеей – сделать чпу станок из говна и палок подручных материалов. У меня было несколько обрезков профиля 3060 от неудавшегося первого конструктива стола. И много МДФ. В Леруа.

И такой станок был спроектирован и собран. Но конструктив получился чутка заморочен. Так как я старался компенсировать жидкость МДФ дополнительными шип-пазовыми перпендикулярными соединениями. Под переделку на сталь он в итоге подходил уже не особо. А до продажи деталей из МДФ я тогда так и не дошел. Не осмелился.

Пишите в комментариях, если интересно, сделаю подробную отдельную статью про этот станок. Да что там, когда-то я её всё равно сделаю. Но с вашими комментами сделаю быстрее.

В противовес деревянному конструктиву в версии 3.0 осуществлен переход на ремни HTD3M 15мм шириной на обоих осях. Более крепкие и долговечные. В том числе из-за увеличенных размеров шкивов и роликов.

В процессе был также спроектирован уникальный импортозамещающий держатель лазерной трубки. Конечно, тоже из МДФ. Думаю, в будущем я применю его в одном из своих рабочих станков.

Версия 4.0 – Порошковая покраска, минимум гибки

Многие идеи из третьей версии нашли применение в четвертой. Версия сразу делалась именно под металл. Старался минимизировать вес деталей портала, чтобы снизить общий вес портала. Получилось довольно круто. Как по моему мнению, так и по мнению тех, кто приезжал пощупать-потрогать. 

Но полностью от гнутых деталей уйти не получилось. Их осталось четыре штуки. И к ним добавились шип-пазы. В которые эти детали должны попадать. Что еще несколько усложнило гибку. Увеличило опасность ошибок.

Упростились опоры держателей лазерной трубки. Применены шестигранные резьбовые заклепки. С которыми оказалось тоже не всё просто.

Полностью изменился крепеж ролика ремня оси X.

А главное – добавилась фирменная пятерка. Отсылка к новому названию конструктора, которое случится когда-то позже. Ох и намучился я с этой пятеркой. 🙂 Сначала надо было ее втащить в FreeCAD. Почему-то на такое простое действие пришлось потратить уйму времени. Потом очередной брак резки выглядел вот так…

Балки конструкции стола стали расположены иначе. Не в одной плоскости, а друг над другом. Балки Y находятся на балках X. Это дало возможность выдержать подъем портала над рабочей поверхностью не за счет элементов конструктива, а за счет самих балок стола. Что должно быть и более жестко и более геометрически надежно.

Из так и не решенной проблемы – крепление мотора Y. Исторически со второй версии он был реализован уголком. И к жесткости этого крепежа были претензии у некоторых клиентов. Если нажимать на кольцевой ремень, угол с мотором немного играет. На мой взгляд каких-то отрицательных эффектов особых это не несет, но народ был доволен не полностью. А значит и я. Но придумать более интересного пока ничего не получалось.

Детали после одной переделки брака и продолжительной зачистки. Чтоб хорошо покрасились.

Прокрасилось вполне себе. Не жалко показать в вертикальном виде. Тем более, другого ракурса – не сохранилось.

На этом конструктиве собран мой актуальный станок. На котором я сам успел поработать с вполне себе большими заказами.

Металлический конструктив показал себя очень хорошо. Уверенно работая на высоких скоростях. Заметно лучше, чем широко распространенные в РФ подобные станки с пластиковыми деталями в силовом конструктиве.

Также в этой версии мои руки дошли и до конструкции ламельного поля. Обычно в лазерных станках используется вот такая алюминиевая экструзия. Черный цвет для уменьшения количества отстрелов на нижнюю сторону материала при резке.

Где-то на просторах ютуба мне попались ребята, которые сделали ламели из оцинковки. Ставя гнутый профиль такой ламели под углом, получается сделать минимальную площадь контакта с материалом. В итоге количество отстрелов оказывается совсем небольшим. Что ж, вызов принят.

Казалось бы – вот он идеал. Внести несколько небольших изменений, получить версию 4.1 и весь рынок – мой. Но нет )).

Версия 5.0 – Гибка, давай до свиданья! Привет, оцинковка!

Планировал в одной статье рассказать обо всех изменениях. Но чувствую, что лонгрид становится чересчур лонг. Поэтому напишу здесь только основные тезисы текстом. Фото будут в следующей статье.

Основные интересные моменты пятой версии конструктора:

• Стал именоваться «Мастер». Потому что он для больших станков и профессионального применения. Позже в планах есть другой конструктив для любительских станков меньшего размера. И цены.

• Получилось полностью уйти от гибки. В составе конструктора только плоские детали. Меньше вопросов при изготовлении. Удобнее упаковывать для доставки. По части упаковки есть интересные идеи.

• Оцинкованная сталь 3мм. Не требует покраски, выглядит симпатично. Некрашенными остались только косынки. Их каждый может покрасить сам.

• Новый вариант конструктива оси Y – с двумя ведущими моторами и двумя концевиками, без вала синхронизации.

• Старый вариант оси Y с валом синхронизации тоже остался. С дополнительными наружними опорными подшипниками вала, чего нет ни в одном конкурирующем решении.

• Добавился вариант оси X для установки диодного лазерного модуля.

Кому хочется заглянуть «в завтра» и поглядеть фото-видео нового конструктива – приходите в телеграм @itmancan.