«Станок для обработки пенопласта»

Муниципальное бюджетное учреждение

дополнительного образования «Станция юных техников»

города Каменск-Шахтинский

«Станок для обработки пенопласта»

1. Методическая разработка

(Для учащихся робототехнических объединений учреждений дополнительного образования)

Автор: Барышев Е. В.

педагог дополнительного образования.

2026

Введение

Идеей создания станка для резки пенопласта с помощью программы возникла в предновогодние праздники, когда украшали класс, приходилось вырезать канцелярским ножом из потолочной плитки снежинки и другие новогодние персонажи. Это трудоемкий и долгий процесс. Решили разработать и собрать станок, чтобы облегчить и ускорить процесс создания новогодних украшений для класса. В методической разработке рассмотрен процесс создание станка ЧПУ (с числовым программным управлением) для резки пенопласта на основе Arduino. Это будет простой самодельный станок с ЧПУ, поскольку он будет сделан из простых и дешевых материалов, некоторые детали напечатанием на 3D принтере, а в качестве контроллера будет использоваться плата Arduino UNO и плата расширения CNC Shield V3. Вместо дорогого лазера будем использовать нихромовую проволоку, которая нагревается, когда через нее проходит ток. Горячая проволока будет резать пенопласт по заданной траектории.

Целью данного проекта является создание ЧПУ станка для резки из пенопласта плоских и объемных фигур.

Задачи проекта:

- рассмотреть виды и разновидности станков с числовым программным управлением, технические характеристики;

- определить лучшие способы резки пенопласта;

– разработать 3D детали корпуса и механизмов станка.

При всем при этом стоит учитывать безопасность и экологическую составляющую.

Принцип работы станка

Базовая конструкция рамы сделана из алюминиевой трубы диаметром 16 мм. Ширина и длина станка 500мм, высота 600мм.

Для привода осей Х, Y, Z используются шаговые двигатели NEMA 17.

В стандартной конструкции станка поменяли только ось Y на Z, получилось что заготовка крепится на столе не горизонтально а вертикально. А ось Z теперь будет вращать заготовку.

В программе Inkscape (векторный графический редактор, для создания как художественных, так и технических иллюстраций) создается илюстрация по картинке или рисуется самостоятельно. В программе есть встроенный генератор G-code. После создания илюстрации можно создать G-code, указав при этом начало координат, диаметр инструмента (нихромовой проволоки) и скорость перемещения осей.

Этапы изготовления станка

Материалы и инструменты

Фотография станка находится в приложении, рисунок 5.

Для изготовления станка применялся следующий инструмент и материал:

1. Компьютер.

2. 3D принтер.

3. Пластиковая нить PLA.

4. Шаговые двигатели Neman 17 - 3шт.

5. Гайки М4 - 12 шт.

6. Болты диаметром 4мм, длина 30мм - 12шт.

7. Линейные направляющие валы диаметром 10мм – 4шт.

8. Линейные подшипники 10мм – 6шт.

9. Ремень GT2 длиной 3м.

10. Зубчатый шкив и натяжной шкив – по 4шт.

11. Проволока нихромовая диаметром 0,3мм, длиной 500мм.

12. Провода монтажные сечением 0,5мм², длиной примерно 3000см.

13. Блок питания напряжением 12 в, ток 5А.

14. Плата Arduino UNO.

15. Платы расширения CNC Shield V3.

16. Регулятор напряжения 3А.

17. Набор слесарного и монтажного инструмента.

При разработке станка учитывались легкодоступные и дешевые материалы.

3D детали для станка создавали в программе Autodesk 3ds Max. Время моделирования в программе и распечатки деталей на принтере для станка, составило примерно 4 занятия. Детали печатались пластиком PLA, диаметр сопла 0,4мм. Фотография 3D модели станка находится в приложении рисунок 6.

После печати на 3D принтере деталей станка приступили к сборке рамы. Направляющие осей крепятся к раме, которая собрана из трубы рисунок 1.

Рисунок 1. Детали станка.

Электронная начинка модели

Основной блок управления ЧПУ станком построен на контроллере марки, Atmega328Р на плате Arduino UNO и плате расширения CNC Shield V3. К плате расширения с драйверами шаговых двигателей, к которым подключены шаговые двигатели.

На станке предусмотрены и кнопки управления, кнопка «Пауза», для остановки работы станка на время, кнопка «Продолжения», для возобновления работы станка и кнопка «Экстренная остановка» для остановки станка в экстренных ситуациях. Схема электроники станка изображена на рисунке 2. Установленная электроника на станке показана на рисунке 3.

Регулятор напряжения постоянного тока необходим для регулировки нагрева нихромовой проволоки. С помощью переменного резистора можно подобрать оптимальный нагрев проволока. Для нагрева нихромовой проволоки длиной 420мм и диаметром 0,3мм необходим ток около 2000мА

Рисунок 2. Схема электроники станка.

Рисунок 3. Электроника, установленная на станке.

Программный код для ЧПУ станка (прошивка) используется GRBL, которая может читать G-code и посылать команды на шаговые двигатели согласно координатам созданной траектории по контуру детали.

Питание электроники станка осуществляется от блока питания, напряжение - 12 вольт. Потребляемый ток в работе составил около 3000мА.

Заключение

Для наглядной демонстрации принципа работы ЧПУ станка, и выполнение поставленных задач, был создан станок ЧПУ для резки пенопласта нихромовой проволокой. Были исследованы конструкция рамы станка, особенности работы нагрева нихромовой проволоки, точность позиционирования по системе координат.

Затраты на изготовление ЧПУ станка составили около 3500 рублей.

Предложенный принцип резки пенопласта хорошо зарекомендовал себя на испытаниях. Решение адаптировано к сложным заданиям только для плоских изделий (рис. 4). В дальнейшем планируется установить на двигатель оси Z поворотную платформу для изготовления объемных изделий.

К следующим новогодним праздникам украшение класса не составит большого труда.

Рисунок 4. Изделия, вырезанные на ЧПУ станке.

Приложение

Рисунок 5. Общий вид станка.

Рисунок 6. 3D модель станка.

6