Бормашинка-гравер из шуруповерта своими руками

В этой статье хочу показать как я изготовил интересную штуку из старого ненужного шуруповерта. Можно конечно купить готовый гравер на алиэкспресс от 1000 руб, но мы же ведь на этом сайте не для этого собрались, правда?

Бормашинка, гравер, аналог дремеля - другими словами универсальный ручной инструмент, позволяющий сверлить, отпиливать, стачивать, шлифовать и выполнять многие другие задачи. Устройство будет иметь не только плавную регулировку, но также и автоматическое увеличение оборотов при появлении нагрузки на валу.

Уже много лет у меня валялся вот такой шуруповерт на 18 вольт.

Кнопка сгорела, аккумуляторы тоже изжили свой срок. Почему бы не дать ему вторую жизнь. Также одной из причин, почему я захотел от него избавиться это то, что он очень тяжелый и неудобно лежит в руке. Аккумулятор здесь выдвигается вперед и я считаю, что это ужасное конструктивное решение. Снимается очень тяжело, часто заклинивает.

Найти такой же новый аккумулятор или хотя бы заменить банки выливается в половину стоимости нового шуруповерта, поэтому без сожаления приступаю к разборке.

Итак, я достал основные детали. Здесь установлен двигатель RS550, холостое потребление составляет около 1,5 ампера и раскручивается он почти до 20000 об./мин., естественно без нагрузки.

Часть 1. Механика.

Между мотором и патроном стоит двухступенчатый планетарный редуктор, он понижает обороты, если я не ошибаюсь, в 12 раз.

Вал двигателя приводит в движение первую ступень, состоящую из пластмассовых шестеренок-сателлитов. Далее по середине идет промежуточная деталь, которая вращает вторую ступень, где уже стальные сателлиты, т.к. крутящий момент здесь возрастает. Самая большая деталь - коронная шестерня на торце имеет бугорки, а в корпусе в специальных отверстиях находятся шарики. При вращении регулятора момента эти шарики выдвигаются или утопают, тем самым блокируют коронную шестерню или позволяют ей проскальзывать с характерным треском. Поэтому механизм прозвали "трещеткой". Это я рассказал вкратце, и на самом деле половина деталей мне не понадобятся.

Далее я занялся упрощением конструкции и для этого пришлось снять патрон. Внутри находится винт. Этот винт нестандартный и откручивается по часовой стрелке. Но просто так патрон не снимется, т.к. он сам тоже имеет резьбу, уже классическую. После откручивания винта, в патрон зажимается любой Г-образный ключик и резко нужно по нему ударить, против часовой стрелки (редуктор застопорить). Примечание: некоторые действия, описанные в статье будут более понятны по видеоролику на ПаяльникТВ.

Сейчас объясню суть переделки. Если напрямую к двигателю закрепить какой-либо патрон, то это будет неправильно, т.к. двигатель не имеет подшипников как таковых, здесь просто латунные втулки. При фронтальных нагрузках, например при сверлении будет происходит износ этих втулок с последующим люфтом. Поэтому использование редуктора обязательно. Вся нагрузка будет приложена к нему, вернее к его подшипнику. Мое упрощение состоит в том что, шестеренка на валу двигателя будет вращать лишь одну группу сателлитов, т.е. я оставлю лишь одну ступень. Также предстоит укоротить ширину коронной шестерни.

Итак, все готово, детали очищены. Коронная шестерня была распилена болгаркой и зашлифована. Теперь она не будет выпирать.

Вместо второй половины корпуса, которая была прикручена к двигателю я подготовил переходную пластину. Она была выточена вручную напильником из нержавеющей стали.

Чтобы шестеренки не цеплялись за винтики, из фторопласта была изготовлена шайба. Также была зафиксирована коронная шестерня от прокручивания.

Из за того, что я оставил только одну ступень в редукторе, обороты возросли, а крутящий момент наоборот снизился, но это ничего, так как бормашинка не используется для закручивания шурупов. У измененного редуктора на один оборот патрона приходится 6 оборотов двигателя, т.е. понижает в 6 раз. Скорость вращения патрона будет достаточно высокой, чтобы сверлить, пилить и шлифовать. А то что редуктор все же немного понижает обороты двигателя я думаю это плюс, т.к. снижается нагрузка на мотор и не страдает его ресурс.
Весь механизм "трещетки" полностью удален из конструкции, он не нужен.

Корпус я буду делать из пластиковой трубы 50 мм. На переходной пластине я предусмотрел ушки, для крепления этой трубки. Их нужно будет согнуть. Изначально была идея просто отрезать рукоятку от родного корпуса, но получается слишком толсто и там нет места для электронной начинки.

Возможно, я уделил слишком много внимания механике, однако некоторая информация поможет тем, кто решил отремонтировать шуруповерт.
Теперь перейдем к электронной части.

Часть 2. Электроника.

Было испробовано множество различных схем управления двигателем. Все это собиралось и тестировалось в течение долгого времени. Для управления двигателем я применил широтно-импульсную модуляцию. Слишком подробно рассказывать про ШИМ нет смысла, эта тема достаточно хорошо освещена. Если кратко, то это управление мощностью, путём изменения скважности импульсов.

Грубо говоря имеется прямоугольный сигнал, у которого мы увеличиваем или уменьшаем длину импульсов, на столько же меняется паузы между ними. Частота при этом неизменна.
В результате получается плавная регулировка оборотов от нуля до 100%.

Электрическая схема. Нажать для увеличения.

Схему управления двигателем я решил собрать на LM324.
Здесь задействовано все 4 операционных усилителя из состава микросхемы. На элементах DA1.1, DA1.2 собран генератор треугольного сигнала. Частоту данного генератора проще всего изменить путем подбора конденсатора C3. В моем случае емкость составляет 2,2 нФ, что устанавливает частоту ШИМ около 1,5 кГц.
Этот треугольный сигнал с выхода второго элемента, это вывод номер 7, поступает на неинвертирующий вход элемента DA1.3. На его другом входе мы видим группу резисторов, которая устанавливает напряжение, в частности переменный резистор R3 как раз предназначен для изменения ШИМ.
Но как же получается этот ШИМ сигнал?
Суть в том, что элемент DA1.3 подключен как компаратор и он сравнивает треугольный сигнал с напряжением, который мы устанавливаем переменным резистором R3.
Когда уровень сигнала на 10-ом выводе выше, чем напряжение на 9-ом выводе, то на выходе этого компаратора высокий уровень и наоборот.

По графику видно, что точки пересечения двух входных сигналов и обозначают, так сказать, рамки выходного прямоугольного сигнала. Обратите внимание, что при широтно-импульсной модуляции частота остается неизменной, а меняется лишь скважность сигнала, простыми словами длительность включенного состояния и пауз между ними. Ниже представлены показания осциллографа. Сигнал берется напрямую с выхода микросхемы.

Итак, на 8-ом выводе мы имеем изменяемый ШИМ сигнал, который через кнопку SB1 "запуск" поступает на силовую часть схемы. Значение тока сигнала небольшое, поэтому подойдет любая тактовая кнопка. Параллельно с ней можно припаять тумблер, если нет желания держать кнопку нажатой во время работы.

Силовая часть содержит не просто один транзистор, а два мощных MOSFET'а, включенных параллельно. Такая конфигурация мне очень понравилась, т.к. имеет большой запас по мощности и совсем не греется. Также настоятельно рекомендую ставить диод параллельно с мотором (VD3). Он не только защищает от бросков самоиндукции, но, как ни странно, тоже снижает нагрев. Во время пробных тестов я ставил один полевик и пренебрег этим диодом, в результате транзистор очень грелся и несколько штук вышли из строя.

На низких оборотах можно услышать писк, т.к. частота ШИМ находится в слышимом диапазоне. Хотя в принципе, шуруповерт так же пищит, лично мне не мешает. Не рекомендую поднимать частоту выше 2-3 кГц. На высоких частотах будут очень сильно греться полевые транзисторы.

Если у вас возникнет проблема с неполной регулировкой, т.е. потенциометр в крайнем положении, а скважность еще не дошла до своего минимума или максимума, то можно подкорректировать сопротивления R2 и R4. Они отвечают за нижний и верхний пределы.

При организации питания, отталкиваться нужно прежде всего от параметров мотора. У меня он на 18 В, но выдает приемлемую мощность уже при 10 В.
Обратите внимание, что ток на двигатель берется прямиком от плюса источника питания и подводится толстым проводом. А вот на схему управления напряжение поступает через стабилизатор LM7805 (DA2) с выходом 5 В. Это дает стабильность работы и позволяет держать постоянное значение на резистивных делителях, к примеру, если возникнет просадка напряжения при нагрузке мотора.

Автоматический режим

Мы рассмотрели основную функцию этой схемы, но есть кое-что еще. На четвертом ОУ (DA1.4) я решил реализовать дополнительную функцию. Первоначальную задумку о стабилизации оборотов мотора сменила новая идея - автоматическое увеличение оборотов.

К примеру, представим, что нужно проделать отверстие в дереве, пластике, на плате или в другом материале. Когда это делается при помощи шуруповерта, сверление обычно начинают на малой скорости вращения. А когда сверло сконцентрировалось в необходимой точке, можно усилить надавливание на кнопку и продолжать на высоких оборотах. Бормашины в отличии от шуруповертов не снабжаются такой кнопкой, а имеют лишь регулятор скорости. Если попытаться начать с высоких оборотов, то сверло непременно ускачет и мы получим отверстие, смещенное от назначенной точки. Предлагаемая мной схема будет автоматически увеличивать обороты при появления нагрузки (приложенной к патрону).

Чтобы реализовать данную функцию необходимо отследить изменение тока, потребляемого мотором. Для этого в схеме имеется шунт R15. Это низкоомный мощный резистор, по которому ток от источника поступает на мотор. Сопротивление этого резистора очень низкое, всего 0,1 Ом и потерями можно пренебречь. Ток проходящий через шунт, создает на нем падение напряжения. В холостом режиме это примерно 0,2 вольта. Это напряжение многократно повышается дифференциальным усилителем, построенным, как я уже сказал, на элементе DA1.4.
Усиленный сигнал выходит с 14-го вывода и управляет оптопарой. Оптопара U1, в моем случае PC123. Управляющая часть - это светодиод, а в роли принимающей - фототранзистор.
Для удобства на схеме я их разнес и обозначил U1.1, U1.2.

Для включения этого режима нужно замкнуть переключатель SA1. Итак, светодиод, включается открывает фототранзистор и закорачивает средний вывод потенциометра с крайним. Скважность ШИМ сигнала резко уменьшается и обороты возрастают. Это продемонстрировано в видео.

Настройка срабатывания производится подстроечным резистором R19. Первым делом установить регулятор скорости (резистор R3) в положение, при котором обороты патрона минимальны и начинать сверление комфортно (т.е. позиционировать сверло в точке). Подстроечным резистором R19 подобрать момент срабатывания. Как только на патроне появится нагрузка (прижатие сверла, фрезы и проч. к поверхности), обороты резко увеличатся. Подстроечник R19 фактически устанавливает напряжение срабатывания оптопары, а светодиод у оптопары включается уже при 1,2 Вольта.

Сборка схемы.

В окончательном виде плата управления выглядит так.

Как и всегда пайка выполнена на отрезке монтажной платы. Из-за небольшого пространства в корпусе пришлось все разместить плотно, и даже не хватило места для нормального конденсатора по питанию. Также в последний момент вспомнил про оптопару, которую пришлось разместить выводами вверх. От платы отходит целый жгут проводов. Сигнал ШИМ, провода питания, на переключатель, на кнопку и на датчик тока.

Силовая часть схемы разместилась на отдельной плате. Здесь мы видим два мощных MOSFET'а IRF3205, которые подключены параллельно. А также одинаковая обвязка, по три элемента на транзистор. Соединения усилены проволокой и припоем. Вообще модуль обладает большим запасом, т.к. заявленный максимум у этих транзисторов 110 Ампер.

Разместив термопару на теплоотводах, я произвел измерение температуры. Создал нагрузку на патроне, но мультиметр заметного нагревания не показал. Транзисторы остались комнатной температуры.

Корпус.

С корпусом я тоже возился долго. Материалом послужили отрезки 50-той трубы и заглушка.

Первоначальный вариант выглядел так.

Внутри можно заметить перегородку для разделения плат. Плата управления плотно устанавливается в нижний отсек и закрепляется гайкой потенциометра. Там же есть отверстие для светодиода. Силовая плата установится сверху. Потом выяснилось, что шунт не помещается, пришлось немного переделать.

Т.к. транзисторы совсем не греются в большом радиаторе нет необходимости, к теплоотводам я прикрутил маленькую деталь.

На фото две половины корпуса. Все соединения припаяны, добавил переключатель. Провод питания использовал большого сечения (сетевой).

Итак, перед вами готовое устройство. Корпус прибора получился надежным, не скрипит и не болтается.

Инструмент можно удерживать в руке двумя способами, левый вариант подойдет для точных работ, правый - для силовых.

Тест.

Подходящий блок питания я не нашел, поэтому питание во время тестов подавалось от свинцового аккумулятора 12 вольт. Если не учитывать пусковых токов, то потребление во время работы не превышало 1,5 - 2 А.

Патрон позволяет закреплять сверла от 0,8 мм. Для сверления печатных плат вполне годится.

Алмазным кругом я отпиливал пластик, оргстекло и металл.

При наличии насадок возможности этого инструмента многократно увеличиваются.

Например разные шарошки, фрезы, шлифовальные и полировочные насадки.

На этом всё, был показан весь процесс изготовления этого полезного инструмента.
Рекомендую к просмотру видеоролик об этой переделке на ПаяльникТВ.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Шуруповерт
• Бормашина
• Гравер
• Своими руками