mercoledì 1 maggio 2013

Cnc Autocostruita

Fresatrice a controllo numerico CNC da me progettata e costruita.

Tutto è nato per caso... stavo cercando, per pura curiosità, su un sito di annunci il prezzo di una cnc da hobbista usata e sono capitato su un sito di un tipo che se la era autocostruita con materiali di uso comune.

Tempo fa avevo frequentato, con molto interesse, un corso sulla programmazione delle macchine a controllo numerico e mi sono detto: Mi piace la meccanica, l'nformatica e tutto quello che le sta intorno, perchè non provarci?

Così mi sono messo subito all'opera e in 3 mesi ho messo in funzione la mia prima cnc, spartana, poco bella da vedersi ma nel suo piccolo funzionante e abbastanza precisa (per essere fatta di legno).


Ammetto che l'MDF non la rende molto rigida per cui devo sempre tenerne conto in fase di progettazione pezzi aumentando il numero di passate e scegliendo le frese e le lavorazioni più idonee.

Ho passato forse più tempo a settare la scheda di controllo motori e assi che a costruirla, inizialmente avevo dei grossi problemi di perdita passi che poi ho risolto riducendo la corrente nei motori e utilizzando i microstep.

La macchina ad oggi è alla versione 2.0 perché accorgendomi di alcune problematiche mi sono trovato costretto a fare delle modifiche strutturali.

La prima versione della CNC




La struttura
La prima versione della mia cnc non aveva parti strutturali metalliche ma tutto in MDF.

Pro:
L'MDF è molto facile da lavorare con fori e scasnalature e se per errore si sbaglia qualche misura pazienza, si riparte con la minima spesa.

Contro:
La macchina è poco rigida e alla minima sollecitazione rischia di flettere con la conseguenza di sbagliare le misure durante la lavorazione




Movimentazione degli assi
Inizialmente avevo pensato di movimentare tutti gli assi con barre filettate M10 e anche su questo aspetto ho trovato diverse problematiche.




Pro:
Le barre filettate M10 si possono rimediare in qualsiasi ferramenta,  il loro taglio è molto semplice, basta una comune sega da ferro e come detto prima se si sbaglia una misura basta rifarla; anche realizzare i vari fori per le sedi è semplice perché è sufficiente una comune punta da legno.

Contro:
Trovare delle barre filettate dritte è praticamente impossibile infatti in un primo momento le avevo comprate e montate di ferro ma non essendo perfettamente lineari emettevano forti vibrazioni provocando una leggera flessione degli assi a discapito della lavorazione. Così le ho sostituite con quelle in acciaio e la situazione è un pò migliorata.

Le barre M10 hanno un passo relativamente corto e questo ha il vantaggio di aumentare la precisione negli spostamenti ma lo svantaggio di sollecitare di più i motori costringendoli a fare un numero elevato di passi.

I motori girando più velocemente possono presentare diversi problemi, il primo è quello del surriscaldamento poi la perdita di passi che per me è stata la cosa più rognosa da risolvere.
Ovviamente facendo lavorare la macchina molto lentamente alcune problematiche si risolvono ma non credo sia la giusta strada da percorrere per migliorarsi.

Per eseguire buone lavorazioni soprattutto su legno è fondamentale che la fresa avanzi contro il pezzo con una certa velocità ed una certa forza altrimenti essa brucia, si rovina e la lavorazione viene da schifo (su questo aspetto ho speso molto tempo a sperimentare e soldi in frese).


Altra cosa importante che ho constatato:
la scheda elettronica di controllo che ho montato ha un chip Toshiba TB6560 e funziona su porta parallela. Oggi ormai la porta parallela sta scomparendo ed io in casa non avevo altro che un vecchio Pentium III 800 per cui un altro problema che ho riscontrato è stato quello della velocità di trasmissione impulsi alla scheda che ho dovuto settare appositamente riducendone la velocità.

Toshiba TB6560
acquistata alla Creostamp


A conseguenza di ciò, utilizzare la funzionalità di microstepping 1/16 con le barre M10 significava far fare ai motori un numero enorme di passi per pochi millimetri di spostamento degli assi.
Ho fatto dei testi di lavorazione in questa modalità e dopo mezzora la macchina aveva a malapena inciso una scritta ed i motori erano talmente caldi da non riuscire a tenerci la mano sopra.
I motori avevano anche perso dei passi e me ne ero accorto sulla lavorazione perchè nelle passate multiple gli assi non ritornavano nella stessa posizione.

In pratica, un disastro!!! ero demoralizzato e non vedevo altre soluzioni "semplici" per risolvere i miei problemi se non smontare tutto e ripartire.

Avevo già speso diversi soldi e non mi andava giù il fatto di abbandonare il progetto per cui mi sono rimboccato le maniche ed ho riprogettato alcune parti meccaniche in funzione delle informazioni che ho raccolto durante tutti i test che avevo fatto in precedenza e così ho dato vita alla versione 2.0 della mia cnc.


Seconda versione della CNC 2.0

Prima cosa ho deciso di sostituire subito le barre M10 degli assi X e Y con delle barre M20 x 4mm di passo.
Le ho comprate in un ingrosso di materiali meccanici per cnc che me le ha brutalmente tagliate con sega a nastro :-( ad una misura diversa da quella richiesta.

Non sapevo come collegarle ai motori  che hanno un albero diametro 8mm così le ho portate da un tornitore per farmele ritagliare alla giusta quota e farmi fare alle estremità dei fori filettati dove poter avvitare degli spezzoni di barra filettata M10 da collegare poi ai motori.



Cambio tutta la configurazione della scheda relativa ai passi dei motori per adeguare il funzionamento con le nuove barre M20x4.

Una volta montate mi sono accorto con grande stupore e arrabbiatura che erano stortissime...

Mi sono chiesto: ma è possibile che un fornitore di pezzi meccanici di precisione possa vendere barre filettate più storte di quelle che si trovano al Brico?
Così le ho smontate e riportate dal tornitore che molto gentilmente me le ha tirate al tornio e raddrizzate più che poteva.

Infatti la situazione è di molto migliorata.

Faccio i primi test di lavorazione,  gli assi si muovono molto più velocemente ed i motori sono molto  più rilassati.

I problemi però non sono finiti purtroppo...

Gli assi si muovono velocemente e con forza e noto che il ponte del carrello X, quando la fresa viene spinta verso il pezzo, flette opponendo resistenza. Questo comportamento si ripercuote (ovviamente) sulle lavorazioni, ad esempio le forme circolari mi venivano ellittiche e nei cambi direzione gli angoli retti venivano stondati.

Così mi decido a riprogettare tutto il carrello del ponte X e dell'asse Z.
Faccio la distinta base dei pezzi con 3D Studio Max e torno nuovamente dal tornitore.
Ho scelto di fare le guide con profili tondi di alluminio (vedi foto sotto) perché più leggeri e allo stesso tempo rigidi.
Per l'asse Z decido di mantenere la barra M10 dato che lo spostamento in Z è meno frequente per lavorazioni piane.



Smonto tutto il ponte e rimonto i nuovi pezzi dando alla cnc le sembianze che vedete nella foto qui sotto.





Calibro nuovamente la scheda e ricalcolo i passi dei motori e ricomincio con i test.
Noto che solo l'asse X perde dei passi nonostante il motore girasse più lentamente con le nuove barre M20.
Giuro che le ho tentate tutte anche smontando nuovamente il ponte e facendo girare il carrello a vuoto.



Ho anche provato a collegare un altro motore dell'asse X ma continuava a perdere passi.
Deduco che il problema era nella scheda elettronica infatti invertendo i collegamenti dei motori X e Y notavo che la perdita di passi avveniva quando si collegava il motore all'uscita X.

Dato che la scheda elettronica può gestire 4 assi ho collegato il motore dell'asse X a quello del quarto asse, riconfigurato i PIN della porta parallela, gli step ed ho fatto altri test di lavorazione.

Finalmente adesso ci siamo, la macchina lavora come dovrebbe senza perdere passi.
Ho fatto dei test con il comparatore centesimale eseguendo un programma in loop che movimenta un asse alla volta avanti e indietro e dopo 30 passaggi la perdita si aggirava attorno a 5 centesimi.

Posso ritenermi soddisfatto del lavoro perchè gli sforzi fatti per arrivare a questo risultato sono stati notevoli.

La componente che ha sempre giocato a mio svantaggio è il fattore tempo disponibile perchè con due figli piccoli, il lavoro e la casa l'unica finestra di temporale che potevo utilizzare era quella del sabato mattina e domenica mattina dalle 6:00 alle 08:00 quando tutti ancora dormono...

Spero che questa esperienza sia di aiuto a chi come me vuole provare ad autocostruirsi una cnc e condividere le proprie impressioni, fallimenti e successi.


Materiale "definitivi" utilizzati per la realizzazione
  • MDF 19mm,
  • Tubi in alluminio per guide assi Y e Z
  • Cuscinetti per pattini skiroll
  • Profili ad L in alluminio
  • Barre filettate M10 x 1.25 e M20 x 4
  • Viti e bulloni M6, M8, M10
  • Motori: Nema 23 3Nm
  • Elettronica di controllo: Creostamp Toshiba TB6560.
  • Vite trapezoidale M20x4 per movimentazione asse X e Y
  • Barra filettata M10x1.25 per movimentazione asse Z
  • Software di controllo: Mach3
  • Software CAM: CamBam
  • Software di modellazione: 3D studio MAX

Il progetto in 3D Studio




Realizzazione dei pezzi e assemblaggio





Il sistema di guide e carrelli




La chiocciola per la movimentazione dell'asse Z



La chiocciola per la movimentazione dell'asse Y



Assemblaggio delle spalle



Il carrello dell'asse Y



Montaggio del mandrino





Sensori di fine corsa e homing



Alcune prove di lavorazione



Logo Harley Davidson




Stampa con penna a sfera montata al posto del mandrino




Casse acustiche


Tasca per alloggio woofer


Alloggio tweeter



un sottobicchiere

Test engraving su wenge


Engraving su scatola (da me costruita) per whisky in wenge