FRESA (funzionamento)

Introduzione
Come si intuisce dal titolo, vorrei descrivere gli elementi
fondamentali di una macchina a controllo numerico autocostruita per
fresatura.
Questo articolo non ha la pretesa di trattare tutte le problematiche ,
nè tanto meno la teoria legata alla costruzione di una macchina
fresatrice a controllo numerico, vuole solo descriverne i passi
necessari e i problemi riscontrati durante la sua costruzione.

Obbiettivi
Il fine del progetto è quello di realizzare una fresatrice a 3 assi
che permetta di realizzare oggetti di piccole/medie dimensioni ma anche
dotata della precisione necessaria a scontornare le piste di un PCB.

Cosa sono e come funzionano le macchine CNC
CNC sta per “Computer Numerical Control” , quindi una macchina
utensile controllata da un computer. Ne esistono diversi tipi, dai torni
alle frese a macchine ibride o custom. Tutte hanno la caratteristica di
lavorare il materiale in modo completamente automatico, i comandi
vengono impartiti dal computer in base ad un progetto elaborato e
disegnato in precedenza per mezzo di un programma CAD. Le macchine cnc
professionali sono in grado di riprodurre lo stesso pezzo con una
rapidità impressionante e con margini di errore molto bassi. Le fasi di
lavorazione vengono eseguite con utensili di tipo appropriato, prelevati
da un magazzino utensili al suo interno in modo automatico, sono in
grado di forare, filettare, tornire ,fresare e alcune possono anche fare
una scansione 3D di un oggetto per poi riprodurlo. Le più avanzate
hanno diverse libertà di movimento in modo da poter ruotare il pezzo ed
intorno al pezzo, al fine di eseguire lavorazioni più complesse. Quando
se ne vede una in funzione per la prima volta, si rimane impressionati
dalla rapidità con cui si riesce ad ottenere una parte meccanica o un
oggetto di uso comune a partire da un blocco di materiale grezzo, di
fatto la macchina scolpisce il materiale fino ad ottenere il pezzo
finito. Tuttavia, al contrario di quanto si possa pensare vendendole
lavorare, queste macchine non sono dotate di una particolare
intelligenza artificiale, eseguono solo una serie di comandi elementari
impartiti in sequenza dal computer.

La fresa CNC homebrew
La mia fresa come ho già detto ha 3 DOF (almeno per ora), che
sarebbero poi i tre assi di riferimento delle coordinate spaziali
cartesiane , X, Y ,Z. Al lato pratico si tratta di un elettromandrino in
grado di muoversi elettricamente in senso verticale (asse Z) ed in
senso trasversale (asse X) e dal piano di fissaggio del materiale in
grado di muoversi longitudinalmente (asse Y). Detta così sembra facile..
è quello che abbiamo pensato anch’io e mio padre Piero (io elettronico
lui meccanico) quando un anno fa abbiamo deciso di costruirla.. ma ci
sbagliavamo. In effetti ci sono state varie modifiche e revisioni al
progetto iniziale, questo non per ottenere una maggior precisione o
prestazioni migliori ma solo per farla muovere… Comunque oggi possiamo
dirci soddisfatti dei risultati fino ad ora ottenuti e in questo
articolo spero di chiarire le idee a chi intenda lanciarsi in un simile
progetto.

Meccanica
La parte meccanica è sicuramente la più complessa e costosa. Partire
con il piede sbagliato significa buttare dalla finestra soldi e tempo,
tuttavia, nella ricerca dei componenti “perfetti”, un hobbista rischia
anche di rendere irrealizzabile il progetto a causa dei costi
elevatissimi delle meccaniche (se avete tanti soldi e non badate a spese
meglio per voi!). Prima di iniziare bisogna considerare quel che si
ha.. ovvero gli utensili, le macchine utensili a disposizione, e la
precisione delle stesse! Questo lo dico perché se si fosse dotati di
macchinari meccanici di precisione (e ovviamente delle necessarie
competenze.. in questo caso potreste saltare al capitolo
sull’elettronica!..) uno potrebbe anche pensare di autocostruirsi quasi
tutto, risparmiando quindi i costi di parti meccaniche dedicate, ma
immagino che la maggior parte (come noi del resto..) non siano dotati di
tutto ciò, e quindi bisogna accettare di dover spendere un po’ per le
parti dove è necessaria una maggior precisione. Dal nostro canto lo
abbiamo imparato dopo aver realizzato una struttura fatta di alluminio,
barre rettificate, carrelli etc etc, tutto homebrew, bellissima da
vedere, ma che non era in grado di funzionare a causa di qualche
tolleranza (nell’ordine del 1/10 di mm) impossibile da eliminare con le
attrezzature in nostro possesso.







Per la realizzazione abbiamo avuto a disposizione un tornio da banco,
un trapano a colonna vari utensili manuali , mole , filiere, maschi
etc. comunque nulla di particolarmente preciso o professionale.
Tuttavia non ci siamo abbattuti e abbiamo iniziato a cercare nei negozi
di meccanica di precisione , su internet , ovunque.. allora.. lì si che
ci siamo abbattuti! I costi sono ESAGERATI, almeno per noi.. non
sapevamo nemmeno se alla fine avrebbe funzionato.. e facendo le somme..
0.85 Euro al cm la barra filettata(x3 m), 150 Euro una chiocciola a
ricircolo di sfere(x3), 0.5 Euro al cm le guide a scorrimento (x3 m),
50 Euro un carrello (x6) .. + tutto il resto.. e l’elettronica.. insomma
era veramente troppo.
Per trovare i pezzi necessari ho semplicemente frequentato le fiere
dell’elettronica, dove si possono trovare cose, giudicate ciarpame da
molti, ma che per te , in quel momento hanno un valore inestimabile.
Allora trovi guide a scorrimento lineare smontate da qualche
apparecchiatura biomedica.. motori stepper di qualche fotocopiatrice..
cuscinetti.. giunti assiali.. etc etc. La cosa che prima di tutto
bisogna trovare sono le guide a scorrimento lineare, trovare il tipo
della giusta misura e del modello appropriato significa avere il
progetto in mano. Si.. perché in questo modo il progetto lo rivedi ogni
volta che compri un pezzo.. non esiste la ricetta adatta per tutti,
dipende da quello che decidi di comprare. La ricetta esiste se sai già
cosa puoi comprare, cosa hai a disposizione, su intenet se ne trovano a
centinaia, esistono siti web dedicati interamente alla costruzione di
macchine cnc. In questi siti, alcuni fatti anche molto bene, si possono
trovare innumerevoli progetti di macchine cnc, quasi tutte uguali a
livello concettuale, ma che differiscono per i materiali usati, perché
ovviamente ognuno ha usato quello che ha trovato! Io non intendo
scrivere la ricetta del mio progetto cnc, è noioso e non servirà a
nessuno, vorrei scrivere di cosa si può costruire in cantina.
Prima di tutto abbiamo realizzato lo scheletro della macchina, è
la struttura che sorregge tutto il resto e quindi deve essere
sufficientemente rigida per non flettere sotto il peso e lo sforzo della
macchina in funzione. Infatti se la struttura si torcesse oltre
all’ovvia conseguenza sul pezzo lavorato, l’effetto si andrebbe a
ripercuotere anche sulle guide di scorrimento, con un aumento
dell’attrito che potrebbe essere causa di blocchi dei movimenti. Nel
nostro progetto abbiamo realizzato la struttura portante saldando tra
loro profilati di ferro a sezione rettangolare di varie misure. Un
disegno approssimativo lo si può vedere nell’immagine seguente:




Ai due profilati longitudinali abbiamo fissato 4 guide a scorrimento
lineare rollon , 2 per lato, ognuna provvista di un carrello adeguato,
in modo da permettere il fissaggio del piano di lavoro ai carrelli e
quindi lo scorrimento longitudinale (Y). I carrelli sono venduti insieme
alle guide e scorrono grazie a tre cuscinetti in fila, di cui il
centrale, essendo montato su un eccentrico ha anche la funzione di
registro. Anche sul ponte abbiamo montato due guide analoghe per
permettere lo scorrimento trasversale dell’utensile(X).Ai carrelli delle
guide trasversali abbiamo fissato la torretta utensile della quale
parlerò più avanti.




Se il telaio e le guide sono state montate correttamente, a questo
punto il piano di lavoro e la piastra sulla quale verrà montata la
torretta devono essere in grado di scorrere liberamente. Per fa si che
si possano muovere per mezzo di motori è necessario utilizzare una vite
vincolata alla struttura e la chiocciola al piano e alla piastra, in
modo che facendo girare la vite le parti mobili si muovano. L’ideale per
ridurre al minimo gli attriti sarebbe quello di utilizzare una coppia
vite e chiocciola a ricircolo di sfere. La vite non è proprio un filetto
, ma è più una scanalatura a sezione semicircolare nella quale scorrono
le sfere racchiuse nella chiocciola.


Chiocc ricircolo sfere.jpg

La funzione è la stessa ma la differenza sta nel fatto che l’attrito è
ridotto al minimo e anche il gioco della chiocciola sulla vite è quasi
nullo e non dovrebbe aumentare di molto con l’usura. Invece utilizzando
viti e chiocciole “normali” si ha sempre un certo gioco ed un attrito
dovuto allo sfregamento tra i due, inoltre riducendo il gioco aumenta
inevitabilmente l’attrito. Il primo è un problema che si ripercuote
sulla precisione ed il secondo richiede forze maggiori per eseguire lo
stesso lavoro, quindi motori più grandi, alimentatori più potenti,
strutture più rigide etc.. Di contro c’è il costo elevato che mi ha
fatto decidere per una soluzione più economica, cioè l’utilizzo di viti
trapezioidali da 12 mm fatte di un materiale di elevata durezza e buona
rugosità con tolleranza di ±0.1mm ogni 300mm di filetto, il che è
accettabile. Accoppiate alle viti ho utilizzato delle chiocciole
flangiate in bronzo con filetto a profilo trapezioidale, anch’esso da 12
mm.







Affinchè la vite possa ruotare liberamente è necessario vincolarla
alla struttura in metallo per mezzo di due cuscinetti ai suoi estremi.
Per fare questo è stato necessario tornire la barra in modo che entrasse
nei cuscinetti, e filettarla affinchè con un dado+controdato si possano
togliere eventuali giochi e permetterne il serraggio agli estremi
lasciandola libera di ruotare nei cuscinetti. I cuscinetti sono stati
fissati ai montanti per mezzo di boccole in alluminio tornito. Questo
vale per entrambi gli assi X e Y , per l’asse Z c’è qualche differenza
ma il concetto non cambia.










A questo punto, se tutto è andato liscio abbiamo un piano che si
muove lungo il nostro asse Y per mezzo di un asse in rotazione e la
piastra di fissaggio della torretta lungo l’asse X. Siamo a buon punto!
Per permettere che la fresa possa muoversi lungo l’asse verticale Z è
necessario costruire la torretta. Abbiamo deciso di utilizzare come
materiale l’alluminio, affinchè non fosse troppo pesante da alzare, ed
anche per comodità. Funziona come gli altri assi, ci sono due guide,
solo più corte e una piastra alla quale è ancorato l’elettromandrino.
Per il movimento verticale abbiamo utilizzato le stesse viti e
chiocciole, ma solo un cuscinetto sulla parte superiore per questioni di
ingombro.
Un problema apparentemente banale ma che ci ha dato diversi grattacapi è
quello dell’accoppiamento tra i motori e le barre filettate. Infatti
tornire le boccole e le barre a misura, i fori per i grani ed i fori di
fissaggio dei motori in modo che tutto sia in asse non è stato affatto
semplice. Del resto basta che il foro della boccola sia leggermente più
largo dell’asse perché il tutto risulti disassato, con la conseguente
rottura a breve del motore. Una soluzione che non ho ancora avuto il
tempo di adottare ma che ho lì pronta è l’utilizzo di giunti elastici.




Questi componenti, grazie alla lavorazione a spirale, permettono
l’accoppiamento di due barre non perfettamente in asse senza perdite
dovute alla flessibilità del materiale, come nel caso dei giunti in
gomma.

Elettronica
A questo punto passiamo alla parte elettronica del progetto. Si
tratta di montare 3 motori passo passo ai tre assi. Per questi scopi in
genere si usano motori passo passo perché, grazie alle loro
caratteristiche uniche, è possibile conoscere con esattezza la posizione
del motore anche in un sistema ad anello aperto, almeno finchè va tutto
bene ed il motore non si blocca. Inoltre hanno buone caratteristiche di
coppia , a scapito però della velocità di rotazione che nel nostro caso
non è fondamentale (sempre se si ha pazienza!).




Questi motori, detti anche stepper, permettono di ottenere buoni
risultati con una piccola spesa, inoltre si trovano comunemente alle
fiere e costruire un azionamento è semplice. Certamente non sono il top,
l’ideale sarebbero motori brushless.. ma hanno costi nettamente
superiori, non sono così diffusi per scopi non professionali e gli
azionamenti in confronto sono costosissimi.. quindi li ho esclusi
subito. Comunque c’è da dire che molte macchine cnc commerciali di pari
dimensioni utilizzano motori stepper non dissimili da quelli usati da
noi. Per quanto riguarda i driver dei motori ho utilizzato la “famosa”
coppia l297-l298 , che sono rispettivamente il controller, che suddivide
l’onda quadra del clock nelle quattro onde relative ad ogni bobina del
motore, ed il full bridge driver, che permette di pilotare fino carichi
di 1.5A- 35V da impulsi TTL. Al contrario di quanto si possa credere
leggendo sui forum in relazione ai due “signori” appena presentati, io
mi sono sempre trovato bene.. pare che tutti li usino e molti se ne
lamentino.. non è che ci siano nemmeno molte alternative low cost..
Certamente acquistando un azionamento professionale si ottengono
prestazioni superiori, e si arriva a pilotare i motori anche con sezioni
di passo molto piccole (fino ad 1/64 di passo, con l297 solo fino al ½
passo), ma nell’ottica del risparmio.. la premiata coppia secondo me
vince. Comunque ho trovato ll298 robusto, l’ho stressato parecchio,
anche provando configurazioni di motori fantasiose e non mi ha mai
tradito, non scalda nemmeno molto.
Leggendo il datasheet dell’l297 in fondo si può trovare lo schema di
connessione tra i due.. praticamente il circuito è tutto li… bisogna
solo stare attenti a regolare correttamente la corrente di uscita delle
bobine in funzione del carico , altrimenti l’l298 diventa utile solo per
fare le uova al tegamino.
Per connettere il pc agli azionamenti in genere si usano degli
optoisolatori, questo per limitare i rischi di danneggiamento del pc.
Nei progetti di cnc amatoriali (e anche qualcuno commerciale) , per
risparmiare si utilizza come interfaccia la porta parallela. Lo
svantaggio più grosso è dato dal fatto che se si utilizzano s.o.
Microsoft , è difficile averne il controllo completo. Anche se alcuni
software lo promettono, per esperienza personale, succede a volte che
qualcosa ne prevarichi il funzionamento. In effetti, per una macchina a 3
assi servono solo 6 segnali, i tre clock dei motori e le tre direzioni
dei motori. C’è però da tenere presente che i 3 segnali di clock sono
onde quadre, di frequenza proporzionale alla velocità di rotazione dei
motori. Se gli stepper sono da 200 passi/giro e li voglio pilotare a ½
passo, per una velocità lineare di 400 mm/min (è la velocità di taglio
che uso per i pcb) ed una vite con passo da 2 mm …. Sono circa 1333 Hz,
il che non sarebbe un problema per una parallela, se non fosse che il
s.o. non essendo realtime non garantisce l’accesso incondizionato alla
porta. C’è anche il problema che ormai le parallele sono quasi in disuso
e sui portatili non le montano più da tempo. Esistono varie interfaccie
seriali ed usb che funzionano egregiamente ed hanno prezzi abbordabili.
Per un certo periodo mi era balenata l’idea di costruirmene una.. ed
avevo anche scambiato info tecniche con un francese che aveva prodotto
un programma per gestire generiche macchine CNC. Quindi per un po’ di
tempo ho utilizzato un’interfaccia seriale homebrew .. ma aveva sempre
problemi ad interpolare le curve. Tuttavia ho sempre considerato questa
macchina, non come un progetto fine a sé stesso, ma come un mezzo per
poter creare cose nuove, uno strumento, e non volevo che diventasse lei
stessa oggetto di uno studio troppo impegnativo (e già di tempo me ne
aveva portato via tanto..), quindi un giorno decisi di risolvere una
volta per tutte il problema e di comprarmi un’interfaccia commerciale, e
mi comprai un’interfaccia esagerata!
Questa: http://www.twintec.it/colibri.htm#colibri_controller











In dotazione c’è anche il software di controllo veramente ben fatto e
funzionale.
La scheda è provvista di usb, sd-card per dati e firmware, gestisce
fino a 6 assi!! Poi ha tutti gli ingressi per i fine corsa e i limiti,
le uscite per eventuali luci o allarmi, e anche un’uscita analogica per
un eventuale regolatore di velocità per l’elettromandrino. Insieme alla
scheda ho anche acquistato un pannello di controllo remoto, per muovere
la macchina senza l’uso del pc.
Inoltre devo dire che i signori della Twintec di Catania si sono sempre
comportati benissimo, rendendosi sempre disponibili a risolvere i
problemi che gli ho sottoposto e a rispondere alle mie domande.

Software
Per la realizzazione di parti meccaniche, si inizia col disegnare il
pezzo con un comune software CAD tipo Autocad, Rhino, Bobcad o molti
altri.. Ottenuto il disegno tridimensionale del pezzo, è necessario un
software che in base alle caratteristiche meccaniche della macchina e
dell’utensile e in base alle nostre preferenze di lavorazione, come il
tipo di lavorazione, lo spessore di ogni passata, il tipo di approccio,
le velocità di taglio, di approccio, movimenti rapidi, e molte altre
caratteristiche, calcoli i vettori che l’utensile deve seguire per
eseguire correttamente la lavorazione. In poche parole (..e povere) si
tratta di ricavare tutti i percorsi che l’utensile deve fare passata
dopo passata. Lo standard più usato è l’ RS274NGC G-CODE, esso consiste
in una lunga lista di comandi, per lo più coordinate e comandi di
spostamento, ma anche cambio utensile, pausa, velocità mandrino ,
impostazione delle coordinate dello zero pezzo .. etc etc..
Il compito di calcolare il file in g-code viene eseguito da programmi
chiamati CAM (Computer Aided Manifacturing). A volte è un plug-in del
programma di CAD, come nel caso di RhinoCAM, mentre altre ne è parte
integrante come il caso di Bobcad (CAD/CAM) oppure può anche essere
completamente separato.
Una volta ottenuta la trasformazione da disegno 3D a file g-code , sia
nel caso si voglia utilizzare un’interfaccia seriale che parallela, è
necessario un software che sia in grado di controllare la macchina ed
impartirgli tutti i comandi. Nel primo caso il sw deve essere dedicato, o
meglio, deve essere previsto che possa interfacciarsi al protocollo
usato dall’hardware. Come ho già detto, nel mio caso il software è stato
fornito dalla Twintec, nel caso invece si voglia utilizzare la porta
parallela esistono svariati software di controllo. I più diffusi sono
kCam , e Mach3 (+ il secondo). Per quanto riguarda i circuiti stampati
il discorso non cambia, è necessario un software che calcoli il g-code
dalle piste progettate con il programma CAD. Io ad esempio utilizzo
Eagle, perché funziona bene per lo scopo hobbistico, senza troppi
fronzoli ed è free per pcb <= di 100X80. Inoltre c’è un’ampia scelta
di plug-in sempre free, tra cui Eagle-gcode appunto per la scontornatura
delle piste con la cnc.

A questo punto, dopo aver detto tutto e niente, passo a presentare un
paio di filmini della nostra macchina CNC Homebrew (era funzionante ma
ancora in fase di costruzione..).
In entrambi si vede la lavorazione delle parti meccaniche di un
braccio robotico con 5DOF , nel terzo film si vede il braccio assemblato
e in funzione e in seguito alcuni dettagli.









In questa foto si può vedere un esempio di lavorazione della basette di rame per la produzione di PCB.


fonte: electroyou.it