Come costruire una CNC 110*70
La costruzione di una cnc è argomento complesso che investe molte questioni. Cerchiamo di affrontarle con il mio secondo proggetto. Una cnc in legno di 110 cm per 70 cm dotata di Nema 23 Hybrid e di una elettronica costituita da Arduino UNO, Driver TB6550 e alimentatore da 24 volt
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Come determinare la struttura di una cnc in legno autocostruita
In questi ultimi anni il mondo delle cnc, probabilmente anche in relazione alla diffusione di macchinari a basso costo di provenienza cinese, ha subito un notevole sviluppo. Quello che prima era un settore relegato ad applicazione specifiche ad alta specializzazione è entrato, piano piano, anche al di fuori di esso investendo, in modo particolare il settore degli appassionati del fai da te. Probabilmente quanto detto anche in relazione all'aumentare delle competenze digitali nonchè alla diffusione dei sistemi di stampa 3d che molte cose hanno in comune con le cnc.
Decidere di acquistare o di progettare per poi auto costruirsi una cnc, quindi, è una cosa che si sta diffondendo in modo significativo. Molti di coloro che approcciano a tale settore hanno già delle specifiche competenze acquisite in altri settori, altri invece sono completamente neofiti e quindi a digiuno di ogni qualsiasi specifica competenza. la casistica è estremamente variegata e diversificata. Qualunque sia la condizione in cui chi si approccia a questo mondo si trovi costituisce comunque un passaggio fondamentale la consapevolezza di cosa si andrà a chiedere alla nostra macchina. Come per ogni mezzo meccanico infatti questo avrà delle capacità ed implicitamente delle limitazioni. Conoscerla prima di effettuare l'acquisto o di procedere con la sua progettazione e costruzione è pertanto un passaggio fondamentale. Ma non di semplice soluzione. In via approssimativa possiamo dire che gli elementi fondamentali che concorrono alla determinazione delle capacità di lavorazione della macchina sono:
Rigidità strutturale
Questa caratteristica è di fondamentale importanza nelle macchine cnc. Senza entrare nei dettagli basta comprendere il fatto che quando la mia fresa entra in collisione con il pezzo a lavorare se la mia macchina non riesce ad eliminare tutte le sollecitazioni derivanti dalla movimentazione nonchè dallo stesso mandrino queste andranno a ripercuotersi sulla fresa (punto di maggior sollecitazione) la quale tenderà a spezzarsi.
Questa caratteristica della macchina è correlata, a sua volta, ad alcuni fattori e principalmente a:
Definizione progettuale
Le macchine CNC, come tutte le macchine, devono fornire delle risposte a determinate sollecitazioni e pertanto devono sottostare alle leggi della statica. per tale motivo la definizione progettuale delle singole componenti ha delle ripercussioni sulle risposte che la macchina fornirà in termini di rigidità strutturale. Questo aspetto, ovviamene, non è alla portata di tutti ma è anche vero che i modelli delle macchine si sono andati via via standardizzando consentendo anche a chi, non dotato di competenze meccaniche tali da consentirgli di progettarla di ovviare a tale mancanza con l'osservazione attenta dei modelli. Non è semplice ma si può fare. Il risultato finale non sarà sicuramente la perfezione dal punto di vista modellistico si potrà fornire un ottimo compromesso.
Materiali utilizzati
Alla rigidità strutturale della macchina concorrono, ovviamente, anche i materiali utilizzati. E' evidente che un ponte che riceve delle sollecitazioni massime nel suo punto mediano sarà più o meno capace di assorbirle se realizzato in alluminio pieno piuttosto che in legno. Per cui è chiaro che la scelta dei materiali, oltre che incidere sul costo della macchina, inciderà anche sulle sue capacità.
Modalità di connessione
Questa è una parte che a volte viene poco considerata ed invece riveste un ruolo fondamentale. Provate ad immaginare le spalle di un ponte di una cnc realizzate in alluminio pieno a 12 mm di spessore che però poi sono fissate al carrello con un numero di viti o con un diametro delle stesse non in grado di equiparare le sollecitazioni assorbibili dal supporto che vanno a fissare. Comprometterebbero ovviamente tutta la rigidità della macchina e renderebbero inutili i materiali utilizzati.
Guide
Anche queste sono un particolare non secondario. Oltre ad incidere con i propri attriti sulla efficienza dei motori anche queste devono essere dimensionate con la struttura complessiva della macchina. Oltre ciò occorre tenere presente anche che per loro implicita tipologia geometrica ve ne sono alcune che possono essere definite concorrenti alla determinazione della rigidità strutturale mentre altre no, nonostante che magari offrano dei coefficienti di attrito inferiori.
Componentistica elettronica e motori
Anche qui la cosa non è semplice da riassumere ma sintetizziamo in questo modo. Ogni motore ha una specifica capacità di lavorazione espressa in Kn. Questa è quella che determinerà la, chiamiamola cosi, forza del motore nel movimentare la macchina. I motori passo passo non erogano potenza in modo costante a prescindere dal voltaggio con cui li attiviamo. Maggiore sarà il voltaggio (entro certi limiti) e maggiore sarà la risposta del motore. Per poter alimentare il motore a voltaggi più alti abbiamo bisogno di driver in grado gestire tali voltaggi. Per cui, da un lato il motore dovrà fornire una coppia relazionata alle esigenze della macchina che andiamo a costruire, entro i limiti della sua rigidità, ma allo stesso tempo, per non rischiare di avere un ferrari e mandarlo a 10 all'ora, dovremo alimentarlo con un voltaggio correlato a quelle che sono le caratteristiche del motore stesso (desumibili dal datasheet del motore).
Quanto detto fin'ora voleva essere solo una breve introduzione. Ora torniamo al progetto di cnc in same. Molti mi hanno chiesto informazioni sulla mia cnc 110-70. In questo video ripercorro le fasi principali che mi hanno condotto alla definizione del progetto. Dalla scelta delle guide lineari, ai giunti, alle modalità con cui ho determinato la struttura mista legno-staffe. Una breve guida per chi vuole auto costruirsi una cnc. Perchè occorre rinforzare il piano Y. Come aumentare la resistenza dell'asse x. Come rendere tutta la struttura in legno più rigida. Come scegliere le guide lineari. Come scegliere il tipo di struttura. Quali tipi di legno utilizzare.
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Come costruire una cnc - 00 Il progetto
Dopo l'esito positivo della costruzione della prima cnc 4040 ho deciso di mettermi alla prova con un progetto più ambizioso. Costruire una cnc 110x70. Ovviamente l'esperienza fatta con la prima è stata utile ma molte delle cose imparate in questo caso non tornavano utili. Per questa macchina infatti, a seguito di ricerche, avevo deciso di abbandonare il ponte fisso e passare al ponte mobile. Per tale motivo, ovviamente, il progetto doveva essere completamente ripensato.
Per prima cosa la parte elettronica. L'upgrade principale è relativo ovviamente ai motori. Il passaggio dai Nema 17 ai Nema 23 è praticamente obbligato. Con esso, volendo continuare ad utilizzare per il pilotaggio della macchina Arduino, bisognava decidere, tenuto conto dell'aumento di amperaggio dei motori, quali driver utilizzare. A seguito di ricerche e, nonostante il non apprezzamento da parte di molti, ho deciso di utilizzare i TB6560. Devo dire che, ora che la macchina è un pò di tempo che lavora che non comprendo le valutazioni negative su questi driver. Ovvio, non gli si può chiedere l'impossibile, ma il loro lavoro lo fanno. Almeno fin'ora lo hanno fatto.
Oltre l'elettronica un altro componente fondamentale è costituito dal sistema di trasporto dei carrelli: viti e guide. Anche in questo caso l'upgrade è stato obbligatorio. Dopo varie ricerche ho optato per le guide SBR. Queste sono state preferite ad altre tipologie più costose ma, secondo me, non adatte ad una struttura di macchina non rigida. La particolare sezione delle SBR contribuisce, con la sua resistenza, all'irrigidimento della struttura e, per tale motivo, le ho preferite ad altre soluzioni.
Tornando alla struttura, nella prima versione del progetto volevo utilizzare una struttura mista legno-alluminio ed ho realizzato i primi schemi della macchina.
Come si vede dagli schemi la funzione delegata alle parti in alluminio consiste principalmente nell'irrigidimento della struttura sull'asse X e sull'asse Y. In seguito, effettuate una serie di valutazioni, sia di tipo economico che funzionale (quanto potevo ottenere utilizzando le parti in alluminio in termini di resa meccanica?) ho preferito optare per un progetto completamente in legno. Tale soluzione, oltre al vantaggio economico, mi consentiva di realizzare la struttura in completa autonomia e pertanto ho optato per quest'ultima.
Ovviamente per poter realizzare il progetto ho dovuto ridisegnare ogni singola componente meccanica.
A questo punto bisognava decidere il materiale con cui realizzarla ma soprattutto come ottenere l'irrigidimento della struttura senza utilizzare l'alluminio. Al primo quesito ho trovato risposta a seguito di qualche ricerca. In una prima fase mi ero direzionato, come molti altri prima di me, verso il multistrato di betulla. Questa scelta però è stata abbandonata dopo aver rintracciato un nuovo materiale, il carply. Quest'ultimo infatti offre delle caratteristiche migliori rispetto al primo e pertanto è scelto come soluzione definitiva.
Rispetto all'ipotesi di partenza lo schema generale non è cambiato di molto ma, per ottenere un irrigidimento della struttura ho optato per una soluzione particolare. In pratica invece di utilizzare l'alluminio ho optato per una struttura composita irrigidita da staffe in ferro. In questo modo, in sintesi, ho ottenuto una serie di vantaggi. Il primo, economico (le staffe metalliche sono economiche), in secondo luogo le staffe consentono di non dover avvitare le viti direttamente sul legno. Questo infatti può costituire un problema per la macchina durante le sollecitazioni dovute alle lavorazioni della stessa.
Come si vede dagli schemi l'asse Y è stato realizzato mediante una serie di parti in legno fissate tra loro con staffe. Per ogni staffa sono state inserite 3 o 4 bulloni M5 che rendono tutto l'insieme estremamente rigido. La stessa soluzione è stata poi utilizzata sull'asse X e Z.
Completato il progetto sono passato alla predisposizione delle stampe dei singoli pezzi. L'idea alla base è relativamente semplice. Predisposta la stampa di ogni singolo pezzo in legno ho proceduto con il fissaggio delle stampe su legno (con del semplice scotch carta), ritagliato le parti e praticato i fori per il passaggio delle viti. In questo modo ho cercato di ridurre al minimo eventuali errori di misurazione sui singoli pezzi.
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Componenti meccaniche della cnc - Guide sbr e viti a ricircolo di sfere
Una volta completato il progetto è stato effettuato l'ordine delle parti meccaniche.
Il kit completo comprende:
GUIDE
- 2 Guide lineari SBR16 da 300 mm (Asse Z)
- 2 Guide lineari SBR16 da 700 mm (AsseX)
- 2 Guide lineari SBR16 da 1100 mm (Asse Y)
- 12 Pattini SBR16UU
VITI A RICIRCOLO
- 1 Vite da 350 mm (Asse Z)
- 1 Vite da 750 mm (Asse X)
- 1 Vite da 1150 mm (Asse Y)
SUPPORTI DELLE VITI
- 3 BK12
- 3 BF12
GIUNTI MOTORE-VITE
- 3 Giunti 8-10 mm
CHIOCCIOLE E DADI
- 3 DSG16H
- 3 Chiocciole
L'acquisto è stato effettuato presso uno degli ormai famosi siti cinesi. Il pacco, come si vede dal video, è arrivato integro e senza difetti.
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Le parti meccaniche della cnc
In questo video mostro tutte le singole componenti. Per chi come me non era avvezzo alle sigle potrà risultare utile distinguere le singole componenti.
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Taglio e assemblaggio della struttura in legno
A questo punto inizia la fase vera e propria di realizzazione. Come detto in precedenza ho predisposto le stampe in formato 1:1 di ogni singolo pezzo.
Tutti i tagli dritti delle parti lunghe sono stati effettuati con banco sega circolare (ovviamente auto costruito). I tagli corti con una comune sega radiale.
Dopo il taglio del pezzo ho posizionato la stampa su di esso e riportato i segni per i fori. In questo modo sono riuscito a ridurre moltissimo eventuali errori di misurazione.
A questo punto ho proceduto con i fori su trapano a colonna. Pronti tutti i pezzi per l'Asse Y li ho assemblati. L'assemblaggio è stato relativamente facile in quanto i fori erano abbastanza precisi. Le uniche misure che non ho potuto riportare sul progetto, e quindi nelle stampe, sono quelle relative ai fori per le guide SBR.
Questi infatti possono variare a seconda del fornitore per cui, avendo creato prima la struttura in legno non ho potuto marcare i punti. Se volete redigere un progetto completo e quindi stampare i fogli con le misure consiglio di ordinare prima le guide, rilevare le misure dei fori e riportarle sul progetto. Altro consiglio non vi fidate dei disegni riportati negli annunci di vendita. Riprendete sempre le misure dopo che i pezzi vi sono arrivati. Non è da escludere che vi arrivino delle parti con misure diverse da quelle riportate nell'annuncio. Fidandovi delle misure degli annunci, se poi vi arriva un pezzo diverso, sarete costretti a revisionare l'intero progetto o ad attendere tempi lunghissimi per il cambio merce, quando possibile.
Per il taglio delle parti come potete vedere dal video ho utilizzato un banco da lavoro fai da te. In ratica una sega circolare montata sotto il banco con una guida realizzata completamente in legno. La caratteristica di questa guida consiste nell'avere 2 sistemi di fermo. Quello classico dalla parte dell'operatore ed uno sull'altro lato. In questo modo si ottiene un fermo totale della guida ed inoltre lo squadro della stessa. Prima di iniziare la fase di realizzazione della cnc ho verificato le tolleranze ottenibili con questo banco. In pratica ho tagliato delle tavole lunghe 2 metri e verificato il fuori squadro. Su 2 metri ho ottenuto un fuori squadro inferiore al millimetro. Per cui l'o ritenuto più che accettabile e pertanto ho iniziato i lavori di costruzione della cnc.
Per tutti i tagli trasversali ho utilizzato una sega radiale. Su questo argomento vorrei fare un piccolo appunto. E' molto di moda nel mondo dei maker consigliare l'acquisto di troncatrici non radiali di marche note e molto costose. Allora, non riesco proprio a non fare le seguenti valutazioni. Per chi, come me, pratica queste attività come hobby è più che evidente che non potrà mai effettuare un utilizzo continuativo di tali macchinari riuscendo così a ripagarsi dell'investimento effettuato. Inoltre, in particolare sulla troncatrice non radiale. A mio avviso è una macchina, almeno per quanto concerne la lavorazione del legno, estremamente limitata, tanto a essere quasi inutile. Siete mai entrati in una falegnameria? Quanti falegnami hanno una troncatrice? Vedere in continuazione questi presunti esperti che vi consigliano di investire un patrimonio in una macchina dalla limitata utilizzabilità mi sembra proprio poco intelligente.
Ma torniamo a noi. Nel video, come utilizzo una troncatrice radiale, di marca non blasonata ma:
1. La utilizzo da circa 3 anni senza aver mai avuto un problema
2. Con il fatto che è radiale riesce ad avere una luce di lavorazione di circa 50 cm che con il ribaltamento del pezzo diventano 100
Ora, tenuto conto delle possibilità di lavorazione effettuabili con questa macchina rispetto ad una troncatrice normale e nonchè della differenza di prezzo di acquisto, valutate voi come spendere i vostri soldi.
Torniamo al progetto
Per quanto riguarda la foratura dei pezzi rammento che è fondamentale la segnatura del punto di foro con una punta, fatta con una certa attenzione. La segnatura infatti oltre che accelerare la fase di foratura consente anche di migliorare la precisione della centratura del foro stesso sul trapano a colonna.
La fase di montaggio delle staffe in ferro viene omessa nel video in quanto non di particolare difficoltà e piuttosto ripetitiva. Importante però è comprendere l'utilità delle staffe stesse. Queste sono state inserite in quanto:
1. aumentano notevolmente la rigidità strutturale del piano Y. E come ho spiegato in altro video è una delle parti sottoposte a maggior sollecitazione
2. risolvono il problema delle viti su legno. Date infatti le sollecitazioni cui la macchina è sottoposta le sole viti in legno sarebbero state, nel tempo, ad allentamenti delle loro sedi che avrebbero compromesso la rigidità complessiva. Utilizzando le staffe e sostituendo le viti in legno con viti con dado, invece, tale problema viene eliminato. Inoltre, come potete vedere dal video, il numero delle viti è tale da scongiurare qualsiasi tipo di problema derivante dalle stesse.
Il montaggio delle staffe ha sicuramente richiesto molto tempo e pazienza ma, come poi hanno dimostrato i test effettuai sulla macchina in seguito, hanno ripagato gli sforzi. A dimostrazione che l'intuizione iniziale era giusta. La struttura in legno rinforzata con quel numero di staffe, tanto a farla diventare praticamente una struttura mista legno-ferro, era giusta. Questo è stato il mio contribuo principale nella progettazione di questa macchina.
L'idea iniziale di realizzare una struttura mista legno-alluminio è stata abbandonata in primo luogo per le problematiche inerenti la realizzazione delle parti in alluminio, ed in secondo luogo per i costi che sarebbero lievitati in modo non indifferente. Realizzare delle parti in alluminio pieno da 10/12/15 mm ha un costo che non può essere sottovalutato.
In un primo momento avevo pensato di realizzare una struttura completamente in legno e che, una volta completata la macchina, con la stessa, avrei realizzato le parti in alluminio che sarei andato a sostituire volta per volta sulla macchina stessa. In pratica una cnc che costruisce se stessa.
Una volta completata la cnc, però, ed effettuati i primi test, ed in particolare dopo aver verificato la macchina nel taglio dell'alluminio ho deciso di desistere dall'intento. Quello che la macchina riesce a fare così come configurata va ben oltre le mie aspettative per cui non ho necessità di modificarla. Ciò non toglie che a qualcuno potrebbe tornare utile l'idea.
In pratica. Completato il progetto. Realizzato lo stesso in legno quale prototipo, potreste utilizzare la cnc stessa per realizzare le parti della macchina in alluminio e sostituirle sulla macchina stessa man mano che le realizzate.