Qualche consiglio su come progettare una fresatrice CNC 3 assi amatoriale

Scrivo questo breve articolo perchè da quando ho pubblicato i miei video e progetti di cnc sono letteralmente bombardato da email di utenti che desiderano avere più informazioni e consigli su come iniziare ad autocostruirsi la propria fresatrice CNC amatoriale.

Sto ricevendo  richieste di ogni tipo, chi mi chiede un semplice consiglio, chi vorrebbe venire a casa mia a vedere di persona il lavoro, chi mi ha commissionato la realizzazione di un modello e così via...

I consigli che posso offrire sono solamente basati sulle mie dirette esperienze, io nella vita sono un programmatore web e non lavoro nel mondo delle fresatrici automatiche e non ho mai fatto l'operatore/macchinista di una fresatrice presso alcuna azienda. Ho la passione per questo tipo di macchine e in genere trovo più appagante realizzarmi le cose da solo.

Tutto questo per dire che sicuramente un progettista o un operatore di macchine a controllo numerico professionista sarà sicuramente più preciso e aggiornato di me su questo argomento.

Veniamo al dunque, come iniziare ad autocostruirsi una fresatrice CNC...

Dato che si dovrà fare molta fatica, spendere dei soldi e dedicarci molto tempo forse è meglio soffermarsi qualche istante per capire a cosa ci servirà realmente la fresatrice. Potrà sembrare una domanda stupida ma in realtà non lo è.
Per esperienza il mio primo prototipo era troppo piccolo e non riuscivo a fresare pezzi di grosse dimensioni così l'ho demolito, recuperato i pezzi e ricostruito più grande, morale: ho buttato giornate intere di lavoro e soldi...

Meglio avere le idee chiare fin da subito.

Materiale per la struttura

La prima cosa in assoluto da capire è quali tipi di lavorazioni si dovranno eseguire

Se dovete fresare del metallo sconsiglio vivamente di realizzare la struttura in legno perchè troppo leggera e sicuramente avrà delle flessioni durante la lavorazione, se invece dovete lavorare materiali più teneri come legno, plastica, polistirolo allora si può pensare di utilizzare il legno.

L'MDF è un buon materiale, facile da lavorare ma in certe situazioni risulta anche molto fragile e difficilmente gestibile quando ad esempio si cerca di mettere delle viti sul lato dello spessore, anche se viene fatto un preforo il materiale tende ad aprirsi e la tenuta non è eccellente
Per esperienza un buon compromesso è il multistrato di betulla, è più duro dell'MDF e si lavora comunque bene.
Se state pensando al truciolare vi consiglio di abbandonare l'idea.

Come scegliere la forma della struttura?

Qui non c'è troppo spazio per il design, la forma della struttura è tanto importante quanto il materiale con cui viene realizzata.
La classica forma di un router che siamo abituati a vedere è quella con le spalle mobili che scorrono lungo l'asse X tipo questa:

mio primo prototipo

(spalle mobili lungo asse X)

mio secondo prototipo (CNC Laser)

(piano mobile in X e Y)

ecco cosa intendo per piano mobile, la fresa si muove solo in Z...

mio terzo prototipo (CNC Legno)

(struttura a ponte)

In funzione ai pezzi che si dovranno fresare è utile scegliere la giusta conformazione della struttura. 

Ritengo che la struttura, che io definisco a ponte, fino ad ora sia migliore per questi motivi:

1. Offre la libertà di fresare anche pezzi più grandi rispetto alle dimensioni della macchina perchè possono sbordare fuori dalla struttura senza interferire con i movimenti e quindi senza collisioni.
2. Il carrello principale è più stabile e le flessioni sono minime se addirittura nulle
3. Più semplice da realizzare e gestire parallelismi e ortogonalità

Scegliere le guide ed i carrelli

Ho provato 3 differenti soluzioni dalla più laboriosa (costruendo sia la guide sia i carrelli) a quella meno e devo dire che la più impegnativa ha dimostrato di essere anche la meno precisa.

Nel primo prototipo, come ho detto poco fa avevo, realizzato sia le guide sia i carrelli (vedi foto sotto) ma il peso delle spalle unito alla forza esercitata dai motori nello spingere la fresa contro i pezzi mandava fuori asse i carrelli con il risultato che la lavorazione non risultava ottimale.

Per ovviare al problema dovevo mantenere velocità molto basse e passate di fresatura ridotte al minimo.

Successivamente ho provato con le guide per cassetti e devo ammettere: "Minima spesa massina resa".

Per piccole CNC, se montate con un buon parallelismo evitando il più possibile gli attriti sono ottimali, non vanno fuori asse e sono anche molto scorrevoli, ovviamente parlo di quelle con i cuscinetti a sfera tipo queste:

Guide per cassetti

In alternativa si può andare su una soluzione più professionale contenendo comunque i costi.

Nel mio terzo prototipo ho appunto deciso di montare guide lineari per CNC acquistate da

www.riko-online.de un ottimo venditore con prezzi accessibili e materiale di alta qualità. Lo trovate anche su Ebay fatevi un giro!!

In definitiva queste fino ad ora sono le migliori guide che abbia mai provato...

Guide SBR

Trasmissione del moto agli assi: barre filettate, viti trapezioidali o cinghie?

Bella domanda.... la risposta è: dipende

Dipende da quanto è grande la macchina e quindi da quanta corsa hanno gli assi.

Dipende anche da che velocità di lavorazione si vuole raggiungere.

Infine dipende anche da quanto si vuole spendere.....

Penso che soluzione ottimale rimanga sempre la vite a ricircolo di sfere, molto precisa ma anche molto costosa. Personalmente non l'ho mai provata per cui non so darvi troppe indicazioni.

In alternativa si possono scegliere altre strade più economiche.

Barre filettate classiche

La più economica in assoluto è la classica barra filettata di ferro comprata al Brico M10, M12.

Ha però degli inconvenienti da valutare con attenzione.

Prima cosa trovare una barra filettata dritta è veramente un'impresa è questo è un bel problema perchè girando velocemente genera forti vibrazioni dannose sia per la macchina che per la lavorazione.

Quelle di acciaio sono un pò più dritte ma non più di tanto.

Un altro problema che ho riscontrato nell'utilizzo di queste barre è che hanno un passo abbastanza corto circa 1,25 mm il che significa che per ogni giro della barra l'asse si sposta di soli 1,25 mm.

Facciamo un semplice conto: 

Se montiamo una barra passo 1,25mm e dobbiamo far percorrere all'asse la distanza di 1 metro (1000 mm) la barra dovrà fare 800 rivoluzioni.

Considerando che i motori passo passo hanno più coppia (e quindi rendono meglio) ad un basso numero di giri non possiamo farli girare troppo velocemente per cui ipotizzando di mandarli a non più di 200 giri/min. significherebbe che per fare 800 giri ci voglio (800/200) 4 minuti.
4 minuti per spostarsi di un solo metro è una follia...

Confesso di aver inizialmente utilizzato barre M10, poi dopo le prime fresate mi sono pentito ed ho smontato tutto per adattarci delle viti trapezoidali.
L'inconveniente maggiore era che oltre ad andare come una lumaca i motori giravano molto veloce e dopo mezzora di utilizzo raggiungevano i 70° C era impossibile appoggiarvi una mano sopra.

Viti trapezioidali

Meno economiche delle classiche barre filettate ma migliori sotto altri punti di vista.

Si possono trovare di diverse misure ed hanno un passo più grande dando più "respiro" ai motori.
Io avevo montato le M20x4 (diametro 20mm e passo 4mm) che significa che ogni giro dell'albero del motore l'asse si sposta di 4mm.
La chiocciola l'avevo realizzata saldando una piastra rettangolare alla sezione di un cilindro filettato M20x4 (come in foto)

Cinghie e pulegge metriche dentate

Una buona soluzione ma da valutare con attenzione.
La trasmissione a cinghia è abbastanza delicata e richiede più potenza da parte dei motori.

Nel mio terzo prototipo ho adottato questo tipo di trasmissione utilizzando cinghie metriche T5 passo 5mm e pulegge dentate T5 come in foto.
Per chi fosse interessato le ho comprate sul sito www.atti.it, ha degli ottimi prezzi e molta varietà di articoli di questo genere.

Per avere una buona forza di trazione mi sono trovato costretto a realizzare delle riduzioni 1:4 calettando sull'albero del motore una puleggia T5 Z15 L27 (15 denti) e all'albero una T5 Z60 L27 (60 denti).

Per chi non lo sa spiego in breve come leggere le sigle delle pulegge:
esempio una puleggia con sigla T5 Z15 L27 
- T5 Passo metrico da 5mm

- Z15 N. 15 denti
- L27 Spessore puleggia 27mm

La soluzione a cinghie e pulegge permette di raggiungere alte velocità a scapito della forza di spinta.
Nel mio caso specifico ho utilizzato motori stepper Nema23 3Nm e mi rendo conto che sono sottodimensionati rispetto alle dimensioni della struttura ed al peso degli assi.

Per ovviare al problema devo mantenere le accelerazioni molto basse. In futuro sostituirò i motori con dei Nema34.

Elettronica di controllo e software, quanti dubbi...

Ricevo molte richieste da utenti che da un punto di vista meccanico non hanno problemi ma sono dubbiosi su come interfacciare la cnc con il PC.

Io non sono un elettronico e in materia sono molto a digiuno e anch'io agli inizi avevo mille dubbi così dopo settimane di ricerche ho scelto la strada più semplice e sicura ovvero acquistare un kit bello e pronto. Per Arduino non ero ancora tempo per me...

Ho trovato alla Creostamp un kit che comprendeva scheda di controllo TB6560 3 motori Nema23 3Nm un alimentatore e un CD con del software dimostrativo; collegando i motori alla scheda ed essa al PC tutto era subito funzionante, guarda il primo video che ho fatto al kit

Successivamente preso confidenza e capito come funzionavano le cose da un punto di vista elettronico ho tentato, con risultati positivi, la strada di Arduino.

Faccio un passo indietro per illustrare la situazione per come l'ho capita io nel corso dei miei esperimenti.
Se sto dicendo fesserie o cose non vere vi prego di segnalarmelo con un commento

schede elettroniche

CNC pilotata con Arduino e scheda TB6560 (soluzione opensource)

Per pilotare gli assi con Arduino prima cosa è necessario comprare la scheda al costo di circa € 60,00.
Io sono partito con Arduino Uno...

Ho disegnato un semplice schema di collegamento per far meglio comprendere gli elementi hardware e software che entrano in gioco.

prodotti

l software che ho utilizzato per pilotare gli assi tramite Arduino si chiama GRBL Controller il quale riesce ad interpretare il G-code e quindi ad eseguire le lavorazioni.


Qualche breve indicazione per iniziare da subito senza perdersi d'animo:

• E' necessario scaricare il software di gestione di Arduino (dal sito ufficiale)
• Dopo averlo installato occorre installare le librerie GRBL scaricandole da qui
• Dopo aver scaricato le librerie GRBL occorre uploadarle nella memoria di Arduino tramite il software di gestione
• Per pilotare i motori occorre scaricare il software "GRBL Controller" da qui

Software di gestione Arduino

GRBL Controller

GRBL Controller comunica con Arduino tramite la porta USB

CNC pilotata con Mach3  e scheda TB6560

Come si può notare rispetto allo schema di Arduino i Driver dei motori passo passo sono già integrati nella scheda TB6560 ed essa è direttamente collegata tramite porta parallela LPT1 al PC... finito, è tutto qui!

Non è necessario aggiungere altro o scaricare librerie apposite.

Basta collegarci un alimentatore tipo quelli da computer desktop.

E' un modo economico, pratico e veloce per chi è agli inizi ed è a digiuno con l'elettronica.

prodotti

Mach3 è il software che s'interfaccia con la porta parallela ed è completo di tutto quello che serve.
E' possibile scaricarne una versione demo dal sito ufficiale ed il gioco è fatto.

Spero che questa mini guida vi sia stata d'aiuto.
Grazie per la lettura