[Opis zaktualizowany 25.1.2014]
Prezentuję tu moją drugą frezarkę sterowaną numerycznie, przeznaczoną przede wszystkim do obróbki paneli podłogowych, drewna i tworzyw sztucznych. Przy projektowaniu miałem założenie żeby zrobić ją tanio i za pomocą posiadanych maszyn i narzędzi czyli m.in. wiertarki ze statywem, ręcznej piły do metalu, pilników czy spawarki. Zamierzałem osiągnąć dokładność 100µm na obszarze roboczym około 300x300x100mm i maksymalną prędkość ponad 1m/min.
Konstrukcja ta charakteryzuje się bardzo dużą odpornością na zanieczyszczenia, łatwością czyszczenia i nie ogranicza długości ani masy obrabianego materiału. Dzięki temu, że wszystkie układy są wbudowane w maszynę, podłącza się ją do komputera jak drukarkę czy skaner, za pomocą jednego przewodu z wtykami DB25.
MECHANIKA
Projektowanie zacząłem od pojechania na złomowisko w poszukiwaniu czegoś co nadawałoby się na łożyska liniowe - od tych elementów zależało być albo nie być całej maszyny. Miałem bardzo dużo szczęścia - znalazłem dwumetrowy profil stalowy z 2mm blachy wygięty wzdłuż pod kątem 110°, był tylko jeden taki! Od razu wiedziałem co z niego zrobię - wózki na rolkach z łożysk kulkowych jeżdżące po prowadnicach ze stalowej rury wodociągowej. Dwumetrowy odcinek doskonałej do tego celu półcalowej rury czernionej kupiłem w Castoramie za 30zł. Zastanawiałem się, czy może lepiej użyć rury 3/4" ale za pomocą wagi sprężynowej i czujnika zegarowego przeprowadziłem pomiary ugięć i okazało się, że 1/2" w zupełności wystarczy. Zaprojektowałem więc i złożyłem na próbę jeden wózek.
Okazało się, że był to strzał w dziesiątkę. Wózek jeździł gładko i bez żadnego luzu - mogłem śmiało projektować kolejne elementy maszyny. W ciągu kilku wizyt na złomowisku zebrałem odpowiednie profile stalowe na ramę frezarki: 30x40x1mm oraz 30x30x1,5mm. Wkrótce powstał projekt a niedługo później cała rama i prowadnice osi Y.
Potrzebne były jeszcze 3 wózki z profilu 110°, jeden taki sam jak eksperymentalny - krótki 120mm dla osi X - oraz dwa długie 170mm dla osi Y. Ponieważ potrzebowałem do nich aż 36 dokładnie wyciętych tulejek dystansowych zrobiłem prymitywną tokarkę na której praca poszła bardzo szybko i przyjemnie. Kilka dni później maszyna zaczęła już całkiem nieźle wyglądać.
W tym momencie postanowiłem zrobić śrubowe napędy osi X i Y a cały zespół Z zostawić na potem. Od początku miałem zamiar wykorzystać jako śruby pociągowe tanie pręty z gwintem metrycznym M10. Akurat M10 ponieważ ma on dość duży skok - 1,5mm - i średnicę pasującą do znalezionych na Allegro łożysk kulkowych o skośnych bieżniach 72008CX. Gniazda dla tych łożysk zrobiłem sam z paneli podłogowych, używając kupionego kiedyś zestawu pił do otworów.
Ze śrubami współpracują specjalne nakrętki przedłużane M10. Niestety nigdzie nie było takich nakrętek z brązu więc użyłem stalowych, dzięki dobremu smarowaniu smarem grafitowym pracują bez większego oporu. Na każdą śrubę X i Y przypadają po dwie nakrętki co umożliwia zmniejszenie i tak małego luzu.
Kolejnym problemem do rozwiązania był dobór silników - przy prędkości 1m/min śruba z gwintem o skoku 1,5mm musi wykonywać ponad 666 obrotów na minutę. Miałem tylko jeden silnik krokowy z drukarki laserowej który może dałby radę i całe pudło różnych porządnych i bardzo mocnych silników prądu stałego wymontowanych z drukarek atramentowych. Przypomniałem sobie wtedy widziany dawno temu projekt ze strony elm-chan.org i postanowiłem zastosować w mojej maszynie napędy serwo. Zacząłem od połączenia silnika DC ze śrubą osi X wykorzystując pasek zębaty i koło pasowe z drukarki HP, następnie umocowałem enkoder, złożyłem eksperymentalny serwokontroler i to wszystko uruchomiłem.
Napęd działał świetnie, szybko i cicho, a koszt części był mniejszy niż samego silnika krokowego. Słaby punkt stanowił jedynie enkoder z myszki kulkowej który nigdy nie działał idealnie i był bardzo trudny do ustawienia względem ruchomej tarczki. Mimo to zabrałem się za oś Y. Tu zadanie było o wiele trudniejsze, bo jeden silnik miał napędzać dwie równoległe śruby po obu stronach frezarki. Sposób przeniesienia napędu miałem wymyślony już od czasu projektowania ramy gdyż to od niego, a dokładniej od gotowych części które zamierzałem wykorzystać, zależały niektóre jej wymiary. Silnik za pomocą identycznego jak w osi X paska i koła miał napędzać poprzeczny wał główny połączony ze śrubami przez dwie przekładnie kątowe i dwa paski zębate. To właśnie długości tych dwóch pasków zębatych, wymontowanych razem z przekładniami kątowymi ze znalezionego przy śmietniku kawałka drukarki Lexmark Optra, brałem pod uwagę już podczas projektowania ramy całej maszyny. Tymczasem, po opracowaniu szczegółów przekładni napędowej zacząłem ją mozolnie składać.
Główny wał musiał mieć średnicę 6mm by pasował do kątowych kół zębatych i łożysk. Nigdzie nie mogłem zdobyć gotowego wałka o takiej średnicy, znalazłem tylko stalowy pręt który jak się później okazało był nierówny i źle się kręcił. Ostatecznie kupiłem aluminiowy wałek 8mm i spróbowałem na mojej "tokarce" wytoczyć z niego to, czego potrzebowałem:
Udało się i to za pierwszym razem! Szybko zrobiłem drugi enkoder z myszki kulkowej i uruchomiłem oś Y. Pomalowałem też już niektóre elementy maszyny emalią w sprayu.
Dopiero w tym momencie przypomniałem sobie, że w garażu leży całe pudełko enkoderów z drukarek atramentowych które biją na głowę pod każdym względem te marne układziki z myszek - nie ma problemu z ustawianiem, mają znacznie większą rozdzielczosć i nie są wrażliwe na światło z zewnątrz. Czym prędzej je wykorzystałem. Aby dobrze umocować tarczę na wale napędowym Y musiałem wytoczyć specjalną tulejkę z kołnierzem z poxiliny.
Mając gotowe i działające osie poziome postanowiłem zrobić blat maszyny. Wykorzystałem prawie idealnie pasujący kawałek ciężkiej, 30mm płyty wiórowej znalezionej w garażu który umocowałem do ramy za pomocą 4 śrub ławkowych. Jego powierzchnia wyznaczyła poziom 0 co ułatwiło projektowanie osi pionowej - Z. W niej zamiast rur 1/2" są profile stalowe 15x15x1mm i jeden wózek z czterema rolkami w postaci zespawanej klatki. Wózek jest nieruchomy, jeżdżą prowadnice razem ze śrubą i silnikiem. Całość usztywnia ramka w kształcie litery H z nagwintowanymi otworami M4 do mocowania wrzeciona. Zrezygnowałem z drugiej nakrętki na śrubie pociągowej do zmniejszania luzu - tutaj luz bardzo skutecznie likwiduje grawitacja.
Maszyna ożyła pierwszy raz 24.11.2012, 6 miesięcy po rozpoczęciu budowy.
Po zamontowaniu reszty elektroniki zrobiłem i umocowałem osłony a pozostałe elementy dekoracyjne i ochronne widoczne na poniższych zdjęciach maszyna wycięła już sobie sama z tymczasowym wrzecionem Kinzo.
Ostatnim etapem prac związanych z mechaniką było zrobienie właściwego elektrowrzeciona i zastąpienie nim tego tymczasowego.
Użyty przeze mnie, znaleziony kiedyś gdzieś silnik ma oznaczenie "typ 300" i pochodzi ze starego odkurzacza Zelmer. Od razu wydał mi się dobry do takiego zastosowania ponieważ ma dość długi, gruby wał o średnicy 10mm z gwintem M10x1 na końcu i porządną, rozbieralną konstrukcję (odlew ciśnieniowy z jakiegoś stopu aluminium). Wymieniłem w nim łożyska oraz przednią tarczę łożyskową na nową, zrobioną według mojego projektu (tu dziękuję koledze Marcinowi z koła OSN Politechniki Wrocławskiej za pomoc w jego zrealizowaniu). Na wale umocowałem trójfazową prądnicę tachometryczną - silniczek BLDC wycięty z dysku twardego za pomocą mojej frezarki i tymczasowego wrzeciona.
W wałku silnika starannie wywierciłem osiowy otwór w który wkłada się tulejkę z narzędziem i dociska nakrętką z gwintem M10x1 znalezioną na złomowisku. Tak zrobiony uchwyt trzyma porządnie i ma pomijalnie małe bicie. Nowe wrzeciono umocowałem w miejscu starego i prowizorycznie podłączyłem (poniższe zdjęcia przedstawiają już połączenia na stałe). W ten sposób wyfrezowało obudowę dla siebie i sterownika PWM.
Wentylator chłodzący sterownik i silnik wdmuchuje powietrze do środka uniemożliwiając tym samym zanieczyszczenie wnętrza wiórkami. Czerwona lampka z przodu ostrzega o włączonym zasilaniu wrzeciona a wystająca dźwigienka po odchyleniu w górę blokuje wał silnika.
Ponieważ cała ruchoma część osi Z waży aż 4,5kg stwierdziłem, że warto dorobić jakiś odciążacz. Zwykła przeciwwaga to dodatkowe kilka kilogramów, odpowiednią sprężynę trudno dostać i nie tak łatwo ją dobrze wykorzystać... W końcu wymyśliłem "przeciwwagę pneumatyczną".
Zbiornik to puszka po sprayu do czyszczenia potencjometrów natomiast siłowniczek i zawór zwrotny zrobiłem sam. Brakuje manometru bo nie mam odpowiedniego, jak znajdę kiedyś jakiś malutki to dodam. Instalacja jest szczelna, napompowałem ją do 600kPa co zmniejszyło siłę obciążającą śrubę osi Z o 3kG.
ELEKTRONIKA
Schemat blokowy maszyny jest następujący:
Kontroler zasilania to układ połączony z panelem sterowania i działający jako trudny do przypadkowego przełączenia włącznik, generator sygnałów awaryjnego zatrzymania, zasilacz pomocniczy i układ autodiagnostyczny sterujący lampką kontrolną. Włączenie i wyłączenie maszyny następuje po naciśnięciu i przytrzymaniu przycisku na przednim panelu. Samo naciśnięcie zapala jedynie czerwoną lampkę która świeci do zwolnienia przycisku lub zmiany stanu włącznika. Naciśnięcie bakelitowego grzybka awaryjnego zatrzymania "Stiskem vypni!" powoduje miganie czerwonej lampki jeśli maszyna jest włączona i generuje dwa sygnały, jeden bezzwłoczny dla komputera sterującego oraz drugi opóźniony o około 200ms blokujący interfejs międzymaszynowy (zabezpieczenie na wypadek braku reakcji komputera na bezzwłoczny sygnał STOP). Lampka na panelu sterowania służy również do ostrzegania o przeciążeniu serwomotorów, wrzeciona, do sygnalizacji pojawienia się zasilania 230V~ albo awarii. Jak widać ma ona bardzo wiele funkcji - po prostu nie miałem więcej takich ładnych lampek z komputera Odra 1305 a i miejsca na panelach z przodu było bardzo mało. Najważniejsze aby w czasie pracy się ona nie świeciła ani nawet nie migała. Jeśli świeci to znaczy że trzeba uważać.
Zasilacz główny maszyny to stabilizowany zasilacz impulsowy 24V 6A z prostym zabezpieczeniem nadnapięciowym. Zrobiłem go z części komputerowego zasilacza AT.
Zasilacz wrzeciona to układ wytwarzający wszystkie potrzebne napięcia dla całego systemu sterującego wrzecionem. Jego część niskonapięciowa działa cały czas po włączeniu maszyny, zamieniając +24V na +12V, +5V i -12V potrzebne do zasilania analogowego regulatora prędkości oraz układów kontrolnych. Część wysokonapięciowa jest włączana przez sygnał z komputera, wówczas na jej wyjściach pojawia się +15V zasilające "logikę" sterownika PWM oraz wyprostowane napięcie sieciowe do zasilania wrzeciona. Układ zwraca też sygnał kontrolny "Gotowość", oznaczający zakończenie procedury łagodnego startu części WN.
Wszystkie trzy wyżej opisane moduły są umocowane w lewej burcie maszyny, w przedziale dla układów wysokonapięciowych. Jest on zasłonięty z każdej strony i bez zdjęcia bocznej ścianki nie ma do niego dostępu.
W prawej burcie znajdują się układy niskonapięciowe czyli kontrolery serwomotorów i wrzeciona. Widać je bez zdejmowania osłon więc można łatwo sprawdzić wszystkie kontrolki serwisowe których jest tam całkiem sporo.
Serwokontrolery to trochę udoskonalone układy z elm-chan.org. Między innymi zrobiłem konwerter do komunikacji przez RS-232 jako osobny odłączalny moduł z układem MAX232, jeden dla wszystkich kontrolerów. Widać go na zdjęciu z próbnego uruchomienia osi X. Dodałem też przerzutniki Schmitta na wejściach z enkodera i wyprowadziłem sygnał przeciążenia lub błędu.
Instrukcję strojenia regulatorów oraz wsad do mikrokontrolera wraz z instrukcją wgrywania zamieściłem w załączniku "Programy".
Układy te współpracują z enkoderami z drukarek atramentowych. Są to bardzo fajne elementy gdyż nie wymagają precyzyjnego ustawiania względem tarczy i są bardzo dokładne. Zazwyczaj mają wyjścia w standardzie TTL, ale nie zawsze, stąd dwie wersje schematów. Na płytkach znajdują się proste tranzystorowe nadajniki linii, co w połączeniu z ekranowanymi przewodami YWL-50 zapewnia bardzo dobrą odporność na zakłócenia. Osie X i Z mają enkodery z tarczkami o 892 prążkach natomiast oś Y ma tarczkę z aż 1200 prążkami.
Kontroler wrzeciona to układ złożony z 4 pakietów. Pierwszy z nich to... zegar kwarcowy służący do zliczania minut czasu pracy. Steruje on licznikiem z kserokopiarki znajdującym się w tylnej ściance frezarki. Początkowo mierzył on czas pracy maszyny nawet gdy niczego nie robiła, stąd szybko doszło do 1000 minut. Od początku stycznia 2014 liczony jest tylko czas pracy wrzeciona.
Drugi pakiet jest dyskryminatorem sygnału PWM oraz przetwornikiem PWM na napięcie z zakresu 0...8V. Dzięki dyskryminatorowi przetwornik zaczyna działać tylko po podaniu sygnału zmiennego o częstotliwości wyższej niż 20Hz więc bardzo trudno o przypadkowe uruchomienie wrzeciona.
Pakiet trzeci to analogowy regulator proporcjonalny. Początkowo miał być cały PID, ale okazało się, że sam P w zupełności wystarczy. Dodatkowo zawiera on układ wykrywający nadmierną prędkość obrotową wrzeciona.
Czwarty pakiet to układ nadzorujący. Sprawdza poprawność uruchomienia zasilacza wrzeciona i sygnał informujący o nadmiernej prędkości. Jeśli zasilacz uruchamia się zbyt długo albo wrzeciono kręci zbyt szybko (jedno i drugie możne oznaczać poważną awarię i źle się skończyć) następuje przerwanie obwodu STOP, całkowite zatrzymanie maszyny i zapamiętanie informacji o wykryciu nieprawidłowości w przerzutniku RS. Zerowanie tego przerzutnika następuje dopiero po wyłączeniu frezarki.
Wyjście Y regulatora podłączone jest ekranowanym przewodem do sterownika PWM znajdującego się tuż przy silniku by jak najbardziej ograniczyć emisję zakłóceń.
Proporcjonalnie do tego napięcia (0...10V) zmienia się wypełnienie sygnału wyjściowego a więc i prędkość obrotowa wrzeciona. Sterownik ma dodatkowo układ pomiaru i ograniczania średniego prądu płynącego przez silnik a także sygnalizacji przeciążenia. Poniżej jest schemat sterownika oraz charakterystyka całego układu regulacji (na osi poziomej wypełnienie sygnału PWM w promilach a na pionowej prędkość obrotowa wrzeciona w obrotach na minutę):
Instalacje elektryczne położone są w specjalnych do tego korytkach, obwody mocy i sterowania oddzielnie. Napęd Y zakryłem osłonami zrobionymi z komputerowych obudów.
GOTOWA FREZARKA
Jeszcze z tymczasowym wrzecionem:
Oraz wygląd końcowy:
Wszystkie założenia projektowe zostały spełnione, a nawet jest lepiej niż miało być - maszyna bez problemu frezuje nawet w aluminium!
Widoczny na powyższych zdjęciach jasny blat roboczy z 10mm sklejki można łatwo wymienić na nowy w razie uszkodzenia, wystarczy wykręcić 4 śruby.
DANE TECHNICZNE
układ osi: XYZ
maksymalna prędkość: 1320mm/min
maksymalna siła X, Y, Z: >10kG
obszar roboczy: 308x320x110mm
pozycjonowanie: 10µm/impuls KROK na wszystkich osiach (ustawiane programowo)
największa teoretyczna precyzja: 312nm/impuls KROK dla osi Y, 420nm/impuls KROK dla osi X, Z
zasilanie: 230V~ 50Hz
moc w stanie czuwania: 4W
moc w czasie postoju: 20W
moc przy największym obciążeniu napędów liniowych: 130W
moc wrzeciona: 750W
zakres regulacji prędkości wrzeciona: 800 - 20000obr/min
masa: około 32kg
wymiary: około 640x630x650mm
czas budowy: jakieś 4 miesiące nie licząc przerw; od rozpoczęcia budowy do pierwszego frezowania minęło 14 miesięcy.
Maszyna składa się z mniej więcej 2000 elementów i 50m przewodów. Kosztowała niecałe 400zł oraz dużo czasu
W załączniku "Mozaiki_1" są wzory ścieżek z opisami i schematy dla modułów zasilania oraz napędów posuwu (zasilacz główny, węzeł zasilania, serwokontrolery, płytki enkoderów, interfejsy).
W załączniku "Mozaiki_2" jest taka sama dokumentacja układów sterujących wrzecionem (zasilacz wrzeciona, sterownik PWM, 4 pakiety i płyta bazowa).
Załącznik "Programy" zawiera instrukcję wgrywania wsadów do mikrokontrolerów oraz same wsady. Dodatkowo jest tam instrukcja strojenia regulatora PID w serwokontrolerze.
Cool? Ranking DIY
podziwiam te rysunki robione ołówkiem. Myślałem, że sztuka ręcznego rysowania ołówkiem przy linijce już zanikła, tak jak liczenie na suwaku logarytmicznym 
Przy okazji pytanie. Czy da radę na tym frezować aluminium ?
