Artykuł ten napisałem w 2020 roku, zdjęcia pochodzą zaś z roku 2018. Strona, gdzie był opublikowany już nie istnieje, ale myślę, iż warto, by sam tekst (po drobnych zmianach i dopiskach) przetrwał. Zapraszam do lektury szczerej recenzji frezarki CNC 3018.
Mój ojciec często powtarzał "skąpy dwa razy traci". Rodzina mojej żony zaś używała powiedzenia "biednego nie stać na oszczędzanie". Oboje przekonaliśmy się o tym kupując ten wytwór chińskiej myśli technicznej.
Zakup i unboxing
Postanowiliśmy kupić frezarkę CNC by wykonywać wyroby ze sklejki, takie jak układanki lewopółkulowe, gadżety okolicznościowe, pudełka na biżuterię, a także płytki drukowane (PCB) na potrzeby mojego hobby, jakim jest elektronika. Kupiliśmy tę maszynę, bo wówczas była najtańsza na rynku (około 300 CAD, czyli 1200 PLN) przy formacie z grubsza A4. 3018 w nazwie to wymiary pola roboczego w centymetrach, ale spokojnie można 1-2cm odjąć od nich - taki "chłyt matetingowy", niestety ale działa. Obecnie (ponad trzy lata później) dokładnie ta sama maszyna kosztuje niecałe 150 dolarów, czyli jakieś 610 złotych.
Pierwsze, negatywne wrażenie nastąpiło przy rozpakowywaniu pudła z maszyną, która była w stanie kompletnie rozłożonym. Wszystkie elementy metalowe zostały po prostu zawinięte w starą gazetę, folii bąbelkowej czy styropianu było bardzo mało. Niby ekologicznie, ale jeden z profili miał lekkie wgniecenie, które musiałem ręcznie prostować. Poza tymi elementami zestaw zawierał wszystkie potrzebne śrubki, nakrętki, kątowniki montażowe, kompletny zespół osi Z zrobiony na drukarce 3D, dwa elementy wzmacniające, też z drukarki 3D, sterownik na bazie GRBL, elektrowrzeciono będące zwykłym silnikiem od wkrętarki z najgorszym możliwym uchwytem narzędziowym i dwa zasilacze w stylu "laptopowym", jeden do elektroniki, drugi do elektrowrzeciona. Aha, była też instrukcja, ale taka, że równie dobrze mogłoby jej nie być.
Montaż czyli puzzle 3D dla dorosłych
Składanie tej "frezarki" nie było łatwym zadaniem, gdyż instrukcja w zestawie była kompletnie nieczytelna. Ta, którą znalazłem w internecie nie była wcale dużo lepsza. W ostateczności oparłem się o zdjęcia z aukcji i to, co dało się z instrukcji "wyczytać". Gdyby IKEA miała takie instrukcje, nikt nie miałby w domu mebli, tylko same pudła.
Ramę składałem dwa razy, bo za pierwszym razem zostały mi dwa profile, które nigdzie nie pasowały. Brak odpowiednich nakrętek był dodatkową wisienką na tym torcie chłamu. Cała zabawa zajęła więc prawie trzy godziny, nie licząc jeszcze czasu na precyzyjne doregulowanie każdego elementu, by wszystko było prosto i symetrycznie. Najłatwiej poszedł montaż osi Z, bo ta już była złożona.
Drugą, wielką wadą tej konstrukcji jest sam sposób montażu ramy i elementów poszczególnych osi. Rama w tego typu maszynach jest wykonana z aluminiowych profili z rowkami. Pozwala to na bardzo elastyczne budowanie najróżniejszych konstrukcji, tylko że normalnie do montażu używa się specjalnych nakrętek młoteczkowych (jak na zdjęciu poniżej). Ale to by podniosło cenę skompletowania zestawu o kilka dolarów, więc zamiast tego w zestawie były standardowe nakrętki M5. Oznacza to mniej-więcej tyle, że bardzo ciężko jest przesunąć kątownik montażowy ze śrubą i nakrętką na odpowiednią pozycję w profilu, bo nakrętka co chwilę się klinuje.
Elektronikę zamontowaną na kawałku akrylu umocowałem z boku maszyny, a nie z tyłu, jak rekomendowała instrukcja, by profile usztywniające oś Y znalazły się bliżej siebie wzmacniając całość konstrukcji. Przewody do silników poprowadziłem wewnątrz profili, by nie zostały przypadkiem uszkodzone. Oba zasilacze zawiesiłem na tych profilach z pomocą opasek zaciskowych. Dodałem też własny kabel zasilający i "kostkę" z bezpiecznikiem jako dodatkowe zabezpieczenie.
Uruchomienie tego wyrobu frezarkopodobnego generalnie nie nastręczało problemów. Producent dostarcza nawet jakieś tam oprogramowanie, jak się do niego napisze. Jednak lepiej pobrać program bCNC, który został stworzony z myślą o sterownikach na bazie GRBL. Trzeba też pamiętać o tym, który indywidualny sterownik silnika jest od której osi, instrukcja to akurat pokazuje. Ważne jest, by podłączyć odpowiedni zasilacz do odpowiedniego złącza - pomyłka bez dokonania jednej modyfikacji może spalić przekaźnik załączający elektrowrzeciono. Sterownik ma opcję współpracy z laserem do grawerowania i posiada funkcję regulacji mocy wiązki sygnałem PWM. Projektant płytki nie dodał jednak tej funkcjonalności do sterowania elektrowrzecionem, stąd rozwiązanie z tanim przekaźnikiem
Praca z maszyną
Normalnie w tanich frezarkach CNC stosuje się specjalne uchwyty narzędziowe o oznaczeniu ER11. Ta frezarka jednak była jeszcze tańsza. Zamiast uchwytu narzędziowego jest tu mosiężna tulejka do łączenia osi silnika z narzędziem w rozmiarze trzpienia 3,175mm, albo jak kto woli, 1/8 cala. Próba montażu pierwszego frezu zniszczyła dostarczony w zestawie kluczyk imbusowy, z powodu badziewnej jakości śrubek kłowych. Na szczęście miałem zestaw takich kluczy, co pozwoliło rozpocząć pracę z maszyną i wykonać pierwsze, próbne cięcia. Przez jakieś 15 minut.
Uchwyty ER11 i podobne zostały wymyślone po to, by narzędzie zawsze trzymało się pewnie. By nie miało luzów, nie "biło" na boki i by wibracje nie umożliwiły jego przypadkowego odkręcenia. Mosiężna tulejka i śruby kłowe pod działaniem zmiennej siły bocznej (gdy frez tnie w materiale) nie spełniają tych funkcji. W trakcie pierwszych prób wycięcia pudełeczka w sosnowej desce frez samoistnie się odkręcił, wklinował i zrujnował dotychczasową pracę. Kolejne próby nie były bardziej udane. Jakiekolwiek wibracje i naprężenia boczne luzowały śrubki, w pewnym momencie dwie z nich odkręciły się całkowicie i gdzieś uleciały.
Zastąpiłem je zwykłymi śrubkami pochodzącymi z demontażu zasilacza. Rozwiązanie sprawdziło się o tyle, że frez trzymał się tulei pewnie. Za to tuleja przestała trzymać się pewnie silnika. Wykonałem więc otwór przez oś i umocowałem tulejkę śrubką przechodzącą na wylot przez oś i nakrętką zablokowaną z pomocą "Kropelki". Nawet całość zaokrągliłem lekko dla lepszego wyważenia, co widać na zdjęciu poniżej:
Przy okazji demontażu elektrowrzeciona pojawił się kolejny problem: ponieważ całość była źle zapakowana, łożyska osi Z wycięły w prowadnicach głębokie bruzdy i zarysowania. Same prowadnice nie były w żaden sposób umocowane, i tylko obecność silnika krokowego nad nimi uniemożliwiała im całkowite wypadnięcie z korpusu osi Z. Jednakże mogły wysunąć się z dolnego zagłębienia w korpusie, przez co cała oś traciła swoją sztywność. Podobny problem dotyczył łożysk na końcach śrub trapezowych napędów osi X i Y. W trakcie pracy wypadały z plastikowych podpór wykonanych na drukarce 3D. W obu przypadkach rozwiązaniem okazała się taśma kaptonowa, która pozwoliła umocować kapryśne elementy (w tym nowe prowadnice) "na wcisk".
Powyższa, niezbędna modyfikacja nie rozwiązuje jednak podstawowego problemu tej "frezarki" czyli zbyt niskiej mocy elektrowrzeciona. Problematyczne są też złe parametry pracy samego sterownika GRBL i zbyt słabe silniki krokowe. Sterowniki silników krokowych też mają problemy. Konkretnie to chińskie klony z układem A4988 mają błąd w obwodzie regulacji ograniczenia prądowego - zakres regulacji jest tylko do połowy zakresu potencjometru. Niektórzy też mieli problemy z filtracją napięcia zasilania - ja tego problemu akurat nie miałem.
Przez cały czas używałem określenia "frezarka", bo w swej podstawowej wersji i bez żadnych modyfikacji ta maszyna jest bardziej zabawką do grawerowania i wykonywania płytek drukowanych, a nie frezarką CNC dla hobbysty. Frezować nią drewno można z prędkościami, jakich normalnie używa się do aluminium. Silniki krokowe są za słabe, całość ma za duże luzy, a elektrowrzeciono o mocy 55W jest zwyczajnie bezużytecznym generatorem hałasu. Maszyna wymaga licznych modyfikacji, by się nadawać do frezowania.
Modyfikacje
Elektrowrzeciono i oś Z
Oryginalny zespół osi Z ma za niską sztywność - jak się frez zaklinuje, to cały plastik się wygina nawet o 30 stopni. Pseudowrzeciono też się do niczego nie nadaje, o czym napisałem powyżej. Uchwyt i elektrowrzeciono na zdjęciu poniżej:
W tym przypadku jedyną opcją jest wywalić oryginalne elektrowrzeciono, co wymaga też zmiany uchwytu je trzymającego. Ja zdecydowałem się na użycie multiszlifierki z Biedronki marki Nitteo Tools, i pod nią zaprojektowałem nowy uchwyt. Niestety, pierwszy drukarz 3D skopał sprawę wymiarów i zamiast kółek wyszły owale, za wąskie w jednym kierunku. Montaż i późniejszy demontaż łożysk ślizgowych skończył się połamaniem jednego z nich. Straciłem na tym sto złotych. Drugi drukarz okazał się znacznie bardziej kompetentnym człowiekiem i zrealizował zlecenie wręcz idealnie. Nowy uchwyt nie tylko pasuje do miniszlifierki z Biedronki, ale też do wielu modeli marki Dremel i podobnych.
Miniszlifierka w roli elektrowrzeciona posłużyła aż do sprzedaży maszyny, przy czym się okazało, iż w trakcie użytkowania część uzwojeń na wirniku się przepaliła. Ale czego mógłbym oczekiwać po jakości z Biedronki? Dlatego polecam kupić prawdziwe elektrowrzeciono dedykowane do frezarek CNC.
Zasilanie i sterowniki
Wymiana elektrowrzeciona udostępniła zasilacz 24V do wykorzystania do innych celów. Wykorzystałem go do zasilania sterowników,ponieważ silniki krokowe pracują lepiej na wyższym napięciu zasilania. Rośnie czas narastania prądu w uzwojeniach, co poprawia prędkość silnika. Rośnie też moment obrotowy i mechaniczna moc silnika krokowego. Płytka sterownika wymaga jednak drobnej zmiany - trzeba usunąć diodę D6, która łączy zasilanie sterowników silników krokowych z przekaźnikiem elektrowrzeciona. Inaczej przekaźnik może ulec uszkodzeniu, a tego chciałem uniknąć by zachować płytkę w miarę oryginalnym stanie.
Aha, należy mieć baczenie na kierunek montażu modułów sterowników silników krokowych na płytce sterownika. Moduł czerwony to AA4988, fioletowe zaś to DRV8825. Właściwy sposób jest pokazany poniżej:
Ponadto do płytki dolutowałem dwa gniazda goldpin dla łatwiejszego podłączenia planowanej, ale nie wykonanej płytki-córki z przyciskami sterującymi Start/Pause/Stop. Miał też na niej być wzmacniacz dla piezoelektrycznej sondy (której nie udało mi się wykonać). W planie też były optoizolowane wejścia dla przełączników krańcowych, ale tych też nie dodałem do maszyny, nim ją odsprzedałem.
Kluczowym parametrem silnika krokowego jest jego prąd uzwojenia, jego przekroczenie grozi spaleniem silnika. Nie zawsze da się znaleźć ten parametr, o czym sam się przekonałem. Nawet jak silnik posiada oznaczenie modelu, to nie zawsze da się znaleźć jego notę katalogową. Dlatego czasem trzeba ten parametr odkryć inną metodą.
Najprościej byłoby podzielić napięcie zasilania silnika przez rezystancję uzwojenia - wtedy uzyskamy prąd znamionowy. Ale jeśli silnik jest "fabrycznie" zasilany napięciem wyższym, niż znamionowe, to wynik takiego obliczenia będzie błędny. Ja jednak zacząłem od tej metody.
Jak wspomniałem, sterowniki z A4988 mają błąd ograniczający zakres regulacji prądu. Do tego nie ma żadnego punktu pomiarowego napięcia odniesienia. Ile wynosi to napięcie odniesienia? Obliczamy ze wzoru:
Vref = 8 * Imax * Rsense
Imax to dopuszczalny prąd uzwojenia, Rsense to wartość rezystancji oporników mierzących ten prąd. Są to małe, czarne prostokąty oznaczone na płytce jako S1 i S2. Jeśli na nich jest napisane R100, to Rsense równa się 0,1Ω, R200 oznacza 0,2Ω, R050 zaś to 0,05Ω. Aby dokonać regulacji należy podłączyć sterownik do zasilania i mierzyć napięcie między środkowym pinem potencjometru i masą układu. Można też mierzyć je na pinie 17 układu A4988. Jest to trzeci pin licząc od lewej po tej stronie układu, po której jest potencjometr.
Ja wymieniłem jednak sterowniki na lepsze, DRV8825, które już nie mają problemów z potencjometrami. Oczywiście Chińczycy nie są szczęśliwi, jeśli czego nie skopią. W tym przypadku pole do pomiaru napięcia odniesienia wyeksponowane na płytce jest połączone do złego pinu układu i nie pozwala na pomiar napięcia odniesienia. Ponowie więc trzeba to napięcie mierzyć albo z odpowiedniego pinu potencjometru, albo z pinu 12/13 układu scalonego. Znaleźć je jeszcze łatwiej, to drugi i trzeci pin licząc od prawej stronie układu, gdy po lewej znajduje się kropka oznaczająca pin 1. Napięcie Vref oblicza się ze wzoru:
Vref = 5 * Imax * Rsense
Przy czym wartość Rsense zawsze niemal wynosi 0,1Ω. Przypominam też o właściwym kierunku montażu modułów - odwrotny je spali. Przed pierwszym uruchomieniem trzeba wszystkie potencjometry dla modułów DRV8825 obrócić maksymalnie w prawo - domyślnie napięcie Vref jest ustawione zbyt wysoko, przez co układ może się spalić. Dlatego w moim sterowniku za oś Z nadal odpowiadał moduł na A4988.
Objawem błędnie ustawionego prądu uzwojenia jest albo grzanie się silników (gdy jest za wysoki), albo niski moment obrotowy, co przekłada się na łatwość w zatrzymaniu. Silniki mogą być ciepłe, ale nigdy nie powinny parzyć, zwłaszcza gdy maszyna "stoi".
Ustawianie mikrokroków
Domyślnie sterownik GRBL "frezarki" 3018 jest ustawiony na 16 mikrokroków na krok. Fizycznie typowy silnik krokowy wykonuje 200 kroków na pełen obrót. Tak jest w 3018 na przykład. Typowa śruba trapezowa ma skok 4mm na obrót. Zatem fizycznie silnik musi wykonać 50 kroków by przesunąć oś o 1mm. Sterowniki silników krokowych jednak potrafią te pojedyncze kroki dzielić na mniejsze przez regulację prądu płynącego przez uzwojenia silnika. Dwa mikrokroki na krok oznaczają, że między każdym fizycznym krokiem silnika jest nagle dodatkowa pozycja, czyli nagle silnik mający 200 kroków na obrót zmienia się niejako w silnik o 400 krokach na obrót. Sterownik A4988 pozwala osiągnąć 16 mikrokroków na krok, DRV8825 zaś 32 mikrokroki na krok. Dzięki mikrokrokom silniki pracują płynniej i ciszej, rośnie też teoretycznie precyzja, z jaką można kontrolować pozycję. Przy 2 mikrokrokach na krok i standardowej śrubie trapezowej nagle na 1mm ruchu przypada 100 kroków. Dla 16 mikrokroków na krok potrzeba 800 kroków na milimetr. Super, nie?
Niestety, nie ma czegoś takiego jak darmowy obiad, więc mikrokroki mają też jedną, poważną wadę. We "frezarce" 3018 widać ją bardzo łatwo: zbyt szybkie ruchy albo zbyt twardy materiał, za duża głębokość frezowania, brudne prowadnice czy śruby trapezowe, cokolwiek i maszyna nagle gubi pozycję. Nie robi tego, co powinna tam, gdzie powinna. Silniki w 3018 są zwyczajnie za słabe, i nawet podniesienie napięcia zasilania nie zawsze pomoże. Przyczyną problemu jest fakt, iż mikrokroki redukują tzw. moment inkrementalny silnika, który związany jest z momentem trzymającym.
Moment trzymający silnika krokowego jest to wartość wyrażająca siłę, jaką trzeba włożyć w ruch obrotowy wirnika silnika krokowego, by go wytrącić z zadanej pozycji utrzymywanej przez sterownik. Moment inkrementalny to wartość momentu, z jakim silnik przejdzie do następnej pozycji. Jego zależność od liczby mikrokroków pokazuje poniższa tabela:
Jeśli moment inkrementalny silnika krokowego jest mniejszy niż suma momentu zaczepienia (siła potrzebna by przeskoczyć między krokami, gdy silnik nie jest zasilany), tarcia i momentu obciążenia (siła potrzebna do wykonania mechanicznego ruchu napędu), silnik nie zmieni swojej pozycji. Dopiero jak suma momentów inkrementalnych kilku(-nastu) kolejnych mikrokroków przekroczy tę sumę, silnik wykona ruch. Nie byłoby to problemem, gdyby sterownik mógł mierzyć na bieżąco pozycję silników krokowych, bo wtedy by po prostu dodał tyle kroków, ile potrzeba do jej zmiany. Niestety jednak, w amatorskich maszynach to rozwiązanie jest dość kosztowną rzadkością. Sterownik w tej "frezarce" zakłada z góry, że ruch miał miejsce, i jedyną formą sprzężenia zwrotnego jest montaż przełączników krańcowych na końcach osi.
Rekomenduję zmienić liczbę mikrokroków na 1/8 na dobry początek. Typowe, tanie silniki krokowe są zbudowane tak, by dobrze współpracować z taką liczbą mikrokroków na krok. Jeśli jednak silniki nadal będą gubić pozycję, warto liczbę mikrokroków jeszcze zmniejszyć. Robi się to z pomocą trzech zworek znajdujących się pod modułami sterowników silników krokowych. Licząc od strony gniazd silników są to zworki M2, M1 i M0. Poniższe tabele opisują konfigurację zworek zarówno dla A4988, jak i DRV8825.
Dla A4988:
Dla DRV8825:
Konfiguracja GRBL
Po kompletny opis konfiguracji GRBL odsyłam do dokumentacji. Supię się tylko na trzech parametrach, które trzeba zmienić.
$100, $101 i $102 – [X,Y,Z] Kroki/mm
Wartość tego parametru obliczymy wg. wzoru k = 50*m, gdzie k to wynik, a m to liczba mikrokroków na krok. Przy konfiguracji polecanej przez mnie można zatem ustawić to tak:
$100=400
$101=400
$102=400
$110, $111 i $112 – [X,Y,Z] Maksymalny posuw, mm/min
Ten parametr domyślnie w 3018 jest dramatycznie zawyżony, przynajmniej w mojej opinii. Najprościej można sprawdzić jego maksymalną wartość przyjmując jakąś liczbę i wydając maszynie polecenie by pokonała prawie maksymalną długość osi w obu kierunkach. Jeśli zaczniemy od pozycji zerowej, a maszyna albo do niej nie wróci, albo wróci, ale silnik będzie jeszcze pracował, to znaczy że ten parametr jest za wysoki. Robimy ten test tylko dla osi X i Y, przyjmując wartość osi Z na poziomie 1/2-2/3 wartości dla osi X lub Y. Ja bym zaczął od wartości:
$110=800
$111=800
$112=500
$120, $121 i $122 – [X,Y,Z] Przyspieszenie, mm/s^2
Ten parametr określa maksymalny przyrost prędkości w trakcie ruchu. Domyślne wartości to 45mm/s^2 dla osi X i Y oraz 48mm/s^2. Jeśli wszystko inne działa poprawnie, to można podnieść je do 80mm/s^2 dla osi X i Y oraz 100mm/s^2 dla osi Z.
Jeśli maszyna będzie gubić pozycję, to należy powyższe parametry zredukować, a nawet rozważyć zmniejszenie liczby mikrokroków na krok.
Podsumowanie
Czy zatem lepiej trzymać się od tego badziewia jak najdalej? Uczciwie napiszę, że nie - to jest dobra maszyna do nauki, bo łatwo jest ją zmodyfikować i ulepszyć. Nadaje się do grawerowania płytek drukowanych, bo tam i tak prędkości posuwu są niskie. Grawerowanie laserem (trzeba dokupić oddzielnie) też powinno być wystarczająco dobrej jakości dla amatora. Ale trzeba założyć konieczność doinwestowania, bo 3018 cudem nie jest. Obecne wersje wyglądają trochę lepiej, ale nadal dzielą z oryginałem liczne wady i niedoróbki. Ale do poważniejszej pracy "produkcyjnej" 3018 się nie nadaje.
W załącznikach dwie paczki materiałów od chińskich producentów tej maszyny oraz plik .STEP mojej modyfikacji osi Z.
Są tu posiadacze tej "bestii"? Jeśli tak, to podzielcie się doświadczeniami. Zapraszam też posiadaczy innych frezarek CNC do dyskusji.
Mój ojciec często powtarzał "skąpy dwa razy traci". Rodzina mojej żony zaś używała powiedzenia "biednego nie stać na oszczędzanie". Oboje przekonaliśmy się o tym kupując ten wytwór chińskiej myśli technicznej.
Zakup i unboxing
Postanowiliśmy kupić frezarkę CNC by wykonywać wyroby ze sklejki, takie jak układanki lewopółkulowe, gadżety okolicznościowe, pudełka na biżuterię, a także płytki drukowane (PCB) na potrzeby mojego hobby, jakim jest elektronika. Kupiliśmy tę maszynę, bo wówczas była najtańsza na rynku (około 300 CAD, czyli 1200 PLN) przy formacie z grubsza A4. 3018 w nazwie to wymiary pola roboczego w centymetrach, ale spokojnie można 1-2cm odjąć od nich - taki "chłyt matetingowy", niestety ale działa. Obecnie (ponad trzy lata później) dokładnie ta sama maszyna kosztuje niecałe 150 dolarów, czyli jakieś 610 złotych.
Pierwsze, negatywne wrażenie nastąpiło przy rozpakowywaniu pudła z maszyną, która była w stanie kompletnie rozłożonym. Wszystkie elementy metalowe zostały po prostu zawinięte w starą gazetę, folii bąbelkowej czy styropianu było bardzo mało. Niby ekologicznie, ale jeden z profili miał lekkie wgniecenie, które musiałem ręcznie prostować. Poza tymi elementami zestaw zawierał wszystkie potrzebne śrubki, nakrętki, kątowniki montażowe, kompletny zespół osi Z zrobiony na drukarce 3D, dwa elementy wzmacniające, też z drukarki 3D, sterownik na bazie GRBL, elektrowrzeciono będące zwykłym silnikiem od wkrętarki z najgorszym możliwym uchwytem narzędziowym i dwa zasilacze w stylu "laptopowym", jeden do elektroniki, drugi do elektrowrzeciona. Aha, była też instrukcja, ale taka, że równie dobrze mogłoby jej nie być.
Montaż czyli puzzle 3D dla dorosłych
Składanie tej "frezarki" nie było łatwym zadaniem, gdyż instrukcja w zestawie była kompletnie nieczytelna. Ta, którą znalazłem w internecie nie była wcale dużo lepsza. W ostateczności oparłem się o zdjęcia z aukcji i to, co dało się z instrukcji "wyczytać". Gdyby IKEA miała takie instrukcje, nikt nie miałby w domu mebli, tylko same pudła.
Ramę składałem dwa razy, bo za pierwszym razem zostały mi dwa profile, które nigdzie nie pasowały. Brak odpowiednich nakrętek był dodatkową wisienką na tym torcie chłamu. Cała zabawa zajęła więc prawie trzy godziny, nie licząc jeszcze czasu na precyzyjne doregulowanie każdego elementu, by wszystko było prosto i symetrycznie. Najłatwiej poszedł montaż osi Z, bo ta już była złożona.
Drugą, wielką wadą tej konstrukcji jest sam sposób montażu ramy i elementów poszczególnych osi. Rama w tego typu maszynach jest wykonana z aluminiowych profili z rowkami. Pozwala to na bardzo elastyczne budowanie najróżniejszych konstrukcji, tylko że normalnie do montażu używa się specjalnych nakrętek młoteczkowych (jak na zdjęciu poniżej). Ale to by podniosło cenę skompletowania zestawu o kilka dolarów, więc zamiast tego w zestawie były standardowe nakrętki M5. Oznacza to mniej-więcej tyle, że bardzo ciężko jest przesunąć kątownik montażowy ze śrubą i nakrętką na odpowiednią pozycję w profilu, bo nakrętka co chwilę się klinuje.
Elektronikę zamontowaną na kawałku akrylu umocowałem z boku maszyny, a nie z tyłu, jak rekomendowała instrukcja, by profile usztywniające oś Y znalazły się bliżej siebie wzmacniając całość konstrukcji. Przewody do silników poprowadziłem wewnątrz profili, by nie zostały przypadkiem uszkodzone. Oba zasilacze zawiesiłem na tych profilach z pomocą opasek zaciskowych. Dodałem też własny kabel zasilający i "kostkę" z bezpiecznikiem jako dodatkowe zabezpieczenie.
Uruchomienie tego wyrobu frezarkopodobnego generalnie nie nastręczało problemów. Producent dostarcza nawet jakieś tam oprogramowanie, jak się do niego napisze. Jednak lepiej pobrać program bCNC, który został stworzony z myślą o sterownikach na bazie GRBL. Trzeba też pamiętać o tym, który indywidualny sterownik silnika jest od której osi, instrukcja to akurat pokazuje. Ważne jest, by podłączyć odpowiedni zasilacz do odpowiedniego złącza - pomyłka bez dokonania jednej modyfikacji może spalić przekaźnik załączający elektrowrzeciono. Sterownik ma opcję współpracy z laserem do grawerowania i posiada funkcję regulacji mocy wiązki sygnałem PWM. Projektant płytki nie dodał jednak tej funkcjonalności do sterowania elektrowrzecionem, stąd rozwiązanie z tanim przekaźnikiem
Praca z maszyną
Normalnie w tanich frezarkach CNC stosuje się specjalne uchwyty narzędziowe o oznaczeniu ER11. Ta frezarka jednak była jeszcze tańsza. Zamiast uchwytu narzędziowego jest tu mosiężna tulejka do łączenia osi silnika z narzędziem w rozmiarze trzpienia 3,175mm, albo jak kto woli, 1/8 cala. Próba montażu pierwszego frezu zniszczyła dostarczony w zestawie kluczyk imbusowy, z powodu badziewnej jakości śrubek kłowych. Na szczęście miałem zestaw takich kluczy, co pozwoliło rozpocząć pracę z maszyną i wykonać pierwsze, próbne cięcia. Przez jakieś 15 minut.
Uchwyty ER11 i podobne zostały wymyślone po to, by narzędzie zawsze trzymało się pewnie. By nie miało luzów, nie "biło" na boki i by wibracje nie umożliwiły jego przypadkowego odkręcenia. Mosiężna tulejka i śruby kłowe pod działaniem zmiennej siły bocznej (gdy frez tnie w materiale) nie spełniają tych funkcji. W trakcie pierwszych prób wycięcia pudełeczka w sosnowej desce frez samoistnie się odkręcił, wklinował i zrujnował dotychczasową pracę. Kolejne próby nie były bardziej udane. Jakiekolwiek wibracje i naprężenia boczne luzowały śrubki, w pewnym momencie dwie z nich odkręciły się całkowicie i gdzieś uleciały.
Zastąpiłem je zwykłymi śrubkami pochodzącymi z demontażu zasilacza. Rozwiązanie sprawdziło się o tyle, że frez trzymał się tulei pewnie. Za to tuleja przestała trzymać się pewnie silnika. Wykonałem więc otwór przez oś i umocowałem tulejkę śrubką przechodzącą na wylot przez oś i nakrętką zablokowaną z pomocą "Kropelki". Nawet całość zaokrągliłem lekko dla lepszego wyważenia, co widać na zdjęciu poniżej:
Przy okazji demontażu elektrowrzeciona pojawił się kolejny problem: ponieważ całość była źle zapakowana, łożyska osi Z wycięły w prowadnicach głębokie bruzdy i zarysowania. Same prowadnice nie były w żaden sposób umocowane, i tylko obecność silnika krokowego nad nimi uniemożliwiała im całkowite wypadnięcie z korpusu osi Z. Jednakże mogły wysunąć się z dolnego zagłębienia w korpusie, przez co cała oś traciła swoją sztywność. Podobny problem dotyczył łożysk na końcach śrub trapezowych napędów osi X i Y. W trakcie pracy wypadały z plastikowych podpór wykonanych na drukarce 3D. W obu przypadkach rozwiązaniem okazała się taśma kaptonowa, która pozwoliła umocować kapryśne elementy (w tym nowe prowadnice) "na wcisk".
Powyższa, niezbędna modyfikacja nie rozwiązuje jednak podstawowego problemu tej "frezarki" czyli zbyt niskiej mocy elektrowrzeciona. Problematyczne są też złe parametry pracy samego sterownika GRBL i zbyt słabe silniki krokowe. Sterowniki silników krokowych też mają problemy. Konkretnie to chińskie klony z układem A4988 mają błąd w obwodzie regulacji ograniczenia prądowego - zakres regulacji jest tylko do połowy zakresu potencjometru. Niektórzy też mieli problemy z filtracją napięcia zasilania - ja tego problemu akurat nie miałem.
Przez cały czas używałem określenia "frezarka", bo w swej podstawowej wersji i bez żadnych modyfikacji ta maszyna jest bardziej zabawką do grawerowania i wykonywania płytek drukowanych, a nie frezarką CNC dla hobbysty. Frezować nią drewno można z prędkościami, jakich normalnie używa się do aluminium. Silniki krokowe są za słabe, całość ma za duże luzy, a elektrowrzeciono o mocy 55W jest zwyczajnie bezużytecznym generatorem hałasu. Maszyna wymaga licznych modyfikacji, by się nadawać do frezowania.
Modyfikacje
Elektrowrzeciono i oś Z
Oryginalny zespół osi Z ma za niską sztywność - jak się frez zaklinuje, to cały plastik się wygina nawet o 30 stopni. Pseudowrzeciono też się do niczego nie nadaje, o czym napisałem powyżej. Uchwyt i elektrowrzeciono na zdjęciu poniżej:
W tym przypadku jedyną opcją jest wywalić oryginalne elektrowrzeciono, co wymaga też zmiany uchwytu je trzymającego. Ja zdecydowałem się na użycie multiszlifierki z Biedronki marki Nitteo Tools, i pod nią zaprojektowałem nowy uchwyt. Niestety, pierwszy drukarz 3D skopał sprawę wymiarów i zamiast kółek wyszły owale, za wąskie w jednym kierunku. Montaż i późniejszy demontaż łożysk ślizgowych skończył się połamaniem jednego z nich. Straciłem na tym sto złotych. Drugi drukarz okazał się znacznie bardziej kompetentnym człowiekiem i zrealizował zlecenie wręcz idealnie. Nowy uchwyt nie tylko pasuje do miniszlifierki z Biedronki, ale też do wielu modeli marki Dremel i podobnych.
Miniszlifierka w roli elektrowrzeciona posłużyła aż do sprzedaży maszyny, przy czym się okazało, iż w trakcie użytkowania część uzwojeń na wirniku się przepaliła. Ale czego mógłbym oczekiwać po jakości z Biedronki? Dlatego polecam kupić prawdziwe elektrowrzeciono dedykowane do frezarek CNC.
Zasilanie i sterowniki
Wymiana elektrowrzeciona udostępniła zasilacz 24V do wykorzystania do innych celów. Wykorzystałem go do zasilania sterowników,ponieważ silniki krokowe pracują lepiej na wyższym napięciu zasilania. Rośnie czas narastania prądu w uzwojeniach, co poprawia prędkość silnika. Rośnie też moment obrotowy i mechaniczna moc silnika krokowego. Płytka sterownika wymaga jednak drobnej zmiany - trzeba usunąć diodę D6, która łączy zasilanie sterowników silników krokowych z przekaźnikiem elektrowrzeciona. Inaczej przekaźnik może ulec uszkodzeniu, a tego chciałem uniknąć by zachować płytkę w miarę oryginalnym stanie.
Aha, należy mieć baczenie na kierunek montażu modułów sterowników silników krokowych na płytce sterownika. Moduł czerwony to AA4988, fioletowe zaś to DRV8825. Właściwy sposób jest pokazany poniżej:
Ponadto do płytki dolutowałem dwa gniazda goldpin dla łatwiejszego podłączenia planowanej, ale nie wykonanej płytki-córki z przyciskami sterującymi Start/Pause/Stop. Miał też na niej być wzmacniacz dla piezoelektrycznej sondy (której nie udało mi się wykonać). W planie też były optoizolowane wejścia dla przełączników krańcowych, ale tych też nie dodałem do maszyny, nim ją odsprzedałem.
Kluczowym parametrem silnika krokowego jest jego prąd uzwojenia, jego przekroczenie grozi spaleniem silnika. Nie zawsze da się znaleźć ten parametr, o czym sam się przekonałem. Nawet jak silnik posiada oznaczenie modelu, to nie zawsze da się znaleźć jego notę katalogową. Dlatego czasem trzeba ten parametr odkryć inną metodą.
Najprościej byłoby podzielić napięcie zasilania silnika przez rezystancję uzwojenia - wtedy uzyskamy prąd znamionowy. Ale jeśli silnik jest "fabrycznie" zasilany napięciem wyższym, niż znamionowe, to wynik takiego obliczenia będzie błędny. Ja jednak zacząłem od tej metody.
Jak wspomniałem, sterowniki z A4988 mają błąd ograniczający zakres regulacji prądu. Do tego nie ma żadnego punktu pomiarowego napięcia odniesienia. Ile wynosi to napięcie odniesienia? Obliczamy ze wzoru:
Vref = 8 * Imax * Rsense
Imax to dopuszczalny prąd uzwojenia, Rsense to wartość rezystancji oporników mierzących ten prąd. Są to małe, czarne prostokąty oznaczone na płytce jako S1 i S2. Jeśli na nich jest napisane R100, to Rsense równa się 0,1Ω, R200 oznacza 0,2Ω, R050 zaś to 0,05Ω. Aby dokonać regulacji należy podłączyć sterownik do zasilania i mierzyć napięcie między środkowym pinem potencjometru i masą układu. Można też mierzyć je na pinie 17 układu A4988. Jest to trzeci pin licząc od lewej po tej stronie układu, po której jest potencjometr.
Ja wymieniłem jednak sterowniki na lepsze, DRV8825, które już nie mają problemów z potencjometrami. Oczywiście Chińczycy nie są szczęśliwi, jeśli czego nie skopią. W tym przypadku pole do pomiaru napięcia odniesienia wyeksponowane na płytce jest połączone do złego pinu układu i nie pozwala na pomiar napięcia odniesienia. Ponowie więc trzeba to napięcie mierzyć albo z odpowiedniego pinu potencjometru, albo z pinu 12/13 układu scalonego. Znaleźć je jeszcze łatwiej, to drugi i trzeci pin licząc od prawej stronie układu, gdy po lewej znajduje się kropka oznaczająca pin 1. Napięcie Vref oblicza się ze wzoru:
Vref = 5 * Imax * Rsense
Przy czym wartość Rsense zawsze niemal wynosi 0,1Ω. Przypominam też o właściwym kierunku montażu modułów - odwrotny je spali. Przed pierwszym uruchomieniem trzeba wszystkie potencjometry dla modułów DRV8825 obrócić maksymalnie w prawo - domyślnie napięcie Vref jest ustawione zbyt wysoko, przez co układ może się spalić. Dlatego w moim sterowniku za oś Z nadal odpowiadał moduł na A4988.
Objawem błędnie ustawionego prądu uzwojenia jest albo grzanie się silników (gdy jest za wysoki), albo niski moment obrotowy, co przekłada się na łatwość w zatrzymaniu. Silniki mogą być ciepłe, ale nigdy nie powinny parzyć, zwłaszcza gdy maszyna "stoi".
Ustawianie mikrokroków
Domyślnie sterownik GRBL "frezarki" 3018 jest ustawiony na 16 mikrokroków na krok. Fizycznie typowy silnik krokowy wykonuje 200 kroków na pełen obrót. Tak jest w 3018 na przykład. Typowa śruba trapezowa ma skok 4mm na obrót. Zatem fizycznie silnik musi wykonać 50 kroków by przesunąć oś o 1mm. Sterowniki silników krokowych jednak potrafią te pojedyncze kroki dzielić na mniejsze przez regulację prądu płynącego przez uzwojenia silnika. Dwa mikrokroki na krok oznaczają, że między każdym fizycznym krokiem silnika jest nagle dodatkowa pozycja, czyli nagle silnik mający 200 kroków na obrót zmienia się niejako w silnik o 400 krokach na obrót. Sterownik A4988 pozwala osiągnąć 16 mikrokroków na krok, DRV8825 zaś 32 mikrokroki na krok. Dzięki mikrokrokom silniki pracują płynniej i ciszej, rośnie też teoretycznie precyzja, z jaką można kontrolować pozycję. Przy 2 mikrokrokach na krok i standardowej śrubie trapezowej nagle na 1mm ruchu przypada 100 kroków. Dla 16 mikrokroków na krok potrzeba 800 kroków na milimetr. Super, nie?
Niestety, nie ma czegoś takiego jak darmowy obiad, więc mikrokroki mają też jedną, poważną wadę. We "frezarce" 3018 widać ją bardzo łatwo: zbyt szybkie ruchy albo zbyt twardy materiał, za duża głębokość frezowania, brudne prowadnice czy śruby trapezowe, cokolwiek i maszyna nagle gubi pozycję. Nie robi tego, co powinna tam, gdzie powinna. Silniki w 3018 są zwyczajnie za słabe, i nawet podniesienie napięcia zasilania nie zawsze pomoże. Przyczyną problemu jest fakt, iż mikrokroki redukują tzw. moment inkrementalny silnika, który związany jest z momentem trzymającym.
Moment trzymający silnika krokowego jest to wartość wyrażająca siłę, jaką trzeba włożyć w ruch obrotowy wirnika silnika krokowego, by go wytrącić z zadanej pozycji utrzymywanej przez sterownik. Moment inkrementalny to wartość momentu, z jakim silnik przejdzie do następnej pozycji. Jego zależność od liczby mikrokroków pokazuje poniższa tabela:
| Liczba mikrokroków na krok | Procent momentu trzymającego na krok | 1 | 100.00% | 2 | 70.71% | 4 | 38.27% | 8 | 19.51% | 16 | 9.80% | 32 | 4.91% | 64 | 2.45% | 128 | 1.23% | 256 | 0.61% |
Jeśli moment inkrementalny silnika krokowego jest mniejszy niż suma momentu zaczepienia (siła potrzebna by przeskoczyć między krokami, gdy silnik nie jest zasilany), tarcia i momentu obciążenia (siła potrzebna do wykonania mechanicznego ruchu napędu), silnik nie zmieni swojej pozycji. Dopiero jak suma momentów inkrementalnych kilku(-nastu) kolejnych mikrokroków przekroczy tę sumę, silnik wykona ruch. Nie byłoby to problemem, gdyby sterownik mógł mierzyć na bieżąco pozycję silników krokowych, bo wtedy by po prostu dodał tyle kroków, ile potrzeba do jej zmiany. Niestety jednak, w amatorskich maszynach to rozwiązanie jest dość kosztowną rzadkością. Sterownik w tej "frezarce" zakłada z góry, że ruch miał miejsce, i jedyną formą sprzężenia zwrotnego jest montaż przełączników krańcowych na końcach osi.
Rekomenduję zmienić liczbę mikrokroków na 1/8 na dobry początek. Typowe, tanie silniki krokowe są zbudowane tak, by dobrze współpracować z taką liczbą mikrokroków na krok. Jeśli jednak silniki nadal będą gubić pozycję, warto liczbę mikrokroków jeszcze zmniejszyć. Robi się to z pomocą trzech zworek znajdujących się pod modułami sterowników silników krokowych. Licząc od strony gniazd silników są to zworki M2, M1 i M0. Poniższe tabele opisują konfigurację zworek zarówno dla A4988, jak i DRV8825.
Dla A4988:
| M0 | M1 | M2 | Mikrokroki | 0 | 0 | 0 | 1/1 | 1 | 0 | 0 | 1/2 | 0 | 1 | 0 | 1/4 | 1 | 1 | 0 | 1/8 | 1 | 1 | 1 | 1/16 |
Dla DRV8825:
| M0 | M1 | M2 | Mikrokroki | 0 | 0 | 0 | 1/1 | 1 | 0 | 0 | 1/2 | 0 | 1 | 0 | 1/4 | 1 | 1 | 0 | 1/8 | 0 | 0 | 1 | 1/16 | 1 | 0 | 1 | 1/32 | 0 | 1 | 1 | 1/32 | 1 | 1 | 1 | 1/32 |
Konfiguracja GRBL
Po kompletny opis konfiguracji GRBL odsyłam do dokumentacji. Supię się tylko na trzech parametrach, które trzeba zmienić.
$100, $101 i $102 – [X,Y,Z] Kroki/mm
Wartość tego parametru obliczymy wg. wzoru k = 50*m, gdzie k to wynik, a m to liczba mikrokroków na krok. Przy konfiguracji polecanej przez mnie można zatem ustawić to tak:
$100=400
$101=400
$102=400
$110, $111 i $112 – [X,Y,Z] Maksymalny posuw, mm/min
Ten parametr domyślnie w 3018 jest dramatycznie zawyżony, przynajmniej w mojej opinii. Najprościej można sprawdzić jego maksymalną wartość przyjmując jakąś liczbę i wydając maszynie polecenie by pokonała prawie maksymalną długość osi w obu kierunkach. Jeśli zaczniemy od pozycji zerowej, a maszyna albo do niej nie wróci, albo wróci, ale silnik będzie jeszcze pracował, to znaczy że ten parametr jest za wysoki. Robimy ten test tylko dla osi X i Y, przyjmując wartość osi Z na poziomie 1/2-2/3 wartości dla osi X lub Y. Ja bym zaczął od wartości:
$110=800
$111=800
$112=500
$120, $121 i $122 – [X,Y,Z] Przyspieszenie, mm/s^2
Ten parametr określa maksymalny przyrost prędkości w trakcie ruchu. Domyślne wartości to 45mm/s^2 dla osi X i Y oraz 48mm/s^2. Jeśli wszystko inne działa poprawnie, to można podnieść je do 80mm/s^2 dla osi X i Y oraz 100mm/s^2 dla osi Z.
Jeśli maszyna będzie gubić pozycję, to należy powyższe parametry zredukować, a nawet rozważyć zmniejszenie liczby mikrokroków na krok.
Podsumowanie
Czy zatem lepiej trzymać się od tego badziewia jak najdalej? Uczciwie napiszę, że nie - to jest dobra maszyna do nauki, bo łatwo jest ją zmodyfikować i ulepszyć. Nadaje się do grawerowania płytek drukowanych, bo tam i tak prędkości posuwu są niskie. Grawerowanie laserem (trzeba dokupić oddzielnie) też powinno być wystarczająco dobrej jakości dla amatora. Ale trzeba założyć konieczność doinwestowania, bo 3018 cudem nie jest. Obecne wersje wyglądają trochę lepiej, ale nadal dzielą z oryginałem liczne wady i niedoróbki. Ale do poważniejszej pracy "produkcyjnej" 3018 się nie nadaje.
W załącznikach dwie paczki materiałów od chińskich producentów tej maszyny oraz plik .STEP mojej modyfikacji osi Z.
Są tu posiadacze tej "bestii"? Jeśli tak, to podzielcie się doświadczeniami. Zapraszam też posiadaczy innych frezarek CNC do dyskusji.
Fajne? Ranking DIY
