DIY: CNC Milling Machine

[Allanon]

• 

La decisione è stata presa, mi cimenterò, con la dovuta calma che richiede il progetto, nella costruzione di una CNC milling machine a tre assi. Mi piacerebbe che il progetto fosse discusso assieme a chi di voi è interessato per renderlo un po' figlio della comunità di NSA e disponibile ad altri che lo volessero realizzare. In questo settore sono niubbissimo perciò se espongo minchiate siete pregati di farmelo notare 

Dopo aver riflettuto un pò e dovpo aver visto svariati video e progetti amatoriali (raccogliendo materiale) ho tirato giù una lista di caratteristiche che "il coso" dovrà avere.

Dimensioni
Pensavo ad un piano di lavoro abbastanza ampio, diciamo un 30x50x15cm (x, y, z).

Finalità
Lavorazione di legno, plastica, plexiglass, alluminio, pietra (?)

Caratteristiche opzionali
Materiale di scarto: aspirazione (polvere) e soffiaggio (trucioli)
Raffreddamento: forse per la pietra con acqua, per il resto (compreso l'alluminio) sembra che non serva alcun raffreddamento (devo indagare ulteriormente).

Assi
Tre assi, X, Y e Z.

Considerazioni sul progetto
Per la lavorazione del metallo serve una certa rigidità nella struttura, nella mia niubbaggine totale, e dopo aver visto decine di progetti amatoriali, avevo pensato di strutturare la macchina con un piano fisso di lavoro ed un ponte mobile in grado di spostarsi lungo tutti e tre gli assi previsti. Molti progetti che ho visto fanno muovere il tavolo sull'asse Y e la fresa è posta su un ponte che si occupa dello spostamento sugli altri due assi (X e Z). Io vorrei far muovere il ponte anche lungo l'asse Y per avere meno ingombro possibile e per permettermi in futuro di sostituire il tavolo con un altro asse... o una base basculante... vedremo... comunque lasciando libero il tavolo mi lascio aperta la possibilità di espandere l'attrezzo in futuro senza stravolgere il progetto.
Per far muovere il ponte sull'asse Y e il tool sull'asse X avevo pensato di utilizzare due guide laterali (due perni), poi per la trazione ho dei dubbi:
- Quasi tutti usano una vite senza fine collegata direttamente ai motori stepper (sembra si ottenga una buona precisione)
- Ho visto altri che hanno un ingranaggio sul motore che batte su una guida dentata (forse è meno precisa)
- Io avevo una mezza idea di usare la vite senza fine ma con un riduttore sul motore (da decidere) per aumentarne la risoluzione di spostamento: è una minchiata?

Per ora stop, tocca a voi 

[Z80Fan]

• 

Molti sistemi amatoriali, sopratutto per le stampanti 3D, usano delle cinghie dentate di gomma per muovere i carrelli; a me non piacciono, secondo me l'idea della vite è migliore.

Non credo mettere il riduttore sia una brutta idea, aumenti la risoluzione e la coppia a discapito della velocità massima; l'unica cosa che credo è che se il riduttore è fatto un po' "a caso", potrebbe avere troppo gioco tra gli ingranaggi e peggiorare la precisione (la vite senza fine potrebbe "vibrare" anche se il motore è fermo).

Per muovere il carrello sull'asse X (che penso sia l'asse più diretto, ovvero quello che muove direttamente il carrello con il tool), basta una singola vite senza fine. Per gli altri due (Y, Z) è un po' più complesso, perchè se lo metti da un solo lato poi quell'altro lato è senza un sostegno (corre solo su binari). L'asse Y non è così critico, perchè puoi sempre costruire una struttura sotto il piano di lavoro, con una singola vite senza fine che comanda il ponte (praticamente il ponte dove è montato lo strumento è un quadrato vuoto al centro, con il lato inferiore che passa sotto il piano di lavoro e al centro di questo passa la vite senza fine per l'asse Y); il ponte ovviamente sarà anche supportato da due binari ai lati.

L'asse Z (quello che muove in verticale) è quello più rognoso, perchè devi per forza mettere il motore solo da un lato. Una soluzione è portare la forza del motore dall'altro lato con una cinghia dentata, però ovviamente bisogna ben tararla e stare attenti che non si molli o si distenda.

Un'altra soluzione potrebbe essere fare il ponte più alto possibile, e poi mettere l'asse Z come ultimo asse, ovvero quello che comanda lo strumento: l'asse X sposta un carrellino dove c'è il motore dell'asse Z, e il motore dell'asse Z fa salire/scendere il tool su una sua guida mobile (qui è un po' il contrario degli altri assi: invece che avere i binari fermi e delle rotelline mobili, le rotelline son fisse e i binari salgono/scendono col tool).

In quest'ultima soluzione sei sicuro che ogni cosa è comandata direttamente da una vite comandata direttamente da un sol motore, però hai altri problemi: prima di tutto il ponte sta sempre alla massima altezza, quindi devi creare una base più robusta per impedire che oscilli, in più i binari del carrellino finale, quando il tool è alla massima altezza, escono dalla parte superiore della macchina effettivamente raddoppiando l'altezza necessaria durante l'operazione.

Vedi te quale soluzione preferisci e poi possiamo fare un disegno 3D.

[Allanon]

• 

@legacy
...ma per caso hai cancellato un post? Ricordo un post un po' lunghetto subito dopo quello di Z80Fan... o forse sto sbroccando visto che sono due notti che non dormo... 

Ad ogni modo anch'io ho fra i requisiti un budget ridottissimo e ove possibile recuperando materiali qua e la, credo che sia una bella sfida e un ottimo viaggio didattico poter realizzare un aggeggio del genere 

Molti sistemi amatoriali, sopratutto per le stampanti 3D, usano delle cinghie dentate di gomma per muovere i carrelli; a me non piacciono, secondo me l'idea della vite è migliore.

Anche a me come soluzione piace di più anche perchè le cinghie possono allentarsi e deformarsi molto più facilmente di un perno di ferro.

Non credo mettere il riduttore sia una brutta idea, aumenti la risoluzione e la coppia a discapito della velocità massima; l'unica cosa che credo è che se il riduttore è fatto un po' "a caso", potrebbe avere troppo gioco tra gli ingranaggi e peggiorare la precisione (la vite senza fine potrebbe "vibrare" anche se il motore è fermo).

Ma io non voglio farlo a caso! Invece di una coppia di ingranaggi si potrebbe usare una coppia conica oppure una vite senza fine sul motore che muove un ingranaggio agganciato alla vite senza che si occupa della trazione di uno degli assi. Com'è questa cosa della vibrazione a motore fermo?

Un'altra soluzione potrebbe essere fare il ponte più alto possibile, e poi mettere l'asse Z come ultimo asse, ovvero quello che comanda lo strumento: l'asse X sposta un carrellino dove c'è il motore dell'asse Z, e il motore dell'asse Z fa salire/scendere il tool su una sua guida mobile (qui è un po' il contrario degli altri assi: invece che avere i binari fermi e delle rotelline mobili, le rotelline son fisse e i binari salgono/scendono col tool).

Questa soluzione mi piace ma non ho capito perchè i binari devono spostarsi, non si può usare lo stesso sistema degli altri due assi?

Allego una bozza di idea, tanto per accompagnare le parole da qualcosa di visivo, i disegno sono sproporzionati è solo uno schizzo

[Z80Fan]

• 

Ma io non voglio farlo a caso!

Beh, si spera!
Quel che intendevo dire io è attenzione a riduttori off-the-shelf che potrebbero non essere all'altezza del compito richiesto.

Com'è questa cosa della vibrazione a motore fermo?

L'asse in uscita potrebbe avere un gioco di qualche frazione di grado rispetto all'asse del motore, ovvero se consideri il caso più semplice di un ingranaggio sull'asse motore collegato a un ingranaggio sulla vite senza fine, per il semplice fatto che i denti degli ingranaggi non sono perfetti, anche se l'asse del motore è assolutamente fermo, la vite senza fine può essere fatta girare di quei pochi gradi (ad esempio con la mano).

In un sistema di precisione come questo ciò non è accettabile, o per lo meno bisogna che il gioco sia inferiore della precisione di posizionamento del servomotore.
Per questo attenzione a cosa usi!

Questa soluzione mi piace ma non ho capito perchè i binari devono spostarsi, non si può usare lo stesso sistema degli altri due assi?

Perchè i binari altrimenti sarebbero proprio al centro della zona di lavoro! Se provi a pensarci un po' vedrai il perchè.
Ora non ho tempo di fare un disegno, però considera che nel tuo disegno non hai considerato proprio benebene l'asse Z (a meno che con asse Z tu non consideri solo variazioni di pochi centimetri, che forse è quello che intendi fare; io pensavo più a una cosa in stile stampante 3D con la zona di lavoro che è un cubo).

[Allanon]

• 

Capito il discorso della vibrazione... allora forse sarebbe più opportuno usare una cinghia dentata e opportuni tendi-cinghia?

Per l'asse Z avevo in mente massimo una quindicina di centimetri... troppo pochi? Il disegno è solo un primo tentativo di buttare su carta un'idea ed iniziare a ragionarci sopra, da un profano del settore come me sicuramente di quello schizzo non rimarra neanche un pixel 

[Z80Fan]

• 

Capito il discorso della vibrazione... allora forse sarebbe più opportuno usare una cinghia dentata e opportuni tendi-cinghia?

Non credo la cinghia sia migliore di un ingranaggio: il secondo è più duraturo e più stabile; ingranaggi fatti bene sono estremamente precisi.

C'è da dire cmq, visto che già parti dai rimasugli di una stampante, potresti riusare il suo sistema si movimento testina, che praticamente per tutte le stampanti si basa su una cinghia (che forse non è in gomma ma è sicuramente flessibile); usano la cinghia perchè permette di avere una velocità di spostamento molto maggiore rispetto a una vite senza fine, che per forza di cose è già di suo un riduttore di velocità.

Effettivamente, pensandoci ora, non ti serve proprio un riduttore: già il collegamento vite senza fine-carrello fa da riduttore di velocità, quindi potresti collegare la vite direttamente all'uscita del motore ed avere così un'incredibile precisione e resistenza alle vibrazioni, anche se con una non incredibile velocità di trasferimento.

Insomma, dipende tutto da che vite, motore scegli e dalla precisione, velocità che richiedi.

Per l'asse Z avevo in mente massimo una quindicina di centimetri... troppo pochi?

Dipende da cosa ti serve!
se devi fare per lo più cose "monodimensionali", 15 cm va benissimo, anzi, pensandoci bene per un piccolo sistema è una gran bella misura.
Più o meno, quali sono le tue idee in dimensioni dello spazio di lavoro? Un A4 o A3 con 15cm di altezza?

EDIT: vedo che lo avevi già scritto: 30x50 è circa un A3 (un A4 è 297x210 mm, A3 quindi 297x420)

[Allanon]

• 

Io credo che di quella stampante alla fine potrò utilizzare, forse, qualche motore... c'è una sola guida (dove appunto scorreva la testina) mentre la guida dove scorreva lo scanner è inadeguata e plasticosa.

Per le dimensioni dell'area di lavoro avevo pensato ad un 30x50x15cm (x, y, z), alzare ancora di più l'asse di lavoro Z secondo me non porta tanti benefici perchè quando la fresa "affonda" poi ti ritrovi il corpo del motore che più di tanto non può scendere, avrebbe senso se sull'asse Z ci fosse almeno un'altro asse che lo possa far lavorare la fresa da verticale fino ad una posizione orizzontale ma non ci voglio neanche pensare perchè a questo punto si farebbe prima a fare un braccio robotico  .

Proviamo a stabilire dei punti e a fare delle scelte:
- Trazione asse X e Y con vite senza fine collegata direttamente al motore stepper. A questo punto la risoluzione è influenzata dal passo della filettatura della vite.
- Trazione asse Z (boh, come dici tu non riesco ad immaginarmelo)
- Struttura: alluminio?

Guide asse X e Y
- Alcuni usano anzichè delle guide con perni cilindrici qdelle guide sagomate:

l'immagine non è mia

[Z80Fan]

• 

- Trazione asse Z (boh, come dici tu non riesco ad immaginarmelo)

Prendi l'immagine che hai mostrato: Quella non ha proprio nessun asse Z, solo X e Y.
Il tool lo devi in qualche modo "calare" dal carrellino blu, però non puoi costruire una guida come quelle degli altri assi perchè altrimenti avresti le rotaie che partono dalla zona blu e scendono verso il piano di lavoro, ingombrando tutta l'area; per questo quella parte li deve essere fatta con le rotaie che scendono insieme al carrellino e lo tengono agganciato alle rotelle che saranno sul carrellino blu.

- Struttura: alluminio?

Secondo me si; è un materiale abbastanza facile da lavorare e diffuso in pezzi già sagomati (basta andare in qualsiasi negozio di ferramenta).
Un altro contendente potrebbe essere l'acciaio, altrettanto disponibile (nei suddetti negozi è tipicamente accanto ai pezzi in alluminio).
Oppure usi compensato, e inserti in metallo per dare rinforzo dove serve.

- Alcuni usano anzichè delle guide con perni cilindrici qdelle guide sagomate:

Nah, secondo me sono meglio delle belle guide cilindriche con le rotelline, queste ultime probabilmente in plastica dura. Potresti anche riusare delle guide tipo quelle dei cassetti, se ne trovi alcune adatte e non troppo ingombranti.

[Allanon]

• 

@legacy
Non è detto che non finisca proprio come dici tu, per adesso infatti sono solo discorsi, idee e valutazioni :-)

[Allanon]

• 

@legacy
Ci sono così tante varianti di CNC a tre assi che è un casino capire il perchè/percome per me che non ci capisco una mazza di meccanica, preferisco fare brainstorming e vedere che esce fuori, per me è già un problema trovare i termini corretti dei pezzi che dovrò utilizzare 
Altrimenti potrei prendere un progetto di un kit e replicarlo (come suggerisci tu), ma a quel punto mi si affievolisce la scintilla: farei prima a comprare un kit già fatto ad hoc e montarlo. Io non ho fretta di costruire la macchina, anche perchè la fretta è cattiva consigliera! Se poi vediamo che non ci si cava un ragno da un buco pace, vedo se trovo un kit e via.

Le problematiche sono molte, anche solo mettere in parallelo le barre delle guide in maniera perfetta potrebbe essere un problema, ma adesso siamo solo in fase di valutazione di una serie di possibilità, poi vedremo sta roba quanto può costare e infine deciderò se effettivamente vale la pena di spendere quei soldi o comprare un kit, meccanico, elettronico o entrambi 

[Allanon]

• 

Per semplificare le cose ci sarebbero anche le frese manuali con kit di conversione...