Moja frezarka CNC do płytek drukowanych

Witam,

Chciałbym przedstawić Wam moją frezarkę CNC, którą zrobiłem jako pracę dyplomową (Politechnika Lubelska).

Cechy:
1. Konstrukcja z ruchomym stołem, niezbyt sztywna, zwłaszcza wózek wrzeciona. Spore naprężenia bramy spowodowały wygięcie się podstawy.
2. Obszar roboczy: 125 x 115 x 10 mm.
3. Dokładność: w osiach X i Y: ~0,02mm (nie bardzo mam jak dokładnie zmierzyć), w osi Z: 0,4mm (porażka).
4. Wrzeciono: miniwiertarka Dremel.
5. Elektronika na 4 procesorach AVR (główny ATMega64, i 3 ATTimy2313 do sterowania silnikami z mikrokrokiem). Teoretycznie działa, ale czasem potrafi się zawiesić bez powodu (prawdopodobnie efekt zastosowania kilku procków zamiast jednego).

Może zacznijmy od mechaniki...

W mechanice jestem kiepski. Szkoda, że się o tym dowiedziałem dopiero w połowie konstruowania mechaniki.

Podstawa konstrukcji jest na płycie z tekstolitu. Na pierwszy rzut oka wydawało się to idealnym rozwiązaniem. Tekstolit jest całkiem sztywny, a przy tym łatwo się go obrabia mechanicznie. Niestety, okazał się niewystarczająco sztywny. Ponieważ brama była składana "na oko" (jak z resztą większość tej frezarki), to przy dokręceniu śrub podstawa się wygięła. Na początku nie było to widoczne, dopiero po zamontowaniu na obudowie okazało się, że jedna nóżka jest 0,5cm nad ziemią. Nie, to nie jest wina obudowy. Poważnie.

Prowadnice osi Z (pionowe) są zamontowane do wózka osi X na śmiesznym wysięgniku przechodzącym ponad poprzeczką. Czy wspomniałem już, że ta frezarka powstała bez żadnego projektu? Nie, nie miałem żadnych planów - ani papierowych, ani komputerowych, nie korzystałem też z żadnego gotowego projektu. Poza jakąś ogólną koncepcją i policzeniem kilku wymiarów wszystko wymyślałem na bieżąco w trakcie składania. Dlatego wygląda to tak, jak wygląda.

Oś Y (ruchomy stół) - jedna z największych porażek, pomimo, że w teorii to miał być najłatwiejszy element. Każde łożysko w osobnym klocku, wszystko można dokładnie wyregulować... taa, jasne. Gdyby dziury w klockach były chociaż trochę zbieżne, to może by było łatwo. Gdyby chociaż nie było rozbieżności w pionie. Są we wszystkich kierunkach, a zwłaszcza tych, w których nie mam regulacji. Zrobiłem niby-regulację na trzeciej śrubie (oryginalnie to miała być też śruba mocująca), która odpycha klocek z jednej strony od podłoża (klocek jest nagwintowany). Zbyt wiele to nie dało, ale udało się to wyregulować tak, żeby wózek nie chodził za ciężko. Już po założeniu stołu okazało się, że przez te wszystkie przeróbki oś Y nie jest prostopadła do Z... coś może człowieka trafić.

Jak widać, zawieszenie stołu ma nieco niestandardową konstrukcję. Zamiast typowego schematu (który z resztą jest zastosowany w pozostałych osiach) prowadnice stałe, łożyska ruchome, zrobiłem na odwrót: łożyska przymocowane do podstawy, a prowadnice ruchome. Dzięki takiemu rozwiązaniu mogłem zmniejszyć długość prowadnic (łożyska są w dość małej odległości od siebie, a w zwykłym rozwiązaniu musiałyby być na końcach stołu) bez pogorszenia sztywności układu (łożyska są umieszczone dokładnie pod miejscem nacisku wrzeciona, więc wrzeciono jest zawsze pomiędzy łożyskami - patrząc wzdłuż osi Y - a nigdy na zewnątrz "układu").

Sam stół T-rowkowy zrobiłem z profili aluminiowych o przekroju prostokątnym (chyba 20x10mm o ile dobrze pamiętam). Nie był to zbyt dobry pomysł, bo stół wyszedł strasznie nierówny. Trzeba by było go przefrezować, ale nie miałem odpowiedniego frezu i bałem się, że w niektórych miejscach grubość blachy może nie wystarczyć do skorygowania nierówności. Każdy profil przeciąłem wzdłuż przez całą długość. W powstałe rowki można wsunąć śrubki z kwadratowymi nakrętkami (żeby się nie kręciły przy dokręcaniu).

Napęd

Napęd udał mi się średnio. Właściwie wszystko działa jak należy, ale miałem spore problemy z dokładnym ustawieniem elementów względem siebie. Śruby napędowe to trapezowe śruby ze stali walcowanej. Nakrętki są z brązu. Kasowanie luzów zrobiłem najprościej jak się dało: przeciąłem każdą śrubę na pół prostopadle do osi i zrobiłem obejmy pozwalające na regulację każdej połówki z osobna. Rewelacja to nie jest, ale pozwala chociaż częściowo zlikwidować luzy.

Przeniesienie napędu z silnika na śrubę - tu miałem spory problem, bo nigdzie nie mogłem znaleźć gotowych łączników zaciskowych, ani sprzęgieł, które byłyby sztywne wzdłuż osi. Na początku chciałem koniecznie zastosować sprzęgła pozwalające na różnicę kąta pomiędzy śrubą i wałem silnika. Okazało się jednak, że takich sprzęgieł nie ma (to znaczy, pewnie są, ale nie udało mi się znaleźć takich w sprzedaży). Stanęło więc na łącznikach sztywnych i że może jakoś to będzie (jak zwykle u mnie). Ostatecznie jako łącznik zastosowałem dwie rurki aluminiowe przecięte wzdłuż, nałożone jedna na drugą (bo jedna miała za małą średnicę do zacisku) i zaciśnięte dwoma zaciskami skręcanymi, wyciągniętymi ze starego Fiata 125p .

Silniki napędowe są to 4-fazowe silniki krokowe, wymontowane z dalekopisów "Hasler" (rozbieraliśmy takie coś na zajęciach w technikum i przy okazji kupiłem parę sztuk). Nie wiem jakie mają parametry, ale przy 12 woltach mogą mieć ok. 0,6~1Nm. Silniki mają 200 kroków na obrót. Przy zastosowanym przełożeniu (100 kroków na milimetr) siła napędowa jest wystarczająca (zwłaszcza przy zastosowaniu mikrokroku).

Elektronika

Elektronika jest podzielona na 6 modułów: główny moduł sterujący, moduły sterujące silnikami (3 - po jednym na sinik), zasilacz oraz moduł załączania wrzeciona.

Główny moduł sterujący składa się właściwie z jednego procka (ATMega64) i złącz. Plany były troszkę bardziej ambitne - miała być jeszcze pamięć RAM podtrzymywana baterią do przechowywania programu frezowania. Miało to działać w ten sposób, że komputer przed rozpoczęciem frezowania wysyłałby cały program do RAMu urządzenia i można by było go odłączyć. Dodatkowo w przypadku braku zasilania urządzenie miało zapamiętywać ostatnią pozycję z możliwością kontynuacji frezowania po powrocie zasilania. Niestety, z tych planów nic nie wyszło (głównie ze względu na brak czasu).
Aktualnie moduł ten spełnia następujące funkcje:

1. komunikacja całości elektroniki z PC,
2. obliczanie kroków i trasy do przejechania wrzecionem,
3. sterowanie modułami silnikowymi,
4. sterowanie zasilaniem wrzeciona.

Moduły sterujące silnikami zostały zbudowane na procesorach ATTiny2313. Każdy moduł steruje czterema tranzystorami n-mosfet załączającymi cewki silnika. Sterowanie odbywa się mikrokrokowo (każdy krok jest podzielony na 10 części). Zmniejszenie mocy oddawanej na cewkę silnika (w celu podzielenia kroku) odbywa się przez zastosowanie modulacji szerokości impulsów (PWM).

Moduł zasilania wrzeciona to zwykły przekaźnik sterowany tranzystorem. Nie ma się o czym rozpisywać. To samo dotyczy zasilacza, który jest zwykłym zasilaczem komputerowym ATX.

I na koniec trochę softu, czyli programy na PC

Program do sterowania frezarką - nazwałem go "Plotter". Służy on do kontroli frezarki z poziomu PC-ta. Komunikuje się z modułem głównym we frezarce i pokazuje dane na temat stanu pracy, pozwala na sterowanie, itd. Możliwości programu są następujące:

* Komunikacja z moim modułem sterującym przez port LPT, lub sterowanie prostym modułem za pomocą linii portu LPT (kierunek/krok/włączenie) - w pełni konfigurowalne, ale nieco powolne (zależy od szybkości LPT w komputerze),
* Możliwość ustawienia długości osi i przełożenia (kroków/mm),
* Możliwość ręcznego sterowania wózkiem we wszystkich osiach
* Sterowanie automatyczne na podstawie wczytywanego programu w standardzie G-Code - interpretacja tylko niektórych podstawowych komend
* Łatwa w obsłudze i przyjazna wizualizacja G-Kodu w 2D (nienawidzę sposobu obsługi wizualizacji w K-Cam'ie, dlatego w moim programie zrobiłem to tak, żeby nie tylko dało się używać, ale też żeby używanie sprawiało przyjemność ).
* Funkcje skalowania i przesuwania G-Kodu
* Wyświetlanie aktualnej pozycji i stanu czujników (wzorowane na K-Cam'ie)

Program nie jest super wypasiony, ale spełnia swoje zadanie. Także nie jest wolny od błędów i pewnie niezbyt dobrze zorganizowany (pod względem kodu źródłowego), ale nie mam ochoty dalej się nim zajmować. Dlatego też udostępniam kod źródłowy - jak ktoś będzie chciał go dalej rozwijać, to proszę się nie krępować.

Program do konwersji obrazków na G-Kod. Używa on mojej autorskiej metody wykrywania krawędzi, nieco zmodyfikowanej od pierwotnej wersji, która jest bardzo dokładna ale niestety koszmarnie wolna.

Poza normalnym trybem, w którym tworzone są ścieżki "wycinające" poszczególne figury z obrazka, program ma także dodatki: tworzenie podwójnych ścieżek (jeśli końcówka frezu jest cieńsza niż trzeba i chcemy zrobić grubsze odstępy), tworzenie ścieżek "czyszczących", które będą usuwać niepotrzebną miedź pomiędzy ścieżkami przewodzącymi - dla tych ścieżek można zdefiniować inną średnicę frezu. Jest także pomiar rozdzielczości obrazka, oraz różne opcje generowania G-Kodu.

Niestety program ten posiada też sporo wad. Jak już wspominałem, jest on koszmarnie wolny. Analizowanie obrazka o dużych wymiarach (np. płytka 10x5cm w rozdzielczości 2400dpi) trwa 1-2 godziny, a jeśli włączy się ścieżki czyszczące, to jeszcze więcej. W celu uzyskania dużej dokładności trzeba używać obrazków o bardzo dużej rozdzielczości. Niestety zastosowana metoda ma taką wadę, że jeśli dwie figury są od siebie w odległości mniej więcej równej średnicy frezu, to jest duża szansa, że nie będzie między nimi ścieżki ( przestrzeń nie zostanie wyfrezowana), bo przy "dorysowywaniu" średnicy narzędzia figury zleją się ze sobą. Oczywiście im większy obrazek, tym więcej czasu zajmuje analiza.

Podsumowanie

Projekt wyszedł w sumie bardziej edukacyjny, niż praktyczny. Edukacyjny głównie dla mnie, bo nauczyłem się w trakcie budowy sporo rzeczy, nie tylko z zakresu elektroniki, ale też mechaniki i programowania (z mechaniki nauczyłem się np. tego, żeby nie brać się za rzeczy, o których nie mam pojęcia ). Kilka płytek udało mi się wyfrezować, ale rezultat nie jest powalający. Metodą termotransferu można osiągnąć co najmniej 2x lepszą dokładność. Także termotransferem dużo łatwiej jest osiągnąć dokładne pozycjonowanie stron w płytkach dwustronnych.

Koszty wykonania:

* profile aluminiowe: 84,03 zł
* Łożyska liniowe: 180,00 zł
* Wałek hartowany: 69,00 zł
* Śruba napędowa trapezowa: 18,00 zł
* Nakrętki trapezowe: 60,00 zł
* Narzędzia (gwintowniki, wiertła): 65,00 zł
* Inne drobne elementy: ok. 20,00 zł
* Wiertarka Dremel: 285,00 zł
* Części elektroniczne: ok. 100,00 zł
* Frez grawerski do frezowania laminatów: 45,00 zł

W sumie: 926,03 zł
Koszty są bardzo orientacyjne, ze względu na to, że wszystkie te części kupowałem ponad dwa lata temu, teraz powinno być nieco taniej. Z drugiej strony, parę rzeczy miałem za darmo, np. otwory w uchwytach na łożyska i na prowadnice zrobił mi znajomy i nic za to nie chciał, silniki krokowe kupiłem za grosze z warsztatów szkolnych, więc ciężko powiedzieć jaki był rzeczywisty koszt.

W załącznikach trochę obrazków oraz "dane" do frezarki (schematy, programy, kody źródłowe).

Projekt ten jest też opisany na mojej stronie (ok. 2x więcej tekstu, tutaj skróciłem, żeby nie było zbyt nudne): http://elektronika.kazekr.net/index.php?page=frezarka

I na koniec małe pytanie: Chciałbym sprzedać tę frezarkę, ale nie bardzo wiem, ile może być warta. Raczej nie mam nadziei na zwrot wszystkich kosztów, ale może chociaż z połowę udałoby się odzyskać. Tak, jak wynika z opisu, ze względu na błędy konstrukcyjne frezarka wymaga raczej jeszcze sporo pracy, zanim będzie się nadawała do użytku (pewnie łatwiej będzie rozebrać ją i wykorzystać części do zrobienia innej). Jak myślicie, za ile mógłbym sprzedać tę frezarkę?

Najważniejsze , że kolega zdobył wiedzę praktyczną. Wykonanie może nie jest powalające na kolana , ale nie oto tu chodziło.
Gratuluję przejścia przez wszystkie główne etapy zagadnienia CNC.

Ogólnie maszynka milusia tylko ten tekstolit na spodzie taki jakiś poobgryzany... To nie wzbudza zaufania i może rzutować na osiągniętą cenę. Gdyby udało Ci się ten detal dopracować to mógłbyś zaryzykować i wystawić ją w Allegro. Co do ceny to łaska pańska (klienta) na pstrym koniu jeździ. Poobserwuj sobie aukcje http://aukcja.onet.pl/search.php?string ... so&order=p z amatorsko wykonanymi frezarkami cnc i będziesz wszystko wiedział. Jedne mają wielu amatorów a przy innych posucha. Z drugiej strony szkoda trochę pozbywać się maszyny w którą włożyłeś tyle pracy. Mógłbyś przecież korzystając ze sporej części jej elementów składowych zbudować coś większego i lepszego. Teraz wiesz już jak się to robi więc będzie szybciej i łatwiej.

Tekstolit jest poobgryzany, bo wycięcie frezowałem ręcznie i parę razy mi "zjechał" frez. Jak mam to naprawić, zamalować markerem?

Z krótkiego spojrzenia na Allegro widzę, że wzięcie mają solidnie wykonane (solidniej, niż moja) i z zapewnieniem, że nadają się do pracy, a posucha jest przy takich, które sprawiają wrażenie, że rozlecą się po dotknięciu i mają dokładność rzędu 3mm. Moja jest gdzieś pomiędzy, ciężko mi ocenić. Lepiej byłoby wystawić na Allegro, czy na tutaj na forum?

Pozbywać mi się jej nie szkoda, bo aktualnie tylko stoi i się kurzy, i raczej nie będę z niej korzystał (tak jak napisałem, termotransfer daje dużo lepsze efekty). Budować nowej też nie mam za bardzo ochoty, bo, pomimo zdobytego doświadczenia, nadal nie znam się wystarczająco na mechanice i nie lubię ogólnie zagadnień mechanicznych. Nie mam też na to czasu i raczej nie będę miał (praca). Zastanawiam się nad kupieniem seryjnie produkowanej frezarki i przerobieniem jej na CNC, kiedyś w przyszłości.

Zink pisze:epiej byłoby wystawić na Allegro, czy na tutaj na forum?

Jako maszyna szkoleniowa na pewno znajdzie nabywcę . Daj ogłoszenie w dziale Giełda tutaj na forum.Ogólnie patrząc teraz nie jest dobry czas na takie maszyny , małe zainteresowanie.

Zink pisze:Pozbywać mi się jej nie szkoda, bo aktualnie tylko stoi i się kurzy, i raczej nie będę z niej korzystał...

Ja rozumiem frustrację Kolegi ale skoro maszynka funkcjonuje, to nie widzę problemów by za jej pomocą wyfrezować bloki łożyskowe, podpory wałków, uchwyty silników, uchwyt wrzeciona i całą masę innych, niezbędnych drobiazgów. Takie detale kupione lub zamówione do wykonania całkiem sporo kosztują.
Aktualnie zmagam się z wykonaniem podobnych elementów ręcznie. Mam mechaniczną pilarkę włośnicową, wiertarkę, szlifierkę i dremelka na 12V. Robię to jednak po raz pierwszy i ostatni, gyż po skończeniu budowy, maszynka kolejne detale wykona za mnie.

Na początek nie jest źle
Sam wiesz jakie błędy zrobiłeś
sam wiesz czego unikać w przyszlości
więc masz sporo doświadczenia no i maszynka działa

Ze sprzedażą zaryzykuj
wstaw na kup teraz za 1200 zł
podmaluj dla wyglądu i może akurat ....

Pozdrawiam

Tylko problem w tym, że ja kompletnie nie znam się na mechanice i (chyba najważniejsze) nie lubię mieć z nią do czynienia. Nie wiedziałbym jakie elementy wyfrezować, itd. Musiałbym mieć jakiś projekt, ale sam go nie zrobię (bo się na tym nie znam), a raczej nie ma gotowych projektów, które pozwalałyby na wykorzystanie chociaż części elementów ze starej frezarki (może poza silnikami).

Poza tym obawiam się, że moja frezarka może nie być w stanie wyfrezować detali. Ze względu na konstrukcję osi pionowej maksymalna wysokość elementu to 10mm (chyba, że element jest wąski, to wtedy więcej).

Dostałem propozycję sprzedaży za 500zł (bez Dremela). Jak myślicie, jest to warte więcej? Biorąc pod uwagę wszystkie wady, o których wcześniej nie napisałem, jak drobne ślady rdzy na wałkach, raczej prowizoryczny montaż z dużą ilością poprawiania niedokładności pilnikiem, sterownik, który nie jest kompatybilny z żadnym innym programem do cnc, i to, że program ma czasem problemy z komunikacją (Windows coś robi z portem LPT i przeszkadza).

W takich przypadkach jak ten ( chcesz ewidentnie pozbyć się urządzonka i nie wracać do tematu) towar jest tyle wart ile klient jest gotów za niego zapłacić. Ja myślałem kiedyś inaczej i do dzisiaj mam swoje Spectrum i Commodore 64. Ludzie którzy kupują droższe maszyny często mają niewielką wiedzę w sprawach techniki komputerowej więc wolą urządzenia standardowe z takim też oprogramowaniem żeby uniknąć potem kłopotów. Taniej kupują harcerze i młodzi modelarze których wręcz pociągają niespodzianki jakie będą mogli samodzielnie zwalczać. Jeżeli chcesz zdać się na łaskę losu to wystaw to cacko na aukcję z jakąś zadowalającą Ciebie ceną początkową i trzymaj kciuki. Może trafić się zawsze hojniejszy kupiec

Rozgryzłeś mnie. Tak, chcę się jej pozbyć, bo jakoś nie widzę siebie przerabiającego ją (znowu katorga od początku ), ani produkującego elementy do nowej.

Wystawiłem ją na sprzedaż tutaj: (już nieaktualne - sprzedana)

Jeśli nie będzie chętnych, to pójdzie na Allegro, albo na części (przynajmniej silniki są coś warte). A jak nikt nie da złamanego grosza, to zostanie u mnie i może kiedyś, za 10 lat, pomyślę o wykorzystaniu jej do zrobienia nowej .

Ta osoba, która dawała 500zł nie odezwała się więcej po tym, jak napisałem o śladach rdzy na wałkach .

[ Dodano: 2009-09-14, 17:43 ]
Dostałem pytanie pod artykułem na mojej stronie z prośbą o odpowiedź na forum. Przepraszam, że dopiero teraz odpowiadam, ale nie przeglądam komentarzy na bieżąco.

wrubel pisze:Odpisz na forum jeśli możesz, będzie dla innych Czy to złącze 10-pinowe między głównym sterownikiem i sterownikami osi to jakiś standard wyprowadzeń? Czy te "kupne" sterowniki też tak mają? Czy sterowanie i protokół sterowania osią jest standartowy ?

Nie, to jest standard wymyślony przeze mnie, tak samo, jak i protokół transmisji (niezbyt dobry z resztą). Opis linii i protokołu jest w udostępnionych materiałach.