Chcesz zbudować ploter frezujący CNC? Świetnie trafiłeś! Zapraszamy do lektury.
Zbudować maszynę działającą każdy może „trochę lepiej, lub trochę gorzej”. Jednak zbudowanie dobrej maszyny musi spełniać podstawowe kryteria, czyli :
– zastosowanie
– dokładność odwzorowania kształtu
– pole robocze
– spodziewane osiągi
– jakie narzędzia będą stosowane
– jakie będą czasy pracy maszyny.
To są podstawowe pytania, na które należy znaleźć odpowiedź. Inną konstrukcję będzie miała maszyna do obróbki drewna, inną do obróbki metali nieżelaznych, a jeszcze inną do obróbki stali.
Maszyny można zaliczyć do dwóch grup – przemysłowe i półprofesjonalne.
Grupę maszyn przemysłowych zostawmy przemysłowi, ponieważ w warunkach warsztatowych, posiadając do dyspozycji podstawowe elektronarzędzia, spawarki i wiertarkę słupową nie jesteśmy w stanie zbudować takiej maszyny. Poza tym maszyna przemysłowa jest już bardziej centrum obróbkowym, aniżeli ploterem frezującym.
Centrum zwykle posiada wiele cech odbiegających od ploterów – jest to zwykle jakiś układ wymiany narzędzi, adaptery narzędziowe itp., oraz sposób mocowania detalu, często systemowy zintegrowany z pneumatyką przemysłową.
Ploter frezujący cnc ma podobne cechy co centrum obróbkowe – ma podobną kinematykę, ale też wiele uproszczeń związanych właśnie z montażem materiału obrabianego na stole, czy też sposobu montażu i wymiany narzędzi.
Układ kinematyczny plotera może być dwojaki – z ruchomą bramą lub portal z ruchomym stołem. Maszynki z ruchomym stołem często bywają nazywane frezarkami, ale nadal są to plotery, gdyż posiadają cechy ploterowe – uproszczenia.
Obróbka drewna i jego pochodnych.
Zacznijmy od obróbki drewna i materiałów drewnopochodnych, takich jak mdf, czy sklejka. Do obróbki materiałów z większą powierzchnią, jak chociażby arkusz sklejki o wymiarach 1250x2500mm oczywistym wydaje się zastosowanie kinematyki z ruchomą bramą. Ma to też swoje zalety, ale o tym później. Kinematyka takiego plotera składa się z trzech elementów. Podstawa, brama i oś pionowa, czyli tyle, iloma osiami dysponujemy, XYZ. Według współrzędnych ISO, punkt zerowy jest po naszej lewej ręce i jak najbliżej krawędzi do nas. Czyli musimy wpierw określić jak będziemy stać do maszyny – przodem czy bokiem.
Jeśli przodem, to przesuw bramy będzie osią Y, przesuw karetki osi Z będzie osią X, a sama oś pionowa wydaje się naturalnym, że osią Z.
Jeśli zaś bokiem, to kierując się wskazaniami ISO, przesuw bramy będzie osią X, przesuw karetki osią Y. Spotyka się również maszyny o pionowym ustaleniu blatu, nietypowo, ale zajmujące mniej miejsca. Można tu zastosować podobną konfigurację osi, gdyż cały czas mamy na uwadze przedmiot obrabiany, a wszelkie programy do przygotowania obróbki, zwykle ustalają nam przedmiot jego największą płaszczyzną do osi XY.
Podstawa jako baza całej maszyny.
Jej konfiguracja zależy od kilku czynników. Najpierw należy określić pole robocze naszej maszyny. Potem do tegoż pola roboczego dodać wartości pola martwego, a więc szerokość podstawy bramy przesuwnej, a potem dodać jeszcze jakieś wartości przesuwu dla wyłączników krańcowych. Zsumowanie tych wartości daje nam długość podstawy.
Jej szerokość zaś definiujemy na podstawie sposobu mocowania prowadnic przesuwu bramy. I tu zależnie od konstrukcji, możemy szerokość podstawy zaliczyć tylko i wyłącznie do pola roboczego, jeśli prowadnice montowane są na bokach albo pod spodem, lub dodać wartości szerokości obu boków bramy i zależnie od konfiguracji tejże bramy – szerokość karetki z osią Z. Co prawda belka bramy może być szersza od podstawy, wskutek czego mamy zapas miejsca dla karetki, wskutek czego szerokość podstawy można ograniczyć do minimum, nie tworząc pola martwego.
Patrząc po przekroju podstawy, należy to sobie uzmysłowić. Jeżeli podstawa będzie wykonana z profili stalowych zimnogiętych, naturalnym wydaje się posadowienie prowadnic na górze, ponieważ ich rozstaw możemy sobie regulować podczas montażu, natomiast przy montażu bocznym musimy być absolutnie pewni że nasza podstawa jest prosta i ma współpłaszczyznowość obu boków. Podstawę zwykle należy obrobić na większej maszynie, aby uzyskać płaszczyznę montażu prowadnic, przy zastosowaniu montażu prowadnic na bokach, obróbka takiej podstawy może być utrudniona, lub po prostu niemożliwa. Czasem też stosuje się przyspawane na bokach profile, na których to spawa się dodatkowe płaskowniki pod wyprowadzenie baz. Bazy pod prowadnice mają za zadanie mieć wspólną płaszczyznę. Jest to ważne zagadnienie, ponieważ na nieobrobionej bazie, która ma odchyłki dajmy na to plus minus 2mm, przesuwająca się brama wypadkowo będzie odwzorowywać na materiale obrabianym tę niedokładność płaszczyzny prowadnic.
Jeśli podstawa ma dużą długość i szerokość, gdzie nie ma możliwości obrobienia jej na jakiejkolwiek obrabiarce, wówczas można pokusić się o amatorskie rozwiązanie problemu – albo żmudne podkładanie listków szczelinomierza w miejscach montażu prowadnic, albo wcześniejsze, porządne jej wypoziomowanie i wykonanie baz metodą odlewania żywicą odlewniczą do naciągniętych strun. Należy używać żywic z możliwie najmniejszym skurczem. Ogólnie jest to jakieś rozwiązanie i pozwala uzyskać poprawną współpłaszczyznowość baz.
Napęd podłużny bramy względem podstawy jest ściśle zależny od proporcji tejże bramy do podstawy, o tym za chwilę.
Mając taką wyspawaną podstawę z profili stalowych należy ją na czymś posadowić. Albo przyspawać stopy z żebrami dla posadowienia jej na wibroizolatorach, albo zwyczajnie dać pod spodem zaślepki do profili zamkniętych. Najlepiej jest mieć możliwość regulacji poziomowania podstawy, aniżeli podkładać jakieś książki pod krótszą nogę, czy też nierówne podłoże w pracowni, a nuż później syn czy córka będą chodzić wokół i szukać tejże książki, bo to z biblioteki szkolnej było … Takie nieregulowane podstawy spotkać można masowo w maszynach pochodzenia chińskiego, gdzie podstawa wykonana jest z profili o grubości ścianek nieco większej od papieru do drukarki.
Blat roboczy
Tutaj można go podzielić na co najmniej trzy odmiany:
– zwykła płyta wiórowa laminowana lub nie
– stół T rowkowy
– stół podciśnieniowy
Możliwość zastosowania tego ostatniego jest właśnie zaletą podstawy z przesuwną bramą, ponieważ zastosowanie stołu podciśnieniowego z maszynie z ruchomym stołem wymaga odrębnego stołu podciśnieniowego mocowanego na nim.
Zwykła płyta wiórowa mocowana z góry do podstawy na śruby pozwala mocować materiał bezpośrednio do niej na jakieś wkręty, lub przez wywiercenie otworów, także zastosowanie ścisków stolarskich, zależnie od potrzeby danej obróbki. Frezując materiał na przelot, taki stół z czasem będzie tak pocięty, że konieczne będzie jego planowanie na samej maszynce, po czym po jakimś określonym czasie obróbkowym ponowne jego planowanie aż do wymiany. Jest to najtańsze rozwiązanie.
Stół T rowkowy i podciśnieniowy przy frezowaniu detalu na przelot musza posiadać dodatkowy materiał oddzielający detal od stołu, a przy podciśnieniu podkładka musi również przepuszczać powietrze. Stół T rowkowy najczęściej stosowany jest z systemu profili aluminiowych anodowanych.
Ewentualnie obrabiana płyta ze stopu aluminium lub nakręcane nakładki na powierzchnię bazową typu sandwich. Wszystkie chwyty dozwolone, pod warunkiem pewnego zamocowania materiału obrabianego.
Stół podciśnieniowy największą zaletę ma podczas obróbki dużych i cienkich arkuszy, gdzie materiał ma tendencje do wybrzuszania się lub odkształcania. Stół taki również wykonuje się bezpośrednio na maszynie. Najpierw planowanie płaszczyzny, a potem wycinanie sekcji i rastrów do każdej, oraz frezowaniu otworu głównego na każdej sekcji. Sekcje można rozdzielać zaworem kulkowym do wspólnego przyłącza do pompy podciśnieniowej. A stosując materiał mniejszy niż np. jedna sekcja, można pozostałe wyłączyć, a tę na krawędzi uszczelnić uszczelką gumową. Materiał na taki stół to najczęściej jakieś tworzywo sztuczne, np. gruba płyta polietylenowa.
Brama przesuwna
Tutaj najważniejsze są proporcje. Ideałem byłoby zastosowanie jej obrysu patrząc z góry w kształcie kwadratu. maksymalna sztywność i odporność na wibracje i obciążenia od momentów gnących osi Z. Niestety na takie marnotrawstwo pola roboczego nie można sobie pozwolić. Czasami udaje się uzyskać prostokąt o bokach a i b, gdzie b=2a. Długość b to maksymalna szerokość rozstawu wózków na prowadnicach podstawy. Natomiast a to max rozstaw wózków na prowadnicy z jednej strony i osobno z drugiej. To jest proporcja połowy ideału i tej należałoby się trzymać. Wszystko poniżej wprowadza wibracje i problemy z usztywnieniem bramy.
Czyli jeśli rozstaw wózków wynosi 1100mm to rozstaw wózków na prowadnicy winien mieć 550 mm. Kierując się tą proporcją ustalamy długość boku albo w postaci płyty albo konstrukcji przestrzennej w kształcie litery L. Belka bramy w sensownym rozmiarze 200×100 lub 250×125 – proporcje te same. Montaż belki do boków musi zapewnić maksymalną sztywność, więc nie może to być zbyt cherlawe połączenie na 2 śrubach, ale solidnie na co najmniej 8 śrubach.
Wypadkowo oś wrzeciona, patrząc na bramę z góry powinna wypadać gdzieś w przestrzeni pomiędzy rozstawem wzdłużnym wózków na prowadnicach podstawy. Wszelkie odchylenia wrzeciona przed wózkami daje niepotrzebny moment ujemny skrętu belki patrząc na nasza bramę z boku. Jakkolwiek wózki prowadnic mają swoje katalogowe max momenty obciążeń, to w przypadku dwóch prowadnic blisko siebie na belce obciążenia się trochę komplikuję – gdy na przykład frezujemy coś do tyłu – wózek dolny jest wyrywany a górny działa jako zawias, przy obróbce do przodu odwrotnie. Co prawda to w wielkim skrócie, ale tak mniej więcej to działa, wibracje zaczynają się od narzędzia poprzez najsłabszy punkt na wózkach, na prowadnicach podstawy kończąc.
No ale zakładając ze wszystkie prowadnice dobrane są poprawnie, proporcje belki i jej boków również, pozostaje skupić się na napędach.
Jednak jeszcze kilka słów na temat osi Z. „Zetka” to taka najmniejsza, najbardziej „ściśnięta” oś przesuwna, czyli zawiera w sobie również prowadnicę i jakiś sposób napędu. Najczęściej poprzez śrubę toczną i jakiś silnik wykonawczy z przekładnią lub bez, zależnie od rodzaju silnika. Układ osi Z jest dwojaki – albo opuszczany wózek z wrzecionem, gdzie cały korpus z prowadnicami jest sztywno zamocowany na karetce osi przesuwnej, albo cały układ z prowadnicami, śrubą i wrzecionem jest przesuwny, natomiast wózki i nakrętka śruby są stałe.
Spotyka się wiele rozwiązań osi Z – od najprostszych płytowych czy skrzynkowych po krzyżaki wykonane z jednego elementu. Krzyżak ów, którego zadaniem jest pomieścić w sobie wózki prowadnic i nakrętkę osi poprzecznej belki, oraz wózki i nakrętkę osi pionowej. Niby ideał, daje pewność kątów prostych itd., jednak musimy być pewni że nasze prowadnice na belce są idealnie równo przykręcone do krawędzi belki, a boki bramy muszą być idealnie tej samej długości do baz skręconych z wózkami na podstawie, ponieważ krzyżaka nie da się regulować gdyby okazało się, że jeden bok bramy jest od drugiego krótszy np. o pół milimetra, wówczas tracimy kąt prosty osi Z względem podstawy, ma to znaczenie przy wykonywaniu jakichś wyższych elementów, gdzie oś frezu nigdy nie będzie w pionie i nie da się tego skorygować w żaden sposób, nawet jeśli splanujemy stół, to jego płaszczyzna jest odwzorowaniem ułożenia prowadnic na belce, a przystawiając listwy zębate o uzębieniu prostym ewolwentowym. Ewolwenta jak wskazuje nam tribologia, czyli nauka o współpracy kół zębatych, zawiera w sobie luz międzyzębny o danej wartości. Najczęściej jest to wartość 0,2 mm/ 300mm. Frezując okrąg o średnicy dajmy na to 100mm uzyskujemy kółko graniaste, gdzie każdy błąd pozycji jest widoczny, a błąd ten wynika z luzu międzyzębnego.
Dlatego też wymyślono napęd na listwach zębatych o zazębieniu łukowym, potocznie zwanym helikalnym. Listwy te są precyzyjne, luz jest znikomy w wartościach setnych części mm/300mm odległości, zależnie od tolerancji, przy okazji cena tychże listew i kół współpracujących jest dość wysoka. Przy obrabiarce, której cena sprzedaży wynosi np. 300 tys. to koszt ten jest znikomy, natomiast przy obrabiarce za 60 – 70 tys. bardzo wyraźny, to już jest kwestia pertraktacji pomiędzy producentem a kupującym, koszty tego napędu do niskich nie należą, chociaż charakteryzują się wysoką precyzją.
Pasy zębate
Najczęściej stosowane z zazębieniem HTD, jest to zazębienie wg patentu Wildhabera – Nowikowa, gdzie ząb pasa jest okrągły, natomiast w kole odbiorczym nie ma typowego zęba, ale raczej wnęka o kształcie tegoż łuku. Ogólnie współpraca koła z pasem jest bezluzowa, ponieważ to zazębienie zawiera w sobie współpracę powierzchniową, a nie liniową jak w przypadku ewolwenty, a ponieważ przykładamy do siebie powierzchnie, to tarcie w tym układzie jest o wiele większe, niż przy współpracy liniowej napędów. Koszt przy okazji nie jest zbyt wysoki. Zmorą napędu pasowego jest poprawne ustawienie geometrii i naciągu tegoż pasa. Można spotkać również podobny napęd w takim układzie, gdy wzdłuż podstawy maszyny leży jeden pas, stały, a drugi pas pracujący aktualnie w maszynie po jej opuszczeniu zazębia się z pasem leżącym poza bramą. Taki układ niweluje nam błąd napięcia pasa i jego zwisu wzdłuż długiej osi, problemem natomiast jest początkowe ustalenie geometrii kąta prostego bramy na podstawie.
Przeniesienie napędu obrotowego
Tutaj można spotkać dwojakie rozwiązanie tegoż problemu. Albo poprzez zastosowanie dwóch silników napędowych, skojarzonych elektronicznie, albo poprzez wspólny wał umieszczony najczęściej gdzieś w belce poprzecznej bramy, a koła zębate współpracujące z listwami zębatymi są umieszczone na dole, a przeniesienie napędu z wału na koło poprzez pas zębaty. Taki układ nie generuje błędów pozycji przy poprawnym jego wykonaniu, trudność polega na prawidłowym zgraniu napędów względem kąta bramy do podstawy. Jednak podstawową zaletą jest fakt, iż do napędu podłużnego stosujemy jeden silnik bez niepotrzebnego sumatora pozycji, czy też w prostszych układach bez programowego kojarzenia osi podrzędnych.
Podobnie sprawa wygląda z napędem osi poprzecznej, przy krótkiej osi dajemy śrubę toczną, przy długiej albo listwę zębatą, albo pas. Jest tu o wiele prościej, gdyż napęd bramy podłużnie wymaga zastosowania dwóch napędów bocznych, natomiast napęd karetki na bramie wymaga jednego napędu, więc nie ma tu komplikacji.
Silniki i elektronika
Kieszeń wytwórcy czegokolwiek zawsze jest zbyt płytka, żeby pozwolić sobie na napędy serwomotorów na plc, w takich rozwiązaniach jak światowe marki, np. Fanuc, Heidenhain, czy Sinumeric. Koszty serwomotorów i sterowań tych producentów są niepomiernie wysokie w stosunku do kosztu całej maszyny półprofesjonalnej.
Dlatego też w rozwiązaniach maszyn do kosztu rzędu max 150 – 200 tys. zł często spotkamy albo autorskie oprogramowanie ze sterowaniem typu step dir, lub 0-10V, albo typowe spotykane w handlu np. Mach3 lub Piko CNC lub darmowe w systemie Linux, np. Debian czy Ubuntu. Sterowania te mają swoje plusy i minusy, ale w porównaniu do systemów przemysłowych wyróżniają się ceną, przy czym spełniają to samo zadanie, często w nieco okrojonym zestawie wejść i wyjść. Jakkolwiek system Linux może podlegać modyfikacjom, zależnie od „oblatanego” 
Częściej spotyka się rozwiązanie, gdzie każdy sterownik silnika jest osobno usytuowany na płycie montażowej, zaś interpolator zadawania sygnału sterującego komunikuje się z komputerem, a tym samym z programem sterującym poprzez sygnał krok kierunek, czyli step dir. Sterowanie poprzez port LPT jest stosunkowo proste, ograniczeniem tego sterowania jest maksymalna prędkość zadawania pozycji silnika poprzez emisje iluś tam impulsów odpowiadających przesunięciu silnika o ileś tam kroków. Max prędkość zadawania tych sygnałów wynosi 25 kHz, jest to tzw. kernell speed.
System linux działa w trybie czasu rzeczywistego, więc ograniczona prędkość zadawania sygnału nie wpływa istotnie na zachowanie silnika, ponieważ czas przesyłu danych jest pozbawiony poślizgu czasowego, w przeciwieństwie do Windowsa, poślizg czasowy wynosi w okolicach 5ms, zależnie od długości przewodów sterujących.
Ponadto silnik krokowy najmocniejszy jest wtedy kiedy stoi, po uzyskaniu jakiejś tam prędkości obrotowej jego moment maleje, a po przekroczeniu tej prędkości charakterystyka silnika spada do zera, dlatego też silniki te najlepiej pracują przy niezbyt szybkich napędach, dokładność może być wysoka, nawet przy dużych obciążeniach, jednak istnieje niebezpieczeństwo utraty pozycji rzędu setnych części milimetra, a po przekroczeniu oporu momentu maksymalnego , błąd może sięgać i kilkadziesiąt mm, przy czym program sterujący tego „nie widzi”, ponieważ nie ma sprzężenia zwrotnego.
Silniki hybrydowe „easyservo”
To jest pewna odmiana silnika krokowego, który posiada sprzężenie zwrotne z systemem sterowania. Jeśli system wykryje błąd przekroczenia momentu to albo wyłącza oś, a przy poprawnej konfiguracji wyłączenia danej osi w programie sterującym – staje cała maszyna, zamiast jednej wyłączonej osi, lub „nadgania” pozycję utraconą, ponieważ enkoder zlicza ilość przesłanych i wykonanych impulsów. Jest to dość dobre rozwiązanie i stosunkowo tanie. Wadą jest brak wysokiej dynamiki napędu.
Serwomotory
Prawie same superlatywy. Serwomotor jest pod pełnym nadzorem, ma stały moment w prawie całym zakresie obrotów, niestety trzeba stosować przekładnie redukcyjne, gdyż moment siły nie jest zbyt wysoki w optymalnej prędkości obrotowej. Przekładnie obiegowe tzw. planetarne mają swoje charakterystyki odnośnie przenoszonego momentu obrotowego a także luzu międzyzebnego. Luz jest zmorą wszystkich przeniesień napędów. A im mniejszy, tym przekładnia droższa.
Jeśli chodzi o koszty, najtaniej wychodzą silniki krokowe a najdrożej serwomotory z przekładniami obiegowymi. Napędy hybrydowe są rozwijającą się alternatywą – zachowują się częściowo jak krokowiec a częściowo jak serwomotor.
Sposób zadawania pozycji z interpolatora jak wspomniałem wcześniej mamy przez lpt, usb lub ethernetem. Można spotkać interpolację usb, która odbywa się poprzez wysyłanie paczek sygnałów sterujących z komputera do elektroniki. Nie jest to złe rozwiązanie, ale trochę niewygodne, gdyż aby zatrzymać maszynę wciskając np. stop programowy, jakiś zasób paczki musi przepłynąć. Jest to okres czasowy rzędu sekund. Zaletą tegoż jest to, że można stosować w nowszych systemach komputerowych bez konieczności poszukiwania karty LPT.
Podobnie sprawa wygląda z przesyłem danych poprzez ethernet, gdzie transmisja sygnałów sterujących odbywa się poprzez kartę sieciową z prędkością 100 i więcej kHz, stąd tez silniki krokowe zyskują „nowe życie”, a hybrydy większą dynamikę.
Użytkownik zawsze wybiera to, co jest najmniej awaryjne, najmniej generuje błędów, ma niezłą dynamikę pracy i przy okazji nieźle wygląda.
CDN.
Projekty ploterów frezujących dostępne są pod adresem: https://www.ebmia.pl/111-projekty-maszyn-cnc
Projekt ploter frezujący CNC
Dużo przydatnej wiedzy podczas budowy maszyn cnc dostępna jest na forum CNC.info.pl pod adresem – https://www.cnc.info.pl/amatorskie-maszyny-cnc-f172.html
Zapraszamy do innego naszego artykułu pt. „Budowa frezarki CNC krok po kroku”
Oraz do artykułu pod tytułem „Jak zbudować frezarkę CNC”
