Budowa mini CNC -pierwsze kroki

Po dłuższej przerwie spowodowanej tworzeniem pewnego projektu (opis już wkrótce 🙂 )  przyszła kolej na coś nowego na moim blogu. Parę lat temu marzyło mi się stworzenie własnej obrabiarki CNC by ta odciążyła mi trochę ręcznej pracy w warsztacie. Nadeszła odpowiednia chwila aby przekuć to na rzeczywistość i wziąć się do pracy. W pierwszym artykule omówię zastosowane komponenty do sterowania napędem maszyny.

Istota działania maszyny CNC  

Załóżmy, że zachodzi potrzeba wykonać prostokątny otwór pod wyświetlacz w obudowie do jakiegoś projektu np. zasilacza. Trzeba określić jego położenie , wymierzyć, wyrysować i wyciąć otwór. Z własnego doświadczenia wiem, że zazwyczaj nie jest to łatwym zadaniem szczególnie kiedy pole jest w małym kształcie przykładowo pod mały wyświetlacz siedmiosegmentowy LED. Ciężko jest bowiem uzyskać prawidłowy otwór w poziomie czy pionie z dokładnością do milimetra.  Czy nie było by wspaniale wykonać sobie layout na komputerze, a następnie za pomocą frezarki zrobić wymagane otwory z dokładnością dziesiątek milimetra. Ten przykład jest pewnego rodzaju przedstawieniem idei maszyn mini CNC w domowym warsztacie. Tak naprawdę możliwości takiego urządzenia są ogromne i zależą przede wszystkim od jego konstrukcji i kreatywności operatora. Dwie osie X oraz Y tworzą nam płaszczyznę, czyli pole robocze nad którym osadzone jest wrzeciono ( lub laser) mogące wykonywać ruchy od góry do dołu w tzw. osi Z. W ten oto sposób mamy możliwość wykonania cięcia o dowolnym kształcie. Jak zwykle za wszystko odpowiadam elektronika sterująca silnikami, a zatem pracą maszyny. Zintegrowana jest ona z komputerem zwykle przez port USB  ( coraz rzadziej port LPT) natomiast przez zainstalowany w nim programie możemy kontrolować pozycję w jakiej znajdują się silniki krokowe. Z kolei aplikacja mając format rysunku wykonanym w odpowiednim programie graficznym generującym G-code umożliwia uzyskanie otworu we frezowanym materiale.

Powyższa sytuacja jest tylko zobrazowaniem jednej z możliwości takiego urządzenia bo ta posiada znacznie rozbudowane funkcje np. grawerowanie, wiercenie frezowanie itd. Postęp elektroniki pozwala hobbystom budować coraz ciekawsze rzeczy tak więc wielu czytelników z pewnością podzieli moje zdanie co do przydatności takiego cuda w warsztacie. 🙂

Poniżej animacja 3D  przykładowej konstrukcji maszyny mini CNC :

Sterownik

Sterownik frezarki CNC jaki użyłem to układ BL-USBMach-2.1 współpracujący z komputerem przez interfejs USB. Natomiast za pracę maszyny odpowiada program Mach 3 ( płyta CD dołączona z programem i licencją). Zapewnia sterowaniem pięcioma silnikami krokowymi, czyli oprócz podstawowych 3 osi możemy obsłużyć inne układy np. podajniki, pompy chłodzące, kurtynę i przede wszystkim czujniki. Istotną rzeczą jest to, że sterownik może sterować silnikiem osi z częstotliwością 100 kHz. Układ jest zbudowany z wejść/wyjść optycznie odseparowanych od podłączonych do nich komponentów przez co sterownik jest skutecznie zabezpieczony przed uszkodzeniem z powodu przepięć. Podobnie nie musimy się obawiać o usterkę portu USB komputera, który także jest w taki sposób chroniony. Moduł posiada ważne dla projektu linie wejść do których mamy możliwość podłączenia „Grzyba bezpieczeństwa” tzw. E- stop oraz krańcówek czy czujników chroniących układ napędowy osi X, Y oraz Z. Producent zadbał także o 4 wyprowadzenia wyjść do sterowania zewnętrznymi układami takimi jak odkurzacz, oświetlenie maszyny itd. Do dyspozycji mamy również możliwość skorzystania z analogowego oraz cyfrowego układu PWM przykładowo sterującymi kolejno analogowym falownikiem, obrotami silnika stałego DC. Do zasilania sterownika można wykorzystać zasilacz o napięciu znamionowym 12-24 V DC. Wszystkie wyprowadzenia zostały  umieszczone na zaciskach śrubowych ARK natomiast silniki można podłączyć także do gniazd XH 2.54.

Sterownik CNC- zestaw

Drivery silników krokowych

Podstawową funkcją tych elementów jest podanie odpowiedniej wartości impulsów do podpiętego doń silnika krokowego. Opisywany układ zbudowany jest na module TB6600 natomiast wszystkie wejścia/wyjścia są odizolowane optycznie co zapewnia ochronę samej płytki sterownika. Prąd jaki zapewnienia ten driver wynosi maksymalnie 4 ampery, lecz może być zmniejszony za pomocą switchów S4, S5, S6 umieszczonych w układzie. Ten driver ma również możliwość ustawienia 6 trybów podrzędnych-podziału kroków (1/2/4/8/16/32) przełącznikami S1, S2, S3. Ważną informacją jest to, że moduł posiada wspólną anodę (DIR+,ENA+,PUL+ są na potencjale ze sterownika ) natomiast katodami sterujemy pracą silnika krokowego. Według producenta sygnał na wyjściach drivera jest maksymalnie pozbawiony zniekształceń oraz opóźnień 😛 . Moduł prócz ochrony optycznej ma także termiczne zabezpieczenie przeciw przeciążeniowe. Tym układem możemy sterować silnikami unipolarnymi jak i bipolarnymi z dwoma lub czterema fazami.

Drivery do silników krokowych

Silniki krokowe

Do budowy swojej frezarki CNC  wybrałem silniki japońskiej marki Vexta model              C6838-9212K-C4. Jest to napęd bipolarny dwufazowy przy czym 200 kroków daje jeden pełen obrót jego osi. Tak, więc na jeden krok wychodzi kąt 1.8 stopnia. Prąd jaki pobiera wynosi 2.8 A natomiast napięcie zasilania ma wartość 2.57 V DC co daje nam opór 1.09 Ω. Niestety nie udało mi się odszukać informacji o momencie silnika oraz wartości indukcyjności jego uzwojeń. Pomimo to uważam, że w pełni posłużą one do projektu mojej frezarki, a ich praca zostanie skalibrowana już przez program Mach 3 podczas pierwszych uruchomień maszyny.

Silniki krokowe

Zasilacz prądu stałego

Aby wyżej opisane układy mogły pracować odpowiednio niezbędne jest wykorzystanie odpowiedniego zasilacza prądu stałego zapewniającego napięcie 24V i minimum 10 amperów natężenia prądu. Zastosowany prze zemnie moduł jest zasilaczem impulsowym dającym maksymalnie 14.5 A i służącym jako zasilanie układów LED. Moc na poziomie ok 350 wat wystarczy w zupełności do zasilenia trzech silników krokowych oraz kilku innych dołożonych modułów do projektu. Element ten posiada ochronę termiczną przed nadmiernym obciążeniem, a w konsekwencji przegrzaniem modułu. Zasilacz zabudowany jest w metalowej obudowie (ekranowanie) natomiast na zaciskach śrubowych mamy możliwość podłączenia przewodów : zasilanie 230V po prawej stronie oraz po trzy zaciski GND oraz +24V DC.

Zasilacz prądu stałego 24V/15A

Zapraszam na filmik przedstawiający omówione wyżej opisanych komponentów.

 

 

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *