W artykule tym chciałbym opisać zasadę działania i proces tworzenia frezarki CNC. Zawsze chciałem mieć taką maszynkę a gotowe konstrukcje mają astronomiczne ceny.
Dla mniej zorientowanych w temacie: frezarka CNC, czyli Computerized Numerical Control - komputerowe sterowanie urządzeń numerycznych – jest urządzeniem potrafiącym wycinać dowolne kształty, zaprogramowane wcześniej. Tak więc rysujemy na kompie bryłę 3d i dostajemy za jakiś czas gotowy element.

Jak zbudowana jest taka frezarka? Jest wiele możliwych realizacji, ale ogólna zasada zawsze jest taka sama. Mamy wrzeciono, czyli silnik, w który montujemy frezy (bardzo podobne do wierteł, ale przystosowane do ruchów nie tylko góra-dół, lecz również bocznych). Wrzeciono to poruszamy w osiach X, Y, Z za pomocą serwomotorów albo silników krokowych.

Dwa powyższe obrazki pokazują moje projekty wstępne maszyny. Nie od tego jednak zacząłem. Na początku założenie było takie żeby zrobić to tanio :). Okazało się później, że to niemożliwe, ale o tym później. Pierwszym krokiem było kupienie na Allegro dwóch części z jakichś masywnych drukarek. Części te służyły zapewne do przesuwania głowicy, ale pomyślałem, że wykorzystam je. W zestawie były dość spore silniki krokowe. Szybko jednak doszedłem do wniosku, że maszyna zrobiona z tych części będzie… badziewna ;). Dlatego postanowiłem zainwestować w wałki szlifowane i łożyska liniowe:

Wałek jest zrobiony z hartowanej, szlifowanej stali, jest bardzo twardy, nie da się znanymi mi metodami go przewiercić ;). Łożysko liniowe to te dwa pudełka na dole. „Nadziewamy” je na wałek i suną bardzo lekko w lewo i w prawo, bez najmniejszych luzów w innych kierunkach.
Tutaj jednak chciałbym dodać o ugięciach materiału. Budowanie maszynki nauczyło mnie jednego: nie ma na świecie twardych rzeczy :). Weźmy stalowy gruby wałek o średnicy 2 centymetry i długości pół metra i podeprzyjmy go na końcach. Wydawałoby się, że opierając się z całej siły na środku wałek nie drgnie, prawda? Okazuje się, że ugnie się i to całkiem sporo – ugięcie będzie widoczne gołym okiem – ile dokładnie nie potrafię teraz powiedzieć.
Ale wróćmy do rzeczy. Konstrukcję postanowiłem zrobić z aluminium. W Krakowie są hurtownie metali kolorowych: Akord i Hart, gdzie kupowałem różne profile aluminiowe kilogramami.

Zabieramy się do pracy ;).

Oto zdjęcie z 24 grudnia. Pierwsze podejście do konstrukcji. Uważni obserwatorzy zapewne stwierdzą że wałki/prowadnice są tutaj nieco inne. Wałki takie jak na poprzedniej fotce są niepodparte, tutaj użyłem jednak podpartych, czyli przykręconych na całej długości. Dzięki temu ugięcia są wyraźnie mniejsze.

Powyżej wałek podparty z łożyskiem liniowym z bliska.
Jak widać wyraźnie suport, czyli część ruchoma maszyny przemieszcza się tylko w lewo i prawo. Nazwijmy to osią Y. Teraz trzeba umożliwić mu ruchy góra-dół, czyli oś Z:

Tutaj zastosowałem wałki niepodparte, ponieważ mają tylko po 25 centymetrów i ugięcia nie będą tak bardzo oddziaływać. Czas teraz wprowadzić suport w ruch. Ruch elementów realizuje się za pomocą śrub napędowych:

Z tyłu suportu znajduje się nakrętka, więc gdy zaczniemy kręcić śrubą, wszystko się poruszy. Do śruby później zostanie przypięty silnik krokowy. Tak wygląda moja nakrętka:

A tak wygląda konstrukcja z gotowymi niemal osiami Y i Z:

Na zdjęciu widać takie śmieszne elementy na końcach śrub. Do tych elementów zostaną przykręcone silniki krokowe. Zapytacie: dlaczego nie przykręcić silnika bezpośrednio do śruby? Te tajemnicze elementy to zwykłe rury mające w środku sprzęgła. Dlaczego podłączamy silniki przez sprzęgła? Żeby ich nie zniszczyć. Wiadomo, że nigdy nie uda się nam ustawić silnika idealnie w osi śruby, zawsze będzie minimalna rozbieżność, która powoli będzie powodowała zużycie silnika. Sprzęgła są jednak nieco elastyczne. Zagadka rozwiązana ;). Czas wziąć się za podstawę:

Do podstawy przykręciłem wałki podparte i po złożeniu wszystkiego do kupy efekt jest taki:

Trzeba przyznać że maszynka nabiera kształtów :). Na potrzeby tego zdjęcia stół tylko luźno leży na łożyskach liniowych – na przykręcenie czas przyjdzie później.
Teraz coś może o stole. Użyłem aluminiowego stołu teowego. Nazwa pochodzi z rowków teowych na jego długości:

Stół udało mi się zamówić po znajomości, jest to solidny stół z dwucentymetrowego aluminium. Pomiędzy stół a łożyska dałem kolejną płytę aluminium:

Jest ona po to, aby nie trzeba było wiercić w stole na wylot. Płyta spaja stół i łożyska liniowe.
Na poniższym zdjęciu cała podstawa razem z płytkami maskującymi przód i tył oraz śrubą:

Przyszedł czas by kupić wrzeciono:

Jest to elektrowrzeciono o mocy 1kW firmy Kress. Kosztuje ok. 700zł, ale nie ma żadnej tańszej alternatywy ;).
I tak oto mamy gotową do frezowania maszynę, lecz jeszcze bez silników krokowych:

27 lutego tego roku miało miejsce ważne wydarzenie – pierwsze odpalenie maszyny sterowane komputerowo. Wyglądało to na początku tak:

I tutaj chciałbym powiedzieć coś na temat sterowania maszyny.
Na początku trzeba zrobić projekt. Tworzymy go w programie CAM. Ja używam programu Mastercam:

Po skończeniu modelowania bryły musimy wygenerować ścieżki narzędzia. Przykładowo mamy frez o średnicy 8mm, więc wprowadzamy to do mastercama, który generuje kod G. Proponuję wpisać w wikipedię G-code, gdzie jest on dokładniej opisany. Tak wygenerowany g-code nagrywam na pendrive i lecę do komputera sterującego maszynką.
Komputer sterujący maszyną ma zainstalowany program Mach 3, który zajmuje się bezpośrednim sterowaniem maszyną:

Mach 3 generuje impulsy na porcie LPT a port LPT jest połączony ze sterownikami silników. O sterowaniu silnikami krokowymi można napisać kilkadziesiąt stron tekstu. Jak wiecie silnik krokowy nie kręci się po prostu po podłączeniu zasilania jak „zwykłe” silniki. Silnik krokowy ma przykładowo 200 kroków na jeden pełny obrót i sterujemy nim zawsze obracając go o jeden krok w lewo lub w prawo. Dlatego silniki krokowe mają wiele wyprowadzonych kabli i wymagają specjalnych sterowników, które nie są tanie. Mam sterowniki M542 na około 40V i 4A i jedna sztuka to ok. 250zł. Oczywiście trzeba 3 sztuki – do każdego silnika osobny.
Tak więc sygnały z portu LPT idą do sterowników silnika krokowego. Sterowniki zasilamy napięciem 40V i podłączamy do silników.
Tak wygląda sterowanie maszyną w baaardzo wielkim skrócie. Oto gotowa skrzynka sterująca:

Oraz gotowe stanowisko pracy:

Wybaczcie niesamowity syf i ogólny sajgon, ale maszynka jest dopiero co po frezowaniu a zdjęcie wykonano w piwnicy, gdzie jest jej miejsce ;). A teraz czas na filmik z frezowania:

Dziękuję za uwagę, mam nadzieję, że nie zanudziłem nikogo na śmierć ;).