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Progetto CNC Amatoriale.

In questo disegno abbozzato ci sono le principali componenti della struttura di una CNC, cioè il ponte che permette il movimento della fresa nelle tre dimensioni (X, Y e Z) e la base che lo sostiene sulla quale si posiziona il pezzo da lavorare.


Il movimento avviene tramite dei motori che azionano una vite e grazie ad una chiocciola (fissata sull'asse interessato) il movimento rotatorio si trasforma in movimento lineare.
Di queste viti e relative chiocciole, o madreviti, ce ne sono di diversi tipi con prestazioni e precisione diversi e ovviamente diversi prezzi, si va dalla comune barra filettata fino alle viti con chiocciola a ricircolo di sfere che costano parecchi euro al cm lineare. Per un progetto come quello che andiamo a studiare le viti "rullate" con chiocciola in ottone sono sufficientemente prestanti senza incidere sconsideratamente sulla spesa (vedi immagine).


Stesso discorso riguarda le guide su cui scorrono gli assi, anche qui si arriva fino a guide su pattini che hanno una resistenza alla torsione ed una precisione elevatissima, ma anche dei prezzi da capogiro e che sarebbero esagerate per un simile progetto, con dei cuscinetti lineari e delle barre rettificate in acciaio si ottengono già dei buoni risultati. (vedi immagine)

Per il capitolo motori ci sarebbero da spendere pagine e pagine di post, mi limiterò a dirvi che a questi livelli (ed anche un po' più in su) si usano motori passo-passo o step motor, cioè che si muovono ad impulsi, nel nostro caso dei motori con standard Nema 23 (vedi immagine) sono sufficienti e non eccessivamente cari. I motori di questo tipo generalmente effettuano la rotazione divisa in gradi, comunemente 1.8 gradi a step, ne consegue che occorrono 200 step perché si compia una rotazione completa (360 gradi), se si utilizzerà una vite con passo 4 della filettatura ad ogni giro l'asse si sposterà di 4 mm, quindi essendo necessari 200 step per far scorrere la guida di 4 mm si avrà una precisione di 4/200 mm ad ogni step del motore, e saranno necessari 50 step per spostarsi di 1 mm.

Per comandare questi motori è necessaria una scheda di interfaccia, per una macchina come quella che studieremo una scheda a tre assi con collegamento alla porta parallela (quella della stampante) viene in media venduta a circa 100 euro ed insieme viene fornito il software da installare su PC. Naturalmente in commercio ci sono schede che comandano più assi e che sono in grado di comandare anche il mandrino elettrico ed altro. Il mandrino elettrico altro non è che una fresatrice fissata sull'asse Z della macchina, la classica fresatrice a pantografo come la vendevano una volta, e cioè che si poteva staccare dal supporto e rimaneva solo il motore. Alcuni, senza molte esigenze, utilizzano utensili tipo Dremel, ma sia la potenza che le dimensioni delle frese applicabili sono, a mio avviso, troppo limitate. Non voglio fare nomi di marche, ma un mandrino con almeno 1000 w di potenza è necessario.
Purtroppo questa macchina non si muoverà automaticamente senza una serie di istruzioni, e per fare questo senza impazzire ci vuole un software CAM, ovvero un programma che trasforma un disegno eseguito su CAD in istruzioni per il posizionamento degli assi. Per quasi tutte le schede di interfaccia è comunque previsto il collegamento ad uno joystick ed è possibile effettuare movimenti anche usando i tasti della tastiera del PC, ma verrebbe a mancare la precisione e l'affidabilità del controllo numerico, questi metodi vengono usati solo per posizionare la macchina al punto di partenza desiderato sul pezzo da lavorare.
Spero di essere stato abbastanza chiaro in questa descrizione generale, altrimenti puoi andare a questa pagina dove la descrizione è più approfondita
La struttura
Per il legno si usa comunemente del MDF da 20 o più mm a seconda di quanto deve essere grande la struttura, questo perché l'MDF è abbastanza regolare e non soggetto ad eventuali deformazioni a causa di umidità ecc... Nell'immagine che segue si vede l'esploso della base che ospiterà le guide e la vite con relativo motore per l'asse Y.


Vedendo il disegno ci si può far ingannare dalla semplicità, sono solo 4 pezzi di MDF, ma non è così semplice. Infatti, oltre a dover essere assemblati in modo perfetto e più resistente possibile, sulle due testate devono essere praticati i fori per le barre d'acciaio, nonché per il cuscinetto ed il motore della vite.
Tali fori vanno eseguiti con precisione maniacale, perché devono fissare fermamente il tutto, ma anche solo un millimetro di scarto potrebbe compromettere il regolare scorrimento dei cuscinetti collegati al ponte o potrebbe far sforzare eccessivamente il motore che fa girare la vite. Di seguito un’immagine in prospettiva laterale di come potrebbero essere fissate le barre in acciaio, tenendo conto che devono poter essere rimosse per manutenzione/sostituzione dei cuscinetti. Per un progetto come questo le barre dovrebbero avere un diametro di 20 mm per una lunghezza massima di 1000 mm, di conseguenza i fori, sia quello passante che quello cieco.


Per le misure utilizzerò un modello che dovrebbe dare il senso delle proporzioni (oppure usatelo paro pari) sul quale eseguire fori ecc...
Per l'assemblaggio usate il metodo preferito o che ritenete dia più robustezza al tutto (più è robusta e stabile e meglio è). Con queste proporzioni dovreste avere la possibilità di lavorare pezzi delle dimensioni di circa 70X30 cm, e sinceramente io non andrei oltre. Di seguito un’immagine con le misure su cui andare avanti.


Nella costruzione della struttura l'importante è che eventuali rinforzi non ostacolino il movimento del ponte, per quanto riguarda la vite, da un lato è fissata al motore tramite un giunto e dall'altra c'è un cuscinetto il cui tipo dipende anche dal diametro della vite. Esistono dei supporti per le barre, ma nell'ottica del risparmio... dove non è necessario...
Per la chiocciola vorrei specificare un paio di cose, una è che la chiocciola deve comunque essere di un materiale diverso rispetto alla vite, questo per evitare il grippaggio delle due, infatti in meccanica dove ci sono elementi che per qualsiasi motivo vanno in attrito tra di loro (es. cilindro e pistone, vite e madrevite...) si usano sempre materiali diversi e di durezza il più possibile utile a supportare lo stress, tendenzialmente il materiale meno resistente si utilizza nella parte più facilmente sostituibile.
Per i supporti e i cuscinetti il discorso è il seguente:
Supporti e cuscinetti lineari per le guide o cuscinetti per la vite ce ne sono di svariai tipi, nelle foto che seguono si vedono un tipo di supporto per la barra e i cuscinetti sia con che senza supporto.



In questa si vedono invece due tipi di cuscinetto per la vite, uno con flangia e sede con grani per il bloccaggio e l'altro di tipo comune.

I supporti per le barre non sono più adatti come resistenza di un foro fatto con la dovuta precisione, non per questo progetto almeno, e non sono neppure più facili da allineare... anzi, si rende obbligatorio usarli nel caso che la struttura non sia dello spessore sufficiente a creare delle sedi stabili e costano in media 5 euro che moltiplicati per 12 che è il numero che servirebbe fanno 60 euro. Identico discorso per i cuscinetti lineari applicati alle barre, ma qui la differenza di prezzo è inferiore, 25, 30 euro totali.
I cuscinetti per la vite hanno un prezzo simile, la vera differenza sta nel fatto che con il cuscinetto flangiato, se non si ha l'attrezzatura (un tornio per metallo), al momento dell'ordine al venditore si devono specificare con precisione sia la lunghezza della vite che la lunghezza della parte tornita del diametro adatto al cuscinetto, mentre con un cuscinetto comune basta che solo il lato collegato al motore sia tornito, mentre l'altro lato si infilerà tale e quale nel cuscinetto, questo semplifica le misurazioni, basta abbondare di qualche centimetro ed al momento del montaggio provvedere a tagliare la parte in eccesso.
I motori più usati per una CNC ai nostri livelli sono quelli con standard Nema 23. Si tratta di uno standard che riguarda la flangia del motore, quindi larghezza corpo, distanza dei fori per le viti ecc... (vedi immagini)

                                             
Con questi parametri si dovranno eseguire i fori sulla struttura, la seconda immagine è in scala 1:1, l'ho fatta perché venga usata tipo cartamodello, se la stampate (verificate di averla stampata delle dimensioni esatte) e l'applicate sulla superficie del legno avrete la possibilità di marcare i punti in cui forare e vi semplificherete la vita... (normalmente viti diametro 5,5 e perno diametro 20-25mm nonché una gola profonda 2mm delle dimensioni del cerchio tratteggiato).
La principale differenza che c'è tra i vari motori di questa classe è la resistenza alla torsione, cioè quanto resiste da fermo ad una forza che cerca di far girare il suo perno e la forza di torsione che è a sua volta in grado di generare. Per le nostre esigenze tre motori con coppia di 1.1x Nm potrebbero essere sufficienti, ma 1.9 Nm sarebbero perfetti (io ho montato questi), i prezzi si aggirano intorno ai 25 euro l'uno per i primi e 35 per i secondi. Altra differenza che si riscontra è il diametro e la lunghezza del perno, i più diffusi hanno un diametro di 6,35mm e una lunghezza di 20 mm, ma ci sono misure diverse. Le misure del perno sono importanti nel momento in cui si va ad acquistare i giunti per la vite, io consiglio di acquistarli e non auto-costruirli perché il loro costo varia tra i 6 e gli 8 euro l'uno e ne servono solo tre. I giunti che vi consiglio sono in alluminio ed hanno una struttura a spirale (vedi immagine) che gli conferisce elasticità, in questo modo si assorbono sia eventuali piccole imperfezioni di rotazione della vite che gli strappi dovuti alla partenza/arresto e cambio direzione del motore.


A questo punto direi che si può cominciare ad abbozzare dei disegni con le dimensioni dei pezzi per cominciare a costruire. Tutte le componenti diverse dalla struttura in legno le vedremo di volta in volta che si presenterà l'occasione, così in caso di correzioni nella struttura non ci sarà bisogno di adattarle (escluso i motori per cui le dimensioni sono standard), quindi l'eventuale ordine di barre, cuscinetti e viti io la rimanderei a fine progetto... non ci vorrà molto, soprattutto con l'aiuto di persone esperte.
Di seguito i disegni con le misure delle due testate della base. Queste misure e quelle di tutti i disegni che seguiranno sono proporzionati per il progetto che ho descritto prima, nel caso voleste modificare qualche particolare tenetene conto. Se invece decidete di seguirli tali e quali dovete usare anche le parti meccaniche che di volta in volta elencherò.
Nella prima immagine vorrei solo, con uno schizzo, dare un’idea di come potrebbe essere assemblato lo scheletro portante della base...


Questa è solo un’idea.
Ora i disegni veri e propri. Il primo rappresenta, con le misure per i fori e le gole, la testata dal lato che ospiterà il motore...


notate che i fori per la barra che avrà un diametro di 20mm non sono passanti, sono in realtà delle gole, il diametro di queste gole deve essere il più esatto possibile, meglio se la barra entra a forza piuttosto che balli. Un’altra piccola gola si trova dove sarà fissato il motore, questa deve essere profonda 2mm e del diametro del cerchio tratteggiato del cartamodello che ho postato (38mm), mentre il foro per il perno deve avere un diametro di 25mm dal momento che ospiterà anche il giunto collegato al perno del motore, per le viti un foro da 5,5mm va bene.
Il prossimo disegno si riferisce alla testata dal lato del cuscinetto per la vite...


CONTINUA...

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