Guida CNC 2 - Hobby meccanica

Hobbymeccanica
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Questa è una breve panoramica di come in linea generale è composta una CNC (acronimo di Computer Numerical Control), nell'elencare i componenti principali della macchina ho menzionato, oltre alla struttura che abbiamo appena visto, anche il computer con relativo software, la scheda elettronica ed i motori, questo è quello che andremo a vedere con i prossimi post. Per completezza di informazione devo dire che per CNC si intendono tutte quelle macchine che eseguono lavorazioni comandate da un sistema a controllo numerico, quindi non solo le frese come nel nostro caso, ma anche torni, tagliatrici ecc...
Se si visualizza una CNC e le funzioni collegate in modo schematico viene fuori quello che vedete nell'immagine che segue...


Nella panoramica tratterò:
• MOTORI
• SCHEDA ELETTRONICA (AZIONATORE)
• COMPUTER (CONTROLLORE)
• SOFTWARE (CAD - CAM)

Come ho già detto nel progetto di costruzione, di motori utilizzabili per una CNC ce ne sono di diversi tipi e potenza, e sarebbe assurdo perdersi in descrizioni delle peculiarità di elementi che non interessano. I più usati, soprattutto al nostro livello sono quelli passo-passo. Non starò qui a ripetere quanto già detto in precedenza ma integro dando i particolari dei collegamenti elettrici. I motori di tipo Nema 23 che andremo ad usare hanno quasi sempre quattro fili per il collegamento alla scheda, questi fili sono codificati per colore e nell'immagine che segue si vede la codifica a cui sono abbinati...


Questo schema vi sarà utile al momento dei collegamenti alla scheda elettronica.
Con questa ultima informazione, unita a quello che ho scritto all’inizio, credo di aver dato un’idea abbastanza utile, per quanto necessita al nostro progetto, dei motori che andremo a montare.
Spero di non essere eccessivamente ripetitivo, e soprattutto di non offendere nessuno, quando dico che trattare certi argomenti molto in profondità non credo sia utile. Sono convinto che una volta acquisite le nozioni di base, possa essere più proficuo accedere ai vari trucchi che permettono di utilizzare al meglio lo strumento, piuttosto che avere conoscenze di elettronica della macchina e non sapere come va posizionato il materiale e le varie fasi che determinano un risultato finale di buona fattura... se mi sbaglio ditemelo.
Comunque... andando avanti, connesso ai motori si trova l'azionatore, ovvero una interfaccia che funge da tramite tra il controllore (computer) ed i motori stessi. Questo azionatore può essere fisicamente rappresentato da una serie di elementi oppure, molto più spesso, da una singola scheda elettronica, come sarà nel nostro caso. Il compito dell'azionatore è quello di trasformare in impulsi elettrici ai motori i segnali digitali provenienti dal controllore. Nelle CNC della fascia che a noi interessa questo azionatore è quasi sempre composto, come detto, da una singola scheda che raggruppa tutti gli elementi necessari ad azionare i motori, quindi ha una sezione che si occupa di alimentare i motori, una che ne determina la direzione, la velocità ecc... ed una serie di collegamenti con l'esterno. Oggi come oggi una scheda di questo tipo, in grado di pilotare 3 motori (uno per ogni asse) come serve a noi, costa tra i 60 ed i 100 euro, e la differenza di prezzo in genere la determina la qualità dei materiali utilizzati nell'assemblaggio.
Quella che montai io a suo tempo costa intorno agli 80 euro e vi posso garantire che gli faccio fare una vita infame eppure funziona a meraviglia.
Io userò come esempio quella che ho montato io, ma quasi tutte sono simili come struttura e tipi di collegamenti, le differenze sono molto trascurabili. Di seguito metto l'immagine tratta dal manuale della scheda.


Come è descritto nell'immagine queste schede hanno tre tipi di ingressi (oltre a quello per l'alimentazione 12/36 V DC); quello PC-LPT è l'unico che sicuramente useremo ed è quello che connette fisicamente la scheda al computer tramite un comune cavo per stampante (in genere fornito insieme alla scheda) per l'appunto alla porta parallela della stampante. Gli altri due sono, uno per l'interfaccia manuale (joystick o simile) che raramente viene utilizzato (io uso i tasti con le frecce della tastiera del PC) e l'altro raggruppa una serie di contatti (PIN) che vengono collegati ai pulsanti per lo stop d'emergenza (E-STOP) e a quelli usati per definire i limiti fisici della macchina, anche questi usati (sempre ai nostri livelli) raramente, perché per l'E-STOP si usa un pulsante d'emergenza che toglie del tutto l'alimentazione alla macchina, come nei banchi sega ecc... per intenderci, e per i limiti della macchina è più semplice gestirli con il software come vedremo in seguito. L' uscita Relay ha la funzione di comandare attraverso un relé l'accensione di un sistema, ad esempio, di raffreddamento o di aspirazione delle polveri nel momento in cui si comincia la lavorazione, e di spegnerlo al termine.
L'uscita Spindle interface serve invece per comandare l'accensione/spegnimento e la velocità dell'elettro-mandrino, anche in questo caso viene usata molto raramente, perché quasi tutti gli elettro-mandrini che si usano ai nostri livelli non hanno la possibilità di essere collegati direttamente a questo tipo di uscite, e smontarli per eseguire modifiche è un lavoro per esperti.
Le uscite contrassegnate come X Y Z sono quelle che andranno collegate direttamente ai motori, si tratta di uscite composte da una serie di morsetti, 4 per ogni uscita, e vanno connessi al rispettivo motore che azionerà l'asse specificato. Queste uscite sono contrassegnate con la sigla dell'asse che andranno a comandare, ed ogni morsetto è a sua volta contrassegnato con la sigla del filo corrispondente sul motore, se guardate nuovamente l'immagine del motore che ho postato in precedenza vedrete che per ogni filo ed ogni colore è abbinata una sigla, la stessa sigla si trova sulla scheda in corrispondenza di ogni morsetto. Quindi avremo una morsettiera con 4 morsetti contrassegnata dalla sigla X e ognuno di questi 4 morsetti sarà contrassegnato con A+ A- B+ B-, seguendo la codifica dei colori vista in precedenza basterà inserire il corrispondente cavetto in base al colore e stringere la vite, questo per ognuno dei tre assi/motori rispettando ovviamente il montaggio degli stessi sulla struttura.
Una particolarità che è ormai presente su praticamente tutte le schede sono quei tre blocchetti azzurri con la dicitura Operating current sub-setting, si tratta di una serie di micro interruttori che a seconda di come vengono impostati (ON o OFF) permettono di dividere in frazioni ogni step del motore, normalmente 1 step oppure 1/2, 1/4, 1/8 ed 1/16 di step, ciò significa che pur incrementando della stessa misura il giro del motore questo può avvenire con un singolo impulso o con una serie più breve di impulsi, per intenderci, riportando quanto detto nel progetto di costruzione, se per spostare l'asse di 1 mm servono 50 step, settando in modo diverso questi microinterruttori ad esempio su 1/2, ce ne vorranno 100.
A prima vista potrebbe sembrare un ottima scelta settare sul massimo della divisione gli step, ma non è così, perché se la meccanica della macchina non è formata da elementi estremamente precisi si perde in realtà di precisione, un buon settaggio nel nostro caso potrebbe essere 1/2 di step, perché determinando scatti più brevi del motore ne aumenta la fluidità di movimento e nello stesso tempo non compromette la precisione della lavorazione... poi potete fare esperimenti a piacere, non si corre nessun rischio. Le modalità di settaggio sono fornite con le istruzioni della scheda.
L'alimentazione della scheda è fornita da un alimentatore esterno, questo alimentatore deve avere una potenza sufficiente ad alimentare anche i motori, quindi se montiamo dei motori che necessitano di 2,8A, ad esempio, l'alimentatore deve avere una potenza non inferiore, ma anzi superiore a questo valore, il calcolo si fa moltiplicando per il numero dei motori la potenza di ognuno + 2A, quindi, per esempio, 2,8*3+2. Chi decidesse di realizzare questo progetto, al momento di acquistare la parte elettrica/elettronica della macchina si accorgerà che tutti e tre questi elementi, ovvero motori, scheda ed alimentatore, vengono spesso venduti in kit e sono già dimensionati l'uno per l'altro... molto semplice.
Dunque, dopo i motori e la scheda che li controlla è il turno del computer/controllore. Il compito del controllore è quello di inviare segnali al microprocessore della scheda, il binomio computer/controllore deriva dal fatto che il PC (nel nostro caso) ha installato sul proprio disco un software controllore, è questo software che traduce le istruzioni in un linguaggio comprensibile al microprocessore della scheda. Di versioni di questo software ce ne sono diverse, alcune scaricabili anche gratuitamente (anche se molto difficili da configurare e utilizzare), il più diffuso, soprattutto a livello amatoriale è Mach3 (quello che utilizzo io), che pur non essendo gratuito ha un costo accessibile, ed è scaricabile anche in una versione gratuita con delle limitazioni in fatto di grandezza dei file utilizzabili. I file utilizzabili da questi software sono dei comuni file di testo che contengono una serie di istruzioni codificate secondo degli standard ISO, il linguaggio utilizzato è il G-CODE. Ora se non vi siete già spaventati abbastanza vi posto un’immagine di come si presenta la videata di questo software...


Nella videata sono presenti tutti i controlli che utilizzeremo sulla nostra CNC, ed anche una serie di comandi che non utilizzeremo mai, almeno non in questo progetto. Ora... non sapendo se realizzerete mai questo progetto, né se utilizzerete questo software piuttosto che un altro, concluderei l'argomento dicendovi solo che con la maggior parte delle schede viene fornito questo programma, in alcuni casi (come è successo a me) con la licenza completa per l'utilizzazione, in altri casi nella versione limitata.
Tornando al linguaggio di istruzioni ISO, il G-CODE, vi dirò che in generale si tratta di un linguaggio molto semplice, che contiene pochi comandi, si compone essenzialmente di 6 lettere, ognuna con un’istruzione per la macchina e per l'utilizzo degli utensili, il resto sono le coordinate in cui si deve trovare la fresa sul piano di lavoro.
La difficoltà vera dell'utilizzo di questo linguaggio non sta tanto nei comandi, molti vengono dati solo ad inizio e fine lavorazione, quanto nel numero di righe di coordinate da digitare per completare una lavorazione, infatti per ogni spostamento della fresa bisognerà inserire il punto di arrivo e a quale asse si riferisce, vi posto uno spezzone di codice di un disegno che ho realizzato...
T1M6
G17
G0Z5.000
G0X0.000Y0.000S12000M3
G0X-35.000Y-94.304Z5.000
G1Z-0.700F600.0
G1X35.000F1200.0
Y-92.704
X-35.000
Y-91.104
X35.000
Y-89.504
X-35.000
Y-87.904
X35.000
Y-86.304
X-35.000
Y-84.704
X35.000
Y-83.104
X-35.000
Y-81.504
X35.000
Y-79.904
Questo è l'inizio di un file di alcune migliaia di righe.
Capirete che per utilizzare veramente una CNC in modo utile si necessita di un altro software che traduca il disegno che avrete realizzato in linguaggio G-CODE (codice G).
Questi software sono denominati CAM o post processori, e la loro funzione è, appunto quella di trasformare un disegno in una serie di istruzioni in codice G, partendo infatti da un disegno eseguito su CAD, o comunque in formato vettoriale, una volta impostate le dimensioni del materiale (larghezza, lunghezza spessore) e la modalità di lavorazione (profondità di fresatura ed altro...) essi generano il così detto percorso utensile, che altro non è che la serie di istruzioni in codice G. Anche per i CAM vale lo stesso discorso dei CONTROLLORI, ovvero, ne esistono diverse versioni, ed anche in questo caso le versioni gratuite sono difficili da utilizzare, mentre altre versioni a pagamento fanno quasi tutto da sole. Il neo è rappresentato dal prezzo elevato della maggior parte di questi programmi (si parla di 1000 euro in su) anche se ne esistono delle versioni più che adatte ai nostri scopi che superano di poco il centinaio di euro, ed io ho appunto un paio di queste versioni. Non so quanto sia utile entrare nel dettaglio dell'utilizzo di questi programmi, aspetto eventualmente vostre domande, concluderò con un breve riassunto di quanto detto: Il CONTROLLORE è un programma installato sul PC collegato alla SCHEDA tramite cavo tipo stampante e invia una serie di istruzioni alla stessa, il CONTROLLORE ha a sua volta bisogno di una serie di istruzioni, queste istruzioni sono in codice ISO e prendono il nome di G-CODE, per generare più semplicemente il G-CODE si ricorre ad un programma detto CAM, il quale genera queste istruzioni partendo da un disegno in formato vettoriale o CAD.
Spero di non avervi spaventato o confuso...
Percorrendo mentalmente l'argomento, e rileggendo la discussione, credo di aver toccato bene o male tutti gli argomenti necessari per farsi un’idea di come è fatta e di come funziona una fresa CNC. A questo punto direi che ho esaurito, naturalmente in linea generalista, l'argomento.
Buona fortuna e buon divertimento.

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