Guida Completa alla Costruzione di una Fresatrice CNC Fai da Te per Metalli

Stai imparando e facendo ricerche su come realizzare i tuoi kit CNC per principianti? Leggi questa guida fai da te su come costruire una macchina CNC passo dopo passo partendo da zero. Imparare a costruire una macchina CNC da zero è più facile di quanto si possa pensare. Abbiamo suddiviso il processo fai da te in una serie di passaggi facili da seguire per i principianti. Dall'acquisto di parti all'installazione del software, la nostra guida fai da te ti guiderà attraverso come realizzare facilmente la tua macchina CNC.

Quando si parla di macchine CNC, tutti penseranno al loro costo elevato e alle complesse operazioni di programmazione, che ci fanno sentire incomprensibili al riguardo. In realtà, conosciamo e impariamo il CNC realizzando alcune semplici macchine CNC a basso costo, che ci ha permesso di passare da principianti a esperti nella moderna tecnologia CNC. Costruire la tua fresatrice CNC è un ottimo modo per risparmiare denaro e avere una macchina personalizzata su misura per le tue esigenze specifiche. Con alcuni strumenti di base e alcune conoscenze di base, puoi costruire una fresatrice CNC in grado di eseguire una varietà di compiti.

Cos'è una Macchina CNC?

Una macchina CNC è un utensile elettrico automatizzato che utilizza un programma per computer per controllare il motore per azionare i 3 assi X, Y e Z per muoversi avanti e indietro lungo il percorso utensile generato dal software CAD/CAM in base ai comandi del codice G. Infine, l'utensile sul mandrino completa i risultati di intaglio, taglio e fresatura. Le macchine CNC sono molto utili per i produttori poiché permettono di fabbricare parti personalizzate in legno, plastica o metallo alle dimensioni esatte definite in un modello CAD (Computer-Aided Design).

Caratteristiche e Ambiti di un Progetto CNC Fai da Te per Metalli

La difficoltà del fai da te di una macchina CNC risiede nell'elevato costo dei kit macchina e nella difficoltà di lavorazione, e l'impostazione e l'uso del software sono relativamente semplici. Dopo un mese di studio e ricerca sulla CNC, ho deciso di costruire i miei kit macchina CNC controllati da Mach3 utilizzando materiali disponibili localmente.

Questa guida spiega come creare una macchina CNC funzionale con le seguenti caratteristiche:

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• La struttura del portale ha una buona stabilità, un ampio formato di elaborazione, un design desktop compatto e leggero, è leggero e facile da trasportare.
• Può essere utilizzato per tagliare e fresare PCB, PVC, acrilico, MDF, legno, alluminio e rame.
• La precisione della lavorazione può raggiungere 0.1 mm, soddisfacendo i requisiti della maggior parte delle schede PCB, stampi, timbri e cartelli.
• Il suo costo è inferiore a 1.000$, e il montaggio è comodo e facile.
• I componenti e le materie prime utilizzate possono essere reperiti o acquistati localmente, il che riduce le preoccupazioni.
• Il processo fai da te non richiede strumenti troppo complicati.
• Controller Mach3, facile da usare.
• Il mandrino è azionato da un motore passo-passo ad alta precisione.

Per affrontare la costruzione di una fresatrice CNC per metalli, è utile avere una stima della difficoltà e del tempo richiesto, oltre agli strumenti necessari:

• Difficoltà di costruzione: Moderata.
• Durata della costruzione: 16 giorni.
• Strumenti fai da te: Morse da banco, trapani elettrici, seghe manuali, punzoni campione, maschi, alesatori, calibri, piegatrici e viti.

Costruzione della Struttura Meccanica

Scelta e Lavorazione dei Materiali

Il primo passo per costruire la tua fresatrice CNC è decidere quale tipo di macchina vuoi costruire. Esistono diversi tipi di fresatrici CNC, comprese macchine verticali, orizzontali e a portale. Ogni tipo di macchina ha i suoi vantaggi e svantaggi, quindi è importante considerare quale tipo di macchina si adatta meglio alle tue esigenze. Una volta deciso il tipo di macchina che vuoi costruire, dovrai acquistare i componenti necessari. Ciò include il telaio, i motori, i mandrini e altri componenti.

Questa macchina CNC adotta una struttura a portale fissa. L'intera macchina è divisa in un tavolo di base, un telaio a portale, un carrello dell'asse X, un tavolo di lavoro dell'asse Y e un carrello dell'asse Z. Il tavolo inferiore, il carrello dell'asse X, il tavolo di lavoro dell'asse Y e il carrello dell'asse Z sono realizzati da una piegatrice con piastre di acciaio laminate a freddo da 1.5-2mm, che possono garantire la massima precisione di lavorazione. Se non ci sono piegatrici, può anche essere piegato manualmente con un martello a mano su una morsa grande. Durante la lavorazione con martello a mano, un ferro di supporto dovrebbe essere aggiunto al pezzo in lavorazione per evitare di lasciare segni di martello sul pezzo in lavorazione. Dopo la piegatura, è necessaria un'ulteriore sagomatura. Nessuno dei piani è deformato e forma un angolo di 90 gradi l'uno rispetto all'altro.

Per garantire la corretta posizione di punzonatura, la punta dell'ago di tracciatura parallela e perpendicolare alla prima linea di tracciatura dovrebbe essere sottile, la linea di tracciatura dovrebbe essere precisa e la presa di posizionamento del punzone campione dovrebbe essere attenta e precisa. Ad esempio, fai un foro con un diametro di 6 mm in 2 volte. Per prima volta, usa un trapano con un diametro di 4 mm per praticare il foro. Determina se il foro con un diametro di 4 mm è preciso in base alla linea di posizionamento trasversale. Se non è preciso, usa una lima da giardino assortita per correggerlo, e infine alesare il foro con una punta da trapano da 6mm, in modo che l'errore nella posizione del foro sia relativamente piccolo.

Il portale può essere tagliato con una sega a mano dalla chiglia in ferro del pavimento antistatico con uno spessore di parete di 1.2mm secondo il disegno, e può essere piegato, lavorato e sagomato su una morsa. Il suo telaio è una combinazione di estrusione di alluminio robusta ma economica e giunti stampati in 3D. I vari hardware, come guide lineari, cinghie e cuscinetti, sono simili a quelli che si possono trovare su una stampante 3D. Ciò mantiene bassi i costi e rende le parti facili da trovare.

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Assemblaggio degli Assi

La barra luminosa utilizzata come guida a 3 assi X, Y, Z richiede una superficie liscia con un diametro liscio di 8-10mm. Può essere risolto smontando la guida scorrevole della stampante a matrice di punti usata e il rullo di gomma inchiostrante nella vecchia cartuccia della stampante laser. Le 2 barre lisce in ogni direzione devono essere di uguale lunghezza e le facce terminali devono essere piatte. Praticare dei fori al centro delle facce terminali per inserire il filo M5 e fissarli con bulloni da 5mm. La lavorazione deve essere orizzontale e verticale, in particolare le 2 barre luminose in ogni direzione devono essere assolutamente parallele; il parallelismo è molto importante, determina il successo o il fallimento della produzione.

La vite di comando dei 3 assi è una vite di comando con un diametro di 6mm e un passo di 1mm. Questa vite di comando può essere utilizzata per tagliare la lunghezza richiesta dalla vite di comando lunga venduta nel negozio di ferramenta per la decorazione del soffitto. La resistenza e il gioco devono essere piccoli e il dado è saldato nel foro corrispondente del carrello per ridurre al minimo il gioco e migliorare la precisione della macchina per incisione. La soluzione ottimale rimane sempre la vite a ricircolo di sfere, molto precisa ma anche molto costosa.

Il motore passo-passo di azionamento del tavolo di lavoro dell'asse Y è fissato sulla piastra inferiore, con la vite e 2 barre lisce e portale come guida di scorrimento del tavolo dell'asse Y. Sul gantry sono fissati il motore passo-passo di azionamento del carrello dell'asse X, la vite di comando e le 2 barre lisce utilizzate come guide di scorrimento del carrello dell'asse X. Sul carrello dell'asse X sono fissati il motore passo-passo di azionamento del carrello dell'asse Z, la vite di comando e le 2 barre lisce utilizzate come guide di scorrimento del carrello dell'asse Z. Per fissare il mandrino sul carrello dell'asse Z sono presenti staffe di fissaggio a L e anelli di ritegno a U. Il dado abbinato alla vite di comando è saldato sul carrello degli assi X, Y e Z.

Il manicotto scorrevole è un connettore per tubo flessibile in ottone acquistato in un negozio di ferramenta. È necessario selezionare il diametro interno leggermente più piccolo del diametro della barra scorrevole, quindi utilizzare un alesatore manuale per torcere il diametro interno in modo che corrisponda esattamente alla barra scorrevole. Se necessario, lucidare l'asse ottico con carta vetrata metallografica, tagliare il manicotto scorrevole in sezioni lunghe 6 mm, per un totale di 12 sezioni, quindi utilizzare un saldatore ad alta potenza per saldarlo nel foro corrispondente del carrello. Non posizionare il manicotto scorrevole durante la saldatura. Se la saldatura penetra all'interno, utilizzare cloruro di zinco come flusso per garantire la qualità della saldatura. Durante l'assemblaggio, fare attenzione che la resistenza del tavolo scorrevole sia piccola e costante. Se la resistenza è grande, il manicotto scorrevole può essere riscaldato nuovamente con un saldatore per soddisfare i requisiti.

L'albero del motore passo-passo e la barra filettata sono collegati tramite un tubo di rame di un'antenna a stelo da 6m di diametro. L'asta filettata e il tubo di rame sono saldati saldamente e assicurati che siano concentrici. L'altra estremità del tubo di rame è inserita nell'albero del motore passo-passo, quindi forata orizzontalmente. Un perno è inserito in un piccolo foro per fissarlo, e l'altra estremità dell'asta filettata è saldata con un dado sul carrello. Questa macchina CNC può essere controllata in modo flessibile in base alle dimensioni e alle dimensioni dei materiali che la compongono, ma l'intera macchina non deve essere troppo grande per evitare una scarsa rigidità.

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Elettronica e Cablaggio per il Controllo dei Movimenti

Il Circuito Driver del Motore Passo-Passo

Come realizzare un circuito per macchina CNC? Il circuito è costituito da 3 parti identiche di azionamento del motore passo-passo dell'asse X, dell'asse Y e dell'asse Z. Ora prendiamo l'asse X come esempio per illustrare il suo principio di funzionamento. Il circuito driver motore passo-passo con L297/L298 è composto principalmente da 2 circuiti integrati dedicati all'azionamento del motore passo-passo L297 e L298. La funzione principale di L297 è la distribuzione degli impulsi. Genera impulsi logici di uscita sui suoi terminali di uscita A, B, C e D per azionare L298. L297 ha anche 2 chopper PWM per controllare la corrente di avvolgimento di fase e realizzare un controllo chopper a corrente costante per ottenere buone caratteristiche di frequenza di coppia.

L'impulso dell'asse X da HDR1 (pin 2) entra nel CLOCK (pin 18) di U1 (L297) e viene elaborato da U1 sui suoi terminali di uscita A, B, C, D (pin 4, 6, 7, 9) per generare l'impulso logico di uscita che entra in U2 (L298) per pilotare il doppio ponte H sui suoi terminali di uscita (pin 2, 3, 13 e 14) per emettere impulsi di passo per azionare la rotazione del motore passo-passo. L298 è un driver a circuito integrato di potenza ad alta tensione e alta corrente a doppio ponte H. L297 e L298 vengono utilizzati per formare un sistema di azionamento completo, in grado di azionare motori passo-passo a 2 fasi con una tensione massima di 46 V e una corrente di 2 A per fase.

Il SYNC (pin 1) di U1 è il pin di sincronizzazione collegato al pin 1 di U3 e U5 per realizzare la sincronizzazione di più L297. L'ENABLE (pin 10) di U1 abilita il pin di controllo a controllare la logica di uscita. Quando è basso, INH1, INH2, A, B, C, D sono tutti forzati a livello basso per impedire il funzionamento del driver L298. Il CONTROL (pin 11) viene utilizzato per selezionare il controllo del segnale chopper. Quando è basso, il segnale chopper agisce su INH1, INH2 e quando è alto, il segnale chopper agisce sui segnali A, B, C, D. Il primo è adatto per la modalità di lavoro a stadio singolo e le 2 modalità possono essere utilizzate per il motore passo-passo della modalità di lavoro bipolare. Il VREF (pin 15) di S1U1 è il pin di regolazione della tensione di riferimento e la tensione di questo pin viene regolata per impostare la corrente di picco dell'avvolgimento di fase del motore passo-passo.

Il cw/ccw (pin 17) di U1 è il pin per specificare la direzione di rotazione del motore passo-passo dell'asse X, e il segnale che specifica la direzione per l'asse X da HDR1 (pin 6) è collegato a questo pin. HALF/FULL (pin 19) è il pin di controllo della modalità di eccitazione. Quando è alto, è una modalità di guida a mezzo passo, e quando è basso, è una modalità di guida a passo intero. RESET (pin 20) è un segnale di reset asincrono, e la sua funzione è quella di resettare il distributore di impulsi. D3-D26 sono i diodi di libera circolazione del ponte H del driver L298.

Alternative e Considerazioni sui Componenti Elettronici

Io non sono un elettronico e in materia sono molto a digiuno e anch'io agli inizi avevo mille dubbi così dopo settimane di ricerche ho scelto la strada più semplice e sicura ovvero acquistare un kit bello e pronto. Come si può notare rispetto allo schema di Arduino i Driver dei motori passo passo sono già integrati nella scheda TB6560 ed essa è direttamente collegata tramite porta parallela LPT1 al PC. Per controllare i motori passo-passo per i tre assi della macchina, il progetto di Miranda richiede una scheda Arduino UNO abbinata a uno shield CNC compatibile con Grbl. Accetterà comandi g-code da un computer collegato tramite la porta seriale e coordinerà il movimento dei motori.

Considerando che i motori passo passo hanno più coppia (e quindi rendono meglio) ad un basso numero di giri non possiamo farli girare troppo velocemente per cui ipotizzando di mandarli a non più di 200 giri/min. Questo motore è leggermente più grande del 193300 ma è più corto. Produce il doppio della coppia. Si possono trovare di diverse misure ed hanno un passo più grande dando più "respiro" ai motori.

Installa l'elettronica: Installare i motori passo-passo, la scheda controller, l'alimentatore e tutti gli altri componenti elettronici secondo le istruzioni del produttore. Per quanto riguarda la parte elettronica, ho utilizzato Arduino Uno, CNC shield e driver pololu a4988. Su come fare per assemblare le varie parti e configurarle in questo video troverete tutte le istruzioni.

Nel video viene spiegato come procedere per settare la Vref, individuare le fasi dei motori, regolare il driver, etc. Insomma c'è tutto quello che vi serve.

Componenti aggiuntivi per la Lavorazione dei Metalli

Il sistema Mister offre una soluzione conveniente per il taglio di metalli non ferrosi. Quando utilizzato in applicazioni di taglio di metalli non ferrosi, il sistema Mister eroga piccole quantità di lubrificante sintetico o vegetale Micro-Drop per raffreddare e lubrificare l'utensile da taglio. Il sistema di lubrificazione automatica CAMaster garantisce la lubrificazione automatica e corretta dei cuscinetti e della vite a sfere del router CNC. Le guide con scanalature a T in alluminio sono incassate nel piano del tavolo della macchina. Questo offre la possibilità di utilizzare morsetti per fissare i pezzi in lavorazione.

L'elettromandrino HSD raffreddato ad aria, prodotto in Italia, è un'ottima scelta. Ogni mandrino è dotato di controllo della velocità del mandrino, che consente all'utente un controllo preciso dei giri al minuto tramite il controller, e di accensione/spegnimento del mandrino, controllato tramite codice G. I mandrini manuali sono disponibili con attacco ER20, ER25 o ER32, in base alla selezione HP. Per il Cobra, ogni mandrino ATC viene fornito con 10 coni portautensili, 10 pinze portautensili e 10 pinze portautensili. Il portautensili lineare è dotato di funzione di cambio utensile automatico.

Software per il Controllo e la Programmazione CNC

Installazione del Controller CNC

Una volta assemblata la macchina, dovrai testarla per assicurarti che funzioni correttamente. Questo può essere fatto eseguendo alcuni programmi di test e assicurandosi che la macchina sia in grado di eseguire le attività per le quali è stata programmata. Una volta che la macchina funziona correttamente, puoi iniziare a usarla per creare parti. Questo può essere fatto utilizzando un programma CAD per progettare le parti e quindi utilizzando la fresatrice CNC per ritagliarle. Questo processo può essere utilizzato per creare una varietà di parti, inclusi ingranaggi, viti e altri componenti.

Come configurare il controller CNC Mach3? Mach3 è il controller CNC più comunemente utilizzato per le macchine CNC. La sua installazione è semplice. Per prima cosa, inserisci la scheda di movimento Mach3 sulla scheda madre del computer. Nel sistema operativo Windows, il driver Mach3 verrà installato di default. È possibile scegliere anche DSP, NcStudio, Mach4, Syntec, OSAI, Siemens, LNC, FANUC e altri controller CNC. Una volta che avrete completato la macchina dovrete andare a caricare il GRBL su arduino.

Software CAD/CAM per la Progettazione

Come installare e utilizzare il software CAD/CAM? I software CAD/CAM più comuni per macchine CNC includono Type3, ArtCAM, Cabinet Vision, CorelDraw, UG, MeshCAM, Solidworks, AlphaCAM, MasterCAM, UcanCAM, CASmate, PowerMILL, Aspire, Alibre, AutoCAD, Fusion360, Autodesk Inventor, Rhinoceros 3D, che può progettare disegni 2D/3D per generare percorsi utensile di lavorazione. Installazione del software: Installa il software necessario sul tuo computer per controllare la fresatrice CNC. Il tastierino numerico portatile remoto è un ottimo modo per utilizzare il PC di controllo CNC senza dover utilizzare una tastiera ingombrante.

Flusso di Lavoro e Utilizzo della Macchina CNC

Come utilizzare una macchina CNC? Prima della lavorazione CNC, è necessario preparare in anticipo un elenco dei programmi di lavorazione:

1. Determinare la procedura di lavorazione del pezzo, gli utensili e la velocità di taglio utilizzati per la lavorazione.
2. Determinare il punto di collegamento del contorno del pezzo.
3. Impostare la posizione di avvio e chiusura del coltello e la posizione dell'origine delle coordinate.

Scrivere il set di istruzioni di controllo numerico in base al formato di istruzione prescritto, immettere il set di istruzioni nel dispositivo di controllo numerico per l'elaborazione (decodifica, funzionamento, ecc.), amplificare il segnale tramite il circuito di pilotaggio, pilotare il servomotore per emettere lo spostamento angolare e la velocità angolare, quindi convertire i componenti tramite il componente di esecuzione. Lo spostamento lineare del tavolo di lavoro viene realizzato per realizzare l'alimentazione.

Passaggi Operativi

Iniziamo a utilizzare una macchina CNC seguendo questi 5 passaggi fondamentali:

1. Fase 1. Programmazione CNC. Prima della lavorazione, la programmazione CNC dovrebbe essere analizzata e compilata. Se il programma è lungo o complicato, non programmare sulla macchina CNC, ma utilizzare la macchina di programmazione o la programmazione del computer, quindi eseguire il backup sul sistema CNC della macchina CNC tramite un floppy disk o un'interfaccia di comunicazione. Ciò può evitare di occupare tempo macchina e aumentare il tempo ausiliario di lavorazione.
2. Passaggio 2. Accendere la macchina. Generalmente, l'alimentazione principale viene accesa per prima, in modo che la macchina CNC abbia le condizioni di accensione. Avviare un sistema CNC con un pulsante a chiave e la macchina utensile viene accesa contemporaneamente, e il CRT del sistema di controllo CNC visualizza le informazioni, inclusa la connessione di clam e altre apparecchiature ausiliarie.
3. Fase 3. Impostare un punto di riferimento solido. Prima della lavorazione, stabilire il dato di movimento di ogni coordinata della macchina. Questo passaggio dovrebbe essere eseguito per primo per la macchina del sistema di controllo dell'aumento.
4. Fase 4. Avviare la programmazione CNC. In base al supporto del programma (nastro, disco), può essere immesso tramite macchina a nastro, macchina di programmazione o comunicazione seriale. Se si tratta di un programma semplice, può essere immesso direttamente sul pannello di controllo CNC tramite tastiera o immesso segmento per segmento in modalità MDI per l'elaborazione di segmenti remoti. Prima della lavorazione, l'origine del pezzo, i parametri dell'utensile, l'offset e vari valori di compensazione devono essere immessi nel programma.
5. Fase 5. Modifica del programma. Se il programma immesso deve essere modificato, l'interruttore di selezione del...

Esecuzione di test: Prima di utilizzare la fresatrice CNC su un progetto, eseguire delle prove su pezzi di scarto (ad esempio, metalli non ferrosi più morbidi o materiale simile a quello che si intende lavorare) per assicurarsi che tutto funzioni correttamente.

I perni di posizionamento a scomparsa rappresentano il metodo più affidabile per garantire un posizionamento rapido e semplice del materiale. La macchina è configurata con tre perni a controllo pneumatico.

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