Il mio primo Pantografo CNC

Premessa

Questo post vuole essere un semplice tutorial, indirizzato a chi come me comincia a muovere i primi passi nel mondo delle Macchine a Controllo Numerico (CNC), scritto da un neofita per i neofiti. L'intento è quello di offrire una veloce panoramica senza addentrarsi però troppo nei vari argomenti, qualcosa da leggere velocemente per farsi subito un'idea. Questo articolo non ha quindi la pretesa di trattare tutte le problematiche, nè tanto meno la teoria legata alla costruzione di una macchina fresatrice a controllo numerico. Nell'articolo verranno descritte e illustrate, a titolo puramete indicativo, alcune fasi dell'assemblaggio del mio primo pantografo a controllo numerico.

(Cliccami per visionare i miei primi lavori)

Breve introduzione al mondo CNC

Iniziamo subito con lo spiegare molto sinteticamente cosa è una macchina a controllo numerico (CN). La sigla CNC è l'acronimo di Computer Numerical Control, che quindi tradotto in italiano sta ad indicare una qualsiasi macchina utensile controllata da un computer. Esistono diverse tipologie di macchine utensili, come i torni, le frese, i pantografi, macchine miste o customizzate. La caratteristica principale di una macchina CNC è quella di lavorare il materiale in maniera del tutto autonoma, senza che l'operatore stia a muovere pulegge o altro sul macchinario.
Il processo produttivo inizia con il progettare l'oggetto da costruire disegnandolo con programmi di CAD. Il disegno che può essere anche 3D viene poi elaborato da un software CAM per il calcolo del percorso utensile, ed infine un ultimo software per il controllo delle macchine CNC si occuperà della gestione dell'accensione, della velocità di rotazione della fresa e dei movimenti che dovranno compiere i motori.
Quanto detto sopra si traduce in termini pratici in velocità, ripetibilità e precisione nella realizzazione di qualsiasi proggetto! Con una buona macchina CNC e un buon pacchetto software CAD/CAM, sarà possibile progettare e produrre una varietà inimmaginabile di oggetti utilizzando le più svariate tipologie di materiale.

Come è costituita una macchina CNC

E' possibile schematizzare in blocchi una macchina CNC per meglio comprenderne la sua costituzione. Potremo quindi suddividere il sistema nelle seguenti parti:

- La parte meccanica a sua volta suddivisibile in:

• Il telaio di supporto e di movimento meccanico che consente la lavorazione in svariati modi dei materiali di diversa tipologia, muovendo l'utensile, o spostando il pezzo da lavorare su diversi piani e quindi nelle 3 dimensioni.
• La parte utensile che, a seconda della lavorazione da eseguire, può essere un fresa, un laser, una testa a taglio al plasma, un cutter per il taglio dei tessuti o altri materiali teneri. Molte di queste parti utensili possono, ma non necessariamente, essere controllate in modo automatico dal software, come la velocità o direzione di rotazione di una fresa, oppure l'accensione e spegnimento di un laser o del plasma.

- La parte Elettromeccanica utilizzata per il movimento e posizionamento nello spazio dell'utensile a sua volta può essere così costituita:

• Motori passo passo (stepping)
• Motori brushless
• Servomotori
• Azionamenti pneumatici di tipo on/off

- La parte elettronica a sua volta suddivisibile in:

• Una parte di pilotaggio normalmente chiamata driver che si occupa di fornire la giusta potenza alle diverse tipologie di attuatori.
• Una parte di controllo composta da dispositivi che si interpongono tra la parte di comando (informatica) e il pilotaggio. E' molto utilizzata in questo campo la vecchia porta parallela per i sistemi più semplici ed ultimamente sta prendendo piede la porta USB nei sistemi più avanzati.

- La parte informatica o di comando costituita da:

• Un semplice e modesto PC o un controller dedicato specifico per macchine a controllo numerico in grado di interpretare ed elaborare quello che si chiama linguaggio g-code utilizzato per l'invio dei comandi di movimento alla macchina.
• Una parte di visualizzazione che consente all'operatore di conoscere in tempo reale la posizione e lo stato in cui si trova l'utensile. Per questo scopo vengono utilizzati dei comuni monitor per PC, oppure dei visualizzatori di quote a LED o in molti casi entrambi.

Oltre a quanto sopra elencato, si possono aggiungere anche altre parti che ottimizzano e semplificano l'utilizzo delle macchine CNC migliorandone al contempo le prestazioni e la sicurezza. Queste sono ad esempio:

• I sensori di finecorsa che inviano un segnale all'elettronica di controllo non appena uno degli assi sta superando il limite fisico dello spostamento. L'elettronica di controllo si occuperà di fermare la macchina per evitare che questa possa danneggiarsi.
• I sensori di prossimità ad alta precisione (0.002 mm circa) che unitamente alla parte elettronica ed informatica consentono un perfetto posizionamento (homing) dell'utensile nello spazio di lavoro.
• L'Automatic Tool Changer (Cambio automatico dell'utensile) permette per l'appunto il cambio automatico dell'utensile senza l'intervento dell'operatore e senza quindi interrompere il lavoro, mantenendo in questo modo una precisione ed una velocità superiore di lavorazione. L'ATC può anche, ma non obbligatoriamente, utilizzare il tastatore per azzerare la Z (vedi sotto)
• Il tastatore utilizzato per riposizionare l'asse Z nell'esatta posizione dopo un cambio utensile. Oppure ancora può essere utilizzato più profiquamente per la ricerca del centro di un foro per riprendere una lavorazione, per l'allineamento degli assi X ed Y al pezzo per avere i riferimenti a "zero" pezzo, per la scansione di un particolare sia in 2D che in 3D nel Reverse Engineering.
• Sistemi di raffreddamento della fresa per le lavorazioni su metallo che possono essere ad aria compressa, a olio da taglio o a emulsioni di acqua e olio da taglio.
• Naturalmente sarà possibile aggiungere qualsiasi altro gadget sulla macchina CNC come ad esempio luci o webcam per la registrazione della lavorazione o il telecontrollo.

La parte elettronica

Nelle immagini seguenti è mostrata la parte elettronica da me assemblata utilizzando anche molto materiale recuperato da vecchie apparecchiature elettroniche dismesse (vedi a tal proposito la discussione sul forum CNC). L'elettronica gestisce i segnali provenienti dal computer tramite la porta parallela (La vecchia porta dove venivano collegate una volta le stampanti). E' in grado di pilotare fino a 4 motori passo passo (stepping motors) da 3A, e gestisce l'accensione dell'elettromandrino e il segnale proveniente da 3 finecorsa/sensori per l'homing.
Nelle immagini seguenti è raffigurato lo schema di principio del box dell'elettronica. Gli schemi sono due poichè uno rappresenta la parte ad alta tensione (220V AC) ed uno quella a bassa tensione (24V DC) .

Partendo dallo schema del lato a bassa tensione, identifichiamo nella scheda di controllo (in verde) il cuore del sistema. Questa scheda gestisce i segnali inviati dal PC tramite la porta parallela e li converte in corrente da inviare ai motori (X,Y, Z, A) che quindi si muoveranno gli assi nella direzione, con la velocità e con l'esatta misura contenuta nel G-code ricevuto. Ha la possibilità di controllare lo stato di 3 finecorsa, utilizzati per evitare che gli assi si muovano oltre il limite fisico della macchina, e 3 sensori di homing per referenziare a zero la macchina (origine degli assi X, Y, Z). E' presente inoltre sul pannello frontale un interruttore di emergenza a fungo (E-STOP) che permette il blocco immediato degli assi e del mandrino nel caso in cui vi fossero problemi di qualsiasi natura. Troviamo inoltre un relè controllato sempre tramite software dal PC, che è collegato a 3 prese a 220V AC, ed una di queste è collegata all'elettroutensile, pertando l'accensione e lo spegnimento della fresa sono automatizzati. L'accensione del relè è monitorizzata da un LED posto sulla parte sinistra del BOX. La scheda ed i motori sono alimentati da un alimentatore di tipo switching con tensione di 24V DC e con corrente massima di 14 Ampere. L'alimentatore fornisce la corrente anche a 2 ventole (Fan AT e Fan BT) da 24V poste sul retro che estraggono l'aria, ed una ventola (Fan Scheda) sempre da 24V installata direttamente sopra i finali della scheda. A completare il tutto sono stati installati sul pannello frontale un voltmetro digitale (lato destro) che monitorizza costantemente la tensione erogata dall'alimentatore ed un termometro digitale (lato sinistro) che monitorizza, tramite una sonda esterna, la temperatura dei finali della scheda.

Il lato ad alta tensione è molto più semplice. Partendo dalla presa di rete elettrica (220V AC), dallo schema si vede che la corrente in ingresso viene ripartita in due. Una parte (a destra) incontra un'interruttore generale posto sul posteriore del box, la corrente a questo punto transita su un fusibile da 5A e poi viene nuovamente controllata da un interruttore di tipo industriale posto sul pannello frontale. A questo punto vi sono 3 interruttori bipolari monitorati rispettivamente da un LED, che permettono l'accensione o spegnimento di qualsiasi apparato si voglia attestare alla corrispettiva presa (nello schema in rosso Exit 1,2,3). Qui ho previsto di controllare in futuro una luce per il pantografo pittosto che un sistema di aspirazione o ancora un impianto di refrigerazione. L'altra parte della corrente di rete 220V AC, passa sempre da un interruttore generale di sicurezza sulla parte posteriore del box, attraversa un fusibile da 3A e poi entra in un relè controllato dalla scheda degli azionamenti e gestito tramite software dal PC. Al relè vi sono quindi attestate 3 prese (in verde Exit 1,2,3), una delle quali è occupata dalla fresa (Kress) in modo tale da controllare l'accensione e lo spegnimento direttamente da PC o dal G-code. Come sopra detto, l'attivazione del relè è monitorata da un LED sulla parte sinistra del box.

La parte Elettromeccanica

La parte meccanica (Vedi anche le foto ad inizio pagina) è una Valmec Dragon 500 che ho modificato aggiungendo delle passerelle in alluminio per montare le catene passacavi. Ho quindi provveduto da solo al montaggio dei 3 motori dei 3 assi, dei 3 sensori di prossimità e dei 3 finecorsa, al cablaggio ed alla connessione di tutti i cavi. Purtroppo, dopo il montaggio delle passerelle per le catene passacavo, ho dovuto rinunciare ai bellissimi carterini forniti a corredo che si vedono in foto sul sito del fornitore.

Le caratteristiche meccaniche del pantografo sono di seguito elencate:

• Area di lavoro: 500x360x100
• Max altezza Z: 100mm
• Dimensioni tavola: 600x360mm
• Max velocità: 0-3000mm/min
• Max. Velocità Lavorazione: 0-2000mm/min
• Precisione: 0,03
• Ripetibilità: 0,03

Di seguito vengono mostrate e commentate alcune foto che mostrano le parti aggiuntive che ho provveduto personalmente a montare sulla meccanica della Valmec.

Asse X. Sensore Finecorsa/homing di tipo induttivo cilindrico, filetto M8x1, NPN-NC Normalmente chiuso, 10-30VDC ammessa 6-36VDC, Rilevamento 2mm, max corrente di commutazione 150mA, Lunghezza totale 55mm, IP67.

Asse Y. Sensore Finecorsa/homing di tipo induttivo cilindrico, filetto M8x1, NPN-NC Normalmente chiuso, 10-30VDC ammessa 6-36VDC, Rilevamento 2mm, max corrente di commutazione 150mA, Lunghezza totale 55mm, IP67.

Asse Z. Sensore Finecorsa/homing di tipo induttivo cilindrico, filetto M8x1, NPN-NC Normalmente chiuso, 10-30VDC ammessa 6-36VDC, Rilevamento 2mm, max corrente di commutazione 150mA, Lunghezza totale 55mm, IP67. Nella foto si nota il giunto motore senza gioco angolare.

Nella foto sotto è mostrato il sensore meccanico (switching) di finecorsa utilizzato nell'asse X. La stessa tipoligia di sensore è montato pure sull'asse Y.

Volendo inoltre montare delle catene passacavo, al fine di rendere più sicura e ordinata tutta l'installazione, ho dovuto costruirmi delle passerelle per il loro alloggiamento utilizzando dei comunissimi profili d'alluminio che si trovano in tutti i negozi di bricolage e fai da te. Le foto di seguito mostrano le passerelle d'alluminio con le catene già montate e con i cavi già passati.

Nelle foto che seguono vengono mostrati alcuni particolari del mobiletto che ho realizzato per sostenere tutti gli apparati. E' realizzato in profilo d'acciaio e MDF. Le foto sotto mostrano partendo da sinistra, il ripiano dell'alloggiamento della tastiera e del mouse e del lato sinistro del mobiletto.

Al fine di cercare di mantenere tutta l'installazione più ordinata possibile, ho aggiunto una ciabatta elettrica che provvede a distribuire l'alimentazione a tutti gli apparati. Tramite l'interruttore presente nella ciabatta è possibile poi togliere l'alimentazione al sistema con un solo gesto, quando non è in uso.

Utilizzando lo stesso pantografo ho poi fresato una tavola (nella foto è la parte in giallo) dove vengono raccolte e sistemate le frese in uso, le serie di pinze per l'elettromandrino Kress. Vi è poi un vano per l'alloggiamento di altri utensili. Il tutto è poi protetto dalla polvere grazie ad uno sportellino in policarbonato.

Infine ecco alcune foto che mostrano due barre di LED a luce calda montate sui due lati corti del pantografo. Le barre, così come i loro sostegni, sono facilmente removibili in caso fosse necessario.

La parte informatica o di comando

La parte informatica del mio pantografo è costituita da un semplicissimo computer assemblato dalla Dell, modello Optiplex 745 acquistato di seconda mano su ebay. Per controllare una CNC non servono capacità elaborative elevate. Secondo ArtSoft Mach3, uno dei software di controllo per macchine CNC più conosciuto, la configurazione minima è la seguente:

• Desktop (using the parallel port)
• 32-bit version of Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, or Windows 7 Operating System (64-bit will not work)
• 1Ghz CPU
• 512MB RAM
• Non-integrated Video Card with 32MB RAM

Il computer andrà poi ottimizzato secondo le raccomandazioni visibili a questo link, e dovrà essere praticamente dedicato alla guida del pantografo. E' fortemente sconsigliata l'installazione di altri software se non quelli strettamente necessari per evitare che qualche servizio attivo in background possa influire negativamente sul naturale funzionamento di Mach3. Superfluo a questo punto dire che durante la lavorazione non dovranno essere utilizzati altri programmi. L'inosservanza dei sopraindicati consigli può portare alla perdita di passi nei motori stepper e quindi a rovinare ore di lavoro!