Introducere. Mașini unelte stadiul actual 4 [307673]

Introducere. [anonimizat] 4

Capitolul 1: Descrierea și funcționarea CNC 5

Aparitia aparatelor cu control numeric 5

Tehnologia controlului numeric 5

Domeniile de aplicare 6

Advantaje și dezavantaje ale masinii CNC 6

Avantaje 6

Dezavantaje 7

Componente CNC generalități 7

Caracteristici necesare 7

Cale de glisare 7

Freza 7

Motoare pentru glisare 7

[anonimizat] 8

Sistemul de schimb automat de capete 8

Sistemul automat de schimb a mesei 9

Sistemul de control al mișcării 9

Control punct la punct: 9

Control 2D: 9

Control de tăiere dreaptă: 9

Control 21/2D: 9

Control de tăiere în contur: 9

Control 3D 9

Sistemul de glisare 10

Motoare 10

Sistem de glisare cu șurub 10

[anonimizat] 11

Traductoare de viteză 11

[anonimizat] 11

Endstop 12

Telecomandă 12

Sistemul automat de curățare a mesei 12

Capitolul 2: Proiectare 3D CAD 13

Programe de proiectare CAD 13

Autodesk Inventor 14

Proiectarea pieselor 14

Freză 14

Motoare pas cu pas 15

Șurub trapezoidal 15

Axe de ghidaj 15

Încastrări cu și fără rulmeți 16

Șurub cu bile 16

Prindere mobilă pe axul de ghidaj 16

Șuruburi 17

Surse 17

Ansamblare plus proiectare corp 18

Axă Z 18

Axă Y 18

Axa X 18

Proiectare finală 19

Capitolul 3: Calculul și dimensionarea componentelor 20

Stabilire condiții 20

Alegerea frezei 20

Dimensionarea axe 21

Dimensionare motoare 26

Dimensionare carcasă 28

Capitolul 4: Achiziționarea pieselor și considerații economice 31

Piese achiziționate: 31

Capitolul 5: Ansamblare și reglajul fin al aparatului 37

Ansamblare parte mecanică: 37

Ansamblare parte electrică: 39

Calibrare și relegajul fin al aparatului: 41

Capitolul 6: Prezentarea modului de funcționare. Teste de laborator. 44

Proiectare Test: 45

Executare test: 48

Capitolul 7: Concluzii și direcții de dezvoltare ulterioară 49

Introducerea unei a patra axă: 50

Bibliografie: 51

Mașină-unealtă cu comandă numerică (CNC)

Introducere. [anonimizat], [anonimizat] 4 axe. [anonimizat]. Se dorește ca performanțele tehnice să fie ridicate astfel se urmărește o precizie cât mai mare cu un cost cât mai mic pentru o suprafată de lucru medie.

Un CNC sau "computer numerical controled" [anonimizat]. Mașinile de prelucrare a [anonimizat]. [anonimizat]. CNC-[anonimizat] a [anonimizat]: strungul, [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. Termenul de CNC se referă la un grup mare de mașini care folosesc logica de calculator pentru a controla mișcările și de a efectua prelucrarea metalelor.

CNC-ul în 4 [anonimizat], frezare, [anonimizat], metale, [anonimizat]. Prin combinarea acestor procedee putem obține obiecte sau secțiuni din obiecte pentu a [anonimizat] a componentelor electronice fine. Aparatul funcționează în 4 axe, astfel avem un grad mai mare de libertate și putem să adăugăm mai multe detalii pieselor ce dorim să le realizăm.

Există deja o serie de programe preconcepute în scopul comenzii aparatului, de exemplu cu ajutorul programului de grafică SolidWorks se realizează piesa dorită , apoi cu programul SolidCAM se alege tipul instrumentului de tăiere, apoi se alege viteza și avansul și se generează instrucțiunile (Gcode). Cu instrucțiunile (Gcode) realizate se introduce în programul care comandă freza CNC

Sunt multe programe; unele cu plată, altele gratuite.

Exemplu: Mach3 în Windows

Turbocnc în Dos

Emc2 în Linux Ubuntu, care este gratuit

Capitolul 1: Descrierea și funcționarea CNC

Apariția aparatelor cu control numeric

Cuvăntul cheie este automatizare, aparatele cu control numeric se bazează pe un sistem de control mecanic primitiv. Pe masură ce companiile au început să investească în cercetare și dezvoltare a mașinilor capabile să realizeze produse într-un timp mai scurt la o calitate mai mare cu o implicare a omului cât mai mică, se crează mediul prielnic pentru a da naștere tehnologiei cu control numeric. În 1948 oamenii de știință din Massachusetts încep constucția unui calculator compact cu rol de sistem de control al mașinilor-unelte, proiect realizat pentru U.S Air Force. Acest aparat, primul de acest gen, este o freză atașată de un braț hidraulic poziționat pe verticală construit de către compania Cincinnati in 1948, aceasta dă startul la un avans tehnologic rapid în domeniul controlului numeric.

În anul 1960, la conveția internațională din Hanover își fac apariția primele mașini cu control numeric realizate de către firme germane. În anul 1965 sunt realizate prima serie de mașini cu control numeric ce au încorporat un sistem de schimb de capete automat. În anul 1969 apar aparate cu sistem de schimb a patului de lucru încorporat.

Din anul 1978 se observă o creștere rapidă a tehnicilor precum cele de mișcare grafică asistată, inserare interactivă de program, factori de scalare, comandă de duplicare în oglindă, etc. au fost încorporați în sistemul de memorie a mașinii și crescând odată cu integrarea calculatorului în procesul de fabricare și procesare.

Tehnologia controlului numeric

Controlul numeric poate fi definit că un ansamblu de mașini-unelte ce efectuează operații speciale prin intermediul unui set de instrucțiuni codate provenite de la sistemul de control al mașinii. Setul de instrucțiuni reprezintă o combinație de caractere, numere și simboluri selectate. Toate instrucțiunile sunt scrise într-o ordine logică cu o formă predeterminată. Întreaga colecție de instrucțiuni necesare pentru mașina-unealtă se numește programul NC, CNC sau programul component. Acest program poate fi memorat și utilizat de câte ori ne dorim pentru a obține rezultate identice în orice moment de timp.

Aparatul cu control numeric modern utilizează un microprocesor intern; acesta conține registre de memorie ce stochează o varietate de instrucțiuni utilizate la manipularea funcțiilor logice. Acestea facilitează ca un programator să poată schimba sau ajusta controlul mașinii. Această flexibilitate este cel mai mare avantaj al sistemului CNC și elementul ce permite o gamă atât de largă în procesul de fabricare modern.

Programul CNC și funcțiile logice sunt stocate pe cipuri speciale ca instucțiuni de software.

Este inportant să facem distincția dintre NC și CNC, NC reprezentând control numeric, iar CNC reprezentând control numeric computerizat. Termenul de NC poate să se refere la CNC dar nu invers.

Domeniile de aplicare

CNC poate fi aplicat la orice tip de mașină-uneltă, de la cea mai simplă la cea mai complexă. Ariile de aplicație majore sunt următoarele:

Mașini de tăiat metal: Frezare CNC, strungire CNC, CNC de foraj, unelte de tăiere, CNC de rectificat, etc.

Mașini de turnare metal: Mașini-unelte de presă, mulaje prin injecție/suflare, etc.

Procese nonconvenționale precum:

Mașini de tăiat cu arc, plasmă.

Prelucrare cu fascicul de electroni.

Prelucrare cu fascicul laser.

Prelucrare cu fascicul de ioni.

Prelucrare cu ultrasunete, etc.

Mașini de sudat: TIG, MIG, sudare cu arc imersat, etc.

Sisteme de inspecție și controlul calitații: CMM, LMM.

Sisteme de asamblare, testare și manipulare echipamente.

Unelte și sisteme de manipulare la locul de muncă.

În ziua de azi conceptul de CNC este aplicat în toate aspectele de producție și raza de aplicabilitate se mărește de la zi la zi. Evoluția rapidă a tehnologiei CNC a transformat întreg procesul de producție și conduce către concepte moderne precum CIM- Computer Integrated Manufacturing sau producție cu calculatoare integrate.

Advantaje și dezavantaje ale masinii CNC

Avantaje

Creșterea eficienței, reducerea timpului mort:

Aceasta se datorează numărului redus de mișcări necesare, timpului relativ scurt de preparare, schimbul automat de capete, etc.

Consistența timpului de tăiere:

Mașinile de CNC sunt sub controlul unui calculator. Beneficiul major este faptul că timpul în care se produce o tăiere este același de fiecare dată. Procesele repetitive, mai ales pe o bandă de producție, se pot aloca eficient astfel încât să știm exact un interval orar pentru fiecare proces.

Flexibilitatea în procesele de fabricație:

Aparatele de CNC se pot modifica și adapta pentru orice proces necesar producției.

Creșterea calitații:

Pisele produse de către un CNC sunt mult mai precise, se efectueză mai puține verificări pentru controlul calității.

Reducerea spațiului de depozitare pentru unelte.

Se datorează numărului mic de unelte necesare pentru instalație și punerea în funcțiune a unui CNC. De asemenea, faptul că aceeași unealtă se poate utiliza pentru mai multe aparate reduc considerabil nevoia de spațiu de depozitare.

Reducerea suprafeței de producție:

Din moment ce un CNC îndeplinește rolul a mai multe aparate convenționale, acest fapt duce la o suprafața de lucru considerabil mai mică.

Dezavantaje

Costul ridicat de achiziție:

Costul ridicat se datorează a tuturor pieselor și al preprogramării aparatului.

Costul ridicat de mentenanță:

Deoarece un CNC este un aparat destul de complex, defectele și erorile ce pot apărea sunt destul de greu de rezolvat. Astfel costul de mentenanță crește considerabil.

Necesarul de angajați calificați:

Pentru a opera aparatele de CNC avem nevoie de personal competent, aceasta necesitând un cost mai mare.

Componente CNC generalități

Caracteristici necesare

Aparatul final trebuie să îndeplinească niște condiții prestabilite ce le vom adresa vag în termeni de calități, nu date concrete:

Rigiditate mare în raport cu greutatea

Stabilitate termică

Caracteristică bună de amortizare

Precizie de tăiere mare

Timp de efectuare procese relativ mic

Cale de glisare

Pentru a opera pe axa x și y avem nevoie de piese și componente ce glisează liniar, elemente purtătoare de antifricțiune, cum ar fi recirculația cu bile/recirculare Bucșă cu bile.

Moduri de alunecare hidrostatică sau aerostatică, garnituri din plastic sau nemetalice, cum ar fi PTFE (Poli Tetra Fluro de etilena), turcite B, etc.

Freza

O gamă largă de turații pentru freză în scopul satisfacerii parametrilor de tăiere, se pot folosi motoare de curent continuu cu redresor controlat de siliciu sau motoare de curent alternativ cu o frecvență variabilă. Se dorește orientarea axului vertical pentru cazul în care dorim schimbarea automată a sculelor și a aplicațiilor fine.

Motoare pentru glisare

Patinele sunt acționate de un mecanism de precizie cu șurub cu bile de recirculare condusă de servomotoare. Se pot folosi motoare de curent continuu cu redresor controlat de siliciu sau motoare de curent alternativ cu o frecvență variabilă controlată.

Sistemul de feed-back

Precizia poziționării a oricărui CNC este dată prin măsurarea poziției sau a deplasării glisantei și compararea acesteia cu poziția comandată de program. Apoi sistemul servo pune în mișcare sistemul glisant astfel încât diferența între poziția comandată și poziția reală este adusă la valoarea măsurată de zero. Sistemul de măsură a poziției pote fi direct sau indirect.

Dispozitivele de măsurare sunt senzori inductivi liniari, senzori optici, encodere rotative, senzori inductivi prin rotație, sistem de rezolvare fară perii, etc.

Sistem cu buclă deschisă

Într-un sistem cu buclă deschisă nu există o comparație între poziția frezei și comanda de poziție. Acest sistem nu este folosit în cazurile în care avem nevoie de precizie foarte mare.

Sistem cu buclă închisă

Într-un sistem cu buclă închisă există dispozitive pentru detectarea și compararea poziției dispozitivului de tăiere cu comanda de poziție dată de calculator. Prezența unui encoder asigură citirea continuă a distanței parcursă de dispozitivul de tăiere, compară cu semnalul de comandă, apoi trimite un semnal de feed-back către sistemul de control, acesta trimite semnal de comandă corectat pentru datele citite de encoder până când eroarea devine nulă.

Sistemul de schimb automat de capete

Schimbătorul automat de capete este o componentă ce reduce considerabil timpul de efectuare a unor operații. El crește productivitatea prin reducerea timpului de schimbare a capetelor de freză. Această schimbare poate dura între 2 și 6 secunde iar compartimentul de capete poate conține între 30 și 140 de capete și acesorii.

Sistemul automat de schimb a mesei

Similar sistemului de schimb automat de capete, ridică nivelul productivității prin scăderea timpului de înlocuire a unui mese de lucru. Acest sistem este în principal utilizat la aparatele ce au un produs terminat în lăcașul de lucru și trebuie înlocuit cu o componentă nouă pentru a fi prelucrată. Dupa ce este înlocuită, masa este prinsă apoi de o forță considerabilă printr-un sistem hidraulic sau mecanic. Acest sistem poate să fie cu 2 mese interschimbabile sau mai multe.

Sistemul de control al mișcării

Există 6 tipuri de control al mișcării la sistemele cu control numeric:

Control punct la punct:

Sistemele cu control punct la punct controlează o axă în special în timp ce celelalte 2 axe execută numai mișcări rapide, de exemplu forajul.

Control 2D:

Aparatele cu control 2D au control special pe 2 sau 3 axe simultan, acestea pot așchia doar la o adâncime constantă înt-un singur plan (X,Y).

Control de tăiere dreaptă:

Acest sistem controlează 2 axe în special, dar nu simultan; rezultă executarea operațiilor pe axa X și pe axa Y, aceasta fiind limitată.

Control 21/2D:

Aparatele cu control 21/2D pot avea control special pe oricare 2 axe X-Y, X-Z, Y-Z, astfel putem să așchiăm ori la o adâncime constantă sau în contur.

Control de tăiere în contur:

Acest sistem are control special în toate cele 3 axe și poate să mențină acest control în toate axele simultan. Aparatele de frezat cu acest tip de control sunt capabile să taie în linie dreaptă, cerc, oval, etc.

Control 3D

Aparatele cu control 3D pot avea control special în toate cele 3 axe. Aceasta poate să așchieze la adâncimi variabile în orice formă specială dorită.

Sistemul de glisare

Motoare

Motoarele pas cu pas sau servomotoarele controlează mișcarea pe axe a dispozitivului de tăiere. Pentru a obține o precizie cât mai mare în distanțele parcurse și a vitezei aplicate pe acestea se folosesc motoarele pas cu pas. Principiul prin care acestea functionează este printr-un impuls de la unitatea de control. Axul motorului se va roti cu un unghi specific numit pas. Mărimea pasului depinde de fiecare motor în parte. Acesta poate varia între 7.5 – 1.8 grade. Asta înseamnă că o rotație întreagă se poate diviza în pași, cuprinzând între 48 – 200 de pași. Dacă un singur impuls este primit de către motor, acesta se va roti cu un singur pas. Astfel viteza de rotire a axului și durata de rotire a motorului este controlată de câte pulsuri primește acesta. Numărul de pulsuri este dat de către sistemul de control. Astfel că nu este necesar un sistem de citire a vitezei motorului sau a poziției dispozitivului de tăiere deoarece acestea pot fi calculate intern. Utilizarea motoarelor pas cu pas simplifică mult sistemul deoarece nu mai este necesar un sistem de feedback pentru poziție. Astfel diminuâm și costul total. Acest avantaj este prezent doar în aparatele de puteri joase deoarece motoarele pas cu pas nu furnizează o putere considerabilă.

Sistem de glisare cu șurub

Sistemul se folosește șuruburi trapezoidale ca mecanism de acționare liniară. Acestea prezintă un număr mare de avantaje:

Eficiența mare: comparativ cu benzile elastic, acestea au un randament de peste 90%; de asemenea, puterea necesară e mai mică datorită frecării mici, 0.1 la șuruburile trapezoidale și 0.01 la șuruburile cu bile.

Rotire inversă: sistemul este reversibil, astfel nu este necesar un sistem complex pentru a mișca sistemul în sens opus.

Durata de viață lungă: deoarece frecarea este mica, acesta poate să fie utilizată pe o durată mare de timp, până apare uzura.

În cazul șuruburilor cu bilă, nu apare efectul de sudură la rece. Acest fenomen este caracterizat prin lipirea a 2 componente lubrifiate ce se află în contact, astfel nu avem momente sacadate.

Sistemul de FEED-BACK

Traductoare de viteză

De obicei măsurăm viteza cu un dispozitiv numit tachogenerator; acesta generează la borne o tensiune proporțională cu viteza. Acesta este încorporat în carcasa servomotorului pe axul acestuia. Tensiunea generată este transmisă către calculator pentru a măsura în timp real viteza.

Sistem feed-back de poziție

Cea mai bună metodă de a măsura poziția dispozitivului de tăiere este de a avea o citire continuă a poziției acesteia relativ față de punctul de referință. Obținem poziția dispozitivului de tăiere prin măsurarea mișcării sistemului de glisare cu aparate precum traductoare rotative sau liniare.

Traductoare de poziție liniare

Acest dispozitiv se bazează pe un principiu fotoelectric; acesta măsoară deplasarea dispozitivului de tăiere de la un punct de referință fix. Traductorul liniar este compus dintr-o serie alternantă de linii transparente și opace, paralele, așezate pe o linie, constituind un element, iar celălalt este o diodă cu o celulă fotoelectrică. Primul element este așezat pe calea de rulare a sistemului de glisare, iar celălalt este așezat pe sistemul de glisare, fiind mobil. Celula fotoelectrică generează un semnal de fiecare dată când este expusă la lumină prin dung transparente, numărând aceste pulsuri și știind distanța între 2 linii transparente consecutive putem calcula distanța pe care o parcurge un element.

Traductoare de poziție rotative

Există traductoare ce operează prin măsurarea vitezei unghiulare a unui element rotitor, iar prin cunoașterea pasului elementului rotitor, unitatea de procesare poate calcula poziția dispozitivului de tăiere. Există și traductoare de poziție rotative ce funcționează pe principiul fotoelectric, acestea fiind cele mai comune. Traductorul ce se bazează pe principiul fotoelectric este compus dintr-un element diodă cu celulă fotoelectrică și un element în formă de disc cu zone transparente și opace uniforme. Când discul se rotește, lumina de la diodă trece prin zona transparentă și este citită ca un semnal de celula fotoelectrică. Știind pasul șurubului, numărul de zone transparente pe rotire, unitatea de procesare calculează distanța parcursă de element. Pentru a cunoaște direcția de rotire se mai introduce încă o celulă fotoelectrică.

Endstop

Un CNC ce funcționează într-un sistem cartesian necesită un punct de referință. Punctul de referință este poziția preprogramată în calculator a dispozitivului de tăiere la care se începe operația de frezare. Pentru a ajunge în același loc de fiecare dată se utilizează endstop-uri. Aceste dispozitive în general sunt mini întrerupătoare. Când se atinge o poziție dorită ce se traduce mai departe sub forma de semnal se oprește sistemul de glisare. Endstop-urile se folosesc la determinarea punctului de referință și oprirea sistemului în caz de depășire a zonei de lucru. Există endstop-uri mecanice, optice, magnetice. Se pot înlocui cu un senzor de proximitate dar acesta este rar folosit din considerente economice. Endstop-ul mecanic este cel mai simplu și des folosit. El este un întrerupător deschis ce odată acționat trimite un semnal și sistemul se oprește.

Telecomandă

Pentru a facilita controlul CNC-ului se folosește telecomanda ca interfață. Există telecomenzi wireless care se folosesc de ajutorul calculatorului. Dezavantajul lor este existența unei întârzieri între comandă și rezultat. Telecomanda ce acționează direct pe placa de control este mai favorabilă deoarece acesta se poate folosi și în absența calculatorului și nu există întârzieri considerabile între comandă și rezultat. Telecomanda este în principiu un accesoriu pentru verificarea funcționalității aparatului și în general, pentru a vedea deplasarea pe axe. Telecomanda nu este concepută pentru tăieri sau alte operații complexe; în cazuri excepționale aceasta este folosită în perforarea unor puncte marcate direct pe material.

Sistemul automat de curățare a mesei

Pentru că CNC-ul este conceput pentru a funcționa timp îndelungat, rezultă un număr mare de procese de tăiere. Cu fiecare tăiere există material rezidual care, în cantitați mari, duce la scăderea preciziei aparatului. Pentru a asigura funcționarea optimă a aparatului pe timp îndelungat și pentru a nu bloca alte dispozitive ce lucrează în interiorul CNC-ului avem nevoie de un sistem ce îndepărtează acest exces. Există 2 moduri de a îndepărta materialul rezidual. Primul este dat de acțiunea de aspirare: existența unui dispozitiv ce aspiră atașat în vecinătatea dispozitivului de tăiere asigură nivelul mic de material rezidual. Alternativ se poate efectua procesul de îndepărtare a materialului nedorit manual. A doua modalitate de îndepartare a rezidului este suflarea, cea mai des folosită, deoarece randamentul este mai mare decât în cazul aspirării. Se poate realiza cu un compresor ce conduce aer către o duză atașată de dispozitivul de tăiere. Acesta este conceput să îndepărteze rezidul din jurul frezei pentru ca aparatul să funcționeze la parametri optimi.

Capitolul 2: Proiectare 3D CAD

Programe de proiectare CAD

Un program de proiectare CAD reprezintă software-ul ce utilizează calculatorul sau stația de lucru pentru a ajuta la creerea, modificarea, optimizarea și analizarea unui produs. Acesta are ca scop să crească productivitatea inginerului proiectant precum și calitatea produsului conceput. Termenul CAD, prescurtarea Computer Aided Design and Drafting tradus Proiectarea și Redactarea Asistată de Calculator, este atașat de fiecare program de proiectare. Programele CAD înlocuiesc în întregime desenul manual, automatizând-ul și facând posibil modificarea lor fară a începe un desen nou de la început.

În jurul anilor 1970 costul comparativ dintre proiectarea tradițională și cea asistată de calculator începe să se diferențieze în favoarea stațiilor de lucru și ca urmare proiectarea tradițională începe să decline.

Proiectarea și redactarea asistată de calculator este o unealtă utilizată de ingineri și proiectanți pentru o multitudine de utilizări în multe profesii. Acesta este de 2 tipuri, 2D și 3D, iar multe programe conțin ambele tipuri. În cazul curent ne vom referi la cea 3D.

Programul CAD are capabilitatea de a construi un obiect în cele 3 dimensiuni, indiferent de forma acestuia. Obiectul poate fi conceput și manipulat foarte precis, dar cu cât complexitatea și precizia acestuia cresc cu atât este necesar ca stația de lucru să fie dotată cu componente hardware suficient de bune pentru a susține operațiile efectuate la o viteză agreabilă. Obiectului în sine i se pot atribui diferite caracteristici precum: densitatea materialului, maleabilitatea materialului, conductivitatea acestuia, duritatea materialului, structura materialului și în final culoarea acestuia. Avantajul cel mai mare a programului CAD este abilitatea acestuia de a modifica o piesă proiectată și reutilizarea acestuia în proiectele viitoare ori de câte ori avem nevoie. Programul este capabil ulterior să analizeze piesa concepută din diferite aspecte: aerodinamica piesei, eficiența mecanică, eficiența electrică, rezistența obiectului încadrat într-un sistem și expus la forțele prezente în system, etc. Există posibilitatea ansamblării a mai multor obiecte proiectate într-un sistem și analizarea sistemului ca întreg. Toate aceste funcții reprezintă avantajul proiectării unui sistem sau obiect într-un program CAD față de proiectarea pe hârtie, realizarea prototipului și testarea acestuia. Programul oferă mai puține iterații de realizare a produsului ca prototip pâna la realizarea produsului final, astfel se reduce costul și crește eficiența.

Autodesk Inventor

“Misiunea Autodesk este de a construi instrumente software ce permit oamenilor să își experimenteze ideile înainte de a le transforma în realitate.

Ca lider mondial în dezvoltarea aplicațiilor software CAD 3D pentru proiectare profesională în arhitectură, construcții, infrastructură, mecanică, inginerie și divertisment, Autodesk oferă cel mai larg portofoliu de produse, ajutând peste 10 milioane de clienți, incluzând toți membrii Fortune 100, să inoveze continuu prin designul digital, vizualizarea și simularea performanțelor în lumea reală a proiectelor lor.” (www.autodeskromania.ro)

Programul a fost ales în asistarea proiectării CNC-ului deoarece acesta oferă capabilitatea proiectării pe piese și ulterior asamblarea lor, oferind o relație între acestea. Programul oferă o componentă software de CAM care permite conversia unui model 3D în instrucțiuni și ulterior aceste instrucțiuni să fie traduse în limbaj de G code, limbaj citit de softul de acționare a CNC-ului. Toate aceste avantaje și opțiuni sunt gratuite pe o perioadă de 3 ani pentru orice student ce se înscrie pentru o copie a sofwarului, acesta fiind motivul decisiv în utilizarea programului în proiectarea CNC-ului și ulterior proiectarea pieselor ce urmează a fi prelucrate și produse de CNC.

Proiectarea pieselor

Freză

Majoritatea frezelor cu o putere mai mică de 0.8 kW ce pot fi achiziționate au o formă relativ asemănătoare. Acestea sunt răcite forțat cu aer; prezintă un ventilator la capăt, marcat cu roșu. De asemenea a fost proiectată și prinderea acesteia.

Motoare pas cu pas

Am ales proiectarea unui motor pas cu pas tip nema 23; caracteristicile acestuia nu sunt definite, deoarece forma este comuna cu o gama largă de modele.

Am atasat 4 pini pentru legăturile de înfășurare.

Șurub trapezoidal

Proiectarea a 3 șuruburi trapezoidale cu diametrul exterior de 16 mm:

1 x 300 mm axa Z

1 x 800 mm axa Y

1 x 1200 mm axa X

Axe de ghidaj

Proiectarea a 3 axe de ghidaj cu diametrul de 16 mm:

2 x 300 mm axa Z

2 x 800 mm axa Y

2 x 1200 mm axa X

Încastrări cu și fără rulmeți

Încastrarea cu rulment este necesară pentru a permite șurubului să se învârtă, dar poziția sa axială să rămână constantă. Acest sistem împreună cu un șurub cu bile permite mișcarea liniară.

Încastrarea făra rulment este necesară pentru a menține cât mai fix axul de ghidaj. Acesta trebuie să asigure o rigiditate ridicată. Aceasta are lăcaș pentru șurub pentru o rigiditate mai mare.

Șurub cu bile

Această piesă a fost reprezentată fără bilele conductoare datorită faptului că acestea sunt în interiorul piesei. Decizia a fost de a reprezenta doar prinderile piesei și orificiul în care intră șurubul trapezoidal.

Prindere mobilă pe axul de ghidaj

Această piesă a fost concepută după modelul SC16UU componentă des utilizată la axe de ghidaj de tip bara. Aceasta prezină bile și ca urmare are un coeficient de frecare mic. Piesa are rol de susținere a componentelor atașate oferind rigiditate dar păstrând mobilitatea de-a lungul unei axe.

Șuruburi

Am folosit din librăria oferită de Autodesk Incentor șurubul DIN 7984 M5 și

DIN 24032 M5. Primul a fost utilizat în număr de 42 de ori iar al 2-lea de 4 ori.

Surse

Am proiectat 2 surse, una pentru freză, reglabilă, și una pentru întreg sistemul de motoare, cea din urmă, necesitând o putere mai mare, prezintă un ventilator. Aceste surse nu sunt detaliate; au scop reprezentativ și estetic.

Ansamblare / proiectare corp

După proiectarea tuturor componentelor, ajungem la procesul de ansamblare. Acesta se va face mai întâi pe fiecare axă în parte cu șuruburile trapezoidale împreună cu încastrări cu rulment, șurubul cu bile, motorul pas cu pas, etc. Acestea for fi îmbinate cu piese nou proiectate ce reprezintă corpul gândit. Aceste piese noi sunt realizate din lemn pentru a scădea costul de producție. Construcția totală va fi ulterior descompusă în format .dwg pentru a fi tăiată la laser.

Axă Z

Axa Z susține și ghidează liniar freza, aceasta fiind poziționată pe un corp de lemn. Aceasta are rol de mișcare liniară de sus în jos și invers menținând freza cât mai fixă.

Axă Y

Axa Y susține și ghidează ansamblul axei Z. Aceasta are rolul de a translata ansamblul axei Z de la stânga la dreapta și invers, menținând ansamblul fix, reducând vibrațiile transmise prin corp.

Axa X

Axa X susține și ghidează ansamblul format din axa Z și axa Y. Aceasta are rolul de a translata ansamblul înainte, înapoi și viceversa, menținând ansamblul fix, reducând vibrațiile transmise prin corp. Acesta dublează cu rol de pat, locul în care urmează să prelucrăm materiale.

Proiectarea finală

În cadrul ansamblării finale am compus cele 3 axe împreună cu freza și sursele aferente. În programul Autodesk Inventor am randat aparatul final și am obținut imaginea de mai jos.

Acestă imagine va avea rol de ghid în dimensionarea, alegerea și achiziționarea componentelor. Dimensiunile vor fi în mare parte respectate cu posibilitatea de modificare a acestora pe parcurs. Componentele nu sunt neapărat cele ce vor fi utilizate în costrucția finală; aceasta pot fi înlocuite cu sisteme cu principii diferite, pe măsură ce optimizăm aparatul și ne ajustăm la produsele găsite pe piață, acesta va suferi modificări. De asemenea, m-am abținut din introducerea legăturilor electronice prin cabluri pentru a păstra un aspect estetic plăcut. De aceea prezența lor împreună cu lanțul portcablu nu se face remarcată în proiectare. Placa de acționare lipsește deoarece există prea multe modele și nu am decis în prealabil ce va fi folosit.

Capitolul 3: Calculul și dimensionarea componentelor

Stabilire condiții

Pentru a calcula parametrii fiecărui componente în parte, trebuie mai întâi să stabilim caracteristici generale ale CNC-ului. Aceste condiții sunt impuse de creator și nu sunt stricte în sensul în care se pune accent mai mare pe funcționalitatea aparatului decât dimensiunile cerute de acesta. Dimensiunile de lucru sau spațiul în care putem efectua operația de tăiere va fi de 1.1m lungime 0.7m lățime și 0.3m înălțime. CNC-ul trebuie să fie capabil să extrudeze în diferite materiale cu o densitate și duritate relativ mare, precum oțelul, la o viteză satisfăcătoare. Aceste condiții au rolul de a ghida dimensionările și alegerile componentelor.

Alegerea frezei

Este foarte important să alegem o freză în funcție de materialul în care lucrăm; putem să mergem pe o variantă foarte economică cum ar fi frezele încastrate în carcasă de plastic precum unealta de tip dremel. Cele mai calitative freze sunt formate din motoare de curent continuu “brushless” ce au motorul încastrat cu rulmenți de ceramică și carcasă de metal. Valorile nominale de viteză ale frezei sunt 12000, 15000, 18000, 24000, 40000 rotații pe minut dar aceasta nu reprezintă valoarea la care acesta se poate învârti ci doar valoarea superioară, deoarece aceasta se poate controla de un invertor. Nu există o freză pentru orice proces tehnologic; cu cât necesităm o putere mai mare cu atât diametrul rulmenților crește, temperatura crește, apare necesitatea măririi sistemului de răcire și implicit dimensiunile întregului corp se modifică. Materiale precum lemnul de diverse densități, aluminiu, materiale compozite, etc. necesită o viteză mare din partea frezei, iar materialele precum fierul, oțelul, termoplastice, sau alte materiale ce se pot deforma de la caldură, necesită o viteză redusă.

Caracteristicile frezei determină în principal viteza de extrudare a materialului ales. Pentru o gamă largă de materiale este necesar să avem o freză cu turație variabilă, deoarece trebuie să ajustăm turația pentru fiecare tip de material. Freza trebuie să fie silențioasă și relativ puternică pentru a tăia cu ușurință în material.

Luând în considerare materialele ce urmează să fie prelucrate cu o lamă de diametru maxim de 7mm și cu considerentele economice vom alege o freză cu o putere de 0.4 kW până la 0.8 kW și o viteză reglabilă maximă de la 12000 rpm până la 24000 rpm.

Dacă dorim să prelucrăm oțel, pe viitor va trebui să înlocuim freza achiziționată la una cu urmatoarele specificații:

Putere: 4 kW până la 6 kW

Turație maximă: 18000 rpm până la 24000 rpm

Trebuie precizat faptul următor: dacă dorim să mărim diametrul maxim al lamei de tăiere, timpul total de tăiere va crește considerabil. Pentru a compensa este necesar introducerea unei alte freze cu o putere mai mare.

Dimensionarea axe

Sistemul de glisare diferă de la o mașină cu control numeric la alta, fiecare având beneficile și dezavantajele sale. Decizia finală pentru a alege un anumit tip de sistem față de altul este considerentul economic. Avem în ordine crescătoare a prețului următoarele tipuri de sistem:

Sistem pe curele: acest tip de sistem este prin cele mai ieftine și cel mai utilizat în sistemele de dimensiuni mici. Fiind foarte fiabil, se poate utiliza în diferite moduri și amplasări. Eficiența este de peste 80% și deoarece este și silențioasă este alegerea multor personae. De asemenea, sistemul reduce greutatea întregului sistem. Acest tip de sistem nu necesită mentenanță; în cazul unui defect piesa defectată se înlocuiește. Sistemul prezintă dezavantaje considerabile doar când mărim viteza motoarelor si temperatura de lucru. Reducerea randamentului apare o dată cu creșterea puterii motoarelor. Acest sistem are tendința să fie imprecis la viteze mari, ocazionalele scăpări dintre curea și dinții rotiței de acționare pot deregla foarte repede întreg sistemul. Acest sistem poate fi înlocuit cu lanț dar se pierd multe avantaje și astfel este mai rar întâlnit.

Sistem cu șurub trapezoidal: Sistemul face conversia mișcării rotaționale în una liniară. Aceasta este compusă dintr-un șurub conductor și o piuliță cu bile recirculante. Bilele ce se regăsesc în număr ridicat la interiorul piuliței sunt singura suprafață de contact între șurub și piuliță, rezultând un coeficient de frecare redus. Acest tip de sistem este luat în considerare la aplicațiile ce necesită precizie ridicată. Sitemul, fiind compus din șurub trapezoidal și o piuliță cu bile, prezintă o eficiență ridicată de peste 90% datorită coeficientului de frecare redus. Sistemul beneficiază de o precizie mare cu o eroare de ordinul zecilor de microni la 300 metri parcurși. Dezavantajul este dat de mișcarea liniară independentă nedorită dintre piuliță și șurub. Aceasta este o problemă semnificatvă la viteze mari dar se poate rezolva prin introducerea unei pante de accelerație în multe cazuri sau preasamblarea cu încă o piuliță montată antiparalel. O altă problemă este tendința de a intra în rezonanță la viteze mari. De exemplu, un șurub cu lungimea de 2.5 metri și diametrul 2.5 centimetri are o frecvență de rezonanță de 18 Hz, aceasta fiind fixată la capete. Dacă folosim prinderi ce absorb vibrațiile față de celelate fixe, frecvența de rezonanță scade la 8 Hz.

Sistemul va fi calculat pentru 3 axe, cu șuruburile prinse în rulmenți la capete. Materialul considerat va fi oțel C45, iar direcția filetului înspre dreapta. Dimensiunile șuruburilor cu bile vor fi predimensionate pentru fig 3.1. Astfel avem axele:

Axa X lungimea L 1150mm cu diametrul exterior D 16 mm

Axa Y lungimea L 750mm cu diametrul exterior D 16 mm

Axa Z lungimea L 350mm cu diametrul exterior D 16 mm

Odată dimensionat diametrul exterior al șurubului, restul componentelor ce aparțin sistemului de translație nu mai trebuie dimensionate. Acestea sunt fabricate pentru a se uni de șurub într-o manieră cât mai fixă și ușoară din punct de vedere al asamblării. Fiind realizate în prealabil, trebuie să fim atenți la achiziționarea pieselor corecte pentru diametrul nostru.

Astfel avem 3 piulițe cu bile recirculabile, unul pentru fiecare axă, cu diametrul interior de 16mm.

Avem nevoie de 3 lagăre cap prindere motor, unul pentru fiecare axă. În fig. 3.3 se observă că șurubul este debitat la mărimi diferite pentru zone diferite. Zona lagărului cap prindere motor este din stânga spre dreapta, zona numărul 2 cu diametrul de 12 mm. Astfel rulmentrul interior al lagărului trebuie să aibă diametrul de 12 mm. Acesta este un element de legătură și fixare între șurub și carcasa aparatului.

Avem nevoie de 3 lagăre cap terminal, unul pentru fiecare axă. În fig. 3.3 se observă că șurubul este debitat la mărimi diferite pentru zone diferite. Zona lagărului cap terminal este din stânga spre dreapta, zona numărul 4 cu diametrul de 10 mm. Astfel rulmentrul interior al lagărului trebuie să aibă diametrul de 10 mm.

Acesta este un element de legătură și fixare între șurub și carcasa aparatului.

Avem nevoie de 3 carcase de piuliță, una pentru fiecare axă. Carcasa este un element de legătură între piulița cu bile și obiectul translatat, el se fixează pe piulița cu bile și îi conferă posibilitatea de atașare cu obiectul translatat. În fig. 3.3 observăm că diametrul exterior a piuliței cu bile este de 28 mm. Astfel trebuie achiziționate carcase cu diametrul interior de 28 mm.

Acest sistem este însoțit de sistemul de ghidaj. Ghidajele au rol de a prelua greutatea de pe o axa, permițând șurubului trapezoidal să nu flambeze. Ghidajele, după denumirea lor, au ca rol principal limitarea mișcării de-a lungul unei axe. Acestea pot fi de două feluri:

Sistem de ghidaj pe patine: (ghidajele rectangulare)

Ghidajele lineare sunt elemente de suspensie pentru mișcări de translație. Cerințele impuse componentelor lineare sunt la fel de diverse ca și aplicațiile în care acestea sunt utilizate. Astfel, la sistemele de transport și de alimentare se solicită în principal viteză și exactitate de poziționare, în timp ce la mașinile de măsurat se cere precizie și rigiditate.

Ghidajele rectangulare sunt mai costisitoare (datorită cheltuielilor mai ridicate de producție); acestea depășesc în performanță ghidajele cilindrice în aplicații care necesită rigiditate și precizie ridicată, precum și un raport dimensiune – sarcină mai bun. De asemenea, aceste ghidaje suportă sarcini ridicate și oferă precizie și rigiditate superioare și o durată de viață îndelungată.

Este necesară acordarea unei atenții mari a modului de instalare a ghidajelor rectangulare, deoarece acestea suportă abateri maxime la paralelism egale cu clasa de toleranță în care au fost produse, respectiv 5, 20, 33 microni. Se recomandă ca suprafețele pe care ele sunt montate să fie prelucrate cu un utilaj care să asigure clasa de precizie.

La momentul instalării patinei (căruciorului) pe ghidaj trebuie acordată atenție ridicată, acestea fiind prevăzute cu o piesă de plastic care presează bilele pentru a evita dispersarea lor. Piesa de plastic va fi înlăturată de pe ghidaj la momentul instalării.

Sistem de ghidaj cilindric

Ghidajul liniar cilindric are aceeași utilizare pentru mișcări de trasnlație, diferența fiind faptul că forma șinei este cilindrică. Acestea se folosesc de bilele recirculabile pentru o alunecare cât mai ușoară și pierderi prin frecare cât mai mici. Acestea sunt din nou de două tipuri cele simple și cele cu talpă.

Diferența dintre cele două sunt pur constructive, iar caracteristica cea mai semnificativă este că cea cu talpă este lipsită de flambaj când aceasta este supusă la aceeași sarcină mecanică. Acestea sunt compuse dintr-o tijă metalică ce este rectificată și călită, un rulment liniar ce se află într-o carcasă și, după caz, talpă sau suporți axiali de capăt pentru ghidajul liniar cilindric simplu.

Alegem sistemul de ghidaj liniar cilindric cu talpă ca cel din fig. 3.10 pentru rigidatea acestuia, rezistența acestuia la flambaj și pe motiv de întărire a construției totale. Axele cilindrice cu talpă se vor dimensiona în funcție de șuruburile trapezoidale. Deoarece piulița se deplasează pe lungimea zonei 3 a șurubului, axele cilindrice cu talpă vor avea aceeași lungime cu această zonă. Astfel, după desenul proiectat în fig. 2.15 și desenul tehnic al șurubului din fig 3.3 dimensionăm:

Pentru axa x avem două axe de lungimea L 1100mm cu diametrul exterior D 16 mm; acestea sunt însoțite de 4 rulmenți liniari.

Pentru axa y avem două axe de lungime L 700mm cu diametrul exterior D 16 mm; acestea sunt însoțite de 4 rulmenți liniari.

Pentru axa z avem o singură axă de lungime L 300mm cu diametrul exterior D 16 mm deoarece aceasta asigură rigiditatea necesară de una singură; sistemul dispune de 2 rulmenți liniari.

Dimensionare motoare

Motoarele cele mai folosite ce pot acționa mișcarea de translație pentru fiecare axă sunt servomotoarele și motoarele pas cu pas. Vom alege să lucrăm cu motoare pas cu pas deoaree acestea sunt relativ mai ieftine, mai versatile, nu necesită decodificator ca la servomotoare, sunt mult mai răspândite pe piață cu o durată de viață mai lungă. Acestea trebuie alese după tip, puterea și numărul de pași.

Din fericire există un site http://www.jvl.dk/cal/spindel.asp ce facilitează acest proces, care poate fi utilizat în mod gratuit. Introducem datele noastre aproximate pentru tipul nostru de aplicație în fiecare câmp necesar. Tipul nostru de aplicație este motor cu șurub trapezoidal conducător; astfel pagina următoare, ce necesită datele nominale pentru sistemul de transmisie, nu este necesară și va rămâne completată din oficiu.

Site-ul ne oferă valorile finale ale motorului ce trebuie sa îndeplinească cerințele impuse. Desigur că nu putem să achiziționăm un motor ce prezintă astfel de valori, așadar căutăm un motor sa prezinte caracteristicile imediat superioare. Din fericire site-ul ne oferă la dispoziție și un comparator ce compară valorile motorarelor din baza acestuia de date și astfel putem să alegem un motor ce ne satisface nevoile. Motorul pas cu pas prezentat în fig. 3.13 se numește MST231B02 și va fi motorul ce îl vom căuta pentu achiziționare.

Cupla elastică

Cupla elastică se alege în funcție de diametrul șurubului trapezoidal și diametrul axului motorului ales. Diametrul șurubului trapezoidal la capăt de motor este 10 mm iar diametrul axului motorului este de 6.3 mm, astfel cupla elastica va fi OD14L25 6.35x10mm.

Dimensionare Carcasă

Carcasa va respecta desenul din fig. 2.15, astfel vom sparge desenul din nou în cele 3 axe pentru a avea o ordine și coeerență în dimensionarea pieselor. Materialul ales va fi lemn tip mdf cu o grosime de 8 mm și în cazul unor părți ce necesită o rezistență mai mare vom dubla pereții.

Fișierele DWG au fost create de compania Autodesk și conțin date asupra desenelor 2D sau 3D create într-un program de proiectare. Fișierele sunt scrise în limbaj binar; în esență dețin informații asupra vectorilor ce constituie desenul final. Acest tip de fișier este larg întâlnit în desenele de tip CAD unde este necesară precizia și exactitatea fiecărei piese concepute. Aceste piese sunt necesare în formatul DWG pentru a putea fi tăiate la laser și a obține astfel dimensiunile lor exacte.

Toate aceste piese se vor uni în mare parte cu sistemul de glisare prin holșuruburi destinate lemnului, pentru a permite mișcarea de translație. Piesele ce sunt menite a fi lipite între ele for fi unite mecanic cu holșuruburi pentru lemn și întărituri de fier. În locurile unde este necesară ansamblarea și dezansamblarea vor fi folosite șuruburi și piulițe. Pentru a întări suprafața pe care se sprijină aparatul au fost tăiate 14 piese de lemn de marime 20 mm cu 40 mm și grosimea 20 mm. Aceste piese vor fi ulterior montate sub sistemul de glisare pentru a oferi o stabilitate mai mare.

Capitolul 4: Achiziționarea pieselor și considerații economice

Piese achiziționate:

Primele obiecte achiziționate au fost motoarele și partea electronică achiziționate de pe siteul Aliexpress https://m.aliexpress.com/item/32684451255.html.

Pachetul conține:

1 X Placă de control TB6560 4 axe

1 X Telecomandă control pentru TB6560

1 X Display extern universal

4 X 57BYGH633B 3A motoare pas cu pas

1 X 24V/10A sursă de alimentare

1 X Cablu paralel

1 X CD Mach 3

Avantajul achiziționării unui astfel de pachet sunt numeroase, deoarece vânzătorul oferă o reducere de preț și expedierea unui singur pachet. Piesele individuale costă mai mult cumpărate separat față de achiziționarea lor în forma unui pachet. Compatibilitatea lor este un mare plus deoarece nu este necesar să investim timp în analiza acestui aspect.

Al doilea pachet reprezentând sistemul de glisare a fost comandat de pe siteul aliexpress la un atelier particular ce lucrează piese la comandă. Astfel am obținut pachetul: https://www.aliexpress.com/item/2-X-SBR16-300mm-700mm-1100mm-linear-rail-3pcs-SFU1605-350mm-750mm-1150mm-ballscrew-3sets-BK12/32329443592.html?spm=2114.10010108.1000013.7.jL2WOG&scm=1007.13339.33317.0&pvid=6cf8a3a2-115d-44f1-80ad-1d3feb32e06c&tpp=1

Pachetul conține:

2 X SBR16- 300mm ghidaj liniar cu talpă

2 X SBR16- 700mm ghidaj liniar cu talpă

2 X SBR16- 1100mm ghidaj liniar cu talpă

12 X SBR16UU patină

1 X RM1605- 350mm șurub trapezoidal

1 X RM1605- 750mm șurub trapezoidal

1 X RM1605- 1150mm șurub trapezoidal

3 X piuliță cu bile

3 X BK12/BF12 suporți

3 X 6.35mm * 10mm cuplaj elastic

3 X carcasă de piuliță

Avantajul acestui set se rezumă la piese exacte cu cele dimensionate și compatibilitatea pieselor.

Următorul set de piese reprezentând freza, capete de freză, prinderea ei și sursa de alimentare a ei a fost achiziționată tot de pe siteul aliexpress.

Adresa online a pachetului: https://www.aliexpress.com/item/NEW-Spindle-the-CNC-Spindle-Motor-ER11-500W-52mm-mounting-bracket-spindle-clamp-for-PCB-engraving/32341330193.html?spm=2114.search0104.3.44.2013708flgX8gi&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_5_10152_10151_10065_10344_10068_5722815_10342_10343_10340_5722915_10341_5722615_10697_10696_10084_10083_10618_10304_10307_10301_5722715_10059_10534_308_100031_10103_441_10624_10623_10622_5722515_10621_10620,searchweb201603_1,ppcSwitch_5&algo_expid=8f640b6c-3c3b-4853-a772-49160251b610-9&algo_pvid=8f640b6c-3c3b-4853-a772-49160251b610&transAbTest=ae803_1&priceBeautifyAB=0

Pachetul conține:

1 X freză 500 W

1 X sursă de tensiune reglabilă AC220V±10% 50HZ

1 X 52 mm prindere freză

4 X șuruburi

13 X ER11 capete freză

Restul de piese au fost achiziționate separat:

3 X Endstop https://magazin.unda.tech/limitator-mecanic/827-comutator-lamela-on-off-kw7-03-3.html

3 X Lanț portcablu 7mm cu 7mm

https://magazin.unda.tech/lant-portcablu/391-lant-portcablu-7×7.html?search_query=lant&results=2

Din cauza prețului fiecărei piese din România fiind mai mare fața de cel importat din străinătate, decizia de a achiziționa de pe site-ul Aliexpress a fost una ușoară. Prețurile exprimate în RON a produselor din străinătate includ costurile de transport și tva-ul datorat unei țări non-europeană. Costurile totale pentru achiziționarea fiecărei piese individuale este mai mare față de achiziționarea lor sub formă de pachet și mai eficientă din punct de vedere al timpului de studiu al pieței și de comandă a pieselor.

Decizia finală a fost de a alege o combinație de produse din străinătate cu restul de produse din România pentru un raport cost/eficiență cât mai mare.

Capitolul 5: Asamblare și reglajul fin al aparatului

Asamblare parte mecanică:

Pentru asamblarea mecanică am folosit șuruburi pentru lemn autofiletant din oțel, 3.5 x 16 mm, șurub pentru lemn autofiletant din oțel 3 x 14 mm, șurub pentru lemn autofiletant din oțel Friulsider VBU-PRO 3 x 25 mm împreună cu colțare din oțel 45 x 45 mm de 3 mm grosime.

Am început prin unirea pieselor duble în locurile în care este necesar un perete de 16 mm în loc de 8 mm. Apoi am folosit bormașina pentru a prestabili locațiile șuruburilor și a ușura strângerea lor.

Asamblarea propriu-zisă a început cu axa X fixând ghidajele liniare cu talpă SBR16- 1100mm și șurubul trapezoidal RM1605- 1150mm cu lagărele BK12/BF12, acestea fiind paralele.

Fixarea pereților exteriori dubli pentru a închide axa X într-o cutie, a fost realizata cu ajutorul colțarelor. De peretele ce a fost tăiat în prealabil a fost atașat motorul pas cu pas și a fost făcută legătura cu șurubul trapezoidal prin cupla elastică, iar pe lagarul BK12 a fost montat un endstop.

Plasăm câte 2 patine pe fiecare ghidaj liniar cu talpă. Înainte de a închide axa X lucrăm la axa Y pentru a fi atașată de sistemul de translație și ghidaj liniar al axei X.

Pentru axa Y ansamblăm mai întâi chenarul cu ajutorul colțarelor având grijă ca structura să fie cât mai rigidă. Acum putem să punem ghidajele liniare cu talpă SBR16- 700mm și șurubul trapezoidal RM1605- 750mm cu lagărele BK12/BF12, acestea fiind paralele.

Plasăm câte 2 patine pe fiecare ghidaj liniar cu talpă. Pe partea stângă a chenarului axei Y, unde peretele prezintă alezaj, atașăm motorul pas cu pas și făcem legătura cu șurubul trapezoidal prin cupla elastică, iar pe lagărul BK12 a fost montat un endstop.

Pe chenarul axei Y atașăm piesa ce are rol de suport pentru placa de control TB6560 4 axe, cu ajutorul șuruburilor.

Sub ghidajele liniare cu talpă, în dreptul lăcașelor de șuruburi, plasăm piesele de lemn 20x30x20 mm drept suporți pentru înălțarea și nivelarea aparatului.

Pe axa Z montăm ghidajul linar cu talpă SBR16- 300mm și se montează șurubul trapezoidal RM1605- 350mm cu lagării BK12/BF12. În capătul superior al axei montăm piesa ce prezintă locaș pentru axul motorului, iar pentru fixarea acestuia folosim un colțar din oțel. Pe lagărul BK12 se montează un endstop, pe partea superioară a axei Z se fixează motorul pas cu pas și se conectează la cupla elastică. Punem 2 patine cu bile recirculabile pe axă, iar împreună cu carcasa piuliței cu bile se montează placa ce susține freza. Mai apoi suportul frezei se unește de placă și se introduce freza propriu-zisă înăuntru.

Asamblare parte electrică:

Calibrare și relegajul fin al aparatului:

Mașina-unealtă de frezat odată ansamblată trebuie calibrată pentru a se asigura acuratețea mișcărilor efectuate de acesta. În general vom introduce în programul MACH 3 datele fizice ale aparatului cum ar fi: utilitatea fiecărui pin în parte, viteza fiecărui motor, numărul de pași efectuat de șurubul trapezoidal, dimensiunea zonei de lucru, etc. De asemenea, placa de control TB6560 are comutatoare DIP pentru fiecare axă ce trebuie setate pentru motoarele și activitatea întreținută de aparat.

Setările de curent reprezintă căt la sută primește un motor curent, setările de Decay reprezintă viteza de trecere prin zero a curentului și reducerea interferenței cu restul sistemului din fiecare motor. Acesta foate fi rapid, încet sau mixt, în cazul TB6560 25% sau 50% cazul mixt. Setările de Microstep reprezintă viteza și acuratețea de rotire a axului motorului rezultând mai pușine vibrații intoduse în sistem și reducerea zgomotului. Un microstep mare 1/16 reprezintă necesitatea unui număr mai mare de pulsuri necesare pentru efectuarea unei rotații complete față de un microstep de 1.

Setările alese pentru DIP pentru fiecare axă sunt:

Axa X 1-ON 2-ON 3-ON 4-ON 5-OFF 6-On, acestea reprezentănd curent 100%, modul de Decay rapid și un microstep de 1/16

Axa Y 1-ON 2-ON 3-ON 4-ON 5-OFF 6-On, acestea reprezentănd curent 100%, modul de Decay rapid și un microstep de 1/16

Axa Z1-ON 2-ON 3-ON 4-ON 5-OFF 6-On, acestea reprezentănd curent 100%, modul de Decay rapid și un microstep de 1/16

Aceste setări fac aparatul să utilizeze potențialul motoarelor pas cu pas într-un mod pe cât se poate de silențios și neperturbat de interferențe. De asemenea setările de microstep fac ca mororul pas cu pas să se rotească cu o șaisprezecime din 1.8 grade cât se rotește normal la primirea unui semnal, reprezentând o rotație de 0.1125 grade pentru fiecare semnal primit. Acestă setare asigură o mișcare de translație foarte fină dacă este necesar.

În programul MACH 3 permit utilizarea a axelor X,Y și Z, apoi introducem următoarele setări pentru fiecare axă. Pentru axa X pinul pentru Step este 2 iar pentru Dir fiind 3, axa Y pinul de Step este 4 iar pentru Dir este 5, axa Z pinul de Step este 6 iar de Dir este 7 și în acest caz inversăm direcția de rotație prin selectarea Dir LowActive. Toate acestea trec prin portul 1.

Următorul tabel reprezintă interpretarea semnalelor primite de la aparat către program. Avem cele 3 endstopuri pe axa X pinul 10, axa Y pinul 15, iar axa Z pinul 12. Acestea sunt setate pe un circuit deschis astfel nu activăm Active Low. În momentul închiderii circuitului de la endstop programul Mach 3 recunoaște semnalul și oprește aparatul.

Urmează setările pentru fiecare motor în parte, programul Mach 3 calculează la fiecare rotație a fiecărui motor distanța parcursă pe fiecare axă cunoscând pasul șurubului trapezoidal. Astfel pentru axa X avem șurubul trapezoidal ce efectuează o deplasare de 5mm pentru fiecare rotație completă. Motorul efectuează o rotație de 1.8 grade pe pas rezultând la 200 de pași pe rotație completă cu un microstep de 1/16, astfel calculăm Steps per unit ca fiind (200*16)/5 = 640. Pentru viteză și accelerație potrivim pe placul propriu și obținem tabelul de mai jos:

Astfel pentru axa Y avem șurubul trapezoidal ce efectuează o deplasare de 5mm pentru fiecare rotație completă, motorul efectuează o rotație de 1.8 grade pe pas rezultând la 200 de pași pe rotație completă cu un microstep de 1/16, astfel calculăm Steps per unit ca fiid (200*16)/5 = 640. Pentru viteză și accelerație potrivim pe placul propriu, viteza se dublează față de viteza pe axa X, iar accelerația se dorește una foarte mare pentru mișcări rapide:

Astfel pentru axa Z avem șurubul trapezoidal ce efectuează o deplasare de 5mm pentru fiecare rotație completă, motorul efectuează o rotație de 1.8 grade pe pas rezultând la 200 de pași pe rotație completă cu un microstep de 1/16, astfel calculăm Steps per unit ca fiid (200*16)/5 = 640. Pentru viteză aceasta va fi cea mai mică în cazul unei posibile erori să poată fi oprit sistemul înainte de distrugerea aparatului. Accelerația se pastreaza foarte mare, 5000, pentru ca aparatul să efectueze mișcări rapide și precise:

După setările introduse în programul Mach 3 vom efectua teste pentru a asigura o bună funcționare a aparatului. Pentru început vom testa dacă fiecare axă răspunde oricărei comenzi prin comanda de JOG ce ne permite să mișcăm orice axă în ce sens dorim. După efectuarea acestui test observăm că totul decurge normal și trecem la testul de acuratețe. Testul de acuratețe consta în verificarea preciziei aparatului. Aici ne dăm seama dacă toate reglările ce au fost implementate anterior au fost bine stabilite. Pentru această operație utilizăm o riglă ce are originea 0 (începutul riglei) în dreptul centrului frezei și este dispusă paralel cu axa pe care o testăm. Astfel începem cu axa X, orientăm rigla cu 0 în centrul frezei, acesta fiind foarte aproape de riglă din punct de vedere al înălțimii. În Mach 3 introducem comanda G0 X11 astfel programul mișcă axa X cu un mm din moment ce freza era in punctul X=10. Observăm faptul că freza se mișcă cu un mm, introducem comanda G0 X21 pentru ca X să se miște cu 10 mm in plus. Se observă că parcurge această distanță și ca nu sunt erori așa că introducem comanda G0 X121 pentru a face aparatul să se miște cu 10 cm. Se observă că freza parcurge 10 cm și se oprește deasupra liniei la semnul de 11.1 mm. Putem conclude că eroarea pe care aparatul o prezintă nu este sesizabilă și prin urmare este nesemnificativă. Trecem mai apoi la axa Y și Z urmănd aceeași pași obținem rezultate foarte asemănatoare. În final putem să spunem că aparatul este bine calibrat iar erorile ce se regăsesc în operarea acestuia sunt nesemnificative.

Capitolul 6: Prezentarea modului de funcționare. Teste de laborator.

Pentru a prezenta modul de funcționare trebuie mai întâi să avem codul g pentru obiectul pe care dorim să îl prelucrăm. Pentru a obține gcode-ul trebuie să proiectăm obiectul într-un program de CAD apoi trebuie procesat printr-un program de CAM. Alegem programul Autodesk Fusion 360 datorită faptului că acesta are modul de CAM și CAD pentru a obține fișierul gcode în post-producție. Deschidem programul, începem un proiect nou și desenăm o inimă tridimensională ce are baza plată. Am ales modelul inimii fiindcă aceasta se poate desena relativ ușor, necesitând un pătrat și două cercuri.

Proiectare Test:

După ce terminăm desenul, cu comanda extrude creăm corpul în formă de inimă cu o înălțime de 15 mm. Aceasta va fi baza de la care pornim. Cu comanda fillet rotunjim marginile până la 13 mm. Pentru a reprezenta faptul că acesta este un test, introducem un text pe suprafața superioară a corpului, apoi cu comanda extrude pe modul de tăiere decupăm 3 mm. Corpul din figura 6.2 este forma finală la care dorim să ajungem ca produs tangibil.

După faza de proiectare a obiectului pe care dorim să îl obținem dintr-un bloc solid de lemn, trecem la faza de CAM. Aici vom alege fiecare operație pe care o dorim efectuată asupra materialului de prelucrat și în ce ordine dorim să fie efectuată operația.

Primul pas este să stabilim forma de unde extragem corpul denumită în program ca setup; aici stabilim unde se află obiectul în

Corpul masiv de lemn. Poziționăm axa Z orientată în sus pentru ca aparatul să știe de unde se poate așchia materialul, apoi avem opțiunea de a orienta sensul axelor X și Y, dar pentru testul nostru această orientare precisă nu este necesară.

Decidem că suprafața superioară nu necesită prelucrată, de aceea fața lemnului va coincide cu cea a obiectului întrucât nu necesită prelucrarea unei noi fețe. Apoi pentru ca să prelucrăm fațadele exterioare adăugăm 1 mm în părți.

După ce am setat parametii de lucru putem să trecem la fiecare acțiune necesară prelucrării obiectului. Deoarece cuvântul TEST este orientat la suprafața obiectului începem cu o comandă numită adaptive utilizată în general pentru înlăturarea materialului grosier. Gravarea textului nu necesită acțiuni fine, ceea ce înseamnă că o decupare adaptivă este suficientă pentru a opține textul. Similar putem să folosim operația specială de gravare implementată în Fusion 360, dar aceasta necesită o freză triunghiulară.

Urmează să descoperim obiectul prin operația de Pocket ce îndepărtează majoritatea materialului în plus. Această operație este setată să păstreze 0.5 mm material pentru a fi prelucrat ulterior de următoarele operații. Operația este una rapidă ca viteză de deplasare pe planul XoY și înceată pe verticală, coborând doar un mm în adăncime pentru fiecare trecere. De asemenea este necesar ca operația să se oprească cu câțiva mm înainte de a separa obiectul de restul materialului. Din fericire materialul folosit are o grosime de 20 mm iar cei 15 mm ne asigură că obiectul nu se va deplasa, astfel restul de operații pentru finisare sunt posibile.

Pentru ca obiectul să rămână fin și să se păstreze curbura exterioară exactă, utilizăm operația Parallel. Această operație va fi limitată doar la fețele curbate ale obiectului și va avea o distanță dintre fiecare trecere de 0.5 mm. Operația efectuază treceri paralele și pentru a opține o suprafață și mai fină putem dubla operația și schimba unghiul la care se efectuează trecerile cu 90 de grade.

Obiectul, după aceste treceri, este terminat, dar baza acestuia este încă lipită de materialul de bază, astfel cu comanda Pocket înlăturăm materialul în plus, dar controlăm ca spațiul de lucru să fie baza de care obiectul este lipit. Orientăm freza să decupeze cu 0.1 mm în exterior pe plan radial pentru a prezerva obiectul prelucrat. De asemenea viteza de tăiere va fi micșorată pentru a micșora șansele de a tăia în patul pe care este așezat materialul solid.

După ce terminăm toate operațiile, trecem mai întâi prin simularea fiecărei operații pentru a observa eventualele erori de program. Apoi trecem în post proces, unde ordonăm operațiile, selectăm programul ce va citi fișierul și denumim fișierul. Toate operațiile sunt însumate și traduse în limbaj Gcode. Ca exemplu avem Fig 6.9 începutul fișierului obținut pentru test.

Fișierul este introdus în programul Mach 3, se pornește aparatul, se pregătește materialul de prelucrat, se stabilește punctul de origine real, apoi se apasă butonul de start pentru a începe rularea programului. De asemenea, înainte de a porni programul se asigură că bitul este fixat în freză și că freza este pornită din potențiometru.

Executare test:

După pregătirea CNC-ului pentru operația de tăiere se rulează programul și astfel avem fotografii din procesul de prelucrare:

În timpul funcționării folosim un aspirator pentru a curăța excesul de material.

Capitolul 7: Concluzii și direcții de dezvoltare ulterioară

Aparatul se rulează în stare perfectă, obținând rezultate cu o repetivitate și precizie regulată. Posibile probleme pot apărea datorită erorii umane, datorită pregătirii neadecvate a aparatului, nefixarii bitului în freză sau pot apărea erori de program deoarece obiectului proiectat nu au fost bine stabilite operațiile de decupare. Alte probleme ce pot apărea sunt probabilitatea de a strica freza sau obiectul prelucrat datorită butonului de stop aflat în programul Mach 3 și neavând un corespondent fizic când necesităm încetarea programului în curs de rulare.

Cnc-ul are capacitatea de a prelucra materiale de bază dure în trei dimensiuni cu condiția ca pe axa Z prelucrarea se face doar dintr-o singură direcție. Finețea obiectelor realizate este datorată în mare parte de biturile folosite, cu cât acestea sunt mai subțiri și mai lungi cu atât putem să lăsăm în urmă forme mai precise și ascuțite. De asemenea tipul de execuție este unul mediu deoarece puterea frezei limitează cantitatea de material înlăturată. Putem scădea timpul de execuție prin stabilirea operațiilor CAM mai eficiente sau folosirea biturilor mai mari pentru anumite operații, dar schimbarea biturilor necesită timp și recalibrare. De aceea utilizarea schimbărilor de capete se folosește la proiectele considerate mari și care prezintă detalii fine.

Aparatul realizat este unul ce necesită familiarizare în termeni de utilizare a acestuia, nu este foarte prietenos cu utilizatorii ce nu cunosc programul Mach 3 sau proiectare și operare CAM. De aceea ca dezvoltare ulterioare se poate concepe un program de operare ce încorporează aceste aspecte. Pentru a ușura și mai departe munca utilizatorul putem face ca programul să monitorizeze starea aparatului și să îl gestioneze când este nevoie, de exemplu oprirea operațiilor cănd aparatul întâlnește o problemă. Monitorizarea aparatului de către programul software va fi posibilă cu implementarea diferitelor tipuri de senzori. Putem pune senzori de nivel al patului, putem pune senzori care citesc forța care o întâmpină freza la înaintare și astfel putând să ajusteze viteza de tăiere. Putem avea senzori care citesc prezența unui bit în freză și posibilitatea reajustării automate la schimbarea capetelor de freză. Putem avea senzori care citesc poziția exactă a deplasării frezei și cu ajutorul programului, corectarea unei posibile erori de deplasare, dar acest caz este foarte rar.

Posibilă dezvoltare ulterioară ar fi înlocuirea patului de mdf cu unul de aluminiu în formă de X, dar dacă facem această înlocuire pierdem posibilitatea de a fixa materialul de bază rapid cu holșuruburi. Pe deoparte câștigăm stabilitate deoarece flexibilitatea aluminiului e mult mai mică față de mdf și posibilitatea utilizării clemelor pentru fixare materialului de bază.

Introducerea unei a patra axă:

Datorită limitării realizării obiectelor tridimensionale, putem să introducem o a patra axă. Această axă are rolul de a roti corpul pe părțile ce nu sunt accesibile bitului de frezare.

Placa TB6560 suportă introducera acestei componente având un slot de rezervă pentru comanda unui motor suplimentar. Programul Mach 3 permite gestionarea până în cinci axe, rezultând compatibilitatea acestei achiziții. Această componentă este formată în principal de o mandrină, un motor pas cu pas și un sistem de angrenaj. Mandrina ține materialul de bază și astfel înlocuiește și masa de lucru și nevoia de a fixa obiectele de masă. Pentru materiale mari putem folosi și o papusă pentru a fixa și menține materilale de dimensiuni mari.

Cea de a patra axă este extrem de utilă pentru obiecte tridimensionale complexe, deși în acest format dimensiunile pieselor ce se pot realiza scade considerabil, dar se compensează prin complexitatea ridicată a acestora. Tipuri de piese ce se pot realiza la un sitem în patru axe față de unul cu trei axe sunt: elice, statui în miniatură, arbori, inele, sfere, piese cilindrice, roți dințate, etc.

Acest sistem nu constă în o modificare majoră a aparatului, de aceea este simplu de implementat. Costul de achiziționare al sistemului este între 1000 de ron și 1500 de ron. Sistemul pentru a fi complet are nevoie și de o sondă pentru a măsura punctul de zero al axei Z ce aduce un cost suplimentar de 100 ron. Sistemul poate fi implementat odată cu livrarea pieselor, instalarea putând fi încheiată în aceași zi.

Bibliografie:

Nguyen, Van Khai; Stark, John; STEP-compliant CNC Systems, Present and Future Directions (2009);

Nechifor Mariana, Dorin Roșu, Ivan Mykytyn; MODULUL: Masini unelte cu comandă numerică (2008);

Peter Smid; CNC Programing Handbook Third edition (2007);

Elena-Maria Mărginean; Programarea și operarea mașinilor-unelte cu comandă numerică. Teste și aplicații (2015)

Liviu Morar, Emilia Câmpean; Programearea Echipamentelor CNC (2015)

Patrick Hood-Daniel, James Floyd Kelly; Build Your Own CNC Machine (2009)

MME1103Workshop Technology Manual CNC MACHINING

http://www.instructables.com/id/Modular-DIY-CNC-Machine

http://www.instructables.com/id/How-to-Make-a-Three-Axis-CNC-Machine-Cheaply-and-

http://www.instructables.com/id/3-Axis-CNC-Router–60x60x5–JunkBot/

https://www.autodesk.com/products/fusion-360/students-teachers-educators

https://www.aliexpress.com

http://www.nichelina-cnc.ro/

https://www.pro-cnc.ro/

https://unda.tech/

http://www.jvl.dk/cal/spindel.asp

https://allmetech.com/ce-este-si-ce-face-un-strung-cnc/

https://ro.wikipedia.org/wiki/Programarea_mașinilor-unelte_cu_comandă_numerică

http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/Masina-de-frezat-NovaMill-CNC-23681.php