CNC FRÄS GTI. Göteborgs Tekniska Institut

Transkript

1 Projektdeltagare: Klass: Datum: Skola: Andreas Quinn MKY2 VT 2009 Göteborgs Tekniska Institut ~1~

2 Förord CNC står för Computer Numrical Control och är ett datorsystem för att styra verkstadsmaskiner i tillvekning industrin. Med en CNC fräs kan man på ett mycket effektivt och billigt sätt ta fram prototyp mönsterkort men även fräsa andra detaljer till exempel i aluminium och trä. Tyvärr är dessa fräsar mycket dyra. I denna rapport beskriver jag allt jag har lärt mig och erfarit i mitt bygge. Allt från Styrning av stegmotorer till konstruktion av fräsen. Tack för all hjälp Conny(Alucon), Daniel (ROLLCO), Allan (lärare ), Fredrick (lärare ), Lars (Svenskklimatelektronik). Utan er hade detta projekt inte varit möjligt. Nyckelord CNC,FRÄS, STEGMOTOR, CAM ~2~

3 Innehåll Innehåll Bakgrund Problemområde och frågeställning Syfte Målgrupp Val av metod Stegmotor Stegmotor - styrning Styrkort Schema Styrkort Layout Styrkort Tillverkning Styrkort Testning Färdiga Alternativ Konstruktion Z axel Konstruktion Y- axel Konstruktion X- axel Framtida uppgraderingar Resultat och slutsats Referenser ~3~

4 1.1 Inledning Mitt namn är Andreas Quinn och jag läser just nu andra och sista året på Göteborgs Tekniska Institut. Utbildningen är en KY (Kvalificerad Yrkesutbildning) med inriktning mot elektronik och data. Här är mitt projekt arbete. 1.2 Bakgrund Att koppla upp och labba med komponenter på ett labbdäck kräver stort tålamod, kablar som lossnar eller går av, felkopplingar och trassel. Jag ville ha ett enkelt och relativt billigt sätt att slippa detta och började söka lite på nätet efter hemmabyggda CNC fräsar. Det visade sig finnas väldigt många som sysslade med detta. 1.3 Problemområde och frågeställning Hur styr man stegmotorer? Går det att få den precision som krävs? 1.4 Syfte Syftet med projektet är att bygga en väl fungerande CNC fräs som kan användas till att fräsa i aluminium, plast, trä och ha den precision som krävs för att fräsa mönsterkort. 1.5 Målgrupp Denna rapport riktar sig till dig som håller på eller funderar på att bygga en CNC fräs. Genom att läsa min rapport kan du förhoppningsvis få en del tips och slippa göra om samma misstag som jag har gjort. ~4~

5 1.6 Val av metod Först började jag leta efter alternativ till att styra motorerna sedan caddade jag ett kort och fick det fräst. Efter det 3D Caddade jag fräsen. För att sen börja bygga konstruktionen. Sedan var det dags att lära sig styr programmet i datorn. 2.1 Stegmotor För att kunna styra dem 3 axlarna med mycket god precision använder jag mig av 3 stegmotorer. En stegmotor är en elektromekanisk komponent som omvandlar pulser till diskreta rörelser. Motorerna jag använder kommer ifrån JB CNC och har en upplösning på 1,8 grader per puls, det vill säga 200 steg per varv. Dem har en max kraft på 1.85 Nm vilket räcker för mina behov. 2.2 Stegmotor - styrning Det finns 3 sätt att styra denna stegmotor Unipolärt, Bipolärt (seriekopplad) och Bipolärt (parallellkopplat) Jag använder mig av Unipolär koppling vilket innebär att bara en av dem 4 faserna magnetiseras åt gången (även kallat Wave drive). På detta sätt får jag inte ut max effekt men det var det lättaste och billigaste sättet att bygga ett styrkort till. Kanske uppgraderar jag till en bättre styrning i framtiden. ~5~

6 3.1 Elektronik För att styra dem tre stegmotorerna behövs ett styrkort. Efter en del sökande på internet hittade jag nedanstående schema. Det är ett schema för en stegmotor som styrs genom parallell porten på en PC. 3.2 Styrkort Schema Följande schema hittades här. Detta styr en stegmotor genom parallell porten på en PC. Hur det funkar: Resistorn droppar spänningen till Zenerdioden som reglerar spänningen till 6,2 Volt. Detta är en bra spänning till IC kretsarna och är tillräkligt för att driva de flesta standard MOSFETAR. Kondensatorn tar bort eventuella störningar som kan komma från motorerna. ~6~

7 Den första kretsen (CD4516) är en så kallad Upp/Down counter. Den har två ingångar den ena bestämmer om den skall räkna upp eller ned. Den andra kallas step och adderar eller subtraherar ett från resultatet beroende på om den skall räkna upp eller ned. Resultatet skickas ut binärt på Q1-Q4. Q1 och Q2 kopplas till A och B på nästa krets (CD4028) som är en binär till decimal omvandlare. Detta ger oss 4 olika lägen, nämligen 00,01,10 och 11. Genom att låta C ingången vara hög hela tiden får vi fyra olika möjligheter på kretsens utgångar 4,5,6 eller 7. Dessa utgångar kopplas till varsin MOSFET som vid signal öppnar jorden till en lindning på stegmotorn. Om C ingången på kretsen blir noll (jordas) så blir alla FETARNA noll. På detta sätt kan C ingången användas som en ENABLE signal. Dioderna skyddar MOS fetarna från de strömspikar som kommer från motorn varje gång FETEN blir noll. Lampan får här agera som ett effekt motstånd. Om effekten till motorn blir för liten byter man bara till en starkare lampa. Skulle kunna vara ett effekt motstånd istället men på detta sätt blir det väldigt enkelt att anpassa till olika motorer. 3.3 Styrkort Layout Kretskort layout ritade jag i Eagle efter ovanstående schema. Tre stycken på samma kort för att styra alla axlarna. Detta gjorde jag i all hast tyvärr och idag hade jag gjort en del annorlunda. Som till exempel ha ett Jordplan. Och jag hade nog gjort tre separata kort vilket ~7~

8 hade underlättat vid testning och även blivigt billigare om det inte funkar. 3.4 Styrkort Tillverkning Efter att ha genererat alla gerber filer som behövs var det dags att fräsa kortet. Detta gjordes i min farbrors CNC fräs. Efter några timmar var fräsningen klar och det var dags för hålplätering. Sedan lackning av kortet. Tyvärr har mina bilder av alla processer försvunnit. Men kan säga att det tog nästan en hel dag att tillverka det. Mitt kort frästes i denna fina fräs från PROTOMAT Kortet ovanifrån Undersidan. Tyvärr gjorde jag en några missar i layouten så därför är dioderna ytmonterade på undersidan. ~8~

9 3.5 Styrkort Testning Då var det dags för testning av kortet. Efter att ha installerat styrprogrammet Mach3 på min testdator kopplade jag in en motor. Krävdes en del konfigurerande av inställningar i programmet men till slut fick jag äntligen motorn att snurra väldigt långsamt. Provar att parallell koppla tre stycken 3W lampor för att ge motorn mer kraft, då fungerade det bättre. Men fortfarande inte tillräkligt. Började räkna lite och kolla på motorns datablad. Upptäcker då att den skall matas med 2 till 2,8 A. Det innebär att kortet i Worst Case skall driva vid 2A per motor 6A. Detta klarar inte mina ledare och kommer att brinna upp. Skrapade upp lacken och lödde dit lite tenn mellan alla jordledare och den tomma jordplanen. På detta sätt fick jag ett jordplan som nu kan leda all ström som behövs. Bytte även ut lamporna mot 1 ohm motstånd vilket ger motorn 2,5 A vid 5 Volt drivning som jag nu kopplat direkt till ett dator aggregat. Men motorerna går fortfarande mycket långsamt. Efter lite mer efterforskning på nätet upptäcker jag att man måste mata motorerna med mycket högre spänning och begränsa strömmen med en strömpump. Detta får bli i nästa caddning av drivkortet. ~9~

10 Mitt köksbord under testning. Tur man bor själv På grund av mycket höga strömmar och dålig kretskort layout fick jag skrapa upp lacken på en del ställen och lägga tenn mellan jordledaren och alla tomma koppar ytor. ~ 10 ~

11 3.6 Färdiga Alternativ Visst är det roligt att Cadda och tillverka sitt egna styrkort men frågan är om det egentligen är värt det. Bara komponenterna till detta kort kostade nästan 500 kr, räkna sedan med ca 500 kr för mönsterkort tillverkningen. Plus all nerlagd tid. Sedan behövs ett rejält nätaggregat för att driva allt. Färdiga kort går idag att hitta från och uppåt. Här är ett alternativ från ebay: Detta kort kan styra 4 motorer bipolärt med micro stigning 1/8 vilket innebär att motorn får 8 gånger högre upplösning. Dock kan motorn inte stanna på ett microsteg utan måste fortsätta till ett helsteg. Kortet matar även motorerna med Volt och begränsar strömmen till 2 A. Detta gör att motorerna kommer gå mycket snabbare än med mitt kort. Kortet kostar bara ca 680 kr med frakt från Hong Kong. ~ 11 ~

12 4.1 Konstruktion Stommen Det finns många sätt att konstruera en CNC fräs på men jag har delat in dem i två varianter. En med rörlig portal där arbetsbordet står still och hela Spindeln rör sig i alla led. Denna variant tycker jag ser lite ostadig ut och valde att gå på en konstruktion med fast portal där spindeln rör sig i X och Z led medans arbetsbordet rör sig i Y led. Efter att ha caddat en fin 3D modell beställde jag aluminium profiler på En mycket bra butik med bra priser och jätte god service. Conny på AluCon sågar och gängar en aluminium profil. ~ 12 ~

13 Efter några timmars skruvande såg det ut så här. Den långa skruven på bilden är till drivningen av Y leden på arbetsbordet. Många timmar senare. ~ 13 ~

14 4.2 Konstruktion Z axel Teknisk data Z- axel *Slaglängd 80 mm Drivning: Trapetsskruv med plastmutter stigning 3mm per varv. Från JB CNC Motor: Nema 23 stegmotor med 1,8 Stegvinkel och Moment på 1,85Nm. Från JB CNC *Total upplösning: µ 15 Axelkoppling: Huco UniLat köpt på Elfa Vagnar och skenor från ROLLCO *Slaglängd är den längd som vagnen kan röra sig. Det vill säga trapetsskruvens längd minus vagnens längd. *Den totala upplösningen är skruvens stigning delat på motorns antal steg per varv. Det vill säga 3/200= 0,015 = µ15 Denna konstruktion blev ganska bra men tyvärr skapar det stora djupet i konstruktionen en stor hävarm vilket kan leda till ostabilitet och glapp. Har därför planer på att i framtiden använda två skenor ~ 14 ~

15 och vagnar bredvid varandra. Har även planer på att byta till kulskruv för att öka precisionen ytterligare. 4.3 Konstruktion Y- axel Teknisk data Y-axel *Slaglängd 360 mm *Total upplösning: µ 15 Drivning: Trapetsskruv med plastmutter stigning 3mm per varv. Från JB CNC Motor: Nema 23 stegmotor med 1,8 Stegvinkel och Moment på 1,85Nm. Från JB CNC Axelkoppling: Huco UniLat köpt på Elfa Vagnar och skenor från ROLLCO Arbetsbord: Solid aluminium skiva 400x300 mm *Slaglängd är den längd som vagnen kan röra sig. Det vill säga trapetsskruvens längd minus vagnens längd. *Den totala upplösningen är skruvens stigning delat på motorns antal steg per varv. Det vill säga 3/200= 0,015 = µ15 Möjliga förbättringar: ~ 15 ~

16 Har stora problem med att bordet att gå hela slaglängden. Beror på troligtvis på något glapp i mutterfästet. Tror att detta kan lösas med kulskruv och kulmutter. Två vagnar till hade inte heller skadat för att öka stabiliteten. 4.4 Konstruktion X- axel Teknisk data X axel Quadrobord QME 20 ett färdigt linjärbord från ROLLCO med kulskruv. *Slaglängd 405 mm *Total upplösning: µ 25 Totallängd: 555 mm Drivning: 20mm kulskruv med 5mm stigning. Motor: Nema 23 stegmotor med 1,8 Stegvinkel och Moment på 1,85Nm. Från JB CNC *Slaglängd är den längd som vagnen kan röra sig. Det vill säga trapetsskruvens längd minus vagnens längd. *Den totala upplösningen är skruvens stigning delat på motorns antal steg per varv. Det vill säga 5/200= 0,025 = µ25 Info: Väldigt smidig lösning från ROLLCO. Dessutom billigare än att bygga det själv med vagnar, skenor, kulskruv, mutter och lagerbockar. Nästan helt glappfritt. Upplever bara ett pyttelitet ~ 16 ~

17 glapp i Y led om man drar i den. Men tror inte att det kommer att ha någon inverkan. 5.1 Mjukvara styrning För att styra fräsen behövs ett program som skickar step and direktion signaler till parallellporten. Det finns en uppsjö program som stödjer detta bland annat MACH 3, EMC 2, KCAM 3 m.fl. Jag valde att satsa på MACH 3 då detta verkar vara det mest populära bland hobbyister och är väldigt lättanvänt. Finns massor av bra tutorials på deras sida som hjälper än att komma igång. Programmet läser gcode filer som är ett programmeringsspråk bestående av koordinater och hastigheter åt fräsen. Dessa filer kan inte skapas i MACH3 som endast är till för att styra fräsen. Först måste en ritning ritas i valfritt CAD program därefter kan man generera en gcode fil i ett CAM program. I CAM programmet väljer du djup och verktygs stolek m.m. Det finns en del CAM program ~ 17 ~

18 där man kan CADDA direkt i men dem brukar vara ganska krångliga och begränsade. Ska man göra något enkelt duger det men till mer avancerade ritningar rekommenderas att skapa CAD filen i ett CAD program exempelvis SolidWorks eller AUTOCAD. Spara filen som dxf och importera i CAM programmet. Jag använder CAMBAM som är ett enkelt CAM program som är ganska enkelt att rita i. Även här finns bra nybörjar guider på deras sida. Programmet finns i en demovariant som kan öppnas 40 gånger därefter kan man använda sig av light programmet som är begränsat till antal funktioner. Exempel på Gcode från Line Code Description N01 M216 Turn on load monitor N02 G00 Z20 X20 Rapid move away from the part, to ensure the starting position of the tool N03 G50 S2000 Set Maximum spindle speed N04 M01 Optional stop N05 T0303 M6 Select tool #3 from the carousel, use tool offset values located in line 3 of the program table, index the turret to select new tool G96 N06 M42 M08 S854 Variable speed cutting, 854 ft/min, High spindle M03 gear, Start spindle CW rotation, Turn the mist coolant on ~ 18 ~

19 N07 G00 Z1.1 X1.1 Rapid feed to a point 0.1" from the end of the bar and 0.05" from the side N08 G01 F.05 Z1.0 Feed in horizontally until the tool is standing 1" from the datum N09 X0.0 Feed down until the tool is on center - Face the end of the bar N10 G00 Z1.1 Rapid feed 0.1" away from the end of the bar N11 X1.0 Rapid feed up until the tool is standing at the finished OD G01 F.05 Z0.0 Feed in horizontally cutting the bar to 1" diameter all the way to the datum N12 N13 M05 M09 Stop the spindle, Turn off the coolant N14 G28 G91 X0 Home X axis in the machine coordinate system, then home all other axes N15 M215 Turn the load monitor off N16 M30 Program stop, pallet change if applicable, rewind to beginning of the program ~ 19 ~

20 6.1 Sammanfattning Detta projekt har utvecklats till något mycket större än vad jag från början hade tänkt mig, och har tagit över nästan all tankekraft dem senaste veckorna. Har lärt mig en massa om mekanik och tillverkning. Lärt mig CADDA 3D och hur det går till att fräsa kretskort och en massa mer. Lärt mig den hårda och dyra vägen att planering är väldigt viktigt. Att ha en 3D ritning innan man beställer varor är nästan ett måste för att undvika fel och onödiga kostnader. 6.2 Framtida uppgraderingar Mitt styrkort fungerade inget bra därför skall jag beställa styrkortet från ebay som jag tidigare pratat om i kapitlet om styrkortet. Byta alla trapetsskruvar till kulskruv och lägga till en sken styrning till på Z axeln. Har även tittat på denna kylanläggning. ~ 20 ~

21 6.3 Resultat och slutsats Mitt mål var att bygga en bra och noggrann CNC fräs. Det har jag lyckats med. Men den har fortfarande vissa brister. Min slutsats blir att det inte är värt att försöka bygga ett eget styrkort då det är både billigare och bättre att köpa ett färdigt från ebay. En annan slutsats är också att det blir alltid dyrare än man från början tänkt sig. Det finns alltid rum för att förbättringar. Planering är AO för ett lyckat resultat. Tips till dig som vill bygga en fräs. Ta personlig kontakt med säljare av aluminiumprofiler och skenstyrningar med mera. Berätta att ni håller på med ett hobby projekt eller ett skolarbete. Dem flesta är väldigt trevliga och hjälper till med tips och kan ge rabatt. Första provkörningen i en spånskiva. ~ 21 ~

22 6.4 Referenser CNC info: (bra forum med många som byggt fräsar) (Nyttig info om stegmotor styrning m.m.) (projekt sida om CNC fräs) Butiker: (mycket bra butik med billiga aluminium profiler) (mycket bra butik med skenstyrningar och kulskruvar) (billiga stegmotorer och trapets skruvar m.m.) (billiga fräs - verktyg m.m. ) (fräs- verktyg m.m. ) (säljer det mesta man kan behöva till en CNC) Programvara: (Mach3 Styrprogram.) (CamBam Bra CAM program) Bifogat: Datablad CD4516 (Upp/Down Counter) Datablad CD4028 (Bin to Dec) ~ 22 ~