Proiectarea unui CNC pentru scop didactic

 Notiuni introductive

Tehnologiile moderne care sunt folosite la prelucrarea materialelor au devenit din ce în ce mai variate, familiarizarea viitorului personal, încă din facultate, cu soft-urile CAD/CAM, cu programarea CNC și cu operarea mașinilor cu comandă numerică este esențială în domeniul fabricării produselor. În cele mai multe întreprinderi întâlnim mașini cu comandă numerică foarte costisitoare, ceea ce înseamnă că angajatorul trebuie să investească foarte mult timp și bani pentru a forma personalul, acest lucru fiind pe cât posibil de evitat.

Punctul de plecare al acestei lucrări a fost nevoia de realizare a unei mașini cu comandă numerică care să poată fi utilizată de studenții Universității din Pitești, în cadrul laboratorului de Fabricație Asistată.

Principalul obiectiv al mașinii cu comandă numerică este acela de a fi capabilă să recunoască programele pe care studenții le fac în timpul laboratoarelor de Fabricație Asistată de Calculator, pentru ca aceștia să și le testeze,cu toate că, există mai multe cerințe pe care aceasta trebuie să le realizeze.

Se dorește realizarea acestei mașini cu un buget redus, pentru a putea fi utilizat de către studenții FMT în cadrul orelor de laborator de Fabricație Asistată.

Cerințele mașinii unelte

Pentru a prelucra o gamă largă de materiale, cum ar fi spume, lemn, plastic, mașina trebuie să îndeplinească anumite cerințe, după importanța lor, au fost clasificate în două categorii:

  1. Critice
  • Siguranța utilizatorilor

Datorită rolului pluridisciplinar pe care le are Routerul CNC, au fost nevoie de măsuri de siguranță pentru cei care folosesc această mașină.

  • Costuri scăzute

Din cauza bugetului limitat de care dispunem, se încearcă realizarea mașinii la costuri cât mai mici.

  • Costuri scăzute cu exploatarea și mentenanța

Într-ucât  vom folosii elemente standardizate, întâlnite des pe piață, iar schimbarea acestora nu necesită mult timp, iar exploatarea acestora se face utilizând soft-uri gratuite pentru studenți, simplificate destul de mult față de o mașină cu comandă numerică profesională, costurile pentru exploatarea acesteia sunt reduse.

  • Utilizarea mașinii de către studenți

Pentru a realiza scopul didactic al mașinii, studenții Facultatății de Mecanică și Tehnologie vor utiliza mașina cu comandă numerică îndrumați de profesorul de laborator.

  1. Importante
  • Programarea mașinii de către sudenți

Pentru programarea MU-CN se folosesc programe,cu versiuni pentru studenți, cum ar fi CATIA, SolidCAM, PowerMill, MasterCAM etc.

  • Prelucrarea diferitelor materiale
  • Orientarea broșei

Este necesar ca orientarea broșei să fie exactă pentru a evita erorile de prelucrare

Specificații tehnice

În tabelul de mai jos sunt menționate datele tehnice ale mașinii-unelte cu comandă numerică.

Specificație Valoare
Lungine prelucrare axa X 345 mm
Lungine prelucrare axa Y 310 mm
Lungine prelucrare axa Z 100 mm
Acuratețe ±0,1 / 300 mm
Viteza maximă de deplasare 0-3000 mm/min
Viteza maximă de lucru 0-1500 mm/min
Puterea motorului frezei 2 kW
Turație ax freză 0-5000 rpm
Ghidaj axa X Ghidaj liniar O20
Ghidaj axa Y Ghidaj liniar O20
Ghidaj axa Z Ghidaj liniar O12
Limbaj de comandă Cod tip G
Software CAD/CAM Software,CATIA, SolidWorks
Control echipament GRBL Controller / Mach 3 CNC
Interfață USB + Arduino
Tensiunea de alimentare 230 V
Consum total motoare 7.5 kW
Frecvență curent alimentare 50 Hz
Dimensiuni(Lx l x h) 795 x 865 x 935 mm
Greutate 50 kg

ARGUMENAREA SPECIFICATIILOR TEHNICE

Bugetul alocat proiectului a fost de 4500 lei. Acest buget este divizat în:

  • Costuri cu materialele și componentele
  • Costuri cu prelucrările anumitor componente
  • Costuri cu asamblarea

Proiectarea mașinii nu a fost inclusă în prețul proiectului, deoarece a fost făcută de mine în timpul stagiului de practică.

Ținând cont de posibilitatea de prelucrare a anumitor componente, de tipurile și dimensiunile componentelor existente pe piață și de constrângerile de buget, am optat pentru acționarea cu motoare pas cu pas Nema 23, cu un cuplu de 1Nm,o greutate de 0,77 kg, am ales pentru partea de ghidaje tije de Ø20 de precizie dintr-un oțel de înaltă calitate Ck55, călit la o duritate de 60-64 HRC și rectificat, pe care sunt montați rulmenți liniari cu bile. La capătul ghidajelor s-au folosit suporți special fabricați din Al6082 cu scopul de a susține ghidajele, acestea fiind montate pe plăcile de bază pentru axa X din Al 5049,respectiv plăcile laterale pentru axa Y,din textolit.

 Proiectarea MUCN

Făcând o analiză a mașinilor unelte existente pe piață și conform cerințelor din capitolul anterior, s-a realizat o schemă de principiu a mașinii. În figura de mai jos , se poate observa schița MUCN.

Pentru a putea începe proiectarea MU-CN, am împărțit-o în mai multe părți:

  • Partea de control al mișcării
  • Partea de conversie al G-code-ului
  • Partea de lucru a mașinii

Pentru a ajuta în fabricație se va aplica conceptul de ”Codul culorilor”.

Controlul mișcării

Subsistemul de control al mișcării produce deplasări controlabile, după un G-Code, ale subansablurilor, la diferite viteze de avans. Acest subsistem de control al mișcării este alcătuit din mai multe mecanisme. Acestea trebuie să fie în măsură să genereze mișcare mecanică, să asigure o putere de transmisie corespunzătoare, să convertească mișcarea de rotație în mișcare de translație. Trebuie să mai luăm în calcul faptul că alegerea componentelor are un rol foarte important, deoarece acestea trebuie să fie rezistente la uzură, dar și să se încadreze în bugetul alocat acestui subsistem.

Componentele alese trebuie să fie foarte ușor de depanat sau după caz de schimbat.

Pentru generarea mișcării am identificat 3 tipuri de motoare: de curent continuu, servo liniare și tradiționale, ca fiind cea mai bună opțiune pentru obținerea unei varietăți de mișcări, viteze, încărcături și precizie de care avem nevoie.

Din cauza restricțiilor de spațiu și costuri ne-am focusat atenția către motoarele electrice. Am investigat tiputile de motoare existente pe mașinile cu comandă numerică ( Cap 1,Studiul bibliografic, Elemente de acționare), am calculat puterea necesară motorului, și am ajuns la concluzia că cea mai potrivită soluție ar fi motoarele pas cu pas, acestea respectând restricțiile de costuri scăzute cât și un spațiu cât mai mic ocupat cu acestea .

 Alegerea motoarelor pas cu pas

Pentru partea de acționare a mașinii cu comandă numerică am ales să folosim motoare pas cu pas Nema 23 deoarece acestea îndeplinesc condițiile necesare acționării.

Pentru acționare am calculat puterea necesară acționării și am ajuns la o valoare de

12,5 Nm (0,0012 kW) Dacă am fi ales un motor Nema17, ar fi fost mai ieftin dar ar fi avut o putere de 0,22 Nm, putere mult prea mică pentru a acționa MU. Am luat în calcul și varianta utilizării unui motor mai puternic,Nema 29, cu o putere de 55 Nm, dar acesta ar fi fost mult prea scump iar bugetul alocat acestor componente ar fi depășit.

Alegerea mecanismului șurub-piuliță

Mecamismul șurub piuliță joacă un rol foarte important în precizia mașinilor unelte convenționale cât și în precizia mașinilor cu comandă numerică.

Am studiat mecanismele șurub-piuliță folosite în industria mașinilor unelte și am observat faptul că la mașinile unelte cu comandă numerică cel mai folosit mecanism este mecanismul șurub și piulită cu bile, iar la mașinile convenționale se foloseste mecanismul șurub-piuliță clasic, șurub trapezoidal – piuliță trapezoidală. .

Am ales ca variantă mecanismul șurub trapezoidal- piuliță trapezoidală, deoarece acestă variantă oferă atât precizie ridicată cât și un cost scăzut.

Spre deosebire de mecanismul șurub-piuliță cu bile, mecanismul șurub trapezoidal- piuliță trapezoidală este de 8 ori mai ieftin, însă are o precizie mult mai mică față de mecanismul cu bile, mecanismul cu bile transformă frecarea de alunecare în frecare de rostogolire. Acest lucru nu este un impediment deoarece scopul lucrării este de a oferii șansa studențiilor de a utiliza ei însăși o mașină cu comandă numerică și de a-și putea verifica programele făcute în cadrul orelor de laborator.

Alegerea materialelor pentru mecanismul șurub-piuliță

Materialele folosite pentru mecanismul șurub-piuliță cu bile este un oțel de înaltă calitate cu un tratament termic special, iar pentru șurub trapezoidal – piuliță trapezoidală este din bronz 544C.

Pentru mecanismul ales de noi, am găsit cele mai noi materiale utilizate care imită uzura bronzului, uzură ce este foarte importantă.

Am ales pentru șurubul trapezoidal un oțel special pentru șuruburi, iar piulița am împărțit-o în 2 elemente, partea activă, unde se află piulița propriu zisă, dintr-un material special Ertalyte, în tabelul 2.3 se pot observa caracteristicile materialului Ertalyte, și partea de fixare pe mașina unealtă, carcasa, dintr-un aluminiu 6061. În tabelul 2.4, se poate observa compoziția chimică a materialului Al 6082.

Caracteristică Valoare
Culoare Gri pal
Densitate 1,39
Proprietăți termice
Temperatura de topire 255
Conductivitatea termică la 23oC 0,29
Proprietăți mecanice la 23 oC
Rezistența de rupere la tracțiune 90/- MPa
Alungirea de rupere la tracțiune 15 %
Modulul de elasticitate 3700 MPa
Efort la compresiune 20/37/69
Duritate Brinell 170 HB
Denumire Specificatie
Zinc 0.25% max
Fier 0.7% max
Titaniu 0.15% max
Crom 0.04%–0.35%
Magneziu 0.8%–1.2%
Mangan 0.15% max
Cupru 0.15%–0.4%
Siliciu 0.4%–0.8%
Aluminiu Restul pana 100% aluminiu.

Alegerea cuplajelor

Cuplajele au și ele un rol important în preluarea jocurilor dintre motor și mecanismul șurub-piulită. Am studiat tipurile de cuplaje existente în construcția mașinilor cu comandă numerică și am aflat că cele mai folosite tipuri de cuplaje sunt cuplajele de tip ”Oldham” și cuplaje tip ”buduf”. Am comparat caracteristicile și prețul unui cuplaj standardizat și unul reproiectat de noi, și am hotărât că varianta potrivită pentru mașina noastră este cuplajul reproiectat deoarece acesta este mai ieftin și asigură precizia necesara pentru mașina noastră.

Caracteristică Cuplaj cu burduf Cuplaj Oldham Cuplaj Reproiectat
Joc 25 µm 18 µm 35µm
Greutate 15 g 12g 25g
Rezistență 1-10 8 9 7
Interschimbabilitate 1-10 9 10 7
Preț 33 lei 25 lei 14 lei

Alegerea ghidajelor

Alegerea ghidajelor unei mașini unelte cu comandă numerică reprezintă o etapă foarte importantă în proiectarea acesteia deoarece în această componentă stă precizia și rigiditatea unei mașini.

Am studiat tipurile de ghidaje existente pe mașinile unelte cu comandă numerică și am observat că cele mai folosite sunt ghidajele rectilinii/plane cu profile în V și ghidajele rectilinii în coadă de rândunică, însă acestea sunt foarte scumpe. O alternativă pentru aceste tipuri de ghidaje sunt ghidajele liniare cu lagăre de rostogolire, formate dintr-o tijă și rulment liniar.

Rulmenții sunt elemente mecanice care constrâng mișcarea relativă dintr-o anumită mișcare și reduce fricțiunea între elementele mobile.

Rulmenții se aleg în funcție de:

  • direcția și de mărimea sarcinilor
  • alinierea dintre arbore și carcasă
  • temperatura în exploatare

Pentru constrângerea mișcării șurubului conducător de plăcile sprijin ale diferitelor axe ale mașinii am ales rulmenți radiali 6001ZZ.

Conversia G-CODE

Pentru a materializa programul G-Code, realizat de stundenții FMT UPIT, în mișcări controlate avem nevoie de o placă Arduino, de drivere pentru motoare și de un soft care să trimită informațiile din codul program la plăcuța Arduino.

Placa Arduino

Arduino este o platformă hardware care este formată dintr-o parte electronică și un microcontroler. Putem spune că Arduino este la fel ca un minicalculator, fiind capabil să primească informații și să reacționeze la acestea.

Firma Arduino are pe piață foarte multe tipuri de plăci pentru diverse tipuri de aplicații. Pentru aplicația noastră am ales ca fiind cea mai bună opțiune placa Arduino UNO, deoarece pe aceasta se poate monta CNC Shield-ul, incluzând și driverele pentru acesta. Specificațiile pentru placa Arduino UNO se pot observa în tabelul de mai jos.

În general, o plăcuță Arduino este formată din câteva elemente destul de distincte:

  • un conector USB
  • mufă de alimentare
  • pini pentru conectarea la plăcuță
  • conectori

Conectorul USB este necesar pentru programarea controler-ului

Mufa de alimentare este necesară pentru alimentarea circuitului cu o sursă de curent.

Pentru existența compatibilității între Arduino și motoarele pas cu pas se foloseste un Shield CNC alături de niște drivere. Acest Shield permite utilizarea a 4 motoare pas cu pas, deci permite proiectarea unui CNC cu 4 axe (X, Y, Z, A)

Descriere Specificatie
Microcontroler ATmega328
Tensiune de lucru 5V
Tensiune de intrare (recomandat) 7-12V
Tensiune de intrare (limita) 6-20V
Pini digitali 14 (6 PWM output)
Pini analogici 6
Intensitate de ieșire 40 mA
Intensitate de iesirepe 3.3V 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Clock Speed 16 MHz

În cazul soft-ului Arduino, totul este foarte simplu de utilizat, deoarece nu trebuie să lipești fire, tot ceea ce ai nevoie este de un port USB, pe care-l legi la computer. Primul lucrul ce trebuie făcut pentru a programa placa Arduino este să îl instalezi în computer, acest lucru nu durează mai mult de 5 minute. După ce ai instalat acest program, următorul pas este de a-ți programa placa Arduino.

Arduino se conectează la PC prin intermediul unui port serial. Primul pas pe care îl ai de făcut este să determini acest port. Cea mai simplă cale este să conectezi placa, aștepți circa 30 de secunde – 1 minut, ca să fii sigur că a fost detectată de PC, iar apoi deschizi meniul „Tools -> Serial Port”. Deschizi din nou meniul „Tools -> Serial Port”. Conecteazi din nou placa Arduino la PC, așteapți să fie recunoscuta de PC, și apoi selecteazi portul respectiv din meniul „Tools -> Serial Port”. Următorul pas este selectarea tipului de placă cu care lucrezi. Din meniul „Tools -> Board”, selecteazi tipul de placă cu care lucrezi, în cazul nostru Arduino Uno.

Shield CNC

Shieldul CNC este defapt un driver care recunoaște specificațiile motorului pas cu pas, acesta joacă rolul de conector între motorul pas cu pas și placa Arduino. Shield-ul ales de noi permite utilizarea a 4 moatoare pas cu pas, ceea ce înseamnă că se poate creea o mașină cu comandă numerică în 4 axe, la costuri foarte mici.

Shield-ul și driverul pentru shield trebuiesc conectate împreună pentru a permite motorului să funcționeze.

Asamblarea placutei si a CNC Shield-ului se face intr-o carcasa special proiectata.

GRBL

Este un soft free, limitat în ceea ce ar trebui să facă un controler profesional (cum ar fi Fanuc, Siemens, Mitsubishi, etc.), însă trimite plăcuței Arduino informațiile necesare să reacționeze la acestea. GRBL Controller este gratuit și oferă utilizatorului atât modulul de pilotare manuală cât și modulul de simulare al G code-ului.

Una dintre opțiunile oferite de GRBL este ”Zero Position”, această comandă ne ajută să luăm punctul de referință al piesei, și opțiunea ”Home Position”, opțiune ce ne ajută la revenirea la orginea mașinii, origine stabilită de către utilizator.

Partea de lucru a mașinii

În partea de lucru a mașinii întâlnim în special elemente ce țin de prelucrarea prin așchiere a materialelor neferoase. Pentru a putea prelucra avem nevoie de o electrobroșă, o portsculă, care face legătură între sculă și electrobroșă, și o sculă.

Alegerea electrobroșei(Tool spindle)

Pentru a putea alege o electrobroșă trebuie să cunoaștem pentru început rolul pe care mașina îl are (precizie, putere necesară etc.).

Am studiat câteva electrobroșe și am ajuns la concluzia că cel mai potrivit model de electrobroșă ar fi kit-ul recomandat de cei de la ARDUINO, deoarece există o compatibilitate între plăcuța ce comandă electrobroșa și plăcuța ARDUINO. Alte argumente în alegerea electrobroșei sunt: puterea pe care aceasta o dezvoltă, o putere de 400 W, prețul, cât și depanarea acesteia, în cazul defectării. Dacă am fi ales o electrobroșă profesională, ar fi depășit atât prețul alocat pentru această parte a proiectului, cât și rolul pe care ni l-am propus ca aceasta să-l aibe. În tabelul de mai jos se pot observa caracteristicile acesteia.

Specificație

Valoare

Putere 400 W
Curent 8A
Torque 343 mN/m
Gamă turații 2000-12000 rpm/min
Dimensiuni(Lxlxh) 100x150x380 mm
Greutate 960 g

Dupa cateva ore de proiectare CNC-ul are urmatoarea forma.

Astfel produsul are urmatoarea structura de dezagregare:

Aceasta masina a fost proiectata special pentru studentii Facultatii de Mecanica si Tehnologie pentru orele de Fabricatie Asistata de Calculator.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *