CNC Tekijän kokemuksia omavalmisteisten jyrsien rakenteluun ja käyttöönottoon SISÄLTÖ: 1. Mekaaninen rakenne Jyrsirunko Moottorien kiinnitys Liukupinnat 2. Sähköiset komponentit Moottorit Ohjauskorttien rakenne Muuntaja 3. käyttöönotto Tarpeet kappaleen suunnittelusta lopulliseen tuotteeseen. Eri ohjelmien rooli Spaceclaim ja Rhinoceros 4 Cut3D Mach3 Mallikappale: vaiheittainen eteneminen, käytännön toteutus 4.Mikä on G-code 5. Neljäs akseli 1. CNC jyrsin mekaaninen rakenne Luullakseni myös muille, ei yksin minulle, on sattunut, että jyrsimen rakentelu on aloitettu liian heppoisesta materiaalista ja vasta koekäytössä on voitu havaita, että runkovärinöitä ja muuta "klappia" esiintyy luvattoman paljon. Lähtökohta edellisten kokemuksien perusteella on se, että rakennelma tulee saada värinättömäksi. Tavoitteena on kyetä työstämään 1000x1000x300 mm kokoinen kappale Runkomateriaali Materiaali on n 50x50 mm terästä. X johteet ovat 25 mm vedettyä akselia ja Y ja Z suunnan 50x50 mm vahvuinen ohjauspalkki liukuu 300 mm pituisten teflonpintaisen holkkien varassa.
Löysä mutteri Trapeziruuville ominainen pituussuuntainen "klappi"aiheutti sen, että X-akselin ohjausvarteen tuodaan kaksi mutteria, joiden kiinnityspulttien paikat porataan niin niin, että mutterien kierteet ovat toisiinsa nähden aavistuksen eri vaiheessa, jolloin pituussuuntainen löysyys eliminoituu. 5 moottoria X-suuntaista liikettä ohjaa kelkan raskaudesta johtuen kaksi ohjainkortin tahdistamaa moottoria, jotka pyörittävät 1300 mm pitkiä 16 mm:n trapezi-ruuveja. Y- ja Z suuntaista liikettä ohjataan samalla periaatteella trapeziruuvien avulla. Käytännön syistä Trapezi ruuvien päät ovat sorvatut 10 milliin päätylaakerointia varten. Moottorien puoleiset akselien päät ovat edelleen kavennetut 15 mm pituudelta 8 millimetriin. Kavennus on tarpeen, koska myös moottorien akselisovitteet ovat kooltaan 8 mm. Jos työstöterän sijasta työkaluna käytettään muovia syöttävää extrderia, viides moottori tarvitaan ohjaamaan muovilangan syöttöä Moottorin kiinnitys Kiinnitystä varten tulostin 3d printterillä kappaleen, jossa on valmiina tarvittavat upotukset ja rei tykset: Kappale on piirretty Spacecliamilla ja talletettu stl formaatissa 3d printteritulostusta varten.
Testiajon jälkeen oivalsin, että moottorit painavat liikaa, jotta tuet voisivat olla muovisia ja päädyin siihen, että uudet tuet tehdään 5 mm levystä (teräs) ja kiinnitetään perusrunkoon 10 mm pulteilla. Tätä kirjoittaessa (11/14) kiinnitysteline on työn alla Vastaava moottorin kiinnitysratkaisua tulen käyttämään myös Y- ja Z moottorien runkokiinnityksessä, soveltaen Kuva Joustava akseliliitos Pitkien akselin aiheuttamia vapinoita salliva liitos edelytti alumiinisten sahattujen liittimien tai sormiliittimien käyttöä Kaikki vaateriin Rungon molemmissa päädyissä on 30 mm L-palkit, jonka ala-osassa on pultit pystykierteessä. Pulttien ja heittokellon avulla säädetään X:n ohjausakselien korkeudet niin, että ne tulevat kummaltakin puolelta ja koko pituudeltaan tarkasti samaan korkeuteen. Y- ja Z-akselit jo on rakenteensa vuoksi valmiiksi säädetyt Liukupinnat Trapezimutterien löysyyden lisäksi rakenteeseen syntyy helposti muita väljyyksiä kuten mahdollinen laakereiden ja liukupintojen välinen jousto. Tämän välttämiseksi X-suuntainen jyrsimen kulkua ohjaava ohjauskisko on jämäkkää 60x100 mm terästä joka on viistetty 45 asteen kulmaan ala- ja yläpuolelta. Varsinainen ohjain liukuu 4 ylä- ja alapuolisten v-laakerien varassa. Vanttiruuvien käytöllä varmistetaan se, että laakerien ja liukupinnan välissä ei ole väljyyttä. Liukupinnassa, joka on 45 asteen kulmassa on sikälikin etua, että siihen ei jyrsi jäystettä tai muuta roskaa pysty pahemmin kerääntymään. Rakenteen raskaus selittyy sillä, että jyrsi painaa noin 2 kg ja aiheuttaa rakenteeseen vääntöä.
2, Sähköiset komponentit Päämoottorit ovat vahvat Nema 23/450 oz-in moottorit 2 kpl X akseleille 1 kpl Y ja 1 kpl Z akselille ja 1 kpl pienempi Nema 23 moottori mahdolliselle muovi langansyötölle siinä tapauksessa, että ohjainta käytetään 3d printtaukseen. Mootorit vaativat toimiakseen 45 v jännitteen. Vaadittu jännite saadaan kahden 306 tyyppisen muuntajan avulla, Toinen tarjoaa jännitteen X- aksein ohjaukseen ja toinen Y ja Z akselien ohjaukseen.
Moottorien ohjaus Kaikkien viiden moottorin perusohjaus toimii keskitetysti yhdellä ohjailukortilla, nimeltä 5AXIS BREAKOUT BOARD FOR STEPPERMOTOR DRIVER CNC. Kortin perusidea on yksinkertainen. Tarvitsemansa 5 v jännitteen kortti ottaa tietokoneen USBliitännästä ja tietokoneen antamat ohjailukäskyt se ottaa vastaan tavallisen LPT 24- napaisen printteriportin kautta ja jakaa käskyt kullekin moottorille erikseen. X-moottorin ohjaus: Tietokoneelta käskyt tulevat sisään lpt portista ja siirtyvät X-moottorin ohjailupinneille: -käsky1. moottorin pöyrimissuunta, pyörii myötäpäivään + - pyörii vastapäivään - + 14 -käsky2. pulssi tulon ajankohta (hetki): pulssi tulee + - ei tule - + 2 - käsky3 pulssin sisääntulo (enabled) sallitaan + - ei sallita - + 1 - kortin maadoitus G Vastaavat moottoriohjaukset (kuvassa oikealla ja alla) Y, Z,A ja B-moottoreille siirtyvät ohjauspinneille g 3 16 1 g 8 7 1 g 5 6 1 g 17 4 1
Moottoriohjain Yksittäistä moottoria ohjaa erillinen moottoriohjain (5 kpl) CNC One Axis TB6600 0,2-5a Two Phase Hybrid Stepper Motor Driver
Kuvan mukaan kytkentä oikealta lukien on seuraava Dir- Dir+ = pyörimissuunta Pul- Pul+ = pulssin tulo En- En+ = enabled (sallittu) Moottorin ohjausjohtojen kytkentä nastoille musta a+ vihreä a- sininen b+ punainen b- tulojännite nastoille D- - 45 D+ +45 Moottoriohjaimen dippaus (katso kuva) on on off - 2,5 amppeeria virtaa off on off - nopeus 1/8 Elektroniikan kotelointi ja kaapeleiden kytkentä Ylläkuvattu laitteisto ja sen kaapelointi on sijoitettu jyrsin päähän niitä varten rakennettuun pölytiiviiseen tuuletettuun laatikostoon, Komponenttien sijoitus ja kaapeliasennus on Kalevi Sippolan käsialaa.
3. Tuotteen matka ideasta lopulliseen toteutukseen Matka on kolmivaiheinen, Aluksi kappale piirretään kolmiulotteisena (Spaceclaim 11+), Siitä luodaan G-koodi (Cut3DLaa tai Aspirella ja työstetään jyrsillä. Jyrsin terän liikkeitä ohjaa 4 askelmoottoria (X+A, Y ja Z) G-koodin lukemisen kykenevän ohjausohjelman avulla (Mach3) 3.1. Kappaleen suunnittelu Ensimmäiseksi piirretään mittatarkka kappale, Se tehdään Spaceclaim11 nimisen kolmiulotteisen piirto-ohjelman avulla. Piirron lopuksi valmis piirros tallennetaan stl muodossa seuraavaa työvaihetta varten. Kuva 8 Hahmon suunnitteluvaihe Spaceclaimilla Kappaleen Suunnitteluun voi toki käyttää muitakin 3d ohjelmia, (Rhinocers, Sketchup).
3.2. G-koodin luonti Seuraava vaihe on -stl muotoisen kappaleen tuonti G-koodin luontiin kykenevään Cut3d ohjelmaan. Cut3d luo niin haluttaessa stl:stä virtuaalisen veistoksen, jota tarkastelemalla voi pohtia, mitä tuleman pitää ja myös muuttaa parametrejä tarpeen mukaan. Viimeisenä vaiheena se luo jyrsinnässä tarvittavat G-koodit: 1. koodi karkeaa jyrsintää varten, 2. koodi hieno jyrsintään ja 3. koodi viimeistelyä varten. Vastaava toimenpide on mahdollista tehdä esim. Aspire ohjlmalla. Kva 9 Jyrsinparametrien syöttö Cut 3d:n avulla Kuva 10 Virtuaaliveistos 3.3. Jysin ohjaustiedon työstö ohjausmoottoreille Kolmas vaihe on Cut 3D ohjelmassa tallennettujen kolmen tason koodien ajo, siis jyrsintä. Se tehdään Mach 3 ohjelman avulla. Se kykenee lukemaan g-koodia ja ohjaamaan jyrsimen terän kulkua millimetrien osien tarkkuudella koodin määräämää jyrsintäreittiä periaatteella pisteestä A pisteeseen B jne.
Kuva 11 Mach3 ohjausnäyttö
Esimerkkiprojekti: Kiinnitystuen valmistus 1. 3d kuvan piirtäminen Tavoitteena on jyrsiä CNC:llä tuki -niminen kappale lämmönvaihtimen kiinnittämiseksi lämminvesivaraajan kylkeen. - ensimmäinen testiversio jyrsitään foamilla, lopullinen versio jyrsitään mahongista. - piirretään tarkasti mittakaavan mukainen tasopiirros (Spaceclaim 11) - tasopiirroksesta pursotetaan tuki 3-ulotteisesti nähtynä
- kun tallennus stl muodossa on tehty, ohjelma suljetaan liikaa vääntöä vaativana ohjelmana ja jatkossa tarpeettomana. - avataan Cut3D, joka osaa lukea lukuisia eri tiedostoformaatteja mm. stl, -3ds. 2. Cut3D Avausvalikosta avataan haluttu ohjelma: tuki.stl tarvittavien asetusten ja muunnoksien syöttämistä varten Cut3D ohjelmaan Cut3D ohjelman vaikeaselkoiselta näyttävien säätöjen ja ohjailuiden haltuunotto on lopulta varsin helppoa, sillä ohjelman tuottaja on valmistuttanut siitä netistä ladattavan helppotajuisen HowTo videon os: www.cut3d.com
Ennenkuin loppulisiin g-koodeihin voidaan päätyä, käyttäjän määriteltäväksi tulee lukuisia eri tekijöitä t Näitä ovat mm. valmistettavan kappaleen mitoitus, mm/cm/tuuma, terän pituus, paksuus, sen pään muoto, kappaleen skaalaus kaikilta osin tai x, y. xz osalta tai erikseen, työstön ajosuunnat sen askelluksen määrä ja syvyysajon askellus. Oma kokonaisuutensa on tuotteen tarkastelu virtuaalimallissa. Asetusvalikoiden vaatimien syöttötietojen ja testiajojen jälkeen Cut3D tarjoaa virtuaalisen suorakaiteen, joka on hieman suurempi kuin lopullinen työstettävä kappale.
Halutun kappaleen, tässä kappale tuki Cut 3D kaivertaa virtuaalisesta kappaleesta. Lopputulosta voi käännellä ja tarkastelle sitä eri kulmista, pohtia sen oikeellisuutta ja muotoa eri katselukulmissa Lopuksi kappale tulee aina tallentaa kolmessa eri formaatissa, aluksi karkea jyrsintä nimellä tuki1r.tap, sitten hieno jyrsintä tuki1f.tap ja viimeistely tukio1.tap ja sen mahdollisesti aiheuttamat muutostarpeet ja korjaukset ja lopuksi tarvittavat kolme eriasteista tallennusta.
3. MACH3 Avauksen jälkeen edellinen ohjelma suljetaan ja tilalle avataan Mach3, joka on varsinainen CNC jyrsimen ohjaus ja työstöohjelma. Mach3 lukee G-koodia ja ohjaa CNC-jyrsimen terän liikkeitä x- y- ja z suunnissa ao. esimerkki G- koodin mukaisesti (kuva vasemmalla)
Tässä kuvassa siniset viivat kuvaavat terän vaakaliikettä X ja tumma väli korkeusaskellusta Y. Z- liike ei tasokuvassa näy. Jyrsinnän edistymistä voi seurata ruudulta ja tehdä koodiin tarvittavia muutoksia (kuva alla). tuki -nimisen kappaleen karkean jyrsinnän G-goodin "16 alkutahteja" Mach 3:n käyttö vaatii, että käyttäjä hyvin perehtynyt ohjelman toimintaan ja on tarkasti tietoinen jyrsittävän materiaalin ja vaadittavista terän ominaisuuksista, sen muodosta ja lukuisista muista tekijöistä. Aivan erityistä tarkkuutta vaatii myös aloituspaikan määrittely, esim. (X=0, Y=0, Z=0) Saksalaisilla on tapana sanoa, Ubung macht den magister Mitä G-koodi oikeastaan on? Mistä ohjailussa on kysymys? G-koodi on jyrsin terän ohjauksen komentokieli; mistä paikasta terä tulee ja minne se seuraavaksi päätyy joko jyrsien tai työstötaspm pinnalla vappassti liikkuen. Monimutkaisen liikeradan ohjelmointi suoraan G- koodilla on työlästä. Sen voi antaa Cut 3D:n tehtäväksi, Eesimerkki CNC-kielen sorvikäskyistä G50 s700 Karanpyörimisnopeuden rajoitus 700 r/min G95 F0.2 työkalun syötöksi 0,2 millimetriä per kierros G96 S200 Vakiolastuamisnopeus 200 m/min - pyörimisnopeus vaihtelee T0101 valitaan työkalu 1 M3 karan moottori päälle - työkappale pyörimään G0 X52.Z2. siirretään työkalu pikaliikkeellä lähelle kappaletta G1 Z0. lähestytään kappaletta vaakasuoraan 0,2 mm/kierros G1 X-2 työstetään kappaleen pääty pystysuoralla liikkeellä G0 X50.Z2. siirrytään pikaliikkeellä halkaisijaan 50 mm G1 Z-100. työstetään vaakasuoralla liikkeellä 100 mm G0 X200.Z200. siirrytään pikaliikkeellä pois M5 Karanpysäytys M30 ohjelman lopetus - moottori seis
5. Neljäs akseli Tähän asti artikkeli on kosketellut 3 akselista jyrsintä, jyrsinterää on ohjattu kulkemaan joko Y- suunnassa (lähemmäs tai kauemmas itsestä ), käytössä on rakenteen raskaudesta johtuen sekäyettä orja B- moottorit. X-suunnassa ohjaa (oikealle tai vasemmalle, X-moottori) tai Z-suunnassa (ylös- tai alaspäin, ohjaa Z-moottori). Mikäli ohjaavassa Breakout boardissa on ohjaus viidelle moottorille, mukaan voidaan ottaa 5. moottori A ja jyrsintään voidaan lisätä viides akseli. Hyvä kuvitteellinen A akselin jyrsintää kuvaava esimerkki voisi olla WC-rulla jonka pintaan on liimattu valokuva, Voisi ajatella, että z-akselin terä laskeutuu rullan pintaan ja kaivertaa spiraalimaisesti millimetri millimetriltä x-suunnassa rullalle kierros kierrokselta halutun kuvan. Kaiverrettavan kuvan tulee toki olla 3-uloitteinen ja pohjarulla kiinnitettynä karaan esim puuta tai metallia A-akselin kara on sorvin tapaan vaakasuunnassa Työstettävä kappale sijoitetaan kärkien väliin. Karan kiertyminen saadaan voimakkaalla ja alennusvaihteella varustetulla askelmoottorilla.a. X-moottori kuljettaa terää vasemalta oikealle spiraalimaisesti, esim. 20 kierosta 20 cm matkalla tarkoittaa arvoja X=20, A20x360 asteina = A7200
Tässä kuvassa omasta päästä rakennettu ja suuria toiveita herättänyt A-akselin ensiversio Alennusvaihteen virkaa teki auton tuulilasinpyyhkijänvaihde askelmoottorin ohjaamana. Laite toimi yllättävänkin hyvin, mutta osoittautui oitis puuta jyrsittäessä aivan liian heppoiseksi väriseväksi rakenteeksi. Tukevampi konstruktio asentunee paikalleen joulun pyhinä. Miten tästä eteenpäin? Hyvä kysymys. Kun laitteen perusohjaukset akseleilla X; Y: Z ja A ovat kunnossa ja mekaaninen rakenne on riittävän luja, käytönopiskelu voi alkaa, kokeilumahdollisuuksia on paljon Kiinnostavia asioita ovat esim 3d skannaus 4 akselista ohjausta hyödyntäen tai Mach3:n käyttö 3d printterin ohjaukseen, vuoroaan odottaa myös laser ja erilaiset 3d printterin tulostusmateriaalit, vaikkapa keramiikka..