DIY CNC machine

Even een heel ander verhaal. Ik ben in 2017 begonnen met het bouwen van een Do It Yourself, Computer Numerical Control, oftewel een DIY CNC machine. In goed Nederlands: een doe het zelf, door een computer aangestuurde, numerieke freesmachine. De machine heeft drie bewegingsassen (X, Y en Z).

Het frame van de machine is gebouwd uit mijn lievelingsmateriaal: hout. Om precies te zijn 18 mm vuren multiplex en 44 x 70 mm balkjes.
De moeilijkheid hierbij is een zo stijf mogelijk frame te realiseren. Het multiplex is door de verlijming van haaks op elkaar liggende nerven stijf genoeg. De maatvoering van de onderdelen moet zeer nauwkeurig en zuiver in de haak zijn, anders lopen de wagens (X, Y, Z) niet soepel, hebben speling of lopen zelfs vast.

Het eerste frame.

Voor de X, Y en Z wagens heb ik als profiel aluminium hoeklijn van 20 x 20 x 1 mm gebruikt (verkrijgbaar bij de Gamma). Deze profielen zijn op, onder twee keer 45 graden gezaagde, houten platen, geschroefd. De wagens bestaan uit hetzelfde profiel met daarop vier lagers, met getapt schroefdraad, gemonteerd.

Als lagers heb ik standaard skateboard lagers (22x8x7) gebruikt. Deze kosten bijna niks en zijn in het algemeen van goede kwaliteit.

Zo ziet de wagen er uit:

Wagen.

De wagen in de lengterichting van de tafel is de X-as. Deze beweegt over beide zijden van de tafel. Haaks daarop is de wagen van de Y-as die beweegt over de verbindingsplaat van de X-as wagen. De Z-as wagen beweegt over de voorzijde van de Y-as wagen.

Op de Z-as wagen wordt de spindelmotor gemonteerd. In de spindelmotor wordt de frees opgespannen. In eerste instantie heb ik hiervoor een bovenfrees van Metabo toegepast (goedkope oplossing). Later is deze vervangen door een professionele borstelloze spindelmotor (dure oplossing). Die maakt veel minder herrie.

Metabo bovenfrees.

Het aardige van deze bovenfrees is dat het motordeel is los te koppelen van de voet. De motor kan je dan met een klem op de Z-as wagen monteren.

Om de wagens te kunnen bewegen worden draadeinden met moeren toegepast. Eerst heb ik het geprobeerd met M10 draadeinden en moeren, maar dat bleek te onnauwkeurig. Ik heb deze vervangen door trapezium draadeinden en moeren (Trapezium Leadscrew TR12x3). TR12x3 is trapeziumdraad met een doorsnede van 12 mm en een spoed van 3 mm per omwenteling.

De trapezium draadeinden zijn aan weerszijden in een flenslager vastgezet.

Vervolgens: de aandrijving. Hiervoor kan je servo- of stappenmotoren gebruiken. Servomotoren worden voornamelijk gebruikt bij machines die hoge snelheden moeten bereiken. Het servosysteem is duurder en vergt meer afstelling en onderhoud dan het stappenmotor systeem. Dus heb ik voor het stappenmotor systeem gekozen. Snelheid is voor een gepensioneerd schrijnwerker immers geen noodzaak.

Stappenmotor NEMA 23, 3 Nm.

De keuze van de juiste stappenmotor is niet eenvoudig, maar ik vond op internet iemand die ook een CNC machine gebouwd heeft en die had, na wat geëxperimenteer, voor deze uitvoering gekozen, dus heb ik die ook maar aangeschaft. Niet erg wetenschappelijk geef ik toe, maar het moet maar. Ze werken overigens prima.

De stappenmotor en het trapeziumdraadeind worden d.m.v. een z.g.n. klauwkoppeling verbonden.

Een stappenmotor wordt met een aansturing (driver) aangestuurd. Deze driver wordt zelf bestuurd met elektrische pulsen. Bij elke puls wordt de as, afhankelijk van het richtingssignaal, een stukje rechts- dan wel linksom gedraaid. Deze stappenmotor verdraait 1,8 graden per puls. In totaal zijn er 200 stappen in één omwenteling. De trapeziumdraadstang heeft een spoed van 3 mm per omwenteling, dus per stap verplaatst de wagen zich met 3000/200=15 micrometer.

De stappenmotoren kunnen ook worden aangestuurd door een z.g.n. microstep driver. Ik heb hiervoor de M542T gekozen. Deze microstep driver is in staat de stappenmotor in nog kleinere stappen aan te sturen. De 1,8 graden stappenmotor kan in 400 tot 50000 stappen worden verfijnd. Hoe kleiner de stap hoe minder de kracht van de motor. Ik heb gekozen voor 400 stappen per omwenteling, wat neerkomt op 7,5 micrometer per stap. Lijkt me nauwkeurig zat.

Micro stepdriver.

De microstep driver wordt op zijn beurt aangestuurd door pulsen en richtingsignalen. Hiervoor gebruik je de parallelle uitgangspoort van een personencomputer. Gebruik bij voorkeur een oude PC, omdat die vaak nog een parallel poort heeft. Hier moet nog wel een interface tussen worden geplaatst. Dit interface past de signalen, gegenereerd door de computer, aan voor de microstep driver.

Met wat bedrading heb je zo de hardware aansturing voor het systeem compleet. Nu nog de aansturingssoftware. Er zijn verschillende programma’s verkrijgbaar, maar LinuxCNC springt er uit omdat het open source is en alles biedt wat er nodig is. Het is te downloaden van: https://www.linuxcnc.org/

In het CNC programma lees je een z.g.n. g-code CNC file in. Deze file kan je generen met een CAD/CAM programma. CAD staat voor Computer-Aided Design en CAM voor Computer-Aided Manufactering.
In het rechter, zwarte, vak hieronder zie je wat er gefreesd gaat worden. In het onderste vak staat de ingelezen g-code file. Links zijn de instellingen van de CNC-machine te vinden.

Om de g-code file te genereren maak ik gebruik van het programma Estlcam. Dit programma werkt prima en kost maar vijf tientjes, daar kan je geen armoe van leiden.

Bij dit programma kan je een in een CAD systeem getekend object inlezen en aangeven wat en hoe je het gefreesd wilt hebben. Met dit programma creëer je de g-code file.

Mijn CNC machine zag er in 2017 zo uit:

Zoals ik al eerder opmerkte heb ik de bovenfrees vervangen door een borstelloze frequentie gestuurde spindel drive. De spindel wordt aangestuurd door een inverter van Huanyang.

Inverter, spindel en bevestiging voor de spindel.

De inverter wordt vanuit de LinuxCNC software, via een RS485 verbinding, aangestuurd, zodat het toerental en draairichting automatisch overeenkomstig de CNC file wordt ingesteld. Ook het aan- en uitschakelen verloopt automatisch.

De wagen voor de X-as werd door één stappenmotor, die in het midden van de tafel was opgesteld, aangedreven. Het draadeind bevond zich onder de tafel. Het bleek dat deze opstellingen niet stijf genoeg waren (wringen) waardoor er niet nauwkeurig genoeg gefreesd kon worden. Voor naamborden e.d. is dit niet zo’n probleem, maar voor grotere objecten die precies moeten passen kan dit niet.
Om dit probleem op te lossen heb ik de zelfgemaakte X-as wagens en geleidingen vervangen door lineaire geleidingen met lagerblokken. En er is voor de X-as een extra stappenmotor en micro stepdriver aangebracht, zodat deze nu aan twee zijden wordt aangedreven en op de plaats wordt gehouden. Het werkt nu allemaal naar behoren.

Er volgen nu enkele voorbeelden van gemaakte objecten:

Hor voor patrijspoort.
Instrumentenpaneel
Naambord
Hor voor patrijspoort