1. No category

CNC FRÄS
Projektdeltagare:
Klass:
Datum:
Skola:
GTI
Andreas Quinn
MKY2
VT 2009
Göteborgs Tekniska Institut
~1~
CNC FRÄS
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
GTI), Fredrick (lärare GTI), Lars (Svenskklimatelektronik). Utan er
hade detta projekt inte varit möjligt.
Nyckelord
CNC,FRÄS, STEGMOTOR, CAM
GTI
~2~
CNC FRÄS
Innehåll
Innehåll.............................................................................................................................3
1.2Bakgrund............................................................................................................................. 4
1.3Problemområde och frågeställning..................................................................................... 4
1.4Syfte.................................................................................................................................... 4
1.5Målgrupp............................................................................................................................. 4
1.6Val av metod....................................................................................................................... 4
2.1Stegmotor....................................................................................................................5
2.2Stegmotor - styrning............................................................................................................ 5
3.2Styrkort Schema.................................................................................................................. 6
3.3Styrkort Layout.................................................................................................................... 7
3.4 Styrkort Tillverkning........................................................................................................... 8
3.5Styrkort Testning................................................................................................................. 9
3.6Färdiga Alternativ.............................................................................................................. 11
4.2Konstruktion – Z axel......................................................................................................... 15
4.3Konstruktion Y- axel........................................................................................................... 16
4.4Konstruktion X- axel.......................................................................................................... 17
6.2Framtida uppgraderingar .................................................................................................. 21
6.3Resultat och slutsats.......................................................................................................... 22
6.4Referenser......................................................................................................................... 23
GTI
~3~
CNC FRÄS
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.
GTI
~4~
CNC FRÄS
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.
GTI
~5~
CNC FRÄS
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.
GTI
~6~
CNC FRÄS
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
GTI
~7~
CNC FRÄS
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
GTI
Undersidan. Tyvärr gjorde jag en några missar
i layouten så därför är dioderna ytmonterade på
undersidan.
~8~
CNC FRÄS
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.
GTI
~9~
CNC FRÄS
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.
GTI
~ 10 ~
CNC FRÄS
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 5-600 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 12-36 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.
GTI
~ 11 ~
CNC FRÄS
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 www.alucom.se En
mycket bra butik med bra priser och jätte god service.
Conny på AluCon sågar och gängar en aluminium profil.
GTI
~ 12 ~
CNC FRÄS
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.
GTI
~ 13 ~
CNC FRÄS
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
GTI
~ 14 ~
CNC FRÄS
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:
GTI
~ 15 ~
CNC FRÄS
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
GTI
~ 16 ~
CNC FRÄS
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.
http://www.machsupport.com
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
GTI
~ 17 ~
CNC FRÄS
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.
http://www.cambam.co.uk/
Exempel på Gcode från http://en.wikipedia.org/wiki/Gcode
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
GTI
S854 Variable speed cutting, 854 ft/min, High spindle
M03 gear, Start spindle CW rotation, Turn the mist
coolant on
~ 18 ~
CNC FRÄS
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
GTI
~ 19 ~
CNC FRÄS
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.
http://www.smaskin.se/
GTI
~ 20 ~
CNC FRÄS
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.
GTI
~ 21 ~
CNC FRÄS
6.4 Referenser
CNC info:
http://www.elektronikforumet.se (bra forum med många som byggt
fräsar)
http://www.bergan.se (Nyttig info om stegmotor styrning m.m.)
http://home.swipnet.se/ELILE/HBCNC0712.html (projekt sida om
CNC fräs)
Butiker:
http://www.alucon.se/ (mycket bra butik med billiga aluminium
profiler)
http://www.rollco.se/ (mycket bra butik med skenstyrningar och
kulskruvar)
http://butik.brundin.biz/ (billiga stegmotorer och trapets skruvar
m.m.)
http://www.smaskin.se/ (billiga fräs - verktyg m.m. )
http://shop.otdtools.se/ (fräs- verktyg m.m. )
http://www.solectro.com/ (säljer det mesta man kan behöva till en
CNC)
Programvara:
http://www.machsupport.com/ (Mach3 Styrprogram.)
http://www.cambam.co.uk/ (CamBam Bra CAM program)
Bifogat:
Datablad CD4516 (Upp/Down Counter)
Datablad CD4028 (Bin to Dec)
GTI
~ 22 ~