Hola querido lector, en este artículo quiero compartir mi experiencia en la construcción de una máquina de portal de fresado de control numérico.
Hay muchas historias similares en la red, y probablemente no sorprenderé a nadie, pero quizás este artículo sea útil para alguien. Esta historia comenzó a fines de 2016, cuando acumulé una cierta cantidad de dinero con mi amigo, un socio en el desarrollo y producción de equipos de prueba. Para no omitir el dinero (es un asunto joven), decidimos invertirlo en el negocio, después de lo cual surgió la idea de fabricar una máquina CNC. Ya tenía experiencia en la construcción y el trabajo con este tipo de equipos, y el área principal de nuestra actividad es el diseño y el procesamiento de metales, que fue acompañado por la idea de construir una máquina CNC.
Y luego comenzó el movimiento, que continúa hasta nuestros días ...
Todo continuó con el estudio de foros dedicados a temas de CNC y la elección del concepto básico del diseño de la máquina. Habiendo decidido previamente los materiales que se procesarán en la máquina futura y su campo de trabajo, aparecieron los primeros bocetos en papel, que luego se transfirieron a una computadora. En el entorno de modelado tridimensional KOMPAS 3D, la máquina se visualizó y comenzó a crecer en detalles y matices más pequeños, que resultaron ser más de lo que quisiéramos, algunos todavía se están resolviendo.
Una de las decisiones iniciales fue determinar los materiales procesados en la máquina y las dimensiones del campo de trabajo de la máquina. En cuanto a los materiales, la solución fue bastante simple: madera, plástico, materiales compuestos y metales no ferrosos (principalmente duraluminio). Dado que tenemos principalmente máquinas para trabajar el metal en producción, a veces necesita una máquina que pueda procesar rápidamente materiales que sean bastante fáciles de procesar a lo largo de una trayectoria curva, y esto posteriormente reduciría el costo de fabricación de piezas ordenadas. Basado en los materiales seleccionados, suministrados principalmente por embalaje de láminas, con tamaños estándar de 2,44x1,22 metros (GOST 30427-96 para madera contrachapada). Al redondear estos tamaños, llegamos a los siguientes valores: 2.5x1.5 metros, el espacio de trabajo fue definitivamente, con la excepción de la altura de la herramienta, elegimos este valor por razones de instalación de la prensa y sugerimos que no tendríamos piezas de trabajo de más de 200 mm. También tomamos en cuenta el momento si es necesario procesar la cara del extremo de cualquier pieza de chapa de más de 200 mm, para esto la herramienta va más allá de las dimensiones de la base de la máquina, y la pieza / pieza de trabajo en sí está unida al lado del extremo de la base, procesando así la cara del extremo de la pieza.
El diseño de la máquina es una base de marco prefabricada de la tubería de perfil 80 con una pared de 4 mm. En ambos lados de la base son largos, se fijan guías de laminación de perfil del tamaño 25, en las que se instala un portal, hecho en forma de tres tubos de perfil soldados entre sí en el mismo tamaño que la base.
La máquina tiene cuatro ejes axiales y cada eje acciona un husillo de bolas. Dos ejes están ubicados paralelos al lado largo de la máquina, software emparejado y atado a la coordenada X. En consecuencia, los dos ejes restantes son las coordenadas Y y Z.
¿Por qué nos detuvimos en el marco prefabricado? Inicialmente queríamos hacer una estructura soldada limpiamente con láminas soldadas incrustadas para fresar, instalar guías y tornillos de bola, pero no encontraron una máquina de fresado con coordenadas lo suficientemente grande para fresar. Tuve que dibujar un marco prefabricado para que fuera posible procesar todas las piezas por nuestra cuenta con las máquinas de metalurgia existentes. Cada pieza que fue expuesta a la soldadura por arco eléctrico fue recocida para aliviar tensiones internas. Además, todas las superficies de acoplamiento se fresaron y, como resultado del ajuste, tuvieron que rasparse en algunos lugares.
Al adelantarme, quiero decir de inmediato que el montaje y la fabricación del bastidor resultaron ser el evento más costoso y costoso financieramente en la construcción de la máquina. La idea original con un marco soldado sin costuras en todos los aspectos evita la estructura prefabricada, en nuestra opinión. Aunque muchos pueden estar en desacuerdo conmigo.
Muchos aficionados y no solo ensamblan este tipo y tamaño (e incluso más grandes) de máquinas en su taller o garaje, haciendo un marco completamente soldado, pero sin recocido y mecanizado posterior, con la excepción de los agujeros de perforación para los rieles de montaje. Incluso si tuvo suerte con el soldador, y él soldaba la estructura con una geometría lo suficientemente buena, luego del trabajo de esta máquina debido al rebote y las vibraciones, su geometría desaparecerá, cambiará. Por supuesto, puedo cometer muchos errores, pero si alguien conoce este problema, por favor comparta su conocimiento en los comentarios.
Quiero hacer una reserva de inmediato que no consideraremos máquinas de un perfil estructural de aluminio aquí, esto es más bien una cuestión de otro artículo.
Continuando con el ensamblaje de la máquina y discutiéndolo en los foros, muchos comenzaron a recomendar hacer pliegues de acero diagonales dentro y fuera del marco para agregar aún más rigidez. No descuidamos este consejo, pero también agregamos los plumines a la estructura, ya que el marco resultó ser bastante masivo (aproximadamente 400 kg). Y al final del proyecto, se evitará el perímetro con chapa de acero, que conectará aún más la estructura.
Pasemos ahora a la cuestión mecánica de este proyecto. Como se mencionó anteriormente, el movimiento de los ejes de la máquina se realizó a través de un par de husillos de bolas con un diámetro de 25 mm y un paso de 10 mm, cuya rotación se transmite desde motores paso a paso con 86 y 57 bridas. Inicialmente, se suponía que debía girar el tornillo en sí mismo para eliminar las holguras innecesarias y los engranajes adicionales, pero no podían prescindir de ellos, ya que con una conexión directa del motor y el tornillo, este último comenzaría a desenrollarse a altas velocidades, especialmente cuando el portal está en posiciones extremas. Dado el hecho de que la longitud de los tornillos a lo largo del eje X era de casi tres metros, y para un menor hundimiento se colocó un tornillo con un diámetro de 25 mm, de lo contrario, un tornillo de 16 mm habría sido suficiente.
Este matiz ya se descubrió durante la producción de piezas, y tuvimos que resolver rápidamente este problema fabricando una tuerca giratoria en lugar de un tornillo, que agregó un conjunto de cojinete adicional y una transmisión por correa al diseño. Esta solución también hizo posible apretar bien el tornillo entre los soportes.
El diseño de la tuerca giratoria es bastante simple. Inicialmente, se seleccionaron dos rodamientos de bolas cónicos, que se reflejan en una tuerca de tornillo de bola, después de cortar la rosca desde su extremo, para fijar la pista del rodamiento en la tuerca. Los rodamientos con una tuerca se colocaron en la carcasa, a su vez, toda la estructura está montada en el extremo del bastidor del portal. En la parte frontal del tornillo de bola, las tuercas aseguraron la funda del adaptador a los tornillos, que posteriormente se ensamblaron en el mandril y se giraron para alinearse. Le pusieron una polea y la apretaron con dos contratuercas.
Obviamente, algunos de ustedes se preguntarán: "¿Por qué no usar una cremallera como mecanismo para transmitir el movimiento?" La respuesta es bastante simple: el tornillo de bola proporcionará precisión de posicionamiento, mayor fuerza de accionamiento y, por lo tanto, menos torque en el eje del motor (esto es lo que recordaba en el movimiento). Pero también hay desventajas: una menor velocidad de movimiento y si toma tornillos de calidad normal, entonces el precio, respectivamente.
Por cierto, tomamos tornillos de bolas y tuercas de TBI, una opción de bajo costo, pero la calidad es adecuada, debido a los 9 metros de tornillo tomados, 3 metros tuvieron que ser arrojados, debido a la falta de coincidencia en las dimensiones geométricas, ninguna de las tuercas simplemente se atornilló ...
Como guías deslizantes, se utilizaron guías de perfil de un riel de tamaño estándar de 25 mm, firma HIWIN. Para su instalación, las ranuras de instalación se fresaron para mantener el paralelismo entre los rieles.
Decidieron hacer tornillos de bolas por su cuenta, resultaron ser de dos tipos: soportes para tornillos giratorios (ejes Y y Z) y soportes para tornillos no giratorios (eje X). Se podían comprar soportes para tornillos rotativos, ya que había pocos ahorros debido a la fabricación interna de 4 piezas. Otra cosa es con soportes para tornillos no giratorios: dichos soportes no se pueden encontrar a la venta.
De lo anterior, el eje X es impulsado por tuercas giratorias y a través de un engranaje de correa. También decidimos hacer otros dos ejes Y y Z a través de un engranaje de correa, esto agregará más movilidad al cambiar el momento transmitido, agregará estética para instalar el motor no a lo largo del eje del husillo de bolas, sino a un lado, sin aumentar las dimensiones de la máquina.
Ahora pasemos suavemente a la
parte eléctrica , y comenzaremos con las unidades, los motores paso a paso fueron elegidos como ellos, por supuesto, por razones de un precio más bajo en comparación con los motores de retroalimentación. Se instalaron dos motores con una brida 86 en el eje X, en un motor con una brida 56 en los ejes Y y Z, solo con diferentes pares máximos. A continuación intentaré proporcionar una lista completa de las piezas compradas ...
El circuito eléctrico de la máquina es bastante simple, los motores paso a paso están conectados a los controladores, estos a su vez están conectados a la placa de interfaz, también está conectado a través de un puerto LPT paralelo a una computadora personal. Los conductores utilizaron 4 piezas, respectivamente, una pieza para cada uno de los motores. Todos los controladores están configurados de la misma manera, para simplificar la instalación y la conexión, con una corriente máxima de 4A y un voltaje de 50V. Como placa de interfaz para máquinas CNC, utilicé una opción relativamente económica, de un fabricante nacional, como se indica en el sitio web la mejor opción. Pero no lo confirmaré ni lo refutaré, el tablero es fácil de usar y, lo más importante, funciona. En mis proyectos anteriores, utilizaba tableros de fabricantes chinos, también funcionan, y en su periferia son un poco diferentes de lo que usé en este proyecto. Noté que en todas estas placas, una puede no ser significativa, pero menos, solo puede instalar hasta 3 interruptores de límite en ellas, pero se requieren al menos dos de estos interruptores en cada eje. ¿O no acabo de resolverlo? Si tenemos una máquina de 3 ejes, entonces debemos configurar los interruptores de límite en las coordenadas cero de la máquina (esto también se llama la "posición inicial") y en las coordenadas más extremas para que, en caso de falla o falta de campo de trabajo, este o aquel eje simplemente no fuera de servicio (simplemente no roto). En mi esquema, utilicé: 3 sensores inductivos sin contacto sin fin y un botón de emergencia "E-STOP" en forma de hongo. La unidad de alimentación funciona con dos fuentes de alimentación conmutadas de 48V. y 8A. Husillo refrigerado por agua de 2.2kW, respectivamente conectado a través de un convertidor de frecuencia. Las pérdidas de balón se realizan desde una computadora personal, ya que el convertidor de frecuencia está conectado a través de una placa de interfaz. Los giros se regulan con un cambio de voltaje (0-10 voltios) en la salida correspondiente del convertidor de frecuencia.
Todos los componentes eléctricos, excepto motores, husillos e interruptores de límite, se montaron en un gabinete eléctrico de metal. Todo el control de la máquina se realiza desde una computadora personal, encontramos una PC vieja en la placa base del factor de forma ATX. Sería mejor si se pusieran un poco en mal estado y compraran un pequeño mini-ITX con un procesador integrado y una tarjeta de video. Dado que las dimensiones de la caja eléctrica no son pequeñas, todos los componentes apenas se colocaron dentro, tuvieron que ubicarse lo suficientemente cerca el uno del otro. En el fondo de la caja coloqué tres ventiladores de enfriamiento forzado, ya que el aire en el interior de la caja estaba muy caliente. En el lado frontal, se atornilló una placa de metal, con agujeros para el botón de encendido y el botón de parada de emergencia. También en este pad había un zócalo para encender la PC, lo saqué de la carcasa de la vieja mini computadora, es una pena que resultó que no funcionaba. También se fijó una superposición desde el extremo posterior de la caja, se colocaron agujeros para los conectores para conectar la alimentación de 220V, motores paso a paso, un husillo y un conector VGA.
Todos los cables de los motores, el husillo, así como las mangueras de agua para enfriarlo, colocaron canales de oruga de 50 mm de ancho en el cable flexible.
En cuanto al software, Windows XP se instaló en una PC ubicada en una caja eléctrica, y se usó uno de los programas Mach3 más comunes para controlar la máquina. El programa está configurado de acuerdo con la documentación de la placa de interfaz, todo se describe allí con bastante claridad y en las imágenes. Por qué exactamente Mach3, y de todos modos, tenía experiencia laboral, escuché sobre otros programas, pero no los consideré.
Especificaciones:Espacio de trabajo, mm: 27001670200;
Velocidad de desplazamiento del eje, mm / min: 3000;
Potencia del husillo, kW: 2.2;
Dimensiones, mm: 280020701570;
Peso, kg: 1430.
Lista de partes:Tubo perfilado 80x80 mm.
Tira de metal 10x80mm.
Tornillo de bolas TBI 2510, 9 metros.
Tuercas de husillo de bolas TBI 2510, 4 uds.
Guías de perfil Carro HIWIN HGH25-CA, 12 uds.
Carril HGH25, 10 metros.
Motores paso a paso:
NEMA34-8801: 3 piezas
NEMA 23_2430: 1 pieza
Polea BLA-25-5M-15-A-N14: 4 piezas
Polea BLA-40-T5-20-AN 19: 2 pcs.
Polea BLA-30-T5-20-A-N14: 2 piezas
Tarjeta de interfaz StepMaster v2.5: 1 pc.
DM542 controlador de motor paso a paso: 4 piezas (China)
Fuente de alimentación conmutada 48V, 8A: 2pcs. (China)
Inversor de 2,2 kW. (China)
Eje de 2,2 kW. (China)
He enumerado los principales detalles y componentes, si algo no está incluido, luego escriba en los comentarios, agregaré.
Experiencia laboral en la máquina: finalmente, después de casi un año y medio, aún arrancamos la máquina. Primero, establecemos la precisión del posicionamiento de los ejes y su velocidad máxima. Según colegas más experimentados, la velocidad máxima de 3 m / min no es alta y debería ser tres veces mayor (para procesar madera, madera contrachapada, etc.). A la velocidad que hemos alcanzado, el portal y otros ejes, con sus manos (con todo su cuerpo) descansando sobre ellos, difícilmente se pueden detener, corriendo como un tanque. Las pruebas comenzaron con el procesamiento de madera contrachapada, el cortador funciona como un reloj, no hay vibración de la máquina, pero también se profundizó en un máximo de 10 mm en una pasada. Aunque comenzaron a ir más y más profundo.
Después de jugar con madera y plástico, decidimos roer el duraluminio, aquí estaba encantado, aunque primero rompí varios molinos con un diámetro de 2 mm, mientras seleccionaba las condiciones de corte. El duraluminio corta con mucha confianza y se obtiene un corte bastante limpio a lo largo del borde mecanizado.
Todavía no hemos intentado procesar acero, pero creo que al menos la máquina tirará del grabado, y para fresar el husillo es débil, es una pena matarlo.
Y el resto de la máquina hace frente perfectamente a sus tareas.
Conclusión, opinión sobre el trabajo realizado: el trabajo no es pequeño, terminamos bastante cansados, porque nadie ha cancelado el trabajo principal. Sí, y no se ha invertido un poco de dinero, no diré la cantidad exacta, pero esto es alrededor de 400 t.r. Además del costo del embalaje, la mayor parte de los costos y la mayor parte del esfuerzo se destinaron a la fabricación de la base. Wow, cómo nos metimos en eso. Y el resto, todo se hizo a medida que llegaban los fondos, el tiempo y las piezas terminadas para continuar con el montaje.
La máquina resultó ser bastante viable, lo suficientemente resistente, masiva y de alta calidad. Mantener una buena precisión de posicionamiento. Al medir un cuadrado de un duraluminio, midiendo 40x40, la precisión fue de + - 0.05 mm. No se midió la precisión del procesamiento de piezas más grandes.
Lo que sigue ...: todavía hay suficiente trabajo en la máquina, en forma de cubierta antipolvo: proteja las guías y los tornillos de bola, cubra la máquina alrededor del perímetro e instale techos en el medio de la base, que formarán 4 estantes grandes, debajo del volumen de enfriamiento del husillo, almacenamiento de herramientas y accesorios. Querían equipar uno de los cuartos de la base con un cuarto eje. También es necesario instalar un ciclón en el huso para eliminar y recoger astillas sobre el polvo, especialmente si procesa madera o textolita, de ellos el polvo vuela por todas partes y se deposita en todas partes.
En cuanto al futuro destino de la máquina, no todo está claro aquí, ya que tuve un problema territorial (me mudé a otra ciudad), y ahora casi no hay nadie para lidiar con la máquina. Y los planes anteriores no son un hecho que se hará realidad. Nadie podría haberlo imaginado hace dos años.
En el caso de la venta de la máquina con su etiqueta de precio, no todo está claro. Dado que, francamente, es una pena vender al costo, y todavía no se ha producido un precio adecuado.
Con esto probablemente terminaré mi historia. Si no destaqué algo, escríbeme e intentaré complementar el texto. Y el resto se muestra mucho en el video sobre la fabricación de la máquina en mi canal de YouTube.