Fresa 2D a controllo numerico

 Cos’è una fresa a controllo numerico?

Una fresa a controllo numerico è uno strumento che serve per realizzare, sotto il controllo di un computer, tagli, incisioni e fori su vari materiali.


 Come funziona?

Il tutto si può dividere in tre parti:

L’elettronica di controllo:

La parte elettronica è formata da uno o più microprocessori, dei driver di potenza, coadiuvata da un computer e dal relativo software;
Troviamo poi dei motori (tipicamente passo-passo) che animeranno la struttura. L'elettronica ha come compito quello di azionare con precisione i motori per compiere i movimenti dettati dal computer, cha a loro volta derivano da un tracciato vettoriale creato dall'utente con vari programmi vettoriali per usi generici (solitamente AutoCAD) o specialistici (OrCAD o altri programmi per la realizzazione di Circuiti Stampati, per esempio).


La Fresa

È uno strumento in grado di forare, incidere e tagliare dei materiali tramite degli appositi utensili, simili a delle punte per trapano.
È in pratica simile ad un piccolo trapano ad alta velocità, che svolge diverse funzioni in base al tipo di utensile installato nel mandrino: fora con punte da trapano, incide con delle punte simili a quelle di un dentista, che talvolta possono essere ricoperte con polvere di diamante per incidere/tagliare anche i materiali più duri (acciaio, vetro, etc)


Il pantografo di controllo

È molto simile a un plotter assiale XY (ma più robusto), di quelli che si usavano per i disegni tecnici.
Si basa sul movimento di due assi cartesiani (ortogonali): spostando la fresa alle giuste coordinate è possibile tracciare qualunque tipo di forma.
Quì a lato ho inserito un paio di foto (prese da ebay) di vecchi plotter XY, in cui sono ben evidenti i ponti mobili e le testine. Su queste si intravedono appena le penne.
Questi plotter erano usati per stampare immagini vettoriali (anche a più colori, cambiando la penna) all'epoca in cui le stampanti erano ad aghi e ci avrebbero messo una vita per dei risultati pessimi.
Oggi sono assolutamente inutili e fuori produzione, sebbene qualcuno abbia provato ad unserirci una lastra in vetronite per scrivere direttamente sul rame e poi incidere il circuito stampato...
Se avete qualche plotter buttato da qualche parte provate, secondo me non funzionerà, perché i pennarelli, lavorando sul metallo, tendono a cancellare ripassando su un punto già scritto.


 Cos’è e com’è fatto un Pantografo?

Esistono principalmente tre categore di plotter XY.

A piano fisso:

Il piano su cui è fissato l’oggetto da lavorare è fisso, sul piano (ad una certa distanza, o altezza) trasla un "ponte" che si muoverà rigidamente lungo un solo asse. S’immagini il piano come un foglio di carta, e si immagini il ponte come una struttura che si muove lungo un lato (p.e. quello lungo) rimanendo parallelo all’altro: questo movimento ci consente di individuare una qualunque regione di piano appartenente ad un segmento parallelo ad un lato (quello a cui il ponte resta parallelo).
Sul ponte scorre poi "la torre", che altro non è che un sistema atto a sostenere rigidamente la testa (su cui troviamo la fresa). La torre ha anche il compito di muovere verticalmente (asse Z) la testa.
I precisi movimenti del ponte e della torre individuano facilmente un qualunque punto nel piano (ovviamente, limitandosi alla regione di piano che il ponte può coprire). Per esempio, il movimento del ponte potrebbe rappresentare l’asse X e quello (lungo il ponte) della torre l’asse Y.
Questo tipo di plotter (o robot) è usato per piani molto grandi che devono sostenere carichi molto pesanti ed ingombranti (p.e. grosse lastre d’acciaio o marmo), ad esempio per il taglio al laser o il più raffinato taglio ad acqua (un sottile getto d’acqua da 4000 o più atmosfere può tagliare fino a 10Cm di acciaio, lavorare grosse lastre di marmo o vetro senza scheggiarle, nonché operare su quei materiali che non sopporterebbero la temperatura a cui il laser li sottoporrebbe).

A piano mobile:

Qui sia il ponte che la torre sono fissi, mentre il piano sottostante si muove lungo i due assi.
Sono usate soprattutto per lavorazioni 3D di piccoli aggetti, realizzare un piano mobile di grosse dimensioni non è facile, e c’è da fare i conti con l’inerzia.

A piano semimobile:

Il ponte è fisso ed il piano si muove sotto di lui lungo un solo asse (che è perpendicolare al ponte), mentre la torre si muove sul ponte come per il plotter a piano fisso.
Sono i robot più facili da costruire, dato che ogni parte meccanica si muove su un solo asse: il piano scorre su delle guide (solitamente basate su cilindri d’acciaio rettificato su cui si scorre con dei cuscinetti a ricircolo di sfere) ed altrettanto fa la torre, che in questo caso, a differenza del plotter a piano fisso, non va a sollecitare col suo movimento (vibrazioni, resistenze meccaniche) il movimento del ponte.
È una soluzione poco usata in ambiti industriali, dato che combina gli svantaggi di entrambe le precedenti, ma è quella che ho adottato per motivi di semplicità costruttiva nel mio prototipo, avendo avuto problemi nel movimentare il ponte a causa del fatto che, dovendo reggere peso e vibrazioni della testa e dei suoi organi di azionamento, risultava alquanto instabile e poco preciso. Se di meccanica ne capite più di me vi consiglio di passare alla versione a piano fisso.

 Come si muovono gli assi?

Gli assi X ed Y, che corrispondono al movimento del ponte e della torre (non necessariamente in questo ordine), avvengono generalmente lungo delle guide.
I plotter professionali utilizzano delle guide d’acciaio cementato rettificato, che è molto rigido e molto regolare e liscio.
Queste guide sono dei lunghi cilindri perfettamente allineati che vengono tenuti dritti tramite trazione ai due estremi.
Le parti mobili scorrono su di esse tramite dei cuscinetti a ricircolo di sfere (foto a lato): sono dei cilindri all’interno dei quali sono ricavate delle scanalature che ospitano delle sfere d’acciaio. Se ci si limitasse a questo, però, facendo scorrere il cuscinetto le sfere tenderebbero ad uscire da un lato (le sfere percorrono metà della strada che il cuscinetto compie sulla guida, quindi, essendo le stesse allineate alla guida, tenderebbero a fuoriuscire dal cuscinetto). Quando però il cuscinetto, scorrendo sulla guida, fa si che una sfera fuoriesca dallo stesso, un particolare meccanismo fa in modo, grazie ad una fila gemella di sfere non a contatto della guida (una fila gemella per ogni fila interna), che una nuova sfera passi dalla fila gemella a quella interna spinta da quella da quest’ultima uscente. In questo modo lo scorrimento avviene sempre su sfere, senza però doversi preoccupare del loro posizionamento.
Una soluzione alternativa abbastanza usata è quella di creare delle guide arrotondate superiormente ma fissate sulla base della struttura. Su queste guide si scorre con dei cuscinetti a sfere opportunamente scanalati che poggiano sulla guida stessa. Questa soluzione, sebbene leggermente meno precisa della precedente, ha il vantaggio di poter reggere pesi molto maggiori, nonché elimina i costosi cuscinetti a ricircolo di sfere. Per intenderci è simile al meccanismo di alcuni cancelli automatici scorrevoli, in cui è ben evidente la guida fissata nel cemento.
La soluzione da me adottata è invece più rudimentale: usare delle guide per cassetti con sfere d’acciaio montate sotto le parti mobili, come descritto nella trattazione della meccanica.
Questo mi ha consentito un discreto risultato senza richiedere materiale troppo costoso e di difficile reperibilità.


 Cosa muove gli assi?

Per piccoli plotter la soluzione più semplice è sicuramente usare dei motori passo-passo. Facilissimi da controllare, se ben dimensionati non richiedono alcun controllo di ritorno, ovvero, se gli si comanda di muoversi di un tot si muoveranno esattamente di tanto, senza la necessità di contarne i giri e/o frazioni realmente compiuti. Questo finché non li si sovraccarica meccanicamente, condizione in cui il motore "perde il passo", ovvero comincia ad oscillare rumorosamente sulla sua posizione senza più ruotare, finché non viene fermato e riavviato.
Se avete bisogno di una ripassata sul funzionamento dei motori passo-passo (o se ne siete a digiuno) vi consiglio un'attenta lettura del tutorial in italiano (link esterno al sito di VincenzoV) e della documentazione ST (PDF in inglese sul sito ST), contenenti tutti i dettagli sul funzionamento e le tecniche avanzate di controllo dei motori PP, compreso il controllo con segnali sinusoidali per una rotazione completamente fluida ed una precisione tendente all'infinito, nonché il controllo a corrente variabile.
Per plotter più impegnativi (superiori ai due metri e con parti mobili molto pesanti) si usano invece dei normali motori elettrici in CC (raramente AC) dei quali, attraverso dei sensori ottici, si contano i giri e le loro frazioni per sapere quando rallentarlo e quando fermarlo definitivamente. Il loro controllo è più complesso, perché si deve leggere il movimento del motore, non imporlo, ma un motore CC, a parità di coppia, è più economico, leggero e veloce di un motore passo-passo, nonché consuma molto meno. I sensori sul motore sono costituiti da lamine di metallo solidali all’albero motore su cui sono ricavate delle fessure (in numero noto); queste fessure lasciano passare la luce di una forcella ottica, che rileva così la rotazione per differenza tra fessure e corpo della lamina. Gli impulsi vengono inviati all’elettronica che li conta ed agisce di conseguenza.


 Come si muove l’asse Z? Perché è una fresa 2D e non 3D?

Il movimento della testa è differente da quello degli altri due assi. Non a caso abbiamo parlato di fresa 2D, non 3D. Infatti i movimenti del ponte e della torre sono precisi (il prototipo ha una precisione di 480 punti per mm, 12192 dpi, 10 volte la precisione della mia stampante laser), e la velocità di movimento non dipende dal materiale trattato: se la testa si deve muovere verso una coordinata XY lo fa ad una certa velocità (tale da consentire che il materiale risulti inciso, se lo facesse troppo velocemente non otterremmo che un graffio) senza in alcun modo misurare l’eventuale forza che si oppone al movimento stesso (si suppone che l’oggetto trattato sia piano).
Se facessimo altrettanto anche sull’asse Z, senza misurare la forza opposta, o quantomeno il contatto tra punta e materiale, molto probabilmente otterremmo solo l’inceppamento o la rottura dell’utensile stesso.
Per lavorazioni piane si è preferito quindi un diverso approccio: si usa un meccanismo in grado di sollevare (ritrarre) la testa, allontanando quindi la punta dal materiale. La testa ha delle contromolle che tenderebbero ad avvicinarla; abbassando il sostegno che la solleva non premiamo con esso la fresa sul materiale, ma ci limitiamo a lasciarla libera di muoversi (ovviamente lungo delle guide) sotto la forza (eventualmente regolabile) delle molle. In questo modo, ad esempio, se dovessimo fare un foro, dopo aver posizionato il ponte e la torre sulle giuste coordinate (tenendo sollevata la testa), potremmo lasciar scendere il sostegno della fresa fino alla fine, e poi attendere che la fresa abbia fatto il foro senza aver forzato alcuna parte attiva a premere su di essa. In questo modo non dovremo calcolare la velocità di discesa in base al materiale ed alla punta che stiamo usando, ma ci basterà rilasciare e attendere. Al più dovremo regolare la forza delle molle, ma si tratterebbe di una regolazione molto più approssimativa rispetto alla precedente.


 Che esperienza mi serve?

Io non ne avevo, almeno non in ambito meccanico. Sono un programmatore-smanettone appassionato di elettronica digitale e microcontrollori, ma di meccanica non ne capisco nulla. Eppure funziona.
Per la parte meccanica vi basterà una buona dose di inventiva e di meticolosità costruttiva che rasenti il maniacale. Per il resto le idee vi verranno costruendo: io ci ho messo tre mesi, ma per giorni facevo altro aspettando che mi arrivasse l’idea giusta.
Diverso è il discorso per quanto riguarda la parte elettronica/informatica: se volete modificare quanto troverete su queste pagine (possibilmente rendendo poi pubbliche le vostre migliorie) dovrete necessariamente sapere cos’è un microcontrollore, come si programmano (la fresa usa 2 PIC16F84, vedremo il perché), conoscere il linguaggio assembler Microchip, e/o saper modificare i sorgenti (in Visual Basic 4.0) dei programmi lato PC.


 Dove trovo il materiale?

Io ho recuperato motori passo passo, ingranaggi, strisce conduttive, integrati di controllo, alimentatori e varie parti meccaniche da alcune vecchie stampanti (qualche di BJC2100, una BJC3000 e una Stylus400, ma a voi la scelta).
Alcune guide, i piani, le strutture metalliche del ponte e la fresa vengono da negozi di bricolage (principalmente L&M) o da grosse ferramenta. La parte elettronica che non ho recuperato l’ho costruita per fotoincisione ed assemblata con componenti comunissimi.
È tutto materiale facilmente reperibile, spesa totale (elettronica e meccanica)inferiore ai 100Euro!