Projekty Arduino - Frezarka CNC czyli uniwersalne centrum obróbcze. Część pierwsza - Wprowadzenie.

Czym jest frezarka CNC? W dużym skrócie jest to urządzenie, które za pomocą obróbki skrawaniem, obrabia różnego typu powierzchnie. Element, który obrabia, nazywany jest frezem, napędzany jest przez wrzeciono. Jeśli wiemy, czym jest sama frezarka, warto dowiedzieć się też, czym jest tajemniczy skrót CNC.

Oznacza on Computer Numerical Control, co naszym języku możemy rozumieć jako komputerowe sterowanie numeryczne. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie musimy ręcznie ustawiać maszyny, lecz robi to za nas elektronika, która steruje silnikami krokowymi. Ceny gotowych frezarek CNC zaczynają się od 600 zł, a profesjonalne maszyny przemysłowe potrafią kosztować nawet kilka milionów złotych, my jednak zmieścimy się w budżecie 1000 zł.

Założenia, które przyjmiemy podczas budowy:

• Maksymalny budżet to 1000 zł — w końcu nie chcemy wydawać majątku na nasze urządzenie.
• Drewniana konstrukcja wspierana elementami z druku 3D - drewno jest bardzo ekonomicznym surowcem, formatki wytnie nam każdy stolarz, a ich cena nie powinna przekroczyć 100 zł. Wybór druku 3D jest oczywisty, możemy tworzyć dowolne elementy przy niskim nakładzie kosztów.
• Sterowanie za pomocą Arduino Uno oraz sterownika CNC Shield — bardzo prosta obsługa oraz możliwość zastosowania wielu oprogramowań do urządzeń numerycznych przy zachowaniu niskiej ceny.
• Możliwość obróbki drewna, tworzyw sztucznych, płytek PCB, a nawet aluminium!
• Demontowany stół roboczy dla łatwiejszej obsługi.

Software — oprogramowanie sterujące frezarką

Kwestia oprogramowania jest niezwykle ważna, więc zdecydowałem się, aby poruszyć ją jako pierwszą. Za sterowanie urządzeniem odpowiadać będzie GRLB. Jest to cały zestaw oprogramowania dla maszyn CNC, składa się z programu komputerowego, jak i wsadu do Arduino. System ten jest bardzo łatwy w obsłudze, przez co osoby mniej doświadczone będą mogły bez problemu z nim pracować, a praktycznie nieskończone możliwości modyfikacji wsadu otwierają wiele furtek twórcą, czyli nam!

Poniżej pokazany jest interfejs programu komputerowego GRLB Controller.

Część hardware oraz mechanika urządzenia.

Gdy wiemy już, co będzie sterowało naszym, urządzeniem od strony software. To możemy przejść do elementów fizycznych. Tak jak napisałem w założeniach projektowych, układem programowanym będzie Arduino Uno wraz z nakładką CNC Shield 2.0. Jest to budżetowe połączenie, jednak do naszych celów wystarczy w zupełności, a do tego mamy pełną kompatybilność z naszym oprogramowaniem GRLB.

Arduino Uno z CNC Shield oraz sterownikami A4988

Jak wiemy elektronika sterować, będzie silnikami krokowymi i wrzecionem, więc warto przejść teraz do tych aspektów. Motorami są krokowce w standardzie NEMA17, są to najczęściej używane silniki w urządzeniach CNC home-made. Dlaczego właśnie wybrałem NEMA17? Ze względu na ich niską cenę, wysoką dostępność oraz parametry w zupełności wystarczające do budowy naszej frezarki. Dlaczego nie NEMA21? Z bardzo prostej przyczyny, już poprzedni standard daje nam ogromne możliwości, a wykorzystanie silników w standardzie NEMA21 byłoby po prostu przerostem formy nad treścią i wydawaniem zbędnych funduszy.

Silnik krokowy w standardzie NEMA17

Jeśli chodzi o wrzeciono, to wybrałem 200-watowy model, który operuje prędkościami od 3000 do 12000 obrotów na minutę. Moc, jak i prędkość wrzeciona wystarczy, aby obrabiać nawet aluminium, a był to jeden z celów budowy urządzenia. Dodatkowo wrzeciono może pracować na logice 12 V, dzięki czemu idealnie wpisuje się do całego zestawu.

Wrzeciono

Jako że samo Arduino, czy też CNC Shield nie jest w stanie bezpośrednio wysterować silników, musimy rozejrzeć się za sterownikami do krokowców. Mój wybór padł na popularne A4988, wysoka dostępność, mała awaryjność oraz niska cena, wybór był prosty. Oczywiście frezarka CNC musi mieć źródło energii, więc potrzebny będzie zasilacz. To ten, który wybrałem, pracuje na logice 12 V i jest w stanie dostarczyć moc na poziomie 240W. Jest to wystarczająca moc do zasilenia całego urządzenia.

Zasilacz na logice 12 V

Po omówieniu części elektronicznej możemy przejść do mechaniki. Praktycznie całe urządzenie bazuje na technice liniowej typu 10 mm. Możemy zastanawiać się, czy wałki oraz łożyska liniowe. O średnicy 10 mm będą stabilnie pracować na przykład podczas obróbki aluminium, odpowiedź brzmi tak! Prawidłowo złożona rama, jak i osie urządzenia zapewnią stabilną pracę nawet przy materiałach o bardziej skomplikowanym procesie obróbczym.

Łożyska 10 mm w obudowie

Elementem, który przekazuje ruch silnika, krokowego na osie jest śruba trapezowa 8 mm. Dlaczego nie paski zębate GT2? Starając się o jak największą stabilność urządzenia i dając sobie, możliwość obróbki twardszych materiałów nie możemy pozwolić sobie na powstawanie luzów, o które przy paskach GT2 bardzo łatwo.

Śruba trapezowa 8 mm

Domowej roboty frezarka CNC podsumowanie

Gdy mamy mniej więcej pogląd, na jakich to części użyjemy. To możemy powoli, przechodzić do kolejnego artykułu. W którym zaprezentuje jak rozpocząć budowę na bazie gotowego projektu.

Oczywiście nie wymieniłem tutaj wszystkich części niezbędnych do budowy, a jedynie te najważniejsze z nich. Reszta elementów zostanie pokazana podczas budowy oraz wypisana w ostatniej części poradnika.  

Aby stworzyć urządzenie, tego typu niezbędne mogą się okazać. Owe umiejętności manualne takie jak wiercenie, przykręcanie czy też lutowanie, ale naszym najważniejszym atutem powinna być pewność siebie.

Jeśli będziemy odpowiednio dążyć do naszego celu, to po skończeniu. Tych wszystkich poradników skończymy także budowę w pełni sprawnej i niezwykle użytecznej maszyny CNC!