Elettronica delle macchine cnc: Parte II
19 November 2011 da Marco
Continua la parte sull'elettronica delle fresatrici cnc. Vediamo più in dettaglio pc, finecorsa, sensori di home, inverter, elettromandrini ed altro.
Il Personal Computer per una CNC
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Solitamente non è nulla di particolarmente performante se viene adibito al solo controllo della macchina (quindi niente CAD/CAM). A seconda del software utilizzato potreste necessitare di processori più o meno performanti. In linea di massima riuscirete a far girare egregiamente qualsiasi software per il controllo della cnc con una cpu da 1 ghz e 512 mb di ram. Il mio consiglio è di non installare nient'altro sul sistema oltre al software di controllo se il vostro hardware è al limite, questo vale soprattutto per i sistemi windows che danno problemi se sono attivi altri task in background. Disabilitate screen saver e rispiarmio energetico. |
E' possibile optare per un pc esterno all'elettronica della macchina, quindi case a parte, oppure cablare il tutto nello stesso box elettronica della cnc. Io ho adottato quest'ultima soluzione per motivi di spazio e praticità. Personalmente utilizzo una scheda madre mini ITX via Epia-M con processore C3 da 1000 mhz e 512 mb di ram. Le schede di questo formato consumano molto poco (nel mio caso non più di 50w, compreso hdd e ventola da 120mm) ed hanno dimensioni ridotte (17x17 cm). Configurando adeguatamente il BIOS (solitamente nella sezione power management trovate l'opzione per il power on automatico oppure per la riaccensione automatica in caso di mancata tensione) riesco ad accendere il pc assieme ai motori ed elettronica annessa con un solo deviatore esterno al box (quindi senza dover premere lo switch). Inoltre se integrate il pc nel box elettronica potrete usare il suo alimentatore per fornire tensione ad altre componenti. Io ad esempio uso i 12v per alimentare i sensori induttivi e i 5v per la breakout board.
L'uso di portatili è sconsigliato ma possibile. Con alcuni sia hanno parecchi problemi riguardanti gli impulsi step/dir. Con schede di controllo esterne potete usarli senza problemi.
Volendo si può configurare un pc di controllo che lavori senza hard disk ma con una semplice chiavetta usb. Ho testato personalmente questa configurazione utilizzando dei software di controllo per MS-DOS. Il vantaggio è che si avrà una macchina pronta a muoversi in pochissimi secondi (meno di 10), oltre a richiedere un hardware ridicolo, ma purtroppo i controlli dos non sono adatti a lavorazioni complesse e generano impulsi decisamente "sporchi".
Interruttori di finecorsa ed home
Sono fondamentali se vogliamo che la cnc "conosca" l'area di lavoro in cui può spostarsi senza danneggiare nulla.
I finecorsa sono solitamente degli interruttori meccanici; indicano al controllo l'inizio e la fine di un asse oltre quale non è possibile andare per evitare collisioni. Non è necessario che abbiano un'elevata ripetibilità, al contrario dei sensori di home. Gli interruttori di finecorsa si installano in modo che l'asse non vada ad attivarli frontalmente, ma di striscio (tutti i finecorsa degni di questo nome si attivano tramite l'azione di una forza su una levetta). Questo accorgimento vi risparmierà quantomeno l'interruttore se qualcosa non dovesse andare per il verso giusto. Un altro accorgimento importante è il loro cablaggio elettronico in modalità NC (è possibile impostarli anche in NA), ovvero normalmente chiuso. Se per caso qualche collegamento dovesse saltare il software andrebbe in blocco proprio come se il finecorsa fosse attivato evitando di eseguire comandi di spostamento.
A questo link potete farvi un'idea delle varie tipologie di finecorsa.
| Veniamo agli interruttori, o meglio sensori, di home. Partendo dal presupposto che una macchina non può essere cosciente (almeno per ora) non ha idea di dove si trovano posizionati nello spazio gli assi. Necessita quindi di un punto di riferimento fisso da cui calcolare la posizione. Questo riferimento chiamato comunemente Home,o anche zero macchina, è quello che in geometria chiameremmo origine degli assi. Con un punto di riferimento fisso è possibile per la macchina posizionarsi precisamente in qualsiasi coordinata nello spazio di lavoro, anche dopo lo spegnimento e riaccensione. Risulta quindi chiara la necessità di installare dei sensori che identifichino lo zero macchina con precisione. |
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E' possibile usare varie tipologie di sensori, e se non si hanno esigenze particolari anche dei semplici interruttori meccanici (ripetibilità intorno ad 1 decimo per i più economici). Il mio consiglio è comunque quello di non risparmiare su questi componenti perché vi permetteranno di avere un punto di riferimento fisso, indispensabile per la ripresa dei lavori a distanza di giorni o anche per resettare gli assi a seguito di errore umano e/o meccanico (perdita passi dei motori).
I sensori più adatti a questo scopo sono due:
- Sensori induttivi e capacitivi
Il meccanismo di funzionamento è similare in entrambi ma i primi vengono attivati solo in presenza di metalli. I capacitivi si eccitano in prossimità di qualsiasi materiale. Hanno ripetibilità piuttosto alte, oltre 1 centesimo (la precisione aumenta col diminuire della distanza di rilevamento), ed il costo è relativamente contenuto per quello che offrono. Hanno un uscita NPN o PNP, oppure ambedue, e necessitano di alimentazione. Io ho installato sensori induttivi M8 (rilevamento a 2mm) ed ho usato dei semplici relè per ottenere un circuito chiuso o aperto a seconda dello stato del sensore. Alcuni dicono che i relè ritardano l'arrivo dell'impulso al controllo, è vero, ma ciò non va ad inficiare sulla precisione dell'azzeramento; semplicemente avverrà un po' dopo. Ad esempio i relè che ho utilizzato hanno un tempo di commutazione di 12 ms; se eseguo la procedura di azzeramento a 500 mm/min avrò l'effettivo azzeramento a -0.1 mm dall'attivazione del sensore. - Sensori ad effetto Hall
Sfruttano, come dice il nome, l'effetto hall che è un fenomeno elettromagnetico. Non sono precisi come gli induttivi o i capacitivi ma sono dei buoni sensori. Anche questi richiedono alimentazione dedicata ed hanno uscite PNP o NPN. Costano molto meno dei sensori che abbiamo visto prima e possono essere una buona scelta per una cnc economica.
L'elettromandrino
Parliamo ora dell'elemento fondamentale di una fresatrice cnc: l'elettromandrino.
Con questo nome vengono spesso chiamati anche quei motori che non sono propriamente degli elettromandrini ma dei comuni motori a spazzole. Un vero elettromandrino può funzionare solo con un inverter che regoli la frequenza e non semplicemente con la 230v casalinga. Se avete costruito una buona meccanica vi sconsiglio di montare un motore a spazzole sulla cnc. I vantaggi di un elettromandrino HF sono considerevoli, fra cui:
- Rumore contenuto, quasi assente in caso di raffreddamento a liquido
- Coppia maggiore a parità di potenza assorbita
- Con un buon inverter è possibile ottenere coppia costante su (quasi) qualsiasi valore di velocità.
- La velocità non diminuisce sotto sforzo (se la coppia necessaria dovesse essere superiore a quella che può fornire l'elettromandrino, l'inverter provvederà al su arresto).
- Non sono presenti contatti striscianti, quindi non sono facilmente soggetti ad usura come i motori a spazzole.
Ne esistono di moltissime potenze, da 350w fino a oltre 50 kw, a seconda degli sforzi che devono affrontare. Oltre alla potenza vanno tenuti in considerazione i cuscinetti. Alcuni elettromandrini possono sopportare solo carichi radiali (sforzo ortogonale all'asse motore), reggendo ben poco quelli assiali. Può sembrare un particolare da poco ma la differenza di costo è quasi doppia. Anche se pensate di non caricare eccessivamente il motore con sforzi assiali, dei cuscinetti appositi aumenteranno comunque la durata del motore.
Solitamente gli elettromandrini di bassa potenza (1/5 kw) possiedono un'asse con annesso porta pinze standard (ER20, ER32 etc), quindi non necessitano di coni addizionali per il montaggio degli utensili.
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Come ho detto prima un elettromadrino non può funzionare senza un inverter che gli fornisca la giusta potenza e frequenza. Nemmeno questo componente va sottovalutato e dovreste comprarne uno di qualità. Io mi sono affidato ad un inverter toshiba (quello che vedete in foto, il cui manuale è visibile qui). Le sue dimensioni sono contenute e moltissime funzioni sono programmabili. Prestate bene attenzione a come collegate i fili del motore e alla frequenza massima che impostate: una configurazione errata potrebbe mettere fuori uso l'elettromandrino. |
Quasi tutti gli inverter per motori permettono l'accensione del motore tramite interruttore esterno, quindi potrete collegarci un relè comandato dal software di controllo in modo da accendere e spegnere l'elettromandrino con i g-code (M3 - M5). E' possibile anche controllare la velocità via software con degli impulsi PWM, molti software di controllo lo consentono. Io personalmente ho preferito usare un potenziometro esterno; mi consente di intervenire manualmente sui giri del motore in modo più rapido e preciso.
Tags: elettromandrino, finecorsa, frese cnc
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