Fresatrici CNC: introduzione

25 October 2011 da Marco

Con questo inizio una serie di articoli riguardanti le macchine CNC ed il loro funzionamento. La cosa non è casuale perché proprio in questi giorni sto terminando una fresatrice cnc autocostruita. Detto ciò non è mia intenzione rivangare sempre le stesse definizioni che oramai si trovano facilmente sul web, ma approfondire alcuni aspetti della costruzione di una fresatrice CNC concentrandomi in particolare sulla parte elettronica ed informatica. Illustrerò in particolare come ho voluto strutturare la mia fresa CNC, senza nulla togliere ad altre configurazioni che ho ritenuto non adatte ai miei scopi.

Meccanica

Già qui ci sarebbe moltissimo da dire, ma dal momento che non sono un meccanico e mai lo sarò, mi limiterò ad una breve descrizione della meccanica standard di una fresatrice CNC.
Il concetto di base è molto intuitivo, vogliamo ottenere una struttura costituita da almeno 3 assi mobili (X, Y, Z) fra loro ortogonali. In questo modo avremo uno spazio euclideo in cui è possibile rintracciare un qualsiasi punto mediante 3 coordinate. L'aggettivo "ortogonale" è molto facile da immaginare in astratto ma un po' meno da mettere in pratica, eppure è fondamentale per ottenere degli spostamenti geometricamente esatti.
Per costruire una meccanica precisa è fondamentale utilizzare apparecchiature di precisione nonché materiali di una certa solidità. La meccanica della mia fresatrice CNC è stata costruita (non da me personalmente) esclusivamente con alluminio ed acciaio che conferiscono una certa robustezza al tutto (anche se ovviamente non è il top sotto questo aspetto), lavorati con macchine cnc e rettificati ove necessario.
A seconda della pesantezza delle lavorazioni che si vorranno eseguire in macchina ci sono due tipi di configurazioni attuabili:

Meccanica a ponte fisso
Meccanica a ponte mobile

La prima è sicuramente quella più rigida e consiste in un asse Y completamente svincolato dall'asse X. Quest'ultimo diventa quindi il piano della fresatrice, capace di muoversi avanti ed indietro. Svincolando l'asse Y dalla X si avrà una notevole riduzione delle vibrazioni durante le lavorazioni; i movimenti sull'asse Y non influenzeranno minimamente quelli dell'asse X consentendo più precisione su materiali particolarmente duri (vedi metalli).
Una meccanica a ponte mobile (quella in mio possesso) ha tutti gli assi vincolati fra loro. Significa che l'asse X durante gli spostamenti si porta dietro anche la Y e la Z. Di rimando gli spostamenti di questi ultimi due assi graveranno sull'asse X (e viceversa) accentuando le vibrazioni complessive e quindi diminuendo la precisione.

Queste sono le due idee base da cui partire, l'ingegnerizzazione complessiva tuttavia non è per nulla elementare se si vuole ottenere un risultato soddisfacente. La progettazione meccanica è senza dubbio una parte da non trascurare, solo così si potrà ottenere una buona macchina funzionante entro certe tolleranze.

Materiali

E' possibile utilizzare molti tipi di materiali per la costruzione della meccanica, tuttavia i più usati ed i più consoni sono l'allumino e l'acciaio. Le leghe di alluminio più usate sono l'anticorodal, l'avional e l'ergal. Quest'ultimo è quello che offre la migliore resistenza meccanica ma il suo costo è elevato. Il vantaggio di usare l'alluminio è la sua facilità di lavorazione ed il basso peso specifico confrontato all'acciaio.
Se avete intenzione di costruire una meccanica con parti in acciaio saldate dovreste prendere in considerazione un processo di normalizzazione da effettuare prima della rettifica; diversamente la struttura tenderà a deformarsi con il tempo anche in modo considerevole.
Strutture in MDF o legno multistrato possono essere prese in considerazione ove non si richiedano particolari precisioni.

Guide e viti di trasmissione

Questi due elementi permettono il movimento degli assi ed ovviamente andranno scelti con un po' di giudizio (non si andranno mai a mettere guide lineari su di una struttura in legno, tanto per fare un esempio limite). Anche in questo caso si possono fare varie scelte a seconda delle esigenze, iniziamo dalle guide:

Guide circolari non supportate (vari diametri)
Guide circolari supportate
Guide lineari a ricircolo di sfere

Le prime sono le guide più economiche che comunque hanno un certo grado di precisione (alcuni si costruiscono delle guide con profilati di allumino o guide per cassetti, ma ovviamente gli attriti ed i giochi sono enormi a confronto). Si trovano in vari diametri (meglio abbondare per evitare flessioni) e sono in acciaio temprato e rettificato. Gli assi scorrono su queste guide grazie a dei manicotti a ricircolo di sfere.
Le guide supportare sono praticamente la stessa cosa, semplicemente la loro flessione è quasi nulla dal momento che vengono fissate ad una parte fissa della macchina.
Le guide lineari a ricircolo di sfere sono il top e vengono utilizzate in tutte le macchine professionali. Necessitano di un supporto fisso e consistono in un profilato di acciaio (binario) su cui scorrono dei pattini a ricircolo di sfere. Questo tipo di guide hanno gioco 0 ed attriti molto ridotti, il costo è ovviamente proporzionato a queste peculiarità.

Le viti di trasmissione sono ovviamente essenziali per il movimento degli assi sulle rispettive guide. Le viti vengono collegate ai motori direttamente (con giunto oldham) oppure tramite cinghia. Le viti utilizzate nelle macchine cnc (in particolare fresatrici e torni) sono 2:

Viti a sezione trapezoidale
Viti a ricircolo di sfere

La mia fresatrice monta delle viti a ricircolo. La caratteristica di queste viti è (come abbiamo visto per le guide lineari) il loro attrito molto basso ed il gioco quasi nullo che consente precisioni anche millesimali.
Le viti trapezie sono molto più economiche ma i giochi sono nell'ordine dei centesimi e l'attrito è decisamente più elevato. Inoltre la chiocciola che consente l'effettiva movimentazione dell'asse è più soggetta ad usura.
Una cosa importante da tenere in considerazione è il passo della vite. Maggiore sarà il passo e maggiore sarà lo spostamento dell'asse a parità di giri. Purtroppo all'aumentare del passo aumenta anche la forza necessaria a spostare la massa collegata alla chiocciola, e quindi la potenza del motore.

Raramente in ambito hobbistico per la trasmissione del moto vengono utilizzate delle cremagliere. Costruire una cnc con trasmissione a pignone/cremagliera è un po' più complesso e necessita di molta più precisione nel posizionamento di questi due elementi...

Termino questo articolo con alcune foto della meccanica della mia fresatrice CNC: