Il Personal Computer per una CNC

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.

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.

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.

Come vedete la configurazione è piuttosto semplice (lo sarà anche all'atto pratico) e per questo bisognerà riporre attenzione sulla scelta dei componenti.
Detto ciò iniziamo con la parte meno complessa ma fondamentale.

Alimentazione

L'alimentatore più critico  in un'elettronica cnc è senza dubbio quello riservato ai driver, ed in effetti ne ho già discusso nell'articolo sui motori. Personalmente ho scelto un alimentatore switching ma la scelta migliore sarebbe costruirsene uno non regolato. Oltre a poterlo adeguare ai voltaggi e alle correnti richieste, un alimentatore di quel tipo potrà far fronte più facilmente alle improvvise richieste di corrente dei motori stepper. Gli switching sono comunque un'ottima scelta considerando il rapporto prezzo/prestazioni.
Va tenuto in considerazione che dei driver che gestiscono i motori a passo intero (in cui tutte le fasi richiedono sempre il massimo della corrente) assorbiranno più corrente rispetto a quelli che lavorano con i micropassi. Inoltre anche il voltaggio influisce sulla corrente assorbita: più è alto e meno corrente sarà richiesta all'alimentatore. In linea teorica dovrebbe bastare un alimentatore che eroghi la metà della corrente nominale del motore, io vi consiglio di usarne uno che riesca a darne almeno i 3/4; in questo modo non avrete nessun problema. Il mio switching può erogare 7.3A sui 48V. Avendo 3 motori da 3A nominali è più che sufficiente anche avendoli tutti sotto sforzo in contemporanea.

Driver

Un driver per motori passo-passo (tralascio quelli per i servo a cui servirebbe dedicare ben più spazio) riceve segnali a basso livello dal sistema di controllo e li converte in impulsi elettrici per azionare i motori.

In un motore standard da 200 passi giro sono necessari 200 impulsi per completare una rivoluzione (ammesso di lavorare in full step). In modalità microstep quello che cambia è appunto il numero di impulsi generati per far compiere un giro al rotore, che possono arrivare anche oltre i 20000. La velocità e le prestazioni di coppia del motore dipendono dal flusso di corrente che va dal driver agli avvolgimenti del motore. Il fattore che inibisce questo flusso, o limita il tempo necessario alla corrente per eccitare l'avvolgimento, è noto come induttanza.

Anche questa cosa l'ho già detta nell'articolo sui motori: Più bassa è l'induttanza, quindi più velocemente arriva la corrente agli avvolgimenti, e migliori saranno le prestazioni del motore. Gli effetti dell'induttanza si riducono aumentando la tensione di alimentazione , non a caso tutti i driver di un certo livello pilotano i motori a voltaggi decisamente più elevati di quelli nominali.
Esistono sostanzialmente due tipologie di driver ancora utilizzati:

• Unipolari
  Il nome unipolare deriva dal fatto che il flusso di corrente è limitato ad una sola direzione. Un circuito di pilotaggio di questo tipo è poco costoso ma altresì limitato. Lo svantaggio principale è che non riesce ad eccitare tutti gli avvolgimenti nel medesimo istante e questo si manifesta in una riduzione della coppia del 40% circa.
• Chopper
  Sono dei driver bipolari, attualmente i più efficienti e garantiscono elevate prestazioni. Per ogni step mandano inizialmente un impulso ad alto voltaggio alle spire del motore. Questo causa un innalzamento della corrente negli avvolgimenti come dalla seguente eguaglianza $\frac{\Delta I}{\Delta t} = \frac{V}{L}$ dove V è molto grande. Grazie ad un sensore in serie su ogni avvolgimento, il driver monitora la corrente che circola in esso e blocca l'alimentazione (grazie ad un set di transistor switching) al raggiungimento di un determinato valore. Questo taglio di tensione permette di mantenere gli avvolgimenti eccitati in modo ottimale.

Personalmente uso i driver che vedete nella foto qua sopra, sono dei leadshine M542, economici ma dalle buone prestazioni se non si hanno esigenze particolari. Ovviamente lavorano in modalità chopper e supportano il micropasso fino ad 1/125, selezionabile tramite dip switch. Praticamente tutti i driver dedicati hanno le medesime morsettiere, non sarà difficile effettuare gli opportuni collegamenti consultando il datasheet.
Io per ora non ho avuto problemi di surriscaldamento ma è consigliabile montarli abbastanza distanziati fra loro per consentire una buona dissipazione del calore.

Oltre agli ingressi per i segnali step/dir solitamente i driver possiedono un ingresso di abilitazione (Enable). Questo ingresso consente l'attivazione mediante un segnale logico alto e la disattivazione con uno basso.
Nota importante: i driver non vanno alimentati a vuoto, cioè senza collegare i motori, perchè potrebbero saltare se sprovvisti delle adeguate protezioni.

Scheda di controllo

I segnali step/dir che arrivano ai driver possono essere generati direttamente dal pc (ed in questo caso non si avrà bisogno di una vera e propria scheda di controllo) oppure da una logica integrata che riceve dal pc solo istruzioni ad alto livello. Un controllo dedicato ha molti vantaggi, in primis quello di generare impulsi molto più puliti e non essere vincolato al pc. Quest'ultimo punto è fondamentale soprattutto se utilizzate sistemi operativi instabili o multitasking che potrebbero ritardare dei segnali o addirittura bloccare l'esecuzione dei programmi. Questi problemi posso essere quasi eliminati usando il sistema operativo solo ed esclusivamente per comandare la macchina, ma ovviamente l'affidabilità non sarà mai paragonabile ad un controllo elettronico esterno.

Ritornando alle schede di controllo, per chi volesse farsi un'elettronica di questo tipo consiglio di dare uno sguardo ai siti di Twintec e Dynomotion. Con queste schede potete pure usare windows vista come sistema stando certi di non avere problemi con la macchina. Purtroppo questi controlli indipendenti costano parecchio e se la spesa risultasse sproporzionata al resto della componentistica vi conviene optare per un buon software che generi gli impulsi step/dir dal pc. In questo caso è sufficiente comprare (o anche costruirsi) una piccola scheda di breakout che consenta di interfacciarsi con la porta parallela (solitamente viene usata quella). Ogni pin avrà una sua funzione (in entrata o in uscita) impostabile dal software.

Oltre alle uscite per i driver potrete collegare sensori di finecorsa e di home, pulsante di emergenza, tastatore etc. con il solo limite dei 25 pin disponibili.
E' possibile, e lo consiglio, installare anche dei relè che vi permetteranno di azionare via software l'elettromandrino, la pompa per il liquido refrigerante e qualsiasi altro dispositivo elettrico che vorrete abbinare alla CNC.
Queste schede devono essere optoisolate per evitare di danneggiare la porta parallela del pc, quindi necessitano di un'alimentazione, solitamente a 5v. Se riuscite ad integrare nel box elettronica anche il pc vi conviene utilizzare il suo alimentatore per prelevare la tensione necessaria; userete un solo alimentatore per due scopi.

Nel prossimo articolo tratterò del PC e dell'elettronica ausiliaria.

Servomotori brushless

Inizio con questi perché poi andrò a descrivere in modo più dettagliato la configurazione dei motori passo passo (con cui ho avuto esperienza sulla mia macchina).
Si tratta di motori sincroni trifase dotati di magneti permanenti, solitamente costituiti da terre rare (Samario-Cobalto, Neodimio-Ferro-Boro) . Questi motori sono l'ideale per gestire spostamenti rapidi e precisi mantenendo coppie elevate. Oltre al vantaggio di non avere contatti striscianti possiedono degli encoder che tengono traccia dei posizionamenti eliminando di fatto la possibilità di errore. Hanno una reazione molto rapida, circa la metà dei comuni motori in CC, e questo permette accelerazioni e decelerazioni molto rapide. Possono lavorare tranquillamente anche in condizioni ambientali non comuni quali alte temperature, umidità elevata etc.

Vi chiederete se hanno dei difetti, ma l'unico potrebbe essere il costo. I servo brushless per funzionare hanno bisogno di inverter, encoder di posizione ed un'elettronica di controllo dedicata. Solitamente i brushless concepiti per essere montati su fresatrici CNC vengono venduti insieme a tutta l'elettronica in grado di farli funzionare a dovere. E' ovviamente possibile comprarsi i vari componenti separatamente e procedere alla programmazione da sè. Alcuni drivers per servo brushless accettano in ingresso segnali step/dir (li stessi usati per pilotare i passo passo) e quindi possono essere comandati anche da software non molto costosi. Per una fresatrice CNC hobbistica andrebbe più che bene.

Montare questo tipo di motori su una fresatrice CNC è sicuramente il meglio, come sempre però le varie componenti vanno equilibrate. Dei motori del genere non si possono sfruttare su meccaniche che flettono o vibrano facilmente, soprattutto per le rapide accelerazioni e coppie generate. Fra l'altro stiamo parlando di motori che possono costare anche 300 euro a pezzo (quelli piccoli), compresi di controllo.
Al lato pratico comunque è quasi più facile montare questi motori piuttosto che i passo passo; spesso i kit in vendita sono già pre-cablati e configurati.

Motori passo passo

Questo genere di motori sono i più utilizzati nelle frese CNC hobbistiche e venivano usati alcuni decenni fa anche in quelle professionali. La differenza fondamentale rispetto ai servomotori è che non funzionano a ciclo chiuso, quindi nessuna retroazione. Un motore passo passo comune non sa di quanto si sta muovendo e quindi non è possibile agire per eliminare errori. E' possibile montare comunque degli encoder ma l'affidabilità non è comunque comparabile ai servomotori. Non richiedono elettroniche complesse per funzionare potendo essere pilotati da semplici segnali step/dir.
Oltre agli ampere di assorbimento ed alla coppia generata, un valore importante da tenere in considerazione (spesso trascurato) è l'induttanza: uno stepper con un'induttanza alta offrirà più coppia a bassi giri ma meno coppia ad alti giri. E' possibile ridurre in parte questo problema montando dei driver che lavorano in modalità chopper.

Un motore stepper è in grado di muoversi a step (passi) grazie a degli impulsi digitali che attivano/disattivano determinati avvolgimenti, quindi bloccando il rotore mediante campi magnetici. Comunemente questi motori hanno 200 passi a giro, ad ogni passo l'albero ruoterà di 1.8° ( $\frac{360}{200}$). Questo parametro, unito al passo della vite di trasmissione, permetterà al programma di controllo di inviare degli impulsi adeguati per dei movimenti di estensione arbitraria. Pilotare uno di questi motori a passo intero è riduttivo e provoca notevoli vibrazioni durante il movimento.

Faccio un esempio pratico prendendo come riferimento la mia macchina. Io ho montato dei motori passo passo da 200 passi giro; Le viti di trasmissione hanno passo 4mm. Se pilotassi i motori in full step (tralasciando il rumoraccio generato) otterrei una risoluzione di  $\frac{4}{200} = 0.02$. Cioè lo spostamento minimo sarà di 2 centesimi.
Usando degli azionamenti a microstepping (di cui parlerò in un altro articolo) è possibile far posizionare il rotore in posizioni intermedie, arrivando anche a 25600 passi giro. Quest'ultimo settaggio è esagerato e riduce la coppia motore enormemente, come vedremo tra poco. Personalmente trovo che 800 passi giro siano il giusto compromesso: i movimenti sono fluidi, la coppia rimane sufficiente e la risoluzione è più che adeguata. Saranno anche i settaggi di accelerazione e velocità iniziale a garantire dei buoni movimenti senza perdita di passi.
Piccola nota: questo genere di motori è studiato per lavorare a temperature relativamente alte, solitamente tra i 50° ed i 80° centigradi, quindi nessun problema se al tatto li sentite scottare.

Microstepping e coppia

Come ho accennato prima la coppia nominale del motore diminuisce all'aumentare del microstepping. Il motore è in grado di generare la sua coppia massima solo quando il rotore si trova bloccato in uno dei 200 passi fisici e non nelle frazioni. Questo significa che se si trova in una posizione intermedia la forza necessaria a sbloccarlo sarà minore. E' possibile calcolare la caduta di coppia a diversi micropassi con questa formula:

$F_r = F_n \sin{\frac{90}{microsteps}}$

Con un motore da 3 Nm pilotato a 8 micropassi avremo quindi:

$3 \sin{\frac{90}{8}} = 0,4693 Nm$

malgrado la coppia cali in modo esponenziale il problema non è molto rilevante per delle macchine cnc hobbistiche. Con viti passo 4 e rapporto motore/vite 1:1 avremo comunque la massima coppia ogni 2 centesimi di spostamento, ed il 70% ogni centesimo.

Alimentazione

I motori passo passo solitamente possono lavorare a voltaggi decisamente bassi, attorno ai 5v per fase.  Sfortunatamente un motore stepper che lavora a quei voltaggi viaggerebbe a velocità ridicole (parlo di poche decine di giri al minuto). La realtà è che i volt di alimentazione devono essere maggiori dalle 3 alle 20 volte da quelli ricavati in forma teorica. Per forma teorica intendo misurare la resistenza degli avvolgimenti e, conoscendo gli ampere, ricavare il voltaggio con la legge di ohm:

$V = RI$

Nel mio caso specifico otterrei un voltaggio di 4,2V, che moltiplicati per gli ampere darebbero solo 12,6 watt di potenza assorbita. E' logico che 12,6 watt non sono sufficienti a spostare una meccanica da parecchi chili a 3500 mm/min (sempre nel mio specifico caso), quindi la verità è un'altra.
Usando degli azionamenti che pilotano il motore a voltaggi diverse volte più alti di quelli nominali si otterranno prestazioni migliori. I miei driver sono da 48V e le prestazioni posso definirle buone. Anche in questo caso però non è corretto moltiplicare il voltaggio dei driver per l'assorbimento di corrente dei motori; così facendo si otterrebbe un valore di picco raramente raggiungibile, anche considerando che i driver più moderni regolano la tensione in uscita a seconda del carico. Quello che dico potete verificarlo applicando un amperometro all'uscita dell'alimentatore mentre la macchina è in lavorazione. Comunemente un alimentatore che regga i 3/4 dei watt di picco è sufficiente.

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:

La risposta è no, e le motivazioni saranno date nel corso dell'articolo.
Convincere un audiofilo, condizionato dalla pubblicità martellante, che i cavi non migliorano le caratteristiche del suo impianto non è cosa facile, ma alla fine di questo articolo vedrete che tutti quelli che comprano dei cavi “speciali” vi sembreranno solo degli idioti, od al massimo dei fanatici dell'estetica.
Andiamo con ordine. Ci sono due tipi di cavi per impianti Hi-Fi: quelli per collegare le fonti audio al preamplificatore e quelli per collegare l'amplificatore agli altoparlanti (cavi di segnale e potenza).

I cavi per altoparlanti

Questi cavi vengono usati per collegare l'amplificatore agli altoparlanti e solitamente sono delle semplici piattine a due fili. La prima peculiarità che i produttori di cavi “speciali” promettono è un'induttanza molto bassa. Ma vediamo perché questa caratteristica è ininfluente in un comune impianto casalingo.
L'induttanza del cavo potrebbe influire sul segnale soltanto se questo raggiungesse una lunghezza pari a ¼ d'onda. La formula per calcolare la lunghezza d'onda in metri conoscendo la frequenza in Khz è:

lunghezza d'onda = 300.000 : Khz

Da ciò si capisce che l'induttanza del cavo influisce notevolmente sul segnale solo se ha una lunghezza maggiore di:

300.000 : 25 = 12.000 metri

12.000 :4 = 3.000 metri

Quindi se all'uscita dell'amplificatore e all'ingresso della cassa acustica applicassimo un cavo lungo 3 chilometri, allora questo potrebbe avere la sua influenza, ma poiché solitamente la lunghezza di questi cavi – in ambito casalingo, ma anche in altri luoghi – non supera mai una decina di metri e la gamma delle frequenza acustiche va da un minimo di 10 Hz ad un massimo di 20.000 Hz, il segnale di bassa frequenza arriva alle casse senza alcuna alterazione.
L'induttanza di un cavo che abbia i fili appaiati varia al variare del diametro del filo da un minimo di 0,3 microHenry per metro ad un massimo di 0,8 microHenry per metro. L'induttanza è maggiore se il filo è sottile, minore se il filo è grosso. Solo le frequenze tra i 15.000 – 20.000 Hz possono venire attenuate da un'induttanza eccessivamente elevata.

Altra cosa che i cavi “speciali” promettono di ridurre è la capacità parassita: anche questa varia al variare del diametro del filo; più questo è grosso più la capacità è alta, al contrario più è sottile e più la capacità sarà bassa. Alcuni consigliano di distanziare i due fili della piattina per ridurre la capacità parassita. Questo è vero, ma è altrettanto vero che l'induttanza aumenterà eccessivamente. In ogni caso la capacità parassita – se non troppo elevata - non influenza assolutamente il suono. Quanto detto vale per cavi non più lunghi di 10-12 metri, e quindi nella maggior parte degli impianti casalinghi.

Alcuni possessori di questi cavetti potrebbero obiettare dicendo che il suono è realmente migliore, e che quindi hanno speso bene i loro soldi. E' chiaro che costoro sono stati semplicemente suggestionati dalla pubblicità e dall'apparenza vistosa di certi cavi che presentano contatti dorati, plastiche colorate etc. Per stabilire le differenze tra un cavo e l'altro, qualora ve ne fossero, non è sufficiente l'orecchio umano ma apparecchiature professionali come oscilloscopi, analizzatori di spettro, distorsimetri, audiotracer etc., perché solo con questi strumenti è possibile misurare anche quelle piccole differenze che l'orecchio umano non potrà mai per sua natura rilevare.

In definitiva abbiamo visto come l'unica cosa che potrebbe mutare in qualche modo il suono è l'induttanza del cavo, ma vi posso assicurare che non serve spendere cifre esorbitanti per dei cavi con bassa induttanza. E' sufficiente acquistare un comunissimo cavo di gomma con 4 cavetti conduttori al suo interno. Il diametro deve essere proporzionato alla potenza del vostro amplificatore. L'unica cosa che dovete fare è collegare in parallelo due fili, ottenendo così un perfetto cavo per altoparlanti con un'induttanza parassita che potrà variare da un minimo di 0,25 microHenry per metro ad un massimo di 0,4 microHenry per metro. Avrete ottenuto, con una spesa irrisoria, un cavo tranquillamente paragonabile a quelli più costosi e rinomati.

Cavo artigianale per altoparlanti

.

I cavi d'ingresso per i preamplificatori

Questi cavi differiscono dai precedenti perché sono schermati. Questi tipi di cavi si possono trovare con sostanziali differenze di prezzo. Del comune cavo schermato si può trovare a circa 0,30 centesimi al metro, ma quelli tanto pubblicizzati dalle riviste hanno dei costi imbarazzanti. Quando si va ad applicare un segnale di BF su questi cavetti, non importa se la frequenza è di 100 Hz o di 20,000 Hz, poiché sull'estremità opposta preleveremo sempre queste due identiche frequenze. L'unica differenza che si riscontra tra i cavi schermati comuni e quelli “firmati” è la loro capacità parassita, esattamente come avevamo visto per gli altri cavi. Si può sminuire anche qui questa peculiarità dicendo che la capacità potrebbe influire sull'ampiezza delle sole frequenze dei super-acuti, e comunque soltanto nei casi in cui venissero usati dei cavetti più lunghi di 3 metri – cosa improbabile visto che solitamente la sorgente e l'amplificatore sono molto vicini.

Quanto detto si può provare con una formula per calcolare il taglio di frequenza di un filtro passa/basso, ovvero qualsiasi cavo schermato:

Herz = 159.000 : (R1 kiloohm x C1 nanoF)

R1 è il valore dell'impedenza d'uscita della sorgente, quindi se prendiamo il massimo valore che è 2000 ohm otteniamo 2 kohm. C1 è la capacità parassita del cavo espressa in nanofard. un normalissimo cavo schermato ha solitamente una capacità parassita di 400 picofard, quindi otteniamo 0,4 nanofard.

$\frac{159000}{2 0,4} = 198.750 Hz$

Questo significa che tutte le frequenze inferiori a 198.750 hz non subiranno nessuna attenuazione. Poiché la massima frequenza che il nostro orecchio riesce a percepire si aggira attorno ai 20.000-22.000 hz, è chiaro che un cavo del genere si può tranquillamente usare anche in ambito Hi-Fi. I più pignoli possono usare un cavo coassiale di tipo RG.174, il quale costa poco più dei cavi schermati normali ma ha una capacità parassita non superiore a 100 pF.

.

Conclusione

In ultimo spendere cifre esorbitanti in cavetti sperando di migliorare le prestazioni del proprio impianto Hi-Fi è pura follia. Comprare certi cavi è farsi fregare allegramente dai produttori degli stessi. Al lato pratico non c'è nessunissima differenza, l'unica cosa che cambia è l'estetica, ma volete realmente spendere dei soldi per abbellire qualcosa che solo la polvere potrà vedere?

Prima di tutto va detto che in questo articolo non descriverò la costruzione di un moderno oscilloscopio, e non ne tratterò nemmeno la parte pratica. Lo scopo è quello di analizzare lo schema di un rudimentale oscillografo a transistor più che altro a scopo di studio. Comunque nessuno vieta, a chi lo volesse, di costruire realmente questo strumento, infatti posso garantire che se seguirete bene lo schema esso funzionerà senza troppi problemi. La pecca è che potrete misurare al massimo frequenze di 1 mhz, oltre ad essere monotraccia e ad essere privo - ovviamente – delle caratteristiche degli ultimi oscilloscopi digitali.

L'oscillografo che andrò a descrivere è decisamente rudimentale, e le sue caratteristiche non sono certo al passo con i tempi, tuttavia è ottimo per arrivare a comprendere meglio come funziona questo utilissimo strumento di misura:
Può effettuare misure da 3hz a 1 mhz (ma già qui si ha qualche perdita in db); Possibilità di trigger; Amplificatore anche per tensioni continue; Attenuatore con scala pretarata con una buona approssimazione; Amplificatore orizzontale (X) con fase identica a quello verticale (Y); Possibilità di essere alimentato sia in continua che in alternata. Si sa, inoltre, che per gli strumenti di misura è sempre necessaria un'alimentazione il più possibile stabile, e che non muti né in frequenza né in tensione. Per questo sarà presentato anche uno schema di un alimentatore sufficientemente stabile. Questo oscilloscopio utilizza un tubo a raggi catodici, anche perché non c'è proprio nulla di digitale in questo schema, e vi posso assicurare che schemi come questi, dove non ci sia neanche l'ombra di un integrato, sono davvero difficili da reperire al giorno d'oggi malgrado siano ottimi per scopi di studio.

Ma passiamo ad analizzare il circuito:

Gli schemi del progetto possono essere scaricati qui: schemi oscilloscopio

.

Amplificatore verticale (Y)

L'amplificatore verticale è formato soltanto da due stadi amplificatori in controfase: questa soluzione è adottabile preferibilmente perché consente di ottenere un'ottima stabilità contro le variazioni di temperatura e dei parametri dei transistor. All'ingresso dell'amplificatore si trova un partitore di tensione tarato che, eventualmente, può essere compensato anche in frequenza, nel modo che citerò più avanti; l'impedenza di ingresso risulta costante per ciascuna posizione del commutatore ed ha un valore di 1 megaohm, compresa la sonda inserita nel puntale.

A causa delle tensioni di lavoro relativamente elevate, le resistenze di carico del collettore sono alquanto elevate. Ad ogni modo l'amplificatore fornisce un'ottima risposta e quindi un buon guadagno fino alla frequenza di un megahertz. Nel circuito di ingresso di questo amplificatore è inserita una compensazione in corrente continua tarata per il valore di zero volt, per cui, cortocircuitando l'ingresso dell'amplificatore, la linea di riferimento della base dei tempi sullo schermo del tubo a raggi catodici rimane al centro dello schermo. L'amplificatore è insensibile alle variazioni di temperatura comprese tra i 10° C ed i 45° C. Quando lo strumento è alimentato con l'accumulatore (batteria), se la tensione di alimentazione dovesse diminuire, può darsi che la linea dello 0 sullo schermo del tubo si sposti: per ovvia a questo inconveniente si provvederà a regolare il potenziometro P5 (vedere schema) fino a riportare nelle normali posizioni la linea di riferimento.

.

Amplificatore del trigger

L'esatto triggering è ottenuto mediante un circuito trigger di Shmitt. Questo circuito, come qualcuno saprà, ha l'inconveniente di richiedere all'ingresso tensioni elevate. Pertanto, per avere quest'impulso trigger di valore elevato, si usa un amplificatore sovrapilotato. Ogni volta che la somma risultante dal segnale e dall'impulso trigger, sulla base del transistor AC107, sorpassa lo zero, la tensione al collettore di questo transistor cambia. Il fianco di questo impulso di commutazione viene differenziato ed applicato alla base dei tempi. A motivo di questo particolare circuito triggering, il livello dell'impulso differenziato viene a dipendere dalla frequenza, per cui si rende necessario commutare contemporaneamente il condensatore differenziatore insieme a quelli della base dei tempi orizzontale.

.

Generatore della base dei tempi orizzontale

La base dei tempi dell'oscilloscopio è formata da un circuito flip-flop monostabile, che riceve una reazione aggiuntiva attraverso l'emettitore. Mediante il potenziometro da 20 kohm (P7 nello schema), il circuito monostabile trigger si può regolare fino alla posizione astabile. Il punto di lavoro ottimo si trova poco prima della condizione di funzionamento auto-oscillante.

La tensione a dente di sega viene prelevata dal condensatore che si trova nel circuito dell'emettitore. Il dente di sega viene portato all'amplificatore orizzontale (X), attraverso uno stadio a collettore comune, con collettore a massa. Un altro transistor amplificatore produce una tensione rettangolare ricavata dalla base dei tempi con una ampiezza di ben 70 volt, che serve per la regolazione della luminosità del tubo a raggi catodici. Anche qui si richiede un transistor che possa sopportare un valore di tensione considerevole.

Amplificatore orizzontale (X)

L'amplificatore orizzontale è formato da un solo stadio in controfase. Questo stadio è dimensionato più o meno come l'analogo stadio dell'amplificatore verticale. Si deve fare attenzione che le placchette di deflessione degli assi X ed Y abbiamo lo stesso valore di tensione, in modo da impedire, sullo schermo a raggi catodici, possibili distorsioni.

.

Il tubo a raggi catodici e l'alimentazione

Per la produzione delle varie tensioni di alimentazione degli amplificatori e del tubo a raggi catodici vengono impiegati due alimentatori, per cui è possibile adoperare lo strumento sia con una batteria che con la tensione di rete (230 v). Ovviamente i trasformatori – i cui dati verranno forniti in seguito - sono abbastanza particolari, e probabilmente sarà necessario crearseli da se o farseli avvolgere da qualche professionista. La frequenza di detti trasformatori non è la stessa: quella per la conversione CC/CA deve avere circa 40 khz, l'altra, quella per la rete luce, deve avere 50 hz.

Nell' impiego ad accumulatore, nel caso questo iniziasse a scaricarsi, non soltanto vengono a diminuire le tensioni di alimentazione degli amplificatori (e quindi anche l'amplificazione), ma diminuisce contemporaneamente anche l'alta tensione. Questo, che a prima vista potrebbe sembrare un difetto, in effetti non lo è, poiché la sensibilità di deflessione del tubo catodico aumenta, per cui la diminuzione di amplificazione viene alquanto compensata da questo fatto. Così, per una variazione di tensione del 10% sull'accumulatore, non si ha nessuna perdita di guadagno o difetto di funzionamento. L'accumulatore dovrebbe essere da 6 volt, ed in grado di erogare 2 Ah.

Tubo a raggi catodici

Il tubo a raggi catodici più adatto a questo schema sarebbe uno non più grande di 3”, che possieda inoltre controlli di luminosità, fuoco ed astigmatismo. Questi controlli sono incredibilmente utili per uno strumento come l'oscilloscopio, e ne aumentano l'usabilità. L'accumulatore, invece, dovrebbe essere da 6 volt, ed in grado di erogare 2 Ah.

Trasformatore

Per quanto concerne il trasformatore di alimentazione dirò che esso deve essere costituito dai seguenti avvolgimenti:

Primario:

2x75 spire 0,3 (W1)

2x40 spire 0,8 (W2)

Secondario:

36 spire 0,9 (W3)

120 spire 0,45 (W4)

685 spire 0,15 (W5)

Le tensioni al secondario dopo i duplicatori di tensione dovranno risultare con il carico accoppiato:

da W3 = +12 V e -12 V

da W4 = -70 V

da W5 = -500V

Per ottenere questi valori dovrete utilizzare un voltometro settato su 20 kohm per volt, misurando dalla massa.

Riguardo il trasformatore alimentato con la rete luce i valori sono i seguenti:

Primario:

Universale; potenza 40 Watt; frequenza 50 hz

Secondario:

6,3 V 1,2 A

35 V 300 mA

125 V 6 mA

.

Funzione dei comandi

Per finire vi illustro le funzioni dei vari interruttori e potenziometri.

SW1: Tensione CC o CA in entrata al canale Y

SW2: Rotazione di fase positiva o negativa

SW3: Sincronizzazione trigger interna od esterna

SW4: Entrata orizzontale interna od esterna

S1: Partitore di tensione con i seguenti valori: 100 mV; 300 mV; 1 V; 3 V; 10 V; 30 V; 100 V

S2: Tempi per la base dei tempi per i seguenti valori: 0,01 ms; 0,03 ms; 0,1 ms; 0,3 ms; 1 ms; 3 ms; 10 ms

S3: Interruttore di alimentazione (rete/spento/accumulatore)

Potenziometri:

P5: Canale verticale, regolazione di posizione

P6: Scelta del livello trigger

P7: Regolazione della stabilità del trigger

P8: Regolazione unità dei tempi

P9: Regolazione di posizione del canale orizzontale

P10: Luminosità

P11: Fuoco

P12: astigmatismo

.

Spero di avervi dato i giusti input per riuscire a comprendere al meglio i principi che stanno alla base di questo strumento di misura professionale, nonché adattabile ad innumerevoli campi applicativi.

Vi presento subito lo schema:

.

Lo schema circuitale è oltremodo semplice e per questo si presta ad essere analizzato da chiunque. Il componente responsabile della generazione del rumore è il transistor TR1 (un BC107) il quale è polarizzato inversamente tramite la resistenza R1; tale resistenza, essendo di valore sufficientemente elevato, fa sì che la corrente dell'emettitore di tale transistor risulti molto bassa,  ma a sua volta sufficiente a far sì che la tensione emettitore-base di TR1 assuma un valore tale da portarla alla rottura: in tal modo viene pertanto a generarsi un rumore continuo. Tale rumore presenta a questo punto un'ampiezza (livello) molto bassa che non può essere utilizzata se non dopo un'opportuna amplificazione. A ciò provvede il transistor TR2, che amplifica il segnale inviandolo a sua volta ad un unteriore stadio di amplificazione, costituito dall'integrato uA741. Quest'ultimo viene alimentato con una tensione di 12 v sul piedino 7, mentre viene polarizzato con metà dell'alimentazione sull'ingresso.
Se vorrete rendere udibile il fruscio dovrete collegare all'uscita un amplificatore di bassa frequenza e di conseguenza un altoparlante. Per altri scopi, invece, il segnale che preleverete all'uscita sarà più che sufficiente.