פרויקט זה מתאר את תהליך בניית מכונת CNC איכותית המגיעה לדיוק וביצועים גבוהים.
בניית מכונת CNC היא דבר מורכב המערב אלקטרוניקה, רובוטיקה, מכניקה ותוכנה, ולכן מהווה פרויקט אידיאלי עבורי.
מהי מכונת CNC?
מכונה לעיבוד שבבי, מחרטה, כרסומת, או בשמה באנגלית – CNC – Computer Numeric Control הינה מכונה הנשלטת ע"י מחשב, ומשמשת לייצור אוביקטים דו\תלת מימדיים. לרוב, מכונת CNC תכלול מספר מנועים שיאפשרו תנועה במספר צירים וראש מסתובב שעליו יורכבו מקדחים מסוגים שונים שיסירו חומר מהאוביקט המעובד. מכונת CNC היא למעשה סוג של רובוט הניתן לתכנות, ומאפשרת עבודה חוזרת ללא השגחה. התקשורת בין תוכנת המחשב ובין מכונת ה-CNC מבוצעת באמצעות G-Code, שפת הוראות סטנדרטית בעולם התיב"ם (תכנון באמצעות מחשב).
אם ההסבר לא מספיק מובן, הנה סרטון קצר שמדגים פעולה של מכונת CNC על לוח נחושת. בשלב הראשון תוכננה במחשב סכמת המעגל (CAD – Computer Aided Design). בשלב השני המחשב מפעיל את מכונת ה-CNC כך שתיצור העתק פיסי של המעגל (CAM – Computer Aided Manufacturing).
אם ראיתם את הסרטון, בטח הבנתם מיד עד כמה מכונה כזו שימושית ליצור לוחות אלקטרוניים או חלקי רובוטים. המכונה מקטינה מאד את עלויות היצור של אב-טיפוס, מאפשרת מעבר מהיר בין רעיון למוצר עובד, ומקלה מאד על תהליך התכנון והייצור, היות והוא מבוצע במחשב ולא בצורה פיסית.
יש רק בעיה אחת – העלות של מכונת CNC היא אלפי דולרים. אבל כמו שאני נוהג לומר – "אם יש רצון – יש יכולת", ולכן החלטתי לבנות מכונה כזו בעצמי.
עמוד זה מתאר את תהליך הבניה בצורה מפורטת, החל מהרכיבים הנדרשים, התכנונים הפיסיים, המעגלים האלקטרוניים, אופן החיבור למחשב, תוכנת המחשב, וייצור המכונה עצמה. בניית המכונה היא תהליך מתמשך, והדף יעודכן לפי ההתקדמות.
רכיבים
רצועות אלומניום 20×20 U סנטימטר, 3 לכל ציר:
מוטות הברגה 1/4", אחד לכל ציר:
אום ארוך 1/4", אחד לכל ציר:
מיסבים (בגדלים שונים):
לוחות פרספקס, אחד לכל ציר, רצוי עבים:
בחירת מנועי הצעד
בבחירת מנועי הצעד יש לקחת בחשבון את גודלה הפיסי של המכונה, כלומר באיזה משקל ישא כל ציר. פרמטר חשוב נוסף הוא הדיוק של המנוע – בכמה מעלות הוא מסתובב בכל צעד. פרמטרים חשובים נוספים הם גודלו הפיסי של המנוע, צריכת החשמל שלו (באמפר), ומתח הפעולה. חשוב לשים לב שמנועי צעד אינם המנועים היחידים המתאימים למכונת CNC, וניתן להשתמש גם במנועי סרוו.
למכונה זו בחרתי במנועי Shinano Kenshi, בעלי דיוק של 1.8 מעלות לצעד, מתח 7.3v וזרם של 0.95 אמפר. המנועים חזקים מאד (עבור גודל המכונה שאני בונה), ומוגנים פנימית מפני התחממות יתר. אם אני אצטרך דיוק מעבר ל-1.8 מעלות לסיבוב, ניתן להגדיר את בקר מנועי הצעד לעבוד במצב של חצאי צעד, או אפילו MicroStepping. יתרון חשוב נוסף עבור המנועים האלו, הוא שהם באים עם חורים ב-4 פינות המנוע, כך שחיבורם למכונת ה-CNC יהיה פשוט יותר. בנוסף למנועים יש מוט מנוע אחורי (ציר המנוע בולט גם בחלקו האחורי של המנוע, לא רואים זאת בתמונה) מה שיאפשר לי לחבר ידית קטנה, להזזה ידנית של הצירים. את ראש המנוע (גלגל השיניים) ניתן להוציא.
בקרת מנועי הצעד
בקרת מנועי הצעד נעשית באמצעות חיבור מקבילי (פרללי) למחשב. לצורך הבקרה של שלושת המנועים בניתי בקר המופרד בצורה אופטית מהמחשב, ע"י שימוש ב-Opto-Isolators. הבקר מקבל הזנה מספק מתח שולחני.
פירוט מורחב יותר ניתן למצוא בדף הפרויקט המדבר על מנועי צעד, תאוריה ומעשה. הקישור מכיל את מעגל הבקרה למנועים, הסברים וסכמות.
בקר מכונת ה-CNC (בקר מנועי הצעד)
בקר זה מתחבר למחשב ומאפשר שליטה בשלושה מנועי צעד. הבקר מופרד אופטית מהמחשב (opto-isolated) ותומך בחיישני בית וגבול עבור שלושת הצירים.
פרטים נוספים על הבקר ניתן למצוא בדף הפרויקט של בקר מכונת ה- CNC.
תוכנת הפעלת מכונת ה-CNC
התוכנה בה אני משתמש היא EMC – Linux CNC. ל-EMC יש יתרונות רבים – החל מכך שמדובר בתוכנה חינמית בעלת קוד פתוח הניתן לשינוי במקרה הצורך, תמיכה בסוגים רבים של מכונות CNC, קונפיגורבליות מפורטת, נוחות שימוש, ואמינות גבוהה. כדי להשיג אמינות גבוהה בהפעלת המנועים, התוכנה רצה על גרסת RealTime Linux (גרסת זמן אמת) שאוכפת שאף פקודה הנשלחת אל המנועים לא תתעכב בשל תהליכים אחרים הרצים במערכת ההפעלה.
EMC מקבלת קוד G-Code, כך שניתן להמיר קבצי Gerber (קבצים המתארים פלט פיסי של תכנון מעגל אלקטרוני) לייצור באמצעות התוכנה.
הבנייה הפיסית – גוף המכונה (בסיס שלושת הצירים)
בסיס גוף המכונה נבנה ממוטות מתכת שרותכו יחדיו. היתרון של בסיס מתכת כזה הוא שניתן לקדוח חורים בבסיס המכונה ולבצע הברזה כך שניתן יהיה לחבר בהמשך את שאר רכיבי מכונת ה-CNC ישירות לבסיס המכונה.
הבסיס נצבע בצבע אפור.
תושבות מיסבי מוט ההברגה
על מנת להשיג דיוק גבוה, על מוט ההברגה להיות מצד אחד מקובע לגוף המכונה (או בהמשך – למגש הציר עליו הוא יושב), אך מצד שני חשוב שהמוט יוכל להסתובב על צירו במינימום חיכוך ובצורה הקלה ביותר. לכן השתמשתי בשני מיסבים, אותם חיברתי לשני קצוות מוט ההברגה.
המיסבים חוברו לגוף המכונה באמצעות סרט הפלסטיק הירוק שניתן לראות בתמונה.
התוצאה מרשימה – המוט קובע בצורה מדוייקת וסימטרית לגוף המכונה, ועם זאת התנועה שלו חלקה מאד (המיסבים גורמים לכך שהמוט יסתובב כמעט בלי חיכוך), כפי שניתן לראות בסרטון הבא:
תושבות המנועים
מטרת תושבת המנוע היא קודם כל להוות בסיס יציב להחזקת המנוע. המטרה השנייה היא היכולת לשלוט עלזווית המנוע, כך שניתן יהיה להציבו בדיוק במקביל לגוף המכונה. השימוש במוט הברגה עם אומים מאפשר בדיוק את זה.
את תושבות המנועים בניתימשילוב של פרספקס ומוטות הברגה.
תושבת המנוע של ציר ה-X:
תושבת המנוע של ציר ה-Y (ציר ה-Y יושב על ציר ה-X):
תושבת המנוע של ציר ה-Z:
מניעת וויברציה וחופשיות תנועה של הצירים
מצמד המנוע למוט ההברגה (תבריג)
מצמד (Coupler) הינו רכיב בו נעשה שימוש על מנת לחבר מוטות מסוגים שונים כך שיוכלו להניע האחד את השני. בדרך כלל, מצמד משמש לחיבור מנוע למנגנון מכני. אם היינו חיים בעולם מושלם, כל מה שהיה נדרש ממצמד הוא להעביר את התנע הזוויתי, המהירות והמיקום מיוצר התנועה (לרוב המנוע) אל שאר המערכת. אולם היות והעולם אינו מושלם תפקידם של מצמדים קשה בהרבה. היות ושני רכיבים פיסיים לעולם לא ימוקמו בצורה מושלמת האחד בהמשך לשני (המוטות יכולים להיות בהטייה זוויתית כלשהי, מרכז לא משותף, וכו') לא ניתן לחבר את המוטות בצורה קשיחה, לדוגמה ע"י הלחמה. לכן יש צורך במצמדים היכולים לפצות על הפרשים אילו של חוסר הדיוק בהתאמה בין המוטות.
במקרה של המכונה הזו, היה עלי לחבר בין ציר המנוע, בעובי של 5/16” לבין מוט ההברגה שהיה בעובי של 1/4”. ליצירת המצמד השתמשתי באום מוארך בעובי של 5/16”, בו קדחתי שני חורים בקוטר של 2 מ"מ משני צידיו. את הצד האחד חיברתי למנוע, ואת הצד השני אל מוט ההברגה. כדי שהחיבור יהיה הרמטי, הכנסתי בלחץ פין בעובי 2 מ"מ דרך החורים שקדחתי, והחור שהייה קיים בציר המנוע. חיבור הצד השני של המצמד (הצד המחובר אל מוט ההברגה) היה קשה בהרבה, בשל הפער בין הקוטר הפנימי של האום (5/16) וקוטר מוט ההברגה (1/14”). כדי לפצות על הבדלי הגדלים ציפיתי את קצה מוט ההברגה בצינור מתכווץ (Shrinking Tube).
התוצאה הייתה צימוד מכני עובד, כלומר כשראש המנוע הסתובב, מוט ההברגה הסתובב יחד איתו בהתאם. עם זאת, בגלל שהמצמד שבניתי קשיח, ניתן היה להבחין בעיוות בתנועת מוט ההברגה. בשלב זה החלטתי להתעלם מהעיוות ולהמשיך הלאה בפרויקט, היות והדיוק הנוכחי אליו מגיעה המכונה מספיק טוב בשביל השימושים אליהם היא מיועדת. כשאסיים לבנות את מכונת ה-CNC אשקול החלפה של המצמדים בצינורות פלסטיק עם חיבורי אזיקונים (מצמד גמיש).
לבסוף שדרגתי למצמדים גמישים מאלומניום, שמקנים את היכולת להתמודדות עם סטייה זוויתית קלה:
ציר ה-X וציר ה-Y
שני הצירים, עם תושבות המנועים. ניתן ללחוץ על התמונה להגדלה.
מפסקי ביות וגבול עבור כלל הצירים
מפסק גבול – ציר Y:
ציר הZ
תושבת הדרמל מורכבת מחיבורי פרספקס בעובי 1.5 ס"מ שמהודקים אל גוף המכונה. התוצאה מעולה – אין וויברציות בכלל גם כאשר הדרמל פועל ב-33,000 סיבובים לדקה.
ראש הדרמל עם הכרסם:
תמיכת מיסבים בציר ה-Z:
המכונה בשלמותה!
תמונה מהצד:
הדגמה של מכונת ה-CNC
בניית המכונה הושלמה בהצלחה והיא עובדת בדיוק גבוה ביותר! כרגע הדיוק שאני מצליח למדוד הוא מעל 0.4מ"מ (מתחת לזה קשה לי למדוד). להלן מספר דוגמאות שממחישות את ביצועי המכונה:
הדגמה של כרסום בעץ:
הדגמה של הכנת מעגל PCB -סכמת המעגל המודפס:
תמונה ממהלך חריטת המעגל:
סרטון הדגמה של חריטת המעגל (PCB Isolation Routing). שימו לב שהחריטה התבצעה במהירות האיטית ביותר של המכונה, בפועל המכונה מגיעה למהירות גבוהה בהרבה…
תוצאה:
כמו שאתם רואים המכונה יוצרת מעגלים מודפסים בצורה מושלמת.
לבדיקה קשה *באמת* של דיוק המכונה, ניסיתי לחרוט את תרשים הסוס הבא. שימו לב שגודל התרשים הוא 2מ"מ על 2 מ"מ ב ל ב ד!
התוצאה הפתיעה אותי לטובה – המכונה הצליחה לחרוט תרשים שקשה לראות בעיין בלבד, ונדרש להשתמש ביכולת המקרו של המצלמה ולהגדיל את התמונה כדי לראות אותו.
דברים שנותר להשלים \ לשפר…
- לימוד שפת G-Code בצורה מעמיקה, בדגש על החלפת כלים, הגבלת מהירות, התחשבות בקוטר המקדח
- בדיקה של עיבוד עצם הדורש שימוש במספר ראשי עיבוד שונים
תוכניות להמשך
- יצירת שולחן דמוי T-Slot המאפשר רתימה נוחה של העצם המעובד למכונת ה-CNC
- הוספת צינור לשאיבת אבק שימוקם בסמוך למקדח, ויופעל אוטומטית בעת קידוח בלבד
- הוספת שליטה על מהירות הסיבוב של המקדח, כך שיהיה ניתן להתאימה לעיבוד סוגי חומר שונים
- הוספת חיישן גובה, לזיהוי גובה פני העצם המעובד (נקודת האפס)
- יצירת תיבת כיסוי למכונה שמטרתה להקטין את הרעש והאבק הנפלט, ולהגן על המפעיל במקרה של שבירת מקדח או תקלה אחרת
קישורים רלוונטיים
- הסבר על CNC ועיבוד שבבי בוויקיפדיה העברית
