Metallisorvin CNC ohjaus

Esipuhe

Joskus on tarvetta saada pyöreitä kappaleita aikaiseksi. Silloin käyttökelpoinen laite on pieni metallisorvi. Oma sorvini on alkuperältään ilmeisesti venäläinen - näin ainakin aiempi omistaja J. Reijonaho muistaakseni muisteli. Sorvi on sopivahko pieniin metalli- ja muovitöihin sekä sorvauksen opiskeluun. Ns. karamoottori on muutaman sadan watin valovirtamoottori. Sorvissani ei ole mitään automaatiota aiemmin, joten mm. kierteiden teko sillä ei onnistu. Myöskään kovin suuret sorvaukset eivät tahdo onnistua, ensinnä koska sorvaukseen väsyy melko nopeasti kun pitää pyörittää edes-takaisin samoja liikeratoja useita kertoja. Toinen syy on vain 3" pakka johon saa vain melko pieniä kappaleita kiinni. Pikkuhiljaa ajatus tämänkin laitteen "modernisoinnista" sai tulta alleen ja tämä sivu kuvaa prosessia, jonka kautta asiaa olen lähestynyt.

Suunnitelma, osakomponentit

Erilaisia komponentteja tarvitaan melkoinen määrä. Suurin osa onneksi löytyy jo valmiiksi omista nurkista, erilaisista muista projekteista otettuina.

  • Sopiva sorvi - kevyehköt ja klapittomat liikkeet ovat etuna CNC-käyttöä ajatellen
  • Moottorit - joko askelmoottorit tai DC -moottorit takaisinkytkennällä = servomoottorit
    • Mahdollisesti vaihteisto, ellei moottoreiden vääntö riitä
  • Moottorille sopivat ohjaimet - tähän auttaa esim. yhdistyksellä käynnissä oleva askelmoottoriohjaimen suunnittelu
  • Sopiva ohjaustietokone - mikä tahansa PC jossa riittävästi tehoa - käytännössä mikä tahansa yli 500Mhz mylly sopinee.
  • Sopiva ohjausohjelmisto - tässä ainakin 2 eri vaihtoehtoa: joko Linux-pohjainen EMC2 tahi Windows-pohjainen Mach3. Molemmilla pärjää ja molemmista on kokemusta. Tässä projektissa käytössä jälkimmäinen.
  • Hieman viiloja, poria, saha, pultteja, muttereita, johtoja yms. pientä sälää

Toteutus

Sorvissa pidempää liikettä kutsutaan akseliksi Z. Lyhyt, kappaleeseen nähden poikittainen akseli on nimeltään X-akseli.

X-akseli

X-akselista poistin siinä olleen käsipyörän ja laitoin tilalle ARC Euro Trade nimisestä nettikaupasta hankitut 220 Ncm vääntöiset NEMA23 kiinnitteiset moottorit. Nopeutta löytyy sekä X että Z-akselista yli 4500 mm/min tarvittaessa. Rajoitin toistaiseksi pikaliikkeet luokkaan 2500 mm/min, eli n. 41 mm/sec.

Akselikytkin

Yleensä moottorin ja pyöritettävän akselin väliin laitetaan akselikytkin. Tämän tarkoituksena on säästää moottorin laakereita jos pyöritettävä akseli ja moottorin akseli eivät ole täysin yhdensuuntaisia. Jos akselikytkintä ei olisi, tulisi moottorille turhan rankka työ vääntää jokaisella kierroksella mahdollisten suuntausvirheistä johtuvien kohtien yli. Akselikytkimen tehtävä on joustaa sivusuunnassa hieman. Kiertojäykkyys tulisi akselikytkimessä olla hyvä, tämä näkyy suoraan laitteen tarkkuudessa.

Käytännössä olen havainnut hyväksi kytkimeksi omiin laitteisiini sopivasta letkusta katkaistun palasen, joka laitetaan kiinni esim. letkuklemmareilla tai pakoputkiklemmareilla, akselin koosta riippuen. Sorvissa käytin n. 5 cm pätkää paineilmaletkua ja tämä tuntuisi olevan sopivan kokoinen n. 6mm moottorille ja 8 mm akselille. Moottorin akseliin laitoin hieman kuorittua sähköjohdon eristettä jotta sain tiiviimmän sovitteen pienempään akseliin.

Karan nopeusmittaus

Jotta kierteiden sorvaus onnistuisi, on ohjausohjelman (Mach3) tiedettävä karan nopeus jotta se voi säätää leikkaavan liikkeen suhteessa pyörimiseen. Tähän riittää Mach3:sta käytettäessä yksi rinnakkaisportin pinni, johon kytketään sopiva on/off-kytkin maadoittamaan ko. pinni kerran kierroksella.
Käytin tarkoitukseen sopivaa induktiivista teollisuusanturia, jossa käyttöjännitteenä 7-24V ja ulos tulee käyttöjännite jos anturin pään viereen viedään metallia. Laitoin väliin yksinkertaisen npn-transistorikytkennän, jolloin pinni 10 maadoitetaan jos anturi laukeaa. Anturin laukaisee 200 mm akryylikiekolla oleva mutteri. Alla pieni video anturin testaus ja tekoprosessista.

Mach3:n konfiguraatio on yksinkertaista tämän osalta, tulee käyttää probe index-konfiguraatiota ja antaa tälle sopiva rinnakkaisportin pinni josta tietoa luetaan. Esim. pinni 10 on sopiva - muut sopivat pinnit löydät esim. Mach3:n input-välilehdeltä lueteltuina. Muista, että pinni nimenomaan maadoitetaan - normaalitilassa siellä on 5v jännite.

22.3.2008: Ensimmäinen cnc-sorvilla sorvattu kappale !

flickr:2352901744

Pieni pallo sorvattu muovista. Hienosti tuntuu toimivan, uusilla moottoreilla ja isoilla ohjaimilla vääntöä on enemmän kuin tarpeeksi. Alla video pallon sorvauksesta.

3.1.2008: Käyttöpaneeli

flickr:3166129614

Tein sorville ja jyrsimelle erillisen käyttöpaneelin, jotta sorvatessa ei tarvitse pitää tietokonetta koko ajan lähellä. Laitoin myös ulkoisen 15" LCD-näytön sorvaajan näkökenttään jotta lukemat näkee sorvatessaankin. Käyttöpaneeli kytkeytyy tietokoneeseen USB-liitännällä. Paneelissa nuolinäppäimiä vastaavat toiminnot, hätäseis, analoginen potentiometri nopeuden säätöä varten, jokaisen akselin nollaus sekä käsipyörä akselien liikuttelua varten. Käsipyörä antaa ulos A/B pulssia, joka viedään Mach3 ohjelmaan sisälle hyödyntäen ohjelmistossa olevaa "MPG" (Manual Pulse Generator) - ominaisuutta.

Osa toiminnoista (kuten akselien nollaus sekä akselien valinta käsipyörästä) hyödyntää Mach3:n Brains ominaisuutta. Brains mahdollistaa sisääntulojen joustavan määrityksen ja jokaiselle sisääntulolle voidaan tehdä jokin toiminto, esim. laskentaa. Toiminnon jälkeen määritetään päätepiste johon toiminto lopetetaan. Tässä tapauksessa sisääntulona on yksi USB-adapterilta (PoKeys55T) tuleva I/O nasta. Toimintona ei tehdä mitään, vaan signaali kulkee läpi. Ulostulona Home-napin painallus näytöltä sen mukaan mitä kytkintä paneelista on painettu. Tämä lähestymistapa näyttää toimivalta ja joustavalta. Brains tukee sarjaliikenteellä tai TCP/IP:llä sisääntulevaa ModBus-protokollaa. Tämä USB-adapteri on laitettu sopivalla liitännäisellä (plugin) Mach3:een kiinni, ja se näkyy Mach3:lle ikäänkuin Modbus-laitteena osoitteesa 10, biteissä 1-55. Analogiset sisääntulot ovat Modbus-osoitteessa 124-127.

flickr:3166140194

Ohjelmistot

Nykyisin Artsoft tekee Mach3 CNC-ohjausohjelman lisäksi myös LazyTurn - nimistä ohjelmaa. Ohjelmalla voi tällä hetkellä (joulukuu 2008) lukea CAD:lla tehdyn dxf-tiedoston sisään ja generoida "rouhintaan" tarvittavat työstöt tästä tiedostosta.
Ohjelma näyttää tuloksen ruudulla ja tulosta voi pyöritellä 3D-mallina.

Työjärjestys karkeasti;

  1. Tallennetaan mittapiirros Autocad R12 DXF-formaatissa esim. Progesoft Smartilla. On tärkeää, että mittapiirroksessa piirretään vain profiilikuva kappaleesta, Lazyturn osaa itse pyöräyttää kappaleen Z-akselin ympäri muodostaakseen kokonaisen kuvan. Kappaleen oikea laita voidaan laittaa CAD-ohjelman X akselilla nollapisteeseen, samoin oikeassa laidassa on hyvä olla pinta, jonka pääty osuu CAD-ohjelman Y-akselilla nollapisteeseen. Toisinsanoen jokin viiva on hyvä aloittaa pisteestä 0,0 - tämä tulee olemaan valmiin kappaleen pääty. Yleensä negatiiviseen Y-suuntaan ei ole tarvetta piirtää.
  2. Avataan Lazyturn ja tuodaan piirros
  3. Generoidaan työkalu, ellei sellaista jo ole tehty aiemmin (Tools-näppäimellä)
  4. Generoidaan rouhinta, annetaan rouhintaparametrit ohjelman niitä kysyessä
  5. Tarkistetaan tulos näytöltä
  6. Tehdään post-prosessointi ja luetaan muodostunut .tap-tiedosto sisään Mach3-ohjelmaan.

Kuvakaappaukset ohjelmistoista, klikkaa suurentaaksesi:

Hammashihnan mitoitussäännöt

Alla olevalla kaavalla voidaan mitoittaa tarvittavan hammashihnan pituus jos tiedetään hammashihnojen koot ja akseleiden väli.
Nämä löytyvät hammashihnojen kirjoistakin, mutta kirjoitettakoon ne nyt tähän:

(1)
\begin{align} Hk = (Do1 + Do2) * \pi / 2 Hv = Et * 2 Hkok = Hk + Hv \end{align}

Jossa

  • Hk = Hammashihnan pituus kehän puolikkailla, ts. pituus jonka hammasrattaat tarvitsevat
  • Do1 ja Do2 = Hammaspyörän laskennallinen halkaisija, kts. datalehdet
  • Hv = Hammashihnan pituus hammasrattaiden välissä
  • Et = Hammapyörien keskikohtien välinen etäisyys
  • Hkok = Hammashihnan kokonaispituus

Linkit

Mach 3 (ohjausohjelma, lisenssi n. 100 eur)
SheetCam (Työstöratojen teko-ohjelma, lisenssi n. 120 eur)
Progesoft Smart (CAD suunnitteluohjelma, ilmainen kotikäyttöön)
Työkalutukku (sorveja yms. metallintyöstöön tarkoitettuja koneita)

Pieni CNC- ja sorvisanasto

CNC
Computer Numerical Control - tietokone + ohjain + moottorit yhdistelmä, jolla saadaan yleensä PC:llä tehdyt suunnitelmat toteutettua esim. sorvilla tai jyrsimellä.
Kara/Pakka/Leuat
Sorvissa pyörivä "puristin", johon sorvattava kappale kiinnitetään. Näitä on 3-leukaisia, 4-leukaisia, 6-leukaisia ja muita erikoisempia. Yleisin taitaa harrastesorveissa olla 3-leukainen itsekeskittävä malli.

Vanhat merkinnät

Alla olevat ratkaisut eivät enään ole itselläni käytössä, mutta ehkä sisältävät hyödyllistä tietoa

Z-akseli ja hammashihnavälitys

Tämä tuntuu vaativan enemmän vääntöä kuin X-akseli. Pienet Bebekin moottorit eivät kunnolla jaksa vääntää tätä akselia liikkeelle. Tämän takia tilasin Suomen Tehonsiirto Oy:stä pienet hammashihnapyörät. Näissä käytettäväksi sopiva hammashihna on kuulema tyypiltään T5-hihnaa. Ura on U-kirjaimen muotoinen, jossa U:n sakarat hieman levenevät ylöspäin ja alareunassa on terävähköt kulmat. Hammashihnaa saa eri levyisinä, itselleni tilasin 10mm levyistä hihnaa joka kuulema pitäisi tähän riittää mainiosti. Hammaspyöriä saa eri kokoisina, n. 10 - 50 hammasta. 10-44 hampaiset T5 pyörät olivat alumiinia, joten valitsin projektiin 12 ja 40 hampaiset pyörät.

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License