Suzie Model One: Preciese CNC PCB-freesmachine

Onderdelen en benodigdheden

Nodige gereedschappen en machines

• bq Prusa i3 (3D-printer)

Apps en online diensten

• GRBL

Over dit project

Inleiding

De SUZIE MODEL ONE is ontworpen om PCB's te frezen. Het doel was een starre machine te creëren, nauwkeurig en zo geautomatiseerd als momenteel mogelijk. Op dit moment is het enige handmatige proces het wisselen van freesbits en het positioneren van de Z-taster.

Deze machine is het resultaat van een proces van trial and error waarbij verschillende onderdelen zijn herontworpen en herbouwd om het best mogelijke resultaat te bereiken. Het grootste probleem was stijfheid: wanneer de machine niet stevig genoeg is, buigt hij tijdens het frezen en mislukt het resultaat. Trillingen bij hoekjes vormen het andere grote probleem. Men kan de snelheid verlagen om dit te voorkomen, maar tijd is geld, en sommige sneden werken beter op de juiste snelheid, niet langzamer.

Voor meer details, bekijk #suziecnc op Instagram.

De volgende hoofdstukken tonen en verklaren waarom bepaalde keuzes in de constructie zijn gemaakt en, waar van toepassing, welke problemen er opgelost moesten worden.

Afmetingen

Externe afmetingen:

• 46 cm breedte
• 62 cm lengte (43 cm werkbereik)
• 58 cm hoogte (met kabelgoot)

Werkbereik is ongeveer:

• 20 cm breedte (X)
• 20 cm lengte (Y)
• 6 cm hoogte (Z)

Suzie's zichten

X- en Y-as, stappenmotormontage en terugslag

SUZIE heeft nul terugslag op de X- en Y-as. Er is geen compensatie in de firmware nodig en de machine freest altijd met de juiste afmetingen. Dit is mogelijk door het gebruik van riemen in plaats van spindels. Spindels hebben een kleine speling nodig om in de moer te draaien zonder wrijving, wat gecompenseerd moet worden. Met de tijd kan de moer slijten, wat constante terugslag veroorzaakt die in de firmware geconfigureerd moet worden. Als de spindel zelf slijgt, is het probleem groter omdat de slijtage oneven is en onmogelijk te compenseren.

De riemen zijn sterke genoeg om krachten toe te passen, zelfs om metaal te frezen, en als ze goed gespannen zijn, hebben ze geen merkbare elasticiteit.

Beide assen gebruiken dezelfde techniek om de kracht van de stappenmotor over te brengen naar het bewegende deel, maar met een groot verschil in hoe de riem en motor gemonteerd zijn. In beide gevallen vormt de riem geen lus (zoals bij een 3D-printer); dat mechanisme is groter en verspilt meer ruimte. Hier is de riem open, aan beide uiteinden vastgezet, en de stappenmotor loopt erop als een tandwiel op een tandstang.

De X-wa heeft de stappenmotor bevestigd en de riem is vast aan de machine. De motor beweegt mee met de wa.

Y-bak

De Y-bak gebruikt hetzelfde concept maar met een vaste stappenmotor en een bewegende riem. Het is precies het tegenovergestelde van de X-as. Met deze oplossing is een andere mogelijkheid beschikbaar: de maximale lengte van de Y-bak is virtueel oneindig en kan worden aangepast aan de eis zonder het ontwerp van de machine te wijzigen. Dat is ook mogelijk omdat de rail op de bewegende bak zit en de lagers vast aan de onderkant van de machinestructuur.

Deze afbeelding toont het Y-lagersteunonderdeel. Deze (linkerkant) en de andere (waar alleen het bovenste lager zichtbaar is), zijn uitgelijnd met de beweging van de X-wa en direct onder en gecentreerd met de spindel. Dit betekent dat alle neerwaartse en zijwaartse krachten op druk naar de basis worden overgedragen. Hierdoor werkt de steun erg stijf en kan hij veel kracht opvangen. De lengte van de bak is niet belangrijk voor de mechanica en hoeft geen opgelegde limiet te hebben (niet volledig waar) - de limiet kan de software zijn, de bakfabricatie of de maximale riemlengte - maar het is bijvoorbeeld perfect mogelijk om een 1 meter lange bak toe te voegen voor een speciaal werk.

Z-as en spindel

Het gebruik van een riemconfiguratie op deze as heeft een groot nadeel. De stappenmotor moet constant onder belasting staan en bij een stroomstoring zou de spindel in het werk zakken, wat de bit, de motor of het werkstuk kan beschadigen. De oplossing is hier duidelijk: een spindel.

Deze spindel en moer zijn op maat gemaakt voor deze machine. De spindel heeft de benodigde lengte, ruimte voor lagers, borgmoer en aansluiting op de stappenmotor. Hij is gemaakt op een oude handdraaibank in imperiale maten, maar in metrische configuratie. Het enige probleem is dat het synchronisatiewiel niet in metrisch werkt, dus een heel speciale manier van draaien was nodig om deze spindel te maken. De moer was 3D-geprint.

Dit systeem heeft geen terugslag omdat de 3D-geprinte moer zonder speling is gemaakt (hij draait alleen door veel olie), maar de hele XZ-wa-configuratie is tamelijk flexibel. Wat de spindel op zijn plaats houdt, is zijn gewicht. Als we hem met de hand omhoog duwen, kunnen we hem 2 tot 3 millimeter verplaatsen door alle rails een beetje te buigen. De enige mechanische manier om dit op te lossen is de stijfheid van de machine te vergroten. De andere oplossing is de zak-snelheid te verlagen. Vergeet niet dat het freesproces lateraal is op de X- en Y-as, dus als de zak-snelheid niet erg hoog is, zal het gewicht van de Z-wa en spindel de snede op de juiste positie dwingen. In SUZIE's geval is de maximale zak-snelheid van de machine in orde voor zachte materialen, dus geen verlaging nodig; ik hoefde het alleen te vertragen bij het frezen van metaal (messing).

3D-geprinte onderdelen

Deze machine was alleen mogelijk door 3D-geprinte onderdelen. De gereedschappen die ik had om de machine te maken, waren niet geschikt om complexe onderdelen van hand te bouwen, zoals de steunen voor de stappenmotoren. Alle onderdelen zijn ontworpen en meerdere keren geprint om speciale functies of structurele verbeteringen te accommoderen. Deze onderdelen verminderen de stijfheid van de machine, maar maken het mogelijk om compacter te zijn.

Arduino, GRBL, Shield, Spindel en Taster

SUZIE's brein is een Arduino Uno met de GRBL-firmware.

Er zijn verschillende commerciële shields voor GRBL, maar in dit geval was het meer een uitdaging. De eerste shield die ik bouwde, gebruikte de L298N en L297 combinatie om de stappenmotoren aan te sturen. Hij werd heet en lawaaierig. Later, met de Pololu A4988 drivers, werd het systeem herbouwd om het te verbeteren.

De printplaat is gemaakt op een experimenteerprint en heeft bijna alle GRBL-aansluitingen beschikbaar. Sinds de toevoeging van deze print, in vergelijking met de L298N/L297-versie, kon de machine veel langer werken zonder oververhitting en met minder geluid, omdat deze drivers microstepping hebben. Momenteel is de firmware bijgewerkt naar GRBL 1.1f en draait het zeer soepel.

Een recente toevoeging was een echte brushless spindelmotor (dmw57314). Deze wordt nu bestuurd door de Arduino en is veel stilver dan de Dremel-achtige boormachine die ik in de eerste iteratie had.

Deze taster is gemaakt om alleen de Z-as te meten. Een X- en Y-taster is complexer om van hand te maken en zal een uitdaging zijn voor een andere keer. Met de taster kan SUZIE erg precies de punt van de freesbit lokaliseren, wat cruciaal is voor PCB-frezen. Het is een altijd-aan contact: wanneer de bit erop drukt, worden de twee draden losgemaakt en signaleert GRBL de positie. De herhaalbaarheid is zeer nauwkeurig.

Conclusie

SUZIE MODEL ONE was een uitstekende manier om te leren hoe je een CNC-machine bouwt. Veel problemen zijn opgelost, veel kenmerken verbeterd en ik kan met zekerheid zeggen: het is klaar!

Alles wat nog verbeterd moet worden, heeft geen zin meer met deze structuur.

SUZIE MODEL TWO zal ontworpen worden om wat goed is in dit ontwerp te vergroten en de problemen van model one radicaal te verbeteren. Eén ding is zeker: het zal van metaal zijn!

Code

GRBL

https://github.com/gnea/grbl/wiki

Schema's

GRBL-aansluitingen

https://github.com/gnea/grbl/wiki/Connecting-Grbl