Mechaniczne aspekty plotera CNC

Frezarka, ploter wycinający, tokarka, wiertarka stołowa… To tylko część urządzeń, które można spotkać w dobrze zaopatrzonym warsztacie. Łączy je jednak jedna wspólna cecha: muszą mieć stabilną i wytrzymałą ramę, czyli konstrukcję, do której przytwierdzone są wszystkie moduły obrabiarki. Do tego dochodzą różne podzespoły oraz napędy. Dopiero wtedy możemy mówić o funkcjonalnej maszynie.

W tym krótkim artykule postaram się opisać moje spostrzeżenia, uwagi, ciekawostki oraz rozwiązania związane z mechaniczną częścią plotera frezującego.

1. Podstawowe kryteria

Od nich zacząłem jakiekolwiek plany związane z obrabiarką. Nie trzeba się tutaj nakręcać na podzespoły pochłaniające połowę budżetu już na samym początku, tylko przyjąć w miarę rozsądne, optymalne rozwiązania.

Wspominając o budżecie, warto określić wstępną kwotę na wydatki związane z projektem. W moim przypadku zacząłem od dwóch tysięcy złotych. Jak się później okazało, budżet stopniowo się rozrastał, ale co najważniejsze, mogłem na bieżąco pokrywać wszystkie koszty.

Załatwiwszy temat funduszy, określiłem gabaryty maszyny, jej możliwości oraz skontrolowałem, które podzespoły uda się wykonać samemu, a które trzeba będzie kupić jako gotowe. Decydowała głównie cena. Na temat tego, co musiałem wykonać samemu (lub zlecić do wykonania), a co kupiłem, będę na bieżąco komentował.

Jako (na tamten czas przyszły) inżynier rozpocząłem prace od projektu w oprogramowaniu CAD, aby już na wstępie przewidzieć trudności, haczyki czy proste niuanse, takie jak prowadzenie przewodów czy położenie krańcówek bazujących.

2. Typ konstrukcji

Ponieważ w Internecie oraz czasopismach technicznych można spotkać mnóstwo rozwiązań konstrukcyjnych obrabiarki, trzeba było skupić się na jednym z ważniejszych aspektów, czyli sztywności. Mając do tego dość ograniczony budżet, nie mogłem pozwolić sobie na wymyślanie. Trzeba było postawić na prostą konstrukcję.

Wybrałem zatem taką, która nie wymaga zaawansowanego zaplecza warsztatowego do jej wykonania, nie pochłonie na wstępie połowy budżetu, a tym samym będzie cechowała się zadowalającą sztywnością. Wybór padł na konstrukcję ze stałą bramą, a ruchomym stołem roboczym w jednej z osi. Dwa pozostałe przejazdy liniowe realizowane są na bramie oraz module do niej przyłączonym.

Pole obróbcze

Mając wybraną konstrukcję, mogłem przeanalizować, jak duże pole obróbcze mogę z niej wycisnąć. Dodatkowo przyjąłem rozsądny przejazd w osi pionowej, aby całość miała użyteczny sens.

Tak też finalnie w projekcie CAD powstała obrabiarka o następujących przejazdach roboczych:

• w osi X – 460 mm,
• w osi Y – 500 mm,
• w osi Z – 200 mm.

3. Materiały

Temat materiałów powinien być poruszony jeszcze przed wyborem konstrukcji, niemniej postanowiłem go umieścić tutaj. Powód jest dość prosty: rama główna czy pomocnicza nie są jedynymi elementami, które determinują wybór materiałów. W moim przypadku jest to szereg części głównie z aluminium stopowego, a także z tworzyw sztucznych.

Mając już pierwszą wersję kompletnej obrabiarki, musiałem jedynie skontrolować warsztatowy stan materiałów, część z nich wykorzystać, część dokupić. Nie obyło się także bez kilku przeróbek konstrukcji.

Zmierzając do sedna: do budowy ramy głównej (dolnej) oraz bramy wykorzystałem stal, dokładnie stal stopową konstrukcyjną S235JR, jeden z popularniejszych gatunków. Łatwo spawalna, przyjazna w obróbce i przede wszystkim tania. W moim przypadku kosztowała tyle, co przejechanie kilku kilometrów do znajomego (pozdrawiam Cię, Mariusz). Na całą konstrukcję poszło kilka metrów profilu 60x60x3 oraz nieco mniej 60x50x3. Ze stalowych elementów wykorzystałem także płaskowniki o szerokościach 50 oraz 60 mm. Te pierwsze, o grubości 5 mm, zostały przyspawane i przystosowane do planowania pod prowadnice, natomiast drugie, 60x10, posłużyły jako stopy mocujące bramę do ramy głównej.

Aby wszystkie podzespoły miały swoje miejsce, potrzebowałem dodatkowych elementów. Na nieszczęście trzeba było je wykonać pod konkretne zamówienie. Wszystkie z nich wykonano z aluminiowych formatek o różnych grubościach oraz wymiarach. Stop, jaki wykorzystałem, to EN-AW2017A, popularnie znany z Polskiej Normy (PN) jako PA6. Jest to gatunek aluminium o wiele łatwiejszy do kupienia od bardziej wytrzymałego 7075 (PA9), niemniej nie należy go „spychać na ławkę rezerwowych”. To wciąż konkretny, wytrzymały i wdzięczny w obróbce materiał konstrukcyjny.

4. Zespoły prowadnicowe

Zespół prowadnicowy, najprościej ujmując, to zespół współpracujących ze sobą minimum dwóch elementów: prowadnika (wózka, tulei itp.) oraz prowadnicy (liniowej, wałka itp.).

Tutaj także na pierwszy rzut odezwał się budżet, dlatego wszelkie prowadnice liniowe musiałem odłożyć na listę życzeń, a do koszyka trafiły wałki podparte na całej długości oraz przystosowane do nich łożyska liniowe otwarte w obudowach.

5. Napęd główny

Czym jest napęd główny? Jest to napęd wprawiający w ruch obrotowy narzędzie skrawające. Wiele osób określa go mianem „wrzeciona”, „szlifierki osiowej”, a także „frezarki”. O ile dwa pierwsze określenia mają jakikolwiek sens, tak trzecie jest nie bardzo trafione.

W moim projekcie wykorzystałem wrzeciono firmy Kress, model FME-1 1050. Jest to popularny model, choć głośny, do zastosowań amatorskich i naukowych jak najbardziej trafiony. Cyfra „1” przy FME oznacza, że zakres obrotów został zmniejszony względem standardowego modelu z 10k–30k obr./min do 5k–25k obr./min. Regulacja obrotów odbywa się (niestety) poprzez elektroniczny układ, który posiada moduł tzw. „soft-start” oraz kontroler podtrzymania obrotów.

Pisząc „niestety”, mam tutaj na myśli fakt, że nie jest to mechaniczna regulacja obrotów. W przypadku wrzeciona Kress, ograniczając obroty, ograniczana jest także moc wyjściowa, a co za tym idzie, moment obrotowy przekazywany na narzędzie.

W przypadku mechanicznej regulacji prędkości silnik zawsze pracuje na swoich nominalnych obrotach, jego moc przekazywana jest na poszczególne stopnie przekładni, a najprzyjemniejsza kwestia powstaje wtedy, gdy redukując prędkość obrotową n razy, zwiększamy moment obrotowy również n razy.

6. Napęd posuwowy

Napęd posuwowy potrzebny jest, aby możliwy był jakikolwiek ruch (translacja i/lub rotacja) narzędzia w obszarze obróbczym. Patrząc, jak dużo funduszy z budżetu pochłonęły powyższe komponenty, musiałem zadowolić się prymitywnym rozwiązaniem: napędem śrubowym z gwintem trapezowym.

Mając doświadczenie w pracy z tego typu napędem, za drugim razem zastanowiłbym się co najmniej trzy razy, zanim poszedłbym w tę stronę. Niewątpliwe jest jedno: cały napęd na trzy osie liniowe wyniósł mnie nieco ponad 200 zł, wliczając w to śrubę trapezową Tr 16x4, łącznie 2,5 m, 6 sztuk łożysk kulkowych skośnych oraz 3 nakrętki wykonane z brązu. Całość to dość śmieszna cena, ponieważ nawet za 250 zł ciężko jest znaleźć zestaw śruba kulowa + nakrętka, i to na jedną oś o długości raptem 300 mm!

7. Podsumowanie

Kwestia wyboru konstrukcji maszyny, materiałów oraz jej dokładnej kinematyki jest równie ważna, co elektronika nią sterująca. Chciałoby się powiedzieć, że jedno zależy od drugiego, i tak w rezultacie jest. Na całe szczęście mnogość dostępnych gotowych rozwiązań, podzespołów oraz elementów konstrukcyjnych sprawia, że proces projektowania, prototypowania oraz wykonanie finalnej obrabiarki nie jest tak trudny, jak mogłoby się wydawać. Dodatkowo, jak mawia powiedzenie „Trening czyni mistrza”, ten projekt dał mi całą masę doświadczeń w projektowaniu oraz późniejszym montażu, aby przy kolejnej maszynie zastosować wszystkie optymalne rozwiązania.