CNC Homemade – La mia CNC autocostruita

Progettazione e realizzazione di una macchina a controllo numerico

Tutto inizia qualche anno fa, quando vengo a sapere che il mio amico Bruno si è avventurato nello studio e nella realizzazione di una CNC. In quella occasione ho abbracciato a pieno il progetto ed ho deciso di affiancarlo per raggiungere un’obiettivo ambizioso.

Una CNC (Computer Numerical Control) è una macchina che ha dei movimenti su almeno 3 assi e sono dettati dal computer ed inviati sotto forma di numeri. Proprio perché gestiti da un computer, siamo di fronte a spostamenti numerici estremamente precisi, nell’ordine del decimo o centesimo di millimetro. Ogni punto quindi è basato su una griglia di coordinate che orientano la testa del macchinario sugli assi X, Y e Z.

La sua struttura concettuale organizzata in blocchi è definita dalla interazione dei seguenti componenti:

• Computer di controllo: è l’unita computerizzata sulla quale gira il programma che comanda i movimenti della macchina nel suo complesso. Esso può ospitare i software di progettazione di quel che sarà trasformato a partire da un disegno. Nel mio caso si tratta di un PC con installato il software Mach3.
• Componenti elettronici ed elettromeccanici: insieme dei dispositivi che traducono il codice elaborato dal software del PC in movimenti. Essi sono principalmente una break out, i driver per i motori, il sistema di alimentazione, i motori passo-passo ed il dispositivo di lavorazione (laser, router, ecc.).
• Struttura di movimento: è rappresentata dalla macchina vera e propria sulla quale si muovono gli assi X, Y e Z. Essa è organizzata nei seguenti componenti:
  • Assi X, Y e Z: strutturati con un dispositivo scorrevole il cui movimento lineare è fornito dal motore passo-passo
  • Testa: è la struttura posizionata sull’asse Z, che ospita uno dei più svariati dispositivi di lavorazione: laser, router, cutter, estrusore di filamento, ecc.

Funzionamento

Alla base del funzionamento di una CNC ci sono i numeri, la cui precisione garantisce un esatto rapporto 1:1 tra il risultato ed il progetto su carta (o meglio su computer). A tale scopo nel tempo sono stati costruiti dei motori elettrici denominati passo-passo, proprio per specificare che il loro movimento è determinato dai numeri. Questi motori non hanno una gran coppia, ma possono effettuare movimenti angolari molto piccoli e di conseguenza permettere agli assi di posizionarsi sul piano con una precisione molto alta. Il loro funzionamento (a stepper) è garantito da un sistema di alimentazione a impulsi, dettato da un clock, che permette di ruotare il rotore verso la posizione delle bobine dello statore che sono state alimentate ad impulsi elettrici. Il movimento intorno al suo asse, risulta così piccolo e si traduce in un altrettanto movimento molto piccolo sull’asse della macchina.

I motori sono comandanti dai driver, che sono dispositivi elettronici con il compito di inviare l’impulso elettrico giusto al motore, nel rispetto della velocità e della forza impostata. A loro volta i driver sono interfacciati con la breakout board, un ulteriore scheda che interpreta i comandi del linguaggio dedicato al movimento dei motori che di chiama G-Code, traducendo le istruzioni nei relativi comandi elettrici per i driver. La breakout borad ha spesso un’aera per il controllo della testa, velocità di rotazione del mandino, potenza del laser ed altro ancora.

Progettazione e Realizzazione

Il progetto segue uno schema classico, formato da una base che supporta le slitte laterali su cui far scorrere le spalle dell’asse Y, che a loro volta sostengono il carro per l’avanzamento della testa sull’asse X. Infine sull’asse X è posizionato il supporto per il movimento dell’asse Z, ovvero la profondità di lavoro della fresa.

Dopo aver effettuato diverse ipotesi quindi è stato definito il disegno del prototipo ed inviato ad un service per il taglio laser dell’acciaio da 6mm di spessore.

Dopo una breve attesa il laboratorio ha inviato i pezzi tagliati come da disegno.

Quindi si è passati all’assemblaggio della struttura ed al montaggio dei motori. Precedentemente è stato predisposto un vecchio case di un PC per l’inserimento dell’elettronica, i driver, la break out board e gli alimentatori, mentre separatamente il sistema di raffreddamento del mandrino su altro case.

Modifiche e Migliorie

Al primo test la macchina ha risposto in modo perfetto e senza esitazioni. Una lavorazione semplice di grafica e testo è stata effettuata con la massima precisione. Il prototipo tuttavia necessitava di superare alcuni limiti tecnologici, in particolare la scheda break out che inizialmente gestiva la comunicazione con il software del pc attraverso la porta parallela, decisamente obsoleta. Così è stata sostituita con una scheda a comunicazione USB. Con essa non sono stati necessari l’impostazione di alcuni parametri sulla corsa dei motori che adesso sono gestiti dalla scheda invece che dal software. Per il software di controllo della macchia attraverso il codice G-Code è stato usato Mach3, un programma molto potente ma che non nasconde una sua complessità di configurazione.

Per la macchina finale sono state effettuati i seguenti cambiamenti:

• Separazione del dispositivo di raffreddamento del mandrino con alimentazione dedicata.
• Sostituzione della scheda break out a comunicazione parallela, con una a comunicazione USB
• Sostituzione dei Driver con nuovi più potenti
• Nuovo cablaggio di tutta l’elettronica
• Aggiunta del Probe per il calcolo automatico dello 0 sull’asse Z (zero tool)

La CNC allo stato attuale è molto precisa, con una struttura robusta capace di lavorare legno, plastiche e alcuni metalli come alluminio e ottone. Aumentando la velocità di movimento durante la lavorazione mantiene i passi dei motori e precisione, grazie alla robustezza della struttura e forza dei motori.