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CNC

Ultimo aggiornamento: 31/07/2015

Macchina CNCUna macchina CNC, a controllo numerico in parole molto povere, è una macchina che è basicamente utilizzata per creare con estrema precisione delle forme, anche 3d, o dei tracciati. Il concetto del processo da seguire è semplice: si crea il disegno di cio' che si desidera realizzare con un pc ed un programma CAD dopodichè utilizzando il nostro pc e programmi dedicati possiamo pilotare una interfaccia che a sua volta provochera' il moto controllato di motori ai quali, per mezzo di collegamenti a vite o a cinghia ,viene collegata una fresatrice o un trapano che replichera' con estrema precisione il disegno realizzato.

 

Oggigiorno molti, se non tutti, i prototipi delle cose che ci circondano vengono realizzate con macchine a controllo numerico: automobili, barche, telefoni cellulari, modelli di areo ed aerei veri, circuiti stampati ecc.ecc. Nel nostro caso tale macchina viene utilizzata per la prototipizzazione di circuiti stampati e per la realizzazione, in alluminio/plastica/legno/fibra, di modelli (ebbene si, siamo anche modellisti).

La struttura di una tale macchina è piuttosto semplice: un particolare software controlla attraverso la porta parallela (talvolta anche USB) una interfaccia che a sua volta controlla dei particolari motori passo-passo (o, servomotori) i quali, collegati per mezzo di viti spostano nelle tre dimensioni spaziali una fresatrice od un trapano o altro strumento (chi ha una certa età dovrebbe ricordarsi del funzionamento dei plotter a pennino), replicando con la massima precisione il disegno eseguito sul pc.

Veramente sorprendente è la precisione ottenibile. Si consideri, infatti che un normale motore passo-passo pilotato anche solo a mezzo passo (vedremo poi il significato) necessita di 400 impulsi per effettuare un giro completo dell'asse. Collegato ad una vite con una passo di 2mm giro la precisione sara' di 2/400mm, parliamo quindi di 0.005mm. Tale precisione, teorica in realtà a causa delle variabili fisiche in gioco, ha dell'incredibile in particolar modo se si considera che puo' essere ottenuta anche con elementi strutturali molto economici.

Per dare una idea, infatti, si osservino le seguenti viti:

vite   vite tpn  ricircolo sfere  

Queste sono le viti normalmente utilizzate in una macchina CNC

La prima è una normale vite per costruzione (16x2 o 14x2) il cui prezzo è di circa 1-2 euro al metro, la seconda è una vite TPN, con passo di 4mm/giro il cui prezzo è di 20-25euro metro circa; la terza è una vite a ricircolo di sfere, con passo che puo' andare dai 2 ai 10mm, il cui prezzo puo' essere ponderato in 150-250 euro metro. E' ovvio che l'ultima vite, a ricircolo di sfere, dara' prestazioni migliori per il fatto di eliminare attriti e gioghi ma chi è pronto a spendere 500-700 euro per l'acquisto delle sole tre viti necessarie ad una macchina CNC a puro livello hobbystico? ed inoltre considerando le basse velocità di lavorazione dei materiali (per salvaguardare la durata delle punte delle frese e la qualità del prodotto finale) possiamo dire che una vite a ricircolo di sfere sia assolutamente necessaria?

alluminioE cosa dire del corpo della macchina? Si vedono corpi costruiti con tutta una diversa combinazione di materiali: legno, acciaio, alluminio, materie plastiche. Alcuni preferiscono profilati di alluminio per la rapidità (e la precisione) della costruzione: sono facili da tagliare a misura, assemblare e collegare insieme consentendo la costruzione della macchina in tempi brevissimi. Personalmente si preferiscono tubazioni rettangolari in acciaio/ferro; sono economiche, soffrono di bassi problemi di risonanza e di scarse vibrazioni ma è necessaria dell'attrezzatura specifica per la giunzione degli elementi: non tutti dispongono in casa di saldatrici elettriche o a tig. Spesso, peraltro, per eliminare completamente le vibrazioni prodotte dalle lavorazioni tali tubazioni vengono riempite con materiali plastico/gommosi che aggiungono oltretutto massa.

In tutti i casi i limiti vengono dati solo dalla fantasia di ciascuno di noi. Il corpo base della macchina potra' essere costruito con materiali di facile reperibilità purche' abbiano spessori tali da mantenere la macchina stessa ben salda ed esente da vibrazioni in funzione delle lavorazioni da svolgere. 

motoreUn altro componente abbastanza critico in una macchina CNC è il motore passo passo (o servo). Esso dovrà essere scelto in modo che non sia troppo piccolo od eccessivamente sovradimensionato. Talvolta i sovradimensionamenti, a parte i problemi che si creano per l'alimentazione degli stessi, sono controproducenti. E' sempre da preferire, infatti, un blocco della macchina piuttosto che la rottura della punta della fresa.

Naturalmente l'alimentazione dei motori (vedremo in specifico paragrafo) dovrà essere sufficiente a far muovere gli assi senza problemi, anche ad alte velocità, con linearità e senza perdite di passi. Al giorno d'oggi il 99% dei motori passo-passo è di tipo ibrido e questo consentirà di poterli utilizzare sia con driver di potenza bipolari che unipolari, il che' rappresenta un grande vantaggio. Il loro prezzo non è eccessivo, si ricordi che un buon motore, trattato correttamente, dura una vita.

guida linearePer quanto riguarda i movimenti meccanici si suggeriscono slitte con pattini a ricircolo di sfere. Sono un po' piu' care degli assi in acciaio temperato e rettificato ma consentono di correggere eventuali errori micrometrici di posizionamento piu' facilmente e sopportano carichi notevolissimi. Il mercato è pieno di soluzioni del genere o alternative, l'importante è che gli assi si possano muovere facilmente, senza attriti, e con la massima scorrevolezza, poi ognuno,in base al budget disponibile, si regolerà di conseguenza.

Come detto l'uso principale della macchina CNC in nostro possesso è riservato alla prototipizzazione di circuiti stampati. Si parte del file brd ed in pochi minuti si arriva al prodotto finale, un prodotto che lascia sorpresi per la qualità raggiunta. Nella foto un esempio di circuito stampato (si tratta di un doppio relays a stato solido optoprotetto) realizzato senza dover far uso di bromografi e acidi pericolosi per l'ambiente. Il tutto, ovviamente, creato con una semplice macchina CNC realizzata con molti dei componenti definibili 'poveri'.

Nella foto in alto è mostrata la macchina CNC che abitualmente utilizziamo per le piccole lavorazioni quotidiane; per la sua costruzione sono stati utilizzati normali profilati di alluminio, tubazioni e lastre in acciaio ferroso, delrin per i laterali. Non è velocissima ma dispone di una precisione che impressiona.

L`elettronica di una macchina CNC e` un argomento semplice ma talvolta le varie soluzioni confondono un utente inesperto. Nella figura sottostante e` presente lo schema di massima della componentistica di una macchina CNC (4 assi). Il vantaggio principale di questa soluzione consiste nella possibilita' di utilizzo di motorizzazioni e controller diversi per ogni singolo asse della macchina.

schema cnc

Una soluzione piu` semplice  e` l`utilizzo di una board nella quale opto-isolatore (se presente) e controllers sono integrati nella stessa board, tutto in uno, insomma, come nella figura sottostante. Questa soluzione in genere consente un rapido set-up della macchina ed una piu` semplice gestione delle connessioni e dei cavi di collegamento. Di contro, questa soluzione,  impredisce di utilizzare motorizzazioni diverse in configurazione mista (unipolari-bipolari, ad esempio) e ne limita l`utilizzo a motori simili/uguali fra di loro.
schema cnc

In genere, quindi, la prima soluzione e` riservata ad un ambito professionale mentre la seconda riguarda ambiti hobbistici o semi-professionali. Qualora possibile, comunque, si utilizzi una singola scheda per ogni motore. I vantaggi sono molteplici: piu' facile dissipazione di calore ed in caso di rottura di un componente la scheda potrà essere sostituita piu' agevolmente ed economicamente.

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