[FAQ] CNC bouwen (mechanisch deel)

[rikdragonfly]

Dit is topic gaat vooraf op het elektrische deel: [F.A.Q.] CNC bouwen (elektrisch deel)

[F.A.Q.] CNC bouwen (mechanisch deel)

In dit topic zullen de mechanische zaken van het cnc gebeuren beschreven worden. Verbeteringen en toevoegingen/suggesties zijn welkom, zo kunnen we deze pagina tot interessant leesvoer uitbreiden.

Een CNC machine bestaat hoofdzakelijk uit een aantal basis onderdelen:

• Een solide bed of frame
• Lineaire geleidingen
• Spindels
• Aandrijving

Een solide bed of frame

Om te zorgen dat tijdens het frezen het te frezen object zo min mogelijk beweegt, is er een solide bed nodig dat niet doorbuigt. Als het zou doorbuigen ontstaan er grote afwijkingen in het gefreesde object, wat natuurlijk ongewenst is. Het bed wordt meestal vervaardigd uit hout, staal, of aluminium, wat afhankelijk is van de toepassing van de gebruiker. Voor het frezen van piepschuim/kunststoffen en hout is een houten frame wellicht prima geschikt. maar voor het frezen van staal of aluminium, zal het hout enorm gaan doorbuigen vanwege de grote mechanische krachten. Hiervoor is dus ook een metalen bed of frame nodig.

Het bed/ frame kan op verschillende manieren gemaakt worden:

• een massief metalen bed
• een buizen koker frame
• een frame gemaakt m.b.v. profielen
• een houten frame
• ....

massief metalen bed

Dit is de stevigste optie, waarbij je dus de minste kans op afwijkingen zult hebben. Ter illustratie een foto van een cnc project van mij:


buizen koker frame

Het maken van zo'n frame is een tijdrovende klus waarbij je ook veel tijd kwijt bent met het afstellen ervan. Het is echter wel de goedkoopste (qua onderdelen) manier om een frame te maken voor een metaal CNC frees machine.

een frame gemaakt m.b.v. profielen



een houten frame

Bij het maken van een lichte freesmachine wordt vaak een goedkoop materiaal gebruikt: hout. Het is licht, goedkoop, en redelijk sterk. Nadelen van hout zijn de beperkte stugheid, het krimpen/uitzetten naar vochtigheid, beschadigd snel...etc. Hout is daarentegen wel weer eenvoudig te bewerken en bevestigen.


Lineaire geleidingen

Om te zorgen dat de frees langs een strakke lijn heen en weer beweegt, zijn lineaire geleidingen nodig. Lineaire geleidingen bestaan uit 2 delen, een stang of staaf, en een drager. In lineaire geleidingen zijn verschillende mogelijkheden:

• Burau ladegeleiders (voor goedkope doeleinden)
• Een ronde staaf met een lineair kogellager
• Een H-profiel met een lineair kogellager
• ....

Bureau ladegeleiders
Ze worden vaak gebruikt i.c.m. een houten frame. Het doel is dan om een zo goedkoop mogelijke cnc frees te bouwen, die voor lichte praktijken prime geschikt zijn: Een budget frees. Burea ladegeleiders hebben een enorme speling in de niet geleidende richting. Om dit op te lossen worden dan vaak meerdere ladegeleiders gemonteerd op verschillende posities. Ze hebben ook als nadeel dat ze relatief groot zijn t.o.v. hun bewegingsweg. Iedereen weet hoe ze er uit zien, maar toch ter illustratie:


Ronde staaf met lineair kogellager
Bij deze optie wordt gebruik gemaakt van een geharde geslepen staaf, waaroverheen een lineair lager met daarin kogellagers beweegt. Ze hebben als voordeel dat ze gesteld kunnen worden door ze strakker op te sluiten.



Bij de staaf kan gekozen worden voor een ronde staaf welke op de uiteindes bevestigd wordt (bovenstaande afbeelding), of een ronde staaf welke aan de "achterzijde" over de gehele lengte een bevestiging heeft (onderstaande afbeelding)



Verder zijn er voor de ronde geleidingen altijd 2 per as nodig, omdat de drager anders zou kantelen.

Een H-profiel met een lineair kogellager

Dit profiel wordt ook vaak bij CNC gebruikt, maar ook in snel bewegende toepassingen (zoals pick&place machines). Voor sommige toepassingen is 1 geleider per rail voldoende, omdat deze geleider in tegenstelling tot de ronde rail vrijwel niet kan kantelen. Deze geleidingen zijn over het algemeen duurder dan de ronde rails.



De geleidingen hebben de volgende doorsnede:



Spindels

De spindels zorgen ervoor dat de drager bewogen wordt. Het is een schroefdraad waarmee dus een roterende in een lineaire beweging wordt omgezet. Spindels kunnen last hebben van lineaire speling: Backlash. Backlash is de speling die optreed als de spindel vanuit de ene rotatie de andere kant op geroteerd wordt, en dat de drager van de as niet meteen meegenomen wordt. Deze speling zorgt er voor dat het te frezen object kleiner zal worden dan de tekening. Spindels kunnen ook een afwijking hebben in de spoed van de spindels. Hierbij is de verplaatsing op andere posities anders dan elders. Bij een homogene rotatie zal de drager dan met een andere snelheid verplaatsen dan elders.

Voor spindel keuze zijn er verschillende mogelijkheden:

• Metrische draadeind
• Trapezium draadspindel
• Tandriemen
• Kogelomloopspindel

Metrisch draadeind

Dit type spindel wordt eigenlijk alleen gebruikt voor low-budget freesmachines, waar hoge precisie niet noodzakelijk is. Als moer wordt dan ook wel eens een stuk HDPE of teflon gebruikt waarin de draad getapt wordt. Als extra stel mogelijkheid wordt dan vaak ook nog een snede erin gemaakt waarmee de draadheugels samen geklemd worden om backlash te minderen.



Raadzaam is om bij deze optie RVS draadstangen te kiezen omdat deze soepeler lopen, minder slijten en niet heel veel duurder zijn dan gegalvaniseerde.

Trapezium draadspindel

Dit type spindel is in principe gelijk aan metrische draadspindel, alleen is dit type speciaal voor lineaire verplaatsing. Trapeziumdraad heeft in tegenstelling tot metrische draadeind een vlakke kop:


Ook voor dit type spindel kan in de moer een snede gemaakt worden om de spindel strakker op te sluiten. De volgende afbeelding illustreert hetzelfde idee:


Tandriemen

bij verplaatsing met behulp van tandriemen zijn er 2 opties mogelijk:

• Bij de eerste optie monteer je de drager vast aan de riem, en beweeg je de complete riem met een motor:
  
  
• Bij de tweede optie span je de riem tussen 2 punten, en beweeg je de drager m.b.v. de motor:
  
  

Kogelomloopspindel

Om nu helemaal van de backlash verlost te zijn is er deze optie. De kogelomloopspindel staat geïllustreerd in de onderstaande afbeelding. De bovenste spindel is een kogelomloopspindel, en de onderste spindel is een trapeziumdraad. Omdat in kogelomloop kogeltjes gebruikt worden, is de spoed (lineaire verplaatsing) vaak relatief groter dan bij trapeziumdraad.




Het werkt hetzelfde als een kogellager, alleen dan worden de kogels verplaatst en in dezelfde baan gehouden.
Met de volgende afbeeldingen probeer ik dat te illustreren:


Aandrijving

Voor de motoren, zie Electrisch Deel

De aandrijving van de spindel kan op verschillende manieren:

• Direct, m.b.v. een koppelstuk
• Indirect, m.b.v tandriem + schijven

Het koppelstuk is niets anders dan een cilinder met aan beide kanten een gat, en een schroef waarmee de as geklemd wordt in het gat.


bij deze koppeling zit een rubber. Dit rubber wordt gebruikt om verkeerde uitlijning te compenseren. Bij een starre koppeling (zonder rubber) kan de motor of de as buigen en onbruikbaar worden.

De tweede mogelijkheid is een tandriem en schijven:



Deze optie heeft als voordeel dat er vertragingen gemaakt kunnen worden waardoor er een minder krachtige motor nodig is. Het nadeel is dat men inlevert op snelheid.


CNC Mechanische Assemblage/Constructie

Hier worden aspecten beschreven van CNC materialen die wat extra aandacht nodig hebben.

Afdraaien van kogelomloopspindel

Kogelomloopspindel is geslepen en gehard. Hierdoor is het wat lastiger te bewerken dan normaal staal. Voor het afdraaien van kogelomloopspindel gebruik ik een ruwbeitel voor het eraf draaien van het harde gedeelte. Daarna gebruik ik een scherpe hoekbeitel om de spindel af te werken. De spindel is namelijk buiten hard, en binnen normaal te bewerken.

Tijdens het ruw afdraaien van de harde laag, zal de ruwbeitel flink botter worden. Gebruik voor deze stap dus ook niet je scherpste beitel, hij wordt toch weer snel bot. Ik gebruik dan ook (in mijn geval) het zelfde beitelplaatje voor het ruw afdraaien van alle spindels. Bot of niet, het komt er toch wel af




enkele aandachtspunten:

• Voordat je de spindel gaat nabewerken, laat hem dan eerst afkoelen
• Gebruik tijdens het draaien voldoende koelmiddel, de spindel en beitel zuller erg heet worden
• Controleer of de spindel recht in de draaibank ingespannen staat (niet slingeren van andere kant v/d spindel)

Dan rest alleen nog het tappen van de uiteindes, en het aanbrengen van een spiebaan:



Kogelomloop moer assemblage

Kogelomloop moeren worden vrijwel altijd geleverd met de kogels er al in. De kogels worden erin gehouden door een buisje waarop aan weerszijde een O-ring bevestigd is. Helaas om de moer op de spindel te krijgen moet dit buisje er uit, en vallen dus ook alle kogels eruit.

dan nu volgt een foto overzicht om de moer op de spindel te krijgen. Als je zeker weet dat de moer nooit meer van de spindel hoeft, kun je de eerst volgende 3 foto's overslaan, en hoeft er geen vet op.

Allereerst hoe de moer geleverd wordt:


Pak een bakje, haal boven het bakje het buisje uit de moer:

Zorg ervoor dat je alle kogeltjes opvangt!

Doe met je pink of iets anders machinevet aan de binnenzijde van de moer, en leg de kogeltjes met een pincet in de banen van de moer. kijk goed in welke banen de kogeltjes moeten liggen , en verdeel ze gelijk over het aantal banen:

(in mijn geval is de spindel 16 dik, en moeten er 20 kogeltjes per baan)

Steek het buisje terug in de moer, let goed op dat je geen kogeltjes van hun positie stoot:


sluit het buisje goed aan op de spindel:

in mijn geval heb ik de spindel afgedraaid tot 10mm, waardoor het buisje er netjes overheen past.

Schuif nu de moer naar de spindel toe tot hij stopt, en begin de moer rechtsom te draaien, terwijl je het buisje stevig tegen de spindel duwt. De kogeltjes zouden met deze methode de baan niet mogen verlaten:


Bij deze methode wordt vet gebruikt, omdat dit voorkomt dat bij eventuele mislukking 60 kogeltjes over de vloer verspreid worden.



Design van een CNC frees

Voor het ontwerpen van een cnc frees kun je het beste 3D tekenprogramma's gebruiken. Hier voor kun je verschillende programma's gebruiken:

• AutoCAD
• Rhinoceros 4
• Sketchup
• Cinema4D

Voor het meest eenvoudig tekenen wordt vaak sketchup gebruikt. Wil je er cnc code later nog van kunnen maken, dan is een programma als Rhinoceros 4 handig. AutoCAD is een erg professioneel tekenpakket, en heeft ook een dusdanig uitgebreide (lees ingewikkelde) interface. Cinema4D is een leuk en eenvoudig tekenpakket, waarmee je heel snel dingen kunt ontwerpen. Met Cinema4D kan je ook nog objecten laten bewegen in de tijd (vandaar 4D).

Voor het genereren van CNC code voor onderdelen hebben STEP (of .STP) bestanden de voorkeur. Deze kun je maken met Rhinoceros 4, AutoCAD en Sketchup (met plugin)

Hieronder een voorbeeld van een cnc machine die ik getekend heb, en nu aan het bouwen ben:

(ontwerp in cinema4D)

Het voordeel van ontwerpen in 3D is dat je precies weet wat je nodig hebt aan materialen, en dat je goed kunt zien of het klopt wat je gemaakt hebt.


Adressen voor mechanische CNC onderdelen

spindels en lagers:
slides and ballscrews
world of cnc
machine en werktuigen
cnc-shop mobasi (nieuw!)

Aluminium en staal:
CMD-aluminium
Staalmarkt

vergeet ook ebay (en marktplaats) vooral niet, hier worden dingen vaak voor een leuke prijs verkocht. In de elektrische FAQ staat informatie wat betreft de elektronica onderdelen ([F.A.Q.] CNC bouwen (elektrisch deel)).


Succes met de bouw van je cnc. onderstaande opmerkingen in posts zullen zo nodig toegevoegd worden.

Gr. Rik

[michel pet]

ziet er weer goed uit rik.

[Burp]

Bericht van forumbeheer:

En net als de vorige maak ik ook dit draadje Sticky! Goed werk, bedankt Martin

[Robert]

Een diepe buiging...

Robert

[rikdragonfly]

tnx

ik doe graag moeite om meer modelbouwers van deze techniek te laten genieten

Gr. Rik

[Arie Kabaalstra]

even een "puntje van kritiek".. Haal NOOIT het buisje uit een kogelomloopmoer, laat het buisje zitten zolang de moer niet op de spindel zit..

de binnendiameter van het buisje is zo gekozen, dat ie over de spindel kan worden geschoven, daar waar later het lager moet komen.. zoals je ook al laat zien in de beschrijving..

als je de moer wilt smeren, voldoet een klodder vet op de spil, als je de moer daar een paar keer overheen gedraaid hebt,dan nemen de kogeltjes het vet wel mee de moer in..
Vergeet ook niet de stofringen in de moer te zetten..

[Romsys]

Beste Rik,

Sinds kort probeer ik informatie te verzamelen met betrekking tot cnc-frezen. In eerste instantie bedoeld voor het frezen van printmateriaal en frontplaten.
Zo kwam ik terecht bij uw zeer duidelijk en interressant artikel.

Misschien een domme (beginners)vraag, maar ik zie veel voorbeelden met een eenmotorig Y-transport. Uw tekening laat een transport met twee motoren zien. Is dit een stabielere/betere oplossing?

Bijvoorbaat dank voor het antwoord en blijf alsjeblieft doorgaan met deze geweldige beschrijvingen.

Groet, Frans

[Cheeta]

het is stijver en sterker doordat de afstand tussen het punt waar de kracht komt en de aandrijving veel dichter op elkaar ligt.

hoe verder deze van mekaar afligt hoe zwakker de constructie.

met een enkele y as zal de motor pas in het midden onder de tafel komen wat de afstand tot het punt waar je de krachten krijgt vrij groot is.

voor kleinere machines wordt wel vaak uitgegaan van een enkele motor op die as. bij grotere machine sis het eigenlijk altijd 2 spindels.

[Romsys]

Beste Alwin,

Bedankt voor de duidelijke en snelle reactie


Vriendelijke groet, Frans