DIY CNC-kone /// Kone toiminta kunnossa ja lastu lentää

[Snowfly]

Koitan kirjoittaa tähän nyt kaiken oman tutkimiseni tuloksen ja mitä kaikkea suunnitelussa pitäisi ottaa huomioon.

Yritän dokumentoida kaikki suunnittelu vaiheet, että ehkä joku muukin näistä kaikista hyötyisi.
Osa termistöstä ei välttämättä ole oikeita, mutta en tällä hetkellä jaksa alkaa kaivaan oikeita termejä jokaiselle kone tyypille.

Vaihe 1.

CNC:n tyypin valinta.

1. Liikkuva Gantry
Edut:
+Pieni tilan vienti
+Helppo muuntaa 5-akseliseksi.
Miinukset
- x-akselin vakaus
- Gantryn joustaminen


2. Paikoillaan oleva Gantry ja Y-suuntaan liikkuva pöytä
Edut:
+ Tukeva
Miinukset:
- Paino
- 2x Tilan vienti liikkuvan pöydän myötä vs liikkuva gantry
- Mahdollinen lisätarven pöytää liikuttavalle moottorille

3. Akselit ilman gantry rakennetta (Kaikki akselit liikuttavat suoraan työstöpäätä)
Edut:
+ Yleisesti käytetty teollisuudessa
+ Maksimaalinen työstöala
+ Muunneltavuus 5-akseliseksi
Miinukset:
- Hankala mekaniikka
- Mekaniikan tukevuus kun kaikki on johteiden varassa vain
- Tukevien osien myötä => Hinta kasvaa

4. Liikkuva pöytä ja Spindlelle vain Z-akseli.
Edut:
+Tukevuus
+Yksinkertainen
Miinukset
-Tilan vienti
- Moottorien vaatima teho

[Snowfly]

Tyyppi 1.
Liikkuva gantry

Tarvittavat tiedot:
Työstö ala x-suunta
Työstö ala y-suunta

Maksimi paino => http://www.orientalmotor.com/support/motor-sizing.html => Tarvittavan moottorin koko rakennelman liikutteluun.

Suunnittelu:

Liikkuvaa gantryä suunnitellessa pitää ottaa huomioon mihin kaikkialle voima voi eri työstöjen aikana kohdistua.
Gantry voi siis vedellä kaikissa 3 suunnassa, jos se on liian heppoinen. Alla on yksinkertaistettu esimerkki mihin voimat tulisivat. Suunnat vaihtuvat tietenkin riippuen minnepäin koneella työstetään.


Kun runko on piirretty sen jälkeen simuloidaan sen toimivuus. Rakenteiden osalta http://www.learnengineering.org/2012/12/what-is-von-mises-stress.html kohdasta Industrial Application of Von Mises Stress. Kertoo hyvin miten kuvaajaa pitää lukea.
Kyseisessä linkistä löytyy myös tärkeä arvoa 2.5x10^8 Pa, joka on Mild Steelin Yield Stress raja.
Alla on esimerkki Inventorilla tehdystä simuloinnista.

Simuloinnissa itse käytän seuraavia voimia:
Ylhäältä päin tuleva voima: Arvio x-akselin + z-akselin painosta + karamoottorin paino + tukirakenne => oletetaan että nämä painaa sen 70kg => 70kg *9,81m/s^2 => 686,7N
Edestä päin tuleva voima: Tässä käytän arvoa väliltä 300-500N kyseiset arvot löysin yhdestä tutkielmasta, jossa tutkittiin raudalle tarvittavia voimia. Alumiinille laskiessa voi laskea 300N mutta varmuuskertoimen takia suosittelen käyttämään 500N
Sivulle kohdistuva voima: Tässä käytän samaa arvoa, kuin edestä päin tulevalle voimalle.

HUOM! Tämä kertoo rakenteen kestävyyden. ÄLÄ SEKOITA TÄTÄ RAKENTEEN JOUSTOON. Mikäli simuloinnin maksimi arvo ei ylitä teräksen Yield Stress arvoa kaikki on hyvin ja rakenne kestää.


Gantryssä tärkeää on tarkastella myös se että joustaako runko paljon eli onko kone tarkka. Alla olevasta kuvasta näkee paljon kyseisillä voimilla rakenteet antavat periksi. Oma mielipiteeni hyväksi koneeksi on se että joustoa on alle 0.01mm. Tällöin laakerisovitteiden yms tekeminen onnistuu nätisti.
Vasemmalla ilmoitetaan missä yksiköissä jousto on.
Sitten väreillä demonstroidaan, kuinka paljon sitä on ja missä myös maksimi jousto ilmoitetaan.

[Snowfly]

Tyyppi 2.
Kiinteä gantry XZ
Liikkuva pöytä Y

Etuina suunnitelussa voidaan unohtaa gantryn paino, jonka myötä siitä voidaan rakentaa monin kerroin tukevampi.
Rasitukset kohdistuvat samoihin pisteisiin gantryssä kuin tyypissä 1.

Huonoina puolina vastaan tulevat Y-liikeeseen tarvittavat isommat moottorit ja tilan vienti.

Myös koneen kellottaminen suoraan on vaikeampaa yhteisen referenssin puuttumisen takia.

[Snowfly]

Tyyppi 3.
XYZ-Head

Kaikki akselit toteutettuna lineaariyksiköillä konsepti. Kyseisessä konseptissa kaikki liikepituudet ovat alle 600mm.
Kyseessä on THK valmistamat lineaari yksiköt KR55 (Y), KR45 (X) ja KR26 (Z).
Valmistajan datalehti on todella kattava kaikkien voimien ja asennuksien suhteen mitkä helpottavat suunnittelua.
Kyseisiin lineaariyksikköihin voi tutustua https://tech.thk.com/upload/catalog_claim/pdf/cat_kr_en.pdf

Tämän rakenteen suurin ongelma on simulointi.
Vaikka valmistajan datalehti on kattava, niin tällaisen rakenteen jouston simulointiin en ole toistaiseksi löytänyt mitään järkevää ratkaisua.
Myös tämän rakenteen suurimmat rasitukset tulevat kohdistumaan akseleiden välisiin adaptereihin.
Myös lineaariyksikköjen pituudesta johtuen X- ja Z-akseli voivat joustaa yllättävänkin paljon.

[Snowfly]

Tyyppi 4.
Liikkuva pöytä XY
Spindle Z

Tyypiltää yksinkertainen rakentaa, mutta tulee vaatimaan moottoreilta paljon enemmän liikuteltavien massojen takia.
Tilan vienti liikkuvan pöydän takia on myös suuri jokaiseen suuntaan.
Mahdollistaa eriväin jykevän rakenteen tekemisen painon ja moottorien kustannuksella.

Konsepti malli

[Snowfly]

Lähdin jatkojalostamaan XYZ suunnassa liikkuvan headin ideaa ilman gantryä.
Lisäsin HSR15 X-akselin tueksi mikä mahdollistaa myös Z-akselin järeämmän tuennan rakentamisen.

Tällä hetkellä harkinnassa on se että lisäänkö tuennat myös Y-akselille

Ympärillä oleva runkorakenne on RHs 80x80x5

Koneen mekaaniikan laskennallinen kokonaispaino rungon kanssa tällä hetkellä 167kg
Ilman runkoa mekaniikan paino 53kg

[ttontsa]

hutjakka!

[Snowfly]

hutjakka!

Perustele?
Ottaen huomioon että terään kohdistuvat sivuttais voimat ovat maksimissaan 500N
Näistä voidaan laskea rakenteen sivuttaisvoimat.
Lineaariyksiköiden kuormituslaskenta:


RHS rakenteen maksimi jousto 0,02mm keskeltä 1200N kuormalla.


KR5520B Y-akselin päälineaariyksikkö valmistajan antama maximi kuormitus dynaamiselle kuormitukselle 38100N
KR4520A X-akselin valmistajan antama maximi kuormitus dynaamiselle kuormitukselle 23300N
KR2602A Z-akselin valmistajan antama maximi kuormitus dynaamiselle kuormitukselle 7240N


Lisäksi otetaan huomioon kelkkoihin kohdistuvat momentit:



Kerro jätinkö jotain huomioimatta rakenteen kestossa?

Kone on edelleenkin alumiinille tarkoitettu.

[ttontsa]

Kaikkein ylimmän kelkan kuularatojen tukiväli on vaan onneton ja momenttivarsi mielestäni yber pitkä keskimmäisen kelkan ollessa ääriasennossaan. Onko kelkat esijännitetyt? Jollei niin sulla on joka lineaariyksikössä 0,01...0,05mm toimintavälys. Kuin myös kuularuuveissa on aina välys mikäli eivät ole esijännitettyjä. Pick and place tyylisessä ladontaportaalissa johteet toiminee noin käytettynä varmaan loistavasti. Värinä ja terän haukkaaminen todennäköisimmät ongelmat. Balsaa ja stryroks muotteja ja muoveja kenties ajelee ihan sujuvasti.

Ylimpään ja alimpaan 2 johdeparia mahdollisimman levälleen niin rupeisin harkitsemaan onnistumisen mahdollisuuksia.

[Snowfly]

Kaikkein ylimmän kelkan kuularatojen tukiväli on vaan onneton ja momenttivarsi mielestäni yber pitkä keskimmäisen kelkan ollessa ääriasennossaan. Onko kelkat esijännitetyt? Jollei niin sulla on joka lineaariyksikössä 0,01...0,05mm toimintavälys. Kuin myös kuularuuveissa on aina välys mikäli eivät ole esijännitettyjä. Pick and place tyylisessä ladontaportaalissa johteet toiminee noin käytettynä varmaan loistavasti. Värinä ja terän haukkaaminen todennäköisimmät ongelmat. Balsaa ja stryroks muotteja ja muoveja kenties ajelee ihan sujuvasti.

Ylimpään ja alimpaan 2 johdeparia mahdollisimman levälleen niin rupeisin harkitsemaan onnistumisen mahdollisuuksia.

Lähdin jatkojalostamaan XYZ suunnassa liikkuvan headin ideaa ilman gantryä.
Lisäsin HSR15 X-akselin tueksi mikä mahdollistaa myös Z-akselin järeämmän tuennan rakentamisen.

Tällä hetkellä harkinnassa on se että lisäänkö tuennat myös Y-akselille

Myös ota huomioon rajoitetut asennuskohdat mihin tuennat pystyy asentamaan, niin että likee pituudet eivät kärsi.

Miten määrittelet johteiden riittävän tukietäisyyden?
Pystyykö optimaali tukietäisyyden laskemaan/simuloimaan?

Tällä hetkellä olen määritellyt tuen niin että ne tulevat pääyksikön kelkkojen päälle

[Snowfly]

Piirsin Y:lle lisätuennat. Tuennat kiinnittyvät runkorakenteeseen, joka on tuossa piilotettuna.
Näyttääkö paremmalta?


Kelkkojen esijännityksestä ei ole tietoa, kun ostin käytettynä nämä.
Sen tiedän että ovat korkean tarkkuusluokan yksiköitä.

[Snowfly]

Listään tähän viestiin varteenotettavia karavaihtoehtoja ja lisävarusteita

Työkalunvaihtaja:
Spindle työkalunvaihtajalla
8000Rpm Max
1kw
http://www.cnccat.com/index.php?id=2&productid=2177&catid=89&subcatid=&lang=en
Kreikasta 600e + alv + postit

Tukee SK15 työkalu pidintä, joka tukee ER11 holkkia 7mm max työkaluhalkaisija
http://www.usovo.de/shop/Milling-spindles-accessories/Tool-holder-SK-/SK15-Tool-holder/SK15-tool-holder-for-ER11-collets::621.html





4-Akseli:
http://www.ebay.co.uk/itm/New-CNC-Router-Rotational-Rotary-Axis-A-axis-4th-axis-3-Jaw-and-Tail-stock-/121706189621?hash=item1c56411335:g:plcAAOSwZjJU5MIC
3-leuka pakka 80mm
Kärkipylkkä
Lisäleukoja saatavilla myyjältä hongkongista toimitettuna
Briteistä 179£ + postit

[ttontsa]

Taulukoiden perusteella ovat kyllä "normaalia" lineaarijohdeta tarkempia kapineita, eli välykset on tonneja. Jos on high accuracy malli niin tuntus olevan myös esijännitettyjä. Käytetyt on tietenkin sitten mitä sattuu.

Edelleen vaikka tuo Mc momentin kanto on talukon mukaan hurja suhtautuisin kriittisesti yhdellä kelkkarivillä toteutettuun tuentaan pitkällä vipuvarrella. Lisäkelkat  jäykistää huomattavasti.

Rakenteen suunnittelussa paneutuisin myös  valmistettavuuteen. Eli tollanen RHS putkihäkki voi olla johdesijojen koneistuksen kannalta ongelmallinen, yltääkö työstämään. Noille high accuracy johteille on todennäköisesti myös sitten high accuracy vaatimus asennusalustan suhteen. Johde yksittäin asennettuna pelaa todennäköisesti ok kierommallakin alustalla. Kun lisää lisäkelkat on koko roskan oltava sitten kunnolla linjassa tai olla sitten riittävän joustava.

Sk15 kartio+er11 holkki ja 100w kara?? Eli  rakennat piirilevy jyrsintä 0.3...3mm terille?  Siihen nuo johteet lienee piisaa sellaisinaan.

[Snowfly]

Taulukoiden perusteella ovat kyllä "normaalia" lineaarijohdeta tarkempia kapineita, eli välykset on tonneja. Jos on high accuracy malli niin tuntus olevan myös esijännitettyjä. Käytetyt on tietenkin sitten mitä sattuu.

Edelleen vaikka tuo Mc momentin kanto on talukon mukaan hurja suhtautuisin kriittisesti yhdellä kelkkarivillä toteutettuun tuentaan pitkällä vipuvarrella. Lisäkelkat  jäykistää huomattavasti.

Rakenteen suunnittelussa paneutuisin myös  valmistettavuuteen. Eli tollanen RHS putkihäkki voi olla johdesijojen koneistuksen kannalta ongelmallinen, yltääkö työstämään. Noille high accuracy johteille on todennäköisesti myös sitten high accuracy vaatimus asennusalustan suhteen. Johde yksittäin asennettuna pelaa todennäköisesti ok kierommallakin alustalla. Kun lisää lisäkelkat on koko roskan oltava sitten kunnolla linjassa tai olla sitten riittävän joustava.

Sk15 kartio+er11 holkki ja 100w kara?? Eli  rakennat piirilevy jyrsintä 0.3...3mm terille?  Siihen nuo johteet lienee piisaa sellaisinaan.

Valmistettavuuden takia yritin eka katella tarviiko nuita lisäjohteita...
RHS-rungon piirsin aluksi yli jäykkänä, jotta näin muiden osien toimivuuden.
Tosin koneistus on tässä tapauksessa helppo rungon osalta, kun kaikki pinnat ovat samassa tasossa. Tuo ylä kehikko on 800mm x 800mm, niin se mahtuu ihan hyvin plaanaan cnc:ssä tai manussa.
Ainoa asia mikä voi tuottaa ongelmia on nuo levy adapterit kelkkojen välissä, kun nyt kun ne isoni nuiden tukien myötä tämä johtaa myös siihen että levytoleranssilla alkaa oleen merkitystä. Se että plaanais levyt, niin ei inspaa koska tiedän mikä työ siinä on kun pintajännitykset alkaa laukeaan ja levyt menee banaaneiksi :P
Adapterilevyt ovat 8mm paksua, koska se on maksimi mikä mene laserleikkuriin.
Kiskojen noston z-akselin tuennassa aattelin toteuttaa C45:lla (kiilateräs), kun sen h9 valmistus toleranssin myötä sitä ei tarvi paljoa simmata.

Toi 1000w kara pisti itsellä kiinnostava silmään hinnan ja valmiin ATC:n takia.
Tuo ER11 7mm max työkaluhalkaisija olisi varmaan itselle ihan riittävä.
Tosin hinnan puolesta varmaan laitan eka 2,2kW vesijäähdytteisen kiinan karan ja katselen sen jälkeen sitten mitä keksii. Se on kun töissä tottu 12 työkalupaikkaan nc-sorvilla ja ohjelmoinnin helppouteen, kun ei tarvinnut työkalua joka välissä ruuvata irti :P

Suurin osa kappaleista jotka teen tulevat olemaan tankona max d=80mm POM-C/Alumiini tai sitten levyn profiiliajo/paikoitus reitys omiin projekteihin.
Myös piirilevyjä on tarkoitus tehdä koneella, että siinä veikkasit ihan oikein ;) eli aikalailla sellanen että järein tavara alumiini ja pehmein muovi/kupari.
Omissa hommissa olen aikalailla laskenut että 10mm endmilli tulee varmaan oleen isoin jota tulen tarvitsemaan työstöissäni.

[Konemies]

Hyvä, Snowfly ja ttontsa! Konemies tykkää erityisesti siitä, että tässä ketjussa on lähdetty erilaisten ratkaisuvaihtoehtojen ja komponenttien tarkastelusta sekä hyvien ja huonojen puolien analysoinnista. Toivottavasti sama tyyli jatkuu tässä ja muuallakin tällä foorumilla.

Viime vuoden loppupuolella oli keskustelua siitä, että foorumille voisi perustaa erillisen alueen, johon voisi tallentaa DIY -koneiden hyvälaatuisia dokumentteja. Tässä saattaisi olla aineksia tuohon asiaan, kunhan homma etenee toteutukseen ja myös toiminnan dokumentoituihin testeihin saakka. Tuotehan ei ole valmis ennen kuin myös paperityöt on tehty - eikä aina sittenkään. :)  Hyvälaatuisten dokumenttien yksi tärkeä ominaisuus on se, että asiantunteva henkilö pystyy laitteen niiden perusteella - ilman lisätietojen kyselemistä - valmistamaan. Laitteen suunnitteluvaiheessa ratkaistaan myös jo ennakkoon suuri osa kokoonpanon ongelmista ja huollettavuudesta. Näihin seikkoihinhan oli tuossa jo hieman kommentteja, mutta muistutanpa itsekin noiden seikkojen tärkeydestä.