Eigen ontwerp compacte CNC freesmachine

Al vele jaren zie ik de voordelen van een CNC freesmachine maar de kosten waren altijd een obstakel. Ook het formaat van de meeste machines past niet echt in mijn beperkte hobby ruimte dus het is er altijd bij gebleven. Sinds een tijdje zijn er machines welke gemonteerd kunnen worden op een bestaande tafel en waarvan de meeste delen 3D geprint moeten worden. Dat begon langzaam te kriebelen maar ook daar zaten toch wat nadelen aan. De nauwkeurigheid blijft achter en je moet hem steeds op en afbouwen. Mijn 3D printer heeft een vaste plek en zodra ik iets wil printen is het een kwestie van aanzetten en klaar. Zo wil ik een frees ook want dan maak je er vaker gebruik van en haal je er meer waarde uit.

Nu zijn er in china genoeg kleine machines te koop erg weinig geld. Daar zitten alleen een hoop nadelen aan waardoor het niet meer dan speelgoed is. Er valt genoeg te upgraden maar kan worden de kosten weer vele malen hoger en heeft het geen zin om zo'n kant en klare machine met bijbehorende beperkingen te kopen. Aangezien het 3D tekenen ook steeds beter gaat, en het toch winter is, heb ik zelf wat bedacht. Een "goedkope" maar toch nauwkeurige machine te bouwen waarmee ook aluminium te frezen moet zijn is een leuke uitdaging. Of het gaat werken weet ik nog niet maar aangezien het een eigen ontwerp is kan er altijd wat aangepast worden.

Het globale idee: Frame van aluminium profiel voor de stijfheid met MDF platen voor demping (massa en trilling absorptie). Simpele schroeven met vertraagde motoren voor maximale kracht gezien het budget. Lineaire geleiders moest wel aangezien er geen andere compacte oplossingen waren die een goede kwaliteit oplevert.


Dit was een eerste ruwe opzet. Het formaat beviel me wel (gaat vooral om het frezen van steuntjes en kleinere onderdelen) en qua werkgebied wou ik minimaal 300x400mm hebben. Dit frame is 600x440mm wat mooi compact is (zelfde oppervlakte als de printer ongeveer). Als frees motor heb ik het idee om een RC motor te nemen met heli regelaar voor een stabiel toerental. Zo heb ik erg veel keuze qua motoren en door een variabele overbrenging kan ik ene laag toeren draaien met koppel, voor metaal, en een hoog toerental voor het frezen van printplaten. De frees kop zelf wordt een ER11 kop met 8mm as in 3 608 lagers. Dit is compact en goedkoop. Om trillingen te dempen zit er een holte onderin de houder welke opgevuld gaat worden met lood korrels en epoxy zodat dit massa heeft en trillingen dempt. Hopelijk zorgt dat voor een strak resultaat.

Met fusion ging het steeds beter en dat levert mooie plaatjes op



Ook zijn er reeds wat delen geprint en getest al kom ik zonder geleiders niet heel ver.....



Momenteel heb ik het profiel op de werkbank liggen en ben ik bezig om het frame te bouwen. Als dat er ligt is het een wachten op de geleiders en assen zodat de machine echt gebouwd kan worden. Tot die tijd is het hopen dat het ontwerp klopt en dat de assen star genoeg zijn voor een nauwkeurig resultaat. In CAD lijkt het werkgebied 350mm bij 450mm te worden wat voldoende is. De Z marge (tussen het bed en de kop) is meer dan 60mm (de slag van de kop is 90mm) wat prima bruikbaar is. Snel wordt hij niet, maar dat hoeft ook niet. Als ik 30mm/s haal is dat prima. De motoren zijn 1.8 graad stappen motoren met een 16T pully. De assen hebben een 36T pully. De assen zijn hebben een pitch van 2mm waardoor dit met 1/4 micro steps op 900 stappen per mm uit komt. Dat is nauwkeurig genoeg Met maximaal 30k steps/s zou dat iets meer dan 30 mm/s zijn. Met alleen hele stappen vindt ik de motoren niet lekker draaien nog al zou dat qua nauwkeurigheid wel kunnen. De snelheid zou dan tot 120mm/s kunnen in theorie, maar dat is veel te snel. Als het controller er straks is ga ik verder testen op 24V. Tot nu toe was ik met 12V aan het spelen wat maximaal 10mm/s op leverde. De motoren zijn dan al erg sterk.

Qua aansturing van de assen heb ik gekozen voor schroeven met 2mm pitch en NMEA17 motoren. Riemen direct zouden te weinig koppel en nauwkeurigheid opleveren. De goedkope schroeven hebben 1 groot nadeel: Backlash. Om dit te voorkomen gebruik ik anti backlash moeren met een veerspanning van 20N. Dit is niet heel veel maar meer spanning geeft erg veel weerstand. Ik heb ook veren voor 40N liggen, dat kan later altijd nog. Om te zorgen dat de motoren het makkelijk hebben, en voor meer nauwkeurigheid, heb ik voor een overbrenging van 1:2.25 gekozen. Dit leverde ook een mooie constructie op. Wat ik nog ga proberen te veranderen is om 1 Y as motor te gebruiken waarbij 1 riem beide assen tegelijk aanstuurt. Zo blijven deze altijd perfect synchroon. De elektronica heeft straks 1 driver voor 2 motoren, wat werkt maar niet perfect is. Ik denk dat ze wel synchroon blijven want met 2 motor kan je ook een stap missen, en dan is het onderwerp ook mislukt. Kwestie van je grenzen kennen lijkt me.

 

Het alu profiel is binnen Past aardig in elkaar, niet 100% zuiver. Of dat een probleem is zien we later wel. Het voelt als een erg sterk frame.



De MDF platen zijn ook op maat gemaakt en de bodem plaat is vastgezet. Voelt lekker zwaar en degelijk al.

 

Bij gebrek aan bouwmateriaal heb ik eens software getest. Ik wil graag draadloos verbinden (ESP8266 seriele wifi bridge) en heb een virtuele comport driver gebruikt zodat alle software welke normaal een usb kabel gebruik nu ook werkt. Alleen CNCjs werkte niet mee. Deze werkt nu ook want bij CNCjs kan je blijkbaar extra poorten configureren welke niet automatisch gevonden worden. Inmiddels heb ik nu genoeg software welke draadloos werkt. Het leuke is dat je zelfs op meerdere machines tegelijk de software aan kan hebben staan Geen goed idee, maar het werkt.

Het "controle paneel" zit er ook op. Aan / uit voor de controller, wifi modus schakelaar en seriële connector voor een offline controller.



En alles even testen. Wifi heeft 3 standen: Uit, alleen lezen of lezen en schrijven naar de controller. Als er een offline controller aan zit kan wifi mooi in een read only stand zodat ik vanaf een pc in een andere kamer mee kan kijken bij lange programma's. De read only stand is handig zodat de software de offline controller niet in de weg kan zitten. Er ligt een tablet met CNCjs welke via wifi met de ESP8266 is verbonden (via het thuis netwerk). De ESP8266 kan 10 netwerk clients tegelijk bedienen.



Alleen nog even een afdek kapje maken over de aansluitingen van de 24V voeding. De goedkope chinese voedingen hebben dat wel, een mean-well niet Veel meer is er niet te doen aan de onderkant. Verder is het wachten op onderdelen... wordt begin volgend jaar dat er verder gebouwd kan worden denk ik.

 

Ik lees dat je een ESP8266 gaat gebruiken met een aparte controller. Wellicht is de port van GRBL naar ESP32 (https://github.com/bdring/Grbl_Esp32) wellicht handig voor jouw project. Hierop zijn webserver en GRBL geïntegreerd. (Ikzelf ben ook over aan het gaan van GRBL op Arduino naar GRBL op ESP32. Eerste tests zijn veelbelovend)

 

Heb ik aan gedacht maar de controllers met een simpele Atmega zijn veel goedkoper en makkelijker te krijgen. Een losse ESP als brug tussen PC en controller is alles wat ik nodig heb. En die ESP is nog steeds een Arduino (ze gebruiken het Arduino framework zo te zien en niet het ESP RTOS) , maar dan met een andere processor

 

Vandaag was de controller gearriveerd, dus daar even mee gespeeld. Met een beperkte stroom liepen de motoren erg mooi en waren ze goed sterk. Met de hand zijn de pulleys niet tegen te houden. Alleen 2 motoren op 1 driver ging voor geen meter. Dit had veel stroom nodig en liep dan nog erg beroerd. Na van alles te proberen wou ik een andere driver proberen en had deze er zonder te controleren opgezet (zelfde layout dacht ik...) dus dat waren 3 geroosterde drivers. Na alles gecontroleerd te hebben en 3 goede drivers te hebben geplaatst bleef het niet lekker lopen. Dus nu 2 opties: Extra driver plaatsen parallel aan de andere Y driver of de Y as op 1 motor ombouwen. Dat laatste heeft het voordeel dat ze nooit scheef kunnen lopen aangezien beide assen via 1 riem op de motor gekoppeld worden. Dat ga ik eens uitwerken nu. Ik ga ook meer drivers kopen om ook de dubbele Y driver bij de hand te hebben.

Gelukkig werkte de WiFi verbinding via de ESP prima. De offline controller werkte ook (erg beperkt, maar doet wat het moet doen) alleen zodra de ESP verbinding maakt wordt de controller genegeerd, ook al koppel ik de ESP af. Ik moet nog even kijken hoe ze dat opgelost hebben want dat zit niet in de CPU zelf (heeft maar 1 UART). De ESP zit via de BT poort (heeft 5V, GND, TX en RX) terwijl de offline controller dat ook heeft + een RST lijn. Eens kijken hoe ze die TX / RX lijnen hebben gekoppeld.

 

Ik heb eens gespeeld met een enkele motor en riem, en dat lijkt wel te werken. Ik vond nog 3 lagers en heb daarvoor geleider ringen gemaakt om de riem erop te houden. 2 pulleys passen mooi op bestaande bouten met een simpele verhoging en voor de 3e heb ik een afstandsblok gemaakt waarmee de riem spanning gesteld kan worden.

 

De laatste onderdelen zijn gearriveerd Past allemaal vrij aardig. Er zijn verbeter punten maar dat is ook logisch. Vooral de Z plaat is te flexibel en gaat vervangen worden door een gefreesde plaat van alu of carbon.



De Z as geleiders worden op het frame geschroefd en de karretjes op de brug (anders is het niet te bouwen) en het was een goede test om te kijken hoe makkelijk de brug met karretjes dan op de rails geschoven kan worden, maar dat gaat vrij eenvoudig Dat was een opluchting. Met de Y spindels erbij voelt de brug erg solide aan en op de backlash in de moeren na (na het overwinnen van de veer spanning) zit er geen speling in. Ook de X as loopt soepel zonder enig probleem. De Z as heeft nog niet gedraaid maar het voelt prima aan. De geleiders zijn op 0.01mm parallel geplaatst.

De machine loopt niet erg snel maar 1000mm/min is meer dan genoeg voor normaal gebruik. Dat haalt hij nu prima met 1 motor op de Y as.

Nu eens wat bedrading aanleggen en kijken naar een plek voor de eind schakelaren edg. Voordat we kunnen frezen moer de ER11 collect ook nog aangepast worden. Ze hebben de moer niet goed gefreesd aan de binnenkant. Er zit nog wat rest materiaal wat weg moet. Dremelen maar denk ik.....

 

Weet je dat wel zeker dat je moer niet juist is. heb jij hier ervaring mee? het is namelijk zo dat je de spantang er scheef moet in klikken. alleen dan kun je de spantang weer los krijgen als je hem wilt verwisselen. dus eerst de spantang in de moer klikken en dan pas de frees in de spantang steken!

 

Ja, had ik inmiddels ook door

Verstuurd vanaf mijn MI 9 met Tapatalk

 

Ik heb plek gevonden voor wat eind stops. Op 1 plek (Y voor) was dat leuk puzzelen maar het is gelukt.



Voor de X en Z stops zijn deze wat makkelijker te plaatsen.



De Y en X as hebben aan beide kanten een schakelaar en de Z as alleen aan de bovenkant, voor het homen. Deze worden allemaal als NC aangesloten.

De kabel rups van de brug naar het frame was lastig aangezien ik het bed zoveel mogelijk vrij wil houden. Deze zit nu aan de achterkant en scharniert omhoog. Typisch een rups..... Wellicht pas ik dit later nog aan maar voor nu werkt dit.



Nu eens alle bekabeling aanleggen zodat de machine getest kan worden. Ik heb de X as eens getest of de stappen uit komen en een verplaatsing van 150mm leverde volgend de liniaal ook exact 150mm op. Goed genoeg voor nu. Ik ga er vanuit dat de 2mm schroeven ook exact 2mm zijn en dan kan het niet anders dan goed zijn.

 

Kan je uitleggen hoe je de Z-as gaat homen door middel van de schakelaar aan de bovenkant?
Met inspannen verschillende frezen, kan de afstand van frees tot bed wijzigen. Dan kan je wel homen, maar dan is alleen de afstand van Z-as mechaniek tot bed altijd 0. Maar hoe regel je dit met de afstand van de frees?

Mijn complimenten wat je maakt, ziet er netjes uit.
Mijn eerste frees was MDF, met de ruwe zaag gemaakt. Het was cnc, maar de frees oppervlakte waren alsof ze door een zenuwachtige CNC gemaakt waren, geen strakke randen. Daarna een grotere metalen CNC gebouwd, een genot van een machine is het geworden. Mijn machine ligt nu uit elkaar vanwege een verhuizing, maar mis hem bij het uitvoeren van de hobby

 

Homen is niet nullen. nullen van de Z moet altijd tot het onderwerp, dus dat zal handmatig gebeuren eerst. Homen is meer om de soft limits te laten werken als veiligheid en voor tool change macro's. Ik wil ook een Z sensor maken zodat hij automatisch kan nullen, maar dat is voor later. Als ik PCB's ga frezen null ik via de pcb zelf. Dan met software welke mesh leveling ondersteund (nog even kijken welke dat is, CNCjs heeft het nog niet).

Btw, Z nullen zou zo eenvoudig kunnen zijn als een vast massa punt op het frame met geleiding tot de tool via de lagers van de spindel as. Dan hoef ik alleen daar nog even een draadje heen te leggen. Maar dat is allemaal voor later. Eerst eens kijken wat hij doet. Vandaag heb ik de motoren en wat eindstops bekabeld. Alle assen draaien Nog de voeding voor de motor aanleggen (kabels lopen door de geleider al) en de laatste eind stops en dan kan alles worden ingesteld.

Ik heb ook de snelheid opgevoerd en 1200mm/m draait goed. 1500 wordt lastiger en 1800 is niet te doen. Accelleratie van 100 is ook geen probleem en kan zeker nog omhoog (moet ook met homen ivm de schakelaar opstelling) en hopelijk is 150 accelleratie genoeg om snel te stoppen.

 

Ga wat testen, klooien en vloeken draait de machine best aardig voor een eerste poging. Het vermogen van de spindel motor lijkt prima maar de steppers hebben een beperkte snelheid. De stelkracht is prima, ze leveren kilo's per as dus dat is meer dan nodig is, maar de acceleratie en vrije snelheid zou beter kunnen. De 20N anti backlash veerspanning is ook wat weinig, dat gaat aangepast worden. De kop heeft een grote ontwerpfout (anti backlash zit verkeerd om) en moet ook met 2 geleider karren op de Z per rails opnieuw gemaakt worden.

De Z plaat is echt te zwak wat de hele kop te zwak maakt. Dit gaat als eerste aangepast met dan ook 4 karren op de X geleiders. Ik kan alleen nu geen aluminium frezen wat wel nodig is voor een nieuwe kop.... maar carbon plaat gaat redelijk. Ik kan ook de Z plaat uit carbon maken. Wel veel duurder maar ik hoef het niet uit te besteden. Alleen, als een plaat mislukt kost dat een hele plaat carbon.... Nu zijn het hoofdzakelijk gaten en kan ik 100mm breed carbon plaat kopen. Het ontwerp is nu 95mm dus dat zou slechts 1 kant zagen betekenen. De gaten worden dan CNC geboord.

Maar ondanks de kaugom Z plaat gaat hij toch mooi door hout heen. Ik heb bij de bauwmarkt een 4mm freesje gehaald (kleinste die ze hebben) om te testen. Niet erg goedkoop, ook niet duur. Het voordeel is dat ik op een avond of in het weekend er zo heen rij als ik een nieuwe nodig heb Deze werkt door de vlakke snij randen een stuk beter dan zo'n spiraal frees welke het hout omhoog trekt.

4mm frees, 5mm diep, 8000 toeren, 1200mm/min






En voor wie goed kijkt, de bewegingen haperen een beetje door slecht wifi bereik in de schuur De frees en de laptop ernaast zitten beiden via wifi verbonden wat soms niet vloeiend loopt. Wordt aan gewerkt

 

Voor de eerste poging heb je al een mooi resultaat bereikt.
Ben benieuwd naar de transformatie, dat deze ook aluminium kan frezen.

 

Stofzuiger moest alleen even afkoelen, filter zat compleet vol.

Maar dat was niet het grote probleem. De moeren op de schroeven met 20N veren waren wel zwak. Je kon de kop erg eenvoudig in de veer duwen. Dat moet anders voor een stijve kop. Dus ik heb de zware veren erop gezet.... maar de motoren wouden nauwelijks meer dan 500 mm/min en dan nog wouden ze soms blokkeren. Dat loopt gewoon veel te zwaar... maar wat nu? De speling op de losse moeren is erg veel, maar een upgrade naar kogel omloop is me veel te duur, en het hele ontwerp past dan niet. Dus wat is een mogelijke oplossing? Wat als we nu 2 moeren gebruiken welke beiden vast zitten op de geleiders. Als de ruimte tussen de moeren stelbaar is kan deze op bijna 0 gezet worden, net totdat de moeren zwaar beginnen te lopen. Dat bleek eenvoudiger dan ik dacht De assen lopen erg soepel nu en speling is niet te voelen. De X en Y as zijn aangepast en draaien best goed op 1800 mm/min al wil de Y soms nog stallen, maar het is niet vaak. Dit loopt dus aardig netjes nu en 1500mm/min zal vast betrouwbaar werken. Alleen de voorste Z schakelaar moest even aangepast.



Daarna was het bed aan de beurt. Hierop moet materiaal vast gezet worden dus de frees heeft hier gaten in geboord. Daarna zijn er inslagmoeren ingezet en klemmen gefreesd:

 

Even langs de bouwmarkt, decoupeerzaag erdoor en een boor programma maken en we hebben een nieuwe Z plaat. De als je beiden vast hebt is het verschil ERG groot. Ben benieuwd als het erop zit.\

Dat HPL freest erg lekker. Ik ga ook de 2 andere platen in de brug er mee aanpassen. Daar voel ik ook teveel flex nu.

 

De 2e versie van de kop begint vorm te krijgen. De volledige kop als 1 3D ontwerp is leuk maar zolang je dat niet uit ALU freest / giet / print zal het nooit sterk worden. PLA Met carbonvezels zal stijver zijn maar ook dat is niet genoeg. Ook is 1 karretje op de Z geleiders absoluut niet voldoende dus dat zijn nu 2 per kant geworden. Het makkelijkste is om alles uit platen te ontwerpen zodat je het eenvoudig kan frezen, gebruiken en vervangen. Ik wil ook een andere motor of laser moduul (of snijkop ?) erop kunnen zetten dus een andere ontwerp is nodig.

Voor nu maak ik alles uit HPL gezien dit in de huidige fase geen beperking is. De X as is aangepast zodat daar boven en onder 2 karren per geleider gebruikt worden. Deze staan ook iets verder uit elkaar omdat dit niet het bereik beperkt maar wel weer extra stijfheid geeft. De Z stepper en het lager blok zijn ook her-ontworpen zodat de Z schroef nu tussen de platen door kan. Op deze manier kan de motor plaat 1 geheel worden dat veel meer stijfheid geeft. Om alles nog enigszins compact te houden vallen de 2 extra Z karren om het Z lagerblok heen. Vooral de stijfheid van de rotatie om de Y as is extra nodig en dat krijg je op deze manier wel goed. Het spindel as lagerblok wordt simpelweg tegen de plaat aangeschroefd waarbij de bouten zo dicht mogelijk bij de lagers zitten.

Hopelijk kan volgend weekend de nieuwe kop in elkaar gezet worden. Dan rest nog 1 echt zwak (zwakste??) punt: De brug. Deze flext erg veel om de x as. Ik denk dat als de Y karren verder uit elkaar geplaatst worden dat het beter is maar dan lever ik wel 50mm aan Y bereik in. Ik denk dat het het wel waard is.....

 

Kleine update. Komende week moeten de nieuwe Z rails binnen komen dus ik heb alvast wat onderdelen gemaakt voor de nieuwe kop. Ik ben erg benieuwd of dat de stijfheid gaat verbeteren.



Wat ik ook merkte was dat het wisselen van boortjes / freesjes best snel ging maar het bepalen van de juiste Z hoogte niet zo lekker ging op het oog. Nu heeft het bord een aansluiting voor een Z probe dus die eens gemaakt. Van een stukje printplaat en een stalen ring (voor stijfheid en gewicht) heb ik een plaat gemaakt van 3.94mm hoog. Er zit een draad aan welke achter afneembaar is zodat hier ook een klem op kan voor direct op een pcb nullen.



Voor contact met de frees heb ik geprobeerd om met een vaste verbinding via de lagers te werken, en dat werkt perfect! Zo hoe ik geen klem op de frees te zetten en zit het systeem altijd aangesloten. De nul draad loopt via de lagers / frees omdat de probe draad teveel storing kreek van de Z motor. De probe draad op de schijf werkt prima.



Dit systeem lijkt heel erg nauwkeurig want elke poging komt op 0.001mm nauwkeurig uit. Volgens mij zit er in grbl ergens een bug want hij zit elke probe steeds exact 0.001mm hoger. In het homen zit zelfs 0.1mm verschil volgens te probe en aangezien ik de probe nooit meer dan 0.01mm heb zien verschillen (op niet perfect vlak punt, anders is de afwijking nog minder) geloof ik de probe.

Ook nog even een L profiel opgehaald om het werk oppervlak iets af te schermen van zijkanten waar de Y rails zit. Minder zooi op de rails helpt de levensduur.

 

Ik heb nog eens naar de trapeziumdraad moeren gekeken en heb voor de Z as 1 gemaakt op de "oude manier". Hiervoor moesten 2 messing moeren vlakker gemaakt worden. Na wat afstellen bleef ik geen lekker gevoel krijgen. Of te los of te vast. Ook logisch want het komt heel nauwkeurig met deze harde opstelling maar bramen of foutjes in moeren maakte gewoon geen lekker afstelling mogelijk. Moeren printen blijft een leuk idee maar dat moet dan uit nylon of delrin oid om een duurzame oplossing te krijgen. Pla of petg zal te snel slijten en gaan vreten. Nu heb ik wel eens nylon geprint, maar heel makkelijk ging dat niet en delrin is nooit gelukt. Toch eens geprobeerd of het lukte, want het zou wel een hele mooie oplossing kunnen worden. Nu is dit draad blijkbaar TR9x2 en dat was even verwarrend want de buitenmaat is 8.00mm. In Fusion even snel een blokje geprint waar ook 2 moeten ingesmolten kunnen worden, mocht het lukken.... en na wat kleine testjes met nylon had ik een combi van temperaturen welke bleef plakken en een goed resultaat gaf.... en wat een resultaat.... past EXACT. De moer loopt wat zwaar maar minder dan met de lichte veren nog. Het voelt heel soepel en de weerstand is enorm constant, heel dempend zeg maar. Het voelt perfect spelingsvrij en met 1 gang (2mm) contact krijg ik het in de hand niet kapot getrokken. Het draad loopt 10mm door het blok en mijn gevoel zegt dat het mijn gewicht wel kan dragen 8)