O spindle feito com motor de aeromodelo e mostrado no post anterior, ficou com uma pequena vibração, devido em parte à falha na centralização do eixo do motor com o eixo do spindle e em parte a folgas no eixo z da cnc.
Por isso optei por comprar um spindle no eBay.
Work voltage: 12-48VDC
Rotation speed: 3000-12000r/min
Power: 400W
Torque:500mN.m
Insulation resistance:>2Megohm
Dielectric strength:400V
Motor Length : 186mm
Diameter:52mm
Axis collet Length: 48mm
Diameter of Axis collect holder:16mm
Repeat accuracy: 0.01-0.03mm
ER11 collect: 3.175mm
Primeiro eu refiz o eixo Z acrescentando mais dois rolamentos lineares e uma nova placa frontal para fixação do suporte do spindle.
e finalmente o spindle.
Um pequeno teste para demonstrar a estabilidade e precisão.
Quero apresentar os resultados dos testes do spindle que construi com o motor de aeromodelo (vejam o post anterior para detalhes da construção).
Apesar do spindle se comportar muito bem, em relação a rotação e ruído, observei que estava havendo uma variação lateral muito grande na ferramenta de corte. A causa dessa variação estava no próprio eixo Z da CNC. Da forma como foi construida, a placa frontal onde o spindle é preso (o chamado eixo Z) é montada em dois rolamentos lineares que correm em dois eixo relativamente próximos. O fato desses rolamentos lineares não serem de boa qualidade e os eixos não se ajustarem perfeitamente, gera uma folga capaz de provocar uma oscilação do conjunto da ferramenta em torno do eixo X e Y.
Podemos observar essa variação no vídeo abaixo:
Na foto abaixo podemos ver o resultado desta variação. Os traços estão com uma largura maior do que o diâmetro da fresa.
A solução foi duplicar os rolamentos. Isso retirou qualquer folga. A contra partida é que o curso do eixo Z foi reduzido mas até que eu construa uma novo eixo Z maior vou ter que trabalhar com uma altura menor.
Com essa nova configuração a qualidade da fresagem melhorou muito.
Usar a Dremel como fresa da minha nova CNC (veja postagem anterior) não foi uma boa experiência. A Dremel apesar de muito rápida e forte faz muito barulho. Parti portanto em busca de uma solução melhor. Descartei o uso de uma tupia convencional devido ao peso e também do barulho uma vez que esses motores são todos escovados.
A solução foi fazer um spindle utilizando um motor de aeromodelo, sem escovas (brushless). Esses motores, utilizados em aeromodelos elétricos, são capazes de rotações bem elevadas e com uma boa potência. O motor utilizado no meu spindle é um outrunner de 1280kV, que alimentado com uma tensão de 12V pode girar a 15.360 rpm com uma potência de 250W. O consumo máximo será de 20A.
O spindle é feito com um corpo de alumínio e um eixo de aço com 12 mm de diâmetro. Três rolamentos de 12 mm de diâmetro interno e 22 mm de diâmetro externo são colocados no corpo (dois na parte de baixo e um na parte de cima). Na ponta inferior do eixo foi feito um furo de 6 mm de diâmetro e 45 mm de profundidade e um furo de 9 mm de diâmetro e 20 mm de profundidade para conter as pinças. Na ponta inferior também uma rosca externa para a porca que segura e prende a pinça. Na outra ponta do eixo foi feito um furo de 3 mm de diâmetro e 20 mm de profundidade. O acoplamento entre o eixo do motor e o eixo é feito inserindo-se o eixo do motor (3mm) neste furo e travado por um pequeno parafuso lateral.
Primeiro, um pequeno desenho feito no Solidworks:
Depois, um pouco de trabalho no torno.
O detalhe do topo do eixo com o furo para o acoplamento do eixo do motor e o parafuso lateral para travar o eixo do motor no eixo do spindle.
Substituí o suporte em cruz original do motor por um disco em PVC. Isso foi feito apenas porque o comprimento dos braços do suporte original estavam maior que o corpo do spindle.
Finalmente o spindle todo montado.
O próximo passo foi fazer o suporte para prendê-lo na CNC e testar o spindle.
Usei uma fonte de 12 V para alimentar o ESC e um testador de servo para controlar a velocidade do motor. O teste mostrado no video abaixo foi realizado para testar o funcionamento do cinjunto e medir a corrente sem carga no eixo. O resultado foi bem satisfatório. O spindle faz menos barulho que a Dremel.
O próximo passo é testar o spindle com a fresa. Aguardem.
No meu laboratório tenho utilizado como fresa uma furadeira
vertical com mesa X-Y acoplada. A mesa é uma PROXXON M-70 comprada na Alemanha
e a furadeira de coluna uma máquina chinesa semelhante à Ferrari. Acoplei um
motor DC ao eixo maior da mesa de forma a facilitar a movimentação da peça mas
o controle do eixo vertical é feito de forma manual e o sistema todo é muito
impreciso.
Já tinha feito duas CNCs anteriormente, sendo uma para
cortar asa de isopor de aeromodelo e outra de três eixos, essa última feita de
MDF e perfis de alumínio. O resultado, infelizmente, não foi muito bom. Pouca
precisão e muito atrito. Abandonei o projeto e resolvi partir para fazer uma
CNC de alumínio, estruturalmente forte, pesada, pequena e com o máximo de
precisão possível com os meus recursos. Resolvi me basear em um modelo de uma
CNC que encontrei na internet.
Comecei comprando as barras e chapas de alumínio.
E após algumas semanas de trabalho, o resultado:
Meu objetivo foi construir as peças de forma que após a
montagem da máquina não houvesse necessidade de ajustes, principalmente em
relação a alinhamentos dos eixos. Por isso, as peças foram feitas obedecendo a
uma metodologia específica onde cada passo foi planejado com esse objetivo em
mente. Por exemplo, as barras laterais foram feitas juntas, furadas juntas e o
furo do eixo do motor, inicialmente bem justo, servindo como guia de
alinhamento para manter as peças juntas de forma a garantir o alinhamento dos
outros furos. Somente no final do processo de construção, após a montagem e verificação de todo o conjunto, a máquina
foi desmontada e os furos dos eixos dos motores foram alargados para que os
mesmos girarem livremente.
O primeiro passo foi esquadrinhar todas as barras e chapas
utilizadas, dentro das medidas do projeto. Em seguida, as barras laterais foram
furadas juntas.
E depois, separadamente, usando a broca como guia para
centralizar, fiz o ressalto para os eixos usando uma fresa de topo. Esse
ressalto não é tão importante uma vez que o alinhamento (e paralelismo) dos
eixos vai ser garantido pelo furo do parafuso de fixação.
Utilizei motores Nema 23 que já tinha comprado em outra
ocasião. Como esses motores tem um ressalto, precisei usinar uma cava para que
o motor faceasse a peça. Normalmente, esse ressalto no corpo do motor é usado
justamente para posicionar o motor alinhado. Como eu não tinha como fazer uma
cava exatamente do diâmetro do ressalto da caixa do motor, optei por fazer
maior uma vez que o furo do eixo foi o agente de alinhamento. Após isso, o
motor foi colocado no lugar e marcado o lugar do furo do primeiro parafuso. O
motor usa parafuso M5 então usei uma broca de 5 mm para marcar o furo.
Depois, uma broca de 4,5 mm
para fazer o furo na barra de alumínio e depois a rosca. Em seguida, fixei o
motor com o primeiro parafuso e repeti o processo de marcar, furar e fazer a
rosca para os outros parafusos, um a um.
Para cada eixo projetado, uma ponta do fuso é ligada ao eixo do
motor por um acoplador flexível e a outra ponta a um rolamento de 8 mm sustentado por um mancal.
O ideal seria usar a própria placa de alumínio para embutir o rolamento mas
para isso seria preciso cortar um cavo de 22 mm (o diâmetro externo do rolamento) com
muita precisão. Infelizmente não tinha à mão meios de fazer esse corte,
especialmente nas barras laterais dos eixos X e Y. Por isso, optei por
construir mancais de nylon. A forma de conseguir o maior alinhamento possível
dos mancais/rolamentos foi utilizar o eixo do motor como guia. Como as placas
que trabalham em par foram furadas simultaneamente e com um furo do mesmo
diâmetro que o eixo do motor, usei um motor como guia para posicionar o mancal
na placa.
Pra os mancais, cortei e torneei 3 discos de nylon com 40 mm de diâmetro e 7 mm de espessura (a mesma
espessura dos rolamentos). Em seguida furei o centro do disco com a broca de 6,4 mm (o eixo dos motores tem
6,35 mm
de diâmetro).
O processo de fazer os mancais envolve colocar o disco
centrado na peça utilizando o eixo do motor e em seguida fazer o furo de um dos
parafusos (M3) atravessando o mancal e
marcando levemente a peça de alumínio..Em seguida retira-se o disco do mancal e
faz-se um furo na placa de alumínio com a broca de 2,5 mm e depois usa-se o
macho de 3 mm
para fazer a rosca. Depois, coloca-se o disco novamente no lugar, usando sempre
o eixo do motor para centra e coloca-se o parafuso. Em seguida usa-se a broca
de 3 mm
para fazer o furo passante do parafuso oposto marcando-se levemente a placa de
alumínio. Depois fura-se o alumínio com a broca de 2,5 mm e faz-se a rosca.
Repete-se o processo para cada parafuso. Finalmente, retorna-se o disco para o
torno e torneia-se o furo central para conter o rolamento (22 mm). É importante que ao
colocarmos o disco centralizado no eixo do motor, para fazer o primeiro
parafuso, façamos uma marca tanto no disco como na placa de alumínio de forma a
criar um registro para a posição dos furos que não precisam ser tão precisos. O
mesmo em relação ao torno, para que possamos retornar o disco para as castanhas
na mesma posição em que foi torneado inicialmente.
O mesmo foi feito para os mancais das pontas dos fusos nos
três eixos. Em seguida, o furo da placa de alumínio pode ser alargado para a
passagem da ponta do eixo (fuso). Usei uma broca de 10 mm. Os fusos utilizados
foram comprados na internet, no mercado nacional, e possuem 16 mm de diâmetro (para os
eixos X e Y) e 14 mm
de diâmetro para o eixo Z com passo de 3 mm. As castanhas são de poliacetal, com
flange. Elas são bastante ajustadas e não geram desvio de retorno (backslash).
As pontas dos fusos foram rebaixadas para 8 mm (obrigado a meu amigo Newton que fez isso para mim em um torno maior), tanto do lado do acoplador do motor
quando do lado do rolamento. Foram deixadas pontas excedentes nos eixos X e Y
para a colocação de volantes para uso manual.
Os eixos são todos de 8 mm. Foram cortados, faceados e furados no
torno com broca de 2,5 mm
e em seguida fez-se rosca para M3. A máquina utiliza parafusos de aço inox para
chave allen. Os parafusos dos motores são M5. As peças mais pesadas são fixadas
com M4 e as mais leves, como eixos e mancais com M3. Os pillow blocks dos
rolamentos lineares usam M4.
A mesma técnica usada para construir as placas laterais
(eixo X da máquina) foi usada nos outros eixos.
E um novo design para o eixo Y, a mesa.
O suporte para a Dremel foi feito na fresa manual:
Finalmente pronta para os testes.
A placa controladora dos motores de passo é uma placa que comprei há muito tempo.Para os motores uso os 5V de uma fonte de computador modificada e para a lógica da placa uma fonte de bancada.
Os primeiros testes serão para testar o controle dos motores, vibração, atritos e precisão dos movimentos. Quando acabei de montar o eixo X, fiz um teste para verificar como estava o alinhamento e a precisão. Coloquei uma régua de aço paralela ao eixo e comandei o Mach3 para mover 10 cm. A diferença foi da ordem de 0,2 mm ou seja, um desvio relativo de 0,002.
Para realizar os testes iniciais com todos os eixos, montei um suporte para uma caneta de ponta porosa fina, conforme mostrado nas imagens abaixo.
O primeiro teste foi feito comandando o Mach3 com G02 I0. J-20. F100 para desenhar um círculo der raio 20 mm. O resultado foi excelente conforme mostrado na imagem abaixo.
Um vídeo deste teste pode ser visto abaixo:
Os próximos passos são fazer mais testes do alinhamento e precisão, ainda com a caneta e depois um teste com a ferramenta de corte. Aguardem.
O primeiro teste fresando com a Dremel mostrou uma folga grande no suporte da estrutura do eixo Z em relação ao eixo X. Para corrigir eu acrescentei mais um rolamento linear em cada eixo. A folga desapareceu quase que completamente. Um teste com as mãos mostra apenas uma pequena folga que acredito ser devido ao fato de que os rolamentos não serem de primeira linha.
Para os eixos X e Y eu torneei em alumínio volantes que vão me auxiliar no posicionamento e tb a usar a cnc como fresa manual.
Como a Dremel faz muito barulho, até que eu faça um sindle usando um motor de aeromodelo, adaptei o spindle de uma maquina UNIMAT, menos potente mas muito mais silenciosa.
O resultado do primeiro teste de fresagem pode ser visto abaixo. Foi um corte circular (4 cm de diâmetro) usando avanço de 1mm no eixo Z, a cada volta. Apesar da falta de acabamento (a ferramenta talvez não seja a mais apropriada e a velocidade muito baixa), em termos de precisão, fiquei muito satisfeito com o resultado.
