CNC Portaalfreesmachine

Jul 2011

In februari 2011 ben ik begonnen met het ontwerpen en bouwen van een CNC-portaalfreesmachine. Het doel van deze machine was mijn bewerkingsmogelijkheden voor hout, kunststoffen en zachte metalen als aluminium aanzienlijk te vergroten, en mij hierdoor in staat te stellen complexere producten met hogere nauwkeurigheid te maken. Na mijzelf goed ingelezen te hebben op meerdere fora heb ik een definitief ontwerp gemaakt, en de onderdelen hiervoor aangeschaft.

Het ontwerp is afgeleid van een aantal andere, commercieel verkrijgbare machines, maar toegespitst op mijn bewerkingsmogelijkheden en specifieke eisen. Het hele ontwerp is in SolidWorks gemaakt.

De basis van de machine waren aluminium extrusieprofielen van 80 x 80mm. Deze profielen zorgen voor een solide en vlak onderstel, met de mogelijkheid andere onderdelen hier gemakkelijk op te bevestigen. Met deze profielen is een raamwerk gemaakt met de afmetingen van 1000 x 700mm, met binnenin een stalen frame van hoekijzer 40 x 40 x 4mm.

De bouw

De basis van de machine waren aluminium extrusieprofielen van 80 x 80mm. Deze profielen zorgen voor een solide en vlak onderstel, met de mogelijkheid andere onderdelen hier gemakkelijk op te bevestigen. Met deze profielen is een raamwerk gemaakt met de afmetingen van 1000 x 700mm, met binnenin een stalen frame van hoekijzer 40 x 40 x 4mm.

Op dit onderstel zijn vier aluminium blokken geschroefd, deze zorgen voor de ophanging van de X-as, en de ondersteuning van de trapeziumspindels. De geleiding van de X-as is gerealiseerd door twee geharde 20mm assen in combinatie met een aantal lineaire lagers. Voor de voortstuwing is gekozen voor trapeziumspindel met een diameter van 20mm, en een spoed van 5mm. Zowel de trapeziumspindel links als rechts wordt voorzien van een 3Nm stappenmotor.

Vervolgens is er een stalen frame gemaakt waar het onderstel op geplaatst wordt. Deze is vervaardigd uit koker 60 x 60 x 3mm en 40 x 40 x 3mm. Het hele frame is demontabel gehouden, indien de machine vervoerd moet worden.

Er is een draaibare laptop-standaard gemaakt voor aan het frame. De laptop is noodzakelijk voor de besturing van de machine, en het standaard bood meteen ruimte voor een aantal bedieningsknoppen.

De besturing

Het hart van de machine is een USBCNC v5 controller met bijbehorende software. Deze controller communiceert via USB of ethernet met een computer, en geeft met een maximale snelheid van 125KHz pulsen door aan de individuele stappenmotor ‘drivers’. De vier stappenmotor ‘drivers’ werken op een voedingsspanning van 48 volt en kunnen elk motoren van maximaal 4.2 ampère aan. Deze worden gevoed door twee 48 volt 6.3 ampère gelijkstroom voedingen voorzien van hun spanning. De USBCNC v5 controller schakelt ook direct de spindel, stofzuiger en voedingen aan en/of uit. Hiervoor is de besturingskast voorzien van drie ‘solid state relais’. Het geheel is weggewerkt in een metalen Rittal behuizing.

Test werkstukken

Nadat de machine voltooid is zijn er een aantal test werkstukken gefreesd. Dit uit diverse materialen, met verschillende frezen en snijdsnelheden om te kijken wat er allemaal haalbaar is.

De bovenstaande onderdelen zijn de eerste welke gefreesd zijn met de machine. Ze zijn vervaardigd uit een plaat 9mm MDF. De onderdelen zijn gefreesd met een 4mm 3-snijder met een toerental van 16500tpm, en een voortloopsnelheid van 1500mm/min.

Het gezicht is uit een blok beuken hout gefreesd. Dit is wederom met een 3mm 3-snijder met platte onderkant gedaan. Het frezen bestond uit drie stappen, bij de eerste stap is het grove materiaal rondom get gezicht weggehaald met een 6mm frees. Bij stap 2 is er met een vierkant patroon wederom het overbodige materiaal weg gefreesd met een 3mm frees. Bij de laatste stap is er telkens met een verschuiving van 0.2mm lineair over het gezicht gefreesd. Dit zorgt voor een erg glad eindresultaat.