Pantografo CNC Marmo – 7 domande tecniche (e risposte) sulla nostra CNC NEXT

Quanto è preciso il vostro pantografo CNC per la lavorazione del marmo? Perché montate motori passo passo (stepper) e non motori brushless (servomotori) ? Qual è la velocità del pantografo ?

Pantografo cnc amastone next per la lavorazione della pietra

Queste sono alcune delle domande più frequenti che ci vengono poste dai potenziali clienti interessati ad una delle nostre macchine CNC. Per questo ho deciso di riassumere alcuni concetti chiave in questo articolo che mi permette di spiegare tecnicamente alcune delle nostre scelte progettuali per il pantografo CNC Next di nostra progettazione e costruzione.

Facciamo un po’ di chiarezza su alcune definizioni e spieghiamo in maniera comprensibile a tutti, marmisti, operatori macchina e appassionati, i principali concetti di meccanica per rispondere a queste domande e prendendo come esempio reale la prima versione del nostro pantografo CNC Next con dimensioni utili X:950mm, Y:1400mm, Z:180mm (ci sono anche altre versioni con diverse misure utili)
N.B.:
In questo articolo prendiamo come caso studio il pantografo CNC Next 2017 con un ponte, e quindi asse Y, che al massimo deve avere lunghezza 1500mm. Per macchine più grandi le scelte progettuali sono diverse e spesso vengono scelti anche motori diversi.

1) Perché nel vostro pantografo CNC montate motori passo passo e non motori servo?

La scelta del tipo di motori ed azionamenti da utilizzare dipende da considerazioni meccaniche in base alle quali è possibile decidere se i motori passo-passo siano la scelta migliore o se necessariamente si deve passare a dei motori servo (brushless) o ad una soluzione intermedia con motori stepper ed encoder.

Per un Pantografo CNC come Next abbiamo scelto motori stepper professionali della Sanyo Denki (giapponese) ad alte prestazioni in termini di coppia e potenza. I motori scelti soddisfano largamente i requisiti prestazionali che una macchina a controllo deve avere per le nostre applicazioni (lavorazione di materiali duri come marmo e granito) e spiegheremo dopo come arriviamo a questa conclusione.

Oltre a questo i motori stepper hanno anche altri vantaggi come: 

• facilità di reperibilità sul mercato di motori e azionamenti
• semplicità nella configurazione ed installazione, anche in fase di sostituzione per eventuale riparazione.
• costi relativamente bassi rispetto ai brushless di pari potenza.

2) Il vostro sistema è ad anello aperto o anello chiuso?

Spesso si parla di sistemi di automazione ad anello aperto e sistemi ad anello chiuso quasi sempre sottintendendo che i sistemi ad anello chiuso, con retroazione, siano più affidabili e precisi e quindi l’unica soluzione affidabile.
In realtà ci sono applicazioni in cui non serve la retroazione e in cui la precisione di altri sistemi è più che accettabile.
Per spostarmi da casa a lavoro utilizzo l’auto pur sapendo che esistono anche gli aerei. Gli aerei sono molto più veloci delle auto ma non per questo rappresentano la soluzione migliore nel mio caso e sicuramente non mi farebbero arrivare a lavoro prima.

Nel nostro Pantografo CNC attualmente installiamo motori di tipo stepper. Possiamo lavorare ad anello aperto senza retroazione perché i motori passo passo non richiedono nessuna retroazione. Con i motori stepper si conosce a priori di quanto un asse si sposta per ogni step quindi la posizione di una asse si conosce sempre (il controllo la conosce) in ogni momento. Nei motori brushless è necessario avere una retroazione tramite encoder perché vengono comandati da una tensione analogica e non si può sapere a priori di quanto l’asse si sta muovendo se non leggendo i dati da un encoder.

3) Un Pantografo CNC con motori passo passo soffre di perdita di passo?

Il cosiddetto “salto di passo”, ed il conseguente errore nel riferimento di posizione, è un problema superato nei moderni motori stepper che rimangono la soluzione più indicata in applicazioni a bassa velocità come nel caso di macchine per la lavorazione della pietra.

La perdita di passo può avvenire solo se i motori vengono utilizzati in maniera errata, per esempio se

girano a velocità troppo alte, perdendo anche coppia, o se la meccanica collegata ai motori non è adeguata all’applicazione. In una macchina CNC opportunamente dimensionata la perdita di passo è praticamente impossibile.
Nei motori stepper la coppia non è costante ma diminuisce all’aumentare della velocità con cui girano. C’è quindi una soglia di velocità da non superare mai.
Nel caso di un Pantografo CNC Next per esempio vengono usati motori che possono girare fino a 2700 rpm ma che vengono configurati per girare ad una velocità massima di 500 rpm. Quindi siamo largamente sotto la soglia di perdita di passi.
Per quanto detto sopra la perdita di passo non è un problema che la Next potrebbe avere.

4) Un Pantografo CNC con motori stepper è preciso?

Anche qui prima definiamo cosa si intende per precisione e risoluzione.
Sono 2 concetti diversi che possiamo semplificare in questo modo:

• La precisione nel nostro caso possiamo definirla come la differenza massima tra movimenti uguali ripetuti nell’asse.
• La risoluzione nel nostro caso può essere semplificata come il movimento minimo che l’asse può effettuare.

Quindi la domanda corretta a cui rispondere sarebbe la seguente:

 5) Qual è la Risoluzione di un Pantografo CNC Next ?

I motori passo passo di un pantografo CNC Next vengono comandati in micropassi. Per avere una rotazione completa dell’albero (360 gradi) sono necessari 3200 impulsi di comando, quindi 3200 micropassi.  Si tratta di massimo numero di micropassi per avere comunque piena coppia in uscita dai motori. Spesso nelle schede tecniche di motori di importazione da basso costo(cinesi ?) leggo numeri molto più elevati di passi, non sono dati che hanno molto senso perchè è vero che i micropassi possono essere molti di più ma le prestazioni oltre un certo limite degradano in maniera sostanziale quindi risultano inutilizzabili.

Tornando al nostro caso (di 3200 micropassi) vuol dire che l’angolo del passo dei motori utilizzati è di 0,11 gradi (360/3200) di giro motore. Ovviamente più è piccolo l’angolo di passo e più risoluto è il motore.
Considerando il diametro e il passo delle viti installate in un Pantografo CNC Next per la lavorazione del marmo abbiamo queste risoluzioni:

• Asse x: ha una risoluzione di 0,003 mm
• Asse y: ha una risoluzione di 0,003 mm
• Asse z: ha una risoluzione di 0,015 mm
• Risoluzione nell’ordine dei micrometri

6) … e la Precisione di una macchina CNC Next?

La precisione dipende dai giochi della meccanica utilizzata, quindi dalle tolleranze massime date dalle classi di precisione scelte per: viti e chiocciole a ricircolo di sfere, pattini a ricircolo, e dai loro accoppiamenti. La meccanica deve essere scelta in modo tale da avere un deviazione di passo “accettabile” per l’applicazione. Accettabile vuol dire di un ordine di grandezza minore della massima precisione che voglio ottenere nelle mie applicazioni. Se nelle mie applicazioni posso sbagliare di qualche millimetro allora avere una deviazione di passo nell’ordine del millimetro potrebbe anche andarci bene. Ovviamente non è il nostro caso!

Per aumentare la precisione oltre alla scelta delle classi di precisione opportune è fondamentale utilizzare i corretti precarichi nei pattini a ricircolo e nelle chiocciole.

Nel caso del nostro pantografo la scelta delle viti a ricircolo, delle classi di precisione, della deviazione di passo massima accettabile e la scelta dei precarichi ci ha portati ad avere nell’asse più lungo,quello Y da 1400mm di corsa utile (quindi l’asse con le condizioni peggiori) abbiamo una precisione minima minore del decimo di millimetro.

Vuol dire che se in un movimento tutti i componenti funzionassero al peggio delle loro capacità, e se nello stesso momento il movimento avvenisse su tutto l’asse di 1400mm, si avrebbe un errore massimo poco minore del decimo di millimetro.

Ovviamente i giochi delle componenti meccaniche dipendono anche dalle accelerazioni/ decelerazioni e carichi. Infatti utilizzando la macchina con le giuste accelerazioni e i giusti carichi non si andrà mai a sollecitare la meccanica così da andare vicini ai limiti meccanici tali da avere il massimo dei “giochi” contemporaneamente. Nella next abbiamo installato un controllo Osai che ci permette di gestire le accelerazioni con rampa di jerk. Il jerk é la derivata dell’accelerazione, cioè la variazione di questa nel tempo. La macchina quindi non si muove con accelerazione costante ma con accelerazione variabile permettendo movimenti morbidi anche massimizzando le velocità.

Con questi dati e queste considerazioni possiamo dire tranquillamente che la minima precisione di un Pantografo CNC  Next é molto minore del decimo di millimetro.

7) Qual è la Velocità della vostra CNC?

Quando si parla di velocità della macchina si intende la velocità di avanzamento assi. Le velocità dipendono dal passo delle viti, dalla lunghezza delle viti, dalla velocità dei motori passo passo e soprattutto dalla relazione tra rpm motore e coppia.

In questa applicazione non serve avere velocità troppo elevate perché:

• Le dimensioni degli assi non sono elevate
• I movimenti rapidi in termini di tempo pesano pochissimo in relazione alla durata dei movimenti durante il taglio.
• Le velocità di taglio sono molto basse se confrontate a quelle di altri settori come taglio plexiglass, carta, tessuto, legno ecc…

In un Pantografo CNC Next abbiamo velocità assi tra 10 e 15 m/min negli assi X e Y. Mentre abbiamo una velocità di 2 m/min sull’asse Z.
Questa velocità sull’asse Z è più che sufficiente visto che le corse sono sempre molto brevi.

Conclusione

Il dimensionamento di una macchina a controllo numerico insieme a tutte le scelte progettuali e di componentistica hanno dei fondamenti ingegneristici. Caso per caso vengono analizzati vari aspetti prestazionali e tecnologici facendo la scelta che a nostro avviso è la più logica in termini di prestazioni. Le scelte dipendono dal tipo di applicazione per il quale il Pantografo CNC è progettato. Diverse saranno le scelte per una macchina per la lavorazione di marmo e granito rispetto ad una per la lavorazione del plexiglass per esempio e sicuramente saranno diverse tra un pantografo da tavolo di dimensioni ridotti e un Pantografo con misure utili dell’ordine dei metri. Proprio per questo siamo certi che per il nostro pantografo CNC Next attuale i motori paso-passo siano la giusta scelta mentre se progetteremo macchine più grandi è possibile che dovremo passare a deu motori brushless se l’applicazione lo richiederà.
Faremo un articolo come questo analizzando anche quel caso studio sulla scelta dei motori bushless.
Ci vediamo presto

Link utili:

• Guarda il nostro Pantografo CNC 3 assi modello Next argomento di questo articolo
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