Mekaniikka

19.11.2012

Suunnittelin koneen mekaaniset osat yksinkertaisiksi, jotta valmistus olisi helppoa ja sekä X että Y akselin rakenteet ovat identtiset osiltaan, ainoastaan pituudet ovat erilaiset.

Johteiksi hankin halkaisijaltaan 20 mm karkaistua ja hiottua pyörötankoa sekä liukukuulalaakereita (SCS20LUU), jotka oli esiasennettu alumiinisiin kiinnityspalikoihin. Johdetanko tuli metrin pätkissä, joten reilulla rälläkän käytöllä sain sopivan mittaiset aikaiseksi. Nuo liukukuulalaakerit tuntuivat välyksettömiltä tangon päälle ja plussaa siitä, että laakereissa oli kuminen akselitiiviste molemmissa päissä pitämään roskat ulkona ja rasvan sisällä.

Kuularuuviksi ostin halvalla kiinalaista C7 tarkkuuden ruuvia (virhettä noin 0.05/300 mm) ja yksittäiset mutterit esisovitettuina. Ruuvi on 16×5 kokoinen ja tämä on varmaankin yleisin koko mitä harrastelimarkkinoilta löytää. Tarkoituksena ei ole absoluuttinen tarkkuus, vaan lähinnä suht kitkaton ja välyksetön liike.

Ball nut support blockKuulamutterit kiinnittyvät sekä X että Y akselien säätölevyihin ruuvattaviin palikoihin. Mutteria varten oleva reikä näissä palikoissa on 0.5 mm isompi kuin mutterin halkaisija, näin varmistetaan että mutteri lepää ruuvin päätylaakerin korkeudella eikä yritä ohjata. Ainoa tarkka on tuon kiinnityspalikan kaksi kylkeä, joista toinen on kiinnityslevyään vasten ja toiseen kylkeen ruuvataan kuulamutteri laipastaan kiinni. Osa on tehty yhdellä kiinnityksellä jyrsinkoneessa, joten näiden kahden sivun välinen kulma on tasan 90 astetta.

Kuularuuvi on laakeroitu vain moottorin puoleisesta päästään, koska tässä ei esiinny suuria kierroslukuja jotka pistäisivät ruuvin pään vispaamaan eikä ruuvi myöskään paina paljoa, joten rasitus kuulamutterille on hyvin vähäinen. Tällä rakenteella on tehty isompia, kaupallisia koneitakin, joten sama yksinkertainen valmistustekniikka saa luvan toimia tässäkin. Laakerina toimii FK12 laakeripesä, joka sisältää kaksi viistokuulalaakeria esijännitettyinä, jolloin päittäisvälystä ei ole.

Motor mount / bearing support / linear rod support, all-in-one blockLaakeri sekä johteiden päät lepäävät isossa palikassa, joka samalla toimii moottorillekin kiinnikkeenä. Johdetankojen päät istuvat 20H7 kalvetuissa rei’issä ja ovat lukittu pidätinruuveilla paikoilleen. Laakeri on kiinni neljää M4 ruuvilla ja sen reikä on muutaman sadaosamillin suurempi kuin laakerin vastaavan halkaisijan nimellismitta, jotta laakeri asentuisi helposti paikoilleen. Sivuttaissuuntaisia kuormia kun ei ole odotettavissa ja päittäiskuormakin on liki olematon, ei tällä reiän halkaisijalla ole rakenteellista merkitystä.

Johteiden kummankin pään tuet toimivat myöskin koko akselin kiinnitykseen, sillä niissä on M8 pulteille läpireiät sekä kannanupotukset. X akseli kiinnittyy tukitolppien läpi koneen runkolevyyn ja Y akselilla on oma levynsä, joka näkyy koneen päällä. Minkäänlaisia sokkia tai pinnoja en laittanut, sillä hieman ylikokoisilla pultin vapaarei’illä saan pientä säätövaraa käännellä akseleita työstöpöydän suuntaiseksi.

Moottorin ohjauslaippa ei tässä ohjaa tukipalikassa olevaan reikään, vaan moottori saa hakea tarkemman paikkansa kuularuuvin pään ja moottorin välillä olevan välyksettömän akselikiinnikkeen avulla. Osittain tälle on syynsä siinä, että tuo akselikiinnike täytyy asentaa johdetuen päästä sisään mittojensa takia ja siksi reiän täytyy olla suurempi kuin moottorin ohjaushalkaisija on.

 

24.11.2012

Moottoreissa on akseli molemmissa päissä, joten ajattelin sorvata molempiin moottoreihin käsipyörät, joilla konetta voi paikoittaa manuaalisesti. Tämä myös helpottaa testausta, sillä en tarvitse ohjauslogiikkaa koneen liikutteluun, vaan voin testata koneen kokonaisuuden toimivan ensin.

Wire feed roll in the background, front will mount an empty roll for pulling the wire through the machineTänään sain sorvattua ja pyöröhiottua akselit, joille lankarullat asennetaan. Molemmat akselit ovat identtisiä, mutta toiseen kiinnittyy langanvetomoottori ja toiseen kitkajarru. Akselit on laakeroitu kahdella laakerilla toisesta päästään jotta lankarullan pyörintä olisi mahdollisimman kevyttä. Lankarullissa on kartiolliset reiät päissä, joten sekä akselissa että lankarullan kiristysmutterissa on 90 asteen kartio, joka sekä puristaa rullan kiinni akseliin että myöskin paikoittaa rullan säteittäisesti.

 

04.12.2012

Koneen mekaniikka alkaa olla miltei kokonaan kasassa, eilen sain testattua tuota edellisessä kuvassa näkyvää pientä DC moottoria langanvetoon. Riittänee näin alkuun kokeiluja varten, mutta vaihdan sen todennäköisesti askelmoottoriksi ja hihnavedolle joskus myöhemmin, jotta saan helposti säädettävän ja voimakkaan vedon aikaiseksi.

Lankarullan jarruna on nyt vain 6 mm:n terästappi, jota painaa M6 ruuvi ja jousi runkoa vasten, toimien siis yksinkertaisena sädettävän kitkajarruna. Idea ainakin toimii, ehkä saisi olla pykälän voimakkaampikin, mutta tällä mennään näin alkuvaiheessa.

Adjustable Y axis on top of X axis for squareness adjustment.X ja Y akselien välistä kohtisuoruutta saa säädettyä helposti. Molempien akselien liukulaakerit ovat omissa levyissään kiinni ja niiden välissä on 10 mm:n pinna ja sen ympärillä neljä M6 ruuvia. Tällä ratkaisulla vältyin osien koneistuksessa hankalilta asetuksilta. Säädön avulla saan liikkeet huomattavasti helpommin kohtisuoriksi kuin yrittämällä koneistaa yhdestä palikasta.

 

15.12.2012

SiENA wire EDM door preinstalled in place.Vihdoinkin sain aikaa jyrsimeltä, että sain kaiverrettua altaan oveen koneen nimen, tämän nettisivun osoitteen, oman nimen sekä maan että valmistumisvuoden. Teksti on tehty 1.5 millimetrin varsijyrsimellä ja jyrsitty 0.5 mm syvyyteen. Fonttina MasterCAM “box”, jonka tuotoksesta hieman editoin tuon “SiENA” tekstin I-kirjainta. Syynä ihan tyylitekijä ja se mistä tuo nimi tulee on piinitridin kemiallisesta kaavasta, Si3N4.

Käytin nimittäin tuota piinitridiä langanohjaimissa, enkä ole ennen kuullut sen käytöstä tässä yhteydessä. Piinitridin mukavia puolia on keveys, suuri lujuus, sähkönjohtamattomuus sekä todella hyvä pinnanlaatu ja halpa hinta.

Hinge mechanism for the door.Oven saranaksi tein kolmella ruuvilla kiinnitettävän palikan, joka istuu noin 0.05 mm välyksellä oven vastaavaan uraan. Molemmissa päissä on 5.4 millimetrin reiät noin 10 mm syvälle, joihin ovessa olevat tappipäiset pidätinruuvit työntyvät. Yksinkertainen, halpa ja toimii. Tuosta kuvasta näkyy myös 8 x 8 millimetrin D-mallinen solukumitiiviste, joka kiinnittyy etuseinässä olevaan uraan liimapohjansa avulla.

Door locks waiting for knurled rings.Toiseen päähän ovea tulee ovilukoiksi ihan yksinkertaisesti kaksi pyällettyä sormimutteria, joilla oven saa kiristettyä tiivistettään vasten helposti ja suht nopeasti. Toistaiseksi siinä on vain nuo M6 mutterit ja aluslevyt, jotta sain testattua oven ja tiivisteen toiminnan.

 

 

 

24.12.2012

Tavoitteena oli, että lankasaha kipinöi ennen vuodenvaihdetta ja se tavoite on nyt saavutettu. Eilisen ja tämän päivän aikana tuli tehtyä muutama messinkinen langanohjausrulla, jotta sain langan kulkemaan sieltä mistä pitikin ja testattua kokonaisuutta.

First test setup with my wire EDMTestikappaleena toimi 6 x 6 mm pikateräsaihio, jonka kiinnitin pöytään ruuvinkannan alle. Virtalähteeseen asensin 2.2 uF kondensaattorin ja virranrajoitus on tällä hetkellä 1.2 A lukemassa, kun virtalähteen ulostulojännite on 60 V:n luokkaa. Kuvasta näkyy, että kaikki on kytketty hieman pikaisesti ja muutamat ruuvit eivät ihan ole sitä mitä pitäisi, mutta toimivat siihen asti että saan oikeat tilalle.

Pari selvää ongelmaa havaitsin, jotka täytyy muuttaa jälkeenpäin. Langan vetomoottori on liian pieni teholtaan, se juuri ja juuri jaksaa kiskoa tuota lankaa silloin, kun langan kireys on riittävä pitämään langan suorassa ohjaimien välissä. Ajattelin päivittää tilalle askelmoottorin ja 2:1 hihnavedon tai vastaavaa, niin saa nopeutta säädettyä helposti ja vaivatta eikä väännön pitäisi loppua ihan heti.

Toinen selvä ongelma oli hätäisesti kyhätty kitkajarru, joka siis on vain pultti painamassa jousta, joka painaa teräksistä tappia lankatelineen kylkeen. Toimii jotenkuten, mutta sopivaa jousta ei oikein ole ja säätö on turhankin herkkä, tosin suurin syy saattaa olla myös tuo moottorin pienitehoisuus. Tähän kuitenkin on tarkoitus myöhemmin päivittää kitkajarruksi esimerkiksi alumiininen rulla, jonka yli jousikuormainen muovisuikale.

Kolmas ‘ongelma’ on langan kulku rullalta ensimmäiselle ohjainrullalle. Koska rulla on kiinteä, tuppaa lanka vetämään hieman sivusuunnassa rullalta ja siksi se välillä hieman ‘rapsahtelee’, kun rullalta tuleva lanka raappii viereisiä kierroksia. Tähän auttaisi sama mitä kaupallisissakin koneissa on, eli tynnyrin muotoinen rulla, joka pitäisi langan  kohtisuorassa rullalta mutta sallisi vinon vedon siitä eteenpäin. Täytyy miettiä josko tälle on tarvetta tulevaisuudessa.

Muuten testi sujui mainiosti. Syötin konetta käsin Y-akselin käsipyörältä, joten lanka ajautui herkästi oikosulkuun, mutta selvästi helpompaa kipinöinti oli saada tasoittumaan kuin aiemmissa videoissa virtalähdettä testatessa täysin käsivaralta. Testin tuloksena oli pikateräksen kylkeen hitsautunutta materiaalia ja tähän suurin syy on se, etten käyttänyt huuhtelua lainkaan vaan suoritin kuivan ilma-ajon. Js huuhtelu olisi käytössä, kipinnöinnissä irtoavat metallipartikkelit jäähtyisivät ja pääsisivät poistumaan nesteen mukana, mutta nyt ilman huuhtelua ne jäivät jumiin ja kuumina hitsautuivat takaisin samoille paikoille.

 

26.12.2012

Overall view of my wire EDM friction brake that controls the wire tension.Päivän teemana oli keksiä uusi, helposti säädettävä kitkajarru, jolla langan kireden saisi hyvin kontrolliin ja joka olisi yksinkertainen että kestävä. Lopputulos näkyy alla olevista kuvista. Tein alumiinilevyn, joka menee tuon rullatelineen laakeriputken ympärille ja kiinnittyy yhdellä M6 ruuvilla paikoilleen. Levyn kyljessä on M5 kierrereikä läpi.

Itse kitkavarsi on M10 kierretankoa pätkä, joka on ruuvattu ruuvilukitteen kera pieneen pätkään 16 millimetrin tankoa. Tuossa tangossa on 5 millimetrin poikkireikä, josta varren saa kiinni levyssä olevaan M5 reikään yhdellä pultilla. Kitkaelementtinä toimii pätkä kumista paineilmaletkua, jonka sisähalkaisija on 10 mm ja ulkohalkaisija 17 mm.

Another close-up view of the wire EDM friction brake.Asentaessa tuota paikoilleen huomasin, että jarrusta tuli vahingossa hyvä, sillä sen asennussuunnan saa tarvittaessa vaihdettua toisinpäin, jolloin varsi osoittaa joko koneen eteen tai koneen taakse. Asensin varren osoittamaan koneen taakse, jolloin rullan pyörimissuunta ei aiheuta jarrun hirttämistä kiinni, vaan varsi pyrkii hieman nousemaan. Tämä estää langan nykäisyä, joka tapahtuu kun vetomoottorin kytkee päälle.

Close-up view of the wire EDM friction brake system. Just a piece of all-thread, aluminium fixing plate and a length of rubber hose.Kierretankoa käytin siksi, että siihen olisi helppo asentaa sopiva paino ja säätää sen paikkaa parin mutterin kera, mutta jo tuo pätkä kierretankoa oli vaaka-asennossaan hieman liian painava nykyiselle vetomoottorille. Siksi käänsin tuon alumiinilevyn asentoa, jolloin kierretanko nousi pystympään ja täten kitkan määrä pieneni sopivalle tasolle. Nyt lanka on niin kireällä, että moottori jaksaa vetää ja langanohjaimien välissä ei näy lainkaan langassa huojuntaa. Täytyy myöhemmin siistiä tuo tanko lyhyeämmäksi.

 

22.09.2013

 photo MotorandPWMdriverPCBforwireEDM_zps73621145.jpgVihdoin ja viimein sain eBaysta tilaamani tasavirtamoottorin ja PWM ohjainkortin. Moottorin teho on 60 W, käyttöjännite 12 VDC ja se tuottaa 11.5 Nm vääntöä. Aion kytkeä tämän suoraan vetolankarullan akselin päähän kuten edellisen lelumoottorinkin, täytyy vain sketsailla tarvittavat mitat ensin tuosta kiinnityksestä ja sorvata/jyrsiä sopiva välipalikka, jotta tuon saa tukevasti kiinni. Moottorin hinnaksi tuli 45 EUR. Kuvasta ei ihan skaalaa kunnolla saa, ruutupaperi on perus 7×7 mm ruudukkoa ja tuo moottorin musta kotelo on noin juomatölkin kokoinen.

Tuo ohjainkortti on ihan pätevä peli, pieni kuin mikä, noin 30 x 45 mm. Siihen saa kytkettyä moottorin käyttöjännitteen, maan ja keskellä riviliitintä on kaksi erillisesti ohjattavaa PWM-lähtöä, joten tällä saa ohjattua moottoria H-siltana, eli pyörimissuunnan ja jarrutuksenkinvoi toteuttaa. Näitä tosin en tarvitse, yksi PWM-tulo riittää jotta saan hallittua moottorin pyörimisnopeutta suoraan Arduinon ohjainkortilta. Ohjaimen maksimi virrankesto on 43 A, joten moottorin tarvitsema 5 A ei pitäisi lämmittää tuota sen kummemmin. Testatessa sen sitten näkee tarkemmin.

 

30.09.2013

 photo PWMcontrolledwirefeedmotorinstalledtowireEDM_zps8b3ac783.jpgVihdoinkin sain tuon uuden moottorin kiinnityksen rakenneltua ja muokattua lankarullan akselin päähän uran, johon moottorin akseli menee sisään. Samalla tuli sorvailtua myös uusi jarrurulla, sillä edellinen versio oli alkuperäinen protomalli, jossa oli pieni epäkeskisyys sekä rosoinen pinta joka söi ilkeästi jarrukumia.

Tuon moottorin PWM ohjainkortin sain piilotettua sähkölootan sisään, kytkettyä 12 ja 5 VDC johdotukset sille sekä signaalikaapelin ohjauslootan suunnalle. Arduinon koodiin lisäsin pätkän joka lukee potentiometrin arvon ja pukkaa sen mukaan PWM signaalia ulos analogWrite() toiminnolla. Muuten toimi ihan hyvin, mutta Arduinon vakio PWM taajuus 490 Hz kuulosti kaamelta jurnaukselta, joten uutta ratkaisua kehiin.

Pienen tonkimisen jälkeen löytyikin Timer1 kirjasto, jolla sain valjastettua tuon mikrokontrollerin viidestä ajastimesta yhden tähän tarkoitukseen. Pistin PWM taajuudeksi 20 kHz (ohjaimen maksimi on 25 kHz) ja sama potikka säätämään nopeutta ja testaamaan. Ihanan hiljaista, ei jurnuttavaa ääntä lainkaan, vaikkakin kyllä itse vielä tuon 20 kHz vinkunan hiljaisessa huoneessa kuulenkin.