Přenosná ruční CNC frézka

Kvalita práce s ruční elektrickou frézkou je závislá na přesnosti a kvalitě používaných šablon, vodicích přípravků apod. To je její známý hendikep oproti stacionárním CNC frézovacím centrům, kde je obrábění ovládáno přesně koordinovanými pohyby pracovní jednotky v několika osách řízenými počítačem podle předem připraveném programu. To, že ruční frézka je „jenom ruční nářadí“ a tomu odpovídají i její možnosti po stránce přesnosti obrábění, je odbornou veřejností vnímáno jako fakt, na kterém lze jen těžko něco změnit. Tým inovátorů z USA ale předvedl, že i zdánlivě neměnná fakta je možné měnit, když představil svoji ruční CNC frézku.

I když takovou revoluci, jako svého času např. Steve Jobs se svým prvním iPhonem, frézka nevyvolala, přesto jde bezesporu o významný pokrok v oblasti ručního obrábění. Frézka totiž, podobně jako velká CNC obráběcí centra, pracuje s numerickým řízením a s předem připravenými programy, podle nichž se řídí pohyb frézovacího vřetena. Tudíž odpadá zdlouhavá a nákladná pomocná výroba šablon a vodicích přípravků. Navíc nemá žádné prostorové omezení, takže na rozdíl od CNC obráběcích center, jejichž pracovní oblast je limitována parametry v osách X, Y a Z, může obrábět materiály libovolných rozměrů a tvarů s rovným povrchem. To znamená včetně konstruk­čně hotových výrobků, jako je např. stůl či dřevěná podlaha.

Jak ale výrobce přiznává, připravit frézku do současné podoby, kdy je podle něj schopna svým způsobem konkurovat stacionárním CNC centrům, nebylo vůbec jednoduché. Její vývoj započal v roce 2011 a první „hotové“ výrobky byly veřejně odprezentovány v roce 2017. Jak výrobce dále uvádí, k hlavním problémům, které bylo třeba vyřešit, bylo zajištění orientace frézky na obráběné ploše a zajištění přesnosti obrábění při ručním vedení bez šablon a vodítek.

Základní představení

Frézka se skládá ze dvou samostatných částí:

• základního nosného tělesa (modulu) s řídicí jednotkou a ovládacími prvky
• frézovací jednotky (elektrovřetena)

Elektrovřeteno s upínací kleštinou je k základnímu modulu mechanicky připevněno pomocí objímky a elektricky připojeno k řídicí jednotce prostřednictvím kabelu s konektorem. Kabel se od řídicího systému odpojuje při operacích, při nichž není žádoucí chod frézky, jako je simulované frézování nebo vyjmutí vřetena z upínací objímky při výměně nástrojů.

Nosný modul tvoří základní vodicí deska s integrovaným odsávacím kanálem, dvě rukojeti s tlačítky pro spuštění a zastavení chodu (zelené START a oranžové STOP) a elektro-mechanická řídicí jednotka se zabudovaným počítačem a USB vstupem. Na horní straně řídicí jednotky je šikmo uložená dotyková obrazovka, která slouží jednak k ovládání počítače a jednak ke znázorňování virtuálních i reálných činností. Na přední straně jednotky je umístěna snímací kamera s LED osvětlením sloužící ke snímání pracovní plochy.

Orientační pásky

Vyřešit otázku přesného vedení po opracovávané ploše bylo pro vývojový tým skutečným „oříškem“. Bylo potřeba vytvořit nějaký referenční bod, kterého by se stroj mohl „chytit“ a podle kterého by se při obrábění orientoval. Jako optimální řešení se nakonec osvědčily samolepicí orientační pásky, opatřené na lícové straně vzorem připomínajícím náhodně vybrané a za sebou poskládané dominové kostky. Existuje sice jen několik stovek možných „dominových“ kombinací, avšak software v počítači frézky pracuje nejen s těmito vzory, ale zohledňuje i jejich vztah k sousedním „kostkám“. Páska se nalepí na plochu obráběného materiálu ve vzdálenosti zhruba 15 cm od sebe tak, aby vždy pokrývala prostor před frézkou. Na poloze jednotlivých pásek vůči sobě přitom příliš nezáleží. Zorné pole skenovací kamery frézky pokrývá plochu před sebou o velikosti zhruba 50×50 cm. Snímá přitom jednotlivé dominové vzory na páskách, které si software počítače „zapamatuje“. Jako druhý krok po nalepení pásky tedy probíhá tzv. rekognoskace neboli „prozkoumání“ pracovní plochy. Jednoduše: Operační systém se uvede do skenovacího režimu a kamerou, při ručním vedení frézky, se naskenuje celá plocha polepená páskou. Software si naskenované dominové vzory uloží a podle nich se v následujících pracovních krocích na ploše orientuje.

Digitální šablony

Software řídicí jednotky pracuje s předem připravenými programy – tzv. digitálními šablonami, podle nichž vede frézovací vřeteno. Jedná se o grafické předlohy zpracované v jakémkoliv grafickém programu (např. Adobe Illustrator nebo Autodesk FUSION 360), který umožňuje návrh vyexportovat nebo uložit ve vektorovém formátu SVG.

Při vytváření grafického návrhu je nutné pro software frézky zohlednit také informace, zda budou řezy vedeny z vnější či vnitřní strany objektu nebo zda bude osa nástroje vedena po lince (on line) atd. V návrzích se proto používá následující systém grafické podoby objektů:

Černá kontura s bílou výplní – vnitřní řez (frézování podél linky z vnitřní strany – frézování otvoru)
Černá kontura s černou výplní – vnější řez (frézování podél linky z vnější strany – frézování dílce)
Šedá kontura s bílou výplní – frézování po lince (osa frézy vedená po ose linky)
Šedá kontura s šedou výplní – odfrézovávání materiálu ve vytyčené oblasti (frézování neprůchozích otvorů – kapes)
Modrá kontura nebo výplň – skutečná dráha frézy

Takto připravený návrh se pomocí USB nosiče přenese do frézky. Objekt se zobrazí na displeji a pohybem frézky se jako virtuální obraz umístí na požadované místo na materiálu, který se prostřednictvím kamery rovněž zobrazuje (v reálné podobě) na displeji. V nastavené poloze se potvrdí zeleným tlačítkem. Od této chvíle si řídicí jednotka pamatuje polohu objektu na materiálu, jako by tam byl natištěn. Kontury objektu slouží při frézování jako virtuální digitální vodítka.

Po přepnutí frézky do režimu frézování se na displeji zobrazí vodicí prvky v podobě bílého kruhu s bílým křížkem a bílou tečnou uprostřed, znázorňující osu frézovacího nástroje. Program podle podoby návrhu automaticky vyhodnotí, zda frézování proběhne po vnitřní či vnější straně kontury nebo po ose linky a podle nastaveného průměru použité frézy nastaví vzdálenost osy frézy od kontury. Tuto vzdálenost lze dodatečně ručně korigovat. Program ovšem disponuje i funkcí ručního nastavení způsobu frézování (vnitřního, vnějšího nebo on line řezu) pro případy, kdy používáme jinak zpracované grafické předlohy (např. jen černou konturu bez výplně apod.). Na displeji přitom vidíme celou virtuální dráhu frézky včetně nastavené šířky řezu a polohy vůči kontuře. Tento obraz se objeví v okamžiku, kdy na konturu najedeme na displeji zobrazeným bílým kruhem, což značí, že stroj je připraven k práci.

Další důležitý parametr pro zadání je hloubka frézování. Používá se při frézování drážek nebo při postupném odfrézovávání materiálu větších tlouštěk. Pro tuto funkci je nutné nejprve provést rektifikaci neboli zadání nulového bodu v ose Z. Tuto rektifikaci si frézka v příslušném režimu provede sama tak, že spustí vřeteno dolů až se nástroj dotkne svým koncem povrchu materiálu. V tu chvíli se posuv zastaví, software pozici zaregistruje jako „nulu“ a od této pozice pak počítá nastavenou hloubku frézování.

Po provedení všech potřebných nastavení můžeme začít frézovat.

Přesné vedení pomocí excentrů

Druhým velkým „oříškem“ pro vývojáře bylo vyřešit, jak eliminovat vliv nepřesného ručního vedení stroje na přesnost frézování. Bylo jasné, že pouhé softwarové řešení stačit nebude. Možnou inspiraci proto viděli v mechanické stabilizaci obrazu u digitálních fotoaparátů, kde senzor pohybu identifikuje chvění ruky a pohyblivá součástka optické dráhy (čočka, snímač) tento pohyb kompenzuje protipohybem. To znamená, že pokud se frézka vlivem ručního vedení vychýlí z předem naprogramované dráhy, je nutné ji protipohybem v dané dráze udržet. Na této myšlence založili systém kompenzace nepřesných pohybů při ručním vedení frézky. Ačkoli se to zdá být složité, jde o velmi jednoduchý mechanismus založený na principu dvou vzájemně spojených ramen, která jsou na koncích spojena s otočnými excentry. K tomuto mechanismu, který je součástí základního nosného modulu, je připojeno elektrovřeteno. Přesnou kombinací pohybů excentrů dochází k přesně vymezenému pohybu opačného konce ramen v určitém radiusu (v tomto konkrétním případě asi 7 mm). Frézka při práci přesně ví, kde má svoji polohu a také zná přesnou polohu dráhy řezu. Jakmile zjistí sebemenší odchylku své polohy od dráhy řezu, software vyšle signál a kompenzační mechanismus okamžitě zareaguje protipohybem. Díky tomu můžeme vést frézku ručně s určitými nepřesnostmi, nástroj přesto stále přesně kopíruje naprogramovanou dráhu. Kompenzační mechanismus má samozřejmě své limity dané rozsahem pohybu, který je vymezen, jak vyplývá z výše uvedeného radiusu, korekční oblastí o průměru přibl. 14 mm. Tuto korekční oblast zobrazuje bílý kruh na displeji. Jeho střed je znázorněn bílým křížkem, zatímco bílá tečka znázorňuje skutečnou polohu osy frézovacího nástroje. Ideální je, když frézku vedeme tak, aby křížek přesně kopíroval osu dráhy řezu. V takovém případě se tečka nachází uprostřed křížku. Ve skutečnosti se ale tečka neustále pohybuje podle reálných odchylek vedení. Důležité přitom je, abychom tečku respektive osu dráhy při vedení trvale udržovali uvnitř korek­čního kruhu. Jakmile vyjedeme mimo toto pole, frézka se automaticky zvedne, aby nedošlo k poškození obrobku. Po návratu na dráhu se frézka opět automaticky spustí a pokračuje v práci.

Automatický posuv

Frézka mimo jiné disponuje také funkcí automatického posuvu s možností nastavení rychlosti posuvu v rozpětí 64 až 890 mm/min. To je výhodné zejména při obrábění problematických, tvrdých nebo silných materiálů, u kterých potřebujeme udržovat konstantní rychlost posuvu. Nepředstavujeme si ale prosím, že v tomto režimu se stroj pohybuje sám po pracovní ploše. I v tomto případě potřebuje ruční vedení. Avšak kompenzační mechanismus podle nastavené hodnoty vyrovnává pohyb nástroje tak, aby jeho rychlost byla konstantní bez ohledu na skutečnou rychlost posuvu frézky. V praxi to vypadá tak, že pokud je ruční posuv rychlejší než nastavená hodnota, vyrovnávací mechanismus pohyb nástroje zpomalí a naopak. Celou situaci v reálném čase sledujeme na obrazovce.

Pro případné zájemce závěrem ještě dodáváme, že cena kompletního setu (frézka, odsávací hadice k vysavači, 2 náviny s orientační páskou po 46 m, 2 montážní klíče a 3 základní typy stopkových fréz), dodávaného v přenosném plastovém boxu, je 2500 USD.

Autor: Radomír Čapka
Kontakt: radomir.capka@gmail.com
Foto: archiv autora