Maker + T = Market 造訪社團 » CNC

[自動化]

自動化的影響是巨大的！

自從自己組了第一台ＣＮＣ，然後沒多久又改了一台放大版的ＣＮＣ。

過程中，熟練３Ｄ繪圖軟體，熟悉加工程序和設定概念，漸漸到駕輕就熟。

自動化的成果漸漸展現～～～

但這不是結束，甚至還沒開始。

因為我理想中的完美境界還很遙遠，這只是一個里程碑，一個指標，一個足以突顯自動化帶來的巨大變化的嚐試。

在未來的世界裡，心想事成，隨手可得，卻十足專業。那才算是正式開始.....

而開始之後，那才是真正有趣的起點。

因為，當你心想事成後，你會想作什麼？

我想帶領人們投入新世代的懷抱，重新解讀他們所理解的世界。

於此同時，我心中有一股聲音，那會需要量子物理，會需要研究整理很多共通的現象，而那會改變人類世界。

現階段，我要作的，是極大化的自動化，然後把自己的意志快速複製呈現，再把自己的時間抽出來，去經歷一場物理洗禮。

PS: 準備著手金屬加工專用CNC，目標 2 條內。再下來就要準備往高軸數前進了。

[放大版CNC]

為了更輕易的加工木料和基本銅鋁片，將原先的CNC機台放大。

同時盡量減少背隙的影響。初步心得是時規皮帶的背隙問題有一個基本的概念，就是 F = mA。

這個 m 包括了驅動機構的重量，A 則是驅動它的加速度，而需要的這個力量 F 是馬達必須產生的拉力。

當這個拉力施加在皮帶上時，它對皮帶產生多少的變形，會決定你的背隙大小。

因此，解決的方式是在皮帶不斷裂的前提下，盡可能的提高張力 t 。當張力 t 遠大於 F 時，背隙的問題就會被有效抑制。反之，當 t 等於或小於 F 時，機器的背隙問題就會非常嚴重。

以上是個人的一點點心得，如果有錯，請用力鞭策，謝謝。

PS.
1. 加工範圍 750mm * 370mm * 40mm
2. 450W 修邊機當主軸

[關於 CNC]

在講 CNC 之前，首先要先把背景交待一下，稍候話題有跳脫的就不會回覆，不然這個議題太大。
第一，我是唸機械的，但那時還在車床銑床的傳統工法年代，CNC沒接觸過。
第二，在那個講究專才的時代裡，我念的東西很廣，但幾乎都是自修的，所以我現在的工作很多元，目前正在思考將能量集中的最佳切入點。
第三，繪圖在286年代時，AutoCAD我很熟，但在它差不多從 2D 開始轉 3D 時期，我就去忙別的了。

關於 CNC ，一言以蔽之，就是「工欲善其事，必先利其器」。

對於目前角色是經紀人的我來說，會從網路行銷、實體活動再回頭來看 3DP, CNC, Laser 這些 maker 們熱衷的東西，主要
的原因在於看到未來的市場需求以及人們的能力指標改變。那麼，究竟該作到什麼程度或用什麼方式達成，就有很多不同的思考方向了。

而我設定的目標只有八個字：心想事成、隨手可得。

現在開始來談 CNC。

CNC 簡單來講，就是你想作的東西，只要想好、畫好，然後機器就幫你作出來，不用自己動手加工。這樣講好像很簡單，但其實裡面處處是細節，是關卡。

首先，你想作的是什麼東西？很多 maker 可能聽到 CNC 就高潮了（我也是），但你想作的是什麼東西、什麼尺寸、什麼形狀、什麼精度、有多少預算，可能就把你推向不同的發展方向了。
關於這部份，建議是在 CNC 相關社團或者自己專注的社團裡留意相關的應用需求和發展，會比較清楚目前作到什麼程度，有那些選擇，要什麼代價。

關於「想好」，當你要作一個東西前，你得先想好這個東西可以怎麼作，有什麼差別，有那些工具。這過程當中，加法、減法都有可能，公規或特規也有可能。
這部份可能是最大的挑戰，因為對每個人來說，熟悉的工法和手上的資源差異很大，同樣一個問題，可能會有很多不同的解法。
這時候，你必須很清楚自己的需求和選擇，然後行動。

關於「畫好」，在離開機械領域二十幾年後，雖然 AutoCAD 還會，但其實一開始我也真搞不懂現在 3D 軟體的繪圖概念，慢慢從 123D design 到現在的 FUSION 360，我發現那是 scope 的改變。
以前的 AutoCAD 是在一個絕對座標概念下的產物，所有的繪圖必須從座標系統開始，然後一直延伸。現在的繪圖軟體走的是一個相對座標的概念，它可以有很多東西個別存在，然後從每個東西去看彼此的相對關係。
熟悉操作之後，就必須把自己想好的東西和作法畫出來，並且盡量在實際動工之前把設計的成果確認好，而不是邊作邊改，這樣會很沒有效率。

關於「機器就幫你作出來」，這是非常簡化的說法，但大原則就是「工欲善其事，必先利其器」。
也就是說，你必須完全清楚整個加工的過程需要那些步驟、用什麼材料、用什麼工具、有什麼問題、能怎麼解決或避免。
一切原本在人工操作下可以被執行的製程都確認後，再看你用什麼機器、用什麼軟體去控制它，然後用什麼 SOP 去防呆，確保成品的良率。

個人應用實例 - PROTON+ 鋁質固定隔板

‧想法
以我用 CNC 來切割 PROTON+ 需要的鋁質固定隔板來說，它的目的在於強化 PROTON+ 的幾根光軸的結構剛性、方便固定列印頭的塑料組件。
所以它就是被設定成 3mm 的鋁板，然後挖一堆螺絲孔、光軸孔和排線槽而已。
但是螺絲孔的定位必須準、尺寸必須準，才能固定得好，然後被包進列印頭裡。

‧畫法
我的 PROTON+ 是按照 ATOM 原本的 PROTON 用料和結構去走，但根據自己對 3DP 和機構的了解去作修正，再結合先前試作 PROTON 時發現的一些不方便的地方去作改良。
然後是在 123D design 裡面進行繪圖，基本的物件都先個別畫出模組，然後再進行組裝定位、修正相關零件的長度（尤其是螺絲）。

‧加工
受限於我手上這台鋁擠型組成的 CNC 強度有限，而且只有三軸，所以我個人的目標只設定在能加工基本的鋁材，了不起就是切割一下、挖一些孔為主。
在爬了一些文章發現一些小功率的主軸可能沒那麼實用的情況下，我最後選擇了木工用的修邊機來當主軸（反正木頭加工也是我的重點之一），然後用功率調變器來控制轉速，但扭力其實有影響，只能將就。
受限於這台 CNC 是採用 arduino + CNC shield 以 grbl 去作控制，這算是非常陽春的控制系統，基本上只作到了作動，其他很多 CNC 系統裡的常見功能它都不支援，所以用法也很陽春。
其他的常見功能很多，也沒有標準，像是：定位偵測、光學校正、工具更換、主軸控制、冷卻系統、刀具修正、.....。重點是你準備花多少錢買怎樣的東西。

所以，我的作法先是用一片鋼板來當作壓艙石，減少整個機台的配重失衡，減少震動，也提升平面度。（不然密集板其實很軟的，太大的震動很容易影響到刀子的精度和提高風險）

固定方面，因為這個 CNC 架構的 Z 高有限，加工的力量也有限，所以採用網路上很常見的雙面膠固定法。其實還不錯用。
底材主要是以木心板為主，用雙面膠貼在上鋼板上，然後再將材料固定在木心板上。
在這裡，如果要小量生產的話，就可以考慮作個簡易的治具，定位上就會快很多。但這也跟你的原材料有關，如果原料尺寸不準，這個就不準。
另外，因為沒有 WCS 量測功能，所以自動修正定位就別想太多。

固定好了之後，換刀和定位的問題也很重要。
所以我的作法是反向操作，先捉好材料擺放的位置、刀具運動的空間，然後對好加工的定位點，之後再把刀具移到某個方便換刀的位置，當成 HOME。
然後，我用了一個平常應該不會有人這樣玩的取巧方法，就是拿二個螺絲固定在軌道上，頂住ＸＹ的滑台。
這樣，只要滑台移到這二個位置後，就是回到 HOME 了。
這時，不管你怎麼換刀，基本上它的中心都是準的。

換完刀後，再看加工定位置和 HOME 的距離是移動多少，把刀移回去，然後調到 Z = 0.5 左右，就可以準備加工了。
當然，在加工前，會以更安全的距離實際試跑過，然後再用正式進刀的速度去跑。
另外，因為只能手動換刀，所以每一道工序都是獨立產生一個 NC 檔，然後以編號的方式一個一個執行。
而因為刀具定位點略高於材料，所以實際進刀量也會考量是否要貫穿而作一些修正。

基本上這樣的操作速度還算蠻快的，只是當然沒有全自動化的機台方便。但對我來說，CNC 現階段的價值就是把原本只能人工手動完成的工作，改成數位化控制而已，並不期待它能一步到位。

至於我看到的這台 CNC 問題，主要在於皮帶傳動的誤差，不容易消背隙，改螺桿會比較好。
另外，能用線軌和鑄鐵座的話，整體剛性也會提高。
制動部份，沒有伺服馬達，沒有光學尺定位，只能自己很小心加工力道和進給。
主軸部份，要加工什麼東西就適合什麼主軸，沒絕對標準，一分錢一分貨。

PS 1. 我覺得改螺桿、消背隙之後，CNC 對 maker 的用處就會很大，以銅或鋁的輕加工來說，很容易可以達到幾條內的水準。至於想要更硬的材料、更準的精度，就要好好算算投資報酬率了。
PS 2. 至於更完整的電控系統，我個人覺得那是操作方便性的問題。即使沒有，只要操作概念清楚，好像只要機器會動就可以了，但要在設計時把這些問題考慮進去。

以上，算是自己的一點心得筆記，跟大家分享。
又要忙一堆案子，該洗掉油污味，迎接香水味了。

[CNC 首作]

為了完成自己改良的 PROTON+，裡面有用到一片鋁板來強化結構，而它必須靠 CNC 來處理，所以拖了很久的原因就是 CNC 一直處於難以決擇的狀態。

在看了很多人的討論、實務機器的運作和手上的陽春ＤＩＹ版ＣＮＣ後，大致上的心得有了（另外找時間分享），所以就著手完成。

同時，因為相關軟體的陌生，也花了一些時間重新適應 FUSION 360，最後終於完成了這個關鍵零組件。XD

不過距離 PROTON+ 的誕生還有一段路要走。

[PROTON+ 概念圖]

大致上的關鍵修改目前就是這樣規劃的，然後預計再加上斷料偵測。

當遇到斷料時能自動退料、降溫、將噴頭歸回近端，等重新進料後自動復印。這部份的機制打算以「天線」的形式進行。
這次重新改機，發現一些設計的重點，有一些ＳＯＰ可以大大加速設計的進行，算是比較大的收穫。

至於 onshape 好像也有不少問題，大概是還沒用熟吧，趕時間就先跳過了。

如果有人想改空心光軸，可以給大家一個底，就是一根光軸大概是20塊台幣。不過受限於空心的狀況，固定方式自己想辦法，看是要車外牙，還是像我用夾的，這部份得再處理。

整體來說，改機後變成是單一機器，直接接 110V 電源即可使用，不會有其他外掛的東西，要提著走也很方便。然後保留了加裝熱床的可能性。

還有，噴頭的固定方式改為標準的 E3D 喉管，長度較長，噴頭的穩定性會比較好。

近接開關改用蝸型齒輪控制，方便微調。

最大的敗筆大概就是風扇了，因為氣流對空間動線的要求太高，沒有什麼太好的作法，又不想在這裡撐太久，所以先將就。

配電改為快拆式的，也就是整個噴頭模組是分成底板（負責結構固定和配電盤）和外掛模組（模組負責定位sensor、功能模組），然後以配電盤方式對接後固定即可。這部份的空間優化是一個值得研究的課題，難怪鴻海光靠作連接器就能起家。

PS 1. 這次的設計需要 CNC 協助，主要負責固定鋁板的銑鑽，以提升精度和強度；以及電路板的成型。不過目前手上的 CNC 只能將就用，希望不會讓成果打折扣。

PS 2. 這個專案算是一個比較完整又比較快能處理掉的項目，所以把它提前執行。在邊作邊學的過程中，計劃的變動性往往偏大，但每項計劃都能帶來成長，成為日後面對挑戰的基礎。

在部門負責撰寫plc程式的同事桌上發現這本～（今天他沒上班不曉得這本怎麼取得的）

找了幾頁 大家可能用的到的零件拍出來給大家參考看看～

接觸式感應精準度到1um倒是嚇到我⋯⋯=口=

Cnc 3DP 用這定位平面應該猛猛的⋯⋯

[2017 TIMTOS 工具機展參觀心得]

今年是工具機展兩年一度的大規模展出，所以到場的公司很多，可以看到的東西也不少。雖然這次我主要是發咩賺錢，但沒事我也在看一些技術的東西，來跟大家分享一下。

‧mu 等級的精度

隨著現在加工精度的提升，已經不是以條為主的規格了，取而代之的是動不動就以 mu 為主的定位或加工精度。雖然工件最後的精度還是條，但大多都是個位數了。

除此之外，其實加工速度也十分驚人，重切削和精修搭配，效率相當不錯。

但這讓我覺得在 maker 這邊的 3dp 和 cnc 恐怕要更提升才行，因為如果工業級的 CNC 能有這麼快的加工速度和精度，相對之下 maker 這邊的空間就很壓縮了。

‧ 潮流的推動

技術有潮流的特徵，一直在進步。但是，這條進步的河流沿線都是人家，都有人在。所以，要走到浪潮的前緣也行，要走在後面跟著也行，但得要有存在的本事。

走在前緣的部份，有時不是自己說了算，因為在這條供應鏈裡每個人的定位和每一個機器的價值都很明確，所以你得能和別人串起來才行，而不是自己在那裡自嗨。

這當中，還得從資源、機會和挑戰去思考，當你想掀這波浪時，希望的目標是什麼，帶給大家的願景是什麼。打中了，大家才會跟，你的努力才會有最大的價值。

這點，站在 maker 的立場看，可能視野要更宏觀一點。但這也突顯了一些商機。

‧ 機械手臂

在今年，機械手臂導入加工生產的比重更高了

雖然這個展不是以自動化為主的展，但也看到越來越多的機械手臂，讓整個製程和系統更加的彈性和自動化，而從這當中可以看到幾個關鍵之處，像是取放的機構、定位量測、排程。

這些是讓整個機器開始活起來的關鍵，漸漸把人的因素抽離，讓一切走向參數化和智能控制。從這點來看 3dp 就會覺得這還是很手工業，並不能很自動化的執行。雖然這和 3dp

本身的定位有關，但若以現況為自滿的話，恐怕 3dp 的存在空間也會越來越小。

‧ 3DP

這次的展看到的 3dp 廠商不多，大概不超過 10 家，絕大多數也算是一般般。但有看到 3dp 龍頭的 demo 件，已經達到非常高的完成度，整雙鞋子直接成型，而且非常細膩、顏色豐富。

雖然聽說一台要破千萬，但是看看那個成品，再看看 FDM 出來的，真的是天和地的差別。雖然 FDM、SLA和其他各種方法都有不同的適用領域，但從這角度來看 FDM 應該要更加強它的特色

和強項才行，不然可能會被忽略。

結論，精益求精，日新月異。

對這些技術和工具的掌握必須很快的上手，很有系統性的歸納整理，然後捉出最有效的執行流程和工法，那才能在未來的世界上有發言權，否則還是會嚴重落後。

若說原本很多傳統產業有「資訊落差」，那麼在未來的世界裡很可能多數人會對於日常生活中所使用的各種東西有「製造落差」，當人無法理解事情的運作、物品的生產方式時，

他的存在將會有十足的風險。因為他必須永遠當個消費者，任人宰割沒有發言權，這會很可怕。

[CNC測試]

目前找不到理想的主軸，從大陸進貨又很麻煩，所以拿之前木工用的修邊機來用。

基本上還是推得動，而且沒什麼失步。

切工業塑膠當然沒問題，試著雕鋁也是如履平地，不過放大看之後，散熱是很重要的問題。另外，刀具的類型能很重要，才能避免切削屑的黏著太明顯。

所以從這個情況來看，有幾點可以改善：

1. 加裝功率調變器來控制，目前這顆 30,000 RPM 太吵了，會被抗議。

2. 切削速度要符合材料特性和刀具建議值。

3. 要加個小型的冷卻劑循環系統才行。

[CNC 分享]

先講好，目前完成度大概只有1/2，雖然能動了，但有些東西仍然是腦補的。
因為馬上就要三月了，開始要步入活動旺季，剩下的幾天又要把 PROTON 裝起來，所以趁現在先作作筆記分享，免得忘了。

目前的 CNC 套件是二年前買的，一開始不熟沒裝完，而且又買了 ATOM 就都焦點轉到 ATOM，現在再回頭組裝，有了 ATOM 的 DIY 經驗幫助不少。

這台是台灣玩家改良美國 Shapeoko 2 所推出的套件，主要在鋁擠斷面有改良、用料也有更加強。

而我自己則是再替它加強了幾個地方，這就是要跟大家分享的。

‧Open build 開源

我個人很強調這個，所以在 3DP 部份我只會把時間放在開放的架構上，原因就跟這台 CNC 一樣，它是開源的，可以輕鬆擁有，但也可以強化改造。

所以原本台灣玩家改良了鋁擠，而我則是把它原本配的塑膠導輪，改為不鏽鋼導輪；原本的底板是密集板，我現在是在上面加了一大片 S45C 的鋼板，而鋁製的真空吸盤。

如果沒有開源，有些東西就很難搞。包括像 Arduino UNO + CNC Shield，如果自己用麵包板拉線，幾個小時就不見了，有擴充板省事太多。

‧F = m a

其實我沒操作過 CNC，所以這些都是腦補的。用的也只是國中物理和專科的機械概念而已。

CNC 的運作核心？在我來看，就是以 F=ma 這個公式為基礎的。為什麼呢？

這公式突顯了作用力等於質量乘以加速度。所以生活上有太多例子可以看出事情的發展，例如你拿一支小鐵槌打釘子到保麗龍、到木板、到地板、到鐵板，會得到不同的結果。

而這跟你拿的鐵槌大小、釘子的材質、長度、加工物的硬度和質量都有關係。

所以重點來了，以原本這台 CNC 的架構，有幾個根本的錯誤！

第一，是用塑膠導輪，這基本上強度和耐用性就有限。所以，我把它改成不鏽鋼導輪。

第二，是頭重腳輕，主軸(Z軸) > X、Y軸 > 底板，這表示它的誤差會很大。所以我在密集板上舖鋼板，增加底板質量和穩定性。

第三，Z軸的設計不良，馬達的擺設方式會造成結構強度的降低和質心的改變。所以我預計把它改成後置式。

這幾個地方的關鍵考量都是由 F=ma 出發。

因為，在刀座移動、加減速、接觸物件、切削的全部過程，它們都在運動，而這些力量會在整個機器，甚至工作枱上傳遞。

這時，錯誤的配重就會造成力量的不當傳送和吸收震動，讓整個物件和精度處於不穩定的狀態，無法維持良好的切削運作狀態。

所以簡單來說，這邊的改良就是讓整個機器盡可能處於 rigid body 的理想狀態。

這時，把焦點集中在刀具接觸工件時，雙方硬度、切削量、切削速度所產生的反作用力，以此來評估主軸強度、結構吸震性（或共振抑制），最後再看切削速度和散熱問題如何安排。

如此，才能確保機器能在它的容許範圍內發揮最大的加工能力並且具體合理的精度。

‧架構優化

目前這台 Shapeoko 2 的架構除了 Z 軸馬達應該改為後置之外（可降低機台高度，加強手輪，可加強 Z 軸扭力、降低質心），另外它的配線也是處於完全隨性的作法。

若以官方的配線來看，就是整把線綑一綑而已，實在不ＯＫ。

所以我在 X 軸和 Y 軸後面加了拖鏈，這樣就可以把線都藏起來，甚至把三軸都包起來。這樣作的好處是才不會因為切削碎屑亂跑卡到傳動部份，影響精度。

‧ATOM+ 之 CNC 模組

從這台 CNC 的組裝經驗中，我大致上看出了日後在 ATOM+ 上加裝 CNC 的努力方向和定位。

從定位來看，ATOM+ 的 CNC 加工會為木頭、塑料、石膏為主。主要的考量原因在於機台強度、結構質量分佈等，因此不會考慮金屬的部份。

從努力方向來看，傳動方式的改良（皮帶改螺桿、碳纖改金屬管）、定位方式改良（目前的邏輯是找出一個理想平面，再用加法運作，在CNC的邏輯要修正），五軸刀頭的最簡設計、無刷主軸的設計（沒錯，這得自己作，改良質心、轉動慣量、ER接頭、無刷電機、水冷），然後是軟體，以及主板改32位元，不然跑不動。

從用途來看，ATOM+ 的 CNC 可以擴大 3DP 的加法應用，加入減法，大大提升完成設計的彈性。

當然，如果把主軸改成噴頭，那就是升級成五軸 3DP 了。

從挑戰的難度來看，加工／切片軟體的開發是最難的，再來是硬體的設計測試，最後是韌體的修改，但這部份其實還好。

‧CNC 的再升級

以目前這台 CNC 來看，頂多是雕雕電路板、塑膠板和木板，切薄鋁片的話，有點勉強。重點會在主軸的功率、重量和使用的刀具，最後是進刀量。

鑽鋁片的話，應該也還ＯＫ，但散熱要留意，不然溫度上升、黏性上升後就變數大了。鐵板？洗洗睡先....

再升級的幾個重點會是：

1. 動力，至少改成 57 步進，然後改成螺桿傳動。最好是改伺服馬達。
2. 傳動，從鋁擠改為鋼製傳動組成，然後直接鎖在鋼板上。最好是二片鋼板夾心。
3. 驅動器，改為專用驅動器。另外，寧可用時規皮帶減速，也要少用驅動器的細分。因為細分的優點在於減少 over shoot，提升運動的穩定性，但不表示可以依賴它來維持精度。因此，精度靠減速比，而不是驅動器的細分。
4. 主軸的質量和功率，F=ma，所以相同的切削情況下，質量越大，加速度越小，等於震動越小精度越高。不過主軸也要穩就是了。
5. 換刀和校正的方便性，這部份是決定工作效率的重點，以目前的 DIY 版本來看，傾向使用三軸雷射定位。不過 sensor 很多，控制器很少的問題要先解決。

以上，跟大家分享。

若腦補有錯的地方歡迎指正，有相關經驗的也歡迎分享。謝謝！

先準備開工賺錢了，有空再繼續改良。

大家動起來啊～～～

裡面有一個關鍵零組件的應用不知道有沒有人看到，突破瓶頸就靠它了。

把 3DP, CNC, LASER 弄好，再來就是機器手臂和仿生設計了