Tastatore/Probe/Sonda 3D a stilo DIY - studio e sviluppi

Strumenti e metodi per la messa in quadro, la calibrazione e il posizionamento degli elementi strutturali delle CNC.

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Zebrauno
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Tastatore/Probe/Sonda 3D a stilo DIY - studio e sviluppi

Messaggioda Zebrauno » lunedì 8 marzo 2010, 13:20

Dopo aver ricevuto alcuni pm dal topic sulla Colibri' a riguardo della sonda autocostruita che utilizzo ho deciso di rispondere direttamente qui, con delle semplici spiegazioni utili a chi volesse costruirne una simile.

Si tratta di un tastatore a stilo che puo' facilmente essere usato con molti software oltre a quello della Colibrì, tra cui il buon Mach3, poiche' necessita solo di un canale da dedicare al Probe.

Partendo da una legge geometrica molto nota (per definire in modo univoco un piano basta una terna di punti) e da un'applicazione altrettanto comune (quella del primo brevetto Renishaw) ho deciso di disegnare da zero questo tastatore.

Prima di iniziare ho fissato questi punti al fine di garantire praticità , precisione e velocità  operativa:

- il corpo mobile della sonda deve essere il più leggero possibile
- il rapporto tra la lunghezza dello stilo e quella delle barre di equilibrio deve avere un rapporto almeno di 2:1, poiche' piu' sono lunghe le barre di contatto minore e' lo spostamento necessario allo stilo per farle alzare dal contatto
- il piano di equilibrio deve essere regolabile su tre punti in modo da poter correggere la verticalità  dello stilo
- la lunghezza fuori dal mandrino deve essere contenuta, per non limitare l'altezza massima dell'oggetto rilevabile
- il corpo esterno deve presentare 2 facce piane e parallele, in modo da poter verificare l'allineamento e per consentire il fissaggio della sonda ad un braccio retrattile, di fianco al mandrino
- lo stilo deve essere sostituibile e deformarsi in caso di pressione eccessiva, per non rovinare il pezzo e la sonda stessa

Infine ho cercato di mettere insieme un prototipo dal costo ridotto per riservarmi di poterlo evolvere o rifare da zero senza troppi scrupoli.

La soluzione delle sfere per cuscinetti l'ho immediatamente abbandonata: per il mio scopo serviva un diametro tra i 6 e gli 8mm e ho pensato che creare un alloggiamento preciso per una sfera non e' cosa semplice. In rete si vedono altri tastatori risolti usando un semplice foro di diametro minore della sfera in modo da tenerla in posizione e incollarla, ma piccole differenze di diametro o di spessore della colla portano ad errori di posizione molto maggiori rispetto alla precisione del diametro delle sfere stesse.

Ho scelto quindi di usare dadi esagonali ciechi a calotta semisferica, torniti in ottone.

Ingredienti totali:
- 6 dadi in ottone a calotta semisferica da 7mmx7mm
- 3 ganci ad L autofilettanti dorati, ricavati da tondino di 2mm di diametro (lung. lato non filettato: 15mm)
- un rivetto Stanley per fori da 3mm, lungh. rivetto 20mm, stilo 30mm
- 6 viti dorate 3x16mm a testa conica
- una molla, tolta da una penna a scatto e accorciata a 8mm
- uno spezzone di tondo in ergal da 7mm (va nel mandrino, avrei potuto usare qualsiasi altro tondino)
- un cubetto di faggio da 60x60x60mm, da cui ricavare il guscio e la sede per i dadi
- un riquadro di multistrato marino da 9mm di spessore (per i dischi che compongono la sonda)
- filo unipolare 0.25mm (ho usato del litz isolato al teflon)

- Principio operativo -

E' semplicissimo: i dadi sono appaiati e disposti sui vertici di un triangolo. I loro centri distano 8mm quindi 1mm di isolante li separa.
Le 3 barrette dorate sono isolate tra loro e dividono l'angolo giro in 3 (120°) in modo da poggiarsi tra le coppie di dadi.
In questo modo creano un contatto elettrico tra i dadi ed e' possibile costruire una catena di 3 interruttori in serie usando un filo unipolare. Un lato della serie di interruttori va al contatto PROBE del controller (o della parallela), mentre l'altro deve andare a massa (GND dei segnali in ingresso, se separata dalla massa generale).
La molla spinge il corpo della sonda in modo da tenere barre e dadi a contatto, mettendo quindi in corto PROBE e GND.
E' una catena di interruttori NC.
Qualsiasi movimento dello stilo (anche in verticale) aprirà  almeno uno dei contatti barra-dadi, e vi assicuro che la sensibilità  è altissima, basta un distacco di 1 micron, virtualmente anche meno, visto che la tensione in circolo e' di circa 5V.


Metto qualche foto che ho scattato durante la costruzione, e questo video del primo test (scansione a circa 20'000 punti/ora)

http://www.youtube.com/watch?v=0BYicK60MkU
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Canister » lunedì 8 marzo 2010, 14:20

Cazzarola ! :shock:

Veramente ben fatto, complimenti! Ho preso anch'io il controller colibrì e sono proprio cusrioso riguardo a qeusta tua realizzazione.
Resto sintonizzato :wink:

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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda grisuzone » lunedì 8 marzo 2010, 14:49

bel lavoro..se non ho capito male si può usare eventualmente come "scanner" 3D?
Saluti e grazie a tutti
Angelo

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Zebrauno
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Zebrauno » lunedì 8 marzo 2010, 15:17

Esatto, la scansione avviene sotto forma di file STL, quindi mesh, da parte del software Colibrì. A tutti gli effetti ne otteniamo un modello 3D con risoluzione scelta nelle impostazioni della scheda "digitizer".
Sotto Mach3 ed altri software di controllo che accettano il controllo di un tastatore l'output puo' essere sotto forma di punti, i quali vanno poi gestiti con un programma capace di ricreare superfici dalla "nuvola" scandita.

Durante l'uso ho verificato subito l'importanza di avere il corpo mobile leggero: la molla puo' essere regolata con un precarico molto ridotto quindi lo stilo si attiva con spinte lievissime (meno flessione) ed il gruppo mobile della sonda riesce a raggiungere alte velocità  di campionamento.
Come avete visto dal video la cnc si muove saltellando sulla superficie e su oggetti delicati la pressione della sonda deformerebbe il punto di rilievo falsandone il valore in Z.

Per ora lascio lo stilo di diametro 2mm, mi va benissimo per trovare il centro dei fori e verificare il posizionamento di grossi pezzi sul piano.

A tal proposito aggiungo un video che mostra l'esecuzione della routine Probing, nella cartella Samples del programma Colibrì.

http://www.youtube.com/watch?v=Kj6bpvF4BAs

Allego altre foto per dare un'idea delle dimensioni totali: 86mm di linghezza totale, 30mm di stilo, 42x42mmx28mm ingombro guscio.

ps: queste sono le foto del primo assemblaggio, lo stilo ha ora una punta semisferica e lo sto ricostruiendo con una filettatura per poterlo sostituire velocemente.
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Fabrizio88
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Fabrizio88 » lunedì 8 marzo 2010, 19:14

Ottimo lavoro!
Io ho preso un renishaw, ma mai usato...

Sono stato stupito dalla velocità  della nuvola di punti!
Si può vedere il risultato che hai avuto dal software?

velleca55

Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda velleca55 » lunedì 8 marzo 2010, 19:41

Bellissimo Zebrauno ... =D> ... complimenti ... adesso hai un oggetto di precisione "artigianale" ... nel senso di fatto a mano ovvio ... :D ...

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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Zebrauno » lunedì 8 marzo 2010, 21:45

Grazie a tutti :)
Cerchero' di costruire i prossimi curando anche l'aspetto, per ora lo uso con le pinze del mandrino ma l'obiettivo e' fissarlo su un supporto reversibile ben solidale al castello Z quindi la forma finale discenderà  dalla sua funzione.

Ho gia' fatto qualche prova, l'offset tra i due assi (tastatore e mandrino) e' semplicissimo da ricavare....basta azzerare gli assi XY, eseguire un foro di diametro generoso (fresa da 20mm per legno) scendendo in Z e trovare il centro del foro con la sonda....le coordinate lette sono quelle dell'offset 8) .

Appena rilevo qualcosa di complesso posto un STL, per ora lo sfrutto come un mulo per centrare e misurare l'allineamento dei pezzi sul piano.


ps: sto sperimentando diversi materiali per lo stilo, visto l'esiguo diametro cerchero' qualcosa di adeguato come il vetro o la ceramica rettificata o tondini in carbonio (in campo medico e dentistico si usano)

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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Grighin » martedì 9 marzo 2010, 1:56

ma guarda che storia! sei un mago!
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda tecnomodelli » martedì 9 marzo 2010, 8:10

Complimenti Zebrauno, bellissimo progetto e realizzazione. =D> .
Vorrei chiederti, la tastatura comprende anche il raggio del tastatore o il soft riesce a risalire alle effettive misure del pezzo?
Anche io ho un probe a bordo macchina e come tastatotri uso delle barrette widia fatte da un' officina che fabbrica utensili.
Se ti può essere di aiuto ti metto la foto della parte finale del probe, si nota che ha 3viti di staffaggio 3 tre di regolazione per cercare di mettere in asse il tastatore, e la parte in alluminio è fatta in modo tale da collassare se prende delle botte, il cambio del tastatore è molto agevole poichè è fissato solo da due grani da 2mm.Se non sbaglio i componenti mobili all' interno della testina sono a bagno d'olio.
La taratura viene eseguita su una sfera posizionata sulla tavola della cnc, ed un eventuale fuori asse di quest' ultima è compensata dal soft.
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Zebrauno » martedì 9 marzo 2010, 12:00

Sia il software della Colibri' che i vari g-code reperibili in rete tengono conto del diametro dello stilo (o della sfera in rubino).
Nel mio caso inserisco Raggio=1, poiche' il diametro dello stilo attuale e' di 2mm.
In questo momento l'escursione massima della punta e' di +-5mm sul piano XY e -5mm in Z; vedo che con questi margini posso far viaggiare il tastatore a grandi velocita' e soprattutto con spaziatura di scansione anche di 1cm (utile per definire in fretta dei piani).

Grazie per il dettaglio del tuo probe e per il consiglio del Widia, sicuramente ne terro' conto per la prossima release :wink:

Per la taratura e centraggio dello stilo ora faccio ruotare l'asse del mandrino vicino ad un oggetto fisso sul piano e sfruttando il Led che mi indica quando avviene la tastatura regolo le 3 viti che allineano tutto il blocco che ospita i dadi.

Faccio ancora qualche prova con grandi quantita' di punti e poi conto di mettere qui sul forum l'intero 3D del progetto, cosi' magari continuiamo a svilupparlo insieme....sempre nell'ottica di tenerlo costruibile da tutti.

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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Grighin » martedì 9 marzo 2010, 12:14

Per attivarlo in Z a fianco al mandrino puoi usare un pistone, pilotato con elettrovalvola abilitata con un codice M
cosi è tutto automatico ;)
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Zebrauno » martedì 9 marzo 2010, 22:06

Caspita, ho visto la tua macchina e le tue finezze pneumatiche...veramente un masterpiece :o

Penso che sconvolgero' interamente il progetto inziale imbarcandomi in qualcosa di inesplorato: un sistema di discesa e risalita comandato da uno stepper che sostituira' interamente il movimento del castello Z.

Voglio continuare sulla via della leggerezza del gruppo mobile, taglio la testa al toro e svincolo interamente l'asse Z dal peso di questi mastodontici castelli con elettromandrino.
Visto che dalla Colibri' posso scegliere profili macchina creati da me usero' il motore che comanda la Z del probe con accelerazioni e velocita' molto elevate, irraggiungibili muovendo l'intero castello come ora.

Ho deciso, voglio sfondare i 20'000 punti/h tenendo il costo totale bassissimo 8)
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda waregan » martedì 9 marzo 2010, 23:27

ottimo progetto. hai maggiori info su come usare la nuvola di punti generata da mach 3 e relativo wizard? io ho comprato un tastatore molto simile sulla baia e aspetto di poterlo provare e smontare. a prima vista ci si somiglia solo che mi e' costato parecchio. complimenti ancora

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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Zebrauno » mercoledì 10 marzo 2010, 13:55

Per chi volesse cimentarsi in modifiche e adattamenti, tenete a mente questi dettagli perche' influiscono molto sulla precisione finale:


- ogni scomposizione del guscio riduce la garanzia di allineamento tra l'asse che va nel mandrino e le pareti esterne del guscio, inclusa una riduzione della precisione di allineamento tra l'asse e le 3 battute interne che ospitano le 3 viti con cui allineate il piano sede dei dadi.

- nell'immagine allegata vedete come ho calcolato il braccio effettivo di leva sul piano di contatto: aumentare quel valore, senza allungare lo stilo, significa ridurre il rapporto tra i seni-coseni degli angoli e quindi aumenta anche la precisione.

- allungare lo stilo senza aumentare anche il braccio di leva sul piano, di conseguenza, ridurrebbe la precisione

Dai calcoli che ho eseguito ricavo che se la punta si sposta di 2mm il contatto si alza di 1mm (nella condizione peggiore) e questo e' il risultato del rapporto 2:1 che cercavo di raggiungere.
Allo spostamento della punta si deve aggiungere la sua flessione (vale solo per la parte esterna).

Ci sono molti progetti in rete ma non tengono conto di questo rapporto, e usano spesso uno stilo molto piu' lungo dell'effettivo braccio di leva sul piano, il quale sommato a sfere di diametro molto piccolo riduce ulteriormente la precisione teorica del sistema.

a presto
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Re: Tastatore/Probe/Sonda a stilo DIY - primo studio

Messaggioda Zebrauno » mercoledì 10 marzo 2010, 17:50

I collegamenti sono nell'immagine allegata.
Nella mia versione ho saldato il cavetto GND alla molla, questa preme sull'asta che entra nel mandrino il quale e' gia' collegato a massa-GND.

Dal corpo esce solo un cavo unipolare, per collegarsi al PROBE.
Se volete avere un segnalatore LED potete metterlo inserie al cavetto GND o PROBE.


NOTA: vedete nella foto l'orientamento di X e Y, e notate che i dadi sono ruotati in basso rispetto al disegno iniziale perche' questo e' il modo migliore di farlo lavorare. Avanzando in Y incontra la minima resistenza, muovendosi in X a destra e poi a sinistra ha una resistenza identica dunque sullo stilo viene esercitata la stessa pressione.
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