L'idea

Volendo motorizzare adeguatamente la mia proxxon mf70 ho deciso di montare motori più grossi di quelli del kit cnc611 che motorizza la mia rumorella e ho quindi sviluppato una elettronica nuova di zecca, bipolare, capace di erogare 7 volte più potenza rispetto alla cnc611, che pure era in grado di muovere la proxxon, ma a velocità assai piccole. Ho voluto mantenere la facilità d'uso e di cablaggio della cnc611, conservando i 5 ingressi digitali, le due uscite a relé, e la possibilità di arrivare fino a 5 assi semplicemente montando più integrati sulla scheda, poiché erano caratteristiche che mi erano piaciute tanto di quella prima scheda. Per la nuova scheda, oltre che più potenza, volevo il top della tecnologia esistente: microstep, bipolare chopping, onda sinusoidale pura di corrente, possibilità di regolare la corrente in base ai motori collegati, inscatolamento degno dell'elettronica presente all'interno.

 

Componenti smd

Consultando i cataloghi dei produttori di chip a caccia del chip giusto che mi consentisse di avere tutte le caratteristiche su menzionate, accompagnate da un'elevata efficienza elettrica e bassa dissipazione di calore, ho scoperto che i chip più recenti con lo stato dell'arte della tecnologia vengono resi disponibili solo in package smd dai produttori, sia per motivi di mercato (le grosse aziende con grossi volumi di acquisto preferiscono gli smd per la facilità di montaggio automatizzato rispetto ai th, e i produttori di integrati guardano prima loro, dati i grossi volumi, che agli hobbisti) ma anche per importanti motivi tecnici. Per poter ridurre l'effetto di risonanza a media velocità, bisogna accompagnare il motore per tutto lo step, grazie a un microstepping spinto. A passo intero, gli scatti e le successive oscillazioni attorno al punto di arrivo possono innestare i fenomeni di risonanza facendo bloccare o comunque perdere coppia al motore a media velocità. Chiunque ha una scheda full-step/half-step, se n'è accorto: in full-step il motore vibra a media velocità e può bloccarsi, l'half-stepping migliora leggermente la situazione; il microstepping spinto può risolverla completamente, consentendo prestazioni uniformi su tutta la gamma di velocità scandagliabili. Un microstepping spinto è possibile solo con una misura accurata della corrente assorbita, che a sua volta richiede poca capacità e distanza tra il pin dell'integrato e il resto del circuito: gli smd sono obbligatori per ottenere certe prestazioni, e usare gli smd su un adattatore smd-th non risolve il problema: gli smd vanno fisicamente montati sulla scheda, che va sbrogliata con criterio tenendo conto di tutti i vincoli.

La scelta degli smd era quindi obbligata, per non ritrovarmi con una scheda ingombrante, piena di componenti voluminosi, dissipatori e ventole, con componenti che hanno fatto la storia degli azionamenti, e tutt'ora validi, ma oramai superati dagli ultimi ritrovati tecnologici che l'industria dell'elettronica ci mette a disposizione. Per non rinunciare a niente, ho quindi optato per un chip nuovissimo, entrato in produzione nell'ultimo anno, per il quale non è possibile trovare schemi applicativi in rete ma bisogna per forza progettarsi il circuito da sé. Le sfide mi sono sempre piaciute, e ho quindi dovuto prima imparare a saldare gli smd, per poter avere la possibilità di fare prototipi di schede con il chip del quale mi ero innamorato. C'è voluto parecchio impegno, ma i risultati non sono stati niente male, con un saldatore a temperatura controllata, e tanta pazienza, si può imparare. Qui un video mentre saldo i componenti soic su uno dei prototipi della cobra; per i tssop è meglio procedere con crema salda e aria calda, invece, così da fare gran parte del lavoro tutto assieme; naturalmente poi occorre sempre ritoccare alcune saldature saltate o rimuovere alcuni ponti di stagno tra pin adiacenti procedendo comunque con il saldatore a stilo tradizionale, una lente di ingrandimento, e una mano ferma.

 

Gli sforzi

Tra cercare, scegliere e procurarmi il chip giusto, districandomi tra gli infiniti disponibili dai produttori ma non sul mercato, progetto del circuito senza poter fare affidamento a schemi collaudati da altri dato che il chip era appena uscito, ma solo sulle mie capacità con l'elettronica, le indicazioni del data sheet dei componenti, e l'esperienza maturata nei progetti precedenti, simulazione al PC delle parti simulabili, prove sul campo per le parti non simulabili, riaggiustamenti infiniti dello sbroglio in vista della dissipazione, piste critiche, piani di massa, ingombri (volevo mantenere la scheda, che ha più di 40 componenti smd e 25 th, e 5 assi, compatta nelle dimensioni di una eurocard 10 x 15, doppia faccia anziché 4 strati, anche se la cosa sembrava a prima vista impossibile dati i numerosi vincoli di sbroglio che il chip scelto imponeva), conti sulla dissipazione termica consentita dal PCB, non simulati dai software e che ho dovuto fare a mano in base alle superfici di rame presenti, imparare a saldare gli smd, procurarmi i componenti e gli strumenti di misura adeguati, fare 2 generazioni di prototipi, migliorare il processo di fotoincisione casalinga per poter incidere l'isolamento tra pin di 0,2mm appena, quasi non visibile a occhio nudo, saldare col timore di dover ricominciare da capo tutte le volte che avessi sbagliato qualcosa e avessi fatto saltare qualche componente in una nuvola di fumo, per un errore di progetto o una goccia di stagno a fare un corto circuito nel posto sbagliato, ci ho messo 4 mesi per ottenere una scheda (e quindi la proxxon) funzionante: da ottobre 2006 a gennaio 2007, e poi altri 2 mesi per migliorare ulteriormente il circuito, che ora reputo semplicemente perfetto.

 

I risultati

Gli sforzi sono stati premiati da risultati superiori alle aspettative. Utilizzando la cobra a poco più della metà delle sue possibilità, ho potuto motorizzare adeguatamente la mia proxxon mf70, già a dicembre 2006, potendo fare - e in tempi brevi - un mare di lavorazioni prima impossibili, inclusa la scantonatura dei pannelli di alluminio per il contenitore della cobra stessa, probabilmente il desiderio e sogno più grande di chiunque si diletti di elettronica: scantonarsi da sé i pannellini di alluminio per i propri circuiti, con precisioni e ripetibilità che solo una macchina cnc può consentire. Non posso descrivere la gioia per essermi progettato - e realizzato - da me una scheda del genere, e aver osservato che ha prestazioni superiori e costi inferiori rispetto a quelle montate sulle proxxon mf70 convertite a cnc da ditte che sono sul settore da tempo, ma che probabilmente si sono fossilizzate su vecchie idee e non riescono a trovare soluzioni di progetto realmente innovative.

Dopo 5 mesi di sperimentazioni, misure di fattori di qualità e revisioni di progetto sia sullo sbroglio che sul dimensionamento fine dei componenti critici, su tre generazioni di prototipi, la cobra può dirsi pienamente promossa ad ottimi voti e finalmente disponibile per tutti gli interessati a replicare le prestazioni che ho potuto ottenere, e che potete visionare sui video della proxxon al lavoro. 5 mesi di gestazione, ma il parto mi soddisfa: non credo nessuno sia mai riuscito a farci stare elettronica bipolare chopping 2A di ultima generazione per 5 assi, 2 relé, 5 input digitali, segnali di ingresso della parallela tutti bufferizzati da chip logici, tutto su una eurocard compatta e inscatolata elegantemente, dalle prestazioni eccezionali. Fa sempre piacere arrivare per primi ad una innovazione tecnologica.

 

Se sulla proxxon MF70 ho montato motori da 0,8Nm e 1,0Nm azionati dalla cobra, il top delle prestazioni della cobra è ancora oltre, e l'ho sperimentato con i motori da 1,2Nm / 1,8A bipolari, nuovi di fabbrica (il numero di serie indica gennaio 2007 come data di produzione!!!): tanto per fare una prova, ne ho messo uno su rumorella: la macchina è passata dai 130mm/min in rapido e 80mm/min in lavorazione che otteneva col cnc611, a 1000mm/min con ancora riserva di coppia per spingere e vincere un simpatico braccio di ferro, pur appesantita da bulloni e viti che avevo a portata di mano e ho postato sulla tavola. Anche i nuovi motori fanno la loro parte, poiché la tecnologia oltre che sulla sofisticatezza ed efficienza elettrica dei circuiti integrati, migliora anche sul fronte dei materiali ferromagnetici impiegati nella costruzioni dei motori, e le nuove leghe scoperte, che non esistevano 10 anni fa, consentono una magnetizzazione permanente del rotore dei passo-passo più forte e una entrata in saturazione più tarda dei nuclei: campo magnetico più forte, più coppia meccanica da trasferire alla macchina movimentata.