PC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im · PDF filePC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im Eigenbau Cpyright Clemens Simon [email protected] Seite 1 von 8 von Dipl.-Ing Clemens Simon

PC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im Eigenbau

Cpyright Clemens Simon [email protected] Seite 1 von 8

von Dipl.-Ing Clemens Simon

Es begann, wie so manches imLeben beginnt, damit, daß ichKugelumlaufführungen bei mei-nem Arbeitgeber im Schrott fand.Viel zu schade zum Wegschmei-ssen, dachte ich und erwarb siefür ein Butterbrot. Nun war derGrundstein gelegt. Nach undnach konstruierte ich um dieseFührungen eine Fräsmaschine.

Vorwort

Meine Erfahrungen beim Eigen-bau dieser Maschine möchte ichin diesem und im nächsten Heftbeschreiben. Dem Leser gebe icheine prinzipielle Anleitung zumNachbau. Weiterführende detail-lierte Anleitungen finden sich aufden Internetseiten von ThorstenOstermann bzw. dem Verlag,denn Hard.- und Software würdenden Umfang des Artikels spren-gen. Dort finden sich auch diePläne der Maschine, sowie dieSchaltpläne der Treiberkarte.

Hinweis zum Nachbau:

Obwohl der Aufbau so einfachwie möglich gehalten ist verlangter doch sehr viel mechanischesund elektrisches Geschick. DieseMaschinen sollte deshalb nicht IhrErstlingswerk sein. MassgenauesAnreißen, Gewindeschneiden undandere elementare Fähigkeitenim Metallhandwerk, sowie siche-ren Umgang mit dem Lötkolbensollte man bei Angriff diesesProjekts beherrschen. Auch dieBaukosten von ca. 2000 € sindnicht unerheblich und müssen beider Entscheidung zum Eigenbauberücksichtigt werden. Für all dieMühe erhält man aber eine CNCFräse, die massgenaue Teile amlaufenden Band produzieren kannund sich hinter den käuflichenMaschinen in keiner Weise zuverstecken braucht.

Der Artikel wurde von mir nachbestem Wissen und Gewissengeschrieben. Ich übernehmeallerdings keinerlei rechtlicheVerantwortung für die sachgemä-ße Ausführung der Anlage und allihrer Komponenten sowie Schä-den, die bei der Herstellung undbeim Betrieb der Anlage auftre-ten.

Das Konzept

Moderen CNC-Fräsmaschinensind mechanisch sehr steif ge-baut. Ihre Maschinenbetten sindaus Grauguß oder Polymerbetongegossen und die Schlitten sind

mit Kugelumlaufführungen undKugelgewinden ausgestattet umReibung und Wärmeeintrag zuminimieren. Angetrieben werdensie von Servomotoren. Die Ver-fahrwege werden über Glasmaß-stäbe gemessen und der SPS(Speicher ProgrammierbareSteuerung. = Engl. PLC) zurück-gemeldet. Angetrieben werdendiese Maschinen von frequenzge-regelten Motoren.

Alles zu aufwendig für den Mo-dellbau, dachte ich! Die meistenModellbauer haben einen PC mitparalleler Schnittstelle zu Hause.Manche auch noch einen älterenzweiten (ab 486 oder ähnliche).Das wird ein Teil der Steuerung!Als Grundgestell bieten sichAluminiumprofile an. Sie sindleicht zu bearbeiten, werdenzusammengeschraubt und sindbei den verhältnismäßig kleinenKräften, die bei den leichtenFräsarbeiten auftreten, steifgenug. Schwingungsproblemenkann begegnet werden, da dieProfile hohl sind und sich gut mitSand füllen lassen. Die Führun-gen und Kugelspindeln sindKaufteile. Davon hängt die Ge-nauigkeit ab und das können dieProfis besser. Deshalb habe ichhier nicht gespart. Als Motorenwerden Schrittmotoren einge-setzt. Diese sind sehr einfachanzusteuern und exakt genug,wenn sie nicht überlastet werden.Bei Überlastung bleiben dieMotoren einfach stehen was einegewisse Sicherheit bringt. Aufeine Rückführung des Verfahr-wegs wird verzichtet, was kostenspart. Deshalb wird eine mög-lichst genau geschliffene Kuge-lumlaufspindel verwendet. JederSteigungsfehler wirkt sich nämlichauf die Positioniergenauigkeitaus. Die Spindelsteigung wirdklein gewählt (2mm), da es nicht,wie in der Industrie, auf hoheVerfahrgeschwindigkeit ankommt,sondern auf Genauigkeit und aufAbsicherung gegen Schrittverlu-ste. Die Leistungselektronik wirdselbst zusammengebaut. AlsFräskopf wird eine Handelsübli-che Oberfräse mit variabler Dreh-zahl gewählt. Zur Absaugungdient ein üblicher Hausstaubsau-ger. Ein Kühlungschmierung wirdnicht vorgesehen. Eine Minimal-mengenschmierung ist jedochdenkbar. Genauso wie bei dengroßen Maschinen wird derHauptteil der Wärme über denSpan abgeführt. Die Softwaresteuert die Maschine wie einenDrucker an und sie wird auch amselben Stecker (Parallelport)angeschlossen.

Merkmale der Maschine

Ø CNC-gesteuert in 3 Achsen(ausbaubar bis 4 Achsen).

Ø Bahnsteuerung möglichsoweit die Software das un-terstützt.

Ø Fräsen, (Platinen-) Bohren,Folienschneiden, Kleberrau-penauftrag usw. möglich.

Ø theo. Schrittauflösung von0,0025 mm

Ø Geeignet für Holz und Alu-minium, Messing, GFK undähnliche Werkstoffe.

Ø Genauigkeit < 0.01mm auf100mm Länge

Ø Tischgröße 600*395mmØ maximale Fräswege

450*380mm*50mmØ maximale Geschwindigkeit

1m/min (abhängig von denverwendeten Schrittmotoren)

Ø Einfach zu bauenØ Leicht erweiterbarØ Leistungselektronik im

Selbstbau.Ø (alter) PC als Steuereinheit

verwendbar.Ø Keine Spezialkenntnisse für

die Programmierung (DINCNC).

Ø Schnittstelle zu CAD-Programm, um die Zeich-nungen direkt zu überneh-men.

Realisierung

Bei der Realisierung sind dreiHürden zu überwinden:

1. Die Mechanik

2. Die Elektrik

3. Die Software

In allen drei Gebieten kenne ichmich ein wenig aus, was denmeisten so gehen wird. Für eineKonstruktion einer Schaltung oderProgrammierung der Softwarefehlte mir zum einen die Erfah-rung zum anderen die Zeit. Des-halb bin ich wieder auf die Suchegegangen und wurde im Internetschnell fündig. Ich fand im Inter-net eine ganze Reihe von Anbie-tern, die Hard und Software fürschrittmotorgetriebene bzw.servogesteuerte Maschinenanbieten.

Die Maschine ist heute in derLage alle 2D und 2,5 D Fräsar-beiten auszuführen. Sie ist be-sonders gut für die Erstellung vonRippen und anderen flachenBauteilen geeignet, die so exaktgefräst werden können, daß siespielfrei zusammenpassen. AlsBeispiel sei hier ein Einziehfahr-werk aus Sperrholz genannt, das

Eigenbau Fräsmaschine

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nach dem Fräsen und Entfernender Grate nur zusammengestecktwerden brauchte.

Die Konstruktion

Das Gestell hat eine Größe von800*950*600 mm (B*T*H). Es istin Portalbauweise aus käuflichenAluminiumprofilen ausgeführt.Das hat den Vorteil, daß dieAchsen voneinander entkoppeltsind und getrennt ausgerichtetwerden können. Durch den ge-schlossenen Rahmen der X-Achse wird die Steifigkeit erhöht.Der Arbeitstisch bleibt vom Ma-schinenrahmen in jeder Stellungumschlossen. Deshalb kann dieMaschine bei Bedarf auch in einGehäuse gestellt werden. AlleAchsen lassen sich von Hand imausgeschalteten Zustand verfah-ren. Alle Achsen besitzen Kuge-lumlaufführungen sowohl für dieFührung als auch für die Vor-schubgewindespindeln. Somit istein leichter und präziser Lauf

garantiert. Die Gewindespindelnlassen sich spielfrei einstellen.

Die Maschine besteht aus Kauf-teilen und beinhaltet nur wenigSonderbauteile, damit der Nach-bau in jeder kleinen Werkstattleicht durchgeführt werden kann.Die Wahl fiel auf die Standarda-luminiumprofile von BOSCH(siehe Stückliste). Diese weisengegenüber anderen ALU-Profileneine höhere Steifigkeit auf undlassen sich mit den passendenSchrauben gut miteinander ver-binden. Dafür ist kein Spezial-werkzeug erforderlich. Die einzel-nen Halbzeuge lassen sich leichttransportieren bzw. verschicken.Außerdem kann man Sie mitfertiger Endenbearbeitung kau-fen. Die Enden der Profile müs-sen nämlich exakt durchbohrtwerden. Somit beschränkt sichder Zusammenbau auf das Zu-sammenschrauben. Eine Quellefür die Profile fertig bearbeitetenProfile befindet sich im Anhang.Alternativ lassen sich die Bauteileauch mit einer guten(!) Metall-

kreissäge ablängen. Wichtig isthierbei, daß die Schnitte exaktrechtwinklig sind und die Maße im0,1mm Bereich eingehaltenwerden. Bei eigener Endenbear-beitung ist eine Spezialvorrich-tung für die Bohrungen notwen-dig. Leider ließ sich nicht vermei-den, daß das ein oder andereBauteil doch als Sonderanferti-

gung nicht gekauft, sondern(selbst) hergestellt werden muß.

Die Frästeile müssen nachZeichnung angefertigt werden.Das ist für manche, die keineeigene Fräsmaschine haben diegrößte Hürde.

Der Frässtaub der CNC Maschinesollte unbedingt abgesaugt wer-den. Zum einen ist der Staub sehrschlecht für die Atemorgane undzum anderen setzt er sich überallab. Er kann sogar eine Explosi-onsgefahr darstellen. Besonders,wenn die Maschine für Holz oderGFK-Platten ausgelegt wird, isthierauf zu achten. Deshalb habeich eine Staubabsaugungsvor-richtung mit einem handelsübli-chen Staubsauger in denFräskopf integriert. Der Staub-saugerschlauch wird mit seinemGriff einfach in der Maschinefestgeklemmt. Hier muß dieZeichnung eventuell für einenanderen Anschlußdurchmesser

Abbildung 0: BohrvorrichungBOSCH Bestellnummer3.842.521.660

> 0.5- 400

Nicht tol. Winkel nach

DIN ISO 2768 T.1-m

Bosch - N13 B92

roh

±±

ges.

gepr.

gez.

ISO EMaBst abKantenent gratet

Benennung

Blatt

Z- Nr.

Kl.-Nr .

v. Bl.

gez. g•ltig lfd.Nr.Stck. Teil Werkstoff/Bestellbezeichnung

Datum Name

verwendet bei

„hnl.

Er s. f.

er s. d.

Nr. •nderungNicht tol. MaBe nach DIN ISO 2768 T.1-m

Rauheitsang. n. N51 W25 (DIN ISO 1302)

- 6 - 120- 30

±0,1 ±0,2 ±0,3 ±0,5

> 6 > 30 > 120

Einsatz/Indukt.

u. angelassen Eht =geh„rtet HRC=

hart

St off

a b c d

Rz63 Rz16 Rz4 Rz1

Orig.A 3

Oberfl.

Alle Rechte bei Robert Bosch GMBH, auch f•r den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verf•gungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei uns.C

Orig. bei AT-MOn.N67F

AT-MO - Montageanlagen

AT-MO/EMA

Simon

Fraese

500,0 mm

90,0 mm

2,0 mm*45°4* M4*15

9,0 mm

39,2 mm

68,0 mm

D=9,0 mm

45,0 mm

90,0 mm

45,0 mm

D=18,0 mm 15,0 mm

Abbildung 0: Zusammenbauzeichnung ist als Datei im Internet abrufbar





des Staubsaugers angepaßtwerden.

Die Antriebstechnik

Bei der Auswahl der Antrieb-stechnik gibt es grundsätzlichzwei Möglichkeiten:

1. Schrittmotoren und

2. Servomotoren

Schrittmotoren besitzen denVorteil der geringeren Kosten beiAnsteuerung und Motor und sindvom PC leicht anzusteuern, dasie die digitalen Signale (fast)direkt verarbeiten. Sie besitzen,jedoch eine geringere Dynamikals Servomotoren. In der einfach-sten Form werden die Schrittevon der Steuerung nur ausgege-ben und nicht überprüft, ob der

Motor den Schritt auch ausgeführthat (z.B. Rückmeldung überDrehgeber). Das setzt voraus,daß der Motor stark bzw. schnellgenug ist, um die Schritte takt-genau auszuführen. Schrittfehlerwerden bei diesem Verfahrennicht erkannt.Servomotoren sind aufwendiger,brauchen immer eine Rückkop-pelung (Drehgeber) und sinddeshalb kostspieliger. Deshalbwurde auf den Einbau verzichtet.

Die Schrittmotoren werden übereine Treiberkarte direkt mit demParallelport des PCs verbunden.Der PC steuert die Fräse wieeinen Drucker an. Für die An-steuerung reicht ein alter ausge-musterter 486 aus, denn dieSoftware läuft unter DOS. Damitentfallen alle Probleme, die man

sich bei Interruptsteuerung unterWindows einfängt. Zur Übersichthabe ich ein Blockschaltbild derFräse erstellt, das das zusam-menwirken der Baugruppen zeigt.Das Verbindungskabel zum PCmuß selbst gelötet werden., jenach dem welche Software ver-wendet wird. Leider weicht dieBelegung der Ausgänge bei deneinzelnen Programmen vonein-ander ab. Hier sollten Sie mitSorgfalt vorgehen und die Leitun-gen mit dem Durchgangsprüfernach dem Löten nochmals über-prüfen, denn es besteht die Ge-fahr der Zerstörung der PCSchnittstelle. Ich empfehle hiersowieso auf eine einfache paral-lele Zusatzschnitstelle auszuwei-chen, denn bei den neuerenBoards sind die Schnittstellenmeist auf dem Motherboard

integriert. Eine Optokopplerkarte(galvanische Entkopplung) wirdvon Thorsten Ostermann eben-falls angeboten. Sie stellt beiKurzschlüssen auf der Treiber-karte eine vollständige Entkopp-lung zum PC sicher. Es ist keinMuß aber ein zusätzliches Maßan Sicherheit.

Die Teiberkarte

Die Treiberkarte verstärkt dieSignale des PC´s. Sie übernimmtdie Stromabsenkung im Fall desStillstands der Motoren underhöht den Strom beim Anfahren.Außerdem steuert Sie über eineZusatzplatine die Fräse und dieStaubabsaugung an.Sie muß im Eigenbau erstelltwerden. Diese Karte kostet zu-sammen mit den Bauteilen ca.

Netz-werk

Motorx-Achse

Motory-Achse

Motorz-Achse

Motorc-Achse

BÜRO:schneller PCmit CADProgramm

WERKSTATT: mitlangsamen PC mitNC- und Konvertie-rungsprogramm

Optoent-kopplerkarte

Treiberkarte 1Zusatzkarte 2Relais+ Stromver-sorgung

Sta

ubsa

uger

Endschalter x-Achse

Endschalter y-Achse

Endschalter z-Achse

Endschalter c-Achse

Notausschalter

Notwendig

Option

Frä

sspin

de

l

Zusatzplatine der SchrittmotorsteuerungHauptplatine der Schrittmotorsteuerung





150€ und unterstützt bis zu dreiSchrittmotoren. Entwickelt wurdedie Karte von Thorsten Oster-mann. Die Platine ist mit derAnleitung und einem feinen Löt-kolben gut zu bauen. Man sollteunbedingt dem Rat von HerrnOstermann folgen und die Lei-stungsbauteile gesockelt ausfüh-ren. Auf die Grundplatine sollteunbedingt die Zusatzkarte ge-packt werden. Sie enthält unteranderem die Stromversorgung,Relais für die Staubsauger undFrässpindel Ein/Ausschaltungund die 4. Achse. Die Karte mußnicht voll bestückt werden, wenndie ein oder andere Funktionnicht benötigt wird. Sehr hilfreichist jedoch die Bereitstellung der 5und 12V Versorgungsspannun-gen, die sonst über 2 zusätzlichegeregelte Netzteile bereitgestelltwerden müßten. Ausstattungs-merkmale der Schrittmotorkarte:

• 3 Kanäle (erweiterbar auf 4)• Einstellbar von 0,2A bis 2,1A

pro Phase; bei geänderterBestückung sind auch klei-nere Ströme regelbar

• bis 44 Volt Motorspannung• Logik TTL-kompatibel (5Volt)• Anschluß an PC-Paralellport

oder Mikrocontroller• kompatibel zu PCNC, CNC-

Profi, DIN-CNC, EMC,...• Halb-/ Vollschritt• Zwei verschiedene Chop-

permethoden (Stromrege-lung auf Phase- oder Inhibit-Leitung)

• Logik für 4 Referenz-/End-und einen Notausschalterintegriert

• Anschlußmöglichkeit fürverschiedene StatusLED´soder Erweiterungsplatine

• Motorstrom über Spindel-trimmer pro Kanal einstellbar

• Chopperfrequenz überSpindeltrimmer einstellbar

• Referenzspannung fürStromregler kann von Außeneingespeist werden

• "Smoothing-Funktion" füroptimales Drehmoment imHalbschrittmodus

• Stromaufnahme (5V-Teil)typ. 250mA

• Für nahezu alle uni- undbipolaren Motoren mit >=1,6Ohm Wicklunswiderstandgeeignet

Mit der vierten Achse kann z.B.ein Rundtisch.oder ein Tangen-tialmesser angesteuert werden,wenn Aufkleber geschnittenwerden sollen.

Die wichtigsten Ausstattungs-merkmale der Aufsatzplatine:

• 1 Schrittmotorkanal• Einstellbar von 0,2A bis 2,1A

pro Phase.; bei geänderter

Bestückung sind auch klei-nere Ströme regelbar

• bis 44 Volt Motorspannung• "Smoothing-Funktion" für

optimales Drehmoment imHalbschrittmodus

• Logik TTL-kompatibel (5Volt)• Anschluß an die 3-

Kanalkarte, an den PC-Paralellport oder Mikrocon-troller

• Halb-/ Vollschritt• Zwei verschiedene Chop-

permethoden (Stromrege-lung auf Phase- oder Inhibit-Leitung)

• Temperaturüberwachungund Lüftersteuerung (auchfür die 3-Kanal Karte)

• Als Erweiterungsplatine zu'Step-3D' oder einzeln be-nutzbar

• 2 Relais für Frässpindel,Staubsauger o.ä.

• Onboard Schaltregler erzeu-gen 5V (für die Logik) und12V (für Lüfter und Relais)aus der Motorspannung, da-bei sind jeweils 500mA fürexterne Komponenten 'üb-rig'.

• Stromaufnahme (5V-Teil)typ. 250mA

• Für nahezu alle uni- undbipolaren Motoren mit >=1,6Ohm Wicklunswiderstandgeeignet

Bei Aufbau folgt man der ausführ-lichen Anleitung von ThorstenOstermann, die beim Kauf derKarte mitgeliefert wird. Die Ver-sorgungsspannung läßt sich übereinen Halogenlampentrafo undeinen Gleichrichter recht leichtbereitstellen. Auch diese Schal-tung beschreibt Herr Ostermanngenau in seiner Anleitung. Beischwachen Stromnetzen imHobbykeller empfiehlt er alterna-tiv das Universalnetzteil, mit demder Einschaltstrom bergrenztwerden kann und die Sicherun-gen geschont werden.

Frässpindel

Als Frässpindel verwendet maneine Oberfräse aus dem Bau-markt mit Standardanschlußø43mm. Die gezeichnete Halte-rung ist optimal an die BoschOberfräse angepaßt. Man solltebei der Auswahl der Maschinedarauf achten, daß die Spindelbei Höchstdrehzahl nicht zu lautist und daß sie sehr hohe Dreh-zahl (bis ca. 30000 1/min) hat.Diese sind unentbehrlich beiVerwendung von Hartmetallfrä-sern mit keinen Durchmessern,wie sie z.B. die Firma Conradgünstig anbietet Da meist sehrkleine Fräser (ø<3mm) zumEinsatz kommen ist es wichtig,daß Spannzangen in den unter-

schiedlichen Durchmessernangeboten werden (ø3; ø3,17; ø6; ø8). Da die Spindel auf derMaschine sehr langem Dauerlaufausgesetzt ist sollte man auf guteQualität und wechselbare Kohlenwert legen. Eine gute Maschineist z.B. die Oberfräse der FirmaKress.

Zum Fräsen eigenen sich kleineHandfräsen (Fa. Proxon; Dremel)nicht, wie sich bei mir in derVergangenheit gezeigt hat. DieLager sind für die Belastungen imDauerbetrieb nicht ausgelegt.

Das obere Ende der Frässpindelnbilden sog. Hochgeschwindig-keitsspindeln, die eine max.Drehzahl bis zu 60000 1/minhaben. Damit lassen sich dannauch sehr gute Oberflächenerreichen. Diese Spindeln werdenz.B. von der Fa. ISEL angeboten.

Sicherheit

Das Kapitel Sicherheit ist sehrwichtig. und muß auf jeden Fall.gut berücksichtigt werden.

Von der Anlage gehen folgendeGefahren aus:

• Quetschgefahr an den Ti-schen.

• abspritzende Späne/ Bohrer/Fräser (bei Bruch)

• Gefahr durch 220V Span-nungsversorgung.

• Gefahr durch rotierendenFräser

Deshalb ist ein fest montierterund entsprechend großer Not-ausschalter sehr wichtig. DerNotausschalter schaltet dieSteuerung stromlos. Gerade beiden ersten Fräsarbeiten werdenSie ihn zu schätzen wissen.

Alle Antriebe bleiben sofort ste-hen. Leider läuft die Spindel derOberfräse noch nach. Dies läßtsich nicht verhindern, da auf einekäufliche Oberfräse ohne Bremsezurückgegriffen wird.

Der Notausschalter und alleEndschalter sollten als Öffnerausgeführt werden. Sobald einSchalter geöffnet ist oder eineLeitung bricht wird der Stromkreisunterbrochen und die Maschineschaltet ab. Werden Endschalternicht benötigt (z.B. C- Achse) sosollten sie gebrückt werden,damit sie schaltungstechnischeinen definierten Zustand haben.Ich habe bei meiner Anlage langenach diesem Fehler gesucht, weildie C- Achse „offene Ausgänge“hatte und dadurch immer wieder

Spannungsspitzen eine Abschal-tung verursachten.

Ein Endschalter wir jeweils zumReferenzieren verwendet. Das istungewöhnlich und wird nur indieser Sparversion einer CNC-Maschine so aufgebaut. Es ist-deshalb wichtig daß die End-schalter ein kleine Schalthystere-se haben. Das bedeutet, daß derWeg, den der Schlitten bei Ein-schalten des Schalters und beimAuschalten des Schalters zu-rücklegt möglichst klein sein muß.Achten Sie deshalb bei der Aus-wahl der Taster auf gute Qualität.

Die Schaltung sowie der 220VTeil der Steuerung sollten aufjedem Fall von einem Elektriker-meister abgenommen werden. Erbesitzt Meßgeräte, mit welchen erdie Anlage abnehmen kann undz.B. die Güte der Erdung messenkann. Dieses Geld sollte IhnenIhre Gesundheit wert sein. Las-sen Sie sich die Mängelfreiheitschriftlich bestätigen!

Der Aufbau

Begonnen wird mit den Seiten-teilen. Die Pfosten (Pos 2) wer-den auf den Bodenträgern (Pos1) montiert. Die Querstreben (Pos3, 4) werden anschließend befe-stigt. Das Grundgestell stehtdamit schon. Nun können dieQuerstreben und die Auflagen fürdie Führungen eingebaut werden.Es ist auf einen exakte Ausrich-tung zu achten und darauf, daßdie Profile parallel zueinanderangeschraubt werden.

Ausgerichtet werden die Führun-gen nacheinander mit einer Me-ßuhr. Die Meßuhr wird mit einemMeßstativ (mit Magnetfuß) so aneinem festen Punkt angebracht,daß beim Entlangfahren desSchlittens die Abweichungengemessen werden können. DieFührung ist dann ausgerichtet,wenn die Anweichung auf dergesamten Verfahrstrecke unter0,1mm liegt. Das Ausrichten mußin allen 3 Achsen erfolgen und ist

ein sehr Zeitaufwendiger undschwieriger Prozeß. Leider kanner nicht abgekürzt werden, da von

Schlitten





Ihm die spätere Genauigkeit derMaschine abhängt.

Prüfen Sie alle Achsen, ob sieleichtgängig in jeder Stellunglaufen. Klemmt eine Achse mußdies korrigiert werden, da dieSchwergängigkeit durch dieFräskräfte verstärkt wird und dieszu Schrittverlusten führen kann.Dadurch können Fräsfehler ent-stehen.

Inbetriebnahme derHard- und Software.

Vor der Inbetriebnahme derElektronik sollten Sie mit einemstrombegrenzten Netzteil zu-nächst nur die Platine ohne Moto-ren prüfen. Dazu stellen Sie amNetzteil einen maximal zulässigenStrom von 500mA ein und ca.14V Spannung ein. Liegt einKurzschluß vor steigt der Stromüber den Wert und wird begrenzt.Sie müssen dann zunächst denFehler suchen (Lötzinnbrücken;falsch herum eingelötete Bauteileusw.). Ist der Strom wesentlichkleiner ist alles in Ordnung. Re-duzieren Sie die Strombegren-zung so, daß die Schaltung gera-de noch versorgt wird.

Schließen Sie alle Endschalterund den Notausschalter an.

Schließen Sie die Motoren nochnicht an!

Nun kann die Platine über dasDruckerkabel mit dem LPT1 Portdes PC (Druckeranschluß) ver-bunden werden. Wenn Sie dasProgramm CNC-Profi geladenhaben und unter Einstellungenden richtigen Druckerport ausge-wählt haben sollten Sie bei kor-rekt verbundenen Endschalterndie Signale auf dem Bildschirmsehen. Wenn nicht kann es amKabel liegen. Bei älteren Kabelnsind nicht alle Leitungen durch-geschleift. Eine andere Fehler-quelle ist das BIOS. Prüfen Sieob der LPT1 Port aktiv ist undwelcher Port angesprochen wird.

(h378 oder h278). Die Zahl mußmit der CNC-Profi Einstellungidentisch sein.

Wenn die Verbindung einmalhergestellt ist, dann folgen Sieden Anweisungen im CNC Profi.Stellen Sie auf jeden Fall dieFunktion des NOTAUS- Schalterssicher.

Ist die Schaltung soweit in Ord-nung und reagiert auf die Steuer-befehle des PC, dann kann zu-nächst 1 Motor angeschlossenwerden. Dazu wird auch derHalogenlampentrafo angeschlos-sen. Die Wechselspannung wirdüber einen einfachen Brük-kengleichrichter und einen SiebElko geglättet. Aufgrund derhohen Kondensatorkapazität istab diesem Zeitpunkt äußersteVorsicht geboten. Bei Anschlußist auf die richtige Laufrichtung zuachten (muß erprobt werden).Diese kann durch vertauschender Leitungen an einem Mo-torstrang geändert werden.

Schließen Sie die Achsen nurstromlos an und vermeiden SieKurzschlüsse. Kurzschlüsse auchkurzzeitig führen zur Zerstörungder Endstufen. Diese können zumGlück getauscht werden, weil siegesockelt sind.

Für die korrekte Funktion müssendie x,y,z Achsen so angesteuertwerden, daß sie ein sog. Recht-

system bilden.

Die Steuerung geht davon aus,daß die Achsen in dieser Rei-henfolge und in der gefordertenRichtung angeorndet sind und einVerfahren in positive Richtungauch entsprechend der Skizzeausgeführt wird. Bei MeinerMaschine führte dies dazu daßder Koordinatenursprung vorneam linken Maschinentischrandliegt und daß eine Zustellung innegative z-Richtung erfolgt.Daran muß man sich erst gewöh-nen.

Funktioniert die erst Achse kor-rekt und wird auch die Referenzkorrekt gefunden, dann könnendie anderen Achsen angeschlos-sen werden.

Anpassung der Software

Bevor mit dem Fräsen begonnenwerden kann sind zunächst vieleEinstellungen in CNC Profi zumachen. Der Einfachheit halberhabe ich die Parameter meinerMaschineneinstellung zusam-mengeschrieben.

Um konfortabel zu arbeiten habeich dem alten DOS ein Freewa-remenue verpasst. Die entspre-chenden Dateien können beiThorsten Ostemann downgeloa-ded werden.

Von der Zeichnung zumCNC-Bauteil

Es ist nicht notwendig, daß Siedie für Industriesteuerungennotwendigen Maschinenbefehlelernen. Die Maschine kann eineentsprechend aufbereitete Zeich-nung verarbeiten. Dabei interpre-tiert Sie unterschiedliche Farbenals unterschiedliche Fräsbahnen.Die Leerfahrten zwischen denLinien generiert die Softwareselbst.Den Ablauf möchte ich anhandeines Einziehfahrwerks beschrei-ben, das im Eigenbau hergestelltwurde.Ich beschränke mich auf die bei

mir aufgebaute CAD-SoftwareAutosketch und die Maschinensoftware CNC-Profi, da es schwermöglich ist alle Kombinationenvon CAD-Programmen und Ma-schinensteuerprogrammen zutesten und in diesem Rahmenvorzustellen. Man kann natürlichauch jedes andere CAD Pro-gramm verwenden, das Dateienerzeugen kann, die vom Fräspro-gramm gelesen werden kann. DerAblauf wird prinzipiell ähnlichsein.Schon bei der Zeichnungserstel-lung muß man die spätere Bear-beitung berücksichtigen.

Phase 1: Zeichnungserstel-lung:

Zunächst entsteht die Gesamt-zeichnung im Maßstab 1:1. DieseZusammenbauzeichnung zerlegtman dann in ihre Einzelkompo-nenten. In Autosketch kann mandas sehr gut über die Funktiongruppieren erledigen. Da späterjedem Fräser eine Zeichenfarbezugewiesen wird bedeuten glei-che Farben, gleichen Fräserarten.Man kann sich schon jetzt über-legen, mit welchem Fräserdurch-messer später gefräst wird.Ich verwende Hartmetallfräser,die etwa die halbe Materialdickedes Werkstücks haben. Im Bei-spiel wurde ein 3mm dickesSperrholzbrett mit einem Fräserø1,5mm in einem Durchganggefräst. Bei dickeren Bauteilenkann man im Fräsprogramm einNachsetzen der Kontur anwählen.Die Frässoftware arbeitet dieElemente in der gleichen Rei-henfolge ab, wie sie gezeichnetund gespeichert wurden. DieFräsbahnen (im Beispiel blaugezeichnet werden gegenüberder Werkstückkontur (schwarz)um den Fräserradius versetztgezeichnet und zwar nach innen,wenn es sich um eine Innenkon-tur handelt und nach aussen,wenn es sich um eine Aussen-kontur handelt. Dabei ist klar, daßInnenkonturen stets zuerst ge-zeichnet werden, denn wenn dieAussenkontur einmal durchtrenntwurde, ist das Bauteil nicht mehrmit seiner Umgebung verbunden

Zusammenbauzeichnung des Einziehfahrwerks Einzelteile des Einziehfahrwerks:

x

y

z

+-

+-

- +





und somit nicht mehr gespannt.Damit der Fräser die Bahn ineinem Zug fräst müssen dieeinzelnen Zeichenelemente einerInnenkontur miteinander zu Poly-gonketten verbunden werden.Optisch erkennt man keinenUnterschied. Intern werden dieElemente aber anders angeord-net, so daß eine Linie, die aneinen Viertelkreis anschließt mitdem Viertelkreis ein Elementbildet.So entstehen die blauen Bahnen.Bohrungen werden in der ent-sprechenden Größe einfach rundherausgefräst. Bereiche, die tieferausgespart werden sollen z.B.Taschen werden von mir einfachmit einer Schraffur im Abstanddes Fräserdurchmessers-0,1mmversehen.Im letzen Schritt werden alleElemente angewählt und solangeaufgelöst, bis sie in den sog.Primitives (Kreis, Linie usw.)vorliegen. Ohne das Auflösenwerden manche Elemente nichtrichtig konvertiert.Die fertige Datei mit den Fräs-bahnen werden als DXF-Datei(Autocad Version 12 !) abgespei-chert. Anschließend müssen dieDaten in ein maschinenlesbaresFormat konvertiert werden.

Phase 2: Konvertierung in einmaschinenlesbares Format.

Die Konvertierung erstellt aus derDXF-Datei eine plt-Datei, die vonCNC-Profi verarbeitet werdenkann. Der Umweg über die Kon-vertierung ist notwendig, weil derdirekte Weg über den MicrosoftWindows Druckertreiber nichtzufriedenstellend funktioniert. Beider Konvertierung kann man zweiWege gegen.1. Konvertierung über ein

Programm das beide Dati-formate unterstützt z.B. Co-rel Draw oder

2. Konvertierung überDXF2HPGL das speziell fürdiese Anwendung geschrie-ben wurde.

DXF2HPGL ist ein Freeware-DOS Programm, das auchbatchgesteuert funktioniert. Alszusätzlich Funktionen könnenautomatisch der Nullpunkt ver-schoben werden und die Skalie-rung geändert werden. Ein inte-grierter Viewer ermöglicht dieVorabkontrolle der Fräsbahnen,denn gezeichnet wird in dergleichen Reihenfolge wie spätergefräst.Bei Corel-Draw muß die Datei alsDXF importiert werden um alsPLT-Datei exportiert zu werden.Wichtig ist, daß ein Faktor von1016 eingestellt wird, damit dieSkalierung paßt.Nun kann CNC-Profi aufgerufenwerden und die Fräsparameterden Farbe zugewiesen werden.

Einstellung in CNC-Profi

Vor jedem Fräsdurchgang sindfolgende Punkte zu prüfen undgegebenenfalls einzustellen. Ichhabe Sie in Form einer Checklistezusammengestellt. Nähere De-taills entnehmen Sie bitte demumfangreichen Handbuch.Checkliste:þ Maschine aus? Fräse aus?

Absaugung aus?þ plt-Datei ladenþ Skalierung prüfen (F5).þ Prüfen Sie: Konvertierung

der CAD Daten in Ordnung?Wurden alle Kreise und Po-lygone richtig interpretiert.Werden alle Kreise ange-zeigt?

þ Fräsablauf im Grafikmodusüberprüfen (innen vor au-ssen)

þ Position des Werkstücks inOrdnung. Eventuell ver-schieben, so daß es auf denMaschinentisch passt.Anmerkung: Ich habe mir aufden Maschinentisch Markie-rungen mit einem Zentrie-bohrer gefräst, die mir dasgroße Positionieren desWerkstücks erleichtern.

þ Zuordnen der Vorschübeund Schnitttiefen zu denFräsern.

þ Auswahl der zu fräsendenFarben. (Werkstückkonturselbst darf nicht gefräst wer-den!)

þ Fräsernullpunkt einstellen.

Das Fräsen

Am Anfang jeder Fräsarbeit stehtdas Referenzieren des System.Das bedeutet, daß alle Achsenzunächst ihren Nullpunkt suchenmüssen, denn wir haben keinAbsolutmeßsystem in unsererMaschine integriert. Als nächstesmuß der Fräser „ankratzen“. Manschaltet sich die Koordinatenan-zeige ein (F2) und fährt mit demFräser von Hand (F7) über dasWerkstück Den Fräser positioniertman mit Einzelschritten so, daßer gerade das Werkstück berührt.Den Tiefenwert (z.B. –45.250mm)trägt man als z-Wert beim Null-punkt ein (ist immer negativerWert! Vgl. Koordinatensystem).Hinweis:Wer sich beim ersten Fräsennicht sicher ist, kann hier einenWert eingeben, der 5mm größerist als der z-Wert beim Ankratzen.Dann läuft die Maschine zunächstdie Fräsbahnen „in der Luft“. Mankann so gut beobachten waspassiert. Ist alles in Ordnung,dann ändert man den Wert aufden zuerst ermittelten Tiefenwertund beginnt mit dem Fräsen.Schutzbrille und Ohrenschutzsind obligatorisch.

Ausblick:

Die Fräsprogramme werdenständig fortentwickelt. Herr WalterPreg wird demnächst seinFräsprogramm fertigstellen dasWindows basiert ist und über eineserielle Schnittstelle einen einfa-cheren Fräsmaschinen PC an-steuert. Diese Software ist koste-nenlos und sicher für Einsteigerinteressant.Andere Hersteller haben denSchrit bereits erfolgreich getanund bieten richtig professionelleSoftware an, die aber auch einpaar Euro kostet. Interessant isthier die Software Filou(www.filou.de), die auch mitprofessionellen Maschinensteue-rungen umgehen kann.Wer noch eine Schritt weitergehen will, der kann auch Servo-motoren einsetzten. Eine interes-sante Lösung bietet hier die Fa.Gecko(http://www.geckodrives.com) miteinem Servomodul, das wie einSchrittmotor angesteuert wird.Pläne hierzu finden sich unter:http://www.homecnc.info/servo%20box.pdfhttp://www.timgoldstein.com/cnc/GeckoG320Wiring.pdfDamit lassen sich auch größereMaschinen realisieren.Weitere Links finden sich unterhttp://rotordesign.com/links.html

Schlußwort

Ich habe mit diesem Artikel Inter-essierten die Technik vorgestelltund wichtige Hinweise zum Ei-genbau gegeben. Jeder muß fürsich entscheiden, ob sich einNachbau lohnt, oder ob er aufeine fertige Maschine zurück-greifen will.



PC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im Ei-genbau


Stückliste

Pak-kungs-einheit

Stk Benennung Herstel-ler

Bestell.-Nr. Länge Ge-samt-länge[m]

Verwendung Bemerkung

1 4 Abdeckplatten45*90

BOSCH 0 allgemein Abdeckungen für offene Profilenden

1 6 Abdeckplatten90*90

BOSCH 0 allgemein Abdeckungen für offene Profilenden

1 1 Bohrfrässpindel BOSCH 0 Z-Achse Oberfräse z.B. von Bosch; Kress usw. Anschluß ø431 18 Bolzenverbinder BOSCH 3.842.500.926 0 allgemein Verbindungselemente4 40 Hammermuttern BOSCH 3.842.315.109 M5 0 Verschraubung x-und y-Achse2 20 Nutensteine BOSCH 3.842.166.72 01 2 Nutensteinprofil BOSCH 3.842.166.77 180 3601 1 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 630 D17V/D17V 630 630 Gestell Querstreben Boden1 1 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 630 D17V/D17V 630 630 Gestell Querstreben Boden; mittig durchbohrt ø201 1 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 630 D17V/D17V 630 630 Gestell Querstreben Boden; mittig durchbohrt ø421 2 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 168,5 D17V/D17V 168,5 337 Y-Achse Tragschienen Y-Achse1 2 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 525 D17V/D17V 525 1050 Y-Achse Tragschienen Y-Achse1 2 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 810 D11V/D11V 810 1620 X-Achse Achtung Endenbearbeitung ø11 bohren!1 1 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 90 D17V/D17V 90 90 X-Achse Querstreben X-Achse1 1 Profil 45*90 BOSCH 3.842.509.186 / 90 D17V/D17V 90 90 X-Achse Querstreben X-Achse; mittig durchbohrt ø421 2 Profil 90*90 BOSCH 3.842.990.500 / 828,5 828,5 1657 Gestell Linker und rechter Bodenträger1 2 Profil 90*90 BOSCH 3.842.990.500 / 497 497 994 Gestell Säulen1 1 Profilabdeckungen BOSCH 30 30 allgemein verschließen die Bosch Profile1 9 Winkel 88*88 BOSCH 3.842.502.348 0 allgemein Aussteifungen Gestell; Träger für Monitor1 2 Distanzstück Eigen-

bauAlu-Frästeil 0 x/y- Achse Verbindung Schlitten mit Kugelumlaufmutter

1 2 Druckhülse Eigen-bau

Alu-Drehteil 0 Ausgleichselement

1 1 Flanschplatte Z-Achse

Eigen-bau

Alu-Frästeil 0

1 1 Gehäuse Eigenbau Schaltschrank 2mm Alublech gesägt und gebogen, alternativ Laserzu-schnitt gebogen

1 1 Gehäusedeckel Eigenbau Schaltschrank 2mm Alublech gesägt und gebogen, alternativ Laserzu-schnitt gebogen

1 2 Spindellagerblock Eigen-bau

Alu-Frästeil 0 x/y- Achse Lagerung der X und Y- Achse

1 1 Anschlußelemente IGUS 080.40.12.PZ 1 X-Achse Mit Zugentlastung1 1 Energiekette "Easy

Chain"IGUS 028 038 048 1 X-Achse im Innenradius befüllte Energiekette Z 08.40.

1 2 Kugelumlaufmutter Isel Isel Typ 213 503 0 x/y- Achse1 2 Kugelumlaufspindel Isel Isel Typ 211 1321 085 0 x/y- Achse1 2 Kupplungsstück Isel 218 003 9580 (bei ø 9,52 Motorwelle) oder 218

002 6350 (bei ø 6,35mm Motorwelle)0 x/y- Achse Achtung: bitte passend zum Motor bestellen!

1 1 Tischplatte Isel Isel 600*375 PT 25/375 0 Standardgröße bei Isel1 2 Pendelkugellager SKF SKF-2200E 0 x/y- Achse1 2 Führungsschiene STAR 0,5 0 Y-Achse Alternativ auch Fa. THK1 2 Führungsschiene STAR 0,63 1,26 X-Achse Alternativ auch Fa. THK1 4 Führungswagen STAR 1623-813-10 01 2 Flanschplatte Eigenbau 01 8 Imbusschrauben M8*75 0 X-Achse1 8 Imbusschrauben M4*20 01 16 Imbusschrauben M5*20 01 8 Imbusschrauben M4*100 01 1 Kleinteile1 2 Mutter M10 01 1 Abdeckblech

FührungenEigenbau

Elektrik1 1 Grundplatine NC-Step Bausatz1 1 Zusatzplatine NC-Step Bausatz1 1 Optoentkoplerkarte NC-Step1 1 Transformator Reichelt RKT 220151 1 Ein/Aus Schalter Reichelt Wipp 53 schw.1 1 Kaltgerätesteckdose incl. Sicherung und Entstörung1 1 Kabelkanal1 2 Lüfter Reichelt Lüfter 8038 220V1 6 Endschalter Reichelt Mar 1050.01021 1 Kaltgerätestecker +

KabelReichelt NKSK 200 schw

1 8 LED mit Fassung Reichelt Zustandsanzeige Endschalter1 1 Gleichrichter Reichelt B80C25A1 3 Elko Reichelt BSA 4700/631 1 Kleinmaterial1 3 Schrittmotoren R+S1 1 Centronicsbuchse Reichelt SE 5736F Anpassung an Software wird am Stecker durchgeführt!1 1 Centronicsan-

schlußkabelReichelt AK1020 Achtung: Kabel muß vollbelegt sein!

1 2 Kühlkörper Reichelt V 6716Z1 1 Flachbandkabel Reichelt ?1 1 Pfostenstecker Reichelt PFL 34/40

Software1 1 CNC Profi1 1 DXF2HPGL



PC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im Ei-genbau


SchrittmotorsteuerungenNC-StepThorsten OstermannEntwicklung und Vertrieb von Systemsoftware und HardwarekomponentenRingstraße 4652078 AachenE-Mail: [email protected]. & Fax: +49 / (0)241 / 4091800www.ostermann-net.de oder www.NC-Step.de

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ProfileFMS Montagetechnik GmbHJunkersstrasse 1 ..82178 PuchheimTelefon: 089 800901-31 .. Telefax: 089 [email protected]

Software

PC-NC PC-PosiWinPC-NC

CNC-Profi

DIN-CNC PC-DrehStep4Fräs

Step4Schneid

KCam Stepster

Anwendung(en)2,5D-Fräsen,Folienschnei-den

Positionie-rung, Robotik

3D-Fräsen,Folienschnei-den

2,5D-Fräsen,Folienschnei-den

3D-FräsenDrehen, 2,5D-Fräsen

FräsenFolienschnei-den

2,5D-Fräsen 2,5D-Fräsen

Betriebssystem DOS / Win a) DOSWin95/98/NT/2000

DOS DOS DOS / Win a) DOS DOSWin(95/98/NT)

Win(3.x/95/98)

Version3.01 (light:1.0)

2.0 (light: 1.0) 1.0 3.5 4.38 3.0 3.0.15 Beta 979

Import: HPGL,Excellon, S&M,DIN, DXF

* / * / * / * / -nur eigenesFormat

* / * / * / * / -* / * / * / - / *b)

# / - / # / * / # * / - / - / - / * * / - / - / - / * * / * / - / * / * - / - / - / * / -

Anschluß Paralellparalell /digital I/O $

seriell (anAchscontrol-ler)

paralell paralell paralellparalell /digital I/O

paralell paralell paralell

Zusätzliche I/Os:Ja (festbelegt)

Ja Ja 8Out, 4In

Optimierung:Reihenfolge,Radius

*$ / *$ * / * - / § * / * * / *

Signale: Spindel,Kühlung, Stromab-senkung

* / * / * * / * / * * / * / * * / * / * 8bit / - / -% * / * / * * / * / -

Weitere Features

Werkzeug-wechsler $,Spindeldreh-zahl $, autom.Werkzeug-Vermessung$, Z-Geschwindig-keit einzelneinstellbar $,Teach in $,Batch-Fähig$, Spielkor-rektur

4 Achsen,SPS-Funktionen $,Teach in $,Stückzähler,Bedienungohne Moni-tor/TT $,Unterpro-gramme

Multitasking-fähig, echte3D-Interpolation,Joystick-Unterstützunguvm.

zus. Tangen-tialachse,grafischerEditor,Nutzen-fähig

Unterpro-gramme

Zeichenmo-dus, Spielkor-rektur,Spindelrege-lung (Dre-hen), Joystick

GrafischeOberfläche,Simulation,Zeichenmo-dus, Spindel-Regelung

Zeichenmo-dus

Nachteile

Joystick-Fkt.verursachtFehler (->deaktivieren)

externerAchscontrollererforderlich

Referenz- undmanuelleFahrt nur mitStart-StopGeschwindig-keit

Dongle, fürFremdhard-wareSignalanpas-sung nötig

SchnellerRechner(mind. PIIoder K6-2)notwendig

Nur einfacheFunktionen,rein textba-siert

Preis289DM (light:149DM)

1624DM/1102DM (light:754DM)

1728,40DM(incl.Achscontrol-ler)

299DM 555DM 749DM >800DM >800DM Shareware Freeware

VertriebIng.-Büro B.Lewetz

Ing.-Büro B.Lewetz

Ing.-Büro B.Lewetz

Thiemig CNC-Technik

Thiemig CNC-Technik

HSE Step four Step four KellyWare Metalworking

Zeichenerklärung: $) Nur Vollversion #) Optional §) Nur über G-Codes %) Nur mit PC-Dreh Elektronik a) Ohne Maschinenfunktionen b) Nur Line und Point;Quelle Thorsten Ostermann

Messageboard im www.cncplayer.de (www.minijob.de/cp/01mbde/01mbm.html)



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PC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im · PDF filePC gesteuerte 3D-CNC Fräsmaschine im Eigenbau Cpyright Clemens Simon [email protected] Seite 1 von 8 von Dipl.-Ing Clemens Simon