die ersten Frässtücke

Hier beschreibe ich die mit der ersten Fräse gefertigten Objekte.

Die ersten Sachen wurden noch mit einem selbstgeschriebenen C Programm ausgeführt. Das Programm war nur zu einfachen Bewegungen fähig, wie das Verfahren in der X-Y Ebene. Die Z-Bewegungen wurden stets einzeln ausgeführt. Die Befehle wurden aus einem Schwarz/Weiß-Bild generiert. Die Auflösung war jedoch extrem begrenzt. Kurz und Knapp: Das Programm war ziemlich grob.

Als erstes wollte ich ein Geschenk für ein Kumpel aus Holz fräsen. Es waren zwei Holz Ausschnitte in Form eines 3er Golfs und eines Verbundstückes. Im Internet gab es genügend Blaupausen davon. Die Ausschnitte wurden mit einer Schnitttiefe von 0,5mm gefräst.

Nachdem die Ausschnitte herausgefräst wurden konnte diese zusammengeklebt werden.

 

Das nächste war ein kleiner Holzflieger. Dafür habe ich die Auflösung des Programmes erhöht.

Holz zu fräsen ist eine nette Angelegenheit. Die nächste Idee war es Elektroplatinen zufräsen. Hier geht es ums Isolationsfräsen, wobei der Fräser die einzelnen Bahnen umfährt, die Kupferschicht der Platine abträgt und diese so elektrisch isoliert.

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 Die Platine wurde im Nachfolgenden manuell gebohrt und bestückt. Es war eine Effektschaltung für eine E-Guitarre. 

Nach einigen weiteren Frässtücken aus Holz und Platinen entschied ich mich auf ein neues CNC Programm umzusteigen. Ich entschied mich für das kostenfreie LinuxCNC. 

21.10.14 18:01, kommentieren

die erste CNC-Fräse

 

Vor einiger Zeit hatte ich das Vergnügen eine Holzfräse bei einem Kumpel zu bewundern. Ich war fasziniert und wollte mich ebenfalls an einer versuchen. Bis dahin hatte ich jedoch keinerlei Erfahrung mit dem Aufziehen eines solchen Projekts. Das Ganze war als kleine Spielerei geplant und sollte dementsprechend nichts kosten....es entwickelte sich jedoch zu einem sehr umfangreichen Hobby.

Es sollte eine drei Achs Fräse werden, bei der sich das Maschinenbett bewegt und die Z-Achse fixiert ist. Die Linearbewegung sollte durch Gewindestangen und Muttern auf Schubladenauszugsschienen realisiert werden. Schubladenauszugschienen bieten bei sehr geringem Preis die Möglichkeit eine belastbare lineare Bewegung zu realisieren mit einem geringem Spiel von wenigen Zehntelmillimetern. Die Gewindestangen sollte von Schrittmotoren angetrieben werden. Diese werden üblicherweise neben teueren Servomotoren bei CNC-Fräsen eingesetzt. Die Ansteuerung der Schrittmotoren wurde über die recht bewährte Kombination aus dem Schrittmotortreiber L298 und dem Steuerchip L297 vorgenommen. Ein alter Desktoprechner dient als Steuerrechner. Die Kupplung zwischen Schrittmotor und Gewindestange wurde durch Gewebeschlauch und Schlauchschellen realisiert. Der Rahmen der Fräse sollte aus Konstruktionsvollholz gefertigt werden. All diese Bauteile waren sehr kostengünstig und leicht zu beschaffen. Die Motoren und Halbleiterchips konnte man bei Pollin erwerben. Der Baumarkt sponsorte die Schubladenschienen und Gewindestangen sowie Verbindungselemente für das Holz bei. Bei Conrad konnten noch weitere nötige elektronischen Bauteile zusammengekauft werden. Wobei Conrad doch sehr teuer ist im Vergleich zu Online-Versandhändler.

Es kostete einiges an Zeit, um das nötige Wissen für die Ansteuerung von Schrittmotoren anzuhäufen. Vom Aufbau sind alle Schrittmotoren gleich. Die ausschlaggebenden Unterschiede sind die Anzahl der Spulen und der maximale Motorstrom. Die recht gänige Ansteuerung, die man im Internet findet ist die Kombination aus L298 und L297. Da ich damals noch recht wenig über Platinendesign oder elektronische Bauelemente wusste begnügte ich mich mit den Schaltplänen die man Internet finden konnte.

 

Dieser Schaltplan ist beispielsweise im Datenblatt des L298 abgebildet.

Die Schaltung ließ sich auf Steckbrettern gut nachbauen und testen. Der L298 sorgt dafür dass der Motor mit Spannung und Strom beschaltet wird. Der L297 hingegen steuert den L298 und gibt die Stromrichtung vor. Der maximale Motorstrom je Spule beträgt 2 Amperé bei 46 Volt. Das hört sich im ersten Moment recht viel an, jedoch sind dies die maximalen Spitzenwerte laut Datenblatt. Die Lebensdauer dieser Schaltung bei solch einem Betrieb ist sehr gering. Allein die Abwärme bei 1,6 Amperé ist enorm und ohne externe Kühlung ist der Betrieb nicht möglich....oder nur sehr kurz möglich. Zur Steuerung benötig der L297 eine Beschaltung auf 2 Pins. Ein Pin steht für den Schritttakt, also ab wann der Motor einen Schritt machen soll. Der andere Pin steht für die Richtung des Schrittes. Dies kann im Uhrzeigersinn oder entgegen Dessen sein. Diese Pins werden von dem Steuerrechner über den Druckerport (auch LPT-Port genannt) beschaltet. Hierbei möchte ich darauf hinweisen, dass man bei einem Kurzschluss an diesem Port sehr wahrscheinlich das Mainboard des Pc mitkurzschließt, was fatal ist. Man kann sich für wenig Geld eine PCI-Karte mit benötigtem Port kaufen und erspart sich somit den Kauf eines neuen Mainboards samt Zubehör. Im schlimmsten Fall zerstört man nur noch die PCI-Karte.

 

Hier ist der Probeaufbau mit der Kombi L298/L297 zu sehen. Der dritte Chip ist ein Schmitt-Trigger mit dem ein Steuertakt für den Motor generiert wurde.

Anfangs steuerte ich die Motoren mit einem selbstgeschriebenen Programm. Erst durch Befehlszeilen später über Grafikdatein. Dabei wurden die Grafiken in Schwarz Weiß Bilder umgewandelt und ein Bewegungspfad entlang weißer Linien gelegt. Das funktioniert auch recht gut. Die Vorbereitung war jedoch sehr aufwendig, da die Bilder in die richtige Größe konvertiert werden mussten. Es war nur eine Frage der Zeit bis ich auf eine andere Software umsteigen musste. Ich entschied mich für LinuxCNC. Dies ist eine Linux Distrubition welche auf EMC2 angepasst ist. EMC2 ist ein CNC-Controll Programm mit dem Maschinencodes in Linearbewegung der Motoren umgesetzt wird. Die Maschinencodes werden aus CAM Programmen gewonnen, welche wiederum aus dxf oder stl Datein erzeugt werden. Als CAM Programm fiel meine Wahl auf ESTLCAM oder Eagle.

Der Bau des Rahmens für das Maschinenbett war schnell gemacht. Genauigkeit ohne Bohrständer und mit einer Fuchsschwanzsäge war jedoch nur ein Zaungast. Die Bohrungen für die Gewindestange waren nicht gegenüberliegend. Anfangs wollte ich eine Fest-Loslagerung für die Gewindestangen nutzen. Jedoch wurde es durch die Ungenauigkeit ehr eine Fliegende Lagerung, welche an der Mutter und dem Motor aufgehangen war.

 

Die Motoraufhängung ansich war ein wenig abenteurlich. Diese wurden mit Holzbauschrauben und Metallwinkeln an den Rahmen des Maschinenbetts angebracht. Das Anbringen der Schubladenschienen anzubringen war recht schwierig aber gelang doch recht gut. Durch die fixierte Motoraufhängung und der beweglichen Mutter schlingerte das Ende der Gewindestange, was die Bewegung des Maschinenbetts nicht ganz linear werden ließ, zu den Abweichungen jedoch später mehr.

 

Die Muttern wurden zwischen Flachwinkeln eingeklemmt, welche an dem Maschinenbett bzw. auch an der X-Achse befestigt waren.

Die Z-Achse war von der Konstruktion denen der X oder Y Achse gleich nur mit dem Unterschied dass sie aufrechtstand.

 

Sie wurde an dem Rahmen des Maschinenbetts im 90 Grad Winkel angebracht. Jedoch war das Holz leicht verzogen und so ergab sich eine signifikante Abweichung.


Das Ergebnis:

Die Abmaße: 

X: 550cm

Y: 550cm

Z: 720cm

Bearbeitungsraum

X:23cm

Y:23cm

Z:20cm

maximale Geschwindigkeit: 4mm/s

Abweichung:

Die Abweichungen auf der X und Y Achse rühren von dem Gewindespiel zwischen Mutter und Gewindestange her, welches bei 0,2mm lag. Die Abweichung der Z-Achse enthielt ebenso diese Abweichung plus eine Abweichung auf den rechten Winkel zum Maschinenbett, welcher auf 2,3cm in Z-Richtung mit 1mm in Y-Richtung zu Buche schlägt. 


Für den ersten Versuch mit Heimmaterialien war das recht tauglich. Später kam noch eine kleine AcrylBox für die Elektronik hinzu. Ich möchte Jedem abraten Acrylglas zu fräsen. Das Acryl schmilzt, wandert den Fräser hoch und setzt sich später als Geschoss wieder ab. Die Fräskanten werden extrem unsauber. Acryl kann man jedoch mit viel Feingefühl sägen.Insgesamt betrugen die Kosten für Material und Elektronik 170€. Damit konnte doch einiges gefräst werden. Mehr dazu im nächsten Artikel.

 

1 Kommentar 14.10.14 23:21, kommentieren