Version vom 9. September 2016, 10:36 Uhr

CNC-Fräse Release status: stable [box doku]

Description	CNC-Fräse für Alu, Holz, Kunststoff, CFK und Platinen
Author(s)	André, Netzpfuscher, Tesla, Tixiv, MadEngineer
Last Version	1.0
Platform	Hardware / Linux-CNC
License	N/A

Einleitung

Wir haben eine kleine CNC-Fräse im Labor stehen und dafür sollte eine neue Steuerung entwickelt werden, weil die alte ganz doll saugt. Das ganze ist uns bisher gut gelungen, so dass wir schon einige Werkstücke gefräst haben. Mit dieser Maschine können wir viele verschiedene Werkstücke bearbeiten, wie zum Beispiel:

Hartschaumplatten: Styrodur(tm)
Holz: MDF und Sperrholz)
Aluminium: bisher sind nur Bleche verarbeitet worden
Kupfer
Kunststoff: Hart-PVC, Polystyrol("Bastlerglas"), PMMA ("Plexyglas")
Platinenmaterial
Kohlefaserplatten
5mm Messing

Die harten Jungs, wie Stahl oder gar Edelstahl haben wir bisher noch nicht ausprobiert. Da hier aber mehr Kraft nötig ist, stellt sich die Frage ob die Maschine das schafft.

Wichtig

Die Fräser sind teuer und bei falscher Bedienung brechen sie sehr schnell ab. Also bitte nicht an der Maschine rumspielen, wenn ihr keine Ahnung habt. Wenn du etwas fräsen willst, dann wende dich bitte an

Netzpfuscher
tesla
madengineer
AndréM
tixiv
GrafZahl
blafoo
bilex

Baustellen

NOT-AUS verkabeln und einbinden
- Der Taster für den Notaus war mechanisch nun schon länger vorhanden...
- Es wurde bereits eine Software-Lösung vorbereitet: Das interne Not-aus-Signal wird auf Pin1 des Parallelports ausgegeben. Gleichzeitg wird der Zustand des Pins 11 abgefragt. Hardwaremäßig sind Pin 1 und Pin 11 verbunden und mit einem Pulldown nach Masse versehen. Der Öffner wird jetzt zwischen Pin 1 und Pin 11 geschaltet und der Pulldown hängt an Pin 11. Die Erweiterung des HAL-Scripts ist schon eingebaut und funktioniert. Die Endgültige Verkabelung scheiterte an einem fehlenden D-Sub9 Stecker.
- In einer zweiten Version soll die gesamte Not-Aus Logik in Hardware erfolgen. Durch Betätigung des Notaus sollen Motorendstufen und Spindel vom Stromnetz getrennt werden.
Weiterentwicklung der Steuerung des Umrichters
- Beschränkung der max. Drehzahl auf 20.000U/min, da der Umrichter bei größeren Werten abschaltet. Besonders kritisch ist das, wenn bei einer eingestellten Drehzahl von 20.000U/min die Spindelübersteuerung auf über 100% gestellt wird.
- Drehzahlrückmeldung einbauen (am Umrichter auslesbar)
- Implementierung des spindle-at-speed-Signals, um Ende des Hochlaufs anzuzeigen. Bisher ist hier nur ein Timeout eingebaut.
Werkzeuglängen-Taster zur automatischen Einmessung nach einem Werkzeugwechsel.
- Alternative: Höheneinstellgerät (ca 80€) Dies ist ein Block mit definierter Höhe von 50mm mit einer Druckplatte auf die der Fräser gefahren wird und den Nullpunkt kann man dann auf einer Messuhr ablesen. Siehe hier
Bau eines Vakuumtisch zum einfachen Aufspannen. Besonders Platinen und zum Gravieren.
Minimalmengenkühlung
G-Code-Erzeugung dokumentieren
Nutenplatte könnte umgedreht werden, um wieder eine schönere Oberfläche zu haben, die nicht ganz so viele Fräsmale enthält.

Aktueller Stand

09.09.2016
- Die neuen Endstufen (SMCI33) wurden von Bilex , Tixiv und Max in ein neues Gehäuse aus Plexiglas eingebaut. Die Fräse läuft jetzt wieder und dies tut sie leiser und ruhiger als vorher. Takt/Richtung kommt dabei wie gehabt aus dem Parallelport, die Endabschalter sind jeweils über einen Optokopler mit dem Parallelport verbunden. Prinzipiell hat sich also nichts geändert.
- ToDo -> Das Gehäuse verfügt über keinen Lüfter, es muss getestet werden wie heiß die Endstufen bei längeren Fräsarbeiten tatsächlich werden. Eventuell muss ein Lüfter eingebaut werden. Die Endstufen laufen wie die alten Endstufen auch im Halbschritt-Modus, könnten aber eigentlich auch im Viertelschritt-Modus betrieben werden. Dafür muss irgendwas im Linux-CNC Configfile?! geändert werden. Es wurde vergessen ein Eingang für den Notaus anzubringen. Außerdem könnten noch LEDs in die Endstufen eingebaut werden die Fehlfunktionen der Endstufen signalisieren.

Die neue Steuerung!

25.07.2016
- Die Fräse wird aktuell 'renoviert'. Das heisst sie wird gereinigt und es werden neue Schrittmotorendstufen verbaut. Aktuell wird am 26.07.2016 die Fräse wieder zusammengebaut und die Endstufen werden von Robin programmiert. Es wird ebenfalls die Elektronik komplett überholt und es wird ein Notaus montiert, damit die Fräse sicherer wird. Vorraussichtlich ist die Fräse in absehbarer Zeit wieder nutzbar.

20.05.2015
- Der Schrittmotortreiber der Y-Achse ist in immer kürzeren Abständen ausgestiegen und musste ersetzt werden. Die Fehlerquelle ist unklar. Bilex hat eine neue Endstufe (Nanotec SMCP33) mitgebracht und dafür das Takt-Richtungs Signal aus der Motorsteuerung rausgeführt. Die Verdrahtung ist fliegend (Draht) und die Steuerung liegt in einer Butterbrotdose. Das funktioniert zwar aber ist nichts für die Dauer.
- Die Endstufen werden sehr heiß wenn länger gefräst wird. Irgendwann verlieren die Motoren Schritte, vermutlich weil mit steigender Temperatur der innenwiderstand der Motorteiber steigt und damit der Motorstrom abnimmt. Es wurden zwei große Lüfter auf das Gehäuse gelegt. Quick & Dirty aber funktioniert.
- Neue Endstufen an allen Motoren wäre eine feine Sache. Die Nanotec Steuerung verringert spürbar Motorresonanzen, die Motoren laufen leiser. Evtl. kann mal wer bei Nanotec anrufen und freundlich um eine Spende bitten? [in Arbeit durch Robin]
- BUG: Manchmal geht die Frässpindel einfach aus! K.a wann und warum! Fehlerquelle finden ist daher sehr schwierig. Die Spindel lässt sich jedoch über Linux-CNC wieder normal starten.

19.10.2012
- Die Z-Achse hatte zu viel Spiel und wurde in einer Nachtschicht ausgetauscht, justiert und beschmiert.

30.09.2012
- Nach zig Teilen aus Aluminium musste nun was aus Messing (Legierung unbekannt) zwecks Stoffschluss (Löten) gefräst werden. Messing ist härter als Alu. Ist der Vorschub zu groß verlieren die Motoren Schritte und das Frästeil sieht merkwürdig schief aus. Der Vorschub sollte nicht größer als 300mm/min gewählt werden. Mit folgenden Optionen glänzen sogar die Schnittkanten, das ganze dauert jedoch etwas länger:
  - Drehzahl: 6500U/min
  - Vorschub: 120mm/min
  - Zustellung: 0,4mm
  - Fräser: Einschneidig 3mm.

Ist die Drehzahl zu hoch wird der Fräser schnell Stumpf und bricht.

04.03.2012: Die letzten Schritte wurden nicht mehr eingetragen, hier eine kleine Zusammenfassung:
- Das Ganze funktioniert schon sehr zuverlässig und es wurden schon viele Teile gefräst:
  - Lemming-Häuschen und Gewürzregale aus Holz
  - Frontplatten für die Schrittmotor-Einschübe
  - Stromschienen aus 3mm Alu
  - Nadelbett-Adapter aus PVC
- Viele neue Fräser, siehe Werkzeuge
- Bisher kein weitere Fräser abgebrochen. Toitoitoi...

02.02.2012
- Ich habe einen neuen Spindelantreib im austausch mitgebracht Tixiv - das ist ein ordentlicher Motor mit Isel Umrichter, max. Drehzahl 20.0000/min
- Inbetriebnahme des Umrichters mit der Software auf dem alten Windows 95 Rechner - funktioniert schonmal (serielle Schnittstelle) allerdings lässt Sich das Teil nicht überreden, sich mit dem vorhandenen Poti statt mit der Software zu steuern.
- Noch ein paar Fräsversuche - die Schrittmotortreiber sind etwas tückisch - die Z Achse steigt aus, wenn der Treiber warm wird, und die Y-Achse hat wesentlich weniger Saft als die X-Achse
- Schrittmotorspannungen oszilloskopiert an X- und Y- Achse: Tatsache: Der Strom der Y-Achse ist deutlich kleiner als der der X-Achse, auch bei voll aufgedrehtem Strom-Poti

06.02.2012
- Schrittmotor-Steuerkarten wurden verbessert und das Stromproblem wurde gelöst (falscher Jumper)
- Die neue Spindel ist nun komplett transparent angesteuert (Phython Script im HAL)
- Erstes Teil in 3D gefräst

30.01.2012
- Die Kiste wurde ins Labor geschleppt und erstmal gereinigt
- Reverse engineering der Schrittmotor-Treiber
- Bau der Interface-Karte zum PC
- Anlegen der Wiki-Seite
- Erste Versuche mit EMC2
- Alle drei Achsen lassen sich steuern und Endschalter funktionieren
- Problem mit den Achsen im Endbereich, da sie etwas schwergängig sind.
- Erste Erfolge mit der Billig-Bohrmaschine ausm Baumarkt
  - Der Schriftzug EMC wurde in einen Pizzakarton gefräst
  - Es wurde versucht das Labor-Logo in eine Holzplatte zu fräsen. Dank eines Fehlers im G-Code hat die Holzplatte ein tiefes Loch mehr und der Fräser eine Spitze weniger. (Es ist zwar noch einer da, aber ich kümmer mich um Ersatz.--MadEngineer 11:49, 31. Jan. 2012 (CET))

Mechanik

Es handelt sich hier um eine kleine Portalfräse mit 3 Achsen, welche über Kugelumlaufspindeln per Schrittmotor angetrieben werden.

Verfahrwege:

X-Achse: 550mm

Y-Achse: 450mm

Z-Achse: [To Be Measured]

Im Moment 60mm Abstand zwischen Tisch und Unterkante der Linearführung, diese kann aber noch nach oben verschoben werden, um einen größeren Verfahrweg zu bekommen

Daten der Schrittmotoren:

Zweiphasen-Schrittmotor

1,8° pro Schritt --> 80 Schritte/mm entspricht einer Auflösung von 12,5µm

Rw= 0,72Ohm

Iw= 1,9A

Konfiguration

Hier die Grundkonfiguration für unsere Fräse falls der emc2-Rechner nochmal neu installiert werden muss: Datei:Fraese config.tar.gz

Nach der Installation von emc2 auf dem Rechner kann dieses Archiv in das Homeverzeichnis des Benutzers "emc" extrahiert werden mit dem Befehl "tar xfzv Fraese_config.tar.gz".

Achtung: in dieser Konfiguration Benutzt der Parallelport die Addresse 0x3BC. Das wird in der Datei "Fraese.hal" eingestellt. Dieser Wert muss gegebenenfalls wieder auf die Standardaddresse 0x378 eingestellt werden (falls die Schrittmotoren nix machen). Man kann den passenden Wert sehr leicht mit "dmesg | grep par" finden.

Die serielle Schnittstelle für den Fräsmotor ist "/dev/ttyS0". Diese wird in der Datei "spindel.py" im Verzwichnis "bin" eingestellt.

Die Datei ".xsessionrc" erweitert die PATH-Umgebungsvariable, damit emc "spindel.py" finden kann. Damit das klappt muss man sich nach Einspielen der Konfiguration einmal aus- und wieder ein-loggen.

Gallerie

[!-- Dateien bitte mit dem Prefix cnc_gal_ versehen --] Hier folgen ein paar Eindrücke von bisher gefrästen Werkstücken

3D-Modell aus Styrodur
Labor-Logo in eine MDF-Platte
Häuschen für Netzpfuscher Lemminge und ein Gewürzregal aus Holz
Ausschnitt für die Sicherung in der Frontplatte der Schrittmotortreiber-Einschübe
Stromschienen für Teslaspule aus 3mm Alublech
Nadelbett-Adapter zur Programmierung einer Baugruppe von Bilex
Bauteile für einen Quadrokopter aus Platinenmaterial
Neuer Kühlschrankgriff aus 4mm Alu
Frontplatte für einen Röhrenverstärker aus 3mm Alu
Motorhalter aus 10mm Alu (nur geschruppt)
Logo der Labortage 2013 in Acrylplatte gefräst
MDF Schuko-Stecker..
..passt!
How a Banana is made.
Kiwi & Banana!
Gearbox with bearings...
and gears.
Neue Motorendstufe für die Y-Achse

Medien

Video: Erstes Teil in 3D nach Inventor-Modell gefräst

Video: Zweiter Teil

CNC-Fräse

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 ** Die neuen Endstufen (SMCI33) wurden von Bilex , Tixiv und Max in ein neues Gehäuse aus Plexiglas eingebaut. Die Fräse läuft jetzt wieder und dies tut sie leiser und ruhiger als vorher. Takt/Richtung kommt dabei wie gehabt aus dem Parallelport, die Endabschalter sind jeweils über einen Optokopler mit dem Parallelport verbunden. Prinzipiell hat sich also nichts geändert.
 **ToDo -> Das Gehäuse verfügt über keinen Lüfter,  es muss getestet werden wie heiß die Endstufen bei längeren Fräsarbeiten tatsächlich werden. Eventuell muss ein Lüfter eingebaut werden.  Die Endstufen laufen wie die alten Endstufen auch im Halbschritt-Modus, könnten aber eigentlich auch im Viertelschritt-Modus betrieben werden. Dafür muss irgendwas im Linux-CNC Configfile?! geändert werden. Es wurde vergessen ein Eingang für den Notaus anzubringen. Außerdem könnten noch LEDs in die Endstufen eingebaut werden die Fehlfunktionen der Endstufen signalisieren.
+<gallery>
+ Datei: Steuerung1.JPG|Die neue Steuerung!
+  Datei: Steuerung2.JPG
+</gallery>
 *25.07.2016

CNC-Fraese: Unterschied zwischen den Versionen