5-Achs-Fräse mit Raspberry Pi

[Falko]

Hallo Roboternetz-Community,

Ich heiße Falko und bin neu hier auf dem Forum. Im Rahmen eines Schülerforschungsprojekts baue ich mit einem Freund zusammen eine 5-Achs-Fräse.

Die Steuerung soll über das 7'' Touchdisplay von Raspberry erfolgen. Die Idee ist, dass man einen GCode-File o.ä. auf einem Usb-Stick hat. Alle GCode-Dateien sollen ausgelesen werden und auf dem screen angezeigt werde. Anschließend kann man eine Datei auswählen, woraufhin diese gefräst wird. Die maximale Fräsgröße bzw der maximale Fräsbereich soll 20x20x20 cm betragen, also so wie ein 3D Drucker.
Momentan arbeiten wir an einer CAD-Skizze, die ich bald auch hier hochladen werde.

Meine Frage an euch:
Habt ihr eine Idee, wie man den Raspberry programmieren muss? Hat schonmal jemand mit dem Touchscreen gearbeitet?
Vielen Dank schon einmal für eure Ideen :)

[i_make_it]

Hallo,

ambitioniertes Projekt.

-Welcher Werkstoff soll denn gefräst werden?
Das entscheidet über die wirkenden Kräfte und darüber wie die beiden Drehachsen auzulegen sind, da die ja unter Einwirkung der Schnittkräfte Spielfrei drehen müssen.
Also nicht wie bei einem Teilkopf: (drehen, klemmen, fräsen, lösen, drehen)

-Soll der Raspi nur visualisieren oder auch auch die Achsen steuern?
Bei Kreisinterpolation und bei Graden die nicht Achsparallel sind, machen sich da ganz schnell Timingprobleme bemerkbar.
Also ist ein echtzeitfähiges Betriebssystem nötig oder nicht?

- Bei 5 Achsen und ich nehme mal an Schrittmotoren (Nema17 ?) sind 5 PWM-Ausgänge für Clock/STEP, 5 Digitalausgänge für Direction und mindestens 5 Digitaleingänge für Endschalter/Referenzschalter notwendig.
Dazu ein Digitaleingang für Programmstart/Freigabe (Gehäusetür) und ein Notaus.
Eventuell noch ein Digitalausgang für eine Absaugung/Kühlmittelpumpe
Und Ein Analogausgang/PWM-Ausgang (Drehzahlsteuerung) oder ein Digitalausgang (nur Ein/Aus) für den Fräsmotor.


Eine Liste mit echtzeitfähigen Betriebssytemen gibt es z.B. hier:
http://www.faqs.org/faqs/realtime-computing/list/

Wie man Linux für den Raspi Echtzeitfähig bekommt, findet man hier:
https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?t=39951

Damit werden erst mal die Grundvorraussetzungen geschaffen die man für eine Maschinensteuerung braucht, damit diese auch wirklich in der Lage ist genau zu arbeiten und nicht eine Achse sich bewegt wärend die andere noch keinen Befehl bekommt, weil erst mal der Touchscreen abgefragt wird.
Da man das auch bei der Programmierung noch versauen kann, darf mann sich mit Interrupts und Taskpriorisierung auseinander setzen.

Von den benötigten GPIOs her wird man wohl bei 5 Achsen einen Raspi B+ brauchen (mindestens 15 GPIO für Motoren und Endschalter)
31662

Ist der Raspi eine Vorgabe oder ist die Wahl für das System auf einer fachlichen Entscheidung begründet oder aus dem Bauch raus?
Im letzen Fall wäre zu empfehlen erst mal die technischen Anforderungen an die Maschinensteuerung zu definieren und dann mal zu sehen was es schon gibt.
Und danach die Wahl zu treffen.

Bei einem Schulprojekt gibt es ja auch einen Abgabetermin und man hat da ja auch noch andere Fächer für die man Lernen muß,
Also ist die Resource Zeit von vorneherein begrenzt. Die Resource Geld ist da noch eher variabel.
Wenn man sich also erst mal an die Planung macht und dann schaut ob es schon Projekte gibt, bei denen man möglichst viel überhehmen kann, dann lässt sich Zeit sparen.

Mein erster Tip wäre sich auch mal als Alternative eine Lösung in Richtung Arduino, Ramps/RADDS, Marlin anzusehen.
Da gibt es schon Projekte in die Richtung.
Oder wenn es ein Raspi sein soll mal "Mach3 auf Raspberry PI" googlen.

[HaWe]

Echtzeit-(Motor-) Steuerung ist ein Desaster auf dem Raspi - die user shell lässt das nicht zu, und für Anfänger sind Realtime (kernel) Patchs frustrierend (wenn es überhaupt bootet), und hinterher laufen bestimmte libs nicht mehr oder noch schlimmeres, wenn der device tree oder ABI oder was auch immer geändert wurden.
Wenn du in C programmierst, kannst du trotzdem mit Multitasking und hochrangigen pthread tasks eine Menge erreichen

struct sched_param param;
param.sched_priority = 50; // default==20
pthread_setschedparam(threadID, SCHED_RR, &param);
// oder
pthread_setschedparam(threadID, SCHED_FIFO, &param);

wenn du mit Python arbeitest, sind dir aber die Hände gebunden.
Allerdings gibt es für Python-Nutzer div HATs, z.B. das

Propeller HAT
https://github.com/pimoroni/propeller-hat
http://www.exp-tech.de/propeller-hat
(C libs dafür habe ich noch nicht gefunden)

damit wird der zeitkritische Teil auf Parallax-Prozessoren ausgelagert.
Genauso gut kann man dafür dann aber auch einen Arduino Mega (per UART oder USB) oder Due (per UART, USB oder I2C) verwenden und den selber programmieren.

[Falko]

Hallo,

erstmal danke für eure schnellen Antworten.


Welcher Werkstoff soll denn gefräst werden?

Der Werkstoff wird entweder Aluminium oder Eisen sein, unser Vorzug momentan ist eher Alu.



Soll der Raspi nur visualisieren oder auch auch die Achsen steuern?

Der Raspi ist das Herzstück des gesamten Projekts, er soll visualisieren (per Touchscreen), aber auch alle 5 Schrittmotoren ansteuern und justieren.



Bei 5 Achsen und ich nehme mal an Schrittmotoren (Nema17 ?) sind 5 PWM-Ausgänge für Clock/STEP, 5 Digitalausgänge für Direction und mindestens 5 Digitaleingänge für Endschalter/Referenzschalter notwendig.
Dazu ein Digitaleingang für Programmstart/Freigabe (Gehäusetür) und ein Notaus.

Exakt das ;)
Wir dachten an diesen Schrittmotor: https://www.conrad.de/de/schrittmotor-emis-sm12056-06-nm-06-a-wellen-durchmesser-635-mm-198320.html



Eventuell noch ein Digitalausgang für eine Absaugung/Kühlmittelpumpe

Das ist wahrscheinlich sinnvoll, eure Vorschläge sind da sehr willkommen, weil ich noch nie mit Kühlmittelpumpen etc gearbeitet habe.



Mein erster Tip wäre sich auch mal als Alternative eine Lösung in Richtung Arduino, Ramps/RADDS, Marlin anzusehen.

Danke für den Tipp, jedoch sollte es eher in Richtung Raspi gehen :/


Wir wollen erstmal nur mit der Hardware anfangen, bevor wir diese programmieren. Unser Ziel ist eine minimale Toleranz, wir denken da an 1mm oder sogar eher weniger.

Um noch einmal auf eure Fragen und Aussagen einzugehen:
Zeit: ca 3/4 Jahr, bis nächsten Februar, wir treffen uns jedoch regelmäßig und arbeiten parallel. Das dürfte also kein Problem darstellen.
Geld: 2500€ auf jeden Fall, vielleicht sogar das doppelte. Unseren Rechnungen nach sollte das klappen.

[i_make_it]

- Schülerforschungsprojekt
- 2 Personen (mit einem Freund zusammen)
- 5-Achs-Fräse.
- 200x200x200mm Arbeitsraum (maximale Fräsbereich soll 20x20x20 cm betragen)
- Metallbearbeitung Stahl (Werkstoff wird entweder Aluminium oder Eisen sein)
- Zeit: ca 3/4 Jahr, bis nächsten Februar (2017)
- Geld: 2500€ auf jeden Fall, vielleicht sogar das doppelte
- Unser Ziel ist eine minimale Toleranz, wir denken da an 1mm oder sogar eher weniger.

- Steuerung soll über das 7'' Touchdisplay von Raspberry
- Habt ihr eine Idee, wie man den Raspberry programmieren muss?
- Der Raspi ist das Herzstück des gesamten Projekts, er soll visualisieren (per Touchscreen), aber auch alle 5 Schrittmotoren ansteuern und justieren.
- einen GCode-File o.ä. auf einem Usb-Stick hat. Alle GCode-Dateien sollen ausgelesen werden und auf dem screen angezeigt werde. Anschließend kann man eine Datei auswählen, woraufhin diese gefräst wird.

Bei Stahl wird das mit den 0,6Nm Motörchen doch etwas knapp. Da werden bei Selbstbaufräsen für Holz und Alu meist schon 3Nm bis 6Nm verbaut.

Minimale Toleranz:
Nach DIN ISO 2768-1 ist die Toleranzklasse f (fein) bei 100 bis 300mm angegeben mit +/- 0,2mm
m (mittel) mit +/- 0,5mm und c (grob) mit +/-1,2mm.
1mm Toleranz fällt also unter grob.

Da man Spindeln, Spindelmuttern, Spindellager, Führungen, Führungswagen, Motoren, Encoder und Motortreiber fertig kaufen kann, ist von der mechanischen Konstruktion der X, Y und Z Achse eigentlich nur das Tragwerk relevant.
Bei der B und C Achse sieht es schon deutlich anders aus.
Das zu konstruieren, so das es den Schnittkräften entgegenwirkt und dabei spielfrei (spielarm) und positionsgenau bewegt werden kann ist schon nicht ganz ohne.

Das und die Elektrik/elektronik sind aber kein Problem, wenn man tatsächlich eine CNC Maschinensteuerung selbst programmieren will.
(Und danach hört sich die Beschreibung an)

Schritt 1 wäre es als Minimallösung sich auf 3 Achsen zu beschänken und eine vierte oder fünfte Achse als Option unter Vorbehalt aufzunehmen.

Soll wirklich eine Maschinensteuerung selbst programmiert werden, dann wird die Ansteuerung des Touchscreen eher ein untergeordnetes Problem sein.

Es gilt einen Parser für ISO 6983 Code zu erstellen und eine zeitkritische Steuerung/Regelung der Motoren nach Position, Drehzahl und Drehmoment, Wenn das Werkstück Maßhaltig sein soll.
Eine Abkürzung wäre z.B.:http://www.linuxcnc.org/
https://github.com/LinuxCNC/linuxcnc (http://www.linuxcnc.org/)

[Falko]

Hey,
danke für die vielen Tipss, aber:


Bei Stahl wird das mit den 0,6Nm Motörchen doch etwas knapp. Da werden bei Selbstbaufräsen für Holz und Alu meist schon 3Nm bis 6Nm verbaut.

Wie meinst du das? Die Motoren mit 0,6Nm waren eigentlich nur für die Achsen, die fest montiert sind, also X, Y, Z verwendet.
Für A,B, also die Rotationsachsen überlegen wir noch.
Stahl? Tja, das ist natürlich härter als Alu. Was spricht gegen Aluminium?
Und noch eine Frage: Kennst du bzw kennt einer von euch einen guten Fräskopf?
Kriterien wären:
- möglichst leicht
- leisungsstark genug, um Alu (oder Stahl?) zu fräsen.

MfG
Falko

[i_make_it]

Ich habe das so verstanden das Du auch Stahl bearbeiten willst, da die Anforderungen bei der Stahlbearbeitung höher sind als bei der Alu Bearbeitung, Führe ich natürlich nur das auf.
Kann die Maschine Stahl fräsen, kann sie auch Alu fräsen.
Kann die Maschine Alu fräsen, muß sie nicht unbedingt in der Lage sein Stahl zu fräsen.
Damit meine ich bei vernünftigen Vorschüben und Zustellung.
Wenn man im 0,05mm Bereich zustellt, kann man sogar mit einer Spielzeugfräse wie der Unimat 1 Stahl fräsen.

Also ich habe einen Kress 1050FME-P 1, der hat ER16 Spannzangen, die gehen bis 10mm (8mm wird mitgeliefer).
Und eine Drehzahl von 5.000 bis 25.000 1/min.
Bei einem 10er Fräser also 157-785 m/min.
Bei einem 4er Fräser 62,8-314 m/min.
Und für den Ausdrehkopf und andere Werkzeuge die eine niedrige Drehzahl brauchen, eine Bosch GSB680.
Das ist zwar eine Schlagborhmaschine, aber mit 2 Gängen, Rechts-Linkslauf und Elektronischer Drehzahleinstellung, komme ich auf ca. 50-3000 1/min.
Allerdings bekommt man praktisch keine Spannzangenfutter mit mit 1/2" UNF Anschlußgewinde.
Da muß man also das Dreibackenfutter nehmen.
Und Man kann damit fast nur Bohrtätigkeiten ausführen.

Nun Ja wenn Du Stahl fräst, dann wirkt dem Fräser ja eine andere Kraft entgegen wie wenn er sich einfach durch Luft bewegt.
Ein Motor mit 0,6Nm lässt dann halt nur winzige Zustellungen und Vorschübe zu.
Und auch die Achsen die sich gar nicht bewegen, müssen ja zumindest das Haltemoment haben, damit der entsprechende Kraftanteil der in dem Vektor wirkt nicht einfach mal die Position der Achse verändert.

[Falko]

Hallo,

die Fräse soll planmäßig nur Aluminium fräsen, Stahl muss es nicht sein.
Um mal die Frage mit der Kühlmittelpumpe etc zu antworten: Der Fräskopf, den wir verwenden, ist wassergekühlt, somit ist also Kühlmittel vorhanden und wird nicht mehr benötigt.



Nun Ja wenn Du Stahl fräst, dann wirkt dem Fräser ja eine andere Kraft entgegen wie wenn er sich einfach durch Luft bewegt.

Das ist mir natürlich klar, aber sind da 0,6Nm wirklich zu wenig? Und wenn ja, was würdest du dann empfehlen?


In kürze folgt auch die erst CAD-Skizze.
LG
Falko

[i_make_it]

Mit Kühlmittelpumpe ist gemeint das Kühlschmiermittel fürs Werkzeug.
Sprich So was:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/Makino-S33-MachiningCenter-example.jpg
Selbst wenn man einen Vollhartmetall Fräser verwendet dem das egal ist, weil er nicht ausglüht wie ein HSS Fräser, so erfährt doch das Werkstück und auch die Maschine eine Längenausdehnung wenn sie sich erwärmt, was dann zu falschen Maßen nach dem Abkühlen führt.

Welches Haltemoment die Motoren haben müssen, hängt einmal von den zu erwartenden Zerspanungskräften durch den Werkstoff und die Schärfe des Werkzeuges ab und davon welche Geschwindigkeiten gefahren werden sollen, das bei gleicher Fräserdrehzahl ein Vorschub von 0,1m/min ein anderes Zerspanungsvolumen pro Fräserumdrehung hat als ein Vorschub von 1,0m/min dürfte klar sein.
Entsprechend mehr an Kraft muß durch den Motor aufgebracht werden.
Das ist mal mein Entwurf von Z- und Y-Achse vom letzten Jahr.
31668
Das sind alles 20mm Aluplatten, 16mm Rundführungen, SBR16UU Führungswagen und SFU1605-3_xxx Kugelumlaufspindeln.
Da habe ich Nema 23 Stepper für 48V bis 3Nm vorgesehen. Im Vollschritt käme ich so auf 0,025mm pro Step. Mit einem 5:1 Planetengetriebe auf 0,005mm Das wäre dann schon im Profibereich.

[Darunag]

Hallo,
Ich bin der zweite Mann im Team und im Moment für das 3D Modell zuständig. Ich habe bereits ein sehr grobes 3D Modell angefertigt, welches mit der Zeit immer weiter überarbeitet wird, wenn ich z.B. weis welche Führungen usw. benutzt werden.
https://grabcad.com/library/5-achs-frase-1
Wie gesagt das Modell ist sehr grob :)

Grüße,
Johannes

[Falko]

Hallo Roboterfreunde,

mein Freund und ich haben uns eine Führung und Motoren gesucht und wollten euch erst nochmal fragen, was ihr davon haltet.
Hier sind die Links:

Führung: http://www.kampundkoetter.de/de/20mm-linearfuhrungs-set-wellenunterstutzt-inkl-wagen-400.html

Motoren: http://www.ebay.de/itm/DE-Ship-3pcs-High-Torque-3Nm-425oz-in-Nema-23-Stepper-Motor-CNC-Mill-Router-/331469669081?hash=item4d2d21c2d9:g:PLcAAOSwMmBVkRI T

Glaubt ihr die Motoren sind mit 3Nm ausreichend, um die Achsen festzustellen?
Vielen Dank um Voraus :D
Falko

[i_make_it]

Ich habe bereits ein sehr grobes 3D Modell angefertigt, welches mit der Zeit immer weiter überarbeitet wird, wenn ich z.B. weis welche Führungen usw. benutzt werden.
https://grabcad.com/library/5-achs-frase-1
Wie gesagt das Modell ist sehr grob


@Darunag: Kannst Du etwas erklären was man hier sieht?
31671

Ich sehe nur einen Rahmen mit einer anscheinend drehbaren Platte.
Und kann das unkommentiert so leider nicht mit einer Funktion an einer Fräse in Beziehung setzen.
Siehe dazu auch das Bild von mir in meinem letzten Post, bei dem es sich um die Z-Achse und Y-Achse in Portalausführung handelt von Links vorne oben aufgenommen.

Das Set:
http://www.kampundkoetter.de/de/20mm-linearfuhrungs-set-wellenunterstutzt-inkl-wagen-400.html
hat ein gutes Preis-Leistungs-Verhältniss.
Leider findet man auf der Seite keine der wichtigen Daten.
Ausgehend von den INA LFL20-SF Reihe sage ich mal die Werte dürften gleich oder minimal kleiner sein.
Da bei vielen Fräsoperationen oft mindestens eine Achse steht, sind nur die statischen Tragzahlen und die Momente interessant.
Das wären dann 870N in Y-Richtung und 1,7kN in Z-Richtung.
7Nm um X, 20Nm um Y und 10Nm um Z.
Wenn also die Summe aller Kräfte (Gewichtskräfte, Schnittkraft) und die daraus resultierenden Momente kleiner sind, dann ist das Set geeignet.
Sonst halt nicht.
Natürlich müsste man Verifizieren, ob das angebotene Set auch diese Tragzahlen und Momente erfüllt, und wenn nicht welche denn für dieses Produkt gelten.
Hat man diese Daten, dann kann man auch feststellen ob die Motoren passen.
Da braucht es dann natürlich noch die Daten des Antriebssystems Trapezgewindespindel, Kugelumlaufspinde, Zahnstangenantrieb, etc. und daraus resultierende Untersetzungen und natürlich der Wirkungsgrad)

Alle anderen Methoden der Entscheidungsfindung bedürfen einer Kristallkugel und jemanden der damit umgehen kann.

[Darunag]

Hi,
Tut mir leid dass ich erst jetzt antworte, ich hab einfach keine Benachrichtigungsmail bekommen.

Zu dem 3D Modell:
Grundidee war oben 3 Achsen zu haben, wie bei einer normalen Fräse und unten das Werkstück neigen und drehen zu können
Das genannte ist immer blau markiert. Ich hoffe das hilft dir weiter
31677 x-Achse
31678 y- Achse
31680 z-Achse
31679 neigbare Platte
31681 drehbare Platte


Zu den Schnittkräften:
Wie kann ich die berechnen? Google spuckt mir als erstes das hier aus, kann ich diese Formel verwenden? (http://www.precifast.de/spannkraft-schnittkraefte-berechnen/) Die kommt mir auf den ersten Blick komisch vor weil z.B. der Vorschub nicht vorkommt, täusche ich mich da?

Vielen Dank schon mal für deine bisherige Hilfe.

- - - Aktualisiert - - -

Meine Idee war es auch beim unteren Teil (Bild 4 und 5) die Neigbare Platte mit Motor für die drehbare Platte und mit Spannmittel so auszurichten, dass deren Schwerpunkt in der Rotationsachse liegt, um weniger Belastung für den Motor zu haben, da der dann ja sozusagen nur das Werkstück drehen (von Beschleunigung der restlichen Masse abgesehen) und halten muss.

[i_make_it]

Bei einem Fräser mit 90° Schneide ist nach dieser Formel die Spandicke gleich dem Vorschub pro Zahn.


Ist alles da was gebraucht wird.

Was du da gezeichnet hast, wird den Schnittkräften nicht standhalten. Ist alles sehr fragil.
Das wirst Du noch überarbeiten müssen.
Die Stichworte zum Googlen sind "Trägheitsbiegemoment" und "Torsion".

[Darunag]

Danke für die schnelle Antwort.

Das was ich gezeichnet habe kann so nicht halten, das ist mir auch bewusst. Außerdem habe ich die ganzen Führungen ja bei der Zeichnung nicht beachtet. Die Zeichnung soll mir (und z.B. auch Dir) helfen, einen besseren Überblick zu bekommen. Ich werde sobald ich mehr Zeit habe (scheiß Klassenarbeiten) alles Schritt für Schritt neu konstruieren. Anfangen werde ich vermutlich bei X;Y;Z Achse.

Ich habe bei der Führung allerdings noch ein paar bedenken. Wenn man sich das Bild oder die TZ ansieht, sieht es so aus als ob man den Wagen eventuell etwas um die Führungsstangen herum drehen kann. bei der Führung die du genannt hast (INA LFL20-SF) ist das durch den Führungswagen meiner Meinung nach besser gelöst.
Soll heißen: die Führung die ich genannt habe könnte ich (wenn der Wagen drehbar ist) nur einsetzen wenn ich zwei Führungen verwende (z.B x-Achse) da dort die Drehung durch die Verbindung der beiden Führungswägen verhindert wird. Für Y und Z Achse müsste ich dann Führungen mit einem Führungswagen nehmen.

[i_make_it]

Ich habe bei der Führung allerdings noch ein paar bedenken. Wenn man sich das Bild oder die TZ ansieht,
sieht es so aus als ob man den Wagen eventuell etwas um die Führungsstangen herum drehen kann.
bei der Führung die du genannt hast (INA LFL20-SF) ist das durch den Führungswagen meiner Meinung
nach besser gelöst.
Soll heißen: die Führung die ich genannt habe könnte ich (wenn der Wagen drehbar ist)
nur einsetzen wenn ich zwei Führungen verwende (z.B x-Achse) da dort die Drehung durch
die Verbindung der beiden Führungswägen verhindert wird. Für Y und Z Achse müsste ich
dann Führungen mit einem Führungswagen nehmen.


Rundführungen, auch unterstützte sind nie 100% Verdrehsicher.
Da helfen nur Vierpunkt Führungen, aber eine einzelne Führung sollte man bei einer Werkzeugmaschine eh nicht nehmen.



Der Fräskopf, den wir verwenden, ist wassergekühlt


Da Ihr ja schon eine Frässpindel gewählt habt, habt Ihr da schon mal Abmessungen, die Masse und die Kräfte die durch die Spindel aufgebracht werden können.
Damit kann man die maximale Zerspanungsleistung ermitteln und die da auftretenden Kräfte.
Da immer der Grundsatz Aktion gleich Reaktion gilt, kann man vom Werkzeug über die Spindel zum Gestell rechnen.
Und vom Werkstück über die Spanneinrichtung bis zum Gestell.
Wo da wann welche Achsen drin vorkommen hängt halt von der Bauform der Maschine ab.

Hier mal ein paar klassische Bauformen:

31684

31683

Für was man sich entscheidet hängt halt von verschiedenen Faktoren ab.
Bei der von Dir gewählten sehe ich neben der Stabilität auch Probleme dabei das Werkstück rein und raus zu bekommen sowie es zu spannen.

Bei meinem Entwurf hatte ich mit der Frässpindel und den Kaufteilen (Führungen, Führungswagen, Kugelumlaufspindeln, Motoren) begonnen und dann nach Teilen gesucht die möglichst einfache Bearbeitung erfodern.
Gelandet bin ich bei präzisionsgesägten Aluplatten, da muß ich nur bohren, Reiben, Gewindeschneiden und Senken.

[Falko]

Hallo,

Die Masse für den Fräskopf weiß ich momentan nicht, mein Partner oder ich werden sie aber bald hier hereinschreiben.

Wo siehst du denn genau Probleme beim Einspannen des Werkstücks? Die Platte, wo das Werkstück befestigt wird, wird ein Nutentisch sein, da gibt es mehrere Methoden ein Werkstück zu befestigen... Wo liegen deine Zweifel bzw wie würdest du es machen?

LG
Falko

[i_make_it]

Ich bin von eurem Bild "drehbare Platte" ausgegangen.
Die Platte ist so dünn, das die Spannkräfte sie verbiegen wird.
Bei dem Werkstück, so wie es gezeichnet ist, bleibt für Niederzugspanner ziemlich wenig Platz.

[Darunag]

Ich hab das zwar schon einmal geschrieben aber ich schreibe es nochmal. Die Zeichnung ist ein sehr grober Entwurf für mich um einen Überblick zu gewinnen. Es wird ALLES nochmal von oben bis unten durchkonstruiert und entsprechend den wirkenden Kräften dimensioniert.

[Wsk8]

Mal ne ganz andere Frage, welche Erfahrungen bringt ihr den in dem Bereich mit? Raspberry, CNC, Programmieren, Zerspanen, .... ? Von wem erhaltet ihr (außer diesem Forum) Unterstützung?

mfg

[Falko]

Hallo Wsk8,

Ich kenne mich mit dem raspberry ganz passabel aus, gerade arbeite ich aber daran noch mehr Erfahrungen damit zu machen. Programmieren kann ich auch.

Da wir das Projekt in einer AG bauen, können wir zahlreiche Personen fragen. Mit dabei sind auch Informatik- und Physiklehrer, die wir fragen können. Außerdem kenne ich in meinem Freundeskreis auch mehrere Personen (u.a. ein Maschinenbauer), die uns evtl helfen könnten.
Das Thema Unterstützung ist also kein Problem.
Außerdem ist das Projekt ja auch dazu da, eben genau solche Dinge (CNC,......) zu lernen :)

Ich hoffe das hilft dir ein wenig weiter.
LG
Falko

[Wsk8]

Nehmts mir nicht übel, aber fangt lieber mal mit ner 3-Achs Fräse an. Damit könnt ihr euch schon Jahre beschäftigen. Und wenn dabei mal was vernünftiges rausgekommen ist, kann man es ja um die 2 weiteren Achsen erweitern.
Bei 3 Achsen bewegt man sich bereits im 3D Raum. Damit sind wohl bereits ~70% der durchschnittlichen Abiturienten überfordert. Mit 4 oder 5 Achsen wird das nochmal GAAANZ anders. Ein 3D-Drucker ist hier absolut ungeeignet als Beispiel.
Und wo wollt ihr überhaupt Tools zur Generierung von 5-Achsen Maschinencode bekommen? Entsprechende Firmen zahlen für Lizenzen garantiert 4-5 stellige Beträge pro Monat!

Es gibt vergleichsweise sehr wenig 3-Achsen open source Fräsen. Das sind jahrelange Projekten von Leuten, die garantiert keine Anfänger sind. Von 5 Achsen habe ich aber trotzdem noch nie was gehört.

Wenn ihr euch keine realistischen Ziele setzt, endet dieses Projekt genauso wie 96% aller anderen. Entweder hört man nach 2 Monaten nichts mehr, weil jeder bereits die Lust verloren hat, oder ihr produziert etwas total kontraproduktives und verliert dann auch die Lust weil nichts funktioniert.

Ich habe schon so viele große Ankündigungen gehört und am Ende war es alles heiße Luft.

Just my 2 cents...

mfg

[i_make_it]

@Wsk8: 5-Achs Fäsen heist ja nicht automatisch simultanes 5-Achs Fräsen. Man kann ja auch mit vorgehaltenen Achsen fräsen. Da geht dann auch mal ein Schrägverzahntes Zahnrad, was mit 3 Achsen etwas schwierig wird.
Allerdings befürchte ich, das hier simultanes 5-Achs Fräsen gemeint ist.
Ein 3-D Cad Programm ist ja anscheinend vorhanden (ob es auch die entsprechenden Dateiformate unterstützt bleibt mal offen)
Eine Maschinensoftware die 5 Achsen unterstützt, wäre z.B. mit Mach3 zu beschaffen.
Bei der CAD-CAM Kopplung mit dem maschinenspezifischen Postprozessor dürfte es dann aber scheitern.
Der Marktvergleich ist zwar schon 4 Jahre alt, aber anhand der aufgerufenen Preise (die Paar wo überhaupt Listenpreise genannt sind), kann man sich mal überlegen welcher Entwicklungsaufwand (in Mannstunden) hinter so was steckt.
http://www.werkzeug-formenbau.de/wp-content/uploads/sites/14/2012/05/M%C3%9C-CAM-Systeme-wf3-12-.pdf

Also der Bau einer 5-Achs Fräse geht schon, aber mann sollte halt von 3-Achs Fräsen mit 2 Zusatzachsen als vorgehaltene Achsen ausgehen.
Ich denke nach der Mechanik kommt es eventuell noch zu einer Punktsteuerung oder einer Streckensteuerung.
Ob eine 2 oder 2,5-D Bahnsteuerung in der Zeit drin ist wage ich zu bezweifeln.
Wenn man von 36 Wochen (bis Ende Februar) ausgeht und täglich 2 Stunden bei 2 Personen, kommt man auf 1008 Mannstunden.
Nimmt man an Wochenenden täglich je 6 Stunden statt 2, dann kommt man auf 1584 Mannstunden.
Wobei ich aber davon ausgehe, das wegen Klausuren, Ferien etc. das Pensum nicht durchgehalten wird.
Also eher unter 1000 Mannstunden.
Momentan steht ja noch kein Konzept sondern nur eine 3-D Zeichung die nicht zu gebrauchen ist.
Also muß man von null ausgehen.
Ich gehe jetzt einfach mal von einem Portal aus, da ich es letztes Jahr so gemacht habe.
Frässpindel und damit die maximal möglichen Schnittkräfte berechnen.
Spindel-/Motorbefestigung, Z-Achse Dimensionieren, Z-Führungen und Z-Antriebsspindel, Z-Motorwahl.
Y-Schlitten, Y-Achse, Y-Führungen, Y-Antriebsspindel.
Portalständer, X-Achsen, X-Führungen, X-Antriebsspindeln, X-Motor.
Da ist man schon mal 60-80 Stunden am Rechnen (inklusive Schraubenberechnungen)
Da ja die Kaufteile mit reinspielen und da ja neben den technischen Daten auch die Preise, kann man da ohne
Marktwissen gut 50 Stunden für Recherche rechnen.
Dann die Detail und Einzelteilkonstruktionen, auch mit CAD dauert das seine Zeit. Da gehen gerne 40 Stunden drauf (kommt drauf an wie fitt man in seinem CAD Programm ist)
Gerne werden bei der mechanischen Konstruktion auch so Sachen wie Energieführungsketten, Endschalter, ggf, Enkoder, Schleifringe etc. einfach vergessen.
Was dann noch mal Umbauten oder Neukonstruktionen erfordert.
Kauft man sich Motortreiber zusammen, spart man Zeit, will man das auch noch selbst machen kann man bei der Leistungsklasse viel Zeit verbrennen.
Will man eine Steuersoftware selbst schreiben, hat man viele Teilgebiete zu beachten.
von der Motorregelung als kombinierte Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentsregelung uber die Bahnregelung von 3 bis 5 Achsen bis zum Parser für den G-Kode.

Ich schrieb ja schon in meinem ersten Post "ambitioniertes Projekt".
Meine größte Anlage hatte 18 NC Achsen, da war die Maschinen Software noch nicht fertig als wir die Anlage beim Kunden montiert hatten.
Da waren 2 Programmierer 4 Monate lang etwa 60 Stunden die Woche dran, und es war nicht unsere erste Maschine.
Sprich es gab schon genug Module und Funktionsblöcke die fix und fertig eingebunden werden konnten.
Also über 2000 Mannstunden von Programmieren, die zusammen schon 40 Jahre auf dem Gebiet gearbeitet haben.
Deshalb ist meine Einschätzung für Rookies halt sehr zurückhaltend.
Aber als Schulprojekt wird es wohl eine Dokumentationspflicht geben und die nächste Klasse macht dann halt weiter.

[Darunag]

Und wo wollt ihr überhaupt Tools zur Generierung von 5-Achsen Maschinencode bekommen? Entsprechende Firmen zahlen für Lizenzen garantiert 4-5 stellige Beträge pro Monat!



Autodesk stellt da zum Glück seine Produktpalette für Schüler kostenlos zur Verfügung. Wir werden also mit Inventor HSM arbeiten.

[i_make_it]

Autodesk Inventor HSM unterstützt 3+2 Fräsen.
Also vorgehaltene Achsen.
Simultanes 5-Achs Fräsen geht nur mit Autodesk Inventor HSM Pro.
Den Postprozessor muß man trotzdem erst mal an die Maschine anpassen.
Out of the Box geht da nichts.

Am besten wäre, wenn Ihr mal zusammenschreibt, was ihr selbst entwickeln wollt, Was Ihr gedenkt fertig zuliefern zu lassen und welche Produktionsmittel euch zur Verfügung stehen.
Euer Maschinenbauer kann euch da Weiterhelfen, Stichwort: VDI 2221 "Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte".

- Schülerforschungsprojekt
- 2 Personen (mit einem Freund zusammen)
- Zeit: ca 3/4 Jahr, bis nächsten Februar (2017)
- Wenn man von 36 Wochen (bis Ende Februar) ausgeht und täglich 2 Stunden bei 2 Personen, kommt man auf 1008 Mannstunden.
- Nimmt man an Wochenenden täglich je 6 Stunden statt 2, dann kommt man auf 1584 Mannstunden.
- Wobei ich aber davon ausgehe, das wegen Klausuren, Ferien etc. das Pensum nicht durchgehalten wird.
- Also eher unter 1000 Mannstunden.
- UNterstützung: Informatik- und Physiklehrer in meinem Freundeskreis auch mehrere Personen (u.a. ein Maschinenbauer)
- 5-Achs-Fräse.
- 200x200x200mm Arbeitsraum (maximale Fräsbereich soll 20x20x20 cm betragen)
- Metallbearbeitung Stahl (Werkstoff wird entweder Aluminium oder Eisen sein)

- Geld: 2500€ auf jeden Fall, vielleicht sogar das doppelte
- Unser Ziel ist eine minimale Toleranz, wir denken da an 1mm oder sogar eher weniger.
- Nach DIN ISO 2768-1 ist die Toleranzklasse f (fein) bei 100 bis 300mm angegeben mit +/- 0,2mm
- m (mittel) mit +/- 0,5mm und c (grob) mit +/-1,2mm.
- Führungen: 20mm Unterstützte Rundführungen (www.kampundkoetter.de/de/20mm-linearfuhrungs-set-wellenunterstutzt-inkl-wagen-400.html)
- Motoren: http://www.omc-stepperonline.com/download/pdf/23HS45-3504S.pdf
- Der Fräskopf, den wir verwenden, ist wassergekühlt


- Steuerung soll über das 7'' Touchdisplay von Raspberry
- Habt ihr eine Idee, wie man den Raspberry programmieren muss?
- Ich kenne mich mit dem raspberry ganz passabel aus, gerade arbeite ich aber daran noch mehr Erfahrungen damit zu machen. Programmieren kann ich auch.
- Der Raspi ist das Herzstück des gesamten Projekts, er soll visualisieren (per Touchscreen), aber auch alle 5 Schrittmotoren ansteuern und justieren.
- einen GCode-File o.ä. auf einem Usb-Stick hat. Alle GCode-Dateien sollen ausgelesen werden und auf dem screen angezeigt werde. Anschließend kann man eine Datei auswählen, woraufhin diese gefräst wird.

[Darunag]

Wir haben Inventor HSM Pro, habe vergessen dass es auch die normale Version gibt

Um zurück zu den Schnittkräften zu kommen: In welche Richtung wirken die? Axial, Radial oder was dazwischen?

[i_make_it]

Um zurück zu den Schnittkräften zu kommen: In welche Richtung wirken die? Axial, Radial oder was dazwischen?

Iin alle Richtungen, da das beim Werkzeug vom Spanwinkel abhängt und von der Geometrie von Haupt- und Nebenschneide.
Und beim Zerspanen selbst,davon ob man Gleichlauf oder Gegenlauf fräst und davon wie die Seitliche und Tiefenzustellung ist (wiederum abhängig von der Werkzeuggeometrie.
Da ist aber egal, da man für jede einzelne Achse (bezogen auf das Maschinen Koordinatensystem) immer mit der maximal möglichen Kraft rechnen muß.
Also nimmt man zum Beispiel eine Bohroperation mit dem maximalen Bohrerdurchmesser und ausgespitzer Querschneide. Damit erhält man ein Zugkraft nach Z- wenn sich der Bohrer reinzieht.
Nimmt man den selben Bohrer mit maximalem Verschleiß und ohne ausgespitzte Querschneide, Oder einen Fingerfäser, bekommt man eine Druckkraft nach Z+.
Die maximalen Werkzeugdurchmesser ergeben sich zum einen aus den Spannzangen (Ausnahmen sind Werkzeuge wie Messerköpfe) und dem Drehmoment der Frässpindel.
Geht man vereinfacht vor, kann man aus dem Drehmoment und einem Werkzeugradius eine Kraft ermitteln die man in X und Y sowohl für + als auch für Minus nimmt-, da geht man von einem Spanwinkel von 0° aus.
Jetzt kann man die selbe Kraft auch einfach für Z+ und Z- nehmen und ist fertig.
Natürlich kann man es genau machen und sich die Spanwinkel aller möglichen Werkzeuge betrachten und dann per Vektorzerlegung die Kraftanteile in Achsrichtung ermitteln.
Da kommt mann dann näher an die Realität, aber braucht sehr viel mehr Zeit.
Und etwas Reserve schadet nicht.
Allerdings sollte man beim Bau einer Werkzeugmaschine auch was über die Schnittkräfte wissen und auch was für Resonanzen auftreten können (Stichwort: Rattermarken)
31694
Unten Rattermarken, oben keine.

Ich schlage vor, das Ihr als erstes ein Gespräch mit eurem Maschinenbauer sucht und etwa 4-6 Stunden einplant.
Denn euch fehlt da einiges an Grundlagenwissen zum Bau von Werkzeugmaschinen. Das zu vermitteln ist remote im Rahmen eines Forums nur sehr schwer und vorallem langsam möglich. Mit einem Fachman vor Ort ist das direkt, interaktiv sehr viel schneller zu bewerkstelligen.
Der wird euch auch nicht ad hock das vermitteln können was man in minimal 4 Semestern (Maschinenbautechniker) lernt, aber er kann sehr schnell auf eure Vorstellungen eingehen und diese korrigieren, sowie euch mit Suchbegriffen und Infos versorgen, mit denen Ihr dann zielgerichtet selbst Rechersche betreiben könnt bzw. zu eurem Physiklehrer gehen könnt.
Parallel zur technischen Mechanik solltet Ihr auch unbedingt festlegen was an Elektrik/Elektronik und vorallem an Software fertig zugekauft wird und was Eigenentwicklung werden soll.
Denn da ergeben sich eure Tasks die Ihr frühzeitig mit eurem Informatik Lehrer klären müsst.
Ganz gut ist es einen Plan B zu haben, eventuell Evulations und Schülerversionen als Zukauf planen und sagen wenn genug Zeit bleibt beginnt man mit einer Eigenentwicklung. Denn den Aufwand für die Entwicklung einer eigenen Maschinensoftware sollte man nicht unterschätzen.
Wenn Ihr euch vom Raspi verabschiedet, und auf Arduino schwenkt, könnten Ihr euch an fertigen Systemen wie z.B. Marlin orientieren, das ist immerhin eine fertige 3-Achs CNC die G-Code verarbeitet.
Bsp.: http://www.golem.de/news/anleitung-selbstgebaute-maschinen-steuern-1510-116331.html

[Falko]

Hallo,

ich denke ihr habt Recht, dass wir uns nichts zu Großes vornehmen sollten. Wir haben ja auch insgesamt nur ein 3/4 Jahr Zeit um etwas gutes zu bauen...
Euer Tipp mit der 3-Achs-Fräse ist definitiv gt und daher werden wir uns auch wahrscheinlich daran halten. Irgendwann demnächst wird dann wieder eine ungefähre Skizze folgen.

LG
Falko