Kleine Fräße im Eigenbau

[Sebbj83]

Hallo Miteinander,


Ich möchte hier auch mal meine kleine Fräße vorstellen, an der ich seit über einen Jahr immer mal wieder dran arbeite (wirklich nur sporadisch).
Leider weiß ich nicht, ob ich hier im Forum richtig bin, oder eher in das Planungsforum mit diesem Thema gehöre,
da ich mit der Fräße noch lange nicht fertig bin. Ich denke das werde ich ohnehin nicht soo schnell. So vergebt mir, falls ich hier falsch bin ^^.

Zu den Hintergründen: Angefangen bzw. gewachsen ist die Fräße aus einem kleinen Vorgängerprojekt:
Einem kleinen CNC Lasercutter mit Altteilen aus CD Laufwerken. (Ja, ich habe eine Laser-Schutzbrille)
Hierbei wollte ich mich Näher mit der Ansteuerung von Schrittmotoren befassen und im Allgemeinen er Elektronik befassen.
Anbei noch ein paar Bilder von den Resten, die ich noch finden konnte^^ betrieben wurde das ganze mit einem Raspberry.



Da ich vorher nie etwas mit einer Fräße, 3D Druck, der Software (CAD CAM GCode etc) zu tun hatte,
war und ist für mich noch alles neu und ich hoffe dass man mir verzeiht, wenn ich nicht immer die Fachwörter für etwas finde oder benutze.


Nun zur Fräße:

Grobe Vorraussetzungen, die ich geplant hatte:

- Spindel sollte austauschbar sein (mit einem Extruder zum 3D Druck, und meinem Laserkopf vom Vorgängerprojekt zum Plotten)
- Arbeitsfläche sollte in etwa DIN A4 Größe haben, damit die kleine Fräße portabel bleibt.
- Arbeitsfläche sollte gegen eine Heizplatte zum 3D Druck austauschbar sein.
- Keine allzu große Genauigkeit, da es ein Projekt für mich war um eher die gesamte
Elektronik zu verstehen und mich mit den Softwaretechnischen Seite auseinanderzusetzen.
Falls die Genauigkeit ausreicht, wollte ich damit Platinen fräßen, aber erst sollte es grob laufen.



Zum Aufbau:

Als Spindel habe ich einen BLDC Aussenläufer geholt, und die Achse gegen die Spannzange getauscht. Die Spannzange musste ich vorher abdrehen, schleifen etc..
Die Halterung ist aus hartem Aluminium, mit einigen Kugellagern versehen, als kleine Spielerei habe ich in der Halterung LED's zur Beleuchtung integriert.
Derzeit wird der BLDC Motor von einem ausgemusterten PC-Netzteil betrieben, jedoch schafft er bei den 12 V nur grobe 7000 U. Das wird sich blad ändern,
es ist ein neues 30V Netzteil für meine Schrittmotoren unterwegs, somit kommt das 24V Netzteil an den BLDC Motor dran.
Die Geschwindigkeitsregelung wird derzeit provisorisch von einem Servo-Tester manuell gesteuert,
ich bin noch an einer kleinen Schaltung mit nem AVR dran um diesen per PWM direkt aus dem Arduino oder manuell anzusteuern.
Entsprechend wird die Schaltung auch schon für Mach3 vorbereitet, das aber eher für nen Freund^^




Die Schrittmotor Endstufen sind ganz billige aus China, der Beweggrund diese zu kaufen war eigentlich der Preis:
Alleine für den Chip hätte ich hier mehr bezahlt als für die gesamte Platine aus China. Da wird sich auch noch einiges dran tun,
sobald mein Oszi da ist, ich muss da leider noch bis Ende des Monats warten.

Endstopps / Schalter habe ich bisher nur jeweils beim Maximum einer jeden Achse, 3 weitere kommen wohl in den nächsten Wochen dran.

Gesteuert wird die Fräße derzeit über einen Arduino mit der Software GRBL, jedoch bin ich auch hier noch unschlüssig ob ich nicht auf Mach3 umsteigen sollte.
--> Deswegen ist die Elektronik auch noch nicht im Kasten, sondern hängt außen rum.


Wie man unschwer an den Bildern erkennen kann, habe ich die Fräße nun zum testen aufgebaut, auf Kugelumlaufspindeln habe ich erstmal verzichtet,
da mit die Genauigkeit mit Zahnriemen ausreicht, so habe ich auch gleich aus dieser Entscheidung gelernt:
1. Da ich 1/8 Schritte eingestellt habe ist mein Drehmoment mit 24V und 2,2A/ph leider zu klein.
Ich hatte dann zwar 46 Schritte/mm, aber derzeit klappt es wohl nicht da muss ich weiter mit den Endstufen rumprobieren.
Mit Kugelumlaufspindeln (so schätze ich) wäre mir das wohl nicht passiert.
Ich habe !ohne! große Last bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten Schrittverluste auf der Y-Achse.




Soviel zur kleinen Vorstellung der kleinen Fräße.

Ich werde demnächst meine gesammelten Fragen/ Gedanken als Erfahrungsbericht posten, da ich tatsächlich bei 0 angefangen habe und so was bestimmt dem einem oder anderen helfen kann.


Für Anregungen, Fragen und konstruktive Kritik bin ich gern zu haben.

Grüße, Sebastian

[Geistesblitz]

Na das sieht doch schonmal ganz brauchbar aus. Ich habe vor Kurzem auch eine CNC in einem ähnlichen Format gebaut (kannst dir hier ansehen), allerdings mit Kugelumlaufspindeln (bzw. die Linearachsen waren schon weitestgehend fertig aufgebaut, habe ich mal geschenkt bekommen). Für erste Gehversuche sollte die Mechanik auch schon reichen. Die Zahnriemen sind da allerdings wirklich ein Problem, da du damit keine besonders große Übersetzung hast. Damit kann man zwar schön schnell verfahren, allerdings leidet die Präzision und das Drehmoment darunter, und gerade diese beiden Sachen braucht man beim Fräsen. Da musst du einen guten Kompromiss finden, denn 3D-Druck und Plotten (schnell mit wenig bis keinen Bearbeitungskräften) sind halt was anderes als Fräsen (eher langsam mit relativ großen Bearbeitungskräften). Kugelumlaufspindeln sind natürlich super, allerdings auch ziemlich teuer. Ein guter Kompromiss sind da Trapezgewindespindeln, die sind relativ günstig, müssen für die Lagersitze und Kupplungsstutzen aber noch nachbearbeitet werden. Die Lagerung ist da ebenfalls wichtig, die Motorlager alleine sind ungeeigent, da die innen nur über eine Feder gespannt sind. Dadurch könnte sich die ganze Achse bei größeren Bearbeitungskräften verschieben. Bei solchen Bewegungsspindeln ist der Aufbau in etwa wie folgt:

Motor -> Übertragungselement (meist Kupplung oder Zahnriemen) -> Ansatz an der Gewindestange -> Festlager (zwei gegeneinander angestellte Lager) -> Arbeitsbereich der Spindel mit passender Mutter -> Loslager (nur bei längeren Spindeln nötig, ist da um ein verbiegen der Spindel zu verhindern)

Alternativ kann man bei kurzen Spindeln auch auf das Festlager verzichten und dafür an beiden Enden Lager so verbauen, dass sie gegeneinander sitzen und sich somit nix verschieben kann (hab ich hier so gebaut). Bei einer Fräse will man wirklich so wenig Spiel wie möglich in der Mechanik haben, sonst gibt es Ungenauigkeiten und die Maschine rattert anstatt sauber zu fräsen. Hier gibt es übrigens auch noch spezielle Teile für Hobbymaschinen, die sehr praktisch sind. Gerade die spielfrei einstellbaren Trapezmuttern sind sehr interessant. Brauchst du alles an deinem Versuchsobjekt auch noch gar nicht realisieren, am besten ist es, das alles schonmal im Hinterkopf zu behalten und nachher für eine ordentliche Fräse umzusetzen.

Wegen den Schrittmotoren: die sehen für Zahnriemenbetrieb wirklich ein bisschen klein aus, was haben die denn für Daten bzw. was für Typen sind das? Hauptsächlich wäre da das Haltemoment interessant. Als Steuerung sind bei mir diese kleinen Boards in Benutzung, sind scheiße billig und können alles, was man braucht. Sollte man nur vielleicht schonmal ein paar auf Vorrat holen, falls doch mal eins ausfällt. Daneben gibt es noch kompatible mit einem anderen IC, die können etwas mehr Strom und haben eine höhere Auflösung, allerdings machen die bei mir noch ein bisschen Probleme.

Achja, mit grbl arbeite ich auch und bin damit eigentlich ganz zufrieden. Da ich nur Laptops hier habe, hätte ich auch gar keinen Parallelport für Mach3 oder LinuxCNC. Bei den neueren Versionen von grbl ist ja sogar die Spindeldrehzahl über PWM regelbar, das ist da jetzt direkt in der Firmware drin, vielleicht kannst du das direkt an deinen BLDC-Controller anschließen. Braucht der wirklich eine PWM oder so ein Servosignal?

[Sebbj83]

Nu werden dann wohl doch demnächst noch Kugelumlaufspindeln drankommen (Natürlich werden bis zur endgültigen Entscheidung ein paar Tests vergehen)

Zu den Schrittmotoren: Ich habe hier mal das Datenblatt zusammengeschustert:

Derzeit betreibe ich die mit 24V, das 30V Netzteil ist ja noch unterwegs.


Die kleinen Pololu Schrittmotor-treiber sind mir bekannt, diese habe ich auch, jedoch die Stepstick-Variante, die gehen nur bis 1,2A/ph, somit für meine Motoren nicht ausreichend, ich müsste ein paar kleine Widerstände umlöten um diese auf 2A zu pushen. Und SMD löten ist bisher nicht so mein Ding^^, da werde ich mich aber wohl einfach interessehalber auch noch dransetzen. Zumindest lief mein Test auf dem Breadboard mit 1,2A/ph nicht allzu erfolgreich.

Wegen den Schrittverlusten an der Y-Achse:
Ich habe nun alle Achsen mit 1/2, 1/8 und 1/16 Schritten Fahren lassen. Trotz Last fahren mir die X und Z Achsen ohne Verluste durch, sogar bei 1/16 Schritten. Somit komme ich (mit meinen Zahnriemenscheiben) auf eine Auflösung von ca 96 Schritte/mm.
Nur die Y-Achse macht da Probleme. Bei jeder Einstellung habe ich bei der selben Geschwindigkeit Schrittverluste (Resonanz?) mich wundert einfach, dass die anderen baugleichen Motoren keine Probleme machen. Die Schrittmotorteiber sind's auch nicht, ich habe diese mal durchgetauscht. Die Motoren waren gebraucht, vielleicht hat ja der eine nen Schuss weg. Die Achse selbst lässt sich einwandfrei ohne Hänger von Hand hin- und herschieben.


Zur Ansteuerung der Spindel:
Mein BLDC Controller braucht ein Servo PWM somit ein PWM mit 50Hz und nem Load zwischen 1ms (aus) und 2 ms (volle Geschwindigkeit). Da werde ich einfach das PWM Signal (Vom Arduino, bzw beim Freund Mach3) mit nem AVR auslesen und in das Servo-PWM übersetzen und ausgeben. Ein Schalter kommt auch noch dran, um eine manuelle Steuerung über einen Poti zu gewährleisten.

[Geistesblitz]

Hmm, ok, das ist wirklich ein bisschen seltsam. 0,34Nm ist aber auch ein bisschen wenig Drehmoment, mal angenommen deine Zahnriemenräder haben 15mm Durchmesser sind das gerade einmal knapp 23N Kraft. Das ist wirklich verdammt wenig. In meiner Fräse hier sind Motoren mit ca. 0,5Nm und durch die Gewindespindel wird das noch ordentlich verstärkt.

Bei den Spindeln musst du gucken, ob du da günstig an welche heran kommst. Ich find Trapezgewinde jetzt eigentlich gar nicht mal so schlecht, hat man aber halt ein bisschen mehr Arbeit mit.