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/v...ic.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)


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/schrittmoto...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

[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/wikiped...er-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.

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