Nick's Technikseite  

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Fräsmaschine



CNC-Fräse

 

Eine CNC Fräsmaschine ist ein Roboter, der ein Werkzeug sehr genau bewegen kann. Die Schrittmotoren bewegen den Werkzeughalter über Führungen meist in 3 Achsen: Links-Rechts (X-Achse), Vor-Zurück (Y-Achse), und Hoch-Runter (Z-Achse).

Wenn man irgendetwas schneiden oder sonst wie bearbeiten muss, kann man das mit Handwerkzeugen machen, solange es nicht allzu genau sein muss. Wenn es aber darum geht, auf hundertstel Millimeter und noch genauer zu arbeiten, oder mit unglaublicher Geschwindigkeit, dann stößt der zittrige und müde menschliche Körper schnell an seine Grenzen. Da kommen CNC-Maschinen ins Spiel.

In den Werkzeughalter kann man alles Mögliche stecken, z.B. einen Stift zum Zeichnen, ein Folienschneidmesser, einen Laser zum schneiden/gravieren, einen Extruder zum 3D-Drucken, oder eine Frässpindel (Elektromotor mit Werkzeugaufnahme) in die ich wiederum Bohrer, Fräser, Schleifer oder Gravierstichel einspannen kann.

Als leidenschaftlicher Bastler musste ich so ein Gerät natürlich haben, da ich in viel genaueren und kleineren Dimensionen arbeiten wollte. Nach langem sparen habe ich mir dann ca. 2010 eine kleine CNC-Fräsmaschine (High-Z 400) gekauft, Kostenpunkt knapp 3000€ :(..Anfangs wusste ich nicht mal wie man so ein Ungetüm überhaupt bedient, aber in meiner kurz darauf folgenden Ausbildung zum Zerspanungstechniker habe ich die Grundlagen schnell erlernt, und konnte die Fräse endlich benutzen. Zur High-Z 400 kann ich nur sagen: Einwandfrei, sehr genau und zuverlässig,...aber ein bisschen klein wenn man mehr als Platinen und Modellbau machen will.






Meine erste Eigenbau-Fräse



Ich wollte endlich größere Teile bearbeiten, und fand Mitte 2015 einen Käufer für meine kleine HighZ-400. Danach ging es ans shoppen:


X-Achse:

- 2x 1m lange gehärtete Linearführungen Ø20mm

- 4x Linear-Kugellager LM20U mit Alu Block und SK20 Klemmhalter

- Nema23 Schrittmotor und 128-Microschritt Treiber

- T5 Riemen mit Stahlzugstrang, T5 Riemenrad, Gegenlager, Kleinteile

- Netzteil mit 2x 24V (bis 30V einstellbar) & 2x 5V Ausgängen

- Kabelkette, Kabel, Endschalter, Schrauben, ...

 

Y-Achse:

Die X-Achse liegt auf der Y-Achse, deshalb muss Y stabiler sein

- 2x 1m lange gehärtete Linearführungen Ø25mm

- 4x Linear-Kugellager LM25U mit Alu Block und SK25 Klemmhalter

- Nema34 Schrittmotor und 128-Microschritt Treiber + 60V Netzteil

- 2x XL Riemen mit Faserstrang, XL Riemenräder, Gegenlager, Klemmhalter, Kleinteile

- 12mm Stahlwelle (von Motor zu Riemenräder), Motorriemen & Räder

- 12mm Kugellagerböcke, Gegenlager für Riemen, 4x SK12 Klemmhalter, Kleinteile

- Kabelkette, Kabel, Endschalter, Schrauben, ...

 

Z-Achse

- 2x 20cm lange gehärtete Linearführungen Ø12mm

- 2x Linear-Kugellager LM12LU und 4x SC12 Klemmhalter

- Airpax-Motor, später Nema23 0,9° und 16-Microschritt Treiber (hängt am 24V Netzteil)

- 20cm TR10x3 Trapezgewindespindel & Mutter, Kupplung, Gegenlager, Kleinteile

 

Spindel:

- Billige Frässpindel mit Eurohalsaufnahme (Ø43mm) und Universalmotor (AC & DC)

- Eigenbau PWM-Drehzahlregler: Der Netzstrom wird gleichgerichtet und mit einem Mosfet und Optokoppler vom LinuxEMC-Spindel-PWM-Ausgang gesteuert.




Anfangs wollte ich alles auf einem Grundgerüst aus Aluprofilen aufschrauben, fand aber keinen günstigen Anbieter, also kurzerhand zum Baumarkt und 2x 19mm Spanplatten mit den Maßen 1300x1100mm beim Zuschnitt bestellt. Viele Probleme später hatte ich das meiste Zuhause, und konnte endlich mal alles aufstellen, und überlegen, wie ich die Verbindungsteile fräse. Ein paar Stunden SketchUp-Zeichnen später hatte ich das Design so minimiert, dass ich nur 5 Verbindungsplatten und ein paar kleine Riemenspanner fräsen lassen musste, um die Maschine aufzubauen:


CNC Fräse Aufbau   CNC Fräse Aufbau 2   Riemenspanner   CNC Fräse Aufbau 3



Wer sich mit CNC auskennt denkt wahrscheinlich, wieso Riemen und keine Gewindespindeln an XY? Ganz einfach: Ich bearbeite nur Holz und Kunststoffe mit dieser Maschine, da brauch ich keine Kraft, aber Geschwindigkeit, um die Arbeitszeit und Lärmbelästigung kurz zu halten. Die Genauigkeit liegt trotz Riemen im Sub-Tausendstel mm Bereich, dank moderner Treiber mit bis zu 128 Microschritten. Mir reichen schon weniger Mikroschritte und 3 Hundertstel Auflösung, was bei diesem Setup traumhafte 300mm/s = 18.000mm/min Vorschub erlaubt. Als Bonus kann man die Führungen bei entnableden Treibern einfach wegschieben wenn sie im Weg sind, bei Gewindespindeln wie an meiner Z-Achse müsst ich kurbeln...

 



LinuxCNC


Da ich mein gutes altes WinPCNC Economy mit meiner High-Z verkauft habe, blieb mir nur die freie Linux Alternative EMC2, oder ein Arduino mit 3D-Drucker Firmware oder GRBL. Ich entschied mich vorerst für Linux EMC, einen Arduino kann ich jederzeit an den LPT-Port/Optokoppler-Board der Fräse stecken. Die Einstellung im EMC Stepconf-Wizard ist relativ simpel wenn man ein bisschen Englisch übersetzen kann und sich das EMC Forum oder YouTube zur Hilfe nimmt. Wer sporadisch auftretende Richtungsprobleme oder zitternde Achsen hat, kann mal probieren die 5V vom Optokoppler-Board (falls verwendet) auf 6V zu erhöhen. Wegen 2 Widerständen in Serie (1x am Optokoppler-Board & 1x im Schrittmotortreiber) kann es passieren dass zu wenig Spannung im Treiber ankommt. Wenn die Achse beim Homing/Referenzfahrt in die falsche Richtung fährt, muss ein - (Minus) vor die Homing-Speed, z.B. "-5" mm/s ;)


Der Achsen-Test im Stepconf-Wizard ist genial, man kann direkt die maximale Beschleunigung und Geschwindigkeit testen und übernehmen. Ich teste immer mehrere Abstände, z.B. 0,5mm, 1,5mm, 10mm und 100mm Verfahrweg im -+ Modus und erhöhe zuerst die Geschwindigkeit bis zum Maximum, und senke diese dann wieder ca. um 20% für etwas Sicherheit. Danach mache ich dasselbe mit der Beschleunigung. Wenn alle Achsen referenzieren und fahren, kommt die Feineinstellung, man spannt z.B. einen Stift in den Werkzeughalter, und lässt sich ein Rechteck mit den größtmöglichen Abmessungen zeichnen. Dann misst man nach wie groß das Rechteck ist, und rechnet: Sollmaß (programmiertes Maß) dividiert durch Istmaß(gemessene Länge) = Faktor. Mit diesem Faktor multipliziert man die Steps/mm bzw die Übersetzung der jeweiligen Achse im Stepconf-Wizard. Dann sollte die Maschine das Rechteck genauso groß zeichnen, wie man es ihr programmiert.








Bilder Fräsen

 

Von Jason Dorie gibt es ein geniales Programm, das Bilddateien in G-Code umwandelt, und wunderschöne Effekte ermöglicht: Halftoner


Halftoner CNC


YouTube Video:







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