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Projekt CNC-Fräse Mechthild (4-Portal, Kreuzplatte und Z-Achse)

Portal schweißen

Nachdem also der Rahmen geschweißt war, und die Laufschienen befestigt, ging es zum Aufbau des Portals. Mir ist jetzt nichts klügeres eingefallen als die Portalwangen einfach aus Rohrabschnitten aufzustapeln, und diese Ringsherum mit 8 Schweißpunkten zusammenzuhalten. Das Portal ebenso als Stapel aus hohlen Stahlprofilen.
Ich habe vorher gerechnet wie schwer das wird, und das Portal daraufhin optimiert das es möglichst noch mit 2 Personen anzuheben geht, nachdem die Z-Achse abgebaut ist. Also die bewegte Masse wird dank Hohlprofilen mit Fräsmotor und Z-Achse ungefähr bei 65-75 Kg liegen, das Portal nicht ganz 50 Kg. Es handelt sich also um einen Leichtbau. 🙂

Portal schweißen

Ein Scherenwagenheber und eine Vielzahl Holzklötze und Abschnitte als Zulagen hilft enorm beim Positionieren der Bauteile.
Das im ersten Bild ganz oben scheinbar überzählige Blech wird nun auf der Rückseite der Kreuzplatte angeschweißt, um die Laufwagen der oberen Laufschiene zu tragen.

Oben zwischen Portalwangen und Portalbalken schweiße ich dann noch Dreiecke aus 3mm Blech ein.


Das wars erstmal zum Rahmen, irgendwie hab ich nochmal andere Dinge über die Kreuzplatte und Z-Achse geschrieben, und danach gemerkt, dass das im ersten Teil eigentlich schon mal Thema war.

Aber vielleicht wills trotzdem einer lesen, der kann ja hier weiter machen.

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Projekt CNC-Fräse Mechthild (3-Schweißarbeiten Gestell und Rahmen)

Nach dem Bestellen der elektrischen Komponenten und dem vorbereiten der Schaltschrankverkabelung ging es dann an den mechanischen Aufbau. Das war 2018.

Zunächst habe ich mir einige Gedanken darum gemacht, wie ich mit den mir zur Verfügung stehenden begrenzten Mitteln überhaupt zu einem brauchbaren Ergebnis komme.
Die Rahmenkonstruktion soll aus Viereck- und Quadrat-Stahlrohren entstehen und verschweißt werden. Das bedeutet unweigerlich, das hier erhebliche Ungenauigkeiten durch den Verzug des Materials nach dem Schweißen entstehen. Der professionelle Weg wäre hier, den Rahmen aus Material mit größerer Wandstärke herzustellen, dann den gesamten Rahmen in einem großen Ofen Spannungsarm zu glühen, und nachher auf einer entsprechend großen Fräse die Oberflächen zur Bauteilmontage planzufräsen. Es gibt Firmen die das machen können, aber das sprengt mein Budget für diese Maschine um Größenordnungen. Deshalb muss ich sehen, wie ich ohne diese Dinge klar komme.

Zunächst brauche ich also eine ebene Fläche, um den Aufbau der Maschine darauf durchzuführen. Außerdem muss sie glatt genug sein, um mit Meßwerkzeugen gegen die Fläche messen zu können. Und kosten darf es natürlich auch (fast) nichts, und transportabel muss es auch sein. Im Prinzip scheitert es an dieser Stelle schon, die Maschinenbauer unter den Lesern haben ja bereits beim Schweißverzug die Hände über dem Kopf zusammengeschlagen, es kann also nur noch schlimmer werden.

Ich habe mir einen Tisch mit einer geschliffenen und polierten Granitplatte gebraucht gekauft, und werde darauf den Aufbau vornehmen. Wie gerade die Platte ist kann ich nicht wirklich messen, also hoffe ich das es so halbwegs hinkommt. Der Tisch wird mit Hausmitteln so gut es geht „ins Wasser“ gebracht.

Darauf entsteht nun zunächst das Untergestell und der Maschinenrahmen.
Untergestell schweißen
Da ich das weitgehend alleine gemacht habe, habe ich zum halten der Profile große Schweißmagneten „33Kg“ gekauft. Damit lassen sich die Teile grob Winklig an der stelle Fixieren bevor sie mit Heftschweißungen befestigt und nochmal ausgerichtet werden.

Untergestell schweißen
Möglicherweise muss ich hier später zur Verstärkung noch Dreiecke an den Beinen einschweißen, das entscheide ich dann ganz zum Schluss. Zunächst bleibt es erst einmal so, an das Untergestell werden dann im weiteren Aufbau noch verschiedene Halterungen angebracht.

Nun folgt der Aufbau des Maschinenbettes.
Rahmen schweißen
Ich habe nicht alle Zwischenschritte fotografiert, und schweißen kann ich eigentlich auch nicht, aber was soll schon schiefgehen.

Rahmen schweißen
Zum Zusammenbraten der Rohre muss ein Elektrodenhandschweißgerät der Baumarkt-klasse herhalten. Das Konzept zur Minimierung des Schweißverzugs ist, keine großen Nähte zu machen sondern alles mit einigen kleinen Punktschweißungen zusammenzuhalten.
Ich habe zwei einzelne Rahmen geschweißt, diese dann aufgedoppelt und nachher mit dem Aluminium-Vierkantstrangprofil als Unterlage die Streben eingebaut.
Nach dem Abkühlen war der gesamte Rahmen um ca 2mm verzogen.

Rahmen schweißen
Nun kommen wir zum Ausgleich des Schweißverzugs. Dazu habe ich mir folgendes ausgedacht: Die Laufschienen werden mit dem Laufwägen auf der hoffentlich ebenen Tischplatte ausgerichtet und in ein Bett aus Epoxidharzspachtel eingedrückt, welches dann in diesem Zustand aushärtet. Danach habe ich die Befestigungslöcher durch das harte Epoxy in die Stahlrohre gebohrt und Gewinde für die Befestigungsschrauben gebohrt. So hoffe ich, das die Laufschienen nicht durch den krummen Maschinenrahmen beim anschrauben verzogen werden.
Aber Achtung: Diese „unterstützten Wellen“ sind schon ab Werk krumm zusammengeschraubt. Hier muss man also zunächst alle Schrauben des Aluminiumtrageprofils lösen und auf einer ebenen Fläche ausrichten und dann alle Schrauben schrittweise und „über Kreuz“ Stück für Stück anziehen, und zwischendurch die Geradheit der der Welle kontrollieren, um diese ersteinmal gerade zu bekommen.

Rahmen schweißen
Nach dem gleichen Verfahren mit der Epoxy-Spachtelmasse als zwischenlage wird die Laufschiene auf der anderen Seite befestigt, wobei die Ebenheit wieder von der Tischplatte abgenommen wird. Hier kommt allerdings noch ein zweites geometrisches Problem hinzu, und das ist die Parallelität der beiden Schienen. Damit die stimmt, muss zudem noch der Abstand der beiden Laufschienen an jeder Stelle exakt gleich sein.
Dazu habe ich mir ein Hilfswerkzeug angefertigt, welches mit einem Laufwagen auf der anderen Seite verschraubt ist und mit einer Kugelgelagerten Rolle auf dem Rahmen fährt und gegen den Laufwagen auf der auszurichtenden Schiene mit einer Meßuhr misst. Gegen die Schiene ist schwer zu messen da diese ja eine runde Oberfläche hat, und der Laufwagen dreht sich auch noch ein Stück weit um die Schiene, was die Sache zusätzlich noch erschwert. Ich habe dazu die laufwagen auf der Tischplatte aufliegen gehabt und im wechsel gegen den vorderen und hinteren Laufwagen gemessen, bis ich soweit zufrieden war, denn viel Zeit bleibt einem dazu nicht, da das Epoxy in der Zwischenzeit aushärtet.

Projekt CNC-Fräse Mechthild (2 Schaltschrank)

Weiter gehts hier mit der CNC-Fräse.

Nachdem im Teil 1 schon zur Einleitung vorgegriffen wurde, hier also was nach 2017 so passiert ist.
Es ging dann weiter mit dem Schaltschrank.

In diesem (doch etwas sehr knapp bemessenen) Schaltschrank soll die ganze Steuerung verschwinden.
Zunächst ein paar vorbereitende Dinge nachdem ungefähr klar wurde, wie die Lage der Bauteile auf der Montageplatte sein wird. Die Elektronik wird etwas Abwärme erzeugen, also braucht es da etwas Luftdurchsatz. Zwei 120mm Lüfter passen in die Seitenwand, die dafür Ausschnitte bekommt.

Lüfterlöcher

Als Versorgungstechniker nervt es mich total, das man in Schaltschränken in dunklen Kellergängen oft nicht gescheit sehen kann. Deshalb kommt da gleich erstmal eine Schaltschrankbeleuchtung aus LED-Klebeband rein.

Schaltschrankbeleuchtung

Die Schrittmotortreiber werden mit 24V betrieben, die Lüfter brauchen 12 (es gibt 24V Lüfter, sind aber deutlich teurer), daher sorgt eine kleine Elektronik für die Erzeugung von 12V für Lüfter und Beleuchtung, mit dem Aktivierungssignal für die Schrittmotorendstufen wird per Transistor die Lüftung zusammen mit dem Schrittmotoren eingeschaltet. Bei Stillstand der Maschine gehen die Lüfter aus und saugen so hoffentlich weniger Staub ins Gehäuse.
zusatzelektronik

Der 3D-Drucker macht sich auch hier wieder einmal Nützlich, denn die ganzen Halterungen für die kleine Zusatzplatine, für die Parallelport-Karte, für das Netzteil und oben auch für die Klemmleisten ermöglichen einen kompakten Aufbau.
3D gedruckte Halter

Nachdem nun weitgehend alles komplett ist, habe ich dann mal die Motoren auf dem Tisch angeschlossen und einen Motorhalter für den Z-Achsen Motor gedruckt, den Motor montiert und das Zusammenspiel aus Hardware und LinuxCNC-Steuerung eingerichtet. Dabei konnten dann auch erste Fahrversuche mit dem Schrittmotor und der Z-Achse gemacht werden um abzuschätzen welche Fahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen möglich sein werden. Die Maschine wird aufgrund des Aufbaus schon ein paar Zentner wiegen. Den Probeaufbau auf dem Tisch kann man im ersten Bild des ersten Beitrags sehen.

alles im Kasten

Nun ist erstmal alles im Kasten, zum Abschluss des Schaltschranks habe ich noch eine Kabelabfangung für die obere Kabeleinführung entworfen und mit meinem 3D-Drucker gedruckt, und die ersten Leitungen vorbereitet für den späteren Anschluss an der Maschine.

alles im Kasten

Die Klemmen haben eine transparente Isolierabdeckung (die hier im Bild noch nicht aufgesteckt ist), und das Loch bekommt natürlich auch noch einen Deckel mit kleinen Kabelauslässen.

Damit ist die Steuerung soweit komplett vorbereitet.

Projekt CNC-Fräse Mechthild (1)

Ich war in letzter Zeit ja etwas nachlässig hier mit meinen Berichten.

Daher gibts jetzt eine kleine Rückschau zu meinem Langzeitprojekt CNC-Fräse.
Eigentlich auch, weil ich beim sichten der Fotos eins gefunden habe, was heute genau 1 Jahr alt ist.

cnc elektronik test

Los gings natürlich schon viel früher, denn so ein Projekt bindet man sich ja nicht einfach mal so ans Bein.
Das mit dem 3D-Druck hat man ja auch irgendwann mal durchgespielt, und nach einem Intermezzo mit dem K40 Laser, der seitdem ab und an bei Bedarf seine Dienste tut, muss man seine Möglichkeiten ja auch weiterentwickeln.

Manchmal könnte man einfach besser ein Bauteil als Metall gebrauchen. Hitzebeständigkeit, Abriebfestigkeit, da gibts bei den Kunststoffen ja Grenzen. Additive Fertigung bei Metall ist (2019) noch ziemlich kostspielig, käuflich zu erwerbende CNC-Fräsen die mehr als nur Holz verarbeiten können allerdings auch.

Geil wär das aber trotzdem schon, also entstand so langsam ein Plan, und eine Abbildung davon im CAD, wie das denn aussehen könnte. Ich wollte etwas stabiles. Und selberbauen muss auch, und schon auch weil Leute meinen, das man das nicht einfach aus stahlrohren zusammenschweißen kann, schon allein deshalb müsste man das eigentlich so machen.

Am Ende hatte das lange Zeit zum reifen, sowas überstürzt man ja nicht.
Stahl ist zwar schwerer als Aluminium, aber auch Fester. Wenn man da Leichtbau mit Hohlprofilen macht, dann nimmt sich das am Gewicht vs. Stabilität doch gar nicht viel. Irgendwie muss das ja auch groß sein nachher, sonst nervt das, weil man natürlich gleich mit dem nächstbesten Teil 1cm mehr Verfahrweg braucht als die gerade gebaute Maschine fahren kann.

Und dann könnte das nicht viel kosten, also lotet man so langsam aus, welche Bauteile man verwenden könnte, und summiert die Komponenten in einer Tabelle auf, und kommt beim unvollständigen Überschlagen gleich auf einen vierstelligen Betrag.

20er unterstütze Wellen

Mit tagelangem suchen und Preise vergleichen ergoss sich dann Woche für Woche ein Strom aus kleinen und großen, leichten und schweren Paketen mit Bauteilen, Leitungen, Metallteilen und sammelte sich an.

Fräsmotor

Aus November 2017 stammt das Foto mit dem Fräsmotor.

Aus Kostengründen kommt also die übliche „China Frässpindel“ in der 1,5KW ausführung, einfache 4Nm Schrittmotoren, billigste TB6600 Motorendstufen und eine Parallelportkarte, 20mm Rundführungen mit Unterstützungsprofil zum Einsatz, zumindestens habe ich aber bei den Antrieben richtige Kugelgewindespindeln und Festlager/Loslager Lagerböcke besorgt.
Als Steuerung muss ein ausgemustertes Mainboard mit einem etwas altbackenen Intel Atom D510 quadcore Prozessor herhalten, das wurde woanders beim aufrüsten frei. Das schicke kleine Gehäuse hatte ich für ein Projekt angeschafft aber dieses nie umgesetzt. Die Maschinensteuerung soll LinuxCNC übernehmen.

Über den Jahreswechsel hab ich dann schon mal angefangen etwas handfesteres vorzubereiten. Ich habe 10mm Stahlplatten bestellt für die Z-Achse und schon mal ein paar Bohrungen gemacht.

Stahlplatte

Die vielen Löcher und Gewinde machen doch ganz schön die Dreck und Arbeit, und am Ende ist das manuelle Arbeiten nicht immer so Präzise wie man sich das erhofft hatte.

Stahlplatte

Ohne die Späne und mit den Schrauben sieht das doch schon ganz manierlich aus.
Das auf dem Foto ist eine vom zwei Platten, mit den Führungen und Antriebsspindel und Fräsmotor sieht das dann (später, im Sommer 2018 mit dann montiertem Schrittmotor) so aus:
Stahlplatte

Das war es dann erst einmal für den ersten Teil über die Teile für das Fräsenprojekt im Jahr 2017.