Umbau einer Sieg X1 Mikrofräse für CNC-Betrieb

Hinweis 1: Diese Aktivität ist nicht abgeschlossen. Das Dokument beschreibt also den momentanen Stand.

Hinweis 2: Die beschriebene Schrittmotoransteuerung wird am  230 Volt Stromnetz angeschlossen. Beschrieben ist wie immer mein privater Experimentalaufbau.Von einem Aufbau in einem anderen Umfeld rate ich ab und übernehme keinerlei Verantwortung. Durch Fehlbedienung/Fehlkontruktion können beispielsweise teure Fräsen beschädigt werden oder sonstige Schäden entstehen. Sagen Sie nachher nicht, ich hätte Sie nicht gewarnt...

Ich habe in 2007 eine kleine Fräse erstanden. Diese Fräse kommt von der chinesischen Firma Sieg (Link auf wikipedia) und wird auf der ganzen Welt unter verschiedenen Handelsnamen verkauft. Zur Fräse hat sich im Internet eine Community gebildet und Verbesserungen etc. werden in der Community diskutiert.

Die Sieg X1 wird allgemein als kleinste im Handel erhältliche Fräse angesehen, mit der man noch ernsthaft Arbeiten mit dem Werkstoff Stahl durchführen kann. Messing und Aluminium sind weniger problematisch und daher ohnehin auch für kleine Fräsen kein Problem. Die Genauigkeit der X1 wird -je nach Anspruch- als gut bis ok angesehen.

In 2010 habe ich begonnen, diese Fräse auf CNC-Btrieb umzubauen.


Ausgangssituation: Die Fräse im Originalzustand für Handbetrieb. (Der Windows Inside Aufkleber ist nur ein Scherz von mir...)


Das Bedienpanel der Fräse. Neben Links- und Rechtslauf kann die Drehgeschwindigkeit zwischen 0 und 2000 U/min geregelt werden, dazu gibt es zwei Gänge H/L und eine elektronische Regelung.

Im folgenden ist der Umbau meiner Sieg X1 beschrieben. Ich habe dies in folgende Abschnitte unterteilt
  • Mechanischer Umbau der Fräse
  • Aufbau eines Steuer-PCs mit Linux und EMC2 als CNC-Software
  • Nutzungsbeispiele

Mechanischer Umbau der Fräse

Funktion der Fräse im Handbetrieb

Die Fräse besitzt Handräder für X,Y und die Z-Richtung. Die Tischgröße beträgt 240x145mm.

In X und Y Richtung kann man in 0,025 mm Schrittmarkierungen auf dem Skalenring verstellen, eine Umdrehung besitzt dabei 80 Teilumgen, so dass eine Umdrehung einen Verstellweg von 2 mm bedeutet. X-Verfahrweg ist 180 mm, Y-Verfahrweg ist 90 mm.


Der X-Antrieb


Der Y-Antrieb; da das Handrad bei einem Umzug kaputt ging, habe ich den Antrieb durch eine selbstgemachte Lösung aus Metall ersetzt

In Z Richtung fehlt ein Skalenring, man kann den Verstellweg direkt auf einer Achsenskala ablesen. Auf dieser Achse bedeutet eine Umdrehung einen Verstellweg von 1,5mm. Z-Verfahrweg ist 235mm.


Der Z-Antrieb

In Z-Richtung gibt es noch einen Feintrieb, der einen eigenen Verstellweg von 30mm besitzt. Der Feintrieb wird durch Heben/Senken eines Handarms bedient. Bei einer Steuerung mittels CNC wird dieser Feintrieb nicht genutzt, er darf keine Wirkung mehr haben.


BILD Z-Feintrieb mit Handarm

Auswahl der Schrittmotoren

Nach längerem Studium bin ich zu dem Schluß gekommen, dass Schrittmotoren unter 1Nm Haltekraft zu schwach sein könnten. Ich habe daher 1,8Nm Motoren von MotionKing gekauft (Typ 23HS8430). Diese Motoren haben 4 Adern und ziehen 3A im Maximum. Sie sind geringe 76mm lang und wiegen etwa 1040 Gramm. Als Maßbezeichnung sind dies "NEMA23" Motoren, die 4 Befestigungslöcher für Schrauben sind quadratisch auf 47,14x47,14mm angeordnet.


Der Motor MotionKing 23HS8430

Anbau der Motoren

Nach erster Untersuchung haben alle drei Achsen einige Gemeinsamkeiten. Die X- und Y-Achse sind sogar identisch. Die Gemeinsamkeiten sind im folgenden aufgeführt:
  • Die drei Achsen werden mit Trapezgewindestangen bewegt. Der Antrieb der Gewindestangen ist jeweils ein Handrad. Auf der Seite der Gewindestange, auf der das Handrad sitzt, sitzt jeweils ein Stahlblock, der die Achse aufnimmt.
  • Das Handrad ist an allen drei Achsen gleicht befestigt.
    In der Achse (Trapezgewindestange) ist eine Nut für eine Passfeder eingefräst. In dieser sitzt die Passfeder. Im Handrad ist axial eine Stahlbuchse eingefasst, die ebenfalls eine Nut für die Passfeder besitzt. So lässt sich das Handrad über die Achse schieben und ist in Drehrichtung fixiert. Die Achse steckt von der anderen Seite her im Block. Sie besitzt an ihrem Ende ein M6 Gewinde. Dieses ragt nach Aufstecken aus dem Handrad heraus. Damit kann die Achse gegen die Stahlbuchse des Handrads fixiert werden.

Stahlblock der X- und der Y-Achse, Skizze
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Maße des Stahlblocks X- und Y-Achse

Stahlblock der ZAchse, Skizze
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Da mir keine zweite Fräse zur Verfügung steht, um die X1 anzubohren versuche ich Wege zu gehen, bei denen ich die Fräse weiter nutzen kann. Ich kann zwar auf eine kleine Drehmaschine ausweichen, aber in die kann ich keine grossen Teile (z.B. die Z-Achse) einspannen.

Die Z Achse erscheint mir am einfachsten zu  modifizieren, daher fange ich damit an.

Motoranbau X-Achse

Nach der Z-Achse habe ich mir die X-Achse angeschaut.

Die X-Achse wird durch einen Stahlblock rechts fixiert. Dieser Stahlblock ist mit 2 M6-Schrauben 20mm am Koordinatentisch angebracht. Im Block ist eine Bohrung, die genau die Achse aufnimmt. Auf der Außenseite des Blocks ist das Handrad angebracht.

Im folgenden Bilder zur Ausgangssituation bei der X-Achse.

Hier sieht man von unten auf den Stahlblock, durch den von links kommend die Trapezgewindestange steckt. Die Stange ragt rechts aus dem Stahlblock heraus, dort sitzt das (hier entfernte) Handrad.

Blick von oben. Man sieht die Passfeder, auf die die Stahlbuchse des Handrads aufgesteckt wird. Das Handrad wird dann mittels M6 Mutter auf der Achse fixiert. Da die Achse im Stahlblock selbst nicht befestigt ist, wird somit auch die Achse durch diese Mutter im Block fixiert.

Das Vorgehen wird dem Vorgehen bei der Z-Achse sehr ähnlich sein. Der Motor wird wieder auf eine Motorenplatte kommen und dort mit 4 Abstandsbolzen befestigt. Auch die Kupplung Motor<->Fräsenachse wird genauso gemacht wie bei der Z-Achse. Einfacher wird die Befestigung der Motorplatte, da hier geeignetere Befestigungspunkte (die beiden Bohrungen für die M6-Schrauben im Stahlblock) zur Verfügung stehen.


Maße an der X- und der Y-Achse

Motoranbau Y-Achse

(Der mechanische Anbau der Y-Achse ist identisch mit dem der X-Achse.)

Motoranbau Z-Achse

Die Trapezgewindestange der Z-Achse endet oben in einem Lagerblock, der mit zwei M6 Schrauben an der Z-Achse befestigt ist. Dieser Block und die beiden Schrauben tragen den kompletten beweglichen Kopf der Fräse. Das Gewicht des Kopfes hängt an der Gewindestange und wird via Handrad, das eine Lagerbuchse (aus Stahl) besitzt, direkt auf den im Bild sichtbaren Block belastet. Es gibt kein Lager oder ähnliches. Das sichtbare Gewinde am oberen Ende wird am Handrad mit einer Mutter festgehalten. Diese Einfachheit ist mir nicht ganz geheuer, aber es wird so schon ok sein...


BILD: Nahaufnahme des Z-Antriebs nach Entfernen des Handrads. Zu sehen ist der Lagerblock, der mit zwei Schrauben an der Z-Achse angeschraubt ist. Die Trapezgewindestange endet in einem Gewinde, welches im Handrad fixiert wird. In Drehrichtung sorgt die eingelassene Passfeder (das längliche in die Achse eingelassene kleine Teil) für gute Verbindung. Die Passfeder liegt normalerweise nicht direkt auf dem Block auf, dass ist nur hier so, weil die Gewindestange nach oben nicht mehr fixiert ist und damit nach unten rutscht.


Maße an der Z-Achse
Irgendwie muß da die Motorhalterung dran (und danach der Motor...aber soweit bin ich noch nicht).

Einfach wäre, in die Z-Achse oben Gewinde hineinzumachen, aber da müsste ich mangels zweiter Fräse freihand Kernlöcher in Stahl bohren. Das lasse ich lieber.

Neue Idee: Meine Motorhalterung besteht aus zwei Teilen:
  • Befestigung an der Z-Achse
  • Platte zur Aufnahme des Motors
Die Befestigung an der Z-Achse ist ein L-förmiges Aluminiumteil, dass sich um den erwähnten Lagerblock legt. Es hat an denselben Stellen wie das Lagerteil Bohrungen für Befestigungschrauben. Mit längeren Schrauben lässt sich dann das L-Teil und der Lagerblock zusammen an der Z-Achse anschrauben und es müßen keine neuen Bohrungen angebracht werden.
An das L-Teil wird dann von oben die Platte zur Aufnahme des Motors angeschraubt. Soweit so gut, ich mache mich an die Ermittlung der notwendigen Maße. Statt vieler Worte hier die Entwurfszeichnung mit Maßen. Ich bin kein Mechaniker oder so, also mit Vorsicht geniessen :-)


BILD: Maße des L-Teils

Ich mache mich an die Herstellung des L-Teils. Den Alublock trenne ich mittels Trennschleifer von einer rechteckigen Alustange 50x20 aus meinem Keller-Fundus ab. Auch den groben Ausschnitt für das L mache ich noch mit dem Trennschleifer, geht einfach schneller als mit der Fräse. Danach geht es auf der Fräse weiter.


Bild: Das L-Teil während der Bearbeitung. Hier sind die beiden Befestigungsbohrungen für die Z-Achse schon gebohrt.


Bild: Der Check obs so in etwa passt :-)


Gewindedrehen der drei Bohrungen M5, die die Platte halten sollen, an die der Motor geschraubt wird.


Und hier ist das "L-Teil" fertig. Schrauben sind testweise eingesteckt / eingeschraubt. Oben die drei Schrauben für die aufliegende Platte, unten bzw. hinten links eine der beiden Schrauben, die das L-Teil an der Z-Achse befestigen.

Die Platte zur Aufnahme des Motors bekommt M5-Bohrungen, um nach unten das weiter oben hergestellte L-Stück zu befestigen sowie Löcher, um den Motor zu befestigen.

Der Motor wird mit 4 Sechskantstangen mit 10mm Durchmesser und 50mm Länge an der Platte befestigt

Gewindedrehen an den Abstandsbolzen für den Motor (Sechskantstangen).

Die Position und Ausrichtung der Motorachse muß möglichst genau mit der Gewindestange der Fräse übereinstimmen. Im folgenden Bild habe ich mal alles zusammengeschraubt und auf die Fräse aufgesetzt, um zu sehen ob noch alles passt...

Alles scheint zu passen. Da ich die Fräse für manuellen Betrieb brauche, schraube ich den Motor wieder ab.

Im folgenden der vorläufige Endzustand der Motorhalterung für die Z-Achse. 


Ansicht von unten. Der L-Winkel ist etwas schlampig, den hätte ich noch plan drehen können...

Was mir beim Bau der Befestigung der Z-Achse als Nicht-Mechaniker bzw. nachher auffiel (alles triviale Sachen, aber fürs nächste Mal aufgeschrieben). Immerhin mußte ich bei diesem Teil schon halbwegs präzise arbeiten und mich an vorhandene Gegebenheiten (Maße) halten :-)

  • Die M6-Gewindestangen scheinen mir fast schon zu überdimensioniert.
  • Senken für Senkkopfschrauben lassen sich im Nachhinein nur mühsam mit dem ursprünglichen Bohrloch zur Deckung bringen, daher am besten gleich nach dem Bohren in derselben Einspannung senken
  • Nicht jeder Schraubentyp ist für alle Situationen geeignet. Z.B. sind Schlitzschrauben NICHT geeignet, um an der Kupplung verwendet zu werden. Man kommt da mit einem Schraubenzieher nämlich nicht hin. Hier besser: Sechskant oder Inbus-Schrauben.
  • Die Idee des Druckrings ist möglicherweise nicht schlecht. Allerdings hat dieser ein Maß (~20mm aussen, ~14mm innen) welches ich weder mit der Fräse bohren kann (Innenbohrung zu groß) noch mit der Drehmaschine drehen kann (Innenbohrung zu klein). Daher habe ich am Ende alles fertig bis auf diesen Druckring. Also vorher überlegen, was man auch relativ einfach herstellen kann... Am Ende habe ich mit Innenausdrehmeisseln auf der Drehmaschine den Druckring doch noch herstellen können.
  • Im Nachhinein war deutlich sichtbar, dass ich die Abstandsbolzen statt mit 50mm auch mit 45mm oder gar nur 42mm hätte herstellen können. Die 50mm kamen aus einem "Sicherheitsbedürfnis" heraus.

Verbindung Motorachse <-> Z-Getriebestange

Dieses Thema kann auf unterschiedliche Arten gelöst werden, keine davon ist unaufwendig, finde ich. Auf dem Roboternetz-Server finde ich eine ein Dokument, in dem verschiede Möglichkeiten beschrieben sind, ein Rad auf eine Achse zu bringen.

Kommerzielle Achskupplungen bestehen aus zwei Metallteilen (eins für die beiden zu koppelnden Achsen) und einem weichen Zwischenteil zur Schwingungsdämpfung. Solche Kupplungen kosten zwischen 15 und 30 Euro pro Stück für meine Achsgrößen, da suche ich erstmal nach günstigeren Lösungen.
Eine Potentiometerkupplung erscheint mir zu schwachbrüstig und auch die Fixierung durch nur eine Schraube pro Achse könnte sich schnell lockern.
Die Nutzung einer Propellernabe ist eher für das Anbringen eines Rades auf eine Achse gedacht.

Ich entscheide mich für eine eigene Lösung, einem Kupplungsstück aus drei Teilen.

Das eine Teil nimmt die Achse des Motors (1/4 Zoll = 6,35mm Durchmesser, Achslänge=19mm) auf. Dieses Teil wird aus einer 30mm dicken Stahlstange gedreht. Es bekommt eine geschlitzte Hülse, die die Motorachse aufnimmt. Die Verbindung zum anderen Teil erfolgt über zwei M4 Schrauben.

Das zweite Teil nimmt die Achse der Gewindestange auf (Stangendurchmesser 8mm, Stange endet in Gewinde M6, Länge des herausragenden Gewindestangenstücks mit Gewinde 19mm, davon 10mm Stange und 14mm Gewinde). Auf der Gewindestange ist die Passfeder eingelassen (9,5mm lang,  steht 1,5mm aus der Achse heraus). Dieses Teil wird aus einer 33mm dicken Stahlstange gedreht. Es bekommt die Nut für die Passfeder.
Mit der Passfeder ist die Gewindestange in der Kupplung fixiert.
In diesem Teil sind auch die Gewinde für die Verbindungsschrauben zum ersten Teil.

Das dritte Teil, ein Druckring, legt sich auf der Motorseite um die geschlitzte Hülse. Mit zwei kleinen Schrauben kann der Druckring auf die Hülse gepresst werden, die sich wiederum auf die Achse presst. Damit ist die Motorachse auf der Kupplung fixiert.
(Fachbegriff "Geschlitzter Klemmring", solche Ringe sind wie ich erst später feststelle, fertig im Handel verfügbar)

Die Kupplung hat eine Länge von 43mm, wobei die Motorachse noch 5 mm aus der Kupplung herausragt. Der Motor soll dann mit 4 Abstandsrollen von 50mm Länge auf der Motorplatte befestigt werden.


Bild: Design der Kupplung für den Motor (Z-Achse), ich habe sie leicht abweichend von den hier angegebenen Maßen gebaut ( 26,5 und 16,5mm Höhe). Oben das "Teil 1", unten das "Teil 2". Der Druckring ist sehr einfach und daher hier weggelassen. Unten die Maße der Passfeder.


Bohrung für die Aufnahme der Passfeder. Diese liegt am Rand der Bohrung für die Gewindestange und wird noch vor dieser Bohrung gemacht.


Bohrung der 8mm Bohrung für die Gewindestange mit der Drehmaschine


Bohrungen für die Verbindungsschrauben in beide Teile gleichzeitig


Die Teile nach dem Bohren und dem Schneiden der Gewinde, der Druckring ist noch nicht gemacht und liegt als Rohling hinten.


Die beiden Kupplungsteile auf die Gewindestange der Fräse aufgesteckt und miteinander verbunden. Der Schlitz für die Motorachse oben ist noch nicht angebracht. Im Bild sind Schlitzschrauben eingeschraubt, in Realität sind gerade die ungeeignet (man kommt mit dem Schraubenzieher nicht an die Schrauben dran).


Schlitzung der Kupplung für die Motorachse. Mangels anderer technischer Möglichkeiten mache ich das mit einem 3mm-Fräser, daher ein sehr dicker Schlitz.


Die Motorkupplung im Detail. Der Druckring für die Motorachse fehlt immer noch :-)
Nach einem ersten Funktionstest zeigen sich Schwächen meiner Kupplung-Konstruktion:
Die geschlitzte Aufnahme hat eine zu große Wandstärke. Mir bricht eine Sechskant-M4 Schraube ab beim Versuch, den Druckring so fest zu spannen, dass die Achse sicher geklemmt wird. Ich mache daher zwei Verbesserungen:
  • Abdrehen der geschlitzten Aufnahme auf 9,5 mm. Neue Wandstärke nur noch 1,5 mm.
  • Bau eines neuen Druckrings. Da ich nun nur noch 9,5 mm umfassen muß, nehme ich einfach eine M10-Mutter und bohre ihr Gewinde aus. Die Mutter bekommt zwei gegenüberliegende M4-Gewinde fürs Klemmen.

Die motorseitige Hälfte der Kupplung an der Motorachse angebracht. Die Dicke der geschlitzten Achsenhülse ist da wo die Mutter sitzt deutlich reduziert.
Die verbesserte Variante entspricht endlich annähernd den Anforderungen. Ob meine Konstruktion für einen Dauerbetrieb geeignet ist, wird sich noch herausstellen.

Umstieg von der Eigenbaulösung auf eine Kauflösung für die Motoranbringungen

Der Bau des Adapters, um den Motor für die Z-Achse anzubringen hat sich als sehr aufwendig herausgestellt. ich schätze ich habe an die 100 Stunden mit Planung und Anfertigung verbracht. Die Aussicht, dies für X- und Y-Achse zu wiederholen hat mich den "Alles selberbauen"-Ansatz übderdenken lassen. Da ich kein Fachmann beim Umbau von Fräsen werden will, sondern mit der umgebauten Fräse etwas anfangen will, habe ich mich schweren Herzens entschlossen, ein fertiges Kit für die drei Motoranbringungen zu erstehen. Suche im Internet bringt leider keinen Anbieter in Europa, aber bei http://www.cncfusion.com/ in Texas werde ich fündig. Dort wird ein Konversionskit für die X1 fertig, mit allen benötigten Teilen angeboten, siehe http://www.cncfusion.com/micromill1.html .

Für etwa 360 Euro (inklusive deutscher Steuer und Zoll) erstehe ich das Kit und nach etwa 14 Tagen ist das Kit bei mir. Es ist nicht billig, aber dafür ist auf mechanischer Seite praktisch nichts mehr zu tun.

Die drei Motoradapter, die in die an der Fräse vorhandenen Bohrungen passen. Oben links die Motorkupplungen, die an 6,3mm-Motorachsen sowie an die Achsen der Fräse direkt angeschraubt werden können. Die Fräsenachsen werden über jeweils zwei kleine Kugellager geführt. Schliesslich sind auch alle nötigen Schrauben beim Kit dabei.

 

Next Step: Anbau der Motorhalterungen TBD

Bau der Motoransteuerungen

Da die Motoren 3A Strom ziehen, kann die beliebte L297/L298-Lösung nicht zum Einsatz kommen. Professionelle Steuerungen sind mir zu teuer und ich werde hier fündig, eine Schaltung mit Platinendesign, die bis zu 4A verkraftet. Diese stammt wohl aus der Elektor, Jahrhgang 9/1999. Es kommt der Leistungs-Baustein L6203 zum Einsatz, der vom L297 angesteuert wird. Die Schaltung ist im wesentlichen die aus dem Datenblatt des L6203. Da ich das Teil dreimal brauche und das alles lange halten soll, beschliesse ich einen Aufbau auf Platinen, also keinen losen Aufbau. Die Platinen will ich selbst ätzen. Das habe ich zuletzt vor rund 25 Jahren gemacht und habe daran keine so tollen Erinnerungen, es ging meist irgendwas schief und das Ergebnis war minderqualitativ. Nach kurzem Internet-Studium steht fest: am Verfahren hat sich seitdem kaum was geändert, ausser dass das damals genutzte Eisentrichlorid (das diese tollen unentfernbaren Flecke in die Kleider und auf den Teppich machte) heute out ist.
Das Selbstanfertigen von Platinen besteht aus den Schritten
  • Vorlage erstellen
  • Belichten
  • Entwickeln
  • Ätzen
  • Rückstande entfernen
  • Bohrungen anfertigen
und ist beispielsweise unter den folgenden Links sehr ausführlich beschrieben:
Ich steuere daher hier nur ein paar Bilder des Entstehens meiner Platinen bei. Basis ist ein fertiges Set von Reichelt.

Vorlage erstellen: Die Vorlage wird als Laser-Transparent-Folie erzeugt. Ich drucke dreimal aus und klebe die drei Drucke übereinander. Damit sind die schwarzen Stellen nicht mehr durchsichtig. Vielleicht langt auch zweimal, aber mir fehlt die Erfahrung und die Lust am Experimentieren (natürlich nur beim Platinenerstellen).

Nachtrag: Ich habe später andere Platinen entwickelt und dabei auch versucht, Ergebnisse mit 2 Folien (ok&gut) und sogar mit nur einer Folie zu erzielen. Bei nur einer Folie schleichen sich zahlreiche winzige Stellen ein, bei denen zu stark belichtet wurde und nach dem Ätzen sind dort Löcher und sogar an einer Stelle eine Leiterbahnunterbrechung entstanden. Nur eine Folie ist nicht zu empfehlen.


Im Bild die Transparentfolie, hier zum Schutz in einer Transparenthülle. Das Platinenbild oben ist nur ein Ausdruck auf Papier, das unten querliegende sind die zusammengeklebten drei Tansparentfolien.

Belichten: Da mir eine UV-Lampe fehlt, belichte ich mit einem 1000 Watt Halogenstrahler , den ich zufällig da habe. Die Belichtung mit 40cm Abstand (sonst fängt die Platine und ihre Umgebung an zu brennen :-) dauert dann halt statt 2 Minuten satte 25 Minuten, aber das Ergebnis ist auch ok.


Der Aufbau beim Belichten. 40cm Abstand zwischen Lampenglas und Platine. Die Platine ist mit einer Glasplatte abgedeckt. 25 Minuten Belichtung.

Entwickeln: In mindestens 3 Minuten kam ein gut ätzbares Ergebnis heraus. Eine Entwicklung mit 2 Minuten war unbrauchbar (Entwickler nicht ganz weg).

Ätzen: Mangels Heizung habe ich eine kleine Wanne mit dem Ätzmittel in eine große Wanne gestellt. In die große Wanne habe ich heisses Wasser eingefüllt und immer mal durch neues heisses Wasser ersetzt.


Aufbau beim Ätzen. In rot die Wanne mit dem heissen Wasser, in grau die kleine Wanne mit dem Ätzmittel.


Zustand während des Ätzens


Zustand am Ende der Ätzung. Die Platine wird danach noch zugeschnitten.

Zuschnitt: Wegen meiner natürlichen Faulheit :-) scheue ich das Zusägen der Platine mit der Handsäge. Ich probiere daher meine Dekupiersäge mit verschieden gezahnten Sägeblättern aus. Das Ergebnis ist katastrophal, die Blätter der Säge werden so heiss, dass die Zähne abschmelzen. Ich versuche auch erfolglos einen Zuschnitt mit einem Papierschneidemesser (das Messer geht fast kaputt). Dann nehme ich doch die Metallhandsäge und bin in wenigen Minuten fertig...

Nach dem Zuschneiden wird der noch vorhandene Entwickler mittels Spiritus von den Platinen entfernt. Danach werden die Platinen mit Lötlack eingesprüht. Dieser Lack verhindert die Oxidation der Leiterbahnen und erleichtert das spätere Löten.


Die mit Lötlack besprühten Platinen. Die Platine ganz rechts besteht aus Pertinax (, über dessen Eigenschaften sich schon unsere Großväter geärgert haben), die beiden links aus Epoxyd-Harz.


Bohren der Platinen. "Normale" Löcher werden mit 0,8mm gebohrt, dickere Löcher mit 1mm.


Eine fertig gebohrte Platine


Und hier die erste der drei Platinen mit kompletter Bestückung. Hinten die beiden L6203. Der Kühlkörper wird erst später angebracht.

Netzteilberechnung

Im Probebetrieb (eine Steuerungsplatine mit einem Motor, keinerlei Integration zur Fräse hin) konnte ich die Steuerung zunächst nur kurz mit dem ausgesuchten Motor betreiben. Die beiden L6203 wurden sehr heiss, daher habe ich Tests immer schnell abgebrochen. Kaputtgehen kann prinzipiell nichts, der L6203 schaltet bei 150 Grad Hitze den Motor einfach ab... dann sind die Lötstellen noch nicht flüssig :-)

Offensichtlich brauche ich Kühlkörper für die Steuerungen. Internet-Recherche bringt einiges zur Berechnung von Netzteilen und Kühlkörpern ans Licht. Was dort schon festgestellt wurde, will ich hier nicht wiederholen, daher nur in Kürze...

Alle Formeln findet man unter  http://www.einfach-cnc.de/netzteilberechnung.html

Spannung des Netzteils: Für meinen Motor und meine eben gebaute Motorsteuerung ergibt sich eine optimale Betriebsspannung von 39 Volt, die der Trafo bringen müsste. Es findet sich dort aber auch der Hinweis, dass man mit niedrigeren Spannungen auch glücklich werden kann.

Leistung des Netzteils: Weiterhin finden sich unter der genannten URL auch Formeln, um die benötigte Watt-Zahl für das Netzteil zu ermitteln. Ich komme mit der Annahme, dass 75% des Drehmoments meines Motors bei 1200 U/min erreicht werden (mir liegt die passende Kennlinie nicht vor, also schätze ich) auf einen Maximalverbrauchs eines Motors von 160 Watt. Der Wert ist für mich plausibel. Da theoretisch alle drei Motoren gleichzeitig laufen, brauche ich also ein Netzteil, das 3*160=480 Watt zur Verfügung stellt.

Ein 480 Watt Trafo für 24Volt (das sind etwa 33 Volt Gleichstrom) erfüllt also in etwa meine Anforderungen. 480VA ist schon ganz schön viel, aber es gibt handelsüblich Ringkerntrafos mit 500 (und sogar 1000) VA. Mein Wunschtrafo kommt auf etwa 60 Euro.


Bild: Der Ringkerntrafo mit 500VA (2x24 Volt und 2x20,84A). Befestigungsmaterial lag bei.

Das Netzteil besteht neben dem Trafo auch aus Gleichrichter und  Kondensator. Auch hierfür findet man unter der oben angegebenen URL Formeln.

Gleichrichter: Der Gleichrichter muß für mindestens 14,08 Ampere ausgelegt sein. Ich werde einen 25A-Gleichrichter nehmen, die Kosten dieses Elements sind gering (ein paar Euro).


Der Gleichrichter

Kondensator: Der Kondensator muß laut Formel 33.062 µF besitzen. Hier werde ich einen 22.000 oder einen 47.000µF-Typ nehmen (33.000µF-Typen gibts scheinbar nicht so einfach). Der Kondensator ist ausserdem ziemlich teuer (fast 20 Euro).


Der Kondensator, hoffentlich langen die nur 22.000µF, im Bild zusammen mit dem Gleichrichter.

Kühlkörper: Man kann die Größe des benötigten Kühlkörpers berechnen. Dazu muß man wissen, wieviel Watt im L6203 in Hitze umgesetzt werden. Dazu gibt es dann passende Kühlkörper. Mittels des Links http://www.eevblog.com/2010/08/15/eevblog-105-electronics-thermal-heatsink-design-tutorial/ ermittle ich, dass ich einen Kühlkörper von etwa 2 Kelvin/Watt brauche. Das ist schon ein etwas grösserer. Ich beschliesse, einen ganz grossen zu nehmen, an den ich dann alle 6 L6203 anbringen und kühlen kann. Dieser müsste dann nach meinem Laienverständnis 2/3 Kelvin/Watt (für drei Steuerungen) haben, ich finde einen mit 0,7 Kelvin/Watt und entscheide mich für den (Abmessung: 160x100x40mm, Preis ca. 10 Euro).

Sanftanlauf des Netzteils (Einschaltstrombegrenzung)

Ein erster Test des Netztrafos am Stromnetz zeigt, dass meine Hausabsicherung mit einer üblichen 16A-Sicherung sofort herausspringt. Der Transformator baut beim Einschalten ein Magnetfeld auf, und bei einem Transformator dieser Stärke wird kurzzeitig ein sehr hoher Strom gebraucht. Diesen Stromstoß hält die Sicherung für einen Kurzschluß und löst aus. Wenn ich es im Web richtig gesehen habe, ist der Stromstoß in der Größenordnung vom 25-fachen des Stroms, den der Trafo unter Belastung ziehen würde, bei 500VA also etwa 50A.

Das Problem ist allgemein bekannt, alle stärkeren Verbraucher wie Trafos oder Motoren benötigen eine Einschaltstrombegrenzung. Diese kann man als Vorschaltgerät im Handel erwerben oder unterschiedlich komplex selbst bauen. Ich studiere 2 Schaltungen, eine elegant-komplexere sowie eine ganz einfache. Die ganz einfache probiere ich mal schnell aus und sie funktioniert wunderbar. Ich baue diese Schaltung auf einer kleinen Platine auf.

In diesem Link ist am Anfang die komplexere Schaltung (mit DIAC, Thyristor und Relais) beschrieben, etwas weiter unten die ganz einfache mit NTC und Relais. Die ganz einfache Schaltung habe ich in folgendem Bild nochmal abgemalt.


Die einfache Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung aus dem Thread im HiFi-Forum (Link). Direkt nach dem Einschalten fließt ein relativ hoher Strom durch den NTC (Heißleiter), aber nicht so hoch, dass die Sicherung herausfliegt. Derselbe Strom fliesst auch durch den Transformator, der nun "sanft" sein Magnetfeld aufbaut. Dabei wird zunehmend Spannung in der Sekundärwicklung des Trafos induziert. Diese Spannung wird über die Diode gleichgerichtet und lädt über den Widerstand mit bei mir 330 Ohm den Kondensator mit 470µF auf. Wenn die Spannung am Kondensator hoch genug ist, schaltet das Relais. Der Relaisschalter überbrückt dann den NTC, der nun keinen Strom mehr ziehen kann. Der ganze Strom fliesst dann über den Trafo. Das Relais zieht innerhalb von ein paar dutzend Millisekunden, so dass der NTC in dieser kurzen Zeit nur lauwarm werden kann. Die Schaltung funktioniert trotz ihrer Einfachheit wunderbar.


Die fertig aufgebaute Einschaltstrombegrenzung. Oben rechts der NTC, oben links das Relais. (Die Buchsenleiste habe ich wie folgt belegt: 1 und 2: Sekundärwicklung des Trafos, 3 frei, 4 und 5 Phase 1 230V, 5 und 6 Phase 2 230V. Geschaltet wird vom Relais Phase 2, also zwischen den Kontakten 5 und 6).

Die drei Schrittmotorsteuerungen wurden dann am Kühlkörper angebracht (Isolierung nicht vergessen).
Die ganze Steuerung mit Netzteil wurde kurzerhand in ein altes PC-Gehäuse eingebaut, dort steht ausreichend Platz zur Verfügung. Das folgende Bild zeigt einen Zwischenstand beim Aufbau der Motorsteuerung.

Unten Kühlkörper mit den drei Motorsteuerungen, unten Links die zwei SUB-D Buchsen. Oben rechts (hinter der Abdeckung) der Ringkerntrafo mit Netzteil und Sanftanlauf.
Für die Verbindungen
  • PC zur Motorsteuerung
  • Motorsteuerung zur Fräse
wurde je eine 25-polige SUB-D Buchse ins Gehäuse der Motorsteuerung eingebaut. SUB-D Buchsen sind bis 5A Strom spezifiziert, im Innern des Gehäuses sind Kabel mit ausreichendem Kabelquerschnitt zu verwenden. Pro mm2 Kabelquerschnitt können 8-10A transportiert werden (Angabe schwankt je nach Quelle, die ich im Internet gefunden habe). Mit 0,5mm2 Kabelquerschnitt pro Ader sollte man also hinkommen.

Die Verbindungskabel selbst sollten auch diesen Querschnitt haben. Für allererste Funktionstests werde ich allerdings simple Druckerkabel verwenden.

Gemäß EMC-Konvention (http://linuxcnc.org/docs/html/config_stepconf.html#cap:Parallel-Port-Setup) können nur bestimmte Pins der Drucker-Schnittstelle für Eingabe bzw. Ausgabe verwendet werden:
  • Pin 2..9 für Ausgabe (Motoransteuerung etc.)
  • Pin 10..13 für Eingabe (Sensoren wie Limit-Schalter etc.)
Basierend darauf habe ich meine Buchsen wie im folgenden Bild dargestellt belegt.


Links Eingangsbuchse in die Steuerung (PC<->Motorsteuerung),
rechts Ausgangsbuchse (Motorsteuerung<->Fräse).
Die Verbindungen für die Limit-Schalter sind von der Eingangsbuchse direkt durchgeschleift zur Ausgangsbuchse. An Pin 24/25 steht GND/+5V zur Verfügung, um an der Fräse kleinere Schaltungen (Lichtschranken der Limit-Schalter) zu versorgen.
Die Darstellung der Pinnummern enspricht der Sicht von Hinten (=Lötseite) auf die Buchse bzw. der Sicht von vorn auf den Stecker.





Das Ausgangskabel der Motorsteuerung hat 17 Leitungen, die recht dick sind. Daher wurde die 25-polige Buchse auf 4 neunpolige Stecker mit eigenem Kabel mit 5 Leitern geführt. Drei Stecker für die drei Motoren und ein Stecker für 5V und GND sowie spätere Erweiterungen.


Die Verkabelung der drei Schrittmotorsteuerungen wurde wie folgt durchgeführt:
  • Alle GND und +5V-Leitungen parallelgeschaltet
  • Alle +/-36V Eingänge parallelgeschaltet
  • pro Steuerung (X, Y, Z) werden Richtung ("DIR") und Motortakt ("STEP") auf die Eingangsbuchse gelegt.

Verkabelung der drei Schrittmotorkarten

Nach obigen Überlegungen wurde die Verkabelung dann im Gehäuse durchgeführt.


Blick auf Verkabelung im Gehäuse

Ein erster Test mit extern angelegten +5V, einer extern angelegten Motorspannung von 15V/2A (statt 33V/20A) und manuell eingegebenen Taktsignalen an den drei Steuereingängen zeigt, dass die Schrittmotoren korekt angesteuert werden.

Bei ersten Funktionstests sollte man die Leistung des Ringkerntrafos nicht verwenden. Falls nämlich etwas an der Verkabelung nicht stimmt, lösen sich bei 33V/20A Bauteile und auch Kabel explosiv in Qualmwolken auf. Daher sind z.B. 15V/2A mit Strombegrenzung fürs Testen aus einem Labornetzteil wesentlich harmloser.

Weiter: Test mit EMC-Ansteuerung und "lose" liegenden Motoren.

Aufbau eines Steuer-PCs mit Linux und EMC2 als CNC-Software

Ich habe mich zur Nutzung der Software EMC2 entschieden (deutsche Seite hier: http://linuxwiki.de/EMC). Diese bietet eine in Foren sehr gut besprochene Funktionalität an, um einen PC in eine CNC-Steuerung umzuwandeln.
Die  Steuerung erfolgt über den Parallel-Port des Rechners.

Ich habe mir einen Extra Rechner für den Umbau aus älteren Komponenten zusammengebastelt. CPU ist ein AMD Athlon 64 mit 2,4Ghz. Unter 1Ghz sollte man laut EMC2-Enwickler nicht nehmen, da auch eine graphische Oberfläche läuft. Der Rechner bekommt 1GB Speicher und eine ältere Festplatte mit 40GB. Essentiell ist die Verfügbarkeit einer parallelen Schnittstelle. Parallele Schnittstellen können als PCI-Karte nachgerüstet werden (war hier nicht nötig).

EMC2 kommt als Komplett-Distribution, die auf Ubuntu Hardy beruht.  Besonderheit der EMC Ubuntu-Installation: Diese Installation benutzt eine Realtime-Kernel, der zeitnah Interrrupts bearbeiten kann und externe Geräte so in einem engen Zeitraster steuern kann.

Danach sollte man den Latency Test durchführen. Bei meinem Board liegt die Latenz um 17.000ns, ein sehr guter Wert.

Mit dem EMC2 Wizard "stepconf" kann dann EMC konfiguriert werden, z.B. kann dort eingegeben werden, an welchen Pins der Druckerschnittstelle welches Motorsignal liegt etc.
Innerhalb des Wizards können die Achsen bereits einzeln getestet werden.
Beim Testen finde ich noch einen Verdrahtungsfehler der Motoransteuerung der Z-Achse.
Das beim Testen verwendeten Druckerkabel wird beim Testen sehr warm, was zu erwarten war. Die Ströme sind einfach zu hoch, ich muß ein spezielles Kabel noch herstellen.

Nach der Konfiguration kann EMC2 gestartet werden. EMC2 liegen einige Beispiele bei, die man nun fräsen kann, auch wenn die Motoren noch nicht an der Fräse befestigt sind.
Unter http://magge2k.roboterbastler.de/index.php?seite=17.emc2verwenden sind erste Schritte mit EMC2 wunderbar einfach beschrieben. Grob sinds:
  • NOTAUS-Schalter deaktivieren (Button der EMC2-Oberfläche)
  • Maschine einschalten (Button der EMC2-Oberfläche)
  • Auf allen Achsen Referenzfahrt durchführen (auch dies mittels Buttons der EMC2-Oberfläche). Dies muß ich machen, da ich momentan noch keine Referenzschalter habe und EMC2 eine definierte Aussgangsstellung (=Referenzpunkt) verlangt. Wenn man Referenzschalter hat, macht vermutlich EMC2 selbst die Referenzfahrt. Den Referenzpunkt hat man mit stepconf definiert.
  • Danach kann man manuell die Achsen bewegen oder ein Beispiel laden und ausführen lassen.

Nutzungsbeispiele

sss

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  • http://www.zellix.de/ - Herbert Zellhuber, ein begnadeter Mechaniker, gibt zahllose Anregungen zur Verbesserung von Fräsen (und auch Drehbänken), extrem lesenswert...