CNC-Fräsen - FAQ und Howto´s

[CNC-Fräsen] - FAQ und Howto´s

Hallo FPVC CNC-Interessierte,

in diesem Bereich sollen Beiträge mit Lösungsansätzen gesammelt, wie auch grundsätzliche Fragen zum Betrieb einer CNC-Fräse, beantwortet werden. Für Diskussionen bitte weiterhin den CNC-Austauschthread benutzen, hier bitte nur Fragen mit Antworten posten, oder Lösungsansätze vorstellen.
Ziel ist es, eine übersichtliche Zusammenfassung zu bekommen, die aus den CNC-Bereichen Software/Hardware/Werkzeug/Werkstoff/Bezugsquellen sein können. Also wenn ihr hier einen Tip habt, oder eine Frage mit Lösung in einem Thread, könnt ihr ihn hier posten.


Aufbau des Post sollte in folgender Form sein:

Überschrift: Frage bzw. Howto Thema
Einführung: Erläuterung des Problems bzw. Thema´s
Lösung/Erklärung: Hier den Lösungsansatz mit evtl. Quellennachweis

Grüße Jörg

Themenübersicht:

- Was benötigt man zum Fräsen?
- Wie bekomme ich meine Fräse ans Laufen?
- Wie implementiere und definiere ich Endschalter-/Referenzschalter?
- Wie finde ich die optimalen Einstellungen für die Ansteuerung?
- Welche Fräse für welchen Zweck?
- Montage-Vorschlag für mechanische Schnappschalter
- Werdegang - von der Idee zum fertigen Teil
- Auslegung der Schrittmotorkarte/Endstufe zum Schrittmotor
- Ecken werden rund anstatt eckig angefahren
- ....

Jeder kann seine Problemlösungen hier reinsetzen.

Was benötigt man zum Fräsen?

Der Wunsch nach einer Fräse kommt meistens immer dann auf, wenn man sich oft wiederholende Teile fertigen will. Aber auch bei aufwändigen Teilen, bietet eine Fräse Vorteile, die durch eine gewisse Masshaltigkeit von Bohrungen, Nuten oder aber auch bei Formen erreichen kann, die man von Hand nie so hinbekommt. Dann kommt die eigentliche Frage, was brauche ich alles dafür?

Folgende Bestandteile sind nötig um einen Fräsprozess ausführen zu können.

1. Fräsmechanik bestehend aus:
3-Achs-Fräsmechanik
Steuerelektronik ab 3 Achsen(kostengünstigste Variante Schritt-/Richtungsgesteuert über LPT)
>3x Schrittmotor (NEMA23)
Netzteil Fräse (je nach Steuerung >24V)
Frässpindel/Oberfräse mit flexibler Spannzange (typisch im Hobbybereich sind 3,175, 6 und 8mm)

2. PC mit LPT-Schnitstelle (keine USB-LPT Konverter), der je nach Betriebssystem folgende Software beinhaltet (manche Programme sind nur für Windows oder Linux gedacht):

- CAD-Programm zum Zeichnen des Werkstücks, welches gefräst werden soll, oder eine fertige Zeichnung, typisches Dateiformat für die weitere Verarbeitung ist DXF (Version ACAD2000).

- CAM-Programm, wird zur G-Code Erstellung aus DXF-Zeichnungsdatei benötigt. Berechnet z.B. die Radiuskorrektur für die Zeichnung und gibt den Fräscode entsprechend dem Fräser-Radius aus. Setzt Vorschubsgeschwindigkeit, Eintauchtiefe, Spindeldrehzahl (wenn möglich über CNC-Steuerung zu Regeln), Werkzeugwechsel usw.. Dies ist von dem Funktionsumfang des CAM-Programms abhängig.
Für erste Schritte typische CAM-Programme sind: BOCNC (keine Vorschubangabe), LazyCam (bei MACH3 inkl.), SheetCAM, ESTLCam, Heekscad oder DXF2GCODE (LinuxCNC implementierbar).

- Steuerprogramm, welches über LPT1, aus dem erstellten G-Code, die entsprechenden Schritt-/Richtungssignale für die Schrittmotor-Steuerung der x/y/z-Achse, generiert.
Verbreitete Steuerprogramme sind: MACH3 (Demo 500Zeilen G-Code/Lizenzpflichtige Vollversion), WinPC-NC (Lizenzpflichtig) oder LinuxCNC (Freeware)

3. Fräser, Material, Absaugung, Material Vorschubs-/Schnittgeschwindigkeits Infos, Platz...

Ein schöner zusammenfassender Link, ist dieser hier: http://www.einfach-cnc.de/cnc_hardware__software.html

Grüße Jörg

Wie bekomme ich meine Fräse ans Laufen?

Folgende Infos sind wichtig um seine CNC-Software zu konfigurieren:

Schrittmotor:

• Schrittwinkel, z.B. 1,8° entspricht 200 Schritte pro Umdrehung
• Strangstrom der Spule, z.B. 2,5A, die Betriebsspannungs Angabe von z.B. 3V, ist bei Konstantstrom (z.B. Choppermodus) Schrittmotoren Steuerungen, nicht nötig. Sie gibt mit UxI (3V x 2,5A = 7,5W) die reinen ohmschen max. elektrische Leistungsverluste an, mit der sie betrieben werden können.
• Bipolar/Unipolar, bzw. Hybrid, gibt die Verschaltungsart des Schrittmotors an. Es gibt Schrittmotoren mit 4, 6 und 8 Spulenanschlüssen.

Schrittmotor Steuerung:

• Schrittmodus, welchen Microstep Modus die Steuerung betrieben werden kann, dies ermöglicht eine feinere Ansteuerung (wie eine Untersetzung zu verstehen), typische Varianten Vollschritt, 1/2, 1/4, 1/5, 1/8,1/10 Schritt usw.
• Konstantstrom, Einstellung der möglichen Stromstärken für den Schrittmotor, je Spule des Schrittmotors zu sehen. Z.B. 1,8A, 2,5A, 3,2A usw.
• Decay-Typ, Betriebseinstellung wie die Schrittsignale und die in dem Schrittmotor-Treiber entstehenden Gegeninduktionsspannungen abgebaut werden. Wirkt sich auf das Laufverhalten der CNC aus. Ein Decay-Modus von 50/50 ist für einen Mischbetrieb von langsam und schnellfahrenden CNC´s eine gute Einstellung.
• Betriebsspannung, gibt an, mit welcher Netzteilspannung die Steuerung betrieben werden kann, z.B. 12V, 24V, 48V, usw.. Hat nicht´s mit der maximalen Spannung am Stepper zu tun, da durch die Strombegrenzung (z.B. 2,5A), an der Spule nie mehr als die maximale Spannung (z.B. 3V) länger zeitig abfallen können. Je höher die Spannung, um so mehr Dynamik bekommt man in das System, da höhere Spannungen helfen, schneller den max. Strom im Stepper zu erreichen.
• Signallänge Schritt- bzw. Richtungsimpuls, wie lange ein Signal anliegen muß, um als gültiges Signal erkannt zu werden.
• PIN-Anschlussbelegung, wo welche Signale für Richtungs-, Schritt-, Motor-EIN, Achsen, Endschalter und Sonstige Ein-/Ausgänge anzuschließen sind.
• Schrittfrequenz, maximal mögliche Schritte pro Sekunde
  
  Grundsätzlich gilt, dem Handbuch der Steuerung zu folgen, es können nicht alle Möglichkeiten einer Steuerung hier erfasst werden.

CNC-Mechanik:

• Spindelsteigung, gibt an wie viel mm pro Umdrehung verfahren wird, Angaben sind meist 10x2, 12x3 oder 16x4.
• Abmessung, fahrbarer Bereich ohne an die Mechanik an zu stoßen, z.B. 275 x 320 mm.

Konfiguration anhand von LinuxCNC:

WICHTIG: Alle Einstellungen werden Spannungslos an der Steuerung und Software vorgenommen, Schrittmotoren niemals während des Betriebes abziehen, durch die Gegeninduktions-Spannung, wird die Endstufe zerstört.

Anhand der in der Erläuterung in FETT angegebenen Beispielwerte, werden die nötigen Werte zur Beispiel-Konfiguration benutzt. Mit diesem Beispiel sollte es dann möglich sein, die entsprechenden Werte seiner CNC wieder zu finden. LinuxCNC unterstützt nur LPT gesteuerte Schrittmotor Karten.


Kenndaten:

-Mikroschritt-Modus Schrittmotor Steuerung : 1/8, meist über Mikroschalte an der Steuerung einstellbar, dies nun so einstellen. Welche optimal ist, muß ausgetestet werden.
-Schrittmotor Strom: 2,5A, diesen Wert über Mikroschalter an der Steuerung einstellen
-Schrittwinkel: 1,8°, entspricht 200 Schritte pro Umdrehung, bei einem Mikroschritt Betrieb von 1/8, sind das nun 1600 Schritte pro Umdrehung, dies bestimmt mit der Steigung den Maßstab der Antriebskonfiguration und wird mit Schritte pro mm angegeben. Hier ergibt dies 400 Schritte je mm, welches einer Schrittauflösung von 2,5µm entspricht.
-Steigung Spindel: 4mm (aus Angabe 16x4)
-Betriebsspannung Steuerung: 24V, Schaltnetzteil ab ca. 6A sind für diese Konfiguration ausreichend. Gesamtleistungsabgabe eines solchen Netzteils wären ca. 140W, die Schrittmotoren für X,Y und Z werden nach obiger Angabe im Betrieb je Schrittmotor 2,5A x 3V x 2 = 15W, also maximal zusammen ~45W benötigt. Im Schnitt liegt bei so einer Konfiguration, die Leistungsaufnahme bei 80W inkl. Onboard Elektronik.
-Verfahrweg/Bearbeitungsbereich: 275 x 300 mm


Die Pin-Belegung könnten z.B. wie folgt aussehen, die Pins 1-9, 14,16, und 17 sind Eingänge. Pins 10-13 und 15, sind Ausgänge auf der Schrittmotorkarte. Dies ist dem Datenblatt, bzw. Handbuch zu entnehmen.




Am Beispiel der X-Achse, kann man nun die Werte wie folgt eingeben, bzw. wiederfinden

Schritte Schrittmotor: 200
Mikroschritt-Modus: 1/8=8
Untersetzung: 1, da kein Getriebe im Einsatz, sonst Untersetzungs Faktor eingeben
Spindelsteigung: 4
Maximal Geschwindigkeit: Wert muß praktisch ermittelt werden, mit 10mm/s anfangen und den Wert jeweils um 5mm/s steigern bis der Schrittmotor Schritte verliert. Hier dann wieder um 5mm/s reduzieren.
Maximale Beschleunigung: Faktor 10 von eingestellter Geschwindigkeit, Anfangs 100mm/s²
Verfahrweg: ergibt sich aus der maximalen fahrbaren Strecke, hier 275mm

Die weiteren Punkte sind ein eigenes Thema, dies nun entsprechend für die anderen Achsen ausführen.


to be continued...

Wie implementiere und definiere ich Endschalter-/Referenzschalter?

Endschalter-Beispiel:

Hier Kombination, X,Y & Z als Referenzschalter und drei weitere als Notaus-/Stop Kette, da manche CNC-Steuerungen keinen weiteren Endschalter-Eingang haben.





Man kann die Referenzschalter auch im Mix betreiben und sie als Endschalter nach der Referenzfahrt betreiben.

Wie finde ich die optimalen Einstellungen für die Ansteuerung?

Die gefräste Strecke entspricht nicht dem Sollmaß. Dies kann viele Gründe haben.

Mechanische Probleme

- Steigung der Spindel stimmt nicht, hier die Steigung messen
-> Fehlerart: Linear
- Steps/U je mm sind nicht korrekt, Schrittwinkel, Microsteppmodus und Steigung prüfen
-> Fehlerart: Linear
- Microstepmodus nicht korrekt, Anleitung Endstufe überprüfen
->Fehlerart: Linear
- Spiel im Lager, Kupplung, Mechanik oder der Antriebsmutter/Spindel, Mechanik überprüfen
-> Fehlerart: Partiell

Anbei zwei Testobjekte wo entsprechende Fehler ausgemessen werden können.

Testobjekt für Maßhaltigkeit und Umkehrspiel:

Anhang anzeigen TestGenauigkeit.dxf





Testobjekt für Linearfehler:



Anhang anzeigen Messwinkel.dxf

Elektronische Probleme

- Schrittmotor Strom zu gering eingestellt, "Stall" durchrutschen der magnetischen Kopplung, bzw. Schrittverluste, den korrekten Konstantstrom einstellen
-> Fehlerart: Partiell
- Konfiguration Achse in Software falsch, Beschleunigung zu hoch, bzw. Geschwindigkeit zu hoch, Werte verringern
-> Fehlerart: Partiell

to be continued....

Grüße Jörg

Ich fang mal an:

Welche Fräse für welchen Zweck?
Bevor man über die Anschaffung/Eigenbau einer (CNC-)Fräse nachdenkt, sollten erstmal ein paar Eckpunkte klar sein: Welche Materialen will ich bearbeiten und wie groß sind meine Werkstücke?

Davon abhängig kommen verschiedene Grundkonzepte in Frage.
Grundsätzlich: Je härter die zu bearbeitenden Materialien bzw. um so höher das gewünschte Spanvolumen, um so schwerer und stabiler muss die Fräse sein

Die Säulenfräse
Klassischer Einsatzbereich ist die Metallverarbeitung von Buntmetall bis Stahl. Das geht auch mit den kleinen Heimwerkermodellen schon. Natürlich nicht mit grossen Fräsern und Zustellungen.

Das Angebot reicht von kleinen 40kg-Maschinen für ~500€ bis zu Industriemaschinen mit vielen Tonnen Gewicht und entsprechendem Preis.
Eine vollwertige Ständerbohrmaschine gibts gratis dazu

Der Fräskopf (Z-Achse) wird in der Höhe bewegt und das Werkstück auf einem Kreuztisch in X- und Y-Richtung.

Eigenbau lohnt üblicherweise nicht; interessant ist die DIY-CNC-Umrüstung.
Es gibt z.T. auch Umrüstsätze bzw. viele Nachbauanleitungen. Fertig umgerüstete Serienmaschinen werden auch angeboten.

Die Verfahrwege sind durch die Konstruktion limitiert und liegen bei kleinen Modellen meist so zwischen 200x100x200mm und 500x150x250(X/Y/Z)

Die Portalfräse
Hier würde ich unterscheiden zwischen Portalfräsen mit feststehendem Portal (der Tisch wird in einer Richtung verfahren) und Portalfräsen mit fahrendem Portal (der Tisch ist fest).
Beide Konzepte haben ihre Berechtigung für ihren Anwendungszweck.

Die Portalfräse mit feststehendem Portal
Da das Portal nicht bewegt werden muss, kann es sehr massiv und stabil ausgeführt werden. Auch wenn man im Internet viele "Käsehobel" mit dieser Konstruktion findet, ist es eher die Domäne der Metallbearbeitung, die dieses Konzept nutzt.
Bei entsprechend stabiler Ausführung (Mineralguss, Stahlkonstruktionen) sind diese Fräsen ebenfalls sehr gut zur Stahlbearbeitung geeignet und mit etwas Geschick, Fachwissen und einer entsprechend ausgestatteten Werkstatt auch im Eigenbau zu erstellen.

Konstruktionsbedingt sind die erreichbaren Verfahrwege meist größer als bei Säulenfräsen, aber kleiner als bei Portalfräsen mit fahrendem Portal.

Die Portalfräse mit fahrendem Portal
Eigentlich die klassische Fräse für den Modellbauer. Relativ gut für den Eigenbau geeignet; mit vertretbarem Aufwand werden auch Verfahrwege von 1000x500x150mm oder größer erreicht.
Das "bezahlt" man mit weniger Stabilität - typische Einsatzgebiete sind Balsa, CFK/GFK, Multiplex, Kunststoffe und mit Einschränkungen auch Buntmetalle ohne großes Spanvolumen.

Üblich sind Holzkonstruktionen (Multiplex, Siebdruckplatten), Alu-Konstruktionen (Strangpressprofile, gewalzte Platten) und im Profibereich auch Stahl.

Fräsen, die in keine der obigen Kategorien (oder in mehrere) passen:
Hier wären dann die Profimaschinen (z.B. Bearbeitungszentren, 5-Achs-Maschinen) zu nennen, die entweder auf ein hohes Spanvolumen, hohe Präzision oder hohe Spezialisierung (3D) optimiert sind. Das muss man eigentlich nur mal gehört/gelesen haben, denn bezahlen kann man die Dinger ohnehin nicht....

Gruss
Karl

Montage-Vorschlag für mechanische Schnappschalter [HR][/HR]
Näherungsschalter oder Lichtdschranken sind i.d.R. besser als Referenzschalter geeignet als Microschalter bzw. Schnappschalter. Für erste Test`s im CNC-Bereich können diese aber auch eingesetzt werden. Dabei sollte aber beachtet werden, das natürlich nicht die Genauigkeit und Sicherheit wie bei qualitativ besseren Schaltern erwaret werden kann.

die hier in den Bildern gezeigten Schalter sind:
Marquardt Schnappschalter 250 V/AC Serie 1005 1005.1204 1x Aus/(Ein) Flachstecker 6,3 mm vom "grossen C"

Achtung 1: Die Schalter sollten unbedingt als Öffner konzepiert sein, damit bei einem evtl. Kabelbruch auf jeden Fall die Maschine bei der Referenzfahrt stehen bleibt.

Achtung 2: Die hier gezeigt Lösung ist insofern problematisch, da die Schalter auf Anschlag angefahren werden. Besser wäre es, wenn die Schalter mit einer Rolle versehen wären und durch einen Anschlag mit Rampe überfahren werden könnten. Dadurch würde der Schalter bzw. der Winkel nicht beschädigt werden. Bei der kleinen Maschine dürfte sich aber das Risiko einer Kollision in Grenzen halten.

Bedingt durch die kompakte Bauweise der CNC3040 können die Schnappschalter leider nicht so richtig ideal befestigt werden. Entweder gibt es keinen Platz für die Gewinde zum festschrauben, oder es existiert keine saubere Anschlagfläche für das Schaltergehäuse. Abhilfe schaffen kleine Aluwinkel aus dem Baumarkt. Wie die Schalter bzw. die Winkel an den einzelnen Achsen befestigt werden können, dürfte aus den Bildern ersichtlich sein:

Z-Achse:

Bei der Z-Achse sollte der Schalter durch einen zusätzlichen Winkel betätigt werden, da die Kühlrippen der Spindelhalterung keine sicher definierte Auflagefläche haben.

Y-Achse:

Bei der Y-Achse kann die Betätigung direkt durch das Portal erfolgen.

X-Achse:
Bilder folgen, sobald ich hier einen Winkel angefertigt und fotografiert habe. Die bestehende Lösung den Schalter direkt auf die Abdeckung der X-Achse zu schrauben ist nur bedingt machbar, da der Schalter nur mit einer Schraube festgeschraubt werden kann. Zudem ist die Abdeckung zu dünn für ausreichendes Gewindefleisch.

Viele Grüße

Rene

Werdegang - von der Idee zum fertigen Teil

Werdegang - von der Idee zum fertigen Teil

Du hast Interesse an der CNC-Fräserei gefunden und möchtest mal sehen, wie der Werdegang eines Teils abläuft? Dann bist du hier genau richtig. Ich zeige hier anhand von Videos und Screencasts den Werdegang einer Quadrocopter-Centerplate.

Zur Info: aktuell sind das "nur" Zeitrafferfilme ohne Kommentar. Falls richtige Tutorials gewünscht sind, bitte PN an mich. Wenn genug Interessenten sich melden, werde ich das mal in Angriff nehmen. Über einen Tipp mit welcher kostenloser Software man Screencasts filmen kann (inkl. Mauszeigerbewegungen) würde ich mich freuen...

1. Von der Idee zur Skizze

1.1 Die Grundidee: zwei leichte, aber stabile Centerplates ohne Schnickschnack
1.2 Lochabstände und Bohrungsdurchmesser der Flightcontrol messen, bzw. der Aluausleger festlegen
1.3 Grundform skizzieren, Bohrungen für die FC und Ausleger einzeichnen, Aussparungen einzeichnen

[video=youtube;ZsovZNGJYcw]http://youtube.com/watch?v=ZsovZNGJYcw[/video]

2. Von der Skizze zur CAD-Zeichnung

2.1 Hilfslinien anlegen, Maße von der Skizze übertragen, Bohrungen einzeichnen, Innen- und Außenecken mit Radien versehen, usw.
2.2 CAD-Zeichnung abspeichern

[video=youtube;OxlCX7PluS4]http://www.youtube.com/watch?v=OxlCX7PluS4[/video]

3. Von der CAD-Zeichnung zum G-Code

3.1 CAD-Zeichnung laden
3.2 Fräser auswählen, Innen- und Außenkonturen festlegen, Anbindungen definieren
3.4 Vorschau der Fräsbahnen und -tiefen zwecks Kontrolle
3.5 Abspeichern als G-Code

[video=youtube_share;H_rBaSCFXLE]http://youtu.be/H_rBaSCFXLE[/video]

4. Vom G-Code zum fertigen Teil

Platzhalter Video

5. Fehler korrigieren

5.1 If Fehler, then go to Schritt 2, 3, 4 oder in besonderen Härtefällen zu Schritt 1 zurück

Wenn du jetzt erst recht angefixt bist, lass dir eins sagen: so locker von der Hand geht das erst nach einiger Einarbeitungszeit. Jede der drei nötigen Programme (CAD, CAM und Steuerprogramm für die Fräse) fordert eine intensive Einarbeitung. Dann noch die Hardware, also CNC-Fräse, Zerspanungswerkzeuge, Halbzeuge, usw.

P.S. Die Videos sollen nur informativen Charakter haben, daher auch der Zeitraffermodus. Wer Konstruktions- und Ausführungsfehler entdeckt, darf sie behalten

Hi,

hier ist mal eine Bedienungsanleitung für den VFD Damit könnt ihr am VFD genau das einstellen was ihr wollt!

Anhang anzeigen 68293

ab Seite 19 geht es um die PDs....

Viele Grüße
Martinez

Auslegung der Schrittmotorkarte/Endstufe zum Schrittmotor

Antwort:
Hallo DexM,

eine berechtigte Frage, die wie folgt beantwortet werden kann.

Die Angaben Schrittmotor, beziehen sich immer auf einen bestromten Stepper im Ruhezustand, somit gelten 100% rein ohmsche Bedingungen. Was bedeutet, die Angaben 5,6A und z.B. 3,2V wäre die effektive elektrische Verlustleistung von 5,6Ax3,2V= 17,92W, die der Stepper max. ab kann.

Die Endstufen werden wie hier, mit PEAK 5,66A angegeben, somit würde die Endstufe ungechopped reine 4A effektiv Leisten können. Nich schlimm, aber nicht das Max was der Stepper könnte. Somit zu deiner Frage um effektiv 5,6A erreichen zu können, braucht es eine Endstufe die einen Peak von 5,6A x Wurzel2 kann, nämlich ca. 8A.

Im bewegten Zustand sehen die Werte völlig anders aus, weil hauptsächlich die induktiven Komponenten nun den möglichen Stromfluss beinflussen und die sind nicht statisch, sondern dynamisch, je nach Signalform Endstufenausgabe, in Abhängigkeit der Schrittfrequenz, wird das Ganze von den Gegeninduktionen des magnetischen Feldes beinflusst.

Diese Angaben gelten für einen typischen Bipolaren Stepper mit einer Spule je Phase, an einer Konstantstrom-Endstufe.
Sie sehen bei Hybriden völlig anders aus, die entsprechenden Infos hierzu, kann man dem Datenblatt des Hersteller entnehmen. Sie beinhalten Angaben von 70% bis zu 191% des Stepper-Stroms für die Strompeak Einstellung Endstufe.

Grüße Jörg

Ecken werden rund anstatt eckig angefahren, warum?

http://fpv-community.de/showthread.php?16750-Die-CNC-Portalfräse-allgemeiner-Austauschthread&p=258072&viewfull=1#post258072


Lösung hierzu im Post:

Oh Mann, ich sach nur, ich hab ne neue Maschine . Hatte, warum auch immer, im Motor Config noch einen Wert von 10 bei Beschleunigung eingestellt. 10!!!! ... Bin mal Schrittweise auf 250 gegangen. Ab 300 kam es dazu dass der Motor kurz stehen bleibt, war also zu viel. Was soll ich sagen, jetzt geht es tatsächlich super mit dem Ecke frei ...

Habe grad nochmal den "Elch Test" gemacht und diesmal passt der Elch ohne Nacharbeit in den Sockel. Fettes Danke Jörg!