Aufbau der Fräse

Mein neues Spielzeug, eine CNC-Fräse LCF-1 steht im Keller und harrt der Dinge, die da zu fräsen sind...

Der Weg vom “fast fertig” Mechanik-Bausatz zum funktionierenden  Werkzeug ist hier beschrieben.

Als Zuhause für die komplette Elektrik und Elektronik sowie für den Steuerrechner habe ich ein Midi-Tower-Gehäuse plus Netzteil besorgt. Damit alle Teile der Fräsen-Ansteuerung Platz im Gehäuse finden, muss das Motherboard vom Typ Mini ITX sein.

Zuerst werden alle Teile für die Ansteuerung der Fräse eingebaut, da dieses Unterfangen mit Bohren und Feilen einher geht. Da würde ein bereits eingebautes Motherboard Gefahr laufen mit Eisenspänen beworfen zu werden.

Hier das Stepper-Netzteil, die drei Endstufen sowie die Interface-Platine. Der rote Netzschalter schaltet alle Teile der Fräsensteuerung zweipolig ab, der Rechner läuft dabei weiter.

Stepper-Treiber + Netzteil

Zusätzlich ist in Serie mit dem Netzschalter ein Notaus-Schalter oben auf dem Deckel des Rechnergehäuses vorhanden der ebenfalls zweipolig trennt. Später habe ich noch drei weitere Kippschalter in den Strompfad gesetzt um das Netzteil der Stepper-Motoren, die Kühlwasserpumpe und die Spindelsteuerung getrennt voneinander einschalten zu können. Die Notwendigkeit hierzu ergab sich im Laufe der Tests für die Joystick-Steuerung. Der Lüfter des Inverters und die Wasserpumpe sind sehr laut und wenn man diese beiden Funktionsgruppen nicht benötigt ist es sehr angenehm, wenn man sie abschalten kann.

Notaus und Einzelschalter

Die Steuerung für die Spindel (Inverter) passt wunderbar in den ausgeräumten Laufwerkskäfig des Rechners. Zur Befestigung habe ich einen Alu-Winkel am hinteren Ende des Käfigs angeschraubt.

Inverter für die Spindel

Die Frässpindel ist eine wassergekühlte Version, weshalb ein 60 Liter Plastikfass mit Aquariumpumpe unter dem Tisch aufgebaut wird. Hier ist die Fräse schon fast fertig aufgebaut und steht an ihrem vorgesehenen Platz:

Wasserbehälte rfür Spindelkühlung

Die Leitungen zwischen Steuerrechner und Motoren sind Ölflex 4x0,75 Kabel von Lapp die an der Fräse in Energieketten geführt werden. Der Übergang von Ölflex auf die Anschlusskabel der Stepper-Motoren findet in kleinen Plastik-Kästchen statt, die mit 4 Schrauben an den Alu-Teilen der Stepper-Halterungen angeschraubt werden. Die 4 Schrauben dienen gleichzeitig der Befestigung der Zugentlastungen und erden den Schirm der Leitungen.

Anschlusskasten für Stepper

Um die Energieketten seitlich an der Fräse führen zu können, wurden Stege aus Alu am Grundkörper angeschraubt:Energieketten-Führung

Befestigung am Grundkörper der Fräse

Da die Leitungen nach hinten zur Wand von der Fräse weg geführt werden, sich die Energiekette der X-Achse aber ebenfalls nach hinten abrollen soll um den Arbeitsraum zum Hantieren seitlich frei zu halten, mussten alle Leitungen unter der Fräse hindurch nach hinten geführt werden. Um das Ganze aufgeräumt über die Bühne zu bringen wurden neben der X -Achsen Spindel zwei Aluwinkel montiert, auf denen die Leitungen und Schläuche für das Kühlwasser der Frässpindel liegen, ohne Gefahr zu laufen, mit der Spindel zu interferieren.

Kabelführungen unter dem Fräsbett

Hier sind die Energieketten für X- und Y-Achse fertig montiert und alle Kabel sind verlegt. Für die Y-Energiekette wurde ebenfalls eine Führung aus Alu-Winkeln an das Portal geschraubt.

Leitungsführung

Das erste auf der selbst gebauten Fräse erstellte Werkstück ist die Rückwand für das Rechnergehäuse mit Ausschnitten für die verschiedenen Steckverbindungen. Für die Stepper-Motoren habe ich 9polige SUB-D Stecker und Buchsen mit Vollmaterial-Kontakten verwendet. Da die Spindel mit bis zu 400 V betrieben wird, bin ich hier auf einen passenden Hochvolt-Rundsteckverbinder ausgewichen. Die blaue Steckdose versorgt die Kühlwasserpumpe.

Rückwand selbst gefräst

Rückwand selbst gefräst, innen

Auf dem Boden ist der Arduino Nano V3 befestigt der GRBL ablaufen lässt, an der Wand, unterhalb des Motherboard sitzt die Interfaceplatine.

Das Interface war bei meinem Stepper-Endstufen-Set dabei, kann aber über ebay auch einzeln erworben werden.
Fündig wird man z.B. mit den Suchbegriffen “CNC 5 Achse Schrittmotor interface”, es ergeben sich sofort einige Treffer.

Inzwischen gibt es die Version, die ich verwendet habe (die hat zusätzlich Anschlüsse für Koordinatenanzeigen - die drei schmalen weißen Stecker in der Board-Mitte) und eine neuere, kleinere Version.

Wichtig ist, dass neben den Schraubanschlüssen auch der 15polige ”Hand control”-Stecker vorhanden ist, im Bild unten der kleinere Stecker rechts:

CNC 5 Achse Schrittmotor Interface

Die Belegung  dieses Steckers muss dann noch gefunden werden. Bei einigen der Interfaces in ebay findet sich ein Link auf eine Beschreibung, aber leider nicht überall.

Zur Vereinfachung hier die Belegung bei meinem Interface:

15pol_Belegung

Der sicherere Weg ist aber auf jeden Fall, die passende Belegung für das eigene Interface in Erfahrung zu bringen.

Die Bezeichnung der Pins im Stecker ist im Bild unten angedeutet:

Hand-Control_ca_resize

Die drei Enable-Eingänge dürfen nicht zusammen geschaltet, sondern müssen einzeln mit jeweils einem eigenen Pin des Joystick-Controllers angesteuert werden.


Um die Arbeitsfläche auszuleuchten habe ich ein sogenanntes Angel-Eye aus der Fahrzeugtechnik verwendet. Der Ring mit LEDs wird mit doppelseitigem Klebeband an drei Stellen an der Spindelhalterung befestigt. Das doppelseitige Klebeband mit Schaumstoffzwischenlage erlaubt Bewegungen der Halterung, sollte der Spindelmotor mal gelöst werden müssen. So erfährt die Platine unterhalb der LEDs keinen mechanischen Stress.

Beleuchtung mit Angel-Eye


Soweit gediehen ist die Mechanik erst einmal fertig beschrieben, jetzt ein paar Worte zur Softwareumgebung.

Zur Erstellung einer Konstruktion ist ein CAD-Programm notwendig. Ich habe mich auf die von RS components kostenfrei zur Verfügung gestellte Software DesignSpark mechanical festgelegt. Das Programm ist geeignet zur Erstellung von 2D- und 3D-Konstruktionen und kann DXF-Dateien für 2D- und STL-Dateien für 3D-Konstruktionen exportieren.

Mit Estlcam von Christian Knüll steht eine Software zur Verfügung, die die weitere Verarbeitung der von DesignSpark mechanical erzeugten Dateien erlaubt. Estlcam generiert aus den DXF- oder STL-Dateien sogenannten G-Code, der von GRBL verstanden wird. Hat man sich für den Einsatz von Estlcam entschieden, wird eine Gebühr fällig, danach fallen die Nagscreens weg, die bei der Freeware beim Speichern erscheinen und immer längere Pausen aufzwingen.

Ich verwende die Version V8, inzwischen sind einige neuere Versionen vorhanden.
Erfreulich: Ab V10 arbeitet Estlcam auch mit GRBL zusammen, vorher hat Christian ausschließlich seinen eigenen G-Code-Interpreter unterstützt.

Im Übrigen baut Christian coole Funktionen in sein Programm ein. Immer mal wieder reinschauen! :-)

Als dritte Software in der Tool-Kette verwende ich die Freeware SerialComCNC von Ulrich A. Maassen, die neben der Kommunikation zwischen Steuerrechner und Fräse auch das Streamen der G-Code-Folge des CNC-Programms an den Arduino Nano V3 leistet, auf dem die Software GRBL läuft, die die G-Code-Befehle in Schritte und Richtung für die Stepper-Motoren umrechnet. Die Kommunikation zwischen Rechner und GRBL-Controller erfolgt über einen virtuellen seriellen Port per USB.

Als weitere Software verwende ich OpenCNCPilot von Martin Pittermann. Dieses Programm stellt Routinen zur Verfügung, die die Abtastung einer Oberfläche und die anschließende Berücksichtigung dieser Abtastwerte bei vorhandenem G-Code erlaubt. Dieses Verfahren ist besonders sinnvoll, wenn mittels Isolationsfräsen eine Leiterplatte aus kupferkaschiertem Basismaterial hergestellt werden soll.

 

 


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