CNC Fräse, CNC Router, 3D Drucker Zahnstängli

Autor: Andre Adrian
Version: 11nov2014

Einleitung

Was ist der Unterschied zwischen einer CNC Fräse und einem 3D-Drucker? Der Werkzeugkopf. Einmal eine Fräse, d.h. ein Elektromotor mit einem scharfen Messer, im anderen Fall ein Heizelement mit Materialvorschub. Die Mechanik einer Fräse ist stabiler. Der Autor versucht durch kräftigen Ideenklaub bei Reprap und Co. und durch eigenes scharfes Nachdenken zum Bauteilepreis eines 3D-Druckers die Positioniergenauigkeit und die Fahrgeschwindigkeit einer CNC-Fräse zu erreichen. Nach seiner Meinung hat die 3D-Drucker Fangemeinde frischen Wind in den Mechatronik DIY Bereich geblasen. Kein 3D-Drucker Benutzer würde heute an seinem Gerät eine Parallelport-Schnittstelle akzeptieren. Im Bereich der Selbstbau-CNC Fräsen ist man mit MS-DOS und Centronics-Schnittstelle noch auf dem technischen Stand des letzten Jahrtausends. Die hier vorgestellte DIY CNC Maschine wurde "Zahnstängli" genannt. Einmal weil es diesen Namen bei Google noch nicht gab und zweitens weil "E Zahnstängli kost nit viel" gut klingt. Hier die Übersetzung für die Norddeutschen: Eine Zahnstange kostet nicht viel. Der Fahrweg von Zahnstängli ist 350mm in X-Richtung, 350mm in Y-Richtung und 200mm in Z-Richtung. Die Abmessungen sind Länge 520mm, Breite 520mm und Höhe 560mm. Leistungsaufnahme ist 100W für die Steppermotoren plus die Leistungsaufnahme des Fräsmotors.

Von links nach rechts: Chinesische Portalfräse 3020 mit Spindelantrieb, Kronos Robotics KRMx02 Portalfräse mit Zahnstangenantrieb, 3D-Drucker Reprap Prusa i3 mit Zahnriemenantrieb.

Konstruktion

Jede Bewegung ist eine Bewegung gegenüber einem festen Punkt. Bei CNC-Maschinen ist der feste Punkt der Tisch und die Bewegung wird von dem Schlitten ausgeführt. Um eine Bewegung in mehrere Richtungen auszuführen wird der bewegliche Punkt (Schlitten) der ersten Achse zum festen Punkt (Tisch) der zweiten Achse. Eine CNC-Maschine mit einer Achse hat den typischen Aufbau der Werkzeugkopf ist stationär und das Werkstück wird auf einem Schlitten hin- und herbewegt. Bei zwei Achsen ist die übliche Lösung der Kreuztisch. Wieder ist der Werkzeugkopf stationär und das Werkstück wird in zwei Richtungen bewegt. Dabei sitzt der Y-Tisch auf dem X-Schlitten. Eine CNC-Maschine mit drei Achsen ist üblicherweise eine Portalfräse. Hier ist das Werkstück stationär. Für eine Bewegung in X-Richtung fährt das ganze Portal bestehend aus Y-Tisch, Y-Schlitten, Z-Tisch, Z-Schlitten und Werkzeug. Für die Y-Bewegung fährt der Y-Schlitten, Z-Tisch, Z-Schlitten und das Werkzeug und die Z-Bewegung wird von Z-Schlitten und Werkzeug ausgeführt. Die bewegte Masse einer Portalfräse ist in X-Richtung am höchsten und in Z-Richtung am geringsten. Aus diesem Grund werden bei einer Portalfräse oft zwei X-Motoren eingesetzt. Die kleine Portalfräse 3020 hat nur einen Spindelmotor für die X-Achse. Die "Holztüren" CNC-Fräse KRMx02 hat zwei X-Motoren.
Bei einem 3D-Drucker bewegen sich Werkstück und Werkzeugkopf. Der X-Tisch und der Z-Tisch sind stationär. Der X-Schlitten bewegt das Werkstück und der Z-Schlitten bewegt Y-Tisch, Y-Schlitten und Werkzeug. Der 3D-Drucker Reprap Prusa i3 hat zwei Z-Motoren.
Bei einer CNC-Maschine können auch der X- und Y-Tisch stationär sein. Der X-Schlitten bewegt das Werkstück und der Y-Schlitten trägt Z-Tisch, Z-Schlitten und Werkzeug. Ein normaler Drucker arbeitet so. Das Blatt Papier ist das "Werkstück" welches durch Gummirollen in X-Richtung bewegt wird. Das Werkzeug, der Druckkopf, wird über einen Zahnriemenantrieb in Y-Richtung bewegt. Aus Kostengründen erhält Zahnstängli nur einen Motor pro Achse. Die Z-Achse wird als einzige Achse gegen die Schwerkraft bewegt. Die geringste bewegte Masse für die Z-Achse ergibt sich wenn der X- und Y-Tisch stationär sind. Dann muss der Z-Tisch nur den Z-Schlitten und das Werkzeug tragen.



Bild links: Zahnstängli Phantombild 1. Das Bild soll nur die Konstruktionsweise mit stationärem X- und Y-Tisch zeigen.
Bild rechts: Zahnstängli Zeichnung in Kabinett-Perspektive. Die Linearschienen sind rot eingezeichnet. Die CNC-Fräse besteht aus L- und U-Aluminiumprofilen.

Antrieb

Der Werkzeugkopf einer CNC-Fräse führt Bewegungen in X, Y und Z Richtung aus. Jede dieser Achsen benötigt einen Antrieb welcher die Drehbewegung des Motors in eine Linearbewegung des Werkzeugkopfes umsetzt. Linearmotor-Antriebe welche aus elektromagnetischer Kraft direkt eine Linearbewegung erzeugen werden hier nicht besprochen. Als Antriebe sind Spindel, Zahnstange und Zahnriemen bei CNC-Fräsen üblich. Der Seilantrieb einiger 3D-Drucker ist eine Zahnriemen-Variante.

Bild links: Zahnstange und Stirnrad; rechts: Spindelschraube und Spindelmutter

Bis heute hat weder der Spindelantrieb den Zahnstangenantrieb verdrängt, noch umgekehrt. Beide Antriebe haben ihre typischen Anwendungsgebiete. Pro Umdrehung des Antriebsmotors legt ein Spindelantrieb eine Strecke von 5mm bis 20mm zurück. Dieses Übersetzungsverhältnis von Spindelschraube zu Spindelmutter erlaubt es oft auf ein Getriebe zu verzichten. In der Holzverarbeitung werden oft ganze Türblätter mit einer CNC-Fräse bearbeitet. Bei Fahrwegen von 2,5m ist der Spindelantrieb nicht mehr geeignet. Torsionskräfte in der Spindel führen zu Oszillationen. Die Spindel hat eine ausgeprägte Resonanzfrequenz. Bei dieser Frequenz ist die Positioniergenauigkeit schlecht und die Radialbewegung der Spindelschraube sorgt für erhöhten Spindellagerverschleiss. Der Zahnstangenantrieb ist für beliebig lange Fahrwege geeignet. Eine Zahnradbahn kann als 1-Achs CNC Maschine mit Zahnstangenantrieb betrachtet werden. Die Zahnstange ist am Boden montiert. Die Lokomotive ist der "Werkzeugkopf" welcher aus Motor und Stirnrad besteht. Das Zahnradbahn-Beispiel zeigt einen wichtigen Unterschied beider Antriebe. Beim Spindelantrieb ist der Motor stationär und die Spindel in Bewegung. Beim Zahnstangenantrieb ist die Zahnstange stationär und der Motor in Bewegung. Eine CNC-Fräse die nur Spindelantriebe besitzt benötigt eine Energiekette weniger als eine CNC-Fräse mit nur Zahnstangenantrieb.
Zwischen Stirnrad und Zahnstange gibt es keine Untersetzung, der Umfang des Stirnrades wird auf die Zahnstange abgerollt. Ein Getriebe zwischen Motor und Stirnrad ist deshalb nötig, oder der Antriebsmotor muss überdimensioniert werden.
Jedes Getriebe erzeugt Verluste. Bei dem Zahnstangenantrieb ist das Getriebe deutlich zu sehen. Bei dem Spindelantrieb steckt das Getriebe "unsichtbar" in der Spindelmutter. Sehr gute Spindeltriebe mögen eine Kraftübertragung von 95% haben und sehr schlechte Zahnstangenantriebe nur 75%. Realistischer ist aber 80% Kraftübertragung bei 5:1 Getrieben für Zahnstangen und 85% bei Spindelantrieben der mittleren Preisklasse anzunehmen. Billig-Spindelantriebe aus Gewindestange und Kunststoff-Mutter und Billig-Zahnstangenantriebe aus Kunststoff-Stirnrad mit Kunststoff-Zahnstange dürften beide die Kraftübertragung in den Bereich von 50% und weniger bringen.
Servo-Motor oder Schrittmotor ist die zweite Frage beim Thema Antrieb. Aus Kostengründen wurde bei Zahnstängli nur Schrittmotor-Antrieb betrachtet. Als clevere CNC-Maschine hat Zahnstängli den Nullpunktsensor für jede Achse in der Mitte des Fahrweges positioniert. Immer wenn der Schlitten über die Nullposition fährt, wird der Positionszähler in der CNC Steuerung für diese Achse auf null gesetzt. Wenn nun der Schrittmotor "Schritte verliert" bleibt dies nicht als Fehler bis zum Ende des Fräsvorganges erhalten, sondern nur bis zum nächsten Überfahren der Nullposition. Solche "Kalibrierfahrten" können an passenden Stellen im Fräsprogramm platziert werden, wenn sonst die Nullposition nicht häufig genug überfahren wird.
Zahnstängli benutzt Getriebe-Schrittmotoren mit Zahnstange für alle drei Achsen. Es gibt deutlich mehr Anbieter für Schrittmotoren ohne Getriebe sowie für Spindeln. Aber eine Spindel ist deutlich teurer als eine Zahnstange plus Getriebe, besonders wenn der Schrittmotor schon ab Hersteller mit Getriebe ausgestattet wird. Eine Zahnriemen-, oder Seilzug-Lösung wurde nicht weiter betrachtet. Der Autor kann sich einfach nicht vorstellen das mit "Gummi und Gewebe" die nötige Positioniergenauigkeit erreicht werden kann.
Der Motorwinkel besteht aus einem L-Profil. Ein 19mm Loch muss gebohrt werden. Die Abmessungen von Steppermotorachse und Stirnzahnrad empfehlen eine Materialstärke des Motorwinkes von 2mm, für bessere Stabilität wurde 3mm gewählt.



Bilder von links nach rechts: Netzteil 100W 24V; Steuerung Arduino 2560 mit RAMPS 1.4 Shield und A4988 Steppermotor-Treibern; Steppermotor NEMA14 mit Getriebe; Stirnzahnrad mit Nabe; Zahnstange

Netzteil Kennwerte:

Type
 EN 100-24
Ausgangs-Spannung 24VDC
Ausgangs-Nennstrom 4,5A
Nennleistung 100W
Eingangsspannung 115/230VAC
Eingangsfrequenz 50/60Hz
Gewicht 0,66Kg
Abmessungen L x B x H 98 x 197 x 38 mm
Artikelnummer 940100 10024

Zeichnung links: Stirnzahnrad; Zeichnung rechts: Getriebe-Steppermotor


Stückliste Stirnzahnrad mit Nabe Modul 1:

Artikel Menge Zähnezahl b
[mm]		 da
[mm]		 d
[mm]		 NL
[mm]		 ND
[mm]		 BH7
[mm]		 zul. MD
[Ncm]		 Gewicht
[g]
21401700   17 10 19 17 6 12 6 17 19

Stückliste Zahnstange Modul 1:

Artikel Menge b
[mm]		 ha
[mm]		 Nennlänge L
[mm]		 Fertigmaß
[mm]		 h0
[mm]		 Werkstoff Gewicht
[kg]
22460300 1,0 10 10 250 9,00 C45KG 0,17
22460500 1,0 10 10 500 9,00 C45KG 0,34

Stückliste Motorwinkel:

Dimensionen

in mm

 Legierung

Maße / Anzahl 
Winkel
50 x 40 x 3 AlMgSi0,5 mm x Stck.
40 x 30 x 3 AlMgSi0,5 mm x Stck.

Linearführung

Linearführungen kosten mehr Geld als Wellen, und die Linearführungen-Kugellager sind auch teurer als Wellen-Kugellager, aber der Autor ist der Meinung das sich mit Wellen grundsätzlich keine große Positioniergenauigkeit erreichen lässt. Hierzu folgender einfacher Test: Bei einer CNC-Maschine mit Welle den Schlitten in eine Endposition fahren. Nun versuchen die Welle in der Mitte des Fahrweges durch Zug oder Druck zu bewegen. Dies ist fast immer möglich. Nun den gleichen Versuch bei einer CNC-Maschine mit Linearführung durchführen. Hier gibt es nicht mehr Welle, Luft, Skelett der Maschine sondern Welle, T-Träger, Skelett der Maschine oder kurz Stahl, Aluminium, Aluminium. Da ist schon ein Herkules nötig um irgendetwas um nur 10 Mikrometer zu verbiegen. Zahnstängli soll günstig sein, aber nicht billig. Die Linearführung wird mit M4 Schrauben am Skelett bzw. Schlitten befestigt. Die Kugellager werden mit kurzen M5 Schrauben angeschraubt. Das Gewinde ist 10mm tief in den Kugellager-Block geschnitten.

Bild links: Welle mit Böcken und Kugellager; rechts: Linearführung mit Kugellager.

Tabelle Linearführungen:


Model
No.
 Shaft
∅
 Main Dimensions
 Mounting Dimensions
H
 E
 W
 F
 T
 K
 J
 h1
 θ B
 N
 P
 S1
 S2
SBR10
 10
 18
 16
 32
 13.5
 4
 8.9
 12.4
 4.7
 80°
 22
 50
 100
 4.5
 M4
SBR12
 12
 19
 16
 32
 13.5
 4
 8.9
 12.4
 4.7
 80°
 22
 25
 100
 4.5
 M4

Skelett

Im Automobilbau ist die selbsttragende Karosserie schon lange Standard. Im Maschinenbau wird oft noch ein Skelett aus tragenden Teilen konstruiert welches später mehr oder minder verkleidet wird. Zahnstängli bekommt aus Kostengründen keine Verkleidung, deshalb muss das Skelett die nötige Statik liefern.
Im Bereich der CNC-Fräsen werden gerne Aluminiumprofile mit Nuten verwendet um ein Skelett in kurzer Arbeitszeit zu errichten. Profil ab längen, Verbindungselemente in die Nuten schieben, festschrauben und fertig. Im DIY Bereich ist es sinnvoll Arbeitszeit gegen Materialkosten zu tauschen. Deshalb wird Zahnstängli aus Blechen, Flachstangen, L- und U-Profilen gebaut. Anstelle von Verbindungselementen werden Winkel aus passend ab gelängten L-Profilen benutzt. Um doch etwas Arbeitszeit zu sparen, und vor allen Dingen um saubere Schnitte zu bekommen, wird das Halbzeug fertig zugeschnitten bestellt. Vom Lieferanten wird eine Genauigkeit von 1mm bei der Schnittlänge erwartet. Durch die gewählte Produktionsmethode sollte sichergestellt sein, dass die gelieferte Genauigkeit des Halbzeugs genügt um am Ende die gewünschte Genauigkeit von deutlich besser als 1mm Positioniergenauigkeit zu erreichen.
Das Skelett besteht aus dem X- und dem Y-Tisch welche fest miteinander verbunden sind. Die beiden Tische bestehen aus Rahmen. Jeder Rahmen besteht aus zwei L-Profilen und zwei U-Profilen. Die L-Profile sind längs des Tisch-Fahrweges angeordnet, die U-Profile quer. Der X-Rahmen ist teilweise mit Aluminumblech beplankt. Die Bleche im X-Rahmen halten den Abstand zwischen X-Linearführung und Y-Rahmen konstant. Der Y-Rahmen wird jeweils mit zwei Eckwinkel am X-Rahmen befestigt.
Die Stabilität der Profil Rahmen gegen Kräfte aus allen Richtungen ergibt sich aus der Konstruktion. Wird z.B. Druck auf zwei gegenüberliegende Ecken des Rahmens ausgeführt, dann kann der Rahmen nicht zu einem Parallelogramm verformt werden. Damit ein Parallelogramm entsteht müssen zwei Eckwinkel ihren Winkelwert verkleinern und zwei Eckwinkel ihren Winkelwert vergrößern. Damit der Winkel kleiner wird, muss sich nur der Eckwinkel verformen. Das Vergrößern des Winkels verlangt aber eine Verformung des Winkels und der L-Profile welche ja über den Winkel hinausgehen. Der Rahmen ist außen wie innen ein Rechteck. Die Stahlschrauben welche die Eckwinkel und die L-Profile verbinden dürften auch eher das Aluminium verformen als zu reißen.

Zeichnung Skelett-Draufsicht (X-Tisch):

Zeichnung Skelett-Seitensicht (Y-Tisch):


Stückliste Skelett:

Dimensionen

in mm

 Legierung

Gesamt-

gewicht

Maße / Anzahl 
Winkel
100 x 40 x 6 AlMgSi0,5 2,25 kg mm x Stck.
80 x 40 x 4 AlMgSi0,5 1,35 kg mm x Stck.
40 x 40 x 3 AlMgSi0,5 0,20 kg mm x Stck.
30 x 30 x 3 AlMgSi0,5 0,27 kg mm x Stck.
40 x 40 x 5 AlMgSi0,5 0,90 kg mm x Stck.
40 x 40 x 5 AlMgSi0,5 1,07 kg mm x Stck.

T-Nutenplatte (X-Schlitten)

Das Werkstück wird üblicherweise vor der CNC-Bearbeitung mit Spanneisen an der T-Nutenplatte verankert. Es gibt CNC-Portalfräsen für 3000€, die werden ohne T-Nutenplatte angeboten. Auch wenn der Rest dieser Fräse professionell ist, die fehlende T-Nutenplatte disqualifiziert das Gerät sogar für Bastler. Nun ist eine plangefräste T-Nutenplatte teuer und schwer. Deshalb wird die Zahnstängli T-Nutenplatte in Sandwich-Bauweise selbstgebaut. Auch hier werden wieder Materialkosten gegen Arbeitszeit getauscht. Anstelle der selbstgebastelten T-Nutenplatte dürfte auch eine PT 50 Platte von Isel in den Abmessungen 375mm breit, 20mm hoch und 400mm lang verwendbar sein. Die Zahnstängli T-Nutenplatte hat die Abmessungen 396mm breit, 20mm hoch und 400mm lang.
Die untere Lage des Sandwiches besteht aus einer 5mm starken Aluminiumplatte 396mm auf 400mm. Die mittlere Lage sind 400mm lange Vierkantrohre 30mm auf 10mm. Die obere Sandwichlage sind Aluminium-Flachstangen 400mm lang, 4mm dick und 40mm oder 50mm breit. Zwischen den acht Streifen gibt es sieben T-Nuten für M8 T-Nutensteine oder M8 T-Nutenschrauben. Die drei Sandwichlagen werden mit Senkkopfschrauben zusammengehalten.
Jede Linearführung trägt zwei Kugellager. Der Abstand zwischen Vorderkante des ersten Kugellagers und Hinterkante des zweiten Kugellagers ist 100mm. Der Fahrweg ist daher Länge der Linearführung minus 100mm. Zahnstängli hat für den X-Schlitten eine 450mm Linearführung, somit 350mm Fahrweg. Der Abstand der beiden X-Schlitten Linearführungen beträgt 356mm. Die Auflage der Kugellager auf der Linearführung ist somit 100mm auf 396mm. Dies sind 25% der T-Nutenplatte-Fläche von 396mm auf 400mm. Der Schwerpunkt eines Werkstückes sollte immer in der Mitte der T-Nutenplatte liegen.
Hier nun eine Methode um die selbstgebastelte T-Nutenplatte "plan zu fräsen": Vom Steinmetz eine plan geschliffene Granit- oder Kunststeinplatte besorgen die mindestens 500mm auf 500mm groß ist. Vier Bögen gutes(!) Schleifpapier nehmen und an den Rückseiten mit dünnem(!), aber breiten Klebeband zusammenkleben. Die Schleifblätter liegen dabei Stoß an Stoß. Das Schleifpapier wird mit der Körnung nach oben auf die Granitplatte gelegt, und darauf die T-Nutenplatte. Nun die T-Nutenplatte kreisförmig über das Schleifpapier bewegen. Am besten hat man einen provisorischen Griff an die Rückseite der Platte montiert. Solange schleifen bis jede Stelle auf der T-Nutenplatte Schleifspuren zeigt, aber auch nicht länger. Beginnen kann man mit 240er Körnung, aufhören kann man mit 480er Körnung. Damit ist die Platte immer noch kein Spiegel, aber jede Lichtreflektion sollte nun sauber über das Material laufen - einfach die Platte mehr und weniger zum Betrachter hin kippen, dann versteht man bald was ich meine. Das geübte Auge sieht übrigens Abweichungen von wenigen Mikrometern bei diesem Licht-Reflektion-Test. Mit dieser Heimarbeit bekommt man beide Seiten plan, aber beide Seiten müssen deshalb nicht parallel sein. Aber das wird ja beim Planfräsen auch nicht versprochen...

Zeichnung T-Nutenplatte:


Stückliste T-Nutenplatte:

Dimensionen

in mm

 Legierung

Gesamt-

gewicht

Maße / Anzahl 
Flachstangen
40 x 4 AlMgSi0,5 1,08 kg mm x Stck.
50 x 4 AlMgSi0,5 0,45 kg mm x Stck.
Rechteckrohre / Vierkantrohre
30 x 10 x 2 AlMgSi0,5 0,48 kg mm x Stck.
30 x 10 x 2 AlMgSi0,5 0,65 kg mm x Stck.
Bleche / Platten
6
 AlMg4,5Mn 2,62 kg mm x mm x Stck.

Y-Schlitten und Z-Tisch

Der Y-Schlitten ist gleichzeitig der Z-Tisch. Ein Schlitten besteht bei Zahnstängli immer aus einem Blech, ein Tisch immer aus einem Profilrahmen. Unterhalb des Y-Schlittens-Bleches ist über einen Motorwinkel der Y-Motor befestigt. In dem Rahmen des Y-Schlittens bewegt sich der Z-Motor. Der Zusammenbau des Y-Schlittens ist nicht kompliziert. Die Konstruktion verlangte schon scharfes Nachdenken über die einfachste Lösung. Der Y-Schlitten ist 320mm hoch und 196mm breit. In der Breite müssen die zwei Linearführungen der Z-Achse mit jeweils 32mm Breite, der Motor mit einer Gesamtlänge von 80.2mm und die Energiekette unterkommen. Die Zahnstange läuft nicht in der Mitte des Z-Schlitten.

Stückliste Y-Schlitten:

Dimensionen

in mm

 Legierung

Gesamt-

gewicht

Maße / Anzahl 
Rechteckrohre / Vierkantrohre
40.0 x 15.0 x 2.0 AlMgSi0,5 0,37 kg mm x Stck.
Bleche / Platten
5
 AlMg4,5Mn 0,86 kg mm x mm x Stck.

Der Z-Schlitten

Der Z-Schlitten ist einfach aufgebaut. Eine Aluminumplatte trägt unten die Kugellager und den Z-Motor. Oben ist der Werkzeughalter montiert. Für die Isel-Werkzeuge besteht der Werkzeughalter aus einem 20mm Wellenbock. Die Platte ist 310mm auf 200mm auf 5mm.

Dimensionen

in mm

 Legierung

Gesamt-

gewicht

Maße / Anzahl 
Bleche / Platten
5
 AlMg4,5Mn 0,85 kg mm x mm x Stck.

Der Fräsmotor

Aus Kostengründen hat Zahnstängli nur einen Werkzeughalter für 20mm Fräsen. Natürlich lassen sich Werkzeughalter für 43mm (Euronorm) oder 52mm (Fräsmotoren) am Z-Schlitten befestigen. Proxxon liefert eine 40W und eine 100W Fräse. Für erste Versuche sollten diese Fräsen genügen. Allgemein gilt: je stärker der Fräsmotor umso langsamer. Die beiden Proxxon Fräsen jaulen mit maximal 20000 Umdrehungen pro Minute.

Bild oben: Proxxon Micromot 50/E, 40W bei 18V Gleichspannung. Bild unten: Proxxon IBS/E, 100W bei 230V Wechselspannung.

Spanneisen

Die Befestigung von Werkstück auf dem X-Tisch erfolgt mit Spanneisen (Spannpratzen). Es gibt einige deutsche Industrienormen zum Thema Spanneisen. Es gibt DIN508 für Nutenstein, DIN6379 für Gewindestange, DIN6315 für Spanneisen, DIN6319 für Kegelpfanne und DIN6330 für Kugelmutter. Das Spanneisen liegt nicht immer parallel zur T-Nutenplatte. In diesem Fall sorgen Kegelpfanne und Kugelmutter für eine gleichmäßige Kraftübertragung.
Ein einfaches Spanneisen ist schnell selbst gebaut. Eine Aluminium-Flachstange mit Querschnitt 25mm auf 15mm und Länge 80mm wird mit einigen Bohrungen 9mm versehen. Anstelle einer M8 Nutenmutter mit Gewindestange kann auch eine M8 Schraube benutzt werden. Die Gewindestange oder die Schraube sollten eine Länge von 63mm haben. Anstelle von Kegelpfanne und Kugelmutter können auch normale Unterlegscheibe und normale Sechskant-Mutter benutzt werden.




Bild von links nach rechts: DIN508 Nutenstein, DIN6379 Gewindestange, DIN6315 Spanneisen, DIN6319 Kegelpfanne, DIN6330 Kugelmutter

Stückliste Spanneisen:

Dimensionen

in mm

 Legierung

Gesamt-

gewicht

Maße / Anzahl 
Flachstangen
25 x 15 AlCuMgPb 0,336 kg mm x Stck.

Stromversorgung, Notaus

Die Schrittmotoren werden durch ein 24V Netzteil versorgt. Der Fräsmotor hat sein eigenes Netzteil oder ist ein 230V Wechselspannung-Motor. Der Notaus-Schalter sollte Zahnstängli stromlos schalten. Damit der Notaus auch den Fräsmotor ausschaltet, wird eine 230V Schukosteckdose für den Fräsmotor in das Elektronik-Gehäuse eingebaut. Diese Steckdose wird über den Notaus geführt. Weiterhin kann der Fräsmotor über ein Relais ein- und ausgeschaltet werden.


Bilder von links nach rechts: Notaus-Schalter. Notaus-Schaltelement. Schutzkontakt-Steckdose.

EMI

Die Abkürzung EMI steht hier nicht für "Electric and Musical Industries" sondern für "Electromagnetic interference" oder Funkstörung. Aus Funkstörung oder "Elektrosmog" soll hier kein übertriebenes Thema gemacht werden, aber grundlegende EMI Maßnahmen sollten in jeder CNC-Maschine beachtet werden. Wichtig beim EMI Thema ist: die CNC-Maschine kann nicht nur Störer sein, sondern kann auch gestört werden. Ein Lichtbogen-Schweissgerät ist ein schlimmer Störer. Eine nicht entstörte CNC-Maschine kann schon "durchdrehen" wenn im gleichen Raum ein solches Schweissgerät betrieben wird. Das Schweissgerät dürfte durch die CNC-Maschine nicht gestört werden ...

Netzfilter

Ein Kaltgerätestecker ist der typische Anschluß der Elektronikbox an das Stromnetz. Ein Schalter, eine Schmelzsicherung und ein Netzfilter werden mit einem Stecker zu einer praktischer Komponente vereint. Eine solche Stecker/Schalter/Sicherung/Netzfilter-Kombination vereinfacht die 230V Verkabelung in der Elektronikbox.
Der Netzfilter verhindert nicht nur das die CNC-Maschine z.B. den Radioempfang stört, sondern auch das die CNC-Maschine gestört wird.

Bid links: Netzanschluß mit Schalter, Sicherung und Netzfilter. Bild rechts: Sicherungshalter.

Verdrillte Leitungen

Leitungen zwischen der Elektronikbox und den Komponenten an der CNC-Maschine wie Schrittmotoren oder Sensoren können wie Antennen wirken. Die Leitungen für die Schrittmotoren arbeiten ohne Entstörung als Sendeantennen, die Leitungen für die Sensoren wirken als Empfangsantennen. Die Störungen können von der CNC Maschine selbst produziert werden, d.h. die Abstrahlung der Schrittmotor-Leitungen stören die Sensor-Leitungen.
Verdrillte Leitungen sind die erste Maßnahme gegen EMI. Der typische Schrittmotor hat vier Anschlußleitungen. Jede Wicklung hat zwei Leitungen. Die Leitungen einer Wicklung werden verdrillt. Das Verdrillen reduziert die Abstrahlung von Gegentaktsignalen. Bei einem Gegentaktsignal führt eine Leitung immer ein Signal welches positiver und die andere Leitung ein Signal welches negativer als der Bezugspegel ist. Das elektromagnetische Feld beider Leitungen heben sich gegenseitig auf.

Stromkompensierte Drossel

Verdrillte Leitungen helfen bei Gegentaktsignale. Gleichtaktsignale werden mit einer stromkompensierten Drossel oder CMS-choke (common mode suppression choke) unterdrückt. Eine CMS-Drossel ist schnell und billig selbst gebaut. Die beiden Leitungen einer Schrittmotor-Wicklung werden als bifilare Wicklung auf einen Ferritringkern gewickelt. Für die Frequenzen einer CNC-Maschine ist das Ferritmaterial 77 geeignet. Ein passender Ferritring ist FT37-77 für kleine Motoren (NEMA 11, 14). Der FT50-77 Ferritring ist für größere Motoren (NEMA 17, 23) geeignet.

Tiefpass T-Filter

Leitungen welche aus der Elektronikbox herausführen sollten kurzschlußfest sein. Bei einem Endsensor wird mit kleinen Strömen von 10mA gearbeitet, eine Schmelzsicherung ist hier nicht praktisch. Der Kurzschlußstrom wird durch Widerstände begrenzt. Diese Strombegrenzung kann mit einem Kondensator leicht zu einem Tiefpass T-Filter erweitert werden.
Ein mechanischer Endschalter wird traditionell als Öffner angeschlossen. Der Öffner wird zwischen VCC (+5V) und Signal angeschlossen. Ein Pulldown Widerstand sorgt für einen eindeutigen Logikpegel wenn der Endschalter öffnet. Damit ein Schalter nicht oxidiert, soll bei geschlossenem Schalter ein minimaler Strom fließen. Bei Schaltern mit Goldkontakten sind dies einige Milliampere, bei Schaltern mit Silberkontakten sind dies einige Zehn Milliampere. Für Zahnstängli wird der Schleifenstrom auf 10 Milliampere festgelegt. Dies ist nicht zuviel für Goldkontakte, sollte aber auch Silberkontakte vor Oxidation schützen. Die VCC-Leitung und die Signal-Leitung werden über einen Tiefpass T-Filter geführt. Die VCC-Leitung für den Sensor wird dadurch kurzschlußfest. Beide Leitungen werden durch den Tiefpass entstört.
Eine Gabellichtschranke ist ein guter Nullpunktsensor. Die drei Anschlußleitungen sind VCC (+5V), GND (0V) und Signal. Wie bei der mechanischen Schalter wird VCC und Signal für den Sensor über einen Tiefpass T-Filter geführt, um die VCC-Leitung kurzschlußfest zu machen.


Bald ist es fertig :-)