Hallo lieber Leser, in diesem Artikel möchte ich meine Erfahrungen beim Bau einer Fräsportalmaschine mit numerischer Steuerung teilen.
Es gibt viele ähnliche Geschichten im Internet, und ich werde wahrscheinlich niemanden überraschen, aber vielleicht ist dieser Artikel für jemanden nützlich. Diese Geschichte begann Ende 2016, als ich mit meinem Freund, einem Partner bei der Entwicklung und Produktion von Testgeräten, einen bestimmten Geldbetrag sammelte. Um das Geld nicht zu überspringen (es ist eine junge Sache), haben wir beschlossen, es in das Geschäft zu investieren. Danach kam die Idee, eine CNC-Maschine herzustellen. Ich hatte bereits Erfahrung im Bau und in der Arbeit mit solchen Geräten. Der Hauptbereich unserer Tätigkeit ist das Design und die Metallbearbeitung, die von der Idee begleitet wurden, eine CNC-Maschine zu bauen.
Und dann begann die Bewegung, die bis heute andauert ...
Alles ging weiter mit dem Studium von Foren zu CNC-Themen und der Wahl des Grundkonzepts für das Design der Maschine. Nachdem zuvor entschieden worden war, welche Materialien auf der zukünftigen Maschine und ihrem Arbeitsfeld verarbeitet werden sollen, erschienen die ersten Papierskizzen, die später auf einen Computer übertragen wurden. In der Umgebung der dreidimensionalen Modellierung von KOMPAS 3D wurde die Maschine visualisiert und begann, zu kleineren Details und Nuancen zu wachsen, was sich als mehr herausstellte, als wir möchten. Einige werden noch gelöst.
Eine der ersten Entscheidungen bestand darin, die auf der Maschine verarbeiteten Materialien und die Abmessungen des Arbeitsfeldes der Maschine zu bestimmen. Bei den Materialien war die Lösung recht einfach: Holz, Kunststoff, Verbundwerkstoffe und Nichteisenmetalle (hauptsächlich Duraluminium). Da wir hauptsächlich Metallbearbeitungsmaschinen in der Produktion haben, benötigen Sie manchmal eine Maschine, mit der Materialien, die auf einem gekrümmten Weg relativ einfach zu verarbeiten sind, schnell verarbeitet werden können. Dies würde anschließend die Kosten für die Herstellung bestellter Teile senken. Basierend auf den ausgewählten Materialien, die hauptsächlich durch Blechverpackung geliefert werden, mit Standardgrößen von 2,44 x 1,22 Metern (GOST 30427-96 für Sperrholz). Durch die Rundung dieser Größen kamen wir zu folgenden Werten: 2,5 x 1,5 Meter, der Arbeitsraum war definitiv, mit Ausnahme der Höhe des Werkzeugs, wir haben diesen Wert aus Gründen der Schraubstockmontage gewählt und vorgeschlagen, dass wir nicht mehr als 200 mm Werkstücke haben würden. Wir haben auch diesen Moment berücksichtigt, in dem die Endfläche eines Blechteils, das länger als 200 mm ist, bearbeitet werden muss. Dazu bewegt sich das Werkzeug über die Abmessungen der Basis der Maschine hinaus, und das Teil / Werkstück selbst wird an der Endseite der Basis befestigt, wodurch die Endfläche des Teils bearbeitet wird.
Das Design der Maschine ist eine vorgefertigte Rahmenbasis aus dem 80. Profilrohr mit einer 4 mm Wand. Auf beiden Seiten der Basis sind lange Profilrollführungen der Größe 25 befestigt, auf denen ein Portal installiert ist, das aus drei Profilrohren besteht, die in der gleichen Größe wie die Basis miteinander verschweißt sind.
Die Maschine hat vier axiale und jede Achse treibt einen Kugelumlaufspindelantrieb an. Zwei Achsen befinden sich parallel zur Längsseite der Maschine, sind mit Software gekoppelt und an die X-Koordinate gebunden. Dementsprechend sind die verbleibenden zwei Achsen die Y- und Z-Koordinaten.
Warum haben wir am vorgefertigten Rahmen angehalten? Zunächst wollten wir eine sauber geschweißte Struktur mit eingebetteten geschweißten Blechen zum Fräsen herstellen, Führungen und Kugelumlaufspindeln installieren, aber wir fanden keine ausreichend große Fräskoordinatenmaschine zum Fräsen. Ich musste einen vorgefertigten Rahmen zeichnen, damit alle Teile mit vorhandenen Metallbearbeitungsmaschinen selbst bearbeitet werden konnten. Jedes Stück, das dem Lichtbogenschweißen ausgesetzt war, wurde geglüht, um innere Spannungen abzubauen. Ferner wurden alle Passflächen gefräst und mussten aufgrund der Passung stellenweise abgekratzt werden.
Ich möchte gleich sagen, dass sich die Montage und Herstellung des Rahmens als das zeitaufwändigste und finanziell kostspieligste Ereignis beim Bau der Maschine herausgestellt hat. Die ursprüngliche Idee mit einem nahtlos geschweißten Rahmen umgeht unserer Meinung nach in jeder Hinsicht die vorgefertigte Struktur. Obwohl viele mit mir nicht einverstanden sind.
Viele Amateure montieren nicht nur diese Art und Größe (und noch größere) von Maschinen in ihrer Werkstatt oder Garage und bilden einen vollständig geschweißten Rahmen, jedoch ohne anschließendes Glühen und Bearbeiten, mit Ausnahme von Bohrlöchern für Montageschienen. Selbst wenn Sie Glück mit dem Schweißer hatten und er die Struktur mit einer ausreichend guten Geometrie geschweißt hat, wird sich die Geometrie nach der Arbeit dieser Maschine aufgrund von Sprungkraft und Vibrationen ändern. Natürlich kann ich viele Fehler machen, aber wenn jemand dieses Problem kennt, teilen Sie bitte Ihr Wissen in den Kommentaren mit.
Ich möchte gleich reservieren, dass wir hier keine Maschinen aus einem Aluminium-Strukturprofil betrachten, dies ist eher eine Frage eines anderen Artikels.
Viele setzten die Montage der Maschine fort und diskutierten sie in den Foren. Sie rieten dazu, diagonale Stahlausleger innerhalb und außerhalb des Rahmens herzustellen, um die Steifigkeit zu erhöhen. Wir haben diesen Rat nicht vernachlässigt, aber wir haben auch die Ausleger zur Struktur hinzugefügt, da sich herausstellte, dass der Rahmen ziemlich massiv war (ca. 400 kg). Und am Ende des Projekts wird der Umfang mit Stahlblech umgangen, wodurch die Struktur weiter verbunden wird.
Wenden wir uns nun der mechanischen Frage dieses Projekts zu. Wie bereits erwähnt, wurde die Bewegung der Maschinenachsen durch ein Kugelumlaufspindelpaar mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Steigung von 10 mm ausgeführt, dessen Drehung von Schrittmotoren mit 86 und 57 Flanschen übertragen wird. Ursprünglich sollte die Schraube selbst gedreht werden, um überschüssiges Spiel und zusätzliche Zahnräder zu beseitigen. Sie konnten jedoch nicht darauf verzichten, da sich letztere bei direkter Verbindung von Motor und Schraube bei hohen Geschwindigkeiten abwickeln würden, insbesondere wenn sich das Portal in extremen Positionen befindet. Angesichts der Tatsache, dass die Länge der Schrauben entlang der X-Achse fast drei Meter betrug und für ein geringeres Durchhängen eine Schraube mit einem Durchmesser von 25 mm gelegt wurde, wäre ansonsten eine 16-mm-Schraube ausreichend gewesen.
Diese Nuance wurde bereits bei der Herstellung von Teilen entdeckt, und wir mussten dieses Problem schnell lösen, indem wir eine rotierende Mutter anstelle einer Schraube herstellten, die dem Design eine zusätzliche Lagerbaugruppe und einen Riemenantrieb hinzufügte. Diese Lösung ermöglichte es auch, die Schraube zwischen den Stützen gut anzuziehen.
Das Design der rotierenden Mutter ist recht einfach. Zunächst wurden zwei Kegelkugellager ausgewählt, die nach dem Abschneiden des Gewindes von einem Ende auf eine Kugelumlaufspindelmutter gespiegelt werden, um den Lagerlaufring an der Mutter zu befestigen. Lager mit einer Mutter standen im Gehäuse, die gesamte Struktur ist wiederum am Ende des Portalträgers montiert. An der Vorderseite der Kugelumlaufspindel befestigten die Muttern die Adapterhülse an den Schrauben, die anschließend am Dorn montiert und zum Ausrichten gedreht wurden. Eine Riemenscheibe wurde darauf gelegt und mit zwei Kontermuttern festgezogen.
Offensichtlich werden sich einige von Ihnen fragen: "Warum nicht eine Zahnstange als Mechanismus zur Übertragung von Bewegungen verwenden?" Die Antwort ist ganz einfach: Die Kugelumlaufspindel bietet Positioniergenauigkeit, größere Antriebskraft und damit weniger Drehmoment auf der Motorwelle (daran habe ich mich unterwegs erinnert). Es gibt aber auch Nachteile - eine geringere Bewegungsgeschwindigkeit und wenn Sie Schrauben von normaler Qualität nehmen, dann den Preis.
Übrigens haben wir Kugelumlaufspindeln und Muttern von TBI genommen, eine recht kostengünstige Option, aber die Qualität ist angemessen. Aufgrund der 9 Meter langen Schraube mussten wir 3 Meter werfen, da die geometrischen Abmessungen nicht übereinstimmten und keine der Muttern verschraubt war ...
Als Gleitführungen wurden Profilführungen einer Schienenstandardgröße 25 mm der Firma HIWIN verwendet. Für ihre Installation wurden Installationsnuten gefräst, um die Parallelität zwischen den Schienen aufrechtzuerhalten.
Sie beschlossen, Kugelumlaufspindeln selbst herzustellen. Es stellte sich heraus, dass es sich um zwei Typen handelt: Halterungen für rotierende Schrauben (Y- und Z-Achse) und Halterungen für nicht rotierende Schrauben (X-Achse). Stützen für rotierende Schrauben konnten gekauft werden, da aufgrund der Eigenfertigung von 4 Teilen nur wenige Einsparungen erzielt wurden. Eine andere Sache ist mit Stützen für nicht rotierende Schrauben - solche Stützen können nicht zum Verkauf angeboten werden.
Aus dem Vorstehenden wird die X-Achse durch rotierende Muttern und durch ein Riemenrad angetrieben. Wir haben auch beschlossen, zwei weitere Achsen Y und Z durch ein Riemenrad zu machen. Dies erhöht die Beweglichkeit beim Ändern des übertragenen Moments und erhöht die Ästhetik im Hinblick auf den Einbau des Motors nicht entlang der Achse der Kugelumlaufspindel, sondern seitlich, ohne die Abmessungen der Maschine zu vergrößern.
Gehen wir nun reibungslos zum
elektrischen Teil über , und wir beginnen mit den Antrieben. Schrittmotoren wurden ausgewählt, da sie natürlich aus Gründen eines niedrigeren Preises im Vergleich zu Rückkopplungsmotoren ausgewählt wurden. Zwei Motoren mit einem 86. Flansch wurden auf der X-Achse installiert, bei einem Motor mit einem 56. Flansch auf der Y- und Z-Achse nur mit unterschiedlichen maximalen Drehmomenten. Im Folgenden werde ich versuchen, eine vollständige Liste der gekauften Teile bereitzustellen ...
Der Stromkreis der Maschine ist recht einfach, Schrittmotoren sind mit den Treibern verbunden, diese wiederum sind mit der Schnittstellenkarte verbunden, es ist auch über einen parallelen LPT-Port mit einem Personal Computer verbunden. Die Fahrer verwendeten jeweils 4 Stück, jeweils ein Stück für jeden der Motoren. Alle Treiber sind zur Vereinfachung der Installation und des Anschlusses gleich eingestellt, mit einem maximalen Strom von 4 A und einer Spannung von 50 V. Als Schnittstellenkarte für CNC-Maschinen habe ich eine relativ kostengünstige Option eines inländischen Herstellers verwendet, wie auf der Website angegeben, die beste Option. Aber ich werde es nicht bestätigen oder widerlegen, das Board ist einfach zu bedienen und vor allem funktioniert es. In meinen früheren Projekten habe ich Boards von chinesischen Herstellern verwendet, sie funktionieren auch und unterscheiden sich an ihrer Peripherie kaum von dem, was ich in diesem Projekt verwendet habe. Ich habe festgestellt, dass bei all diesen Karten eine möglicherweise nicht signifikant ist, aber minus, Sie können nur bis zu 3 Endschalter auf ihnen installieren, aber mindestens zwei dieser Schalter sind auf jeder Achse erforderlich. Oder habe ich es nicht einfach herausgefunden? Wenn wir eine 3-Achsen-Maschine haben, müssen wir dementsprechend die Endschalter in den Nullkoordinaten der Maschine (dies wird auch als "Ausgangsposition" bezeichnet) und in den extremsten Koordinaten einstellen, damit diese oder jene Achse im Falle eines Ausfalls oder eines Mangels an Arbeitsfeld einfach nicht funktioniert außer Betrieb (einfach nicht kaputt). In meinem Schema habe ich verwendet: 3 endlose berührungslose induktive Sensoren und einen Notfallknopf "E-STOP" in Form eines Pilzes. Das Netzteil wird von zwei 48-V-Schaltnetzteilen gespeist. und 8A. 2,2 kW wassergekühlte Spindel, jeweils über einen Frequenzumrichter angeschlossen. Die Umsätze werden von einem Personal Computer aus eingestellt, da der Frequenzumrichter über eine Schnittstellenkarte angeschlossen ist. Die Windungen werden mit einer Spannungsänderung (0-10 Volt) am entsprechenden Ausgang des Frequenzumrichters geregelt.
Alle elektrischen Komponenten außer Motoren, Spindel und Endschaltern wurden in einem elektrischen Metallgehäuse montiert. Die gesamte Maschinensteuerung erfolgt von einem PC aus. Auf dem Motherboard des ATX-Formfaktors haben wir einen alten PC gefunden. Es wäre besser, wenn sie etwas schäbig würden und einen kleinen Mini-ITX mit integriertem Prozessor und Grafikkarte kaufen würden. Da die Abmessungen des Schaltkastens nicht klein waren, wurden kaum alle Komponenten im Inneren platziert, sie mussten nahe genug beieinander liegen. Am Boden der Box platzierte ich drei Gebläse mit Zwangskühlung, da die Luft im Inneren der Box sehr heiß war. Auf der Vorderseite wurde eine Metallplatte mit Löchern für den Netzschalter und den Not-Aus-Schalter angeschraubt. Auch auf diesem Pad gab es eine Buchse zum Einschalten des PCs, ich habe sie aus dem Gehäuse des alten Mini-Computers entfernt, es ist schade, dass es sich als nicht funktionierend herausstellte. Ein Overlay wurde ebenfalls am hinteren Ende der Box befestigt, Löcher für Anschlüsse zum Anschließen von 220 V, Schrittmotoren, eine Spindel und ein VGA-Anschluss wurden darin platziert.
Alle Drähte von den Motoren, der Spindel sowie den Wasserschläuchen zum Kühlen verlegten 50 mm breite Raupenkanäle in das flexible Kabel.
Die Software wurde auf einem PC in einer Elektrobox installiert, und eines der am häufigsten verwendeten Mach3-Programme wurde zur Steuerung des Computers verwendet. Das Programm ist gemäß der Dokumentation für die Schnittstellenkarte konfiguriert, alles ist dort ganz klar und auf den Bildern beschrieben. Warum genau Mach3 und trotzdem Berufserfahrung hatte, hörte ich von anderen Programmen, berücksichtigte sie aber nicht.
Technische Eigenschaften:Arbeitsraum, mm: 27001670200;
Achslaufgeschwindigkeit, mm / min: 3000;
Spindelleistung, kW: 2,2;
Abmessungen, mm: 280020701570;
Gewicht, kg: 1430.
Teileliste:Profilrohr 80x80 mm.
Metallstreifen 10x80mm.
Kugelumlaufspindel TBI 2510, 9 Meter.
Kugelumlaufspindelmuttern TBI 2510, 4 Stk.
Profilführungen HIWIN Wagen HGH25-CA, 12 Stk.
Schiene HGH25, 10 Meter.
Schrittmotoren:
NEMA34-8801: 3 Stck.
NEMA 23_2430: 1 Stück
Riemenscheibe BLA-25-5M-15-A-N14: 4 Stck.
Riemenscheibe BLA-40-T5-20-AN 19: 2 Stck.
Riemenscheibe BLA-30-T5-20-A-N14: 2 Stck.
Schnittstellenkarte StepMaster v2.5: 1 Stck.
Schrittmotortreiber DM542: 4 Stück (China)
Schaltnetzteil 48V, 8A: 2St. (China)
2,2 kW Wechselrichter. (China)
2,2 kW Spindel. (China)
Ich habe die wichtigsten Details und Komponenten aufgelistet. Wenn etwas nicht enthalten ist, schreibe ich in die Kommentare, die ich hinzufügen werde.
Berufserfahrung an der Maschine: Letztendlich haben wir nach fast anderthalb Jahren die Maschine immer noch gestartet. Zunächst stellen wir die Genauigkeit der Positionierung der Achsen und ihre maximale Geschwindigkeit ein. Erfahrenen Kollegen zufolge ist die Höchstgeschwindigkeit von 3 m / min nicht hoch und sollte dreimal höher sein (für die Verarbeitung von Holz, Sperrholz usw.). Bei der Geschwindigkeit, die wir erreicht haben, können das Portal und andere Äxte mit ihren Händen (mit ihrem ganzen Körper) kaum gestoppt werden - sie rasen wie ein Panzer. Die Tests begannen mit der Verarbeitung von Sperrholz, der Fräser läuft wie am Schnürchen, es gibt keine Vibrationen der Maschine, aber er wird in einem Durchgang um maximal 10 mm vertieft. Obwohl sie anfingen, tiefer nach tiefer zu gehen.
Nachdem wir mit Holz und Kunststoff gespielt hatten, beschlossen wir, das Duraluminium zu nagen. Hier war ich begeistert, obwohl ich zuerst mehrere Mühlen mit einem Durchmesser von 2 mm brach, während ich die Schnittbedingungen auswählte. Duraluminium schneidet sehr sicher und es wird ein ziemlich sauberer Schnitt entlang der bearbeiteten Kante erzielt.
Wir haben noch nicht versucht, Stahl zu verarbeiten, aber ich denke, dass zumindest die Maschine die Gravur ziehen wird, und zum Fräsen der Spindel ist es schwach, es ist schade, sie zu töten.
Und der Rest der Maschine kommt ihren Aufgaben perfekt nach.
Fazit, Meinung zur geleisteten Arbeit: Die Arbeit ist nicht klein, wir sind ziemlich müde geworden, weil niemand die Hauptarbeit abgesagt hat. Ja, und es wurde nicht wenig Geld investiert, ich kann den genauen Betrag nicht sagen, aber das sind ungefähr 400 t.r. Neben den Verpackungskosten floss der Großteil der Kosten und der größte Teil des Aufwands in die Herstellung des Fundaments. Wow, wie wir dazu gekommen sind. Und der Rest, alles wurde getan, als Geld, Zeit und fertige Teile ankamen, um die Montage fortzusetzen.
Die Maschine erwies sich als ziemlich funktionsfähig, robust genug, massiv und von hoher Qualität. Aufrechterhaltung einer guten Positioniergenauigkeit. Bei der Messung eines Quadrats aus einem Duraluminium mit einer Größe von 40 x 40 betrug die Genauigkeit + - 0,05 mm. Die Genauigkeit der Verarbeitung größerer Teile wurde nicht gemessen.
Was kommt als nächstes ...: Es gibt noch genug Arbeit an der Maschine in Form einer Staubschutzhülle - Schutzführungen und Kugelumlaufspindeln, Abdeckung der Maschine um den Umfang und Installation von Decken in der Mitte der Basis, die 4 große Regale bilden, unter dem Spindelkühlvolumen, der Werkzeugaufbewahrung und dem Zubehör. Sie wollten eines der Viertel der Basis mit einer vierten Achse ausstatten. Es ist auch erforderlich, einen Zyklon an der Spindel anzubringen, um Späne über Staub zu entfernen und zu sammeln, insbesondere wenn Sie Holz oder Textolit verarbeiten. Von diesen fliegt Staub überall hin und wird überall abgelagert.
Was das zukünftige Schicksal der Maschine betrifft, ist hier nicht alles klar, da ich ein territoriales Problem hatte (ich bin in eine andere Stadt gezogen) und jetzt gibt es fast niemanden, der sich mit der Maschine befasst. Und die oben genannten Pläne sind keine Tatsache, die wahr werden wird. Niemand hätte sich das vor zwei Jahren vorstellen können.
Beim Verkauf der Maschine mit ihrem Preisschild ist nicht alles klar. Da es ehrlich gesagt schade ist, zu Anschaffungskosten zu verkaufen, und ein angemessener Preis noch nicht eingetreten ist.
Damit werde ich wahrscheinlich meine Geschichte beenden. Wenn ich etwas nicht hervorgehoben habe, schreibe mir und ich werde versuchen, den Text zu ergänzen. Und der Rest wird in dem Video über die Herstellung der Maschine auf meinem YouTube-Kanal viel gezeigt.