Eigenbau CNC Fräse

 

 

Studienprojekt 2019. 

 

Das hier vorgestellte Projekt ist eine kleine CNC-Portalfräsmaschine um Bauteile bis zu einer Größe von 224,2 x 233,5 x 89,2 (mm) mit hoher Präzision und einer Minimierung der Toleranzen zu bearbeiten.

Das Gerät ist tragbar und durch das 230 V Netzteil und einem USB-Anschluss (für PC Datenübertragung) überall einsatzfähig.

In Zukunft werden u.a. der Schlüssel und kleinere Bauteile für das Tretauto gefräst.

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Die fertige CNC Fräse mit Beleuchtung

 

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 Das CAD Modell wurde parallel dazu aufgebaut.

Das Gerät arbeitet mit drei Bewegungsachsen, die dem Werkzeugträger (X-, Z-Achse) bzw. dem Werkstückträger (Y-Achse) zugeordnet sind. Das zu bearbeitende Werkstück ist auf einem horizontal beweglichen Frästisch in verschiedener Weise einspannbar.

Die Vorschubbewegung der drei Achsen wird einzeln von Schrittmotoren erzeugt und mit Gewindetrieben auf die Schlitten übertragen.

Der Fräser besteht aus einem auswechselbaren, rotierenden Schneidwerkzeug. Dieses fährt mit leichtem Druck auf dem Werkstück entlang und trägt Material ab. Dadurch findet die Bearbeitung des Bauteils statt.

Hardware

Die Hardwarekomponenten der Graviermaschine gliedern sich in zugekaufte Standardteile sowie in Eigenkonstruktionen und -fertigungen, da nicht alle Elemente durch Zukaufteile realisierbar sind. Durch jeweilige Integration in das CAD-Modell werden der richtige Einbauort und die richtige Befestigung der Bauteile sichergestellt, sodass Komplikationen beim Zusammenbau ...größtenteils... verhindert werden.

 

Eigenanfertigungen

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230 V Deckel (3D Druck), Berührungsschutz der Kabelanbindung am Stecker

 

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Schaltkasten (3D Druck)

 

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Adapterplatten für Z-Achse und Motor. Durch die Bohrungsanordnung der beiden Platten ist eine Höhenverstellung möglich

 

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Optokoppler, wandelt die Signale der Endschalter für das CNC Shield zur Auswertung um

 

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PWM-Analog Signalwandler zur Steuerung der Drehzahl des Fräsmotors

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Winkelhalter für LED Lichtstäbe

(erste Bauteile die mit der CNC Fräse gefräst wurden!)

Standardteile / Zukaufteile

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Frästisch mit Nut (300mm x 250mm)

 

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Trapez-Gewindetrieb und Linearwellen mit Gleitlagerbuchsen

 

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Energiekette für die Kabelführung

 

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Spindelmutter mit Führung und spielfreie Muttern für die Gewindetriebe

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Kaltgeräte-Einbaustecker mit Sicherung

 

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Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung des Drehstrom-Fräsmotors

 

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Versorgungsleiste: 24V (grau), GND (blau), PE (gelb). Versorgungsspannung Arduino über USB

 

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Lüfter bläst kühle Luft ein. Luftschlitze gegenüber für Luftaustritt

 

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Diverse Fräser und Schnellspannbohrfutter

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24V Netzteil. Output:  Strom: 16,7 A, Leistung: 400 W

 

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Arduino Uno zur Steuerung der Linearmotoren und des Fräsermotors.

 

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CNC Shield V3 mit Treibern und Kühlkörpern auf Arduino Uno

 

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Einer der Schrittmotoren. Direkt an Spindel angeflanscht (X,Y) bzw. über Riementrieb (Z)

 

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Fräsmotor Leistung 300W

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LED Lichtstab 24V. Kabel laufen versteckt im Rahmen

 

Ansteuerung

AC Fräsmotor mit Frequenzumwandler und Analogansteuerung. Für die Funktion der Graviermaschine sind folgende elektronische Komponenten verbaut:

  • Kaltgeräte Einbaustecker mit Wippschalter und Sicherung (1)
  • Netzteil (2)
  • USB-Anschluss (3)
  • Arduino UNO (4)
  • CNC-Shield V3 mit den Treibern der Schrittmotoren (5)
  • Optokoppler für Endschalter (6)
  • PWM-Analog-Signalwandler (7)
  • Lüfter (8)
  • Versorgungsleiste mit 24 V-, GND- und PE-Anschlüssen (9)

 

Funktion

Die Stromversorgung wird über den Kaltgeräte-Einbaustecker realisiert. Über den Wippschalter kann das Gerät ein- und ausgeschaltet werden. Der Frequenzumrichter wird direkt an den Kaltgeräte Einbaustecker angeschlossen und mit 230 V Wechselstrom betrieben. Für die übrigen Komponenten wandelt das Netzteil die Spannung auf 24 V Gleichspannung um und versorgt hiermit die Versorgungsleiste. Der Lüfter ist direkt mit der Steckleiste verbunden und läuft sobald die Maschine eingeschalten wird.

Eine .dxf-Datei in der Software Estlcam wird zu einem G-Code konvertiert. Dieser G-Code wird mithilfe des USB-Anschlusses an den Arduino UNO weitergegeben, welcher den G-Code in Steuersignale für die Linearmotoren und den Fräsmotor umwandelt. Das CNC-Shield V3 ist die Schaltzentrale für die weiteren elektronischen Komponenten und sitzt auf dem Arduino UNO. Die Steuersignale werden entsprechend an die Komponenten weitergegeben und empfangen.

Die Treiber der Schrittmotoren werden auf dem Shield platziert. Auf den Steckplätzen neben den jeweiligen Treiben werden die Schrittmotoren für die Linearachsen angeschlossen. Die Signale für die Linearmotoren werden somit direkt vom Schield weitergeben.

Die PWM-Analog-Signalwandler-Platine wird an den PWM- und SPN-Ausgang des CNC-Shield V3 angeschlossen. Dadurch werden das Ein- und Ausschalten (SPN-Signal) und die Drehzahl (PWM-Signal) gesteuert. Zur Spannungsversorgung ist die Platine an die Steckleiste angeschlossen. Die Ausgänge sind mit dem Frequenzumrichter verbunden. Der FU wandelt die Signale für den Fräsmotor um. Dieser ist direkt an den FU angeschlossen.

 

Schutzkomponenten

Diese Komponenten dienen zum Schutz der Menschen, die mit der Graviermaschine arbeiten und der Maschine selbst. Um eine Kollision der verfahrenden Komponenten mit dem Gehäuse zu verhindern, sind sogenannte Endschalter eingebaut.  Um das Eingreifen in einen laufenden Fräsprozess zu verhindern, ist die Fronttüre über einen Öffner-Kontakt gesichert. Beim Öffnen der Türe schaltet das Gerät ab. Zur besseren Sicht sind zwei LED-Lichtstäbe türseitig in der Graviermaschine verbaut. Die Lichtstäbe fangen automatisch an zu leuchten, sobald die Maschine eingeschaltet wird.