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CNC Portalmaschine
CNC BAU TECHNIK:
Ein Konzept für eine CNC Maschine im Eigenbau ist schnell auf die Beine gestellt.
Die Hauptkomponenten, wie Linearführung, Kugelumlaufspindel, Antrieb und Steuerung
gibt es ja an Massen von den unterschiedlichsten Herstellern und noch dazu preiswert.
Ja preiswert! Da liegt schon mal der Haken. Warum kann ein Hersteller eine Kugelumlaufspindel samt Mutter zum halben Preis, von einem andern Hersteller anbieten. Hat er so große Stückzahlen auf Lager dass er diese so billig verkaufen kann. Nein sicher nicht. Es liegt an der Ausführung.
Was kann aber bei einer Kugelumlaufspindel schon ungenau sein. Die meisten sind gehärtet
spielfrei einstellbar und die Toleranzangaben sind auch Ok.
Der wichtigste Aspekt ist die Lebensdauer. Diese setzt sich aus dem Lastmoment den Umweltbedingungen und Drehzahl zusammen. Hinzu kommt noch die Oberflächenbeschaffenheit und Rundlaufgenauigkeit.
Berechnet man nun das benötigte Lastmoment unter Berücksichtigung der Beschleunigungs- und Bremsmomente und vergleicht es mit den Angaben der Spindel, so wird man feststellen dass so manche billige Spindel dafür nicht geeignet ist.
Es hat schon gegeben, dass Hobbybastler weiche metrische Gewindespindel eingesetzt haben.
Nun, diese Entwickler müssen schon sehr viel Selbstvertrauen besitzen
Nicht nur die Last macht einer Spindel zu schaffen, sondern der Antrieb selber
kann zu einer unerwünschten Reduzierung der Lebensdauer ausschlaggebend sein.
Man nehme einen Schrittmotorantrieb zum Vergleich.
Schrittmotoren sind Resonanzspender. Im unteren bis hin zum mittlern Drehzahlbereich ist die Resonanz am größten. Die Schwingungen die der Motor abgibt, übertragen sich über die Spindel auf die angetriebene Last. Im laufe der Zeit verursachen die Kugeln welche sich in
der Mutter befinden, durch die Resonanz Einkerbungen in der Spindel und auch in der Mutter.
Diese unangenehme Eigenschaft lässt sich zum Teil durch unterschiedliche Maßnahmen bei der Konstruktion reduzieren.
- Die Kraftübertragung vom Motor zur Spindel über eine Flexkupplung. Je nach Art der Kupplung, kann eine Resonanzdämpfung bis zu 60% erzielt werden. Der Nachteil, das System wird mit der Zeit ungenau ist Serviceanfälliger und teurer.
Eine der häufigsten Maßnahme ist das Untersetzen des Antriebes. Wodurch der Motor von Haus aus im höheren Drehzahlbereich gefahren wird und die Resonanzbildung dabei geringer wird. Diese Maßnahme geht wiederum zu Lasten der Maximalen Geschwindigkeit.
Nicht nur der Motor, auch die Ansteuerung kann etliches zur Dämpfung beitragen. Ein Chopper betriebener Motor ist für den Direktantrieb völlig ungeeignet. Da ist ein
Konstantspannungsantrieb z.B. 3*RL schon wirkungsvoller. Das wohl beste Ergebnis erzielt man mit einem Mikroschrittantrieb oder Servoantrieb.
Alle diese Maßnahmen führen meist zu irgendwelchen Einbußungen seitens der Genauigkeit Geschwindigkeit oder zusätzlichem Material- und Kostenaufwand.
Wer es richtig machen will, der muss schon in die Geldbörse greifen.
Resonanzen: Diese nicht nur vom Antrieb verursachten mechanischen Störungen können das gesamte System instabil werden lassen.
Das beginnt bei gelösten Schraubverbindungen über Risse in der Chassis unzureichende Ergebnisse des bearbeitenden Werkstückes bis hin zu aufgehenden Lötstellen in der Steuerung.
Deshalb ist bei der Konstruktion einer CNC Maschine der Grundaufbau das dynamische Verhalten im bezug auf die zu verwendeten Materialien eines der wichtigsten Themen überhaupt. Viele Konstrukteure verwenden für den Bau von CNC Maschinen Aluminium.
Nicht ohne Grund! Was man in der Bearbeitung an Zeit und Kosten spart macht den Grundpreis wieder wett. Aluminium ist für den Bau von CNC Maschinen bei weitem nicht das geeigneteste Material. Aluminium überträgt Resonanzen sehr gut. Man bedenke. Sämtliche gleitende und führende Teile, gesetzt den Fall man will schnell und genau arbeiten, sind ausschließlich Kugelumlaufführungen. Dass heißt es existiert eine Punktauflage und keine Flächenauflage, wie z.B. bei einer Standard Fräsmaschine die mit einer Schwalbenschwanzführung ausgeführt ist.
Flächenauflagen dämpfen Resonanzen, Punktauflagen hingegen verstärken Resonanzen.
Es spricht nichts dagegen Aluminium einzusetzen. Jedoch sollte der Entwickler die Problematik überdenken und eventuell schon beim Planen Gegenmaßnahmen ergreifen.
Eine der wirkungsvollsten Gegenmaßnahme ist das einsetzen von Gleitführungen.
Wodurch der Aufwand jedoch kostspieliger und aufwendiger wird.
So mancher Entwickler denkt sich, alles muss glatt und Reibungslos gleiten. Das stimmt nicht ganz! Elektrische Antriebe z.B. lieben Trägheit.
Nicht zu vergessen die Temperaturabhängigkeit (Dehnungsfaktor) von Aluminium.
Lagerungen und Passungen dementsprechend auslegen und Dimensionieren (genauere Angaben aus Datenblättern ermitteln).
Die Auslegung der tragenden und übertragenden Teile sollten ausreichend dimensioniert sein ( Drehmomente, Reibung, Masseträgheit, Beschleunigung- und Bremsmomente beachten und berechnen). Bei unzureichender Kenntnis der Berechnung können oft Hilfsmittel, wie z.B. eine Federwaage zu recht brauchbaren Ergebnissen verhelfen.
Beim Bau des Grundgestelles auf die Stabilität und Schwerpunktlage achten. Beim abbremsen einer bewegten Masse muss die freigegeben Energie welche durch die bewegte Masse erzeugt wird, problemlos abgeführt werden können (Kippmoment und Instabilität herrschen).
Steuertechnische sprich Elektrische und Elektronische Teile wenn möglich immer getrennt von der Maschine halten.
All diese Maßnahmen führen letztendlich zu einem zufriedenstellenden und störungsfreien Betrieb der Anlage.
Eine Problematik welche bei, oder sogar mitten in der Ausführung immer wieder auftritt, ist die unzureichende Überlegung bezüglich der Anforderung an die Maschine.
*
Oft hört man Aussagen wie ! Viel muss das Ding nicht können, vielleicht ein paar
Löcher Bohren oder eventuell etwas Gravieren und vielleicht auch noch einige kleine Teile Fräsen aber das war’s dann schon.
Untersucht man die Aussage genauer dann wird man feststellen, dass mit dieser Aussage eigentlich eine Vollautomatische Fräsanlage gemeint ist.
*
Man sollte sich im vorhinein im klaren sein, welche Anforderungen denn überhaupt an die Maschine gestellt werden. Welche Materialien und in welchen Größenordnungen sollen bearbeitet werden? Mit welchen Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten kann und soll gerechnet werden? Der Anspruch an die Wiederholgenauigkeit usw.
Ist die Realisierung mit den Vorgaben überhaupt möglich und wenn nicht welche Alternativen gibt es.
Das zusammentragen von Informationen Tipps und Know How ist schon mal der halbe Weg zum Erfolg.
Zu große Anforderung führen meistens wegen Umsetzungsproblemen zu einem frühzeitigen
Abbruch des Projektes. Zu kleine oder eher bescheidene Anforderungen führen meistens zu
nachträglich kostspieligen Umbauten.
Am wenigsten Sinn hat es, bestehende Systeme zu kopieren. Denn die versteckte Technik ist
für den Neuling oft nicht sichtbar und nach dem Bau kommt dann das bittere Erwachen .
Die Fragestellung lautet dann immer! Warum funktioniert das bei denen und bei mir nicht?
Aus eigener Erfahrung kann ich nur Empfehlen, vor dem Bau einen Projekt und Kalkulationsplan zu erstellen, denn! Scheitert man bei der Planung dann Plant man das Scheitern.
Der Projektplan beinhaltet in erster Linie das Anforderungsprofil. Man kann dabei folgendermaßen vorgehen.
Projektplan:
- Das Typenprofil: Festlegen der Bauart
1.1 Portal-Bauform: Diese Bauform ist die gängigste und günstigste Bauart
Das Spanbearbeitende Werkzeug wird in allen Richtungen über die meistens fest
verankerte Bearbeitungsfläche bewegt.
Vorteile: Leicht zu bauen und auszurichten
Nachteil: Die Leistungsanforderung ist beschränkt
1.2 Kreuztisch-Bauform: Diese Bauart ist etwas teurer und aufwendiger.
Hierbei ist das Spanbearbeitende Werkzeug fest verankert und die Bearbeitungsfläche
wird in alle Richtungen bewegt.
Vorteil: Gehobene Leistungsanforderung
Nachteil: Größerer Aufwand beim Bau und beim Ausrichten
1.3 Universal-Bauform: Diese Bauform ist die aufwendigste Bauform überhaupt.
Das Spanbearbeitende Werkzeug wird in Y Richtung bewegt und die
Bearbeitungsfläche in X Richtung. Die Z Zustellung kann über die
Bearbeitungsfläche erfolgen oder sie ist auf der Y Achse angeordnet.
Vorteil: Große Leistungsanforderung weniger aufwändig beim Ausrichten.
Nachteil: Sehr großer Aufwand beim Bau
- Das Maßprofil: Festlegen der Grundmaße und Bearbeitungsmaße
Einer der wichtigsten Punkte überhaupt. Einige cm ab oder auf, können schon emense
Einsparungen oder Verteuerungen bewirken. Hängt vom Typenprofil ab. - Das Genauigkeitsprofil: Festlegen der Anforderung an die Genauigkeit
Dieser Punkt sollte sorgfältig bedacht werden. Umso genauer man Arbeitet
umso genauer und zuverlässiger wird die Maschine arbeiten.
Hier sind dem Hobbybastler oft Grenzen gesetzt. Verfügt er nicht, über ein
für die Fertigung oft benötigtes Equipment, wie z.B. Maschinen, Werkzeuge
und auch Messwerkzeuge. Ist er gezwungen auswärtig fertigen zu lassen oder
fertige Teile einzukaufen. Viele Shops bieten Baukastensysteme an. - Das Innovationsprofil: Einbringen eigener Ideen und deren Umsetzung
Es ist nicht ratsam das Rad neu zu erfinden. Jedoch kann es oft von Vorteil sein
Ideen in das Projekt einfließen zu lassen. Vorsicht! Nichterprobte Ideen
können schon mal nach hinten losgehen.
Ein Tipp: Erproben Sie die Idee bevor Sie die Maschine nach dieser Idee auslegen.
5. Das Designprofil:
Ein sehr wichtiger Punkt, der oft bis zum Schluss hinausgezögert wird und anschließend
den Erbauer mit aufwendigen, teuren oder oft unlösbaren Lösungen konfrontiert.6. Das Bauteilprofil: Auswertung der benötigten Bauteile
Es ist von Vorteil schon im vorhinein über die Art und der allgemein benötigten Bauteile
bescheid zu wissen. Oft wird erst nach der Zusammenstellung der Bauteilliste ersichtlich
wo und wie man Einsparungen bewirken kann. Nicht nur in finanzieller Hinsicht, sondern
der Gesamtüberblick ermöglicht dem Entwickler das Erkennen von oft unnötigen oder
fehlenden Komponenten.
Das Bauteilprofil sollte nicht auf das komplette Projekt ausgerichtet sein. Sondern viel
mehr in Gruppen unterteilt werden. Z.B. könnte man die Achsen in Gruppen
unterteilen, der Spanbearbeitenden Komponente eine Gruppe zuweisen usw.
*
- Soft und Hardwareprofil: Das Zusammenspiel von Soft- und Hardware Komponente
Ein Punkt welcher immer wieder vernachlässigt wird und meistens zu langwierigen und
Kostspieligen Entwicklungsarbeiten beiträgt. Hauptsächlich bedingt durch die
Eigenentwicklung von Steuerungen und deren Komponenten bezüglich auf die Abstimmung
der Software. Hier ist guter Rat teuer und das nicht unbegründet. Zumal die meisten
Softwarehersteller keine detaillierten Angaben über z.B. Schnittstellenprotokolle oder der
Datenaufbereitungen zur Verfügung stellen und wenn doch, dann nicht gerade billig.
Anhand des erarbeiteten Anforderungsprofils, ist es nun ein leichtes den Arbeits- und Materialaufwand sowie eine Kostenaufstellung zu erarbeiten.
Spanbearbeitung und Antrieb:
Dieser Punkt bereitet jedem CNC Entwickler Kopfschmerzen.
Egal wie man es dreht und wendet, die Lösung für die gerade benötigte Anwendung ist doch immer unzureichend. Entweder man benötigt Kraft, dann verliert man Drehzahl oder man benötigt Drehzahl dann verliert man Kraft. Beides lässt sich nun mal schwer vereinbaren.
Deshalb ist die Auslegung der Maschinenkonstruktion immer an die Art der Spanbearbeitung auszurichten und nicht umgekehrt. Denn das statische und dynamische Maschinenverhalten
bestimmt immerhin die Werkstückqualität und die Maschinenleistung.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Mikrofräsen (Fräser Durchmesser <=3 mm) und
Standardfräsen (Fräser Durchmesser >3 mm). Mikrofräsen ist die häufigste Zielsetzung bezüglich der Maschinenkonstruktion. Das einsetzen von HF-Frässpindeln ist dabei die ideale Voraussetzung. Kleine Fräserdurchmesser große Drehzahl und das Ganze auch noch mit
geringem Leistungsaufwand. In der Regel kann man einen benötigten Leistungsaufwand im Mikrofräsverfahren von 80 bis 500 Watt annehmen. Alle anderen Größenordnungen sollten
schon mal verworfen werden. Sie sind für den Hobbyentwickler ohnehin schwierig wenn nicht sogar unmöglich zu realisieren.
Viele Entwickler investieren sehr viel Zeit und Material in Eigenentwicklungen von Frässpindeln. Oft nicht ohne Grund. Zumal fertige Systeme Schweine teuer und unter anderem kompliziert in das eigene Projekt einzubinden sind.
Bei der Entwicklung von Frässpindeln, sollte die Anforderung eher nicht nach deren Leistung ausgelegt werden, denn diese wird ja ohnehin von der Maschine vorgegeben.
Sondern, das Augenmerk sollte viel mehr auf die auftretenden dynamischen Belastungen des spanbearbeitenden Werkzeuges und die daraus resultierenden Schwingungen gelenkt werden.
Unzureichende Steifigkeit, Werkzeugverdrängung und die daraus entstehende Werkzeugdeformierung sind häufige Problemzonen, nicht zu vergessen, das Vermögen Kräfte und Momente aufzunehmen.
Fakt ist! Nicht die Spindel ist das Problem, sondern das dynamische Verhalten der Maschine als gesamtes entscheidet über den reibungslosen Ablauf der Spanbearbeitung.
Eigene Versuche mit Gleichstrom-Kollektormotoren im Kleinspannungsbereich haben hinsichtlich der Leistung recht brauchbare Ergebnisse erbracht. Mit nur 150 Watt Leistung konnte eine Kontur aus einer Aluminiumplatte mit 3mm Stärke ohne weiteres in einem Stück herausgefräst werden. Der Fräsdurchmesser betrug 3mm der Vorschub 350mm/min und die Drehzahl 30000UPM. Es ist nicht wichtig Leistungsstarke Frässpindeln einzusetzen, viel wichtiger ist es, das richtige Einsetzen von Werkzeugen in bezug auf das zu bearbeitende
Material und der dynamischen Wiederstandsfähigkeit der Maschine.
Eine der wichtigsten Bestandteile einer Spanbearbeitenden Maschine, ist die Kühleinrichtung.
Sie darf bei keiner Konstruktion vernachlässigt werden. Es muss immer ein Weg für eine Kühleinrichtung gefunden werden.
Kühleinrichtungen: Sind nicht nur zum Kühlen. Sie sorgen unter anderem für einen reibungslosen Abtransport des Spanes vom spanbearbeitenden Werkzeug, wodurch ein ruhigerer und gleichmäßiger Arbeitsablauf erzielt wird. Die Vorteile liegen auf der Hand!
Höhere Vorschubgeschwindigkeiten größere Oberflächengenauigkeit weniger Werkzeugverdrängung ,Verhinderung von Schneidenaufbauten und längere Standzeiten sind das Ergebnis. So mancher Entwickler wird sich nun denken: Super das ist die Lösung! Eine Kühleinrichtung muss her. Schnell eine Pumpe gekauft in einen Kübel mit Wasser gesteckt und es wird schon gekühlt. Nun, so einfach funktioniert das auch wieder nicht. Die Kühleinrichtung als ganzes sollte nicht oberflächlich betrachtet werden. Die wirkungsvolle Funktion muss schon gewährleistet sein. Das beginnt bei der Art der Kühleinrichtung, einsetzen des richtigen Kühlmittels, bis hin zur Ausfallsicherheit.
Man unterscheidet zwischen Sprüh- und Taucheinrichtung.
Die Sprüheinrichtung ist die meist angewandte Methode. Sie muss immer gezielt auf den aktuellen Bearbeitungspunkt gerichtet sein.
Die Taucheinrichtung ist die etwas weniger verbreitete und aufwändigere Methode. Hierbei wird das zu bearbeitende Werkstück mit der Kühlflüssigkeit komplett überdeckt.
Das einzusetzende Kühlmittel ist der wichtigste Bestandteil. Wasser alleine genügt nicht.
Ein Kühlmittel sollte zumindest drei Grundeigenschaften erfüllen können.
1. Das Spanbearbeitende Werkzeug vor Überhitzung zu schützen.
2. Das Werkstück und dessen Umgebung vor Korrosion zu schützen.
3. Schmieren und das Verhindern einer Aufbauschneide.
Viele Hersteller bieten bereits Hochleistungs-Kühlmittel auf Wasserbasis, mit einem Mischverhältnis von 1:10 bis 1:100 an. Sie sind umweltfreundlich und geruchsarm.
Das gezielte Einsetzen einer Kühleinrichtung ist daher mit einem zusätzlichen technischen Aufwand verbunden.
Man nehme eine Sprühanlage als Beispiel. Durch das gezielte Besprühen des
Bearbeitungspunktes und der sehr hohen drehenden Bewegung des Spanbearbeitenden Werkzeuges, entsteht ein sogenannter Rasensprengereffekt. Dass heißt die Kühlflüssigkeit wird vom Bearbeitungspunkt weggeschleudert und im Umkreis von mehreren Meter willkürlich verteilt. Abgesehen vom verunreinigungs- Aspekt, ist der dabei auftretende Verlust der Kühlflüssigkeit nicht gerade wirtschaftlich. Daher müssen Gegenmaßnahmen ergriffen werden, die diese ungünstige Nebenerscheinung verhindern z.B in Form eines Spritzschutzes.
Nun könnte man meinen den Sprühdruck zu verringern wäre auch eine sinnvolle Gegenmaßnahme. Der Rasensprengereffekt wird dadurch sicherlich reduzier, jedoch der Kühleffekt auch. Man bedenke, die Kühlflüssigkeit muss bis zum untersten Schnittpunkt des
Fräsers gelangen, und der Fluss sollte in keinem Fall während der Bearbeitung unterbrochen werden.
Besonders bei der Bearbeitung von Aluminium oder Kunstoffen ist das Einsetzen von Schmier- und Kühlmittel eine Notwendigkeit.
! Beim Einsetzen von Hartmetall Fräsern kann man auf jegliche art von Kühlschmiermittel verzichten. Das Kühlmittel verstärkt dabei den Thermoschockeffekt wodurch sogenannte Kammrisse entstehen können!
Allgemeines zum Fräsen:
Beim Fräsen führt das spanbearbeitende Werkzeug die kreisförmige Schnittbewegung aus und
die Vorschubbewegung erfolgt sinngemäß quer zur Drehachse durch das Werkstück.
Durch die ständige Schnittunterbrechung bedingt durch das Werkzeug, werden kommaförmige Späne vom Bearbeitungspunkt abgetragen.
Man unterscheidet zwischen: Planfräsen (Stirnfräsen) und Umfangfräsen(Walzenfräsen).
Weiteres unterscheidet man zwischen: Gleichlauffräsen und Gegenlauffräsen.
Beim Gleichlauffräsen(Mitlauffräsen) ist die Vorschubbewegung und Schnittbewegung richtungsgleich. Der Vorschubwinkel beträgt dabei >90°. Der Anschnitt erfolgt daher mit maximaler Spanstärke. Die dabei auftretenden impulsartigen Belastungen, stellen hohe Anforderung an die Frässchneide und die Maschine. Der Vorschubantrieb muss daher Spielfrei sein.
Beim Gegenlauffräsen ist die Vorschubbewegung entgegengesetzt der Schnittbewegung. Der Vorschubwinkel beträgt dabei <90°. Der Span wird quasi von null bis zur maximal Stärke
kontinuierlich abgetragen.
Wird der Fräser mittig auf das Werkstück aufgesetzt, so setzt sich die Bearbeitung aus Gleich- und Gegenlaufteilen zusammen.
Für möglichst kurze Fertigungszeiten hinsichtlich der Verarbeitung von Stählen(mit hoher Zugfestigkeit) sind Werkzeuge mit möglichst vielen Zähnen (enger Zahnteilung) empfehlenswert. Bei der Verarbeitung von Aluminium oder Materialien mit weniger Zugfestigkeit sind eher Werkzeuge mit grober Zahnteilung(wenig Zähne) wirtschaftlicher.
Die Schneidegeometrie eines Fräsers ist der bestimmende Faktor für die Standzeit des Fräsers und Oberflächengüte im Bezug auf das zu bearbeitende Material.
Wichtige Schneidegeometrien eines Fräsers:
ao: Freiwinkel:
Ein großer Freiwinkel verhindert eher den Flächenverschleiß.
Für harte Werkstücke kleiner Freiwinkel, für weiche Werkstücke großer Freiwinkel
bo: Keilwinkel:
Schneiden mit großem Keilwinkel begünstigen die Wärmeabfuhr
go: Spanwinkel:
Ein großer Spanwinkel reduziert die Schnittkräfte
lo: Drallwinkel
Der Drallwinkel ist für den Abtransport des Spanes zuständig
co: Einstellwinkel:
Der Einstellwinkel wird in Zusammenhang mit dem Drallwinkel ermittelt
sin c= (90° – lo) bei Fräsern mit Drallwinkel
sin c=1 bei geradverzahnten Fräsern
js: Eingriffswinkel
Der Eingriffswinkel D/2. Damit ist jener Anteil des Fräsers gemeint, welcher während der Bearbeitung Im Eingriff ist.
Wichtige Kenngrößen für Berechnungen:
A: Spanungsquerschnitt in mm²
ae: Arbeitseingriff (mm)
ap: Fräsbreite (mm)
Fc: Schnittkraft N
h: Spanungsdicke in mm
kc: spezifische Schnittkraft in N/mm²(wird aus Tabelle ermittelt siehe unten)
n: Spindeldrehzahl (UPM)
f: Vorschub pro Umdrehung in mm (wird aus Tabelle ermittelt siehe unten)
fz: Vorschub pro Zahn in mm (wird aus Tabelle ermittelt siehe unten)
Vf: Vorschubgeschwindigkeit in mm/min
vc: Schnittgeschwindigkeit in m/min (wird aus Tabelle ermittelt siehe unten)
D: Fräserdurchmesser in mm
d: Fräserdurchmesser in m
b: Spanungsbreite in mm
Pc: Schnittleistung in KW
Pab: Abgabeleistung des Motors in KW
Q: Zeitspanungsvolumen
z: Anzahl der Schneiden
h: Wirkungsgrad
Die Hauptzeitgröße sprich Vorschubgeschwindigkeit, lässt sich anhand der Drehzahl (n) der Anzahl Zähnen (z) und in Abhängigkeit des Verschleißverhaltens des zu bearbeitenden Materials (fz) bestimmen:
Vf = fz×z×n mm/min
Ein Beispiel für die Berechnung der Schnittleistung in KW
Berechnung der Leistung einer Frässpindel für folgende Angaben.
Es soll in ein Aluminiumblock ein Schlitz von ap = 3mm breite und ae = 2mm Tiefe gefräst werden. Das Fräswerkzeug ist ein Schaftfräser aus HS mit D = 3mm und z = 3. Der Maschinenwirkungsgrad hwird mit 0,75 % angenommen .
Lösung: 1.Schnittdaten aus Tabelle 1 ermitteln Vc = 240m/min fz = 0.06 mm
2.Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit (Vf in mm/min)
Vf = fz×z×n ;da n noch unbekannt ist (kann aber auch angenommen werden)
n = vc/(p×d) = 240/(3,14×0,003m) » 27000/min
Vf = 0,06×3×27000 = 4860 mm/min = maximale Vorschubgeschwindigkeit
3.Berechnung der Leistung
Pc = Q×kc ; da Q noch unbekannt ist
Q = ap×ae×Vf = 3mm×2mm×4860mm/min = 29160 cm³
Pc = Q×kc/60s = (29160cm³×1800N)/60s = 874800 cm³/s = 875W »0,9 KW
- Berechnung der Abgabeleistung des Motors
Pab = Pc/h= 875W/0,75 = 1166W »1,2KW
Für diejenigen die es einfacher haben möchten, hier eine Faustformel für das Berechnen der
Motorleistung in KW.
Pm = ap×ae×Vf/24000 in KW
Die Werte von oben in diese Gleichung eingesetzt !
Pm = 3mm×2mm×4860mm/min/24000 = 1.2 KW
Wie man sieht, führt auch diese Faustformel zu einem brauchbaren Ergebnis.
Tabelle 1:
Werkstoff kc N/mm² ap in mm f in mm vc in m/min fz in mm
Werkzeugstähle 4800N/mm² 0,5-6 0,1-1 25-70 0,08
Gusseisen 4000 N/mm² 0,5-6 0,1-1 20-90 0,08
Automatenstahl 3500 N/mm² 0,5-6 0,1-1 35-90 0,12
Kupfer 2800N/mm² 3-6 0,3-0,6 60-110 0,08
Aluminium 1800N/mm² 6 0,6 240-300 0,06
Die in dieser Tabelle angegebenen Werte sind ungefähre Richtwerte, für genauere Berechnungen müssen die Werte die laut der genaueren Werkstoffbezeichnung zugeteilt und in Tabellenbüchern zu finden sind, ermittelt werden.
Schnitt- und Zustelltiefen:
Die Schnitttiefe sollte niemals größer als 2/3 der Schneidekantenlänge gewählt werden. Für das Schlichten sollte man eine Schnitttiefe von maximal 0.5mm wählen und der Vorschub sollte natürlich abhängig von der geforderten Oberflächengenauigkeit und Schnittgeschwindigkeit fz=0,10 bis 0,20mm betragen.
Tipps bei Fräsproblemen:
1.Ungenügende Antriebsleistung:
.Zähnezahl reduzieren
.positiven Spanwinkel verwenden
.Schnitttiefe und oder Schnittgeschwindigkeit reduzieren
.Vorschubgeschwindigkeit reduzieren
2.Rattern während der Bearbeitung:
.Werkstückspannung überprüfen
.Spindellagerung überprüfen
.kurze stabile Fräser verwenden
.Schnittdaten reduzieren
.Werkzeug wechseln (Verschleiß)
.Werkzeug Spannung überprüfen (Rundlauf)
.andere Zahnteilung verwenden
.Maschinen Stabilität überprüfen (Spindelspiel)
3.Kantenausbruch am Werkstück:
.Zustelltiefe reduzieren
.Vorschub pro Zahn reduzieren
.Einstellwinkel reduzieren
.Schnittgeschwindigkeit erhöhen
4.Werkstück Verformung:
.Schnittgeschwindigkeit reduzieren
.Vorschub pro Zahn reduzieren
5.Werkzeug Standlänge zu klein:
.andere Ein- oder Austrittsbedingungen schaffen
.andere Fräsertypen verwenden
.Schmierung integrieren
.Freiwinkel vergrößern
6.Schlechte Werkstückoberfläche:
.Vorschub pro Zahn reduzieren
.Maschinenstabilität verbessern
.Schnittgeschwindigkeit erhöhen
.Schnitttiefe verringern
7.Vibrationen:
.Gegenlauffräsen
.Vorschubspindel auf Spiel überprüfen
.Spindelspiel überprüfen
.Fräseraufnahme überprüfen (Rundlauf)
.Vorschub erhöhen
.Zähnezahl erhöhen
.Werkstückspannung überprüfen (verbessern)
MASCHINEN STEUERUNG:
Numerisch gesteuerte Maschinen (NC-Maschinen) erhalten ihre Arbeitsanweisung in digitaler
Form. Das heißt in Form von Zahlen oder auch Buchstaben, die letztendlich doch wieder zu Zahlen werden.
Die numerische Steuerung eignet sich vor allem für Maschinen, für die sich die Arbeitsanweisungen in Zahlen ausdrücken lassen. Aber keine Mechanik
kann etwas mit Zahlen anfangen. Lediglich Muskelkraft kann eine Mechanik zu einer Arbeitsanweisung bringen. Nun! Das ist nicht ganz so richtig, eine Portion Grips gehört
auch dazu. Somit hat man vor etlicher Zeit, als Speicherzellen noch Ferritkerne waren
und die Programmanweisung anhand von Lochstreifen stattfand, Gedanken darüber gemacht
numerische Werte in sogenannte Arbeitsanweisungen umzusetzen. Der Grundgedanke dabei war nicht den Menschen zu ersetzen, sondern das schnelle und genaue Fertigen von Teilen jeglicher Art in großen Stückzahlen.
Man unterscheidet daher zwischen Punkt– Strecken– und Bahnsteuerung.
Bei der Punktsteuerung ist die Zielsetzung mit einer maximalen Geschwindigkeit einen
Punkt anzufahren und anschließend die Arbeitsanweisung durchzuführen. Haupteinsatzgebiete
sind automatische Bohrstationen.
Bei der Streckensteuerung ist die Arbeitsanweisung während der Bewegung der X oder Y Achse möglich. Eine gleichzeitige Bewegung der X und Y Achse ist nur auf einen Winkel von 45° beschränkt. Die Haupteinsatzgebiete sind Fräs- und Drehautomaten.
Bei der Bahnsteuerung können Teile mit beliebig geformten Konturen hergestellt werden.
Dazu muss das Werkzeug entlang entsprechender Bahnen welche durch numerische Angaben
angegeben sind gesteuert werden. Solche Bahnen können Strecken, Kreise oder Parabeln sein.
Bei der Bahnsteuerung wird die Bahn durch ein vereinbartes Zeichen und durch die Koordinatenpunkte von Anfangs- und Endpunkt bestimmt.
Neben den Positionswerten, Bewegungsgeschwindigkeiten und der Bahnauswahl müssen noch
weitere Angaben der Steuerung mitgeteilt werden. Diese sind vor allem die Drehzahl der Maschinenhauptspindel, die Angaben des jeweiligen Werkzeuges und diverse Hilfsfunktionen
wie z.B. das selbsttätige Ein- oder Ausschalten der Kühlmittelpumpe.
Die Angabe der Positionskoordinaten kann auf zwei Arten übergeben werden.
- Relative Positionsangabe (Kettenmaß). Dabei ist die programmierte Weglänge ein zuwachswert zur aktuellen Position. Z.B. Der erste Satz lautet X100 und der zweite X-30
so wird zunächst um 100 Wegeinheiten in positiver X Richtung gefahren und danach 30
Wegeinheiten in negativer X Richtung gefahren. - Absolute Positionsangabe (Bezugsmaß). Die programmierte Wegangabe ist dabei die
absolute Position der Maschine zugeordneten Koordinatensystems.
Z.B. X 100 und danach X-30 so wird der Werkzeugschlitten zunächst auf die Position X 100 gefahren, die dabei zu fahrenden Wegeinheiten und die Richtung sind von der aktuellen Position abhängig. Im zweiten Satz X-30 wird auf die absolute Position X-30 gefahren.
Der Maschinenschlitten bewegt sich daher um insgesamt 130 Wegeinheiten in negativer
X Richtung.
Es können grundsätzlich mit einer Punkt- oder Streckensteuerung beliebige Bahnen, (Geraden oder Kreise) abgefahren werden. Dazu muss jedoch eine hohe Anzahl von Positionspunkten,
z.B. im Abstand von 0,01mm, der Steuerung übermittelt werden. Diese Daten müssen daher
von einem Rechner errechnet und der Steuerung fortlaufend übergeben werden. Man spricht dann von Außeninterpolation.
In der Regel erledig diese Aufgabe (Berechnen der Positionspunkte) die Steuerung selbst
über den Interpolator (Inneninterpolator). Es genügt dann, der Steuerung die Art der Bahn
und den Anfangs- und Endpunkt zu übergeben.
Der Interpolator ist eine kleine digitale Rechenmaschine (sprich Rechenprogramm).
Die Datenverarbeitung erfolgt in einem BCD-Code oder im natürlichen Binär-Code.
Die Berechnung im Binär-Code ist einfacher, erfordert aber einen Code Umsetzer für die
binär-dezimal Verschlüsselung.
Die Anforderung an die Mikro-C Steuerung ist daher als gehoben anzusehen.
Durch den heutigen Stand der Technik ist die Inneninterpolation nicht mehr erforderlich.
*
Da alle Berechnungen vom Host Rechner erlediget werden können und die ausgewerteten Daten anschließend an die Steuerung übergibt.
Wodurch keine allzu großen Anforderung an eine Mikro-C Steuerung gestellt werden.
Interpolation eines Kreises:
Für die Berechnung der einzelnen Punkte in X-Richtung und Y-Richtung eines Kreises oder Elypse kann folgender Maßen vorgegangen werden.
Die Formel dazu lautet W = (2×p)/4 ; ¼ Kreisausschnitt
Zpx = cos(W) ×Rx ;Punkte X * Radius X
Zpy = sin(W) ×Ry ;Punkte Y * Radius Y
Damit die Punkte in einer vorgegebenen Auflösung (z.B. 0.01mm) ermittelt werden können, muss das ganze in einer Schleife in Schritten abhängig von der Auflösung durchlaufen werden.
Beispiel:
Der Kreisdurchmesser beträgt X 100mm und Y100mm
Der Radius X ist 50mm
Der Radius Y ist 50mm
Die Auflösung soll in Schritten von 0.01mm ausgegeben werden
Die Kreismittelpunktkoordinaten lauten X = 100 Y = 150
- Radius und Koordinaten auf die Auflösung anpassen
Rx = 50/0.01 = 5000 1/100mm
Ry = 50/0.01 = 5000 1/100mm
X = 100/0.01 = 10000 1/100mm
Y = 150/0.01 = 15000 1/100mm - Schleifenroutine
For W = 0 to (2×p)/4 Step 0.01 ; ¼ Kreisausschnitt in 1/100 mm durchlaufen
Xspeicher(Spz)= int(cos(w)×Rx) ;Die ermittelten Punkte in X speichern
Yspeicher(Spz) = int(sin(w)×Ry) ;Die ermittelten Punkte in Y speichern
Spz=Spz+1 ;Den Speicherzähler erhöhen
Next
Diese Routine in Basic ermittelt einen ¼ Teilkreis (90°) eines ganzen Kreises oder Elypse.
Aus diesem Teilkreisausschnitt kann nun der gesamte Kreis abgefahren werden.
Dazu muss man lediglich die ermittelten Punkte der X und Y Achse unter Berücksichtigung der Kreismittelpunkt Koordinaten übergeben.
Beispiel: Für das abfahren eines ganzen Kreises oder Elypse
Den Kreisausschnitt im Uhrzeigersinn von 0° bis 90° (12h-3h) abfahren
Am Ende des Speichers beginnen
For n = Spz to 0 Step-1 ; Anzahl Einträge im Speicher durchlaufen
Xziel = X + Xspeicher ;
Yziel = Y-Yspeicher
Next
Den Kreisausschnitt im Uhrzeigersinn von 90° bis 180° (3h-6h)abfahren.
For n = 0 to Spz Step 1 ; Anzahl Einträge im Speicher durchlaufen
Xziel = X + Xspeicher ;
Yziel = Y-Yspeicher
Next
Den Kreisausschnitt im Uhrzeigersinn von 180° – 270° (6h-9h) abfahren.
Dieses mal muss wieder am Ende des Speichers begonnen werden
For n = Spz to 0 Step-1 ; Anzahl Einträge im Speicher durchlaufen
Xziel = X – Xspeicher ;
Yziel = Y+Yspeicher
Next
Den Kreisausschnitt im Uhrzeigersinn von 270° bis 360° (9h-12h)abfahren.
For n = 0 to Spz Step 1 ; Anzahl Einträge im Speicher durchlaufen
Xziel = X – Xspeicher ;
Yziel = Y+Yspeicher
Next
*
Inkremental- und absolute Wegmeßsysteme:
Steuerungen mit inkrementalem Wegmeßsystem beinhalten einen Strichmaßstab. Dieser liefert jedes mal beim Überfahren eines Striches einen Impuls welcher in einem elektronischen Rückwärtszähler gezählt wird.
Soll ein bestimmter Weg gefahren werden, so wird die betreffende Zahl in den Zähler gespeichert und mit jedem Impuls vom Strichmaßstab um 1 herunter gezählt. Bei erreichen der Zahl null, wird der Antrieb stillgesetzt. Infolge der Masseträgheit ist es oft nicht möglich den
Maschinenschlitten unmittelbar bei erreichen der Nullposition Stillzusetzen. Um zu verhindern
dass der Maschinenschlitten über das Ziel hinausfährt, muss vor erreichen der Nullposition
in bestimmten abständen die Geschwindigkeit vermindert werden. Die Anforderung an die
Elektronik ist daher dementsprechend Aufwändig.
Anstelle eines inkremental Wegmeßsystems, kann für die Vorschubbewegung ein Schrittmotor
eingesetzt werden. Ein Schrittmotor macht mit jedem Ansteuerimpuls einen Winkelschritt (Drehbewegung) und stellt den Maschinenschlitten um eine Wegeinheit (abhängig vom Winkelschritt des Motors ) weiter z.B. 0,01mm.
Diese Art der Positionierung nennt man Sollwertorientiert. Das Erkennen für etwaige Fehlpositionierungen gibt es daher nicht.
Bei einem absoluten Wegmeßsystem wird die Sollposition (Lagesollwert Ziel) augenblicklich mit der Ist Position (Lageistwert) des Maschinenschlittens verglichen und eventuell korrigiert. Für ein Wegmeßsystem für die Erfassung der Sollposition wird meist ein Winkelcodierer oder ein Codelinieal eingesetzt.
Diese Art der Positionierung nennt man Istwertorientiert. Eine Fehlpositionierung des Maschinenschlittens ist daher unter normalen Umständen nicht möglich.
Lageregelkreis:
Das Verhältnis von Schlittengeschwindigkeit zur Lageregelabweichung heißt Geschwindigkeitsverstärkung. Die Geschwindigkeitsverstärkung ist die wichtigste Kenngröße eines Lageregelkreises. Macht man die Geschwindigkeitsverstärkung sehr hoch, so wird die
Lageregelabweichung bei einer bestimmten Schlittengeschwindigkeit sehr klein. D.h. der
Lageistwert folgt dem Lagesollwert sehr genau (ist nicht immer günstig).
Für numerisch gesteuerte Maschinen benötigt man daher reaktionsschnelle Antriebe.
Ein Lageregelkreis wirkt wie ein Tiefpass. Ist die Führungsgröße sinusförmig, so folgt der
Maschinenschlitten bei niedrigen Frequenzen sehr genau der Führungsgröße (Beispiel Schrittmotore). Jedoch bei höheren Frequenzen kann der Maschinenschlitten der Führungsgröße nicht mehr folgen. Dies ist dann auch die Ursache warum die vom Interpolator Treppenförmigen ausgerechneten Bahnen, von der Mechanik ausgeglichen werden
und das fertige Werkstück relativ glatte Konturen hat.
Antrieb für Numerisch gesteuerte Maschinen:
Bei Verwendung von Gleichstromantrieben werden in der Regel Reaktionsschnelle Gleichstrommotore mit relativer kleiner Ankerschwungmasse eingesetzt.
Schlankläufermotor: (Gleichstrommotor mit sehr schlankem Läufer) er hat eine kleinere Schwungmasse als ein normaler Motor. Die Wicklung ist daher nicht mehr in Nuten geführt, sondern auf die Läuferwelle aufgeklebt. Dadurch kann die Wicklung längs des Läuferumfangs
gleichmäßig verteilt werden. Dies führt bei kleinen Drehzahlen zu einem besonders ruhigen Lauf.
Scheibenläufermotor: Dieser Motor hat anstelle eines zylindrischen Läufers eine dünne eisenfreie Scheibe von geringer Schwungmasse. Auf der Scheibe sind die Kupferbahnen in Form von Wicklungen angebracht. Die Scheibe kann auch als gedruckte Schaltung ausgeführt sein.
Glockenmotor: Der Läufer besteht aus einer Glockenförmigen in Kunststoff vergossene
Wicklung, während der Eisenkern im inneren der Glocke stillsteht.
Motoren dieser Bauart erreichen beim Hochfahren aus dem Stillstand heraus die Nenndrehzahl von z.B. 3000min-1 in etwa 10ms.
Bürstenloser Gleichstrommotor:
Schrittmotor: (oder auch Reluktanzmotor genannt) Ein Schrittmotor ist ein zwei- (Bipolar) oder auch vierphasiger (Unipolar) Gleichstrommotor ohne Kollektor. Er besteht aus meistens vier Wicklungen, wobei zwei davon in Serie geschaltet sind, einem Stator und einem Rotor. Der Rotor sowie der Stator sind verzahnt, wobei der Rotor vormagnetisiert ist, in Plus- und Minuspolen (Magnetpolpaaren). Die Enden der jeweiligen Wicklungen, sowie die Mittelanzapfung der in Serie geschalteten Wicklungen sind herausgeführt.
Bestromt man nun die Wicklungen, so erzeugen diese im Stator ein Magnetfeld, und der Rotor versucht nun je nach Zustand der Bestromung (positiv oder negativ) sich an den entsprechenden Statorzähnen auszurichten. Z.B. Ein Motor mit 50 Polpaaren, ergibt einen mechanischen Schrittwinkel von 1,8° . Dies wird abgeleitet aus der Formel elektrischer Winkel geteilt durch die Polpaare (90°/50 =1,8), wobei dieser elektrische Winkel nicht für eine volle Umdrehung des Rotors gilt, sondern lediglich der Winkel zwischen Rotor und Statorfeld ist.
Legt man nun eine Gleichspannung an eine der Wicklungen an, in der Reihenfolge
A-(Minuspotential) A+(Pluspotential), versucht der Rotor sich dem Magnetfeld des Stators auszurichten. Es entsteht ein elektrischer Winkel von 90° zwischen Statorfeld und Rotor (sin 90°=1), weshalb der Motor sein volles Drehmoment entwickelt, und den ersten Schritt macht. Die während der Drehung im Rotor gespeicherte kinetische Energie, lässt diesen bei Erreichen der 0° Position über die Zielposition hinausschießen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Drehmoment gleich null und es ergibt sich ein immer stärker werdendes negatives Drehmoment. Dieses bremst den Rotor ab und treibt ihn wieder zurück. Er wird daher eine Zeit um den Zielpunkt herumpendeln (Ausschwingzeit). Wobei die Ausschwingzeit von der Frequenz, der Drehmomentkurve und dem Rotorträgheitsmoment abhängig ist. Hat der Rotor seinen Zielpunkt letztendlich erreicht, wird er dort still mit seinem Haltemoment verharren, solange dieser bestromt bleibt (Hybridschrittmotore haben auch stromlos ein gewisses Haltemoment).
Als Stellglieder für Gleichstrommotore werden heutzutage Transistorverstärker in Form von
Brückenverstärker zur Drehrichtungsänderung eingesetzt.
Diese arbeiten nahezu verzögerungsfrei. Die Grenzfrequenz liegt bei etwa 30 KHz. Dem Drehzahl Regelkreis wird meist ein Stromregelkreis untergeordnet, dadurch wird der Vorschubantrieb noch reaktionsschneller.
Solche Stellglieder sind meistens als geschlossene Regelkreise ausgeführt. Für die Lageregelung des Läufers wird dessen Position, Geschwindigkeit und Richtung über Resolver oder Inkrementalgeber an die Steuerung übermittelt. Daher spricht man auch von einem dynamischen Antrieb. Hingegen ein Schrittmotorantrieb ein reiner statischer Antrieb ist
daher kann bei einem Schrittmotorantrieb die Lageregelung entfallen.
Das alles klingt so, als müsste man ein Ingenieur sein um eine CNC Maschine zu bauen. Na ja
das ist auch schon mal die Mindestvorrausetzung für den Bau einer Profi CNC Maschine.
Aber der Hobbybastler ist ja kein Profi, also baut er auch keine Profimaschinen. Sondern er
versucht lediglich mit dem Ihm zur Verfügung stehenden Wissen und etwas Ergeiz das beste daraus zu machen und zu lernen.
Viele Hersteller solcher Maschinen sehen daher in den Hobbybastlern oft eine Konkurrenz.
Natürlich völlig unberechtigt! Denn der Hobbybastler ist dem Reiz des Bauens ausgesetzt und
nicht dem Reiz des Verkaufens. Ihn interessiert nach der Fertigstellung der Maschine weniger der Nutzen, als viel mehr die Tatsache, was kann er an Ihr noch verbessern.
Unlängst habe ich einen Artikel von einer Renommierten Firma im Netz gefunden.
Darin hieß es! Privatpersonen würden sich bei dieser (Namentlich nicht genannten Firma) für den Kauf von Fräsanlagen über andere Privatpersonen für den erworbenen Schrott der nicht einmal ein Produkt der Firma ist, beschweren und die Firma würde solchen Betrügern auf den Pelz rücken. Sie droht sogar mit der Anzeige beim Finanzamt wegen Steuerhinterziehung.
Die veröffentlichten Bilder sprechen natürlich für sich. Schrott ist milde ausgedrückt.
Mag schon sein, dass jemand einer betrügerischen Handlung auf den Leim gegangen ist.
Meiner Meinung nach, will die Firma mit diesem Artikel lediglich eine versteckte Warnung an die Privaten Maschinenbauer richten. Die Begründung dabei richtet sich weniger auf den Verkauf von Privat gefertigten Maschinen, sondern vielmehr darauf, dass Privatpersonen Maschinen im Eigenbau für die Eigennützung bauen und dadurch der Umsatz solcher Firmen abnimmt. Was letztendlich ja auch zu einem Preisverfall führt.
Im ersten Moment klingt ein Konflikt mit der Steuerbehörde schon etwas abschreckend.
Doch näher betrachtet ist die Privatperson Endbenutzer und entrichtet beim Kauf der für den Bau notwendigen Bauteile, die gesetzlich vorgeschriebene Mehrwertsteuer. Also wo ist da der Steuerhinterzug? Jetzt kann man sagen beim Verkauf ist die Gewinn, Einkommenssteuer zu entrichten. Wer spricht da von einem Gewinn oder Einkommen. Also kein Hobbybastler hat oder wird jemals gewinnbringend arbeiten können, selbst wenn er hundert von seinen selbstgebauten Maschinen verkaufen würde.
Wenn er das könnte, dann wäre er kein Hobbybastler mehr sondern Gewerbetreibender.
Ich hoffe mit diesem etwas mager ausgefallenen Beitrag über CNC-Technik, für die
Weiterentwicklung Deiner und Eurer CNC-Maschine beigetragen zu haben.