Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

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Harrinfinity
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Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 16.02.2020, 19:26

Hallo Zusammen,

da dies mein erster Beitrag hier ist, erstmal eine kurze Vorstellung meinerseits:
Mein Name ist Sebastian und ich komme aus dem schönen Süden Deutschlands.
Vor drei Jahren bin ich mit meinem Maschinenbaustudium im Bereich Fahrzeugtechnik fertig geworden, Mechanik etc. ist mir also nicht gänzlich unbekannt. Da ich allerdings eher im Bereich IT/Administration arbeite fehlt inzwischen auch wieder die Routine bei den ganzen Berechnungen...

Nun will ich mit meinem Vater zusammen eine CNC-Fräse bauen.
Das CAD ist soweit fertig, wird jetzt aber noch optimiert. Ordentliche Bilder reiche ich nach, die habe ich leider gerade nicht zur Hand, daher muss erstmal folgendes reichen, um euch einen Überblick zu verschaffen:
WhatsApp Image 2020-02-14 at 19.13.52.jpeg
Wie man sieht ist es eine Portalfräse mit stehendem Portal.
Die geplanten Verfahrwege sind:
X: 500 mm
Y: 450 mm
Z: 180 mm


Nun zum eigentlichen Thema, den Berechnungen.
Aktuell rechne ich die Steifigkeiten durch. Da ich leider keine FEM-Analyse durchführen kann, muss es klassisch berechnet (Technische Mechanik 1 lässt grüßen :roll: ).

Erstmal zu den grundsätzlichen Daten der Maschine:
Screenshot 2020-02-16 at 23.33.06.png
Screenshot 2020-02-16 at 23.33.54.png
Screenshot 2020-02-16 at 23.34.08.png
Screenshot 2020-02-16 at 23.34.28.png


Dann zur Berechnung:

Biegung Z-Achse:
Screenshot 2020-02-16 at 23.34.57.png

Torsion und Biegung der X-Achse
Screenshot 2020-02-16 at 23.41.35.png
Screenshot 2020-02-16 at 23.41.50.png

Biegung der Portalwangen
Screenshot 2020-02-16 at 23.45.32.png

Ich habe einfach mal als Annahme eine Vorschubkraft von jeweils 1kN in X und Y angenommen. Ich denke dass die 1,41 kN (kombiniert X und Y) weitaus mehr sind, als jemals auf der Fräse auftreten werden. Wir wollen hauptsächlich in Holz und Kunststoff fräsen, selten mal in Alu.
Die Vorschubkraft in Z habe ich genullt, damit die Durchbiegung des Portals in Ruhestellung ersichtlich ist.

Wie man den Screenshots entnehmen kann, sind die Durchbiegungen eigentlich immer zwischen 2/100 und 7/100 mm.
Die Durchbiegung des Portals in Ruhestellung liegt weit unter einem Mü.

Jetzt ist euer expertise gefragt:
Sind das normale Werte für eine solche Fräse bzw. welche Steifigkeiten sollte ich erreichen, um am Ende eine Genauigkeit von 1/10 mm sicher zu erreichen?


Bei Bedarf oder Interesse kann ich die Berechnung auch gerne als Excel-Datei bereitstellen.

Vielen Dank im Voraus
Gruß
Sebastian

Wie man den Screenshots

django013
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von django013 » 17.02.2020, 05:01

Moin moin,

Deine Bilder zeigen mir, dass Du erst gemalt und dann gerechnet hast.
Eigentlich sollte man anders vorgehen: sich erst klar werden, welche Kräfte in welcher Größenordnung und Richtung wirken und dann diesen Kräften konstruktiv begegnen.

Für das erste Klarwerden der Belastungssituation reicht eine Grenzwertabschätzung (ich schau mir die größte Belastung an und lasse den Rest unter den Tisch fallen).
Für so eine Grenzwertabschätzung reduziert man die Fräse auf eine Ebene und schaut sich dann die Kräfte an.
Das könnte beispielsweise so aussehen:
PortalHebel01.png
Die grünen Punkte sind jeweils die Linearschienen/-wagen. Oben ist das Portal in der Seitenansicht, unten Frontal.
Jeder Punkt ist ein Knoten.
Bei der Knotenregel wird jeweils ein Knoten als fest angesehen (alle Kräfte in dem Knoten sind 0). Anschließend werden alle anderen Knoten berechnet.
Rechne ich Torsion, dann zählen die wirlichen Hebel, rechne ich dagegen die Biegung, dann gelten nur die Resultierenden Kräfte.
Hält man sich vor Augen, dass im unteren Bild die Wagen seitlich verschiebbar sind, dann wird schnell klar, dass hier nur die resultierenden, senkrechten Kräfte wirken können.

Hebel und F0 kann nun jeder nach seinem Gutdünken einsetzen. Dabei ist es egal, ob man eine kleine Kraft mit großem Sicherheitsfaktor oder eine große Kraft ohne Sicherheitsfaktor verwendet.
Bei den einfachen Rechnungen werden die Größenordnungen der Kräfte sichtbar und daraufhin kann man dann die Konstruktion ausrichten.

Wer das macht kommt auf jeden Fall zu anderen Gebilden, als Du :)

Gruß Reinhard

Harrinfinity
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 17.02.2020, 06:48

Hallo Reinhard,

vielen Dank erstmal für deine Antwort.

Zu deinen Kritikpunkten möchte ich erstmal mein Vorgehen erklären:
Da dies das erste Projekt in dieser Richtung für mich ist, hatte ich zu beginn nicht mal ansatzweise eine Idee, in welche Richtung die Fräse schlussendlich gehen wird/soll. Meine Anforderungen auf denen das Design basiert sind die folgenden:
- Arbeitsbereich ungefähr 500x500x150
- kein Bauteil größer als 800x500 (sonst passt es nicht mehr auf die Fräse mit der wir die Teile herstellen wollen)
- nicht zu ausladend, sprich möglichst kompakt (wobei dies nicht oberste Prio ist)

Daraus entstand dann die Idee, eine Portalfäse zu bauen. Das stehende Portal anstelle eines Gantry-Portals habe ich aus drei Gründen gewählt:
- Der Platzbedarf in Y ist nicht so besonders kritisch, her kann ich am ehesten Bauraum "verschwenden"
- Weniger bewegte Masse, da nur eine Achse bewegt werden muss
- erhöhte Stabilität da eine feste Verbindung zwischen dem Portal und dem Grundrahmen besteht

An dieser Stelle schon eine Berechhnung zu erstellen schien mir aber unsinnig, da ich ja nach wie vor nicht wirklich wusste, welche Geometrie die Fräse haben wird. Ich wusste nur die Achsaufteilung. Also habe ich einfach mal das CAD hochgezogen um zumindest mal einen Ansatz zu haben. Mit mehr Erfahrung macht man das sicherlich anders, aber als blutiger Anfänger finde ich es schwierig, die Berechnungen durchzuführen wenn man absolut keine Idee über die zugrunde liegende Geometrie hat.


Nachdem das CAD also vorerst steht (kann ja noch geändert werden, wenn die Berechnungen nicht passen), ging es ans rechnen:
Hier habe ich mit den "bunten Bildchen" angefangen, um erstmal die Geometrie etwas vereinfach zu Papier zu bringen.
Finde ich keinen schlechten ersten Schritt, da es ja keinen Einfluss auf die Berechnung hat sondern nur die geometrischen Profile der einzelnen Teile widerspiegelt.

Danach habe ich die Berechnungen ausgehend vom Fräser hin zum Grundrahmen durchgeführt:
1) Z-Achse:
Geometrie ist klar: U-förmig -> Iy & Iz lässt sich leicht bestimmen
Anbindung habe ich entgegen deiner Annahme (frei in Y) bewusst als fest eingespannt angenommen. Meine Überlegungen waren, dass ich vier Schlitten mit je einem Freiheitsgrad und einen Punkt (die Spindelmutter) ohne einen Freiheitsgrad habe. Da ich nicht wirklich wusste wie ich diese fünf Elemente sinnvoll in die Berechnung einfließen lasse habe ich mich dazu entschieden als Vereinfachung einfach anzunehmen, die Z-Achse wäre auf Höhe der unteren Y-Linearführung fest eingespannt.

2) Portal:
Auch hier ist die Geometrie klar: L-Profil -> Iy & Iz bestimmen
Im Gegensatz zur Z-Achse ist das Portal tatsächlich links und rechts fest eingespannt. Streng genommen sogar überbestimmt, weshalb ich es vereinfacht mit einem Fest- und einem Loslager angenommen habe.
Entsprechend den Skizzen sieht man, dass ich tatsächlich (wie du sagst), für die Torsion den Hebel der Z-Achse berücksichtigt habe während für die Durchbiegung die Kräfte direkt und ohen Hebel angesetzt sind. So viel ist in der Mechanik Vorlesung doch noch hängen geblieben :dh

3) Portalwangen:
Geometrie: doppeltes L-Profil - habe ich vereinfacht als ein L-Profil angenommen und die wirkenden Kräfte dafür entsprechend reduziert
Ansonsten ist die Berechnung gleich wie beim Portal, die Wangen sind unten fest eingespannt.


Mir ist noch nicht ganz klar wo genau der Fehler bei meinen Rechnungen liegt.
Meiner Meinung nach habe ich die einzelnen Baugruppen (zwar stark vereeinfacht - aber für meine zwecke ausreichend) korrekt dargestellt. Aber ich lasse mich gerne eines besseren belehren.

Eventuell kannst du ja deine Überlegungen etwas detaillierter darstellen. Denn ehrlich gesagt kann ich dir noch nicht ganz folgen.


Gruß
Sebastian

django013
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von django013 » 17.02.2020, 18:31

Moin Sebastian,

gegen Deine Randbedingungen ist nichts einzuwenden. Nur eben gegen Deine Vorgehensweise.

Deshalb schreib ich mal, wie ich vorgehe:
Die Kraft wirkt ja auf den Fräser, also fange ich dort auch mit meinen Überlegungen an.
Fräser und Spindel kann ich nicht beeinflussen also setze ich die als unendlich steif an. Das ist natürlich nicht richtig, interessiert hier aber nicht weiter, da ich ja sehen will, wo ich konstruktiv Steifigkeit einbringen kann. Genauso verfahre ich auch mit den Linearwagen und Kugelgewindespindeln.

Die (meiner Ansicht nach) wichtigste Lastbetrachtung ist der obere Fall meiner Skizze, also die seitliche Portalbetrachtung. Die beiden Linearschienen sind die Knoten, die es zu betrachten gilt. Man setzt einen Knoten auf 0 und rechnet den anderen aus.
In meiner Skizze habe ich die obere Linearschiene zu 0 gesetzt und betrachte die Belastung der unteren Linearschiene. Nach dem Hebelgesetz folgt, F0 mal L1 ist gleich resultierende Kraft mal L2.
Im Idealfall ist L2 genau die Hälfte von L1, was bedeutet, dass die resultierende Kraft das doppelte von F0 ist.
Du siehst, ich habe noch überhaupt nichts über die Größenordnung von F0 angenommen und habe doch schon eine Erkenntnis gewonnen.
Setzt man die untere Linearschiene zu 0, so zeigt sich, dass die resultierende Kraft in der oberen Linearschiene genau gleich F0 ist.

Beide resultierende Kräfte wirken horizontal gegen den Portalbalken.
Da aber unten die doppelte Kraft wirkt, würde es Sinn machen, hier die Versteifung anzubringen.
Wenn man also einen Portalbalken in L-Form bauen möchte, sollte der waagerechte Balken des Ls unten sein.

Wählt man einen schmaleren Portalbalken von beispielsweise 1/3 von L1, dann zeigt sich, dass unten bereits die dreifache Kraft wirkt. Je kleiner die Höhe des Portalbalkens in Bezug auf die ausgefahrene Z-Achse (L1), desto größer ist die Belastung des Portalbalkens.

Nimmt man beide resultierenden Kräfte zusammen (die untere, große Kraft in eine Richtung, die obere, kleinere Kraft in die entgegengesetzte Richtung) dann sieht man unschwer, dass der Portalbalken mit einer Rotationskraft belastet wird. Da die Kräfte ungleich sind, liegt der Drehpunkt nicht in der Mitte des Balkens.

Nach diesem Muster kann man sich alle Stellen der Fräse isoliert betrachten. Einfach alles, was mich im Moment nicht interessiert als unendlich steif ansetzen. Das ist eine sehr grobe Betrachtungsweise, hilft aber ungemein die Detailkräfte zu verstehen und hilft dadurch auch, konstruktiv den Kräften die richtigen Versteifungen entgegen zu setzen.

Ich denke, nach dem Schema kannst Du dann selbst Dich von Knoten zu Knoten hangeln.
Wie Du sehen konntest, geht es garnicht so sehr darum, möglichst exakte Werte zu bekommen, sondern darum, die Größenordnungen der Kräfte zu verstehen.

Was auch ungemein hilft, ist, sich ein Modell aus Papier zu basteln und da dann mal rumdrücken.
Man sieht schnell, wo das Papier nachgibt. Mit zusätzlichen Papierstreifen kann man versuchen das Modell zu versteifen und man lernt schnell wie Kräfte und Biegungslinien zusammen hängen.
Das Alu oder Eisen, oder auch Holz folgt den gleichen Regeln, wie das Papier - nur kann man beim Papier die Auswirkungen leichter erkennen und nachvollziehen.

Zum Schluss will ich die untere Skizze wenigstens kurz anreißen. Das Prinzip ist ja das gleiche.
Die Fräserkraft wirkt auf die Kreuzplatte. Die KGS-Mutter ist der Fixpunkt, die Linearwagen können sich seitlich bewegen. Daraus folgt, die Linearwagen können nur senkrechte Kräfte an das Portal weiter geben. Schaut man sich zwei jeweils gegenüberliegende Wagen an, dann erkennt man, dass die Wagen zueinander zusammen gepresst oder von einander weg gedrückt werden.
Das führt zu dem Schluss, dass die Linearschienen möglichst steif in der senkrechten verbunden werden sollten.
Bei amerikanischen Superfräsen findet man oft ein Portal in U- oder C-Form, mit der Öffnung nach vorn.
Das ist suboptimal, da das Profil an der Öffnung wenig Quersteifigkeit aufbringen kann.

Gruß Reinhard

Harrinfinity
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 17.02.2020, 19:59

Hallo Reinhard,

vielen Dank, das hilft mir auf jeden Fall sehr viel weiter!
Ich verstehe worauf du hinaus willst. Jetzt muss ich nur in aller Ruhe mal deinen Input umsetzen.

Sobald ich neue Erkenntnisse gewonnen habe, werde ich den Thread hier updaten.

Gruß
Sebastian

Stud54
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Stud54 » 17.02.2020, 20:25

2 Dinge fallen mir auch noch auf.

Z Achse direkt angekoppelter Servo/Schrittmotor. Das solltest du lassen und dann doch auf ne 1:2 Riemenuntersetzung gehen. Die Maschine wird sich entwickeln, vielleicht kommt ne WZW Spindel dazu. Schnell wird die Z Achse zu schwer und ne Bremse muss irgendwo hin...

Deine Schlittenplatte/Kreuzplatte, die Verbindungsplatte Z Achse zu Y Achse ist bei dir einteilig ausgeführt, nicht die klügste Idee. Hier würde ich 2 Platten wählen. Eine an den Wägen der Y Achse, eine an den Wägen der Z Achse.
Diese werden dann miteinander verschaubt. Wozu das gut ist, da kommst sicher selbst drauf...😉

Gruß

Harrinfinity
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 18.02.2020, 07:06

Hallo Sven,

danke für deinen Input.

Zu 1) Das hatte ich sogar zwischenzeitlich mal so gehabt.
Hatte ich dann aber wieder verworfen um die Konstruktion simpel zu halten. Ich habe Nema 23 Schrittmotoren mit 3 Nm Haltemoment und4,5A bestellt. Meinst du die sind zu schwach um ohne zusätzliche Bremse die Z-Achse halten zu können?

Zu 2) Wenn du auf die Montierbarkeit aller Komponenten anspielst, das habe ich geprüft.
Auch mit nur einer Platte lässt sich alles zusammenbauen. Es muss zwar zwingend eine bestimmte Reihenfolge eingehalten werden, aber alle Schrauben sind erreichbar und es lässt sich am Ende zusammenschieben.

Gruß
Sebastian

Stud54
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Stud54 » 18.02.2020, 07:11

Zu 1....machs einfach, die Vorteile überwiegen den Aufwand

Zu 2....dann richte mal den Xz und Yz Winkel aus, mit nur einer Platte, viel Spaß und graue Haare. Ich schreib das ja nicht zum Spaß.
Problem ist immer, was in CAD gerade und rechtwinklig ist, ist es im richtigen Leben nie...

Willhelm B.
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Willhelm B. » 18.02.2020, 08:26

oder die breiten Flanschwagen nehmen, damit man die von vorne verschrauben kann. Das erleichtert das Ausrichten.

Stud54
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Stud54 » 18.02.2020, 08:35

Wer das Prinzip einmal verwendet hat, wird es nie wieder anders konstruieren...
Arbeite mal mit Hasberg Folie unter Wägen, das macht Laune.

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