Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

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Harrinfinity
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 20.02.2020, 18:13

Hallo nochmal,
django013 hat geschrieben:
17.02.2020, 18:31
Die (meiner Ansicht nach) wichtigste Lastbetrachtung ist der obere Fall meiner Skizze, also die seitliche Portalbetrachtung. [...]
Wenn man also einen Portalbalken in L-Form bauen möchte, sollte der waagerechte Balken des Ls unten sein.
Auch wenn du das Ergebnis ja schon genannt hast (die Kraft auf das untere Lager nimmt gegenproportional mit dem Verhältnis aus Portalhöhe und Hebel zu), habe ich das ganze mal durchgerechnet. Weniger des Ergebnisses wegen, mehr das Verständnis. Tatsächlich ziemlich interessant. Als Resume daraus habe ich beschlossen, unten an meinem Portal noch einen zweiten Querbalken einzufügen. Den oberen möchte auf keinen Fall wieder entfallen lassen.
- ich finde es optisch schöner mit dem oberen Querbalken als "Deckel" für das Portal
- die Fläche oben bietet sich wunderbar dazu an, einen Kabelschlepp darauf laufen zu lassen
- Masse ist gut :)

Stattdessen wird mein Portal bzw. das CAD davon also demnächst auf eine U-Form umgebaut. Im gleichen Zuge möchte ich auch noch zwei Verstrebungen im Portal einbringen. Die Verstrebungen sollen einfach Dreiecke werden, die die Portalfront mit dem neuen Querbalken verbinden und somit das Portal etwas verwindungssteifer machen. Die gleichen Verstrebungen möchte ich dann auch in das L der Portalwangen einbringen.
django013 hat geschrieben:
17.02.2020, 18:31
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.
Für die Portal-Frontansicht mit den fünf Lagern habe ich die Berechnung versucht. Grundsätzlich habe ich es auch geschafft, das Momentengleichgewicht in einem Lager zu bestimmen. Das gleiche würde ich jetzt für die anderen Lagerpunkte ebenfalls machen und die einzelnen Formeln dann schlussendlich ineinander einsetzen. Soweit so gut.
Allerdings ist es im ersten Fall schon so eine mächtige Formel geworden, dass ich mir die Mühe, alles bis zum Ende durchzurechnen, erstmal nicht machen möchte, wenn es nicht unbedingt notwendig ist. Daher habe ich mich mehr auf deine letzte Aussage gestützt:
django013 hat geschrieben:
17.02.2020, 18:31
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.
Das habe ich in meiner Konstruktion ja eh schon, dadurch dass ich eine durchgehende Platte habe, auf der beide Linearschienen befestigt sind.


Gruß
Sebastian

django013
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von django013 » 21.02.2020, 04:50

Moin Sebastian,
Stattdessen wird mein Portal bzw. das CAD davon also demnächst auf eine U-Form umgebaut.
Dann schau Dir das Portal mal an, ob Du nicht das U hinten schließen kannst um ein O draus zu machen.
Selbst wenn Du das U nur mit einer dünnen Platte schließt, bringt das biegetechnisch viel Steifigkeit.
Der Masseanteil an der Steifigkeit wächst mit der Entfernung von der Biegelinie :)
Allerdings ist es im ersten Fall schon so eine mächtige Formel geworden
Mit etwas Überlegung lässt sich das noch vereinfachen.
Schaust Du die Kreuzplatte an, dann ist die doch symmetrisch, d.h. man kann die Knotenzahl halbieren und mit der halben Kraft rechnen (die andere Hälfte hat den gleichen Betrag nur anderes Vorzeichen).
Wenn Du jetzt mit den Drehmomenten anfängst, dann ist das ganz einfach:
Kraft in einem Linearwagen mal dessen Abstand zur KGS-Mutter + Kraft im anderen Linearwagen mal dessen Abstand zur KGS-Mutter ist die halbe Fräserkraft mal den Abstand der Fräserspitze zur KGS-Mutter.

Wenn Du dann die Kräfte hast, brauchst Du nur noch den senkrechten Anteil ausrechnen. Das geht über Dreiecksberechnung, sollte also auch machbar sein.

Bei den Portalwangen kannst Du ähnlich vorgehen: Du betrachtest einmal den Fall, dass quer zum Portal gefräst wird und dann den Fall, dass längs gefräst wird.
Im ersteren wirkt die Kraft senkrecht zur Wange. Kraft ist ein Vektor, den man beliebig in seiner Richtung verschieben kann, ohne dass sich eine Änderung ergibt. Daraus folgt, dass man die Kraft halbieren und die Wange vereinzelt betrachten kann.

Beim Längsfräsen ändert sich die Belastung mit dem Fräserabstand zur Wange.
Also überlegst Du Dir, wo die größte Belastung stattfindet und rechnest den Fall durch ...

Neben der Fräserkraft gibt es noch das Gewicht des Z-Schlittens als relevante Größe.
Auch hier lohnt sich, zu überlegen, wo die Auswirkung am größten ist und betrachtet dann die Beeinflussung der Nachbarn ...

Gruß Reinhard

Harrinfinity
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 21.02.2020, 09:23

Hallo Reinhard
django013 hat geschrieben:
21.02.2020, 04:50
Dann schau Dir das Portal mal an, ob Du nicht das U hinten schließen kannst um ein O draus zu machen.
das hatte ich unabhängig von der Belastung/Steifigkeit geplant. Denn mit einem O als Portal kann ich den gewonnen Hohlraum nutzen um ihn mit Sand zu füllen. Allerdings wird das wahrscheinlich eine "Baustellenlösung". Im CAD werde ich das erstmal nicht vorsehen, da ich noch nicht weiß was für eine Platte ich nutzen werde. Da muss ich dann einfach schauen was ich an Material habe/bekomme und davon wird dann etwas passendes zugeschnitten.
django013 hat geschrieben:
21.02.2020, 04:50
Schaust Du die Kreuzplatte an, dann ist die doch symmetrisch, d.h. man kann die Knotenzahl halbieren und mit der halben Kraft rechnen (die andere Hälfte hat den gleichen Betrag nur anderes Vorzeichen).
Das schaue ich mir mal genauer an, danke für den Tipp :)
django013 hat geschrieben:
21.02.2020, 04:50
Bei den Portalwangen kannst Du ähnlich vorgehen: Du betrachtest einmal den Fall, dass quer zum Portal gefräst wird und dann den Fall, dass längs gefräst wird.
Die Portalwangen habe ich ja in meinem Eingangspost durchgerechnet. Die Berechnung müsste m.M.n. korrekt sein.

Gruß
Sebastian

django013
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von django013 » 21.02.2020, 17:33

Moin Sebastian,
Die Portalwangen habe ich ja in meinem Eingangspost durchgerechnet. Die Berechnung müsste m.M.n. korrekt sein.
Die Berechnung schon, nur nicht die Belastungsannahme. Ist das gleiche, als wenn man ne FEM mit falschen Randbedingungen füttert. Das gibt zwar schöne bunte Bildchen, aber die Kernaussage ist trotzdem falsch. ;)

Es geht doch darum, die max. Belastung zu ermitteln. Den Rest kann man getrost unter den Tisch fallen lassen. Die max. Belastungssituation muss man sich aber durch Überlegung ermitteln. Oder man rechnet viele Varianten durch.

Wie ich bereits schrub, ist die Belastung in Portalrichtung egal. Also 1/2 Kraft - die Variante hast Du richtig gerechnet. Anders sieht es mit der Fräsbewegung gegen die Portalrichtung aus. Jetzt ist es nicht mehr egal, wo der Portalschlitten steht und die mittige Position ist beileibe nicht der schlechteste Fall für die Portalwange.
... denn der ist, wenn der Portalschlitten am seitlichen Anschlag direkt an der Portalwange steht. Dann hilft die gegenüberliegende Wange so gut wie garnicht mehr mit (man denke sich einen weichen Portalbalken, denn ein L-Profil ist ziemlich schlecht gegen Torsion). Somit hat die Portalwange quer zum Portal die volle Fräserkraft alleine aufzufangen.

Was wiederum dazu führt, dass ich die Querschnitte der Portalwange ändern würde: und zwar D1 auf 20mm und D2 auf 30mm (um bei den verwendeten Querschnitten zu bleiben).

Hast Du mal kleinere Dicken durchgerechnet? Ich denke, die Breite der Platte dürfte stärker ins Gewicht fallen, als die Dicke.
Genauso sollte beim Portal für die obere waagerechte Platte eine Dicke von 10mm (oder sogar noch weniger) völlig ausreichend sein.


Gruß Reinhard

Harrinfinity
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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 24.02.2020, 08:01

Morgen Reinhard,
django013 hat geschrieben:
21.02.2020, 17:33
Wie ich bereits schrub, ist die Belastung in Portalrichtung egal. Also 1/2 Kraft - die Variante hast Du richtig gerechnet. Anders sieht es mit der Fräsbewegung gegen die Portalrichtung aus. Jetzt ist es nicht mehr egal, wo der Portalschlitten steht und die mittige Position ist beileibe nicht der schlechteste Fall für die Portalwange.
Ich gebe zu, hier war die Darstellung meinerseits etwas blöd gewählt. In der gezeigten Rechnung ist die Position des Z-Schlittens auf der X-Achse parametrisiert und kann über den Parameter A1/A flexible gewählt werden. Im Screenshot steht dieser bei 50% da ich in dem Moment das Hauptaugenmerk auf der Torsion des Portals gelegt hatte.
django013 hat geschrieben:
21.02.2020, 17:33
Hast Du mal kleinere Dicken durchgerechnet? Ich denke, die Breite der Platte dürfte stärker ins Gewicht fallen, als die Dicke.
Genauso sollte beim Portal für die obere waagerechte Platte eine Dicke von 10mm (oder sogar noch weniger) völlig ausreichend sein.
Andere Dicken habe ich tatsächlich auch schon durchgerechnet. Unter der Annahme, dass die Vorschubkraft Fv am Fräser aus gleichen Teilen Fvx = Fvy zusammengesetzt ist, ergeben sich ja an den Portalwangen die Maximalkräft Fx und Fy mit Fy = 2 Fx.

Da mir nur Rohmaterialien von 100x30 und 200x20 zur Verfügung stehen kann ich die Portalwangen aus einer von insgesamt acht verschiedene Varianten konstruieren. Diese sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
2020-02-24 12_27_49-Portalwangen_Auslegung.xlsx - Excel.png
Optimalerweise wäre das Verhältnis von Iy zu Ix also 2,00 um eine exakt gleiche Durchbiegung der Portalwangen bei maximaler Belastung in X und Y zu erzielen. Dies erreiche ich mit Variante 1 und beiden Platten aus 100x30 ziemlich exakt. Allerdings muss ich erstmal noch genau durchrechnen, ob das mit dem Vorhanden Material aufgeht, wenn ich jetzt ein Teil aus 100x30 anstelle von 200x20 baue. Aber eventuell kann ich hier den Mehrbedarf dadurch kompensieren, dass ich die Obere Platte im Portal aus 200x20 anstelle von 100x30 mache.
Das werde ich nächste Woche mal durchrechnen, wenn ich wieder zurück von der Geschäftsreise bin und Zugriff auf das CAD habe.

Gruß
Sebastian

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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 24.02.2020, 13:53

Edit zum vorherigen Post:
Harrinfinity hat geschrieben:
24.02.2020, 08:01
Optimalerweise wäre das Verhältnis von Iy zu Ix also 2,00 um eine exakt gleiche Durchbiegung der Portalwangen bei maximaler Belastung in X und Y zu erzielen. Dies erreiche ich mit Variante 1 und beiden Platten aus 100x30 ziemlich exakt.
Das ist natürlich Schwachsinn. Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Trägheitsmomente und nicht nur dem Verhältnis empfiehlt es sich selbstverständlich eher beide Teile aus dem 200x20er Material zu machen. Aber ich muss wie schon erwähnt erstmal schauen, wie das Material aufgeht. Dann entscheide ich welches Teil nochmal im Rohmaterial geändert wird.

Gruß
Sebastian

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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von dami » 24.02.2020, 22:13

Hallo Sebastian,

warum wählst du keine geschlossenen Profile?

dami

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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 25.02.2020, 05:11

Hallo dami,

Das hat hauptsächlich zwei Gründe:
- für den Grundrahmen (Y-Achse), für die Kreuzplatte und für die Z-Achse funktionieren Hohlprofile nicht wirklich bzw. nur mit einem sehr viel grösseren Platzbedarf. Sprich hier würde ich so oder so Flachmaterial verwenden. Da ich das Flachmaterial nur in 3000 mm Länge bekomme, versuche ich also die Rohmaterialien so zu wählen, dass es am Ende mit möglichst wenig Stangen à 3m ausgeht und vor allem dass ich möglichst wenig unterschiedliche Rohmaterialien benötige.

- bei meiner Konstruktion kann ich jegliche aufeinander liegende Kanten miteinander verschrauben. Gerade am Übergang der Portalwangen ins Portal habe ich Schraubverbindungen in allen Auflageflächen. Das wäre mit Hohlprofilen nicht möglich. Bei Hohlprofilen müsste ich die Verbindung über aufgesetzte Adapterplatten realisieren.

Um ordentliche Schraubverbindungen auch stirnseitig realisieren zu können bräuchte man die Hohlprofile mit mindestens 10 mm Wandstärke. Besser 12 - 25 mm. Selbst wenn man so dickwandiges Material hernimmt, schätze ich die Konstruktion mit Flachmaterial als steifer ein.

Gruß
Sebastian

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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von dami » 25.02.2020, 19:38

Ok, ich habe mich vielleicht unglücklich ausgedrückt. Ich meinte warum du aus den Profilen die du hast keine geschlossene Profile baust. Oder ein gebautes U-Profil (Z-Achse)nicht mit einem Flachprofil oder Blech schließt. Das würde die Verwindungssteifigkeit um ein Vielfaches erhöhen. Vergleiche offener und geschlossener Schuhkarton bei Torsionsbelastung.

dami

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Re: Aluminium Portalfräse - Stehendes Portal

Beitrag von Harrinfinity » 26.02.2020, 06:23

Hallo dami,

im Prinzip kämen drei Profile in Frage um sie gegebenenfalls als geschlossenes Profil auszuführen:
- Z-Achse: da es keinen Nennenswerte Torsionsbelastung gibt hilft hier ein geschlossenes Profil wenig. Die Steifigkeit gegen Durchbiegung wird mit dem Schließen des Profils auch nicht nennenswert erhöht, daher sehe ich keinen Vorteil darin, das Profil zu schließen und somit die Erreichbarkeit und Kühlung der Spindel zu verschlechtern.

- Portal: wie in einem früheren Beitrag bereits geschrieben ist es hier bereits geplant ein geschlossenes Profil zu bauen.

- Portalwangen: Aktuell als L-Profil ausgeführt. Sprich der Aufwand es zu Schließen ist relativ hoch. Da auch hier keine großartigen Torsionsmomente anfallen sehe ich auch keinen wirklichen Vorteil darin. Daher bleibt es bei einem L-Profil.

Wenn du in einem Punkt anderer Meinung bist als ich, lass es mich gerne wissen.
Ich bin immer für neuen Input offen.

Gruß
Sebastian

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