Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

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Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 08.07.2020, 20:33

Moin, habe mich heute hier angemeldet um meinen Bauprozess zu dokumentieren!

Das Ziel ist es eine einigermaßen stabile Portalfräse zur Bearbeitung von Alu/Holz/Plastik zu realisieren ohne die Bank komplett zu sprengen.

Die Linearführungen sind aus einem dieser günstigen SBR20 + SFU1605 Sets die es so auf Ebay gibt: SBR20 + SFU1605

Als Motoren habe ich gebrauchte Nema23 mit optischem AB-Encoder. Die Endstufen mit Encoder-Input sowie die CNC-Steuerung möchte ich selbst bauen und programmieren (STM32 + Trinamic Treiber ICs + Externe Mosfets), dank JLCPCB sind PCBs ja heutzutage verdammt günstig zu bekommen.

Als Fräsmotor würde ich gerne eine HF-Spindel von Teknomotor verbauen, da mir die Sache mit den Chinaspindeln etwas zu heikel ist, habe gelesen dass die Qualität da besser geworden ist, aber ich weiß nicht ob es sich wirklich lohnt auf was günstiges mit potentiell schlechten Lagern zu setzen.

Die SBR20 Schienen werden auf 60x60 ITEM 6 Profile geschraubt und diese wiederum durch 20mm Constructal-Platten gehalten, da hab ich Glück dass mein Vaddern Maschinenschlosser ist, der kann da ein wenig helfen :D
Frästeile sind keine nötig, es wird alles über Bohrungen fixiert, daher rechne ich mit einem nicht exorbitanten Preis für das Plattenmaterial.

So sieht das Maschinchen in FreeCAD aus (Es sind noch nicht alle Bohrungen eingezeichnet):
fräse-übersicht.jpg

Hier nochmal die Baugruppen nach XYZ eingefärbt, der stationäre Teil ist grau.
fräse-baugruppen.jpg

Der Verfahrbereich ist 750x440x115 mm^3. Die transparente grüne Box zeigt den Bereich in dem Werkstücke bearbeitet werden können, der ist etwas höher (130mm) als der Z-Verfahrweg. Die Distanz von ER20 Mutter und Tisch sind 66.5mm, vl. ist das zu viel, mit Opferplatte sinds noch ca 45mm, ich wollte mich da an die üblichen Fräserlängen richten, hab aber keine Ahnung was man da so anpeilen sollte:
fräse-abstände.jpg

Was meint ihr zu dem Design? Ist die Brücke sinnvoll aufgebaut (Bewegte Masse ca. 30-40KG inkl. Spindel)? Bin ETIT Student, was Mechanik angeht habe ich nicht all zu viel Erfahrung. Hab etwas schiss dass die Brücke nicht verwindungssteif genug ist, vor allem beim Übergang grün-rot mit den zwei ITEM-Profilen. Laut Berechnung ist der Schwerpunkt der Brücke mittig, so wie sie jetzt konfiguriert ist.
:wf

Falls Interesse besteht werde ich das FreeCAD Modell hochladen sobald es vollständig ist.

MfG, Florian!
MfG, Florian.

VaTTeRGeR
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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 12.07.2020, 15:32

Kleines Update 12.07.2020:

Alle Bohrungen für die Aluplatten sind eingezeichnet und der Motorhalter für X/Y-Achse fertig:
stepper-halter-27mm.jpg
3D-Druck: Motorhalter

Ich habe auch festgestellt dass in den BK12 Lagerblöcken normale 6001Z Kugellager verbaut sind, werde die wahrscheinlich gegen 7001AC austauschen.
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 05.08.2020, 23:03

So, es geht weiter: Bald kommen die Aluprofile, habe jetzt bei SMT bestellt.

Auch die Netzteile liegen jetzt hier seit einer Woche rum. Heute ist mir die Idee gekommen, dass man da ja vl. mal ein wenig optimieren könnte was die Wärmeabfuhr (=Lebensdauer) angeht, ich habe also mal das 48V 10A Netzteil für die Schrittmotoren aufgemacht und mir die Situation ein wenig angesehen:
IMG_20200805_202056.jpg
IMG_20200805_202750.jpg

Was mir jetzt auffällt:
  • Es sieht an sich gar nicht so schlecht aus!
  • Wie erwartet sehr günstige Elkos verbaut: ChongX, etc.
  • Die Elkos haben zumindest Platz zum Atmen.
  • Der Brückengleichrichter hat keinen Kühlkörper, ist nicht schlimm aber auch nicht gut.
  • Die Mosfets nutzen nur an einer Seite des Wärmeleitpads auch Wärmeleitpaste, allerdings an einer Stelle wo sie nicht nötig ist :lol:
Also raus das PCB und mal näher angesehen:
IMG_20200805_203509.jpg

Die Lötstellen sehen meines Erachtens sauber verarbeitet aus, alles in Ordnung.


Nun die Kühllösung für die Power-Komponenten:
IMG_20200805_205324.jpg

Auf den Alublöcken war überhaupt keine Wärmeleitpaste, da wäre sie aber nötig gewesen, denn die Alublöcke sind sehr stark verkratzt, da kann kein wirklich guter Kontakt zum Gehäuse (Metall->Luft->Metall) zu Stande kommen! Also ein wenig von der übrig gebliebenen MX2 Wärmeleitpaste (nicht-leitend) druff und wieder rein damit:
IMG_20200805_210137.jpg
IMG_20200805_213339.jpg

Das macht den Kontakt von Alublock zu Gehäuse besser. Der große Blockierer ist natürlich weiterhin das Isolierpad (rechts im Bild) zwischen den Komponenten und dem Alublock, da kann ich jetzt nichts dran ändern, die Rückseite der Komponenten ist halt unter Spannung, wenn ich die Pads weglasse gibt's magischen Rauch und/oder nen Stromschlag :twisted:

Der Brückengleichrichter hat auch einen kleinen Kühlkörper bekommen, ist zwar kein Muss aber man brauch ihn ja nicht unnötig quälen. Der wurde mit bis 110°C hitzebeständigem Cyanacrylat geklebt:
IMG_20200805_214221.jpg

So sieht es dann wieder zusammengebaut aus:
IMG_20200805_214150.jpg

Danach mit dem Multimeter auf Kurzschlüsse zwischen N/L/GND/+/- überprüft ... alles gut ... also Strom drauf ... die vorher eingestellten 45V liegen an, Mission erfüllt! Schade nur dass ich keinen Vorher/Nachher Vergleich habe, man wird höchstens sehen ob es läuft oder nicht.


Zum Abschluss noch eine kleine Schätzung bezgl. der Gesamtkosten: Maschine + Controller + Spindel werden zusammen ca 1500-2000€ kosten, bin also noch irgendwo in der Nähe von Low-Cost für das gebotene. Ich werde wahrscheinlich doch eine Chinaspindel ausprobieren um den Preis nicht explodieren zu lassen, wahrscheinlich eine RATTM.
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 24.09.2020, 09:54

Nächstes Update! Die Aluplatten sind am Start. Den Anfang macht die Aufspannplatte.
In der Zeichnung sind ein paar gespiegelte Bohrungen weggelassen, die Faulheit siegt mal wieder :wf

aufspannplatte_zeichnung.jpeg

Die Basis wurde mit Profilen zum Anschrauben an einen Tisch oder ähnliches erweitert und die Brücke hat ein paar Versteifungsplatten dazu bekommen.

fräse-rev2.jpg
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 30.09.2020, 21:23

Die ersten Löcher sind drin, wir haben die Basis aufgebaut und schonmal mal grob ausgerichtet:

IMG_20200930_201210.jpg

Bisher stimmen alle Maße, die KUS passt rein. Ein paar der Gewindebohrungen die Aufspann- und Frontplatten verbinden sind etwas versetzt, da müssen wir jetzt ein paar Langlöcher fräsen damit die Aufspannplatte auch grade sitzen kann. Ist aber nur eine optische Sache, der Abstand zwischen den Linearschienen wird über die Profile/Frontplatten eingestellt. Bin weiterhin guter Dinge :D

Wenn die Langlöcher drin sind wird die Brücke in Angriff genommen.
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 31.10.2020, 16:04

Jetzt ein etwas größerer Sprung:
  • Der Tisch wurde übergefräst um wenigstens eine Referenzfläche zu haben.
  • Wir haben die Mechanik aufgebaut und ausgerichtet.
  • Der Motor ist montiert (1/10 Blech schaut noch raus :D ).
  • Ich habe die Z-Achse von 300 auf 400mm verlängert um den Fräsraum besser ausnutzen zu können.
  • Der Schrittmotor für die Z-Achse bekommt einen Riementrieb.
mechanik_übersicht.jpg
mechanik_seite.jpg

Abgesehen von optionalen Verbesserungen und Problemen mit der Winkligkeit der China-KUS ist noch alles wie im CAD geplant, wir konnten das Teil bis jetzt "einfach so" aufbauen :dh

Jetzt werden die Schleppketten verlegt und ich muss die Elektronik entwickeln und programmieren... Mein Plan ist es in der Schleppkette nur 2 Kabel zu haben:
  • Das Kabel für den Fräsmotor
  • Ein LAN-Kabel mit 48V auf drei Paaren plus RS485 auf dem vierten Paar
Ich möchte die Steuerung verteilt aufbauen, mit Hilfe eines geteilten Buses (RS485 mit 10Mbit/s) und lokalen Mikrocontroller-Nodes mit Schrittmotortreiber, Endstopps, Beleuchtung, etc. wodurch ich dann keine weiteren Kabel in der Schleppkette brauche. Sowohl die Mikrocontroller als auch die Schrittmotoren nutzen die 48Volt Schiene um sich lokal die benötigten Spannungen zu generieren. Koordiniert wird das alles von einem MCU in der Basis, der die Kommunikation lenkt und den GCode interpretiert. Das wird noch ein ganzes Stück Arbeit :)
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 07.11.2020, 17:38

Der Riemenantrieb für die Z-Achse ist fertig:

z-axis-belted.jpg

Die 2:1 Übersetzung dürfte beim Heben des Motors etwas helfen, ich kann den Z-Schlitten beim langsamen Hochfahren nicht händisch anhalten. Der Motorhalter ist einfach aus PLA gedruckt, das sollte halten, ist aber sehr laut. Mit Vibrationsdämpfung ist da nicht viel, vl liegts auch an den Treibereinstellungen, sobald die Hardware fertig ist experimentiere ich mal mit StealthChop usw.

In den nächsten Updates geht es dann mehr um Elektronik / Firmware.
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 12.11.2020, 10:15

Habe begonnen einen Simulator zu programmieren mit dem ich die Firmware für die Fräse am PC schneller entwickeln/testen kann. Die Firmware macht das gleiche wie z.B. GRBL, nur halt mit meiner Special Sauce (und jede Menge Bugs :twisted: )

Das Ziel ist es mit der Sim-Software eine GCode-Datei einlesen zu können, Wegstücke zu generieren, die virtuelle Fräse diese abfahren zu lassen und am Ende ein Protokoll zu haben an Hand dessen man sehen kann ob die vorgegebenen Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und maximalen Pfadabweichungen eingehalten wurden. Ich tune die Fräse dann im Simulator und portiere das Ganze auf die Mikrocontroller-platform.

Zur Zeit experimentiere ich mit dem Regelverhalten: was ihr im Bild unten seht, ist ein reiner PID Regler der einem Zielpunkt folgt den man per Tastatur verschieben kann. Der Regler ist noch recht Träge und neigt zum Überschießen, daher möchte ich das Testweise um eine Feedforward-Komponente erweitern, die schätzt den benötigten Input und der PID Regler korrigiert nur den Restfehler zwischen Schätzung und realem Verhalten.

motion-planner-first-steps.jpg

Vorher sollte ich mich aber um dem Rest der Software kümmern, also GCode parsen, Pfade planen, usw.
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von VaTTeRGeR » 27.12.2020, 15:19

Kleines Elektronikupdate!

Das Design für die Schrittmotortreiber ist jetzt so weit fortgeschritten, dass ich die Komponenten und PCBs für einen Prototyp bestellen kann.

TMC5160_RS485_v4_diag.jpg
TMC5160_RS485_v4_overview.jpg
MfG, Florian.

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Re: Low-Cost Portalfräse: SBR20 + ITEM + 20mm Platten

Beitrag von Olli-CNC » 28.12.2020, 09:19

Sehr interessant, wo bestellst du bitte?


Gruß
Olli

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