Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

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Holzapfel
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Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von Holzapfel » 12.02.2021, 13:11

Hallo zusammen,

Ich plane gerade den bau einer CNC-Fräse. Viele Entscheidungen sind schon getroffen, aber einiges ist noch nicht ganz klar. Hier soll es speziell um die Frage des Antriebs der Y-Achse gehen, also um den Antrieb, der das Portal bewegt.

Kurz ein paar Eckdaten der geplanten Fräse:

Verfahrwege ca. 1200 x 600 x 150 mm
Konstruktion aus Aluprofilen (45 x 90 schwer) und Aluplatten (15 mm für die Portalwangen)
Spindel von AMB (1,1kw)

Gefräst werden soll überwiegend Holz, MDF und Plexiglas, und hin und wieder Aluminium.

Vorausschicken möchte ich, dass diese Fräse durch meine Möglichkeiten bedingt keine Hochpräzisionsmaschine wird. Ich werde mir natürlich Mühe geben und bin auch handwerklich nicht ungeschickt, aber ich bin mir auch meiner Grenzen bewusst. Ich denke diese Überlegung beeinflusst auch, welche Antriebsart am geeignetesten ist, wenn z.B. die eine oder andere ohne die erforderlich Präzision nicht problemlos umsetzten lässt.
Einen Bausatz kaufen möchte ich aber nicht, mir geht es hier auch sehr um den Spaß am "basteln".

Zum Thema:

Bei meinen Recherchen bin ich auf drei verschiedene Antriebsarten gestoßen, die für meine Konstruktion sinnvoll scheinen und habe nun Schwierigkeiten, mich zwischen diesen zu entscheiden.

1.: Eine Kugelumlaufspindel, ein Motor.
Das Portal ist unten geschlossen und wird mithilfe einer mittig angebrachten KGS bewegt. Beispiel ist hier z.B. die hier ja beliebte Karla.

2.: Zwei KGS, zwei Motoren.
An den beiden Außenenden is je eine KGS angebracht, die von ihrem eigenen Motor angetrieben wird. Beispiele sind z.B. die Fräsen von BZT.

3.: Zwei KGS, ein Motor.
Ähnlich wie 2., nur dass die beiden KGS durch einen mittig angebrachten Motor mithilfe eines Keilriemens angetrieben werden. Beispiel dafür ist die P3 von Mixware.


Tja, und so weit bin ich nun. Die erste Option wäre natürlich die günstigste, aber ich habe Angst, dass sich das Portal verkantet, oder es zu ungenauem Fräsverhalten in den Randbereichen der Fräsfläche kommt. Ich habe auch die Vermutung, dass diese Konstruktion eventuelle Ungenauigkeiten in der Konstruktion weniger verzeiht, insbesondere bei einem X-Verfahrweg von mehr als 600 mm.
Die zweite Option ist Konstruktionstechnisch nicht wesentlich komplizierter als die erste, nur eben doppelt so teuer. Ich frage mich auch, ob eine Verdoppelung der Teile nicht auch das Fehlerpotential verdoppelt. Zudem Frage ich mich, was passiert, wenn ein Motor Aussetzer hat, oder gar ganz ausfällt, aber auch, wie wahrscheinlich dieses Szenario überhaupt ist. Natürlich müssen bei dieser Variante auch vier Motoren angesteuert werden, statt drei…
Die dritte Variante sieht für mich interessant aus, ist von der Konstruktion aber natürlich aufwändiger als die anderen. Zu Keilriemen scheint es allerhand Ansichten zu geben, ich selbst kenne mich da zu wenig aus um eine Meinung zu haben. Gegenüber der Variante mit zwei Motoren sehe ich den Vorteil, dass in Falle eines Ausfalls einfach alles stehenbleibt. Nur, wenn sich die generelle Fehleranfälligkeit dadurch erhöht, ist nicht viel gewonnen…

Das ist der Stand der Dinge, vielleicht hat ja jemand einen Gedanken zum Thema, der mir weiterhilft.

Gruß und Dank,
Holzapfel

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stormer
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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von stormer » 12.02.2021, 14:27

Hallo Holzapfel,

die meisten Aspekte zur Auswahl hast du bereits richtig beschrieben. Ergänzen würde ich noch:

- Der einmotorige, zentrale Antrieb der äußersten Achse (egal, ob man diese nun X oder Y nennt) sollte wenns geht immer die längere der beiden betreffen. In deinem Fall also die 1200mm Verfahrweg. Die Katze deines Portals sollte in dem Fall die 600mm Verfahrweg machen. Bei 600mm Breite/Verfahrweg quer ist ein zentraler Antrieb längs durchaus noch ok.

- Zwei Antriebsspindeln außen haben gegenüber einer zentralen untendrunter den Vorteil, dass bei außermittigem Fräsen die Kräfte besser eingeleitet werden, ein Schrägstellen des Portals unter Last also geringfügiger ausfällt.

- Bei zwei Motoren für eine Richtung empfehlen sich aus den von dir bereits genannten Gründen von Ausfall bzw. Steuerfehlern solche, die über ihre Position bescheid wissen (closed-loop-stepper oder servos). Eine Kopplung der 2 Motoren z.B über Zahnriemen kann einige, aber nicht alle Fehlerszenarien entschärfen.

- Ein zentraler Antrieb auf 2 Spindeln außen via z.B. Zahnriemen kann die jeweiligen Vorteile beider Ansätze vereinen, wenn das anständig ausgelegt ist (keine Gummibandkonstruktion).

Willhelm B.
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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von Willhelm B. » 12.02.2021, 17:28

stormer hat geschrieben:
12.02.2021, 14:27
:

- Der einmotorige, zentrale Antrieb der äußersten Achse (egal, ob man diese nun X oder Y nennt) sollte wenns geht immer die längere der beiden betreffen. In deinem Fall also die 1200mm).

Nö. der Doppel-KGS Antrieb, egal ob ein oder zwei Motoren sollte die Achse antreiben, die dasPortal bewegt. Diese Achse ist nicht immer die längere.

Holzapfel
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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von Holzapfel » 12.02.2021, 17:44

Danke für die Antwort.
stormer hat geschrieben:
12.02.2021, 14:27
- Der einmotorige, zentrale Antrieb der äußersten Achse (egal, ob man diese nun X oder Y nennt) sollte wenns geht immer die längere der beiden betreffen. In deinem Fall also die 1200mm Verfahrweg. Die Katze deines Portals sollte in dem Fall die 600mm Verfahrweg machen. Bei 600mm Breite/Verfahrweg quer ist ein zentraler Antrieb längs durchaus noch ok.
Ja, das denke ich auch. So mutig als erstes Fräsen-Projekt direkt eine Querfräse zu bauen bin ich dann doch nicht :?

Von der Ein-Spindel-Lösung bin ich einigermaßen weg, dafür fräse ich voraussichtlich zu viel Plattenmaterial (und das dann eben auch viel randnah).
stormer hat geschrieben:
12.02.2021, 14:27
- Bei zwei Motoren für eine Richtung empfehlen sich aus den von dir bereits genannten Gründen von Ausfall bzw. Steuerfehlern solche, die über ihre Position bescheid wissen (closed-loop-stepper oder servos). Eine Kopplung der 2 Motoren z.B über Zahnriemen kann einige, aber nicht alle Fehlerszenarien entschärfen.
Mit der Steuerung habe ich mich bis jetzt ehrlich gesagt nur oberflächlich beschäftigt und vieles verstehe ich noch nicht. Closed loop klingt spannend, aber ob ich die Vorteile von so einem System in der Praxis abrufen kann weiß ich nicht.
stormer hat geschrieben:
12.02.2021, 14:27
- Ein zentraler Antrieb auf 2 Spindeln außen via z.B. Zahnriemen kann die jeweiligen Vorteile beider Ansätze vereinen, wenn das anständig ausgelegt ist (keine Gummibandkonstruktion).
Das wäre aktuell auch meine präferierte Lösung, ich habe nur Schwierigkeiten einzuschätzen wie komplex, bzw. sauber die Konstruktion am Ende sein muss. Gut ist natürlich, dass wenn eh schon zwei KGS verbaut sind, die Umrüstung von ein Motor + Riemen auf zwei Motoren relativ einfach ist, sollte ich mich mit der ersten Lösung in die Nesseln setzen.
Willhelm B. hat geschrieben:
12.02.2021, 17:28
stormer hat geschrieben:
12.02.2021, 14:27
:

- Der einmotorige, zentrale Antrieb der äußersten Achse (egal, ob man diese nun X oder Y nennt) sollte wenns geht immer die längere der beiden betreffen. In deinem Fall also die 1200mm).

Nö. der Doppel-KGS Antrieb, egal ob ein oder zwei Motoren sollte die Achse antreiben, die dasPortal bewegt. Diese Achse ist nicht immer die längere.
Ich glaube ihr beide meint eigentlich das gleiche :)
So wie ich das verstanden habe meinte stormer nur, dass es Sinn macht, bei so einer Konstruktion die längere Achse anzutreiben (und das Portal entsprechend zu positionieren).

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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von stormer » 12.02.2021, 21:38

Willhelm B. hat geschrieben:
12.02.2021, 17:28
stormer hat geschrieben:
12.02.2021, 14:27
:

- Der einmotorige, zentrale Antrieb der äußersten Achse (egal, ob man diese nun X oder Y nennt) sollte wenns geht immer die längere der beiden betreffen. In deinem Fall also die 1200mm).

Nö. der Doppel-KGS Antrieb, egal ob ein oder zwei Motoren sollte die Achse antreiben, die dasPortal bewegt. Diese Achse ist nicht immer die längere.
Mein Satz bezieht sich aber nur auf den Fall des einmotorigen zentralen Antriebs aus Holzapfels Fallunterscheidung. Insofern kann er deiner Aussage gar nicht widersprechen.

Ich versuch mal, ihn noch allgemeiner zu formulieren:
Es ist aus mechanischer Sicht von Vorteil, den längsten Verfahrweg auf der äußersten Achse zu realisieren. Das gilt umso mehr, wenn diese Achse zentral angetrieben wird.

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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von stormer » 12.02.2021, 22:29

Holzapfel hat geschrieben:
12.02.2021, 17:44
Das wäre aktuell auch meine präferierte Lösung, ich habe nur Schwierigkeiten einzuschätzen wie komplex, bzw. sauber die Konstruktion am Ende sein muss.
Da ist nicht viel Komplexes dabei. Du hast 2 Möglichkeiten für den Zahnriemenantrieb von einem zentralen Motor auf 2 Spindeln:

a) Ein Zahnriemen für beide Spindeln.
b) Je 1 Zahnriemen pro Spindel zum zentralen Motor; die Zahnriemen natürlich in Ebenen hintereinander.

Bei a) ist der Riemen länger und damit bei gleicher Riemenbreite die Dehnung größer bzw der Riemen muss für eine ebenso kleine Dehnung breiter werden und damit wird auch die nötige Vorspannkraft größer. Außerdem muss der Riemen für die hinreichende Umschlingung öfter umgelenkt werden. Die Radialkräfte auf die Motorwelle können eine zusätzliche Lagerung am Ende erfordern.

Bei b) benötigst du keine Umlenkrollen aber je eine Spannrolle pro Riemen. Wenn sich die Vorspannkräfte beider Riemen am Ort des Steppers/Servos größtenteils gegenseitig aufheben, bleibt dir u.U. eine zusätzliche Lagerung zur Abstützung der Motorwelle erspart.

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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von Tilman » 13.02.2021, 00:21

Die Frage, ob eine oder zwei Spindeln, solltst Du Dir stellen, nachdem Du das Portal konstruiert hast, denn die Notwendigkeit wird maßgeblich davon abhängen, wie verwindungssteif Dein Portal ist. 60cm Portalbreite ist eigentlich nicht so viel, dass man dafür zwangsläufig zwei Spindeln braucht. Es gibt viele Fräsen(bausätze) auf dem Markt, die irgendwas zwischen 50 und 60cm Portalbreite haben und für die Bearbeitung von Alu ausgelegt sind. Auf Youtube findest Du genug Material, um dir anzuschauen, was zum Beispiel eine Sorotec Alu Line schafft. Die AL 1105 hat bei 55cm Aufspannplatte auch nur eine Spindel.

Was Du (zumindest bedingt) mit der zweiten Spindel machst, ist ein Symptom statt der Ursache zu bekämpfen. Natürlich gibt es irgendwann eine Portalbreite, bei der man eine zweite Spindel braucht, um nicht zu massiv bauen zu müssen oder wenn es darum geht, mit Hochgeschwindigkeit Aluschnipsel zu erzeugen. Aber bei Deinen Anforderungen und der geplanten Portalbreite ist eine zweite Spindel völlig unnötig, wenn Du das Portal vernünftig baust. Mach mindestens 20mm statt 15mm Portalwangen, denn die sind viel zu dünn. Setz einen ordentlichen Portalbalken ein und sorg für steife Übergänge.

Mal abgesehen davon, dass Du Dir so die zweite Spindel sparen kannst, wirst Du von dem steiferen Portal nur gewinnen. Ein nicht steifes Portal wird sich aufschwingen und ein ratternder Fräser führt zu hässlichen Schnittkanten, die Du aufwändig nachbearbeiten musst. Damit machst Du den Vorteil einer zweiten Spindel mehrfach wieder zunichte. Darüber hinaus ist es einfach nervtötend, wenn aus dem sanften Brummen des Fräsers ein fieses Kreischen wird.

Noch ein kleiner Tip: Bau die Fräse gleich so, dass Du später auch eine ordentliche HF-Spindel statt der ABM montieren kannst. Die ABM wird das erste sein, was Du an Deiner Fräse wieder austauschen wirst.

Viele Grüße
Tilman

Holzapfel
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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von Holzapfel » 13.02.2021, 19:28

Danke für deinen Input.
Tilman hat geschrieben:
13.02.2021, 00:21
(...)

Aber bei Deinen Anforderungen und der geplanten Portalbreite ist eine zweite Spindel völlig unnötig, wenn Du das Portal vernünftig baust. Mach mindestens 20mm statt 15mm Portalwangen, denn die sind viel zu dünn. Setz einen ordentlichen Portalbalken ein und sorg für steife Übergänge.
Den Rat mit den dickeren Portalwangen werde ich wohl beherzigen, gleiches gilt für den Balken.

Das Argument bezüglich der Spindel kann ich nachvollziehen, aber mir fällt es aktuell schwer einzuschätzen, ob ich die Ursache, namentlich unpräzises Arbeiten, mit den mir zur Verfügung stehenden Möglichkeiten ausreichend beseitigen kann, oder ob ich mir nicht einfach eine Menge Frustration erspare, indem ich von Vornherein "Symptombehandlung" betreibe (natürlich werde ich trotzdem möglichst genau arbeiten).

stormer hat geschrieben:
12.02.2021, 22:29
Holzapfel hat geschrieben:
12.02.2021, 17:44
Das wäre aktuell auch meine präferierte Lösung, ich habe nur Schwierigkeiten einzuschätzen wie komplex, bzw. sauber die Konstruktion am Ende sein muss.
Da ist nicht viel Komplexes dabei. Du hast 2 Möglichkeiten für den Zahnriemenantrieb von einem zentralen Motor auf 2 Spindeln:

a) Ein Zahnriemen für beide Spindeln.
b) Je 1 Zahnriemen pro Spindel zum zentralen Motor; die Zahnriemen natürlich in Ebenen hintereinander.

Bei a) ist der Riemen länger und damit bei gleicher Riemenbreite die Dehnung größer bzw der Riemen muss für eine ebenso kleine Dehnung breiter werden und damit wird auch die nötige Vorspannkraft größer. Außerdem muss der Riemen für die hinreichende Umschlingung öfter umgelenkt werden. Die Radialkräfte auf die Motorwelle können eine zusätzliche Lagerung am Ende erfordern.

Bei b) benötigst du keine Umlenkrollen aber je eine Spannrolle pro Riemen. Wenn sich die Vorspannkräfte beider Riemen am Ort des Steppers/Servos größtenteils gegenseitig aufheben, bleibt dir u.U. eine zusätzliche Lagerung zur Abstützung der Motorwelle erspart.

Ja, ich denke so eine Lösung wie in der P3 von Mixware verbaut ist (also Lösung b)) sieht recht einleuchtend aus. Da spare ich mir auch, dass ich einen Versatz benötige.

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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von stormer » 13.02.2021, 22:22

Holzapfel hat geschrieben:
13.02.2021, 19:28
Ja, ich denke so eine Lösung wie in der P3 von Mixware verbaut ist (also Lösung b)) sieht recht einleuchtend aus. Da spare ich mir auch, dass ich einen Versatz benötige.
Ich kenn jetzt die Historie der Fräsen von Möderl nicht, insbes. ob und wo aktuell ihre Weiterentwicklung stattfindet.
Wenn du aber diese Anordnung hier meinst:
https://www.sorotec.de/shop/images/prod ... 920_3.jpeg
dann entspricht das Vorschlag a) und nicht b), abgesehen von dem geschickten Ausgleich der Vorspannkräfte.
Unabhängig davon, dass diese Anordnung wohl funktioniert (wie gut, darüber habe ich keine Informationen), halte ich die gezeigte Umschlingung pro Trum von nur ca. 1/6 Umfang mit kaum 15 Zähnen für unzureichend.

Tilman
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Re: Y-Achse: Welche der drei Antriebsmöglichkeiten?

Beitrag von Tilman » 13.02.2021, 23:10

Holzapfel hat geschrieben:
13.02.2021, 19:28
Den Rat mit den dickeren Portalwangen werde ich wohl beherzigen, gleiches gilt für den Balken.

Das Argument bezüglich der Spindel kann ich nachvollziehen, aber mir fällt es aktuell schwer einzuschätzen, ob ich die Ursache, namentlich unpräzises Arbeiten, mit den mir zur Verfügung stehenden Möglichkeiten ausreichend beseitigen kann, oder ob ich mir nicht einfach eine Menge Frustration erspare, indem ich von Vornherein "Symptombehandlung" betreibe (natürlich werde ich trotzdem möglichst genau arbeiten).
Natürlich kannst Du auch beides machen, um auf der sicheren Seite zu sein. Du solltest jedoch bedenken, dass es auch mit zwei Spindeln Frustpotential gibt. Eine Steigunsgenauigkeit von C7 erlaubt zum Beispiel eine Abweichung von +/-50µm auf 300mm. Bezogen auf Deine 1200mm kann das ein theoretischer Fehler von 2 Zehnteln sein. Das fällt in den meisten Anwendungsfällen kaum auf, denn präzise Fräsungen in Alu wie Lagersitze sind meistens klein genug, um noch in der Toleranz zu liegen. Bei langen Holzstücken von >1m Größe kommen wiederum die 2 Zehntel kaum zum Tragen.

Wo der Fehler aber nachteilig wirkt, ist, wenn zwei Spindeln das Portal in unterschiedliche Positionen verziehen. Das heißt nicht, dass zwei Spindeln grundsätzlich schlecht sind. Man kann zu höherwertigeren Spindeln mit einer Steigungsgenauigkeit <= C5 greifen oder aber zu Glasmaßstäben, so dass die Steuerung für beide Seiten eine Referenz hat. In beiden Fällen wird es deutlich kostenaufwändiger, im zweiten Fall wird auch die Steuerung aufwändiger.

Machbar ist das alles. Ich kenne einige Fräsen mit zwei Spindeln und Glasmaßstäbe sind heute auch kein Hexenwerk mehr. Spätstens mit LinuxCNC kann man da richtig potente Maschinen draus machen. Wenn Dir die Präzision nun doch wichtiger ist, solltest Du jedoch wissen, dass der Verzug selbst bei einem schlecht konstruierten Portal nicht einmal einen Bruchteil von dem ausmacht, was eine durchschnittliche Spindel (C5-C7) an Steigunsfehler hat. Schon gar nicht mit so einem winzigen Spielzeugfräsmotor wie der ABM. Lange, bevor ein halbwegs solides Portal sich auch nur zwei Hundertstel verzieht, ist Dein Fräsmotor schon lange stehen geblieben.

Viele Grüße
Tilman

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