CNC-Fräse/Technical

This page descibes technical aspects of the CNC machine in more detail.

Stepper Torque

The torque of a stepper driver is not linear over the number of revolutions per second. It is nearly linear in the beginning but drops down at a specific point for each motor until it reaches zero. In our current setup we use Sanyo Denki 103h7126-0740 Motors, which are linear until about 1000 to 2000 pulses/second. We are using 8 Microsteps, so the normal 200 steps per revolution (1.8 Degree step size) must be multiplied by 8, which gives 1600 steps per revolution. Now we can calculate the maximum speed for a axis by taking the maximum pulses/second and divide it by the steps needed per mm (266,6 on our machine): ${\frac {2000{\frac {\text{pulses}}{\text{s}}}\cdot 8{\frac {\text{pulses}}{\text{step}}}}{266{\frac {\text{steps}}{\text{mm}}}}}=60{\frac {\text{mm}}{\text{s}}}=3600{\frac {\text{mm}}{\text{min}}}$ We need the factor 8 here because of the microstepping.

This aspect of a stepper motor means also: lower microstep setting allows higher speed and vice versa.

Und warum kann man jetzt keinen Stahl bearbeiten?

Jedes Material hat spezifische Kennwerte (Spezifische Schnittkraft $k_{c1.1}$ und Werkstoffkonstante $z$). Aus diesen und den Fräsparametern können Schnittkräfte berechnet werden. Anhand des Beispiels Walzfräsen, kann sehr leicht gesehen werden, dass die Mittlere Hauptschnittkraft pro Schneide (ein Wert welcher beim Walzfräsen errechnet werden kann) bei Stahl für den selben Bearbeitungsprozess sehr viel (etwa um das vierfache!) höher ist.

Berechnet mit plot_Fcm.R - Das Beispiel soll zeigen, welche Kräfte wirken wenn mit einem 3mm Fräser eine Kante mit 3mm Dicke bearbeitet wird. Dabei sind unterschiedliche Werte für $a_{e}$, also die seitliche Zustellung, aufgetragen. Dies wäre der typische Anwendungsfall um ein 3mm Blech zu begradigen.

Diese Kraft muss von der gesamten Maschine aufgenommen werden, ohne das Verformungen auftreten. Anschaulich bedeutet das, etwa am Beispiel von Alu und 1mm $a_{e}$, dass eine Vergleichsmasse von 20kg beim Schnitt auf einem einzelnen Zahn lastet.

Anm.: Das ist nicht ganz korrekt, da hier die mittlere Hauptschnittkraft berechnet wird und die Werte nur der Anschauung dienen! Beim Walzfräsen nimmt die Hauptschnittkraft beim Gleichlauffräsen vom Maximum ab, beim Gegenlauffräsen steigt sie zum Maximum an. Es wird also nicht die Kraft berechnet, wenn der Span der Größe $f_{z}$ geschnitten wird, sondern die bei der Hälfte des Eingriffswinkels ($\varphi _{s}$)!

Siehe weiters dazu: "Praxis der Zerspantechnik, 11. Auflage, Jochen Dietrich, Heinz Tschätsch, 2014"

An der Maschine selber lässt sich betrachten, dass das Portal selbst mit wenig Kraftaufwand bewegt werden kann. Diese Bewegung tritt dann auch bei der Zerspanung auf, drückt den Fräser weg und führt zum Bruch des Fräsers und wohlmöglich auch zur Beschädigung der Maschine.

Selbst bei Aluminium, mit seinen im Vergleich zu Stahl, geringen Kräften, übt auf unsere CNC Maschine schon enorme Kräfte aus! Die Schnittparameter, welche in Datenblättern stehen, sind daher immer mit größter Vorsicht zu genießen. Unsere Maschine kann diese einfach nicht vertragen. Bei Alu wurde zum Beispiel gerade einmal eine Tiefenzustellung von 0.25mm als vertretbar angsehen, bei 100% a_e und 6mm Fräser. Die Fräßer selber würden jedoch locker 1.5*D a_p bei 100% a_e verkraften und dass bei Vorschüben von 4000mm/min (so steht es in den Datenblättern)! Solche Werte sind mit der aktuellen Maschine jedoch nie erreichbar!

Calculate everything

Here are some hints to calculate even more stuff:

• https://www.htw-aalen.de/img/downloads/315_Gleichungen-Fertigungstechnik.pdf
• http://www.precifast.de/spannkraft-schnittkraefte-berechnen/

Debugging Checklist

• Damit die Limit Switches funktionieren, muss der Druckerport im BIOS auf ECC+EPP gestellt sein. Ansonsten sind die Relevanten Eingangs-Pins kommentarlos nicht einlesbar.
• Wenn man Limits in EMC ausgelöst hat, hilft ein "override limits häckchen", ein einschalten (F1/F2), und ein wegfahren in die entsprechende richtung (Cursortasten und Page up/down)
• Wenn man die Fräse einrichten muss, sind wichtige Hinweise hier gesammelt: Benutzer:Reox/CNC and Benutzer:Chrysn/Flausch-o-mat --Reox 18:10, 4. Jul. 2013 (CEST)

Hardware

• Stepper Driver: 5x Leadshine M542 Manual
  • Ein Treiber für eine 4. Achse ist vorbereitet
  • X Achse hat zwei Treiber Boards
• Breakout Board: Benezan Mini Breakout6 Manual
• Spindle: Mechatron HFS-6508-AC Manual / Datenblatt
• Frequency Inverter: Powtran PI8600 Manual
• Stepper: Sanyo Denki 103h7126-0740 Tech Specs (Page 36)

FIXME: Der SVG renderer von Mediawiki scheint etwas anders zu funktionieren... Nicht alle Sachen sind sichtbar!

Beschaltung am VFD

Der VFD wird über einen 0..10V Signal und ein Relais gesteuert. Das 0..10V Signal steuert die Drehzahl von 0-100%, wobei am VFD 0% der Minimaldrehzahl entsprechen und 100% der Maximaldrehzahl. Für unsere Spindel sind dies 6000 bzw 24000rpm (also 100 bis 400Hz). Das Relais schaltet die Spindel zusätzlich ein und aus. Die 0..10V Signal werden über das Breakoutboard über einen PWM Eingang vom Parallelport erzeugt.

Konfiguration des VFD

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