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CNC-Fräse, die Erste

Angefangen hat alles mit einer kleinen Selbstbaufräse, die aus einfachen Baumarktmaterialien gerfertigt wurde. Die Linearführungen bestanden aus ineinanderlaufenden Aluminiumprofilen, welche nur bedingt gute Gleiteigenschaften aufwiesen. Der Antrieb für die Linearachsen wurde mit M8-Gewindespindeln in Verbindung mit je einem Schrittmotor realisiert. Um das Umkehrspiel der Gewindestangen zu minimieren, wurden jeweils zwei gegeneinander verspannte Spindelmuttern, pro Spindelantrieb eingesetzt.

Die Z-Achse wurde nach den ersten Tests mit einer einfallsreichen kugelgelagerten Linearachse ausgerüstet. Diese Führung besteht aus insgesamt 12 Rillenkugellagern, welche paarweise und in sternförmiger Anordnung auf geschliffenem Rundmaterial laufen.

Die erste CNC-Steuerung habe ich in weitestgehend diskreter Technik entworfen. Phasenfolgen und Timing wurden von mehreren Intel 80C32 Prozessoren, welche mit Assemblercode programmiert wurden erzeugt. Die Kommunikation mit dem PC wurde über eine RS232 Schnittstelle realisiert. Um die Stangströme zu regeln, wurden Linearregler diskret aufgebaut. Das hatte den Nachteil einer starken Wärmeentwicklung.
Als ich die Atmel AVR Mikrokontroller für mich entdeckte, entwarf ich die Steuerung neu. Diese wurde durch einen ATmega644 MCU gesteuert. Die Anbindung erfolgte per USB. Für die Erzeugung der Phasenfolge und der Motorströme wurden die Bausteine L297 / L298 eingesetzt. Um alle Achsen synchron zu verfahren, wurde eine Linearinterpolation und eine Kreisinterpolation nach Bresenham integriert.


Eine selbst programmierte Software für die CNC-Steuerung konnte sowohl für die manuelle Bedienung, als auch zur Abarbeitung von G-Code eingesetzt werden.


Nach dem ich die Fräse fertig gestellt hatte, präsentierte ich sie auf mehreren Veranstaltungen, wie in der Berufsschule und der Berufs Bildungsmesse 2002 in Berlin Spandau.





CNC-Fräse, die Zweite


Die zweite Fräse konnte ich mit hilfe der ersten Maschine bauen. Besonders bei der Fertigung von Aluminium-Formteilen, ist die CNC-Unterstützung eine sehr effektive Hilfe. Die Grundplatte besteht aus 40X40mm Aluminium Vierkantrohren. Normalerweise werden bei Portalfräsen T-Nutenplatten als Tisch eingesetzt. Ich habe mich gegen solch eine Platte entschieden, da diese verhältnismäßig teuer ist. Ein großer Vorteil meines Vierkantrohrtisches ist die große Flexibilität bei der Befestigung des Werkstückes. Es können zum Beispiel einfache Schraubzwingen für die Arretierung des Werkstückes verwendet werden. Auch die eingesetzten Kühlflüssigkeiten können direkt abfließen und unter der Maschine wieder aufgefangen werden.
Damit die Achsen möglichst spielfrei und stabil sind, wurden nur Linearführungen nach dem Kugelumlaufprinzip eingebaut. Auch die Spindeln mit einer Steigung von 4mm / Umdrehung sind Kugelumlaufspindeln. Die Spindeln werden von Schrittmotoren mit 200 Schritten / Umdrehung im Halbschrittbetrieb angetrieben. Hiermit wird eine logische Auflösung von 1/100mm erreicht.

Da die neue Fräse mit mehr als nur drei Achsen ausgerüstet wurde, sollte auch die CNC-Steuerungssoftware entsprechend angepasst werden. Da sich in der Zwischenzeit einiges im Bereich der Opensourceprojekte getan hat, habe ich mich entschieden auf den Zug aufzuspringen und die CNC-Software EMC2 installiert. EMC2 ist eine CNC-Steuerungssoftware welche durch eine Linux-Echtzeiterweiterung der Kernels eine exakte Ansteuerung der Motoren garantiert. Sie kann bis zu sechs Achsen simultan verfahren. Link zu EMC2