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Portalfräse

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Nachfolgend eine kurze Beschreibung der fertigen Maschine. Die Zeichnungen finden Sie im Downloadbereich, Bilder vom Bau in der Bildergalerie. In meinem zweiten Buch finden Sie eine detaillierte Baunleitung für die Maschine mit den Bezugsquellen für das notwendige Material.

Größe der Maschine


Weil ich bereits eine CNC-Fräsmaschine besitze, mit der ich auch Stahl bearbeiten kann, die aber von den möglichen Verfahrwegen eher klein ist (X 220 mm, Y 120 mm), wollte ich eine wesentlich größere Maschine konstruieren und bauen. Diese Maschine sollte keinen Stahl bearbeiten, sondern im wesentlichen Holz, Kunststoff und Buntmetalle, wie Messing oder Aluminium. Auch die Genauigkeit brauchte nicht so groß zu sein wie bei der bereits vorhandenen Maschine.
Ausgehend von verfügbaren Materialien, speziell der Profile für die Aufspannplatte, habe ich eine Breite von ca. 550 mm und eine Länge von 1.000 mm gewählt.
Wenn Ihnen eine solche Maschine zu groß ist, dann können Sie durch das Verändern weniger Maße die Maschine auch kleiner bauen. Das erleichtert den Bau und spart Materialkosten.

Aufspannplatte / Rahmen

Die Maschine verfügt über keinen speziellen Rahmen. Der Hilfsrahmen, der die X-Führungen trägt, ist an der Aufspannplatte befestigt, die als eigentliches tragendes Element dient. Sie besteht aus drei Profilen, die 160 mm breit und 40 mm hoch sind. Die Nuten sind 8 mm breit und so angebracht, dass sich bei der Aneinanderreihung der Profile ein Nutenabstand von 40 mm ergibt.
Das Material ist Aluminium. Obwohl man meinen sollte, dass Aluminium ein leichtes Material ist, wiegt jedes einzelne Profil ca. 8 kg. Ich habe drei Profile von je 1.000 mm Länge benutzt, dadurch entsteht eine Aufspannplatte von 1.000 x 480 mm mit einem Gewicht von 24 kg. Die Profile sind mit Flachstahl auf der Unterseite verschraubt, so dass sich ein äußerst solider und massiver Aufbau ergibt.

Verfahrwege

Aufgrund der Konstruktion der Maschine sind die Verfahrwege kürzer als die Aufspannplatte. Das lässt sich nur vermeiden, wenn ein separater Rahmen gebaut wird, der dann aber vermutlich wieder mehr kostet als die nicht genutzten Teile der Aufspannplatte.
Der Verfahrweg in der X-Achse ist durch die Tiefe des Portals eingeschränkt. Bei einer Länge der Aufspannplatte von 1.000 mm verbleiben nach Abzug der Stärke des vorderen und hinteren Querjochs noch 960 mm. Das Portal ist 200 mm tief. Damit beträgt der theoretisch mögliche Weg in der X-Achse 760 mm. Davon gehen noch einige mm für die Endschalter ab, so dass als praktischer Verfahrweg 750 mm übrig bleiben.
In der Y-Achse bestimmt die Breite des Portals zwischen den Innenkanten der Seitenwangen, abzüglich der Breite der Z-Achse, den Verfahrweg. Nominal sind das 482 mm. Allerdings ist für die Betätigung des Endschalters der Z-Achse ein Führungsteil 13,5 mm breiter ausgebildet. Dafür und für die Endschalter der Y-Achse müssen noch einmal ca. 20 mm abgezogen werden, verbleiben also rund 460 mm Verfahrweg.
Bei der Z-Achse gilt es einen Kompromiss zu schließen. Einerseits soll das Portal nicht zu hoch werden, aufgrund der dann mangelnden Stabilität und der zu erwartenden Klemmeffekte in den Führungen der X-Achse. Andererseits darf es auch nicht zu niedrig sein, weil sich das speziell beim Bohren mit einem längeren Bohrfutter und größeren Bohrern negativ auswirkt. Beim Fräsen ist das Problem nicht so akut, weil Fräser in ein kurz bauendes Spannzangenfutter eingesetzt werden und selbst nur eine geringe Länge haben.
Aufgrund dieser Überlegungen habe ich eine Durchlasshöhe zwischen Aufspannplatte und der Unterkante des Portals von100 mm gewählt. Um etwas mehr Flexibilität, speziell beim Bohren zu schaffen, besitzt der Werkzeugträger zwei Sätze von Befestigungsbohrungen für die Aufnahme des Fräsmotors, so dass sich dieser bei Bedarf 50 mm höher einsetzen lässt.

Führungen der X-Achse

Aus Kostengründen habe ich für die X- und Y-Achse Rundführungen mit Führungswellen aus Stahl und Gleitfolien von igus gewählt. Weil ich die X- und Y-Achse zunächst auch mit Sinterbronzebuchsen gebaut habe, sehen Sie diese noch auf manchen Fotos.
Mit einem Durchmesser von 20 mm für die Führungswellen glaubte ich mich bei der Stabilität auf der sicheren Seite. Leider ergaben dann erste Biegetests mit den 1.000 mm langen Wellen, dass schon ein relativ geringes Gewicht von wenigen Kilogramm ausreichte, die an den Enden aufliegenden Wellen in der Mitte um mehr als einen Millimeter durchzubiegen. Dazu kam das Problem, dass die Wellen von Hause aus schon eine Abweichung von der Geraden um 0,5 mm aufwiesen.
Ich habe deshalb meine Idee, freitragende Führungen zu bauen, wieder verworfen. Stattdessen habe ich mich entschlossen, sowohl die X-Führungen, als auch die Y-Führungen an jeweils zwei zusätzlichen Punkten abzustützen. Jede Führungswelle ist mit je zwei eingeklebten Bolzen und Abstandshülsen an einen Unterzug geschraubt, der seinerseits unter der Aufspannplatte befestigt ist. Die Gleitlager sind geschlitzt, so dass sie über die Befestigungsbolzen gleiten können. Zusätzlich ist eine Vorrichtung in die Führungsböcke eingebaut, die es erlaubt, das Spiel zwischen den Gleitfolien und den Führungswellen einzustellen.

Antrieb der X-Achse

So wie alle anderen Achsen auch, wird die X-Achse mit einer Trapezspindel und einer Spindelmutter bewegt. Nachdem ich zunächst Versuche mit einer Trapezspindel von 12 mm Durchmesser und 3 mm Steigung gemacht hatte, habe ich schließlich eine Spindel mit 16 mm Durchmesser und 4 mm Steigung eingebaut.
Die Spindelmutter besteht aus Nylatron. Die Spindel wird vom Schrittmotor direkt über eine Kupplung angetrieben, die einen geringen Versatz zwischen Spindel und Motorachse ausgleichen kann.
Die Motoren der X- und Y-Achse besitzen an der Rückseite ein freies Wellenende. Das dient dazu, ein Handrad und den Schwingungsdämpfer zu befestigen. Das Handrad ist nützlich, um die Spindel von Hand zu bewegen, z.B. wenn ein Endschalter angefahren wurde und die Steuerungssoftware nicht mehr auf die Cursortasten zum Fahren der Achsen reagiert.
Die Spindel ist am freien Ende in einem Festlager gelagert, das axiale Verschiebungen verhindert. Motorseitig ist die Spindel in einem Loslager gelagert, das aus einem einzelnen Rillenkugellager besteht.

Portal (Y-Achse)

Beim Portal habe ich Wert auf eine sehr stabile und schwere Konstruktion gelegt, um mögliche Schwingungen beim Fräsen zu verhindern. Es besteht aus einer Grundplatte mit den beweglichen Führungen der X-Achse, zwei Seitenteilen, dem Querjoch und einer Versteifung, die einerseits eine Durchbiegung des Querjochs verhindert, andererseits als Ablage für die Energiekette der Y-Achse dient.
Die Form der Seitenteile des Portals habe ich so gewählt, dass der Abstand zur Mitte der Frässpindel an beiden Enden der Aufspannplatte gleich ist.

Führungen der Y-Achse

Die Führungswellen der Y-Achse sind 16 mm stark und in den Seitenteilen des Portals festgeklemmt. Dazu werden die Seitenteile nach dem Bohren der Löcher für die Führungswellen aufgeschlitzt. Zwei Schrauben pro Wellenende ziehen dann die geschlitzten Teile zusammen und klemmen so die Wellen unverrückbar fest.
Zusätzlich ist jede Welle mit zwei Bolzen und Abstandshülsen am Querjoch befestigt. Damit wird eine Durchbiegung der Wellen wirkungsvoll verhindert.

Antrieb der Y-Achse

Der Antrieb der Y-Achse entspricht im Prinzip genau dem der X-Achse, mit dem Unterschied, dass eine Trapezspindel mit 12 mm Durchmesser und 3 mm Steigung eingesetzt ist.

Z-Achse

Die Z-Achse ist so ausgelegt, dass Frässpindeln oder Fräsmotoren mit 43 mm Spindelhals einsetzbar sind. Kleinwerkzeuge von Proxxon oder Dremel können mit einen Adapter verwendet werden. Die Motoraufnahme ist in zwei verschiedenen Höhen auf dem Werkzeugträger montierbar.

Führungen der Z-Achse

Die Führungswellen der Z-Achse sind 12 mm stark und aufgrund der geringen Länge freitragend, ohne zusätzliche Unterstützung, ausgelegt. Die Gleitlagerbuchsen sind trotzdem geschlitzt und in den Führungsböcken einstellbar gelagert.
Aufgrund der geringeren Kräfte wird die Spindelmutter nur durch eine Madenschraube in axialer und radialer Richtung fixiert. Eine weitere Madenschraube ermöglicht eine Einstellung des Spiels bei geschlitzter Mutter.

Antrieb der Z-Achse

Im Gegensatz zu den zwei anderen Achsen ist die Z-Achse nicht direkt, sondern über ein Zahnriemengetriebe 2:1 angetrieben. Dafür gibt es zwei Gründe. Der erste ist, dass gegenüber dem Direktantrieb die Bauhöhe der Z-Achse wesentlich geringer ausfällt und damit die Gefahr von Schwingungen reduziert ist (kleinere Hebelwirkung). Zweitens kann durch die Untersetzung ein kleinerer Motor Verwendung finden. Die Verfahrgeschwindigkeit spielt bei der Z-Achse, ausgenommen beim Bohren, sowieso kaum eine Rolle.

Endschalter

An der X- und Y-Achse sind Endschalter der Firma Marquard montiert. Für die Z-Achse gibt es nur den oberen Endschalter, ein unterer Endschalter wäre aufgrund der unterschiedlichen Werkstückhöhen und Werkzeuglängen nicht sinnvoll.

Kabelführung

Alle Kabel sind in Energieketten geführt, so dass "Kabelsalat" zuverlässig verhindert wird. Die Kabel enden in Anschlusskästen mit zugentlasteten Durchführungen. An der Vorderseite der Maschine befindet sich ein Notschalter, der bei Verwendung der in meinem Buch "CNC-Fräsen im Modellbau - Grundlagen und Elektronik" beschriebenen Steuerung alle Funktionen der Maschine, einschließlich Fräsmotor, sofort stillsetzt.
An der Rückseite ist ein Schaltkasten angebracht, der die gedruckte Schaltung für den Anschluss der End-/Referenzschalter, des Spindelindex (Rückmeldung der Frässpindel-Drehzahl an die Steuerung), der Signale für die Drehrichtungs- und Drehzahlregelung der Frässpindel, sowie der Signale des Werkzeuglängensensors aufnimmt.


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