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X3 Version 1

Projekte > Fräsmaschinen Umbau

Umbau einer Sieg X3 Fräsmaschine auf CNC-Betrieb für meinen Freund Egbert Theisen



Vorher

Hinweis:um die anderen Bilder zu vergrößern, klicken Sie einfach hinein. Noch größere Bilder gibt es in der Bildergalerie.

Vorgeschichte

Eines Tages kam Egbert Theisen in meine Werkstatt und verkündete, dass er unbedingt eine CNC-Fräsmaschine brauche. Allerdings solle die Maschine auch für Handbetrieb geeignet sein. Wir haben dann lange diskutiert und hin- und herüberlegt, bis wir uns schließlich auf eine Sieg X3 einigten.

Die Daten der Maschine (von mir vermessen):

Tischgröße: 550 x 160 mm
T-Nuten: 12 mm
Fahrweg X: 400 mm
Fahrweg Y: 160 mm
Maximaler Abstand Tisch - Spindel: 400 mm
Minimaler Abstand Tisch - Spindel: 20 mm
Weg der Pinole: 85 mm
Motorleistung (Herstellerangabe): 600 W
Spindeldrehzahlen (Herstellerangabe): 100 - 1.000 U/min, 100 - 2.000 U/min
Werkzeugaufnahme: MK3 (oder R8)
Gewicht (Herstellerangabe): 160 kg

Und hier können Sie sich die Explosionszeichnungen (2,9 MB!) der X3 als PDF herunterladen.

Hier noch einige Links zu weiteren Umbauprojekten:

http://www.tokentoolroom.com/mill.html
http://www.rlberg.com/CNC.htm
http://www.embeddedtronics.com/x3.html

Überlegungen vor dem Umbau

Vor dem Beginn des Umbaus haben wir festgelegt, welche Eigenschaften die fertige Maschine haben soll:

  • Voll ausgestattet für den CNC-Betrieb mit Endschaltern und Referenzschaltern an allen Achsen.
  • Kugelumlaufspindeln an allen Achsen.
  • Handbetrieb ohne Einschränkungen muss möglich sein. Das setzt voraus, dass die Handräder und Skalen an allen Achsen erhalten bleiben. Weiterhin muss es möglich sein, die Schrittmotoren abzukoppeln, weil diese beim Handbetrieb sonst mitgedreht werden müssen.
  • Der Umbau muss möglich sein, ohne Fräsarbeiten an der Maschine durchzuführen. Damit können die benötigten Teile vor dem Zerlegen auf der Maschine selbst hergestellt werden.
  • Es soll möglich sein, den Umbau rückgängig zu machen und die Maschine in den Originalzustand zurückzuversetzen.
  • Der vorhandene Antrieb mit Universalmotor über Riemen- und Zahnradgetriebe wird ersetzt durch einen Drehstrommotor mit Zahnriemenantrieb auf die Frässpindel. Drehzahlregelung von 300 - 3.000 U/min über Frequenzumrichter. Gründe: Der vorhandene Antrieb ist zu laut und der Universalmotor lässt sich nur von Hand regeln. Die Drehzahl soll aber über die Software geregelt werden.
  • Der vorhandene Motor besitzt Kohlebürsten. Es ist zu befürchten, dass bei deren Verschleiß verstärktes Bürstenfeuer auftritt, das wiederum die CNC-Elektronik stören könnte.
  • Saubere Ausführung des Umbaus ohne „Kabelsalat“.
  • Keine Einschränkung der Verfahrwege.


Damit sind wir dann zu den folgenden Konstruktionsprinzipien gekommen:

Der Antrieb aller Achsen erfolgt über Kugelgewindespindeln und Zahnriemengetriebe. Das Übersetzungsverhältnis an der X- und Y-Achse ist 2:1, and der Z-Achse ist es aufgrund des schweren Kopfes 2,6:1. Die Kugelgewindespindeln haben eine Steigung von 2,5 mm und einen Durchmesser von 15,8 mm. Die Schrittmotoren haben ein Drehmoment von rund 0,8 Nm und einen Schrittwinkel von 0,9° im Halbschrittbetrieb. Die verfügbaren 400 Schritte pro Umdrehung ergeben bei einer Übersetzung von 2:1 und 2,5 mm Spindelsteigung eine Auflösung von rund 0,003 mm (2,5 / 2 / 400). Die Geschwindigkeit im Eilgang soll mindestens 2 Meter / min betragen.
Die Berechnung des erforderlichen Drehmoments ergibt, dass für die Z-Achse ein Drehmoment von 0,33 Nm erforderlich ist. Dabei haben wir das Gewicht des Fräskopfes mit 60 Kg angenommen. Für die X- und Y-Achsen reicht bei 50 Kg Gewicht des Tisches und einer Schnittkraft von 100 N ein Drehmoment von 0,18 Nm. Die Drehmomente sind mit zweifacher Sicherheit berechnet. Weil ich damit bei meiner Portalfräse gute Erfahrungen gemacht habe, fiel die Wahl wieder auf Schrittmotoren Typ ST5818S3008 von Nanotec. Die Motoren haben bei 4,4 A Phasenstrom ein Drehmoment (nicht Haltemoment, das ist vollkommen uninteressant) von 0,8 Nm, das dann auf 0,68 Nm bei 1.000 1/min und 0,48 Nm bei 2.000 1/min abfällt.

Mittlerweile sind diese Motoren von Nanotec nicht mehr lieferbar. Als Ersatz empfehle ich den neuern ST5918M3008. Dieser Motor hat ein Drehmoment von 1,0 Nm, das bei 1.000 U/min. auf 0,8 Nm und bei 2.000 U/min. auf 0,6 Nm abfällt. Die Kennlinie sehen Sie hier. Der Motor ist nur unwesentlich länger als der ST5818S3008 und nicht teurer.

Für viele mag das geringe Drehmoment überraschend sein, ich betreibe aber, wie gesagt, die gleichen Motoren in meiner Portalfräse, dabei hat die X-Achse Direktantrieb und eine Spindelsteigung von 4 mm. Außerdem ist es eine Trapezspindel, die nur rund 30% des Wirkungsgrades einer Kugelumlaufspindel hat. Dennoch erreiche ich problemlos Eilganggeschwindigkeiten von 3 Meter/min. Meiner Meinung nach werden sowieso meist zu große Motoren verbaut, die dann wieder zu starke Endstufen brauchen.

An der X-Achse bleibt die Spindellagerung an der Handrad-Seite erhalten, die mit zwei gegeneinander verspannten Axiallagern realisiert ist. Am anderen Tischende wird die vorhandene Bronzebuchse durch ein Nadellager ersetzt, das einen Längenausgleich der Spindel erlaubt (Prinzip Festlager/Loslager). Auf der Verlängerung der Spindel sitzt ein Zahnriemenrad, das über einen HTD-Zahnriemen vom Ritzel auf der Motorwelle angetrieben wird. Eine Spannvorrichtung mit zwei Kugellagern sorgt für die richtige Riemenspannung. Der Schrittmotor ist so angebracht, dass er nicht über das Ende des Tisches hinausragt. Dadurch wird der Platzbedarf für die Maschine nicht größer als im originalen Handbetrieb.

Der Antrieb der Y-Achse erfordert einige „Klimmzüge“, damit der Verfahrweg nicht eingeschränkt wird. Zuerst habe ich überlegt, den Antrieb hinten, also zwischen Tisch und Säule anzubringen. Leider reicht der Platz dafür nicht aus. So bleibt nur der komplette Neubau der Spindellagerung. Das Prinzip mit den zwei Axiallagern bleibt aber erhalten. Auch bei der Y-Achse erfolgt der Antrieb über einen HTD-Zahnriemen vom Ritzel auf der Motorwelle auf das Zahnriemenrad der Spindel. Die ebenfalls vorhandene Spannvorrichtung dient hier auch noch dazu, das untere Trumm des Riemens über die linke Schwalbenschwanzführung zu „heben“. Sie sehen das sehr gut in der Übersichtszeichnung.
Der Schrittmotor zeigt nach innen, dadurch wird auch hier Platz gespart und er ist beim „Handkurbeln“ nicht im Weg.

Für die Z-Achse muss ein neuer oberer Lagerbock angefertigt werden, dafür sind aber keinerlei zusätzlichen Bohrungen oder Fräsungen an der Säule erforderlich. Am Lagerbock, der das obere Spindelende in einem Nadellager führt, ist der Motorträger festgeschraubt. Die Kraftübertragung erfolgt wieder über einen HTD-Zahnriemen, wobei die Spannung nicht über eine Spannvorrichtung, sondern über den in Langlöchern verschiebbaren Motor erreicht wird. Die untere Spindellagerung, das Kegelradgetriebe und die Wellenübertragung zum vorderen Handrad bleiben im Original erhalten.

Für den neuen Spindelantrieb wird das Zahnradgetriebe im Kopf komplett „ausgeweidet“. Das Zahnrad auf der Frässpindel wird abgedreht und stattdessen eine AT-Zahnriemenscheibe mit 48 Zähnen auf der Zahnradnabe befestigt. Der Motor erhält ein Ritzel mit 24 Zähnen. Die Kraftübertragung erfolgt über einen AT-Zahnriemen mit 25 mm Breite. Um den Antrieb unterzubringen, muss innen im Deckel des Fräskopfes ein Guss-Steg weggefräst werden. Außerdem braucht der Deckel ein Öffnung für die Motorwelle und das Ritzel. Das sind die einzigen Punkte, an dem die Konstruktion gegen die Vorgabe verstößt. Weil die Maschine im Originalzustand aber ohne den Deckel funktioniert, ist das kein Problem.
Um den Zahnriemen spannen zu können, sitzt der Motor auf einer Zwischenplatte mit Langlöchern und ist damit in Grenzen verschiebbar.

Um die Schrittmotoren vom Antrieb abkuppeln zu können, habe ich Kupplungen konstruiert, die über eine Rampe und zwei Kugeln das Motorritzel gegen eine auf der Motorwelle befestigte Druckscheibe pressen. Eine zwischengelegte Neoprenscheibe sorgt für eine kraftschlüssige Verbindung. Eine Vierteldrehung an dem außen zugänglichen Kupplungsknopf reicht, um diese Verbindung zu lösen. Das Ritzel dreht sich dann frei auf der Motorwelle. Somit muss beim Handbetrieb der Schrittmotor nicht mitgedreht werden.

Die originalen Handräder werden gegen solche aus Kunststoff mit 100 mm Durchmesser und einklappbaren Kurbeln ausgewechselt. Das hat mehrere Gründe. Weil sich die Handräder bei CNC-Betrieb mitdrehen, stellen die feststehenden Kurbeln ein Sicherheitsrisiko dar. Daneben sind die Original-Handräder recht schwer, diese Masse muss bei allen Bewegungen der jeweiligen Achse beschleunigt und abgebremst werden. Die neuen Kunststoff-Handräder sind dagegen wesentlich leichter. Last, but not least, sehen die neuen Handräder einfach besser aus.

Die Halterungen für End- und Referenzschalter sind bei der Konstruktion der Maschine schon vorgesehen und voll integriert. Um Kabelsalat zu vermeiden, werden die Kabel zu den Motoren und Schaltern in Energieketten sauber geführt. Die Halterungen dafür sind ebenfalls schon vorgesehen.

Selbstverständlich sind alle Antriebsteile voll gekapselt. Schmutz und Späne können nicht eindringen und die Sicherheit des Bedieners ist gewährleistet.

Den bis jetzt fertiggestellten Zeichnungssatz und die Stückliste können Sie sich im Downloadbereich herunterladen. Beachten Sie aber, dass nach diesen Zeichnungen noch nicht überarbeitet wurden. Vermutlich stecken noch Fehler drin und das eine oder andere muss vielleicht noch geändert werden. Besser ist, Sie warten auf den nächsten X3-Umbau, den ich ab Ende Januar 2008 durchführen werde. Dieser wird auch in meinem 4. Buch beschrieben werden, das z. Z. in Planung ist.

Montag, 18.12.2006 - die Maschine kommt zum ersten Mal an

Leider hat der LKW keine Ladebordwand, obwohl ArcEurotrade das auf unseren Wunsch ausdrücklich veranlaßt hat. Ich schicke den Fahrer erst mal weg und sage ihm, er soll mit einer Entlademöglichkeit wiederkommen.

Mittwoch, 20.12.2006 - die Maschine kommt zum zweiten Mal an

Jetzt hat der LKW eine Ladebordwand. Die Maschine wird abgeladen und mit dem Hubwagen in das Lager meiner Firma gefahren. Natürlich wird die Transportkiste sofort geöffnet. Hier steht sie in ihrer ganzen Pracht:








Egbert Theisen kommt am Nachmittag, um sich die X3 anzusehen. Wir sind beide begeistert vom Aussehen der Maschine, viel besser, als erwartet. In der Zwischenzeit habe ich einen Werkstattkran bestellt, um besser mit der Maschine und deren Teilen hantieren zu können.

Sobald der Kran eintrifft, geht es weiter!

Donnerstag, 28.12.2006 - der Kran ist eingetroffen

Die Maschine wird mit dem Hubwagen in meine Werkstatt gefahren. Vorher habe ich den Werkstattkran zusammengebaut. In der Werkstatt hängen wir die Maschine an den Kran und heben sie auf den beweglichen Arbeitstisch. Zum Aufhängen benutzen wir einen kräftigen Spanngurt.





Weil sich die Tischplatte doch etwas biegt, legen wir Querträger aus Stahl unter. Damit kommt auch das Handrad für die Z-Achse frei, das sonst auf dem Tisch aufliegen würde. Für die endgültige Aufstellung der Maschine gibt es verstellbare Füße, die in die Basis eingeschraubt werden.



Nach dem Abnehmen der hinteren Verkleidung kommt die Elektrik und das Kegelradgetriebe für den Antrieb der Z-Achse zum Vorschein.

Samstag, 6.1.2007 - die Maschine wird zerlegt

Was jetzt folgt, ist keine Zerlegeanleitung. Wenn Sie selbst Hand anlegen wollen, sollten Sie sich die Anleitung auf der Homepage von ArcEurotrade ansehen.

Als erstes demontieren wir den Antrieb und die Elektronik. Das geht am besten mit zwei Leuten. Dazu entfernen wir zunächst die Haube mit dem Notschalter . Diese ist mit vier Innensechskantschrauben SW3 befestigt. Die Schrauben lösen wir nur, die Haube können wir dann zur Rückseite der Maschine schieben und abnehmen. Dann entfernen wir den Borfutter-Schutz. Die Haube über dem Spindelgehäuse nehmen wir ab (vier Innensechskantschrauben SW4) und entfernen das Zahnriemenrad am Getriebeeingang und danach den Zahnriemen. Wir entfernen die Motorschrauben, dabei fällt mir eine durch die Lüftungslöcher in den Motor (grrrr). Ich nehme den Motor ab und halte ihn fest. Währenddessen hat Egbert hinten die Erdungskabel von der Säule abgeschraubt und zwei Schrauben auf der Oberseite der Abdeckung und zwei Schrauben unten an der Abdeckung entfernt. Nun nehmen wir das ganze Elektronikgehäuse, sowie den Motor und das restliche Zeug ab und legen es zur Seite.



Maschine ohne Elektronik und Motor



Die Maschine von hinten ohne den Elektronikkasten. Rechts sieht man die Gasfeder, die das Gewicht des Fräskopfes kompensiert.



Der Fräskopf ist ziemlich schwer und hängt deshalb am Kran. Ohne Kran sind zwei Leute notwendig, die den Kopf halten und einer, der die Schrauben entfernt. Der Kopf ist mit vier Innensechskantschrauben am Schlitten der Z-Achse befestigt.



Der Schlitten der Z-Achse



Hier schraube ich gerade die Seitenteile ab, die den Schlitten mit der Spindelmutter verbinden. Das war leider zu voreilig. Der Schlitten muß zuerst so weit hochgekurbelt werden, bis die Gasfeder entlastet ist (man merkt das daran, dass sie "schlackert"). Anderenfalls verkantet die Gasfeder, die nur an einer Seite angreift, die Spindelmutter, so dass die Spindel kaum noch zu drehen ist.



Hier ist die Spindelmutter ganz oben. Die Schraube rechts hält die Gasfeder.



Die Z-Spindel wird abgenommen. Dazu ist etwas "Überzeugungsarbeit" nötig, weil die Lagergehäuse mit Paßstiften auf der Säule sitzen.



Die Säule ist schon abgenommen (vier Sechskantschrauben), ich schraube gerade die hintere Lagerplatte für die X-Spindel los.



Die Basis mit den Führungen der Y-Achse. Das Zerlegen bis zu diesem Stadium hat 1,5 Stunden gedauert.



Wir prüfen die Auflage der Y-Spindelmutter im Verhältnis zu den Führungen der Y-Achse. Da gab es bei den früheren Versionen der X3 Probleme. Diese ist absolut parallel!



Gleiche Prüfung für die Mutter der X-Achse. Auch hier kein Problem.



Die Basis von unten. Kein besonders erhebender Anblick.



Die Baugruppen der Maschine auf der Werkbank.



Vermessen des Y-Schlittens auf der Richtplatte. Die Führungen sind absolut gerade, ohne Höhenabweichungen.



Hier messe ich, ob der Tisch rechtwinklig zur Y-Achse steht. Dazu benutze ich einen großen Winkel der Güteklasse 1, an der mittleren T-Nut angelegt und festgespannt. Die Messuhr liegt am Schenkel des Winkels an. Beim Verschieben des Tisches auf der Y-Achse würde eine Abweichung vom rechten Winkel an der Messuhr sichtbar. Die Abweichung ist geringer als 0,02 mm.



Messen der Höhenabweichung des Tisches über seinen Fahrweg in der X-Achse. Die Abweichung beträgt 0,02 mm. Nach DIN 8615 sind 0,03 mm zulässig.



Messen der Höhenabweichung des Tisches über seinen Fahrweg in der Y-Achse. Die Abweichung beträgt 0,01 mm. Nach DIN 8615 sind 0,02 mm zulässig.



Messen der Parallelität der mittleren T-Nut zum Fahrweg der X-Achse mit eine Fühlhebel-Messuhr. Die Abweichung beträgt 0,02 mm. Nach DIN 8615 sind 0,02 mm zulässig.
Die Maschine scheint also eine gute Basis für den Umbau zu sein. Wenn nicht, wäre es jetzt auch zu spät!

Samstag, 20.1.2007 - der Fräskopf wird zerlegt

Zur Zeit bin ich damit beschäftigt, die Teile für den Umbau zu konstruieren und zu zeichnen. Allerdings haben wir uns in der Zwischenzeit mit dem Fräskopf beschäftigt, den Egbert zerlegt hat. Weil wir einen Drehstrommotor mit direktem Zahnriemenantrieb zur Spindel einbauen wollen, brauchen wir die Getriebe-Innereien des Fräskopfes nicht mehr und haben sie ausgebaut. Wir versprechen uns von dieser Maßnahme mehr Kraft, höhere Drehzahlen (mindestens 3.000 1/min) und einen wesentlich leiseren Lauf der Maschine.

Die Spindelllager hat Egbert zerlegt und gereinigt, das war auch bitter nötig. Dem Dreck in den Lagern nach zu urteilen, wird die Maschine in China im Kohlenkeller montiert. Die ausgebaute Spindel haben wir auf Rundlauf geprüft, dazu haben wir in den Morsekonus einen Reduzier-Konus gesteckt und darauf die Messuhr gesetzt. Der Seitenschlag beträgt lediglich 0,01 mm.





Freitag, 2.2.2007 - Motor und Frequenzumrichter sind da



Den Motor haben wir von www.motor-Mauer.de. Es ist der Typ TE QS 71M-2B mit 0,55 KW und 3.000 1/min. Der Motor kostet 60,52 € plus Versand und MwSt. Den Frequenzumrichter neben dem Motor habe ich in eBay ersteigert. Es ist ein 0,75 KW-Typ von AC-Tech. Preis war 65,- € plus Versand. Der Umrichter war brandneu und originalverpackt. Der geringe Preis erklärt sich aus der Tatsache, dass der Umrichter an Drehstrom angeschlossen werden muss. Weil Egbert Drehstrom in der Werkstatt hat, spielt das keine Rolle.

Den ausgebauten Motor und die Elektronik werde ich in eBay versteigern, ich hoffe, damit die Kosten für Motor und Frequenzumrichter zum Teil zu kompensieren.



Der Motor kommt natürlich anders herum auf den Fräskopf ;-))

Mittwoch, 21.2.2007 - Der Arbeitsplatz ist fertig



Egbert hat schon mal das Untergestell für die Maschine gekauft und einen Schrank für Computer und Steuerung gebaut. Der Auszug für die Tastatur (19 Zoll) ist aus eBay.

Freitag, 23.2.2007 - Die Zeichnungen sind fertig

Mancher mag glauben, dass wir wochenlang auf der faulen Haut gelegen haben. Dem ist natürlich nicht so. Ich habe in der Zwischenzeit die Konstruktionszeichnungen fertiggestellt und das nötige Material bestellt. Egbert hat schon mal an den Motorkupplungen gearbeitet. Sobald das Material eingetroffen ist, geht es weiter. Die Zeichnungen finden Sie übrigens im Downloadbereich.

Samstag, 03.03.2007 - Material ist da, erste Teile werden gefertigt

In der Woche vor dem 3.3. haben die meisten Lieferanten geliefert. Das Halbzeug von Wilms Metallmarkt ist noch nicht ganz komplett, aber es kann losgehen. Übrigens wird nicht das ganze Material für den Umbau gebraucht, ich kaufe gerne mal auf Vorrat.



Als erstes soll das Riemengehäuse der Y-Achse (Teil XY-01 in der Stückliste) auf der Wabeco CNC-gefräst werden. Dazu habe ich mit Filou aus der Zeichnung ein G-Code-Programm erzeugt, das dann mit Mach3 ausgeführt wird und zur Probe zunächst das Teil aus MDF herausfräst.





Und passt!

Nach einigen Korrekturen und Verbesserungen im Programm entsteht das endgültige Teil aus einer Alu-Rechteckstange mit dem Querschnitt 80 x 20 mm.



Die Innenkonturen sind hier schon fertig, jetzt wird der Außenumriss geschruppt.



Und schließlich geschlichtet.



Das fertige Teil zur Probe montiert. Rechts das noch nicht bearbeitete Zahnriemenrad für die Spindel der Y-Achse, links das Ritzel, das auf der Motorkupplung sitzen wird. Die Kugellager werden Teil des Riemenspanners. Links wird der Schrittmotor angebracht, der unter dem Tisch Platz findet. Zwischen dem Riemengehäuse und dem Sattel wird noch der Halter für die Endschalter (XY-02.1) montiert, der als nächstes Teil dran ist.

Nebenbei, während die CNC-Maschine lief, habe ich noch die neuen Antriebsteile für die Frässpindel angefertigt.



Das Zahnriemenrad für die Frässpindel (SP-03) Spindel wird zunächst im 4-Backen-Futter zentriert. Nachdem ich das Foto gemacht habe fand ich raus, dass es besser ist, die Backen des Futters AUF die Zähne zu setzen, nicht dazwischen. Das Zentrieren geht so leichter. Anschließend habe ich das Zahnriemenrad auf 46 mm Innendurchmesser ausgedreht und die Zähne des originalen Antriebszahnrades abgedreht.



Danach habe ich das Zahnriemenrad mit Loctite 603 auf die verbliebene Zahnradnabe aufgepresst. Hier ist es schon montiert:



Anschließend habe ich das Ritzel für die Motorwelle auf 26 mm ausgedreht (SP-04). Dort hinein passt dann der Spannsatz SP-06, mit dem das Ritzel auf der Motorwelle befestigt wird. Obwohl der Spannsatz relativ teuer ist (ca. 20,- €) spart er doch Geld, ich hätte sonst eine Stossräumnadel für die Keilnut kaufen müssen. Wer eine entsprechende Räumnadel für 5 mm breite Keile hat, kann stattdessen natürlich eine Keilnut in das Ritzel stossen.



Freitag, 09.03.2007 - Schrittmotoren sind angekommen



Nanotec hat die Schrittmotoren geschickt. Noch schlafen sie unschuldig in ihrer Wiege....



Natürlich war auch die CNC-Fräse nicht untätig. Hier im Bild der Prototyp des Antriebsgehäuses für die X-Achse, das am linken Ende des Maschinentisches befestigt wird. Das Handrad bleibt am rechten Ende.



Hier mal die Gehäuse für X- und Y-Antrieb mit den Schrittmotoren provisorisch angeschraubt. An der Y-Achse erkennt man den Prototyp des Halters für die Endschalter, der geichzeitig für den nötigen Abstand des Y-Antriebs vom Sattel sorgt. Ohne den Halter wäre der Y-Fahrweg um 25 mm kürzer.



Hier ist gerade das Antriebsgehäuse für die X-Achse fertig CNC-gefräst



Das Antriebsgehäuse der X-Achse probeweise montiert. dahinter liegt das Teil nochmal, für meine Maschine, die ich demnächst aufbaue. Dahinter der Prototyp aus Holz.



Mein CNC-Arbeitsplatz mit der Wabeco.

Mittwoch, 21.03.2007 - Spindel der Y-Achse wird montiert

Mittlerweile sind die meisten Teile für den X- und Y-Antrieb fertiggestellt, die fast alle auf meiner Wabeco CNC gefräst wurden. Die Kugelgewindespindel für die Y-Achse ist ebenfalls fertig gedreht, was nicht einfach war, weil die Spindel einsatzgehärtet ist. Mit einem Drehstahl mit Hartmetall-Wendeplatte ist aber die Bearbeitung auf einer etwas kräftigeren Drehbank möglich. Alternativ kann man die Gewindegänge vor dem Drehen herunterschleifen.
Um die neuen Bohrungen für die Kugelgewindemutter an der richtigen Stelle zu positionieren, haben wir eine Schablone benutzt, die die gleiche Breite und die Befestigungsbohrungen wie wie die Mutter hat. Ein Blech in der richtigen Breite sorgt für rechtwinklige und mittige Ausrichtung der Schablone.



Auf dem folgenden Bild sind die Bohrungen angesenkt.



Nun geht es auf die Ständerbohrmaschine. Im Bild sieht man schon das Ansenken der Bohrungen auf der Unterseite mit einem Flachsenker. Das ist nötig, weil der Guss hier sehr uneben ist und die Schraubenköpfe sonst keine vernünftige Auflage hätten.



Hier das Senken in der Nahaufnahme. Natürlich geht das alles auch mit einer Handbohrmaschine, etwas Sorgfalt vorausgesetzt.



Um die Mutter in der richtigen Höhe zu montieren, werden Zwischenlagen aus Messingblech benötigt. Diese haben wir wieder unter Zuhilfenahme der Schablone hergestellt.



Die Mutter wird dann von unten befestigt.



Nun kommt der diffizile Teil, das Einschrauben der Spindel in die Mutter. Vorher haben wir die Schmutzabsteifer in das Mutterngehäuse eingesetzt. Um das Einschrauben zu ermöglichen, ist am Ende der Spindel ein kurzer Absatz mit 10 mm Durchmesser gedreht, der genau in die Schutzhülse der Mutter passt. Die Schutzhülse darf allein nicht entfernt werden, sonst fliegen die Kugeln durch die Werkstatt.



Hier ist die Spindel in die Mutter eingeschraubt. Beachten Sie die Verlängerung des Schmiernippels nach hinten durch ein Stück durchbohrten Rundstahl.



Donnerstag, 22.03.2007 - Alles dreht sich, alles bewegt sich

Nachdem die Kugelgewindemutter montiert ist, kommt der Riemenantrieb dran. Hier sieht man ihn, ohne Abdeckplatte und ohne vorderen Lagerschild. Das Kabel für Endschalter und Referenzschalter ist schon eingezogen, weil das später nicht mehr möglich wäre.



Die Abdeckplatte mit den exzentrisch gelagerten Spannrollen, die von außen einstellbar sind.



Hier ist alles komplett montiert. Der Probelauf kann beginnen.



Erst mal ein Versuch, wie viel Kraft die Maschine beim Vorschub entwickelt. Dazu haben wir eine Federwage am Maschinentisch und am Sockel befestigt und den Tisch in Y-Richtung weggefahren. Die Waage zeigt 24,28 Kg an, das entspricht rund 250 N. Die Waage würde auch mehr anzeigen, bei 25 Kg ist aber Schluss, dann springt sie auf Null. Wir werden den Versuch später mit einer stärkeren Federwaage wiederholen. Allerdings sind auch 250 N eine stramme Leistung, wer es nicht glaubt, soll mal an einer Federwaage 25 Kg ziehen oder einen Sack Putzmörtel heben. Und das alles mit Schrittmotoren, die nur ein Drehmoment von 0,88 Nm haben. So viel für alle, die immer glauben, man brauche riesige Schrittmotoren für eine Fräsmaschine.



Um für den Test der Eilganggeschwindigkeit etwas schwierigere Verhältnisser zu schaffen, haben wir der X3 den Tisch und den Sattel einer anderen Fräsmaschine aufgeladen. Damit können wir einen Eilgang von 2.000 mm/min erreichen. Für eine Maschine dieser Größe ist das völlig in Ordnung. Wir werden im Betrieb auf 1.500 mm/min reduzieren, weil sonst das Handrad entweder demontiert oder ausgewuchtet werden müßte. Durch die Kurbel hat das Handrad eine recht starke Unwucht, die bei höheren Geschwindigkeiten die ganze Maschine vibrieren läßt. Immerhin dreht es sich bei 2.000 mm/min mit 800 U/min. Der Motor dreht dabei mit 1.600 U/min, eine Drehzahl, die sich mit großen Motoren kaum erreichen läßt.

Es hat sich auch herausgestellt, dass das Auskuppeln der Schrittmotoren im Handbetrieb völlig überflüssig ist. Die verwendeten Motoren ST5818S3008 von Nanotec haben ein praktisch nicht fühlbares magnetisches Rastmoment und lassen sich stromlos sehr leicht drehen. Damit ist fast kein Unterschied zwischen ein- und ausgekuppeltem Motor feststellbar. Wieder um eine Erfahrung reicher....



Wir haben dann als Dauertest die Y-Achse im Eilgang ca. 500 mal hin- und herfahren lassen. Dabei hat es keinen einzigen Aussetzer gegeben. Weil der Betrieb pausenlos war und damit die Stromabsenkung keine Wirkung hatte, erhitzte sich der Motor auf ca. 70°. Das ist aber kein Problem.

Während des Dauerlaufs habe ich dann die Spindel für die X-Achse gedreht. Das Handrad-Ende sehen Sie hier:



Und hier das Antriebs-Ende mit dem Nadellager und dem Lagergehäuse.



Montag, 26.03.2007 - Nun fährt auch die X-Achse

Weil das mit aufgesetztem Maschinentisch schwierig werden würde, haben wir erst einmal die Endschalter der X-Achse montiert und das Kabel verlegt.



Hier nochmal von vorne.



Das Riemengehäuse der X-Achse ist vorbereitet. In der großen Öffnung ist das Nadellager der Kugelgewindespindel zu sehen.



Der Deckel ist mit dem Riemenspanner bestückt.



Mit verschiedenen Zwischenlagen wird die Bohrschablone für die Kugelgewindemutter auf dem Sattel positioniert und die Löcher angebohrt.



Fertig gebohrt wird das Ganze auf der Ständerbohrmaschine.



Um die Mutter in der richtigen Höhe einzubauen, wird zunächst die Kugelgewindespindel waagerecht ausgerichtet. Am Handradende ist die Höhe durch Paßstifte vorgegeben. Am Antriebsende ist eine Justage möglich, weil die Befestigungsbohrungen im Riemengehäuse größer als 6 mm sind.



Eine etwas zu dünne, provisorische Zwischenlage ist zwischen Mutter und Sattel eingefügt. Mit Fühlerlehren wird der korrekte Abstand ermittelt und eine genau passende Zwischenlage angefertigt.



Danach ziehen wir die Befestigungsschrauben der Mutter an. Alle läuft bestens und ohne zu klemmen.



Fertig. Tisch und Sattel sind auf die Y-Führungen aufgesetzt. Der Probelauf zeigt, dass alles einwandfrei funktioniert.



Hier steht der Tisch (die X-Achse) in der Nullposition. Die Y-Achse steht am positiven Endanschlag.



Hier steht der Tisch am positiven Endanschlag. Die gute Nachricht ist, dass die Verfahrwege durch den Umbau nicht geringer geworden sind, im Gegenteil, wir haben in beiden Achsen noch etwas Weg gewonnen.



So, nun müssen erst wieder eine Menge Teile auf der CNC-Fräse angefertigt werden.

Sonntag, 01.04.2007 - Der Kreuztisch ist fertig

Nachdem der Test beider Achsen erfolgreich verlaufen ist, haben wir noch einige elektrische Arbeiten ausgeführt. Die folgenden zwei Bilder zeigen den Anschluß eines Motorkabels.





Hier sieht man die Endschalter und die Lichtschranke für die X-Achse.



Das gleiche für die Y-Achse.





Im folgenden Bild ist der Halter für die Endschalter und den Referenzschalter der Y-Achse montiert. Auf dem Sockel der Maschine ist ein rechteckiger Stift befestigt, der einerseits den jeweiligen Endschalter der Achse betätigt und andererseits den Strahl der Lichtschranke unterbricht, wodurch das Referenzsignal erzeugt wird. Die Position dieses Stiftes ist sehr kritisch und muß genau ermittelt werden.
Der Fortsatz nach oben am Enschalterhalter mit den zwei Bohrungen sollte als Befestigung für eine Energiekette dienen. Das hat sich leider als Fehlkonstruktion herausgestellt und der Fortsatz mußte entfernt werden, weil er mit dem Motor der X-Achse kollidierte.



Das Motorkabel der Y-Achse, sowie die Kabel der End- und Referenzschalter für X- und Y-Achse sind sauber in einer Energiekette geführt. Das Ende der Kette wird an der Säule der Z-Achse befestigt, sobald diese montiert ist.



Ganz wichtig sind solide mechanisch Anschläge für die Achsen, damit im Fehlerfall die Endschalter nicht beschädigt werden. Für den hinteren Anschlag der Y-Achse ist das ein Bolzen, der in den Sockel geschraubt ist. Der vordere Anschlag wird durch einen passenden Aluminiumring gebildet, der auf einen Stellring aufgepresst ist. Der Stellring ist wiederum mit einer Madenschraube auf der Kugelgewindespindel befestigt.
Bei der X-Achse sind es am Tisch befestigte Bolzen, die an den Endschalterhalter anschlagen. Diese sind auf anderen Bildern zu sehen.



Damit ist das "Hin" und "Her" fertig, jetzt geht es ans "Rauf" und "Runter"!

Samstag, 07.04.2007 - Die Arbeit geht an der Z-Achse weiter

Während ich an Teilen für die Z-Achse arbeite, hat Egbert den Sockel und den Spindelkopf der Maschine zum Lackieren vorbereitet. Dazu hat er alle überflüssigen Öffnungen mit Alublech, bzw. Alustopfen verschlossen. Weil die Maschine ja einen anderen Antrieb bekommt, sind viele Öffnungen überflüssig geworden.



Das Antriebsritzel wird auf der Achse des Schrittmotors mit einer Madenschraube befestigt. Dazu muß eine kleine Fläche auf die Achse gefeilt werden. Damit keine Stahlspäne in den Motor gezogen werden (starkes Magnetfeld!) habe ich einen O-Ring über die Achse gezogen, der anschließend wieder entfernt werden muss.



Hier nun die Teile des Motorträgers. Das rechte Teil ersetzt das bisherige obere Spindellager und benutzt die vorhandenen Bohrungen für die Befestigungsschrauben. In die Öffnung kommt ein Nadellager, das den seitlichen Zug des Zahnriemens aufnimmt, aber einen Längenausgleich der Kugelumlaufspindel erlaubt. An das neue Spindellager wird der Motorträger geschraubt.



Hier ist beides verbunden. Man sieht rechts deutlich den Endschalter. Das rote, schwarze, blaue und gelbe Kabel geht zur Lichtschranke des Referenzschalters.



Das Ganze von der anderen Seite. Beachten Sie die Lichtschranke.



Die Endstücke der Kugelumlaufspindel. Die Spindel ist nicht bearbeitet, sondern nur auf Länge geschnitten und in jedes Ende eine genau zentrisch laufende Bohrung mit 10 mm Durchmesser eingebracht. Darin werden die Endstücke mit Locite befestigt. So spart man sich das mühsame Bearbeiten der gehärteten Spindel.



Der originale Halter der Spindelmutter mit einer Hülse für die um 2 mm dünnere Kugelgewindemutter. Diese ist bereits eingesetzt. Weil wenig Platz ist, mußte die Befestigungsschraube abgesägt und bündig gefräst werden.



Der Mutternhalter von der anderen Seite.



Im folgenden Bild ist der untere Lagerbock für die Spindel zu sehen. Ursprünglich wird die Spindel radial durch eine Bohrung im Lagerbock geführt, axial durch zwei einstellbare Drucklager. Weil ich eine Lagerung mit weniger Reibung wollte, habe ich die Unterseite des Lagerbocks aufgebohrt und ein normales Kugellager eingesetzt. Dieses übernimmt die radiale Führung. Oben sitzt weiterhin ein Drucklager, das das Gewicht des Fräskopfes aufnimmt.



Montag, 09.04.2007 - Die Z-Achse bewegt sich

Der Antrieb ist montiert. Zum Test steht die Säule verkehrt herum senkrecht auf dem Tisch und wird mit Schraubzwingen gehalten.



Die am Schlitten des Fräskopfes befestigte Spindelmutter. Der Schmiernippel dient dem gelegentlichen Ölen der Mutter.



Alle Teile der Maschine nach dem erfolgreichen Probelauf. Sockel und Fräskopf sind noch beim Lackierer.



Die Teile von oben. An der Säule ist die Abdeckung montiert. Den originalen Elektronikkram haben wir ausgebaut. Um Platz für den Antrieb zu schaffen, mußten wir die Abdeckung oben etwas ausschneiden. Als nächstes bauen wir die neue Elektronik. Diese wird etwas aufwendiger, weil auch zwischen Handbetrieb und Computersteuerung umgeschaltet werden soll.



Mittwoch, 18.04.2007 - Die Teile sind vom Lackierer zurück

Nachdem Egbert aus den Osterferien zurück ist, sind auch die neu lackierten Teile da. Als erstes machen wir nun den Fräskopf fertig. Weil wir eine Rückmeldung der Spindeldrehzahl haben wollen, muß ein entsprechender Sensor her. Den gibt es in Form eines Hallsensors, der auf ein Magnetfeld reagiert. Das Magnetfeld realisieren wir in Form eines kleinen Magneten, der in das Zahnriemenrad (aus Aluminium, Stahl oder Guss würde nicht gehen) einlassen. Der Sensor selbst ist sehr klein, ungefähr wie ein Steichholzkopf, deshalb passt er in eine Kabelverschraubung und wird darin festgeklebt. Die Kabelverschraubung ist in einem M12x1,5 Gewinde des Deckels befestigt. Ganz wichtig ist die richtige Polarität des Stabmagneten. Da man es dem Magneten nicht ansieht, an welcher Seite der Nordpol ist, hilft nur ein Versuch. Dazu baut man sich eine Versuchsschaltung mit dem Hallsensor auf und markiert anschließend das Ende des Magneten, auf das der Sensor reagiert.







Hier der Testaufbau mit montiertem Antriebsmotor.



Weil im Sensor ein Schmitt-Trigger integriert ist, zeigt der Oszillograf sehr saubere Impulse. Bei rund 1.500 1/min der Spindel sind das 25 Hz.



Hier der fertige Fräskopf.



Der Kopf von der anderen Seite.



Mittwoch, 25.04.2007 - Die Maschine ist wieder zusammengebaut



Nachdem nun alle Baugruppen fertig waren, haben wir die Maschine wieder zusammengebaut. Das ging recht gut, nur die Endstücke der Gasfeder mußten wir etwas kürzen. Auch ohne Gasfeder hat es der kleine Schrittmotor geschafft, den Kopf herauf- und herunterzufahren, allerdings nicht in Eilgang-Geschwindigkeit. Mit der Gasfeder erreichen wir 1.500 mm/min. Mehr haben wir nicht probiert, das ist bei einem Verfahrweg von 260 mm schnell genug. Der manuelle Antrieb der Z-Achse ist noch nicht fertig, das Handrad ist nur provisorisch aufgesteckt. Als nächstes kommt die Elektrik dran.

Mittwoch, 25.04.2007 - Die Maschine ist fertig!



Das sind die elektronischen "Innereien" der Maschine. Links unten der Frequenzumrichter, in der Mitte die Maschinen-Schnittstelle und oben die Karte der Spindelsteuerung mit einer Unzahl von Relais. Die Spindelsteuerung dient dazu, im manuellen Betrieb die Frässpindel im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn einzuschalten, auszuschalten und die Drehzahl einzustellen. Acht der Relais dienen dazu, die Schrittmotoren im manuellen Betrieb von der Steuerung zu trennen. Weil jeder Schrittmotor auch als Generator wirkt, speist er eine recht hohe Spannung in die Endstufen ein, wenn er von Hand gedreht wird. Damit nicht immer die Stecker herausgezogen werden müssen, haben wir diese Funktion eingebaut.



Der Anschluß der Schrittmotoren und der End-/Referenzschalter von außen. Dazu haben wir ein separates Anschlußpanel mit den Steckbuchsen auf einen Ausschnitt in der Verkleidung der Z-Achse montiert. Ganz oben ist der Anschluß an die Steuerung über ein 25poliges Computerkabel, darunter sind die Buchsen für den Werkzeuglängensensor, die Motoren der X-, Y- und vierten Achse, sowie den Referenzschalter der vierten Achse. Dann folgen zwei DB9-Buchsen für die End- und Referenzschalter der X- und Y-Achse. Ist zwar etwas aufwendig, bewährt sich aber später, wenn mal der Tisch mit den Antrieben demontiert werden muss.



Hier nun die fertige Maschin in ihrer ganzen Pracht. Links am Fräskopf das Bedienteil für den manuellen Betrieb. Unten die Schalter für Rechtslauf, Linkslauf und Stop, in der Mitte der Drehzahlsteller, links oben der Not-Aus (wirkt auch im automatischen Betrieb auf alle Schrittmotoren) und rechts daneben der Umschalter von Automatik auf manuellen Betrieb.

Beim Test der fertigen Maschine hatten wir noch einen massiven Frustrationsschub, weil die Schrittmotoren immer wieder unkontrolliert aussetzten. Ich glaubte bereits, dass sich die Motoren doch als zu schwach erweisen würden und dachte bereits über einen Austausch nach. Glücklicherweise hat mich Egbert aber wieder heruntergeholt und darauf bestanden, dass wir erst mal mit einer anderen Steuerung und einem anderen Computer testen. Es hat sich dann herausgestellt, dass mein neuer Computer die Probleme verursachte. Mit meinem alten, bewährten Computer und Egberts Steuerung läuft die Maschine bereits seit mehreren Stunden problemlos im Dauertest.
Nachdem ich mit dem selben Computer beim Test der X1 die gleichen Probleme hatte, weiß ich, dass er für Mach3 einfach ungeeignet ist.



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