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CNC V0.6

Das Video zum Kapitel


Upgrade auf Version 0.6.1


Fragen zu den Antrieben meiner CNC-Maschinen können im Kapitel zu Rotationssensoren gestellt werden.

Teileliste

Bauteil Anzahl Bemerkung
Arduino Uno 1 ca. 25,-€
Standardservo 1 ca. 10,-€
H-Brücken 2 Auf den beiden verwendeten Platinen befinden sich je 2 H-Brücken mit einem L298N Chip. Circa 15,-€ pro Platine.
Gabellichtschranken
8738 / H22A3
oder
V69435 / TCST 2103
oder
V69735 / TCST 2103
4 Unter 2,-€ pro Stück
Gewindestangen 3mm x 1m 2 Antrieb
Spanplatte 19 oder 20mm stark etwa 80x150cm 1 40,-€
Aluminiumprofil 40x40mmx400mm, 3mm stark 6 (2.40m insgesamt) 15,-€
Führungen Antrieb
Rollen 30mm 8 15,-€
Führungen Antrieb
Locheisen 1 10,-€
Epoxidharz 1 10,-€
Kleinteile wie Schrauben, Kabel etc. ?  
Gesamtkosten unter 160,-€

Bauanleitung

CNC Maschine V0.6 - Grundgestell
Abbildung 1:
Zuschnitte der Holzteile.


CNC Maschine V0.6
Abbildung 2:
Gebaut wird wieder mit 19mm Spanplatten - Reste einer alten Kiste, die ich für die CNC-Maschinen zersäge. Die Grundplatte hat die Abmessungen 40x60cm.
CNC Maschine V0.6 - Seitenteile
Abbildung 3:
Die Seitenteile.
CNC Maschine V0.6 - Grundgestell
Abbildung 4:
Unterseite.
CNC Maschine V0.6 - Grundgestell
Abbildung 5:
Das Grundgestell.
CNC Maschine V0.6 - vertikale Achse
Abbildung 6:
Beweglicher Teil der vertikalen Achse.
CNC Maschine V0.6 - horizontale Achsen
Abbildung 7:
Die Führungsschienen sind stabiler als bei CNC v0.5 und bestehen aus Aluminiumprofilen der Abmessungen 40x40x2mm.
CNC Maschine V0.6 - horizontale Achsen
Abbildung 8:
Die Platte für die X-Achse mit den Führungsschienen der Y-Achse.
CNC Maschine V0.5 Befestigung Gewindestangen
Abbildung 9:
Der Antrieb erfolgt über 3mm Gewindestangen. An zwei Stücke Lochblech werden Messingmuttern gelötet. Die Materialkombination aus Eisenstange und Messingmutter sorgt für geringeren Verschlei▀ als bei der Verwendung einer Eisenmutter. Messing ist weicher als Eisen es werden daher im Betrieb die Messingmuttern abgerieben während die Gewindestangen intakt bleiben. Die Muttern müssen daher eventuell von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden.
CNC Maschine V0.6 - Mechanik
Abbildung 10:
Der zweite Streifen Lochblech wird derart verschraubt, dass das Spiel möglichst gering ausfällt. Je weniger Spiel, um so mehr Reibung. Die richtige Einstellung ist also immer ein Krompromiss zwischen kleinem Spiel und damit einhergehend weniger leichgängigem Antrieb.
Der Schwamm fungiert als Ölreservoir. Die Gewindestange sollte immer gut geschmiert sein, um die Reibung gering zu halten. Die kleine Holzplatte ist daher mit Wach getränkt, damit das Öl nicht in das Holz eindringt.
CNC Maschine V0.6 - Rollen
Abbildung 11:
Die Achsen können prinzipiell auf den Aluschienen gleiten. Um die Reibung zu reduzieren, habe ich 8 Plastikscheiben mit einem Durchmesser von 37mm geschnitten. Als Achse dienen 3mm Schrauben. Als Lager habe ich kurze Stücke Messingröhrchen mit 3mm Innendurchmesser an Lochblech gelötet (links). Alternativ können auch M3er Muttern angelötet werden, deren Innengewinde mit einem 3mm Bohrer herausgebort werden müssen (rechts im Bild).
CNC Maschine V0.6 - Rollen
Abbildung 12:
Anstelle der von mir verwendeten Plastikscheiben sollten besser kleine Rollen, die in jedem Baumarkt erhältlich sind, verwendet werden. Selbst die billigen Rollen sind von besserer Qualität als die selbstgefertigten Räder. Optimal sind Kugellager.
CNC Maschine V0.6 - Führung
Abbildung 13:
Die Führung entlang der Mittelschiene ist im Vergleich zu v0.5 leicht abgeändert. Kleine Stücke 3mm Faserplatte (dicker Karton geht bestimmt auch) sind an einem Aluwinkel beziehungsweise an einem Nagelkopf festgeklebt. Die Führungsschiene gleitet zwischen den Stücken Faserplatte.
CNC Maschine V0.6 - Führung
Abbildung 14:
Beim Ankleben der Winkel mit einer Leiste dafür sorgen, dass diese gerade ausgerichtet sind.
CNC Maschine V0.6 - Führung
Abbildung 15:
Die Unterseite der Platte der X-Achse. Beim Upgrade auf Version 0.6.1 habe ich die selbstgeschnittenen Plastikscheiben gegen Rollen aus dem Baumarkt mit 30mm Durchmesser ausgetauscht.
CNC Maschine V0.6 - Führung
Abbildung 16:
Die Unterseite der Platte der Y-Achse.
CNC Maschine V0.6 - Führung
Abbildung 17:
Führungsschiene der X-Achse. Mit der Lüsterklemme kann der Nagel so justiert werden, dass kein Spiel zwischen Faserplatten und Führungsschiene besteht. Die Faserplatten gut mit Öl tränken, um die Reibung gering zu halten.
CNC Machine V0.6 - linear guides
Abbildung 18:
Mit dem upgrade auf V0.6.1 habe ich die Aluminiumwinkel der linearen Führungen mit Stücken aus 19mm Spanplatte verstärkt (siehe Abbildungen 15 + 16).
CNC Maschine V0.6 - X- und Y-Achse
Abbildung 19:
Die Platten für die X-Achse und Y-Achse mit Führungsschienen.
CNC Maschine V0.6 - Antrieb
Abbildung 20:
Befestigung der Gewindestange.
CNC Maschine V0.6 - Antrieb
Abbildung 21:
Zur Befestigung des Antriebs habe ich Drahtstücke von einer Büroklammer zurechtgebogen und sowohl an einem Stück der Gewindestange, als auch an dem Zahnrad des Antriebs verklebt.
CNC Maschine V0.6 - Antrieb
Abbildung 22:
Mit den Lüsterklemmen das Spiel möglichst klein halten. Etwas Öl reduziert die Reibung.
Der Motor wird über eine dritte Lüsterklemme mit der Gewindestange verbunden. Dadurch kann der Antrieb leicht ausgewechselt werden.
CNC Maschine V0.6 - Antrieb
Abbildung 23:
Mit Upgrade zu Version 0.6.1 wird die Gewindestange an beiden Enden geführt und mit den Lüsterklemmen etwas vorgespannt. Je mehr Vorspannung, um so weniger Spiel in der Anlenkung, aber um so mehr Reibung. Ich habe die stärkeren Motoren aus einam alten Drucker als Antrieb verwendet, um gegen die höhere Reibung der vorgespannten Gewindestangen "anzukämpfen".
CNC Maschine V0.6 - Vertikale Achse
Abbildung 24:
Die Scharniere für den Mechanismus der vertikalen Achse bestehen aus zwei Streifen Lochblech.
CNC Maschine V0.6 - Vertikale Achse
Abbildung 25:
Mechanismus der vertikalen Achse mit Befestigungsplatte.
CNC Maschine V0.6 - Spaltmaß
Abbildung 26:
Es gibt begnadete Holzarbeiter, die deutlich genauere Sägeschnitte ausführen als ich...
Die Spalte "überbrücke" ich mit 10x10mm Holzleisten.
CNC Maschine V0.6 - Deckplatte
Abbildung 27:
Die Holzteile zur Befestigung des Servos für die Ansteuerung der vertikalen Achse.
CNC Maschine V0.6 - Mechanik
Abbildung 28:
Die (vorläufig) fertige Mechanik.
CNC Maschine V0.6 - Vertikale Achse
Abbildung 29:
Die Teile der Anlenkung für die vertikale Achse.
CNC Maschine V0.6 - Einbau des Servos
Abbildung 30:
Einbau des Servos.
CNC Machine V0.6 - Mechanik
Abbildung 31:
Mit Upgrade auf V0.6.1 I habe ich die vertikale Achse so nah wie möglich am Drehpunkt des Servohebels befestigt.
CNC Maschine V0.6 - Elektronik
Abbildung 32:
Die Elektronik auf der Rückseite des Gehäuses.
CNC Maschine V0.6 - Motorbefestigung
Abbildung 33:
Mit V0.6.1 besitzen die Sensorscheiben 8 Zähne. Daher musste die Bodenplatten etwas ausgeschnitten...
CNC Maschine V0.6 - Motorbefestigung
Abbildung 34:
...beziehungsweise ausgefräst werden.
CNC Maschine V0.6 - Motorbefestigung
Abbildung 35:
Mit Spachtelmasse wird eine Führung des Fräsmotors angefertigt. Das Gehäuse des Motors vorher gut einfetten!
CNC Maschine V0.6 - Schneiden von Plasik
Abbildung 36:
Fertig für die ersten Probestücke aus 3mm Plastik.
CNC Maschine V0.6 - Schneiden von Plasik
Abbildung 37:
Spritzwasser lässt die Spanplatten aufquellen. Vorteilhaft sind daher eine Wanne aus gut lackiertem Sperrholz...
CNC Maschine V0.6 - Schneiden von Plasik
Abbildung 38:
...und ein Spritzschutz aus etwas Lochblech und transparentem Verpackungsmaterial.

Testmuster

CNC Maschine V0.6 - Präzision
Abbildung 39:
Mit einem Kugelschreiber wurde dieses Testmuster geplottet. Verglichen wird der Plot mit einem Ausdruck auf transparenter Folie, die mit einem Tintenstrahldrucker angefertigt wurde.
CNC Machine V0.6 - precision
Abbildung 40:
Das ist das gleiche Testmuster geplottet mit V0.6.1.

Anwendungsbeispiele

CNC Maschine V0.6 - Gravieren von Glas
Abbildung 41:
Glas lässt sich sehr gut gravieren, da hier nur recht geringe Seitenkräfte auftreten.
CNC Maschine V0.6 - Gravieren von Glas
Abbildung 42:
Der Fräsmotor wird dazu in einem schrägen Winkel zur Oberfläche an der vertikalen Achse angebracht. Der Diamantfräser an der Spitze sollte immer gut gekühlt werden. Das Kühlmittel meiner Wahl ist Wasser mit ein paar Tropfen Spülmittel.
CNC Maschine V0.6 - Gravieren und Schneiden von Holz
Abbildung 43:
Holz kann sowohl graviert als auch geschnitten werden. Zu beachten ist, dass der Fräser sich beim tiefen Eintauchen stark erwärmt, wie an der schwarzen Verfärbung der Schnittkante zu sehen ist. Holz sollte daher nur bis zu einer Dicke von 5mm geschnitten werden.
CNC Maschine V0.6 - Bearbeiten von Depron
Abbildung 44:
Depron kann mit einem Lötkolben und einem 1mm Kupferdraht an der Spitze geschmolzen werden. Diese Art der Bearbeitung ist wesentlich leiser. Der Kupferdraht sollte so weit aus dem Lötkolben herausragen, dass die Hitze gerade ausreicht das Depron zu schmelzen. Ansonsten wird die Schnittkante unnötig breit und die Geruchsbelästigung durch verdampfende Kunststoffbestandteile steigt. Unter der zu bearbeitenden Platte befindet sich eine zweite Depron-Platte als Abstandshalter, da der Lötkolben oder Fräser ansonsten in die darunterliegende Holzplatte eintauchen würde. Mit Depron kann die Funktionsweise einer CNC-Maschine gut demonstriert werden. Neben der leichten Bearbeitung ist der günstige Preis ein Vorteil des Materials.
Selbstverständlich kann das Depron auch mit einem Fräser bearbeitet werden.
CNC Maschine V0.6 - Bearbeiten von Plastik
Abbildung 45:
Die Zähne dieser Zahnräder sind rund und werden von der Software nach Eingabe verschiedener Parameter berechnet. Um ein Schmelzen des Plastiks zu verhindern, muss das Material ständig mit Wasser gekühlt werden. Das 3mm Plastik wird in mehreren Stufen durchtrennt. Die Parameter wie Eintauchtiefe und Vortriebsgeschwindigkeit sind materialabhängige Erfahrungswerte. Meine ersten Versuche Plastik zu schneiden, sind gescheitert. Beim Arbeiten mit einer CNC Maschine ist Erfahrung gefragt und mit Ausschuss ist zu rechnen. Die Präzision der Zahnräder ist nicht perfekt, aber dieses Demonstrationsgetriebe funktioniert. Hohen Geschwindigkeiten und starker Belastung halten die Zahnräder aber nicht stand!
CNC Maschine V0.6 - Bearbeiten von Aluminium
Abbildung 46:
Das hier gefräste 1mm Aluminium bringt die Maschine mehr als nur an ihre Grenzen. Das Ergebnis ist allenfalls brauchbar, aber nicht richtig gut. Ich werde versuchen, CNC v0.6 zu verbessern, um dieses Material schneiden zu können - mal sehen, was in Zunkunft noch geht...
CNC Maschine V0.6 - Bearbeiten von Aluminium
Abbildung 47:
Mit V0.6.1 habe ich diese 6cm-Scheibe geschnitten. Das Ergebnis ist selbst mit dem billigen Baumarkt-Bit recht gut. Wer nun aber glaubt, mit dieser Maschine Aluminium "aus dem Vollen" fräsen zu können, sollte einen Blick auf die sehr unsaubere Schnittkante werfen - das ist mit dieser Mechanik keinesfalls möglich!
CNC Maschine V0.6 - Bearbeiten von Aluminium
Abbildung 48:
Die Präzision der Maschine ist nicht gut genug zum Isolationsfräsen. Die hier angedeuteten "Leiterbahnen" besitzen eine Breite von 2mm. Der Durchmesser der Lötpunkte beträgt ebenfalls 2mm. Taucht der Fräser dabei nicht allzu tief in die Platine ein, so bleibt ein dünner Ring zurück. Da die Platine niemals vollkommen plan aufliegt, kommt es in der Breite der Fräsnut zu Abweichungen. Einige der Lötpunkte sind abgerissen, womit das Ergebnis als unbrauchbar zu bezeichnen ist. Zumindest kann man mit der Maschine die ich gebaut habe eine kupferbeschichtete Leiterplatte dekorieren, mehr im Moment aber auch nicht!

Elektronik

CNC Maschine V0.6 - Schaltplan
Abbildung 49:
Schaltplan.
CNC Maschine V0.6 - Verschiedene Antriebe
Abbildung 50:
Werden H-Brücken vom Typ L298N verwendet, so können Motoren mit einem Maximalstrom bis 2A verbaut werden. Der hier zu sehende Antrieb stammt aus einem Tintenstrahldrucker und ist mit bis zu 4mm pro Sekunde schneller als die Antriebe aus den CD-Laufwerken, die nur etwa 3mm pro Sekunde schaffen.

Software

Software CNC Maschine V0.5, Software
Abbildung 51:
Die Software zur Ansteuerung der Maschine ist in C geschrieben und diese wird über die Kommandozeile bedient. Über das Menü kann die Datei mit dem Testmuster angewählt und es können verschiedene Parameter festgelegt werden.
Das unterstützte Vektorformat ist "Scalable Vector Graphics (*.svg)". Dabei sind einige Besonderheiten zu beachten:
Es können keine Flächen sondern lediglich Linien (Pfade) gezeichnet werden. Sämtliche Pfade müssen als "Polygon" vorliegen. Getestet habe ich die Software mit Grafiken, die ich mit Libre Office Draw bearbeitet und exportiert habe.
Den Quellcode der Programme inklusive einiger Beispieldateien und des Schaltplans gibt's in der Rubrik Download.


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