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CNC V3.2.2 - SIMATIC IOT2020 und bipolare Schrittmotoren

Elektronische Komponenten von CNC v3.2.2


Kurze Einführung zu CNC v3.2.2


Fräsen von Linsen mit CNC v3.2.2


Anmerkung zu CNC v3.2.2

Mechanik von CNC v3.2.2
Abbildung 1:
CNC v3.2.2 wird von Siemens und RS Components gesponsort und wurde für die Maker Faire vom 25 bis zum 27. Mai 2018 in Berlin gebaut.
Die Mechanik besteht überwiegend aus 18mm Spanplatten, um eine alternative Bauweise zum Stahlrahmen von CNC v3.2.1 anzubieten. Der Holzrahmen ist einfacher aufzubauen und die Materialien sind günstiger in der Anschaffung.
Als Motoren verwende ich bipolare Schrittmotoren, um auch von der Elektronikseite eine Alternative anzubieten. Als zentrale Recheneinheit kommt eine SIMATIC IOT2020 zum Einsatz. Softwareseitig werde ich eine grafische Benutzeroberfläche über den Webserver "Apache" und G-Code über eine angepasste Version von grbl implementieren.

Teileliste

Die meisten Bauteile habe ich von meinem Sponsor RS Components erhalten, daher verweisen die Links in der Tabelle zu deren Online-Shop.

Mechanik
Bauteil Anzahl RS Teilenummer Bemerkung
Spanfaserplatten 18mm Stärke ca. 4m2   Zuschnittplan im Download-Paket.
Alu-Vierkantrohre 20x20x1000mm, 2mm Wandstärke 18   Eisenrohre können ebenfalls verwendet werden.
Holzschrauben 4x40mm 200 263-1864  
Maschinenschrauben M6 40mm 100 553-712  
Muttern M6 250 525-919  
Muttern M8 100 527-612  
Muttern M10 100 527-628  
Gewindestangen M6 5 530-321  
Gewindestangen M8 3 530-337  
Gewindestangen M10 3 530-343  
Unterlegscheiben M6 200 797-6257  
Unterlegscheiben M8 100 797-6250  
Unterlegscheiben M10 100 122-4395  
Elektronik
Bauteil Anzahl RS Teilenummer Bemerkung
SIMATIC IOT2020 1 124-4037  
Siemens SITOP PSU100S 1 776-7738 12V 14A Ausgangsspannung
RS Pro Hybrid Schrittmotor 2.8A an 2.8V 1 535-0423  
Bauteile Motortreiber
Bauteil Anzahl RS Teilenummer Bemerkung
IC-Motortreiber LV8772-E 2.5A 3 821-3068 Rastermaß 1.78mm
Drahtwiderstand axial, 220mΩ 3W 6 485-1414 Stromsensor
Lochraster-Europlatine 3 206-8648  
Keramikkondensator 180pF 3 133-5673  
Keramikkondensator 0.1μF 12 133-5719  
Elektrolytkondensator 470μF 3 365-4313  
Potentiometer 10kΩ 3 473-473  
Festwiderstand 47kΩ 12 707-8369  
Festwiderstand 10kΩ 3 132-731  
Festwiderstand 2kΩ 3 132-567 Optional für grüne status LED
BS170 N-Kanal MOSFET 3 671-4736 Optional für grüne status LED
LED 5mm grün 3 228-6004 Optional für grüne status LED
Kühlkörper 8.5K/W, 50mm x 21.45mm x 19mm 3 674-4715  


Mechanik

Mechanik CNC v3.2.2
Abbildung 2:
Spanplatten quellen beim Kontakt mit Wasser sehr schnell auf, daher habe ich die Oberfläche mit Kerzenwachs und einem Heisluftgebläse versiegelt.
Mechanik CNC v3.2.2, Wachs-Versiegelung
Abbildung 3:
Etwa 25 Teelichter wurden für die gesamte Mechanik benötigt.
In der Seitenansicht ist zu sehen, dass die Teile 9 und 14 aus der Bauanleitung mit 20x40mm Leisten "verbreitert" wurden. Ich hatte alle Teile aus 300mm breiten Streifen Spanfaserplatten ausgeschnitten. Die beiden Teile können natürlich auch direkt in der passenden Größe zugeschnitten werden.
Mechanik CNC v3.2.2, Kugellager-Befestigungen
Abbildung 4:
Die Kugellager der Linearführungen werden an den Enden von Vierkant-Alurohren befestigt. An den Enden werden zunächst 12mm-Löcher im Abstand von 20mm von den Kanten gebohrt. Anschließend werden mit einer Säge Schnitte bis zu der Bohrung gesägt. An den verbleibenden Laschen wurden zuvor 6mm Löcher für die Achsen der Kugellager gebohrt. Diese Löcher befinden sich nicht mittig, sondern an der Unterkante der Alurohre.
Mechanik CNC v3.2.2, Z-Achsen Motor
Abbildung 5:
Befestigung des Motors der Z-Achse mit Hilfe zweier Zahnräder. Der Motor könnte die M6er Gewindestange auch direkt antreiben,...
Mechanik CNC v3.2.2, Z-Achse
Abbildung 6:
... allerdings ist die Decke in meinem Bastelkeller zu niedrig, weshalb der Motor nicht mehr oben drauf gepasst hätte.
Mechanik CNC v3.2.2, Führungen Y-Achse
Abbildung 7:
Die Führungen der Y-Achse.
Mechanik CNC v3.2.2, Alu-Wanne
Abbildung 8:
Die Bohrungen durch die 0.5mm Aluwanne habe ich mit Silikon-Dichmasse und Unterlegscheiben abgedichtet. Zwei M6er Muttern übereinander dienen als zusätzliche Abstandshalter zwischen Wanne und den 14 quer angeschraubten Trägern.
Mechanik CNC v3.2.2, Unterseite X-Achse
Abbildung 9:
Unterseite des Tisches der X-Achse.
Mechanik CNC v3.2.2, Unterseite Y-Achse
Abbildung 10:
Unterseite des Schlittens der Y-Achse.
Mechanik CNC v3.2.2, Oberseite Y-Achse
Abbildung 11:
Oberseite Y-Achse. M10er Muttern werden als Abstandshalter für die mittlere Führungsschiene verwendet.
Mechanik CNC v3.2.2, Abstandshalter
Abbildung 12:
Je zwei Unterlegscheibenm dienen als Abstandshalter für die mittlere Führungsschiene. An den seitlichen Führungen werden zusätzlich zu den Unterlegscheiben M8er Muttern als Abstandshalter verwendet.
Mechanik CNC v3.2.2, Führung Z-Achse
Abbildung 13:
Die zentrale Führung der Z-Achse ist mit M10er Muttern als Abstandshalter befestigt.
Mechanik CNC v3.2.2, Sammelbehälter Kühlmittelkreislauf
Abbildung 14:
Der Sammelbehälter des Kühlmittelkreislaufs sollte mindestens 2L fassen, ein Stück Schaumstoff fungiert als Filter.
Mechanik CNC v3.2.2, Pumpe Kühlmittel
Abbildung 15:
Die Scheibenwischerpumpe treibt den Külmittelkreislauf an. Diese ist an einem tiefen Punkt der Mechanik befestigt, da die Saugleistung eher klein ist. Der abgehende Schlauch muss einen Bogen machen, der bis zum Boden des Vorratsbehälters geht. Ansonsten läuft die Flüssigkeit komplett zurück in den Sammelbehälter, die Pumpe ist trocken und arbeitet erst wieder, nachdem manuell etwas Flüssigkeit angesaugt wurde.
Mechanik CNC v3.2.2, Motor Y-Achse
Abbildung 16:
Der Motor der Y-Achse ist zwischen zwei Holzstücken eingeklemmt. Bei der zuerst verwendeten schwachen Motorisierung habe ich ein Stück Gummischlauch als Kupplung zu den M6er Gewindestangen verwendet.
Mechanik CNC v3.2.2, Motor X-Achse
Abbildung 17:
Befestigung des Motors der X-Achse. Bei den drehmomentstarken Antrieben verwende ich ein Stück Stahlgewebe ummantelten Schlauch, wie er für Haushalts-Wasserinstallation verwendet wird, als Kupplung.
Der Schaumstoff dämpft die Motorschwingungen und bewirkt, dass die Mechanik deutlich leiser arbeitet. Die Motoren sind nicht fest mit der Mechanik und den Gewindestangen befestigt, sondern können sich längs der Achse und quer dazu bewegen und das muss so sein. Die Mechanik der CNC ist so ausgelegt, dass diese beim Bau nicht auf ein zehntel Millimeter gefertigt werden muss. Die Motoren sind das "lose" Ende der Gewindestange.
Mechanik CNC v3.2.2, festes Ende X-Achse
Abbildung 18:
Fest mit der Mechanik verbunden ist die Gewindestange mit Hilfe zweier Kugellager. Diese werden mit etwas Vorspannung gegen ein Vierkant-Alurohr (X-Achse)...
Mechanik CNC v3.2.2, festes Ende Y-Achse
Abbildung 19:
...beziehungsweise gegen ein Stück 20x4mm Flacheisen gepresst. Die Vorspannung muss mit etwas Gefühl eingestellt werden. Zu wenig bedeutet unnötiges Spiel, zu viel macht den Antrieb zu schwergängig.
Mechanik CNC v3.2.2, fertig
Abbildung 20:
Die Mechanik ist sehr groß, CNC v3.2.2 passt gerade so in meinen Bastelkeller und ist recht sperrig für den Transport zu Makertreffen.

Elektronik

Motortreiber CNC v3.2.2
Abbildung 21:
Die Motorsteuerung habe ich mit Chips vom Typ LV8772 auf Lochrasterplatinen aufgebaut. Die ICs sind für ein Rastermaß von 1.78mm ausgelegt, die Platinen in meinem Vorrat besitzen allerdings das Standardmaß von 2.54mm. Im Prototypenbau gilt: Was nicht passt, wird passend gemacht. Durch entsprechendes Biegen der Pins und Anlöten von Verlängerungen aus Kupferdraht ist die Schaltung mit etwas Fummelei entstanden.
Als externe Komponenten werden lediglich 6 Kondensatoren benötigt, davon ein großer Elektrolytkondensator zur Glätttung der Eingangsspannung, zwei 0.22Ohm 3W-Widerstände dienen als Stromsensoren und ferner werden sechs 0.25Watt Widerstände sowie ein Potentiometer benötigt. Die grüne LED zur Anzeige der korrekten Funktion habe ich als Extra implementiert.
Leistungs-ICs kühl zu halten ist immer sinnvoll, dafür sorgen entsprechende Kühlkörper aus Aluminuim.
Eingestellt wird der Phasenstrom mit Hilfe des 10 Kiloohm Potentiometers. Der maximale Phasenstrom liegt mit 2.5A unterhalb des Maximums der verwendeten Motoren, in der Praxis hat sich aber gezeigt, dass bereits 1.3A zum zuverlässigen Betrieb der CNC vollkommen ausreichen. Nie an die Limits zu gehen ist gut für die Lebensdauer.

Schaltplan CNC v3.2.2
Abbildung 22:
Schaltplan Motortreiber:
Insgesamt 3 dieser Platinen werden benötigt.

Software

Ich verwende ein Terminalprogramm, das Gcode Dateien verarbeiten kann. Die Benutzeroberfläche basiert auf dem Webserver Apache, womit per Browser auf die CNC zugegriffen werden kann. Die Software ist momentan noch eine Baustelle...

Du hast diese Seite sorgfältig durchgelesen? Prima, dann gibt's jetzt das Download-Paket mit der Bauanleitung.


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