Einfache und günstige CNC-Fräse

Dann will ich auch mal.
Hab die zweite Hälfte des letzten Jahres damit verbracht, mir meine erste kleine CNC-Fräse zu bauen. Ich hab vieles dabei gelernt und weiß jetzt auch, worauf ich bei der Nächsten zu achten habe.

Anhang 27147
Anhang 27141
Anhang 27142
Anhang 27143
Anhang 27140

Nun mal ein paar Daten:
-Material: hauptsächlich Aluminium und MDF
-Arbeitsraum ca. 400x200x50mm³
-Antrieb über drei Nema 23 Schrittmotoren und Tr10x2 Trapezgewindespindeln
-Ansteuerung über eine günstige 3-Achsen-Treiberstufe aus China, die noch ein wenig modifiziert werden musste
-Dremel 3000 als Fräsmotor

Es hat sich gezeigt, dass MDF kein gutes Material für eine CNC-Fräse ist. Ist zwar günstig und leicht zu verarbeiten, allerdings hatte ich zu oft Probleme mit sich lösenden Schichten. Ist wohl ein Fall von am falschen Ende gespart. Bin schon am überlegen, ob ich die betreffenden Teile nochmal aus Alu lasern lasse, allerdings ist es wohl sinnvoller, das erst bei der nächsten Fräse zu machen, da die Konstruktion noch andere Schwachstellen hat.

Die Führungen hab ich mir aus gehärteten Präzisionswellen gebaut, auf welchen dann Kugellager mit ihren Außenringen abwälzen. Die Konstruktion ist allerdings so ausgeführt, dass die Lager gegen die Wellen drücken und diese sich dabei leicht verformen (bis auf die langen Wellen, da diese sich an der Nutenplatte abstützen können). Der Effekt ist zwar nur minimal, reicht aber aus, um die Steifigkeit der Konstruktion ein wenig zu vermindern, sodass der Fräser schneller mal zum Rattern neigt. Bei richtiger Einstellung der Fräsparameter hält sich das aber zum Glück in Grenzen. Nächstes Mal gibts richtige Linearlager und unterstützte Führungswellen, das bringt deutlich mehr.

Die Gewindespindeln musste ich mir erst noch von jemandem abdrehen lassen, um dort die Lager und Kupplungen drauf zu bekommen. Ich bin wirklich froh, dass das noch alles geklappt hat, da davon das ganze Projekt ein wenig abhing. Da die richtige Länge zwischen den Lagern wahrscheinlich durch einige Abweichungen bei der Herstellung der MDF-Teile nicht mehr ganz gegeben ist, hab ich die Gewindelänge der Spindeln einen Millimeter kleiner gewählt und das übrige Spiel mit Passscheiben ausgeglichen. Die Lager sind jetzt ein kleines bisschen verspannt, durch das relativ nachgiebige MDF aber kein großes Problem. In den Lagersitzen ist jeweils noch ein Ring aus 1,5mm Kupferdraht, auf dem sich die Lager abstützen können, da sie sonst auf dem MDF schleifen würden und dadurch um einiges schwergängiger wären. Auf den Spindeln sind jeweils zwei passende Muttern, deren Spiel sich jeweils über eine verstellbare Platte einstellen lässt.

Die Elektronik besteht im Wesentlichen aus einem Arduino Uno mit der grbl-Firmware, einer günstigen 3-Achsen-Schrittmotorsteuerung aus China, einem 36V 10A Schaltnetzteil und einem SSD-Relais für den Dremel. Das Gehäuse hab ich aus 3mm Hart-PVC zusammengeklebt, allerdings hab ich sie gerade nicht hier, sonst würde ich nochmal Bilder von außen machen. Sie steht noch im örtlichen Hackerspace, da sie ein paar seltsame EMV-Probleme aufweist (Endschalter lösen in seltsamen Situationen aus, wie zB. bei Kontakt Fräser mit Alu-Werkstück und ähnliches).

Alles in allem bin ich aber mit der Fräse fürs Erste zufrieden, sie kann zumindest mit Holz und Kunststoff schon einiges anstellen. Mit Aluminium hab ich zuletzt auch mal ein wenig getestet, es geht mit vorsichtig eingestellten Fräsparametern, würde aber wohl dann ewig dauern.

Hier dann auch mal ein paar Bilder von bisherigen Erzeugnissen:

Erste Tests in Plexiglas und POM, teilweise mit Fehlern (Schrittverluste, Spänestau, festgefressener Fräser)
Anhang 27148

Gravur in Holz, war ein Weihnachtsgeschenk für meinen Vater
Anhang 27149

Erstes Austauschteil für die z-Achse aus POM
Anhang 27150

Das sieht doch schonmal gut aus! Dass man bei dem Baukonzept gewisse Ungenauigkeiten in Kauf nehmen muss, ist ja eh klar. Hast du mal quantifiziert (mit Messuhr) was für Genauigkeiten du so erreichst? Also ich meine insbesondere z-Fehler über den Verfahrweg. Wenn ich es richtig sehe, sind die Linearführungen nicht unterstützt, oder? Mich interessiert die Genauigkeit in diesem Zusammenhang, weil ich bei meiner China CNC - die ebenfalls freie hängende Führungen hat - doch einiges an z-Fehler vermutlich durch bloßes Durchhängen der Wellen habe.

Dafür bräuchte ich erstmal eine Messuhr :rolleyes:
Steht aber auf der Einkaufsliste^^

Kann mir ehrlich gesagt nicht vorstellen, dass das so stark durchhängt, die z-Achse wiegt vielleicht 2-3 kg und die Führung besteht aus zwei 15mm Wellen, die jeweils 360mm lang sind. Kommt aber auch drauf an, was bei dir als Fehler gilt, wo liegt da für dich die Schwelle? Bei meiner Fräse ist unter 0,1mm Genauigkeit schon gut :D

Zitat:

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Dafür bräuchte ich erstmal eine Messuhr :rolleyes:
Steht aber auf der Einkaufsliste^^

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:-) Ist eine lohnende Investition finde ich. Und auch keine all zu große. Hier zB für knapp 30€ mit Magnetfuß und Stativ.

Zitat:

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Bei meiner Fräse ist unter 0,1mm Genauigkeit schon gut

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Ja, das würde ich auch so sehen. Und wenn das dann wirklich eingehalten wird, kann man ja mit den so gefertigten Teilen auch schon was anfangen. Wenn's noch ungenauer wird, kann man es - für meine Begriffe - mehr oder weniger vergessen (deswegen hat dieser 3D Drucker Hype auch nach wie vor nicht auf mich übergegriffen, mal abgesehen von SLS und anderen "professionelleren" Techniken :-)).

Aber was das Durchhängen angeht, wundert man sich, wieviel es dann doch ist. Man kann das ja näherungsweise berechnen. Ich war bisher zu faul das selber mal auszurechnen, aber ein kompetenter Mensch aus einem CNC Forum war mal so freundlich, das für meine Wellen durchzurechnen:

Anhang 27151


Je nach dem wie starr die Wellen also an den Enden aufgenommen werden, kommt man bei einer 16er Welle (habe ich in meiner Maschine) auf 550 mm bei 10 kg Belastung immerhin auf eine Durchbiegung zwischen 0.1 und 0.5 mm. Das ist schon eine Menge finde ich. Und in der Größenordnung kann ich das bei mir auch tatsächlich messen. Meine nächste Maschine baue ich auf jeden Fall selbst, da ist schon klar, dass auf jeden Fall unterstützte Führungen verwendet werden.

Gruß
Malte

Mich würde es interessieren , wie viel du schon für die Cnc-Maschine investiert hast !?

Ja, das muss ich eigentlich mal nachrechnen, eigentlich hab ich immer nach und nachalles benötigte zusammengekauft, nachdem der grobe Plan bestand. Geschätzt würde ich mal so um die 500€ sagen, aber wie gesagt, dass muss ich in einer ruhigen Minute nochmal nachzählen.

So, die CNC ist jetzt mittlerweile schon über ein Jahr im Einsatz, was ist in der Zwischenzeit passiert? Die billige Chinasteuerung ist abgeraucht, nachdem der Hauptschalter mal einen schlechten kontakt hatte. Zum Glück hab ich mal eine ausgesonderte Schrittmotorsteuerung von der Uni mit nach Hause genommen, mit der kann ich die Maschine jetzt betrieben. Leider sind die Module (BD300) auf Basis von L297/L298, also sind maximal Halbschritte möglich, sodass die theoretische Auflösung nun bei 0,005mm liegt. Seis drum, ist immer noch wesentlich genauer als die Mechanik. Dafür sind die Module robust und lassen auch ein wenig höhere Geschwindigkeiten zu.

Ansonsten hab ich aber noch ein kleines Problem:
hatte gestern mal die Messuhr angebaut, da ich testen wollte, wie genau die Endschalter in der Home-Position sind. Die Schalter funktionieren erstaunlich gut, die Uhr blieb sehr nahe an der Nullstellung stehen, lediglich bei der x-Achse (die längste Achse) gab es hin und wieder etwas größere Abweichungen. Bin dann immer mal um einige Millimeter vor und zurück gefahren und dabei hat sich der Fehler immer weiter vergrößert, obwohl ich ganze Millimeter gefahren bin. Nach einigen Wiederholungen stand der Zeiger bei 0,5mm, was nicht sehr schön ist. An Spiel kann es nicht liegen, da ich auch mal die Kupplung der Achse beobachtet hab, und die kam nach und nach an anderen Punkten zu stehen. Der Motor verliert also immer mal wieder ein paar Schritte, auch eine Absenkung der Beschleunigung hat das nicht verbessert. Letzte Möglichkeit wäre, mal Motor und/oder Endstufe zu tauschen, oder könnte es noch an etwas anderem liegen?

das ist natürlich die schwerste Achse.
Hast Du die Anfahrrampe etwas flacher eingestellt?

EDIT: das hast Du ja geschrieben...
Also bei meiner Schritmotorfräsmaschine habe ich nach kurzer Zeit eine Servosteuerung nachgerüstet.
Das Problem mit Schrittverlusten war nicht in den Griff zu bekommen.
Wenn Deine Maschine eigentlich funktioniert, solltest Du eventuell über größere Motoren und Treiber
nachdenken.

Hi!

Hast Du vielleicht noch Stromreserven in der Achse? Vielleicht könnte man dem Stepper damit noch etwas mehr Drehmoment entlocken ...

Ich hätte noch eine Frage zu Deinen Endschaltern: was hast Du da verbaut? Ganz normale mechanische Taster? Und vor allem: welche Wiederholgenauigkeit schaffst Du damit? Ich kann mir irgendwie nicht recht vorstellen, dass man über normale Taster ordentlich referenzieren kann. Interessant wär's aber, ich such für meine China-Fräse da auch noch eine Möglichkeit. Wäre nett wenn Du dazu was sagen könntest.

Gruß
Malte