Eigenbau einer CNC-Fräsmaschine, Größe ca. DIN A3

Hallo zusammen, ich heiße Christian, bin 35, und komme aus Südbayern, der Name verrät es schon ;)

Ich habe jetzt schon einige Jahre (Jahrzehnte) Erfahrung im Elektronikbereich, habe abgeschlossene Ausbildungen als Elektriker und Fachinformatiker, bin ziemlich fit in der Mikrocontroller-Programmierung (in C) und hab mir auch schon die ein- oder andere Platine selbst erstellt, derzeit so an die 40-50 Stück. Schrittmotor-Grundwissen ist auch schon vorhanden. Damit ihr mal wisst, was da so an Erfahrungswerten vorhanden ist.

Nun habe ich vor, mir hauptsächlich zum Platinenbohren und -fräsen eine CNC-Maschine zu bauen. Es sollten damit Werkstücke bis zu einer Größe von DIN A3 bearbeitet werden können.

Und jetzt: Fragen über Fragen :)

1. Wie müssen die Schrittmotoren dimensioniert sein, damit später im Betrieb mal keine Schritte übersprungen werden? Gibt es eine Art Faustregel, oder gar einen Rechenweg, mit dem ich bestimmen kann, wieviel Phasenstrom und welches Haltemoment ich brauche? Ich habe leider keine Ahnung, wieviel die Fräsmaschine mal wiegen wird, aber ich denke es wird sich so im Bereich von 20, 30 vielleicht 40 kg einpendeln. Liege ich da richtig?

2. Welche Linearführungen und Spindeln nimmt man da am besten? Da ich ein "Genauigkeitsfetischist" bin, habe ich von Anfang an schonmal einen Antrieb direkt über einen Zahnriemen ausgeschlossen, lieber ist mir eine Gewindespindel, die von einem Schrittmotor angetrieben wird. Hab aber auch schon gelesen, dass sowas zu Lasten der Geschwindigkeit geht, und ein Direktantrieb mit Zahnriehmen an den Achsen (wie beim Tintenstrahldrucker) wohl schneller, aber auch etwas ungenauer ist...?

3. Ich habe vor, alles was nur möglich ist, selbst zu bauen. Das heißt, auch die Platinen für die Schrittmotorsteuerungen. Wird mir da der L298-Chip eventuell zu klein? Der "kann" ja nur Phasenströme bis 2 A. Kann ich den IC durch einen eigens gebauten H-Brückentreiber (mit MOSFETs) ersetzen? Den Phasenstrom kann ich ja dann immer noch mit zwei 0,5-Ohm-Widerständen messen, und an den L297 weiterreichen. So mein Gedankengang. Ich finde leider nicht mal im Datenblatt vom L297, wieviel Phasenstrom der managen kann.

4. Noch eine Frage zur Software, hab da schon was von "MACH3" gehört. Hat die Software eine Rampenerzeugung für die Schrittmotoren? Welche Impulse kommen von der Software an meiner Fräsmaschine an? Je ein Impuls pro Schritt? Oder nur die Richtung, und Anzahl der Pulse in Digitaler Form?

Das wär erst mal alles, was mir im Moment einfällt :-)

Viele Grüße, Christian

Zu Mach3 und linuxcnc kann ich dir sagen, dass die alles machen. Rampen, Beschleunigung, etc. Alles was dazugehört. Du brauchst nur das passende I/O Modul konfigurieren.

Zur Mechanik, kann ich dir weniger sagen ;)

Gruß
Georg

Ich würde lieber ganz auf L297/L298 verzichten. Zum kennenlernen von Schrittmotorsteuerungen siend sie ganz nett, aber für richtige Steuerungen eigentlich Out of Date. Besser wäre es, da etwas aus den Schrittmotortreibern von Toshiba zu bauen. Die können nicht nur max. 3,5A Phasenstrom, sondern sind auch mikroschrittfähig (bis 16tel Schritt) und haben Steuerung und Leistungsstufe in einem IC verbaut, was schonmal so einige Fehlerherde beseitigt. Kosten bei Ebay so ca. 7,50€ das Stück, musst du mal suchen. Gibt auch schon fertige CNC-Boards mit den Dingern aus China, haben zwar auch ihre Eigenheiten, sind aber grundsätzlich nicht verkehrt und relativ günstig. Sind aber eben nur über Parallelport nutzbar, steht zwar was von USB bei, damit ist aber nur Spannungsversorgung über einen USB-Port gemeint.

Eine Faustregel zur Dimensionierung habe ich auch schon vergeblich gesucht, wahrscheinlich muss man da eher andere nach ihren Erfahrungen fragen. Kommt ja auch stark darauf an, was für einen Antriebsstrang man hat (Übersetzung, Reibung) und was man bearbeiten will (Kunststoff? Alu? Stahl?) und wie schnell es sein soll. Da wird man wohl nicht drum herum kommen, ein weilchen suchen zu müssen. Da meine CNC auch gerade mal in den Kinderschuhen steckt, kann ich dir da jedenfalls noch nicht viel zu sagen.

schwieriges projekt :)

Sollten mindestens 2A Motoren sein, welche mit Zahnriehmen die Spindeln antreiben.
Direckt mit Wellenkupplung geht natürlich auch - Nachteil ist das Alles gut fluchten muß.
Toschiba Schrittmotortreiber TB6560AH ist gut - besser sind die Nachfolger -

Schau mal HIER
Habe ich selber verbaut und bin voll zufrieden!
Als Führungen habe ich diese Variante gewählt - allerdings mit Edelstahl Winkeln statt Aluwinkel.
Ist zum Platinen bohren völlig ausreichend.
Als Spindeln empfiehlt sich eigentlich, aufgrund des PreisLeistungsverhältniss nur Kugelumlauf aus China.
Es gibt noch die Variante mit nachstellbaren Kunstoffmuttern und Trapezgewindespindeln. Ist auch OK aber dann doch insgesammt nicht günstig.
Der Vollständigkeit halber noch ein Link zu meiner Lieblingssteuerung - leider kostet die Lizenz etwas mehr als 60 Euro.
Testen geht allerdings auch schon mit der Demo Version.

Zu 2.:

Das die Spindel zu Lasten der Geschwindigkeit geht hast du richtig erkannt, du hast aber auch gesagt das du Genauigkeit haben willst, daher führt an einer Spindel nichts vorbei, ob kugelumlauf oder Trapezgewindespindel solltest du selbst entscheiden.

Den direktantrieb über ein Zahnriemen ist bei einer solchen Anwendung nicht empfehlenswert. Für gewöhnlich nutzt man diese Art des Antriebs wenn es auf hohe Geschwindigkeiten an kommt und auf das bewegte Teil außer der Beschleunigung keine weiteren Kräfte kommen. (Zumindest im professionellen Bereich) Allgemein kann man sagen das Dynamik im Gegensatz zur Genauigkeit und Kraft steht!

Deine Spindel musst du nicht unbedingt direkt antreiben, wenn dir Platz fehlt kann dies gut durch einen Zahnriemen gemacht werden. Die Ungenauigkeiten des Zahnriemens spielt dann durch die Spindel kaum eine Rolle und du hast weniger Probleme mit der Flucht zwischen den Komponenten. Die Kombination Zahnriemen auf Spindel ist im maschinenbau nicht unüblich wenn es an Platz fehlt.

Zum Drehmoment des Motors: mit einer Spindel hast du eine enorme Übersetzung, wenn dein Motor 1Nm hat kannst du bei einer Steigung von 2mm schon ca 300kg heben, selbst bei einem gesamtwirkungsgrad von 10% kannst du mit einer Spindel dein gesamten Aufbau heben. Zum Schleifen und Fräsen solltest du mit einem Dremel diese kraft nicht erreichen. (Das ist so als ob du einen Zementsack auf den Dremel drückst damit der durch das Material kommt, das hält er warscheinlich nicht lange aus).

Grüße Podi