Große Portalfräsmaschine zum Selbermachen

Published on August 15, 2018

Große Portalfräsmaschine zum Selbermachen

    Hallo liebe Leserin, lieber Leser, in diesem Artikel möchte ich meine Erfahrungen mit dem Bau einer Fräsportalmaschine mit numerischer Steuerung teilen.



    Es gibt viele ähnliche Geschichten im Internet, und ich frage mich wahrscheinlich sehr wenige Menschen, aber vielleicht ist dieser Artikel für jemanden nützlich. Diese Geschichte begann Ende 2016, als ich und mein Freund, ein Partner bei der Entwicklung und Herstellung von Testgeräten, einen bestimmten Betrag angesammelt hatten. Um nicht nur das Geld auszulassen (dies ist eine junge Sache), haben wir beschlossen, es in das Geschäft zu investieren, woraufhin die Idee entstand, eine CNC-Maschine herzustellen. Ich hatte bereits Erfahrung mit dem Bau und der Arbeit mit dieser Art von Ausrüstung, und der Hauptbereich unserer Tätigkeit ist das Engineering und die Metallbearbeitung, die von der Idee des Baus einer CNC-Maschine begleitet wurden.

    Dann begann die Bewegung, die bis heute andauert ...

    Alles ging weiter mit dem Studium von CNC-bezogenen Foren und der Wahl des Grundkonzepts der Maschinenkonstruktion. Nachdem zuvor die auf der zukünftigen Maschine und ihrem Arbeitsbereich zu bearbeitenden Materialien bestimmt worden waren, erschienen die ersten Papierskizzen, die später auf einen Computer übertragen wurden. Im Umfeld der dreidimensionalen Modellierung KOMPAS 3D wurde die Maschine visualisiert und mit kleineren Details und Nuancen bewachsen, die sich als mehr herausstellten, als wir uns wünschen, manche bis heute entscheiden.


    Eine der ersten Entscheidungen bestand darin, die auf der Maschine verarbeiteten Materialien und die Abmessungen des Arbeitsfeldes der Maschine zu bestimmen. Die Lösung für Materialien war recht einfach: Holz, Kunststoff, Verbundwerkstoffe und NE-Metalle (hauptsächlich Duraluminium). Da wir hauptsächlich Metallbearbeitungsmaschinen in der Produktion haben, benötigen wir manchmal eine Maschine, die relativ einfache Materialien auf einer gekrümmten Bahn bearbeitet, was später die Produktionskosten für die bestellten Teile senkt. Basierend auf ausgewählten Materialien, hauptsächlich in Bogenverpackung, mit Standardabmessungen von 2,44 x 1,22 Metern (GOST 30427-96 für Sperrholz). Abgerundet wurden diese Maße auf folgende Werte: 2,5x1,5 Meter, der Arbeitsraum ist mit Ausnahme der Höhe des Werkzeugs definitiv, Dieser Wert wurde aufgrund der Möglichkeit des Einbaus eines Schraubstocks gewählt und schlug vor, dass die Rohlinge nicht dicker als 200 mm sein sollten. Berücksichtigen Sie auch die Zeit, die erforderlich ist, um das Ende eines Blechs mit einer Länge von mehr als 200 mm zu bearbeiten, da dieses Werkzeug die Abmessungen des Maschinenfußes überschreitet und das Teil / Werkstück an der Endseite des Fußes befestigt ist und somit das Ende des Teils bearbeitet.

    Das Design der Maschine ist eine vorgefertigte Rahmenbasis des 80. geformten Rohrs mit einer Wandstärke von 4 mm. Auf beiden Seiten der Basis sind lange, feststehende Rollführungen der Größe 25 angebracht, auf denen ein Portal installiert ist, das in Form von drei Profilrohren hergestellt ist, die in der Größe der Basis zusammengeschweißt sind.

    Die Maschine ist vierachsig und jede Achse treibt einen Kugelgewindetrieb an. Zwei Achsen befinden sich parallel auf der Längsseite der Maschine, sind per Software gekoppelt und an die X-Koordinate gebunden. Dementsprechend sind die verbleibenden zwei Achsen Y- und Z-Koordinaten.


    Warum hielten sie am Modulrahmen an: Zunächst wollten sie eine reine Schweißkonstruktion mit zum Fräsen geschweißten eingebetteten Blechen, Einbau von kugelgelagerten Führungen und Stützen herstellen, zum Fräsen fanden sie jedoch keine ausreichend große Fräskoordinatenmaschine. Ich musste einen Teamrahmen zeichnen, damit ich mit den für die Produktion verfügbaren Metallbearbeitungsmaschinen alle Teile selbst herausarbeiten konnte. Jedes Detail, das dem Lichtbogenschweißen ausgesetzt war, wurde geglüht, um innere Spannungen abzubauen. Außerdem wurden alle Passflächen gefräst und später mussten die Passstellen beschliffen werden.

    Um es voranzutreiben, möchte ich nur sagen, dass sich die Montage und Herstellung des Rahmens als die zeitaufwändigste und finanziell kostspieligste Maßnahme beim Bau der Maschine herausgestellt hat. Die ursprüngliche Idee mit einem fest verschweißten Rahmen umgeht unserer Meinung nach die vorgefertigte Struktur in jeder Hinsicht. Obwohl viele mit mir nicht einverstanden sein können.

    Viele Amateure montieren nicht nur Maschinen dieser Art und Größe (und sogar noch größer) in ihrer Werkstatt oder Garage zu einem vollständig geschweißten Rahmen, sondern ohne anschließendes Tempern und Bearbeiten, mit Ausnahme von Bohrungen zur Montage der Führungen. Selbst wenn er Glück mit dem Schweißer hatte und die Struktur mit einer ziemlich guten Geometrie schweißte, wird sich nach der Arbeit dieser Maschine aufgrund von Sprüngen und Vibrationen ihre Geometrie ändern. Natürlich kann ich mich in vielerlei Hinsicht irren, aber wenn jemand von diesem Problem Kenntnis hat, teilen Sie bitte Ihr Wissen in den Kommentaren mit.

    Ich möchte gleich einen Vorbehalt machen, dass wir hier keine Maschinen aus einem Aluminiumbauabschnitt betrachten werden, sondern es sich um einen anderen Artikel handelt.

    Viele setzten die Montage der Maschine fort und diskutierten sie in den Foren. Sie rieten dazu, diagonale Stahlstreben innerhalb und außerhalb des Rahmens herzustellen, um die Steifigkeit zu erhöhen. Wir haben diesen Rat nicht vernachlässigt, aber die Konstruktion mit denselben Stöcken versehen, da sich herausstellte, dass der Rahmen ziemlich massiv war (ca. 400 kg). Und nach Abschluss des Projekts wird der Perimeter mit Stahlblech behandelt, das die Struktur zusätzlich bindet.

    Kommen wir nun zum mechanischen Thema dieses Projekts. Wie bereits erwähnt, wurde die Bewegung der Maschinenachsen über ein Kugelumlaufspindelpaar mit einem Durchmesser von 25 mm und einem Schritt von 10 mm ausgeführt, dessen Drehung von Schrittmotoren mit 86 und 57 Flanschen übertragen wird. Ursprünglich sollte die Schraube selbst gedreht werden, um unnötige Spielräume und zusätzliche Zahnräder zu vermeiden. Ohne sie wäre dies jedoch nicht möglich gewesen, da sich letztere bei einer direkten Verbindung zwischen Motor und Schraube bei hohen Geschwindigkeiten abwickeln würde, insbesondere wenn sich das Portal in extremen Positionen befindet. In Anbetracht der Tatsache, dass die Länge der Schrauben entlang der X-Achse fast drei Meter betrug und für eine kleinere durchhängende Schraube mit einem Durchmesser von 25 mm verlegt wurde, würde ansonsten eine 16 mm Schraube ausreichen.

    Diese Nuance wurde bereits bei der Herstellung von Teilen festgestellt, und wir mussten dieses Problem schnell lösen, indem wir eine rotierende Mutter und keine Schraube herstellten, die dem Design eine zusätzliche Lagerbaugruppe und einen Riemenantrieb hinzufügte. Eine solche Lösung ermöglichte es auch, die Schraube zwischen den Stützen gut anzuziehen.

    Der Aufbau der rotierenden Mutter ist recht einfach. Zuerst haben wir zwei Kegelkugellager aufgenommen, die auf die Kugelumlaufspindelmutter passen, nachdem wir die Gewinde von ihrem Ende abgeschnitten haben, um die Lagerhülse auf der Mutter zu befestigen. Lager zusammen mit einer Mutter standen im Gehäuse, die ganze Struktur ist wiederum am Ende des Portalportals montiert. Vor den Schrauben wurden die Muttern an den Schrauben der Adapterhülse befestigt, die anschließend auf den Dorn geschliffen wurde, um eine Verbindung herzustellen. Sie legten eine Riemenscheibe darauf und steckten sie in zwei Kontermuttern.


    Offensichtlich fragen sich einige von Ihnen vielleicht: "Warum nicht ein Gestell als Mechanismus zur Bewegungsübertragung verwenden?" Die Antwort ist ganz einfach: Die Kugelumlaufspindel sorgt für Positioniergenauigkeit, größere Antriebskraft und dementsprechend weniger Drehmoment auf der Motorwelle (daran habe ich mich während der Bewegung erinnert). Es gibt aber auch Nachteile - eine geringere Bewegungsgeschwindigkeit und wenn wir Schrauben von normaler Qualität nehmen, dann ist der Preis entsprechend.
    Übrigens, wir haben die Schrauben, Schrauben von TBI genommen, eine ziemlich kostengünstige Option, aber die Qualität ist angemessen, weil wir 3 Meter aus den 9 Metern der Schraube werfen mussten, weil die geometrischen Größen nicht übereinstimmen und keine der Muttern nur aufgeschraubt wurde ...


    Als Gleitführungen wurden Schienenführungen von 25 mm von HIWIN verwendet. Für ihre Installation wurden die Installationsnuten gefräst, um die Parallelität zwischen den Führungen aufrechtzuerhalten.

    Wir haben uns entschlossen, die Kugelumlaufspindelhalter aus unseren eigenen Ressourcen herzustellen. Es stellte sich heraus, dass es sich um zwei Typen handelt: Halter für rotierende Schrauben (Y- und Z-Achse) und Halter für nicht rotierende Schrauben (X-Achse). Die Stützen für die rotierenden Schnecken konnten gekauft werden, da es aufgrund der Eigenfertigung von 4 Teilen nicht ausreichte, Geld zu sparen. Eine andere Sache mit den Stützen unter nicht rotierenden Schrauben - solche Stützen sind nicht im Handel erhältlich.

    Wie bereits erwähnt, wird die X-Achse durch rotierende Muttern und ein Riemenrad angetrieben. Es wurde auch beschlossen, zwei weitere Achsen Y und Z durch das Riemenrad zu führen. Dies erhöht die Mobilität bei der Änderung des übertragenen Moments und erhöht die Ästhetik bei der Installation des Motors nicht entlang der Achse der Kugelumlaufspindel, sondern seitlich, ohne die Abmessungen der Maschine zu vergrößern.

    Gehen wir nun ruhig zum elektrischen Teil über , und wir beginnen mit den Antrieben. Aus Gründen des niedrigeren Preises im Vergleich zu Motoren mit Rückkopplung wurden natürlich Schrittmotoren gewählt. Zwei Motoren mit 86. Flansch wurden auf der X-Achse, auf der Y- und der Z-Achse des Motors mit dem 56. Flansch nur mit unterschiedlichem maximalen Drehmoment installiert. Im Folgenden werde ich versuchen, eine vollständige Liste der gekauften Teile bereitzustellen ...

    Der Stromkreis der Maschine ist recht einfach, Schrittmotoren sind an die Treiber angeschlossen, sie sind wiederum an die Schnittstellenkarte angeschlossen, es ist auch über einen parallelen LPT-Port an einen Personalcomputer angeschlossen. Die Fahrer verwendeten 4 Stück, jeweils eines für jeden der Motoren. Alle Treiber sind zur Erleichterung der Installation und des Anschlusses gleich mit einem maximalen Strom von 4 A und einer Spannung von 50 V ausgelegt. Als Schnittstellenkarte für CNC-Maschinen habe ich eine relativ kostengünstige Option von einem inländischen Hersteller verwendet, da die auf der Website angegebene Option die beste ist. Aber ich werde dies nicht bestätigen oder leugnen, die Anwendung der Karte ist einfach und das Wichtigste ist, dass sie funktioniert. In seinen früheren Projekten verwendete er Boards chinesischer Hersteller, die auch funktionieren und sich an ihrer Peripherie kaum von denen unterscheiden, die ich in diesem Projekt verwendet habe. Mir ist auf allen diesen Karten aufgefallen, dass eine nicht signifikant ist, aber ein Minus, sie können nur mit bis zu 3 Endschaltern installiert werden, aber für jede Achse sind mindestens zwei solche Schalter erforderlich. Oder habe ich das einfach nicht verstanden? Wenn wir eine 3-Achs-Maschine haben, müssen wir dementsprechend Endschalter in den Nullkoordinaten der Maschine (dies wird auch als "Ausgangsposition" bezeichnet) und in den extremsten Koordinaten installieren, damit im Falle einer Fehlfunktion oder eines Nichtgreifens des Arbeitsfelds die eine oder andere Achse außer Betrieb (einfach nicht kaputt gegangen). In meinem Schema verwendet: 3 berührungslose induktive Sensoren und Not-Aus-Taster "Not-Aus" in Form eines Pilzes. Das Netzteil wird über zwei 48-V-Schaltnetzteile mit Strom versorgt. und 8A. Wassergekühlte Spindel bis 2,2 kW, jeweils über den Frequenzumrichter enthalten. Die Einstellungen werden von einem PC aus vorgenommen, da der Frequenzumrichter über eine Schnittstellenkarte angeschlossen ist. Die Windungen werden mit einer Spannungsänderung (0-10 Volt) am entsprechenden Ausgang des Frequenzumrichters eingestellt.

    Alle elektrischen Komponenten mit Ausnahme von Motoren, Spindel und Endschaltern wurden in einem elektrischen Metallgehäuse montiert. Die gesamte Steuerung der Maschine erfolgt von einem PC aus. Wir haben einen alten PC auf der Hauptplatine von ATX gefunden. Es wäre besser gewesen, wenn wir etwas kürzer geworden wären und einen kleinen Mini-ITX mit eingebautem Prozessor und einer Grafikkarte gekauft hätten. Bei nicht geringen Abmessungen des Elektrokastens setzten sich alle Bauteile kaum im Inneren ab, sie mussten nahe genug beieinander liegen. Am Boden der Box befanden sich drei Fremdlüfter, da die Luft in der Box sehr heiß war. Von der Vorderseite der Metallplatte mit Löchern für den Netzschalter und den Not-Aus-Schalter befestigt. Auch auf diesem Pad wurde das Panel platziert, um den PC einzuschalten, ich nahm es aus dem Gehäuse des alten Minicomputers, schade dass er nicht arbeitete. Am hinteren Ende der Box befestigten sie auch die Abdeckung und brachten Löcher für Anschlüsse zum Anschließen von 220-V-Strom, Schrittmotoren, Spindel und VGA-Anschluss an.

    Alle Drähte der Motoren, der Spindel und auch der Kühlwasserschläuche sind in flexiblen, 50 mm breiten Kabelkanälen vom Typ Raupe verlegt.


    Was die Software betrifft, installierten sie Windows XP auf einem PC, der sich in einer elektrischen Box befand, und verwendeten eines der beliebtesten Mach3-Programme, um die Maschine zu steuern. Die Programmeinstellung erfolgt gemäß der Dokumentation auf der Schnittstellenkarte, alles ist in den Bildern sehr gut beschrieben. Warum Mach3, ja, egal, war die Erfahrung, ich habe von anderen Programmen gehört, aber sie nicht berücksichtigt.

    Technische

    Daten : Arbeitsbereich, mm: 2700 x 1670 x 200;
    Die Bewegungsgeschwindigkeit der Achsen, mm / min: 3000;
    Spindelleistung, kW: 2,2;
    Abmessungen, mm: 2800 x 2070 x 1570;
    Gewicht, kg: 1430. Teileliste

    :

    Profilrohr 80x80 mm.
    Metallstreifen 10x80mm.
    Kugelumlaufspindel TBI 2510, 9 Meter.
    Kugelgewindemutter TBI 2510, 4-tlg.
    Profilführungen HIWIN Schlitten HGH25-CA, 12-tlg.
    Schiene HGH25, 10 Meter.
    Schrittmotoren:
    NEMA34-8801: 3 Stck.
    NEMA 23_2430: 1 Stück.
    Riemenscheibe BLA-25-5M-15-A-N14: 4 Stck.
    Riemenscheibe BLA-40-T5-20-AN 19: 2 Stck.
    Riemenscheibe BLA-30-T5-20-A-N14: 2 Stck.

    Interface Board StepMaster v2.5: 1 Stück
    Schrittmotortreiber DM542: 4St. (China)
    Schaltnetzteil 48V, 8A: 2 Stck. (China)
    2,2 kW Frequenzumrichter. (China)
    2,2 kW Spindel. (China)

    Die wichtigsten Teile und Komponenten wie aufgeführt, wenn etwas nicht enthalten ist, dann schreiben Sie in die Kommentare, fügen Sie hinzu.


    Erfahrung in der Maschine: Am Ende, nach fast anderthalb Jahren, haben wir die Maschine noch gestartet. Zunächst stellen wir die Positioniergenauigkeit der Achsen und ihre maximale Geschwindigkeit ein. Erfahrene Kollegen zufolge ist die maximale Geschwindigkeit von 3 m / min nicht hoch und sollte dreimal höher sein (für die Verarbeitung von Holz, Sperrholz usw.). Bei dieser Geschwindigkeit, die wir erreicht haben, sind das Portal und andere Achsen, die mit den Händen (mit dem ganzen Körper) in ihnen ruhen, kaum aufzuhalten - sie rasen wie ein Panzer. Begann der Test mit der Verarbeitung von Sperrholz, der Cutter läuft wie am Schnürchen, die Maschine vibriert nicht, vertieft sich aber in einem Durchgang auf maximal 10 mm. Obwohl nach der Vertiefung begann zu flacher.

    Nachdem wir mit Holz und Kunststoff gespielt hatten, beschlossen wir, Duraluminium zu nagen. Ich war begeistert, obwohl ich zuerst mehrere Messer mit einem Durchmesser von 2 mm gebrochen hatte, während ich die Schneidemodi auswählte. Dural schneidet sehr sicher und ein ziemlich sauberer Schnitt wird entlang der behandelten Kante erhalten.

    Wir haben noch nicht versucht, den Stahl zu bearbeiten, aber ich denke, dass zumindest die Maschine die Gravur hochziehen wird und die Spindel schwach zum Fräsen ist. Es ist schade, ihn zu töten.

    Und der Rest der Maschine meistert seine Aufgaben perfekt.



    Fazit, Meinung zur geleisteten Arbeit: Die geleistete Arbeit ist nicht gering, wir haben uns ziemlich angestrengt, weil niemand die Hauptarbeit abgesagt hat. Ja, und das investierte Geld ist nicht genug, ich werde den genauen Betrag nicht sagen, aber das ist ungefähr 400t.r. Neben den Ausrüstungskosten entfiel der größte Teil der Kosten und der größte Teil der Streitkräfte auf die Herstellung der Basis. Wow, wie wir namayalis. Im Übrigen wurde alles finanziell erledigt, Zeit und fertige Teile gingen ein, um die Montage fortzusetzen.

    Die Maschine erwies sich als sehr effizient, sehr robust, massiv und von hoher Qualität. Erhält eine gute Positioniergenauigkeit. Bei der Messung eines Quadrats Duraluminium der Größe 40x40 betrug die Genauigkeit + + - 0,05 mm. Die Genauigkeit der Bearbeitung von mehrdimensionalen Teilen wird nicht gemessen.

    Was weiter…:An der Maschine gibt es noch genügend Arbeit in Form des Staubschließens - Schützen der Führungen und Kugelumlaufspindeln, Abdecken der Maschine um den Umfang und Installieren von Überlappungen in der Mitte der Basis, die 4 große Regale bilden, unter dem Volumen der Spindelkühlung, der Werkzeuglagerung und des Werkzeugs. Ein Viertel der Basis wäre mit einer vierten Achse ausgestattet. Es ist auch erforderlich, einen Zyklon auf der Spindel zu installieren, um Staubspäne zu entfernen und zu sammeln, insbesondere wenn Sie Holz oder PCB bearbeiten, von denen überall Staub fliegt und sich überall ablagert.

    Was das weitere Schicksal der Maschine betrifft, so ist nicht alles einfach, da ich eine territoriale Frage hatte (ich bin in eine andere Stadt gezogen), und jetzt gibt es fast niemanden, der sich mit der Maschine befasst. Und die oben genannten Pläne sind nicht die Tatsache, dass sie wahr werden. Nicht wer dies vor zwei Jahren und nicht vorstellen konnte.

    Beim Verkauf der Maschine mit Preisschild ist nicht alles klar. Da es ehrlich gesagt erbärmlich ist, zu Anschaffungskosten zu verkaufen, fällt einem aber ein angemessener Preis nicht ein.

    Hiermit beende ich wahrscheinlich meine Geschichte. Wenn ich etwas nicht angezündet habe, dann schreibe mir, und ich werde versuchen, Text hinzuzufügen. Im Übrigen zeigt das Video über die Produktion der Maschine auf meinem YouTube-Kanal viel.