PC-CNC-Fräsen

Wie bei Tausend anderen Modellbauern, steht auch in meiner Werkstatt eine Mini-CNC-Fräse.
Nach einem Jahrzehnt Umbauen, Verbessern und Ergänzen ist von der ursprünglichen
Maschine nur noch wenig in Verwendung.
Reichlich Lehrgeld musste ich berappen und Erfahrungen sammeln, bis meine Teile auch
verwendbar waren, d.h. nach Zeichnung und innerhalb der Toleranzen.
Der Gesamtaufwand ist auf etwa 5000 € angewachsen.

Leider hatte, und habe, ich keine Gelegenheit zum Erfahrungsaustausch mit Menschen, die
versuchen mit bescheidenen Mitteln Teile zu fertigen wofür man eigentlich professionelle
Maschinentechnik und ausgebildete Zerspaner braucht.

Einsehen musste ich auch, dass die Ratschläge von Profis wenig hilfreich sind, weil diese
Leute immer von ganz anderen Voraussetzungen ausgehen. Das mag auch der Grund dafür
sein, dass sich bei modellbauenden Profis ganz andere Maschinen wiederfinden. Die alte
"Deckel", eine FP2 oder FP3 ist fast üblich, der Werkzeugsatz und die Spannmittel sind
ebenfalls "übernommen" und gefräst wird von Hand. Für CNC-Teile hat man Beziehungen!

Mein Teile- und Materialspektrum:

Die wichtigsten Einschränkungen liegen in Größe und Material. Die Maximalabmessungen
ergeben sich nicht nur aus den "Brutto" Verfahrwegen des Maschinchens sondern auch
aus den Werkzeugabmessungen und den Spannvorrichtungen bzw.aus den Spann-
möglichkeiten.

Rasch bin ich zu der Erkenntnis gelangt, dass ich nur Messing und Aluminium bearbeiten
kann, und nur in geeigneten Sorten, sprich Legierungen. Kunststoffe und Holz sind ebenso
problematisch wie Stahl und Guß.

Mein Maschinchen:
 

Ursprünglich war auf der Grundplatte der Bohr-Fräskopf EMCOMAT-7 montiert, der eigentlich
an einer Drehmaschine seinen Dienst tun sollte und jetzt in der Ecke auf Wiederverwendung
wartet. Der Fehlmann Kreuztisch ist Schweizer Präzision und nachträglich mit geschliffenen
Kugelgewindetrieben, 2mm Steigung ausgerüstet. Diesen Umbau musste ich mir leisten, weil
das Umkehrspiel ein "ewiges" Ärgernis war. Die XY-Schrittmotore sind direkt an die Spindeln
"fliegend" angeflanscht und haben Drehmomentstützen, die Z-Achse hat eine Stirnraduntersetzung.

Die Z-Achse ist Eigenbau aus geschliffenen Alu-Planplatten. Vier vorgespannte Wagen auf Profil-
schienen Gr.25 samt gerolltem Kugelgewindetrieb sind die Basis für den Fräskopf. Der Fräsmotor
ist ein Sondermotor der Fa. EMS. Der A-seitige Flansch ist eine Eigenkonstruktion mit einem
SKF-Präzisions-Schrägkugellagerpaar für 35mm Welle. In die Sonderwelle ist ein zylindrischer
Regofix ER20 Spannzangenhalter eingeklebt. Der Rundlauf ist besser 5µm. Der Motor läuft
an einem  Dannfoss-Frequenzumrichter max. 22000 U/Min. bei 400Hz. Die Wicklung ist auf
220V/200Hz ausgelegt und voll vergossen. Dank Feinwuchtung, ruhiger Lauf.

Den "Uralt"-Maschinenschraubstock habe ich nachschleifen lassen, Auflage und Festbacke
sind jetzt "fein" im Winkel.

Als Referenztaster verwende ich Präzisions-Mikroschalter von Honeywell die nicht mehr im
Handel sind. Die Wiederholgenauigkeit ist ca. 0.01mm und gerade noch gut genug.

Die Gesamt-Steifigkeit der Anordnung  ist ausreichend um mit 5mm HM-Alu-Fräser in ALU F37
bis 2.5mm/Sek. Vorschub zu fräsen.

Insgesamt nur noch eine "Preiswert-Lösung" für ca. 3000 €.

Ein ungelöstes Problem ist die Schmierung und Späneentsorgung. Im Trockenbetrieb mit Span-
absaugung ( handgeführt per Auge) ist die Standzeit der HM-Werkzeuge auch in Ms und Alu
nicht überzeugend und die Genauigkeit leidet.
Gute Ergebnisse erreiche ich mit Minimalmengen-Schmierung, Jokisch-Air-Cutting-Fluid, wobei
ich eine AirBrush-Pistole zur Dosierung verwende. Eine geeignete Absauganlage für den Sprühnebel
habe ich noch nicht gefunden. Die rückstandsfreie Auftrocknung ist nach meiner Erfahrung
eine "Prospektwahrheit" oder nur mit präziser Dosierung erreichbar in Verbindung mit Kapselung
und Absaugung ( € 3000 ++).

Die Steuerung:

PC-NC von Burkhard Lewetz hat sich im Laufe der  Jahre zu einem zuverlässigen und stabilen
DOS-Programm entwickelt. Die Kreisinterpolation taugt mit kleinen Einschränkungen auch für
eingeklebte Kugellager ab 7mm Außendurchmesser, Fehler < 0.02mm wenn der "wahre" Fräser-
Durchmesser in der Bahn berücksichtigt ist.

Das Einrichten:

Wo ist der Schraubstock oder die Referenzkante? Das ist hier die Frage!
Die Antwort finde ich mit einem mechanischen 3D-Taster der Fa. Haimer und einem Stahlwinkel
Güteklasse1 bzw. einem 10x80mm Endmaß Klasse 2 und geduldigem Hin-Her. Die Umrechnerei
in Offsetkoordinaten ist allerdings fehlerträchtig (menschliches Versagen).
Gleiches gilt für die Einstellung des Bahn-Nullpunkts.

Von der Zeichnung zum Teil:

Als absolut überzeugendes Konstruktions-Werkzeug, nicht nur in dieser Preisklasse, verwende
ich BeckerCAD von DataBecker. Demnächst Update auf Version 5.
Die exportierten DXF-Dateien sind der Input für Filou 2000SE zum Generieren der NC-Programme.
Allerdings muss ich diese manuell nachbearbeiten, weil ich keine Möglichkeit kenne, die Leerwege
der Z-Achse zu vermeiden. Meistens verwende ich die Bahnkorrektur "Ohne" und lege die Bahnen
konstruktiv fest.
Pc-Nc läuft bei mir auf einem älteren 300Mhz-Toshiba Labtop und, wegen DOS, unvernetzt.
Die Softwarekosten sind zwar unter 500 €, billig wäre aber weniger.

Datentransport zu Fuß, per Floppy, wie in alten Zeiten!

Die Fräser:

Der Privatmann ist bei den Werkzeuglieferanten ein unliebsamer, störender Kunde, die Grossen
der Branche nehmen nur Firmengeld und geben horrende Rabatte, den armen Großfirmen.
Deshalb kaufe ich Maykestag-Produkte bei einem hiesigen Händler, der Rentner-Euro akzeptiert.
Andere Fabrikate führt er nicht. Punktum.
Ähnlich verhält es sich bei der Materialbeschaffung. Hier hilft mir ein kleiner Metallhändler, der
Alu F37 und Ms 63 Stangen-Material vorrätig hat.

Nächste Veränderung:

Ich habe mir 3-Phasen Schrittmotore mit Mikrostep-Endstufen geleistet. (3 Achsen ca. 800 €)
und ein WinXP-Fräs-Programm geschrieben. Basis ist eine Echtzeiterweiterung die einen
30KHz-Takt mit  Jitter < 10µSek.  ermöglicht. Die Bahnberechnung erfolgt in double float,
die Laufruhe ist überzeugend, die "Trockentests" sind noch nicht abgeschossen.

Die Funktionen habe ich, meinem Bedarf entsprechend, in einem (1) Fenster programmiert.

Zum Einrichten von Werkstücken habe ich zwei Dialoge, die mir das Rechnen ersparen.

 

Aus Lizenzgründen (KUKA-CeWin) kann ich das Programm nicht weitergeben, leider!
Wenn ich wissen würde wie man einen 30µSek. Timer-Interrupt unter WinXp realisieren
kann, und die LPT-Schnittstelle zeitlich exakt bedient, dann wäre das aber kein Problem.
Die KUKA-acontis Echtzeiterweiterung, die natürlich nicht nur diese beiden Möglichkeiten bietet,
basiert auf einer Kopplung von XP und CE. Das XP-Programm dient dabei lediglich als
grafische Bedienoberfläche, das Realtime-Modul läuft unter CE 5.00. Zur Kommunikation dient
ein shared Memorybereich. Eine raffinierte Softwarekonstruktion, die sich seit Jahren in
industriellen Anwendungen bewährt.
Obwohl CE die FPU nicht unterstützt, dauert die 3-Achs Bahnberechnung, in double emuliert,
nur einige Mikrosekunden auf einem "ältlichen" 1GHz AMD-Prozessor, d.h. auch eine 4. u. 5.
Simultan-Bahnachse ist möglich.

Der Testaufbau:



Das 3-Phasen Trio:

                

Eine der 3 Mikrostep-Endstufen:



Und die Versorgung:

      

Die Montageplatte ist eine ausgediente 19" 5He Front. Hoffentlich lohnt sich der Aufwand....
Irgendwann !

 

Steinhart, im Juni 2007