FachbereichTechnik:

BauundSteuerungeinerCNCFrseBauundSteuerungeinerCNCFrse

MichleInhestern

14.Januar2007

Inhaltsverzeichnis

Abkrzungsverzeichnis 3

1Einleitung1.1Vorwort 4

2Mechanik2.1AllgemeinermechanischerAufbauderCNCFrse 42.2DieRahmenkonstruktion 52.3Vorschubkonstruktionen 7

2.3.1DieSchrittmotoren 72.3.2DieKupplungen 82.3.3DieKugellagerundLagerbcke 92.3.4DieVorschubspindeln 92.3.5DieLinearfhrungen 102.3.6ZusammenwirkenderKomponenten 11

2.4DerFrsmotor 12

3Elektronik3.1AllgemeineFunktionsweise 143.2DieStromversorgung 143.3SchrittmotorsteuerungundEndstufe 153.4DerComputerunddieSoftware 15

Schlusswort 16Quellenverzeichnis 17Danksagung 17Anhang 18

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Abkrzungsverzeichnis

R WiderstandinOhmU SpannunginVI StrominA

Schaltplanbezeichnungen:

AC AlternatingCurrent,WechselstromC Capacitor,KondensatorD DiodeDC DirectCurrent,GleichstromF Fuse,SicherungG GleichrichterIC IntegratedCircuit,integrierterSchaltkreisR Resistor,WiderstandS SchalterT TransistorTr TransformatorZ ZenerDiode

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1Einleitung

1.1 VorwortDieprziseundschnelleVerarbeitungvonWerkstoffenhatinvielenGebietenderTechnikschonimmereinewichtigeRollegespieltundwirdimmerbedeutender.Inden1970erJahrenwurden die ersten CNCMaschinen (Computerized Numerical Control) entwickelt. CNCMaschinensind,durchdenEinsatzmodernerSteuerungstechnik,inderLage,Werkstckemithoher Wiederholgenauigkeit auch fr komplexe Formen automatisch herzustellen. SiebertreffenhandgefhrteMaschinendeutlichinPrzisionundGeschwindigkeit.

FrsenbezeichnetdasspanabhebendeBearbeitenvonMetallen,Holz,ErdeoderKunststoffenmittelseinesFrswerkzeuges.EserfolgtaufspeziellenWerkzeugmaschinen.ImGegensatzzumDrehenwirddiezurSpanabhebungnotwendigeSchnittbewegungdurchRotationdesSchneidewerkzeuges gegenber dem fest im Maschinentisch eingespannten Werkstckerzeugt.DiehingegenzurFormgebungnotwendigeVorschubbewegungwirdjenachBauartentwederdurchVerschiebungdesMaschinentischesoderdurchBewegungdesFrskopfesumdas Werkstck herum erreicht. Vorschubbewegungen knnen je nach Bauweise auchkombiniertinderX,YundZAchseoderentlangvonRotationsachsenerfolgen.

Beim CNCFrsen knnen bis zu fnfachsige Maschinen ber eine Maschinensteuerungprogrammiertwerden.DieAchsenwerdeneinzelnodergleichzeitigmitVorschbengeregelt.CNCFrsmaschinen laufen mit teilweise extremen Vorschben von 60m/min undDrehzahlenvon100.000U/min,jedochliegendieWerteblicherweisedeutlichdarunter.DieWerkzeuge werden bei groen Maschinen in einemWerkzeugWechselmagazin gelagert,automatisch imBedarfsfall aufgerufen unddurcheinen Werkzeugwechsler eingewechselt.DieCNCTechnikermglichtdas3DFrsen,mitdemkompliziertere3DKonturenerzeugtwerdenknnen.HufigwirddasWerkstckinvielenkleinennebeneinanderliegendenZeilenabgefahren.Beim5AchsenFrsenkanndieMaschinedenFrserunterjedemWinkelamWerkstckpositionierenundverfahren,wodurchdieFertigungvonextremkomplexen3DKonturenermglichtwird.KenndateneinerFrsmaschinesinddieArbeitsraumKoordinaten,das heit welche Verfahrwege in den Koordinaten X, Y und Z mglich sind, welcheAntriebsleistungundwelcheDrehzahlbereicheverfgbarsind

ZieldiesesJugendForschtProjekteswardieEntwicklungundderBaueinerdreiachsigen,kostengnstigen, przisen, qualitativ hochwertigen und mglichst leistungsstarken CNCFrsmaschine.SowohldermechanischeAufbau,alsauchdieelektronischeSteuerungwurdenundwerdenselbstentwickelt.DaderBaujedochauerordentlichkostspieligist,wurdenvieleeinzelne Komponenten von hilfsbereiten Firmen gesponsert, um diesen realisierbar zumachen.AnderweitigwrediesesProjektnichtmglichgeworden.

2 Mechanik

2.1 AllgemeinermechanischerAufbauderCNCFrseAls Portalfrsmaschine wirdeineFrsmaschinebezeichnet, beiderderFrskopfaneinemQuerbalken zwischenzwei Stndern gefhrt wird, wodurch ein Portal gebildet wird. DasWerkstck wird je nach Bauform bei einem GantryAntrieb auf einen fest installierten

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SpanntischoderbeifeststehendenStndernentsprechendaufeinendurchdasPortalinXRichtungverschiebbarenSpanntischaufgebaut.LetztereswurdeimRahmendiesesProjektesaufGrunddereinfacherenundkostengnstigerenBauweiseverwirklicht.AndemQuerbalkenistdieYAchsemontiertundanihrerwiederumdieZAchse,sodassderFrskopfsichindreiRichtungenbewegenlsst.

PortalfrsmaschineneignensichentsprechenddurchihrehoheStarreganzbesondersfrdieeffektive Bearbeitung groer Flchen. Sie werden bevorzugt beim Planfrsen vonbeispielsweisegroenPlatteneingesetzt.HufighabenPortalfrsmaschinen,zustzlichzumFrskopfamQuerbalken,nochzweiFrskpfeandenStndern,sodassineinemDurchlaufgleichzeitigauchdieSeitendesWerkstcksbearbeitetwerdenknnen.AufdieseErweiterungwurdeaberbeimBauverzichtet

DurchdiesehrstarreBauformistdiePositioniergenauigkeitdereingesetztenFrswerkzeugetrotz der oft extremen Ausmae solcher Maschinen sehr hoch bei bis zu 5/1000mm.Entsprechend ist die Bauform auch relativ unempfindlich gegenber Vibrationen wasbesonders beim Wunsch nach hoher Mahaltigkeit, Oberflchengte oder bei hoherZerspanungsleistungeinesehrwichtigeVoraussetzungdarstellt.

EinwesentlicherNachteilderPortalfrsmaschinenistdiebauartbedingteBeschrnkungderBreite und Hhe der Werkstcke entsprechend den Innenausmaen des Portals. DieserNachteilistjedochbeidergebautenCNCFrsesehrgering,dadieInnenabmessungendesPortals ausreichend grogewhlt wurdenundhauptschlich flache Materialen verarbeitetwerden.

Da die CNCFrsmaschine sowohl przise als auch qualitativ hochwertig gebaut werdensollte,kamennurAluminiumundbegrenztauchMDF(MitteldichteFaserplatte),einesehrharteSpanplattenart,zumEinsatz.

2.2 DieRahmenkonstruktion

Der Rahmen der CNCPortalfrse wurde aus Maschinenbauprofilen gebaut (Abb. 1). Siebestehen vollstndig aus Aluminium. Einzig die Oberflche ist zum Schutz naturfarbeneloxiert.DieseProfilesindsehrleicht,einfachzubeundverarbeitenundauerdemnochuertstabilundsomitidealfrdenBauvonCNCFrsengeeignet.

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Abb.1:QuerschnittBoschRexrothMaschinenbauprofil

Abb.2:ItemMaschienbauprofile

DurchdieTNutenindenProfilenlassensichdieProfileuntereinanderschnellundstabilverbinden,undgegebenenfalls auchnochentlangderTNutverschieben, sodasssichzumBeispiel der Querbalken herabsetzen lsst, um flachere Werkstcke, durch die darausergebendensinkendenVibrationen,exakterbearbeitenzuknnen.

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GlcklicherweisekonnteaufgebrauchteAluminiumprofilezurckgegriffen

werden,dadieNeupreisemitmindestens40proMeterdenfinanziellenRahmendiesesProjektesgesprengthtten.Dabei

wurdenfrdasPortalunddieAufhngungderYAchsedieleichteren

MaschinenbauprofilevonItemmitdenAbmessungen40x40mm,40x80mmund

40x120mmverbaut(Abb.2).FrdieBodenkonstruktionwurden

massivereProfilevonBoschRexrothmiteinerQuerschnittsgrevon50x50mm

verwendet(Abb.1).

Abb.3:FrontansichtderRahmenkonstruktion

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Abb.4:StndermitQuerbalken

IndenBodenderRahmenkonstruktionwurdeeineMDFPlattemillimetergenaueingepasstundaufihrdieXAchsemontiert.

2.3 Vorschubkonstruktionen

DieVorschubkonstruktionenallerdreiAchsenbestehenjeausfolgendenKomponenten: einemSchrittmotor einerKupplung zweiKugellagernmitjeeinemLagerbock einerVorschubspindel zweiLinearfhrungenmitjezweiFhrungswagen zweiVorschubmutternmiteinemLagerbock

2.3.1 DieSchrittmotoren

Ein Schrittmotor ist ein Synchronmotor, bei demder Rotor (drehbares Motorteil mit derWelle) durch ein gesteuertes schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld derStatorspulen (nicht drehbarer Motorteil) um einen minimalen Winkel (Schritt) oder seinVielfachesgedrehtwerdenkann.BeiCNCFrsmaschinenwirdhauptschlichnurdieseArtvonMotoreneingesetzt,dadurchdenfestenSchrittwinkeleinekonstante,exaktberechenbareVorschubbewegungproportionalzurAnzahlderEingangsimpulsevollzogenwird.AlleVorschubkonstruktionenenthaltendenselbeniselHybridZweiphasenSchrittmotorMS160.BeidiesenSchrittmotorenistdurchden8LeiterAnschlusssowohleinunipolareralsaucheinbipolarerBetriebmglich.BeidemunipolarenBetriebwirdjeSchrittnureinevonvier Statorspulen und bei dem bipolaren Betrieb zwei Statorspulen angesteuert. Darausresultiert einHaltemoment von1,3Nmbei unipolaremund1,6NmbeibipolaremBetrieb.

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Allerdings erwrmt sich der Motor wegen des hheren Gesamtstromes bei bipolarerAnsteuerungstrkerundmussgegebenenfallsgekhltwerden.MitdiesemhohenDrehmomentsinddieseSchrittmotorenleichtberdimensioniertfreineCNCFrsedieserGrenordnung.VergleichbareMaschinenverwendenSchrittmotorenmiteinemHaltemomentvonca.1Nm.

NebendemblichenVollschrittbetriebsindnochHalbundViertelschrittbetriebmglich,umdie Auflsung des Schrittwinkels und die daraus resultierende Vorschubweite weiterherabzusetzen.DerSchrittwinkelliegtimVollschrittbetriebbei1,8proSchritt.

Weitere Vorteile dieser Schrittmotoren sind das zweite Wellenende fr einen optionalenAnbauvonBremseundSchrittencoderundderkleine,nichtkumulativeSchrittwinkelfehlervon5%.

2.3.2 DieKupplungen

EineKupplungisteinMaschinenelementzurbertragungvonDrehmomentenbeiWellenohne und mit Verlagerung der Achsen. Eingeteilt werden die Kupplungen nach ihrenFunktionenundderVerbindungsart.EsgibtdrehstarreKupplungen,elastischeKupplungenundschaltende(bzw.trennende)Kupplungen.DieAufgabenbeieinerCNCFrsesinddiebertragungvonDrehbewegungbzw.Drehmoment, AusgleichvonWellenversatzunddieDmpfung von Drehmoments und Geschwindigkeitssten. Kupplungen dienen, imGegensatz zu Getrieben, nicht zur Drehmomentwandlung sondern sie bertragen imverbundenenZustandgleichgroeDrehmomente.

DieverwendeteKupplungbestehtauseinersehrfestenAlulegierungundistmiteinerAluChrom Oberflchenbehandlung ausgestattet. Die erste Bohrung hat einen Durchmesser6,35mmfrdieWelledesSchrittmotorsunddiezweitehatdenrelativblichen