CNC-Fräse

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Eine CNC-Fräse ist eine Fräse, die statt durch einen Menschen von einem Computer bedient wird.

In der Industrie werden CNC-Maschinen schon länger eingesetzt. Auch im Hobby sind CNC-Fräsen und auch Drehbänke im Kommen. Z.B. bei der Platinenherstellung sind sie eine große Erleichterung, lohnen sich aber erst nach sehr vielen Platinen

Der folgende Artikel richtet sich hauptsächlich, an Heimwerker, die einen Selbstbau einer CNC-Fräse ins Auge gefasst haben.

Vorteile

Genauigkeit
Sie arbeiten selbständig
Formen wie z.B. Kreise sind mit konventionellen Fräsen, ohne zusätzliches Zubehör, wie z.B. Teilköpfe, nicht machbar
Computer können mehr als 2 Achsen gleichzeitig verfahren

Nachteile

Man muss sich in Programme einarbeiten, um dem Computer Vorlagen zu erstellen
Hoher Preis

Arten von Fräsen

Es gibt grundsätzlich 2 verschiedene Arten von Fräsen:

Portalfräsen, oder auch Bettfräsmaschinen
Konsolfräsmaschinen

Portalfräsmaschinen

Eine Portalfräsmaschine hat einen großen Tisch, über dem sich das Werkzeug bewegt.

Dabei wird entweder der Tisch unter einem Portal vor und zurück gefahren, während auf dem Portal die Z-Achse nach rechts und links verfahren werden kann,
oder der Tisch steht fest, und das gesamte Portal kann nach vorne und hinten verfahren werden.

Sie ist eher geeignet für großflächige Arbeiten in weicheren Materialien, wie z.B.:

Spanten für Schiffe und
Rippen für Tragflächen aus Holz ausschneiden
Isolationsfräsen auf Leiterplatten

Wenn die Fräse massiv gebaut ist, können auch NE-Metalle, hauptsächlich also Aluminium bearbeitet werden.

Konsolfräsmaschinen

Anders als bei den Portalfräsen bewegt sich hier das Werkzeug nicht, sondern der Maschinentisch und dadurch das Werkstück. Der Motor und die Spindel, mit der Werkzeugaufnahme, sind in einem massivem stationären Aufbau integriert. Dieser Aufbau ist häufig aus Grauguß.

Konsolfräsen sind meist stabiler und dadurch für die Bearbeitung von harten Materialien wie Stahl geeigneter.

Bestandteile

Für den Selbstbau sollte man sich eine Portalfräse vornehmen. Der Grundaufbau ist mit Maschinenbauprofilen relativ einfach zu realisieren.
Möchte man Stahl bearbeiten, sollte man statt einem Neubau, eine konventionelle Konsolfräse auf CNC-Betrieb aufrüsten.
Das hat auch den Vorteil, das man beim Bau schon fräsen kann. Für eine CNC-Fräse benötigt man:

Mechanik

Linearführungen
Gewindespindeln
Schrittmotoren
Wellenkupplungen oder Zahnriemenräder
Frässpindel

Linearführungen

Sie lagern die beweglichen Teile.
Die gebräuchlichsten Arten sind:

(unterstütze) Rundstähle mit Gleit- oder Linearkugellagern
Wälzführungen z.B. von Bosch Rexroth, oder THK

Wer sehr wenig Geld ausgeben will, kann auch Schubladenschienen nehmen. Aber dann bekommt auch nur die Qualität die man bezahlt.

Gewindespindeln

Sie übersetzen die Drehbewegung der Antriebsmotoren in eine lineare Bewegung.
Auch hier hat man verschiedene Möglichkeiten:

Gewindestangen: Sehr günstig, aber auch mit größeren Toleranzen, und nur geringen Steigungen
Trapezgewindespindeln: Größere Steigungen, massiver, deshalb weniger Durchbiegung. Steigungstoleranzen gering.
Kugelumlaufspindeln: Sehr teuer, wie Trapezgewinde, aber verschwindend geringes Umkehrspiel, wenig Reibung

Schrittmotoren

Sie erzeugen eine sehr genaue Drehbewegung, üblicherweise haben sie eine Auflösung von 1,8°. Ausserdem haben ein großes Haltemoment. Für weitere Informationen siehe Schrittmotoren

Wellenkupplung

Sie verbinden die Gewindespindeln mit den Schrittmotorachsen. Alternativ auch möglich:

Zahnriemengetriebe

Statt einer direkten Verbindung von Motor und Spindeln, kann man auch ein Zahnriemengetriebe verwenden.
Der Vorteil dabei: Man muss nicht auf absolut parallele Ausrichtung der Elemente achten.
Ausserdem kann man evtl. eine Untersetzung einbauen, um die Präzision weiter zu erhöhen.

Frässpindel

Die Frässpindel spannt das Werkzeug ein, und treibt es an.
Hier kann man verschiedene Wege gehen:

Fertige Frässpindel, z.B. von Kress
Dremel(-klon)
Frässpindel einer Oberfräse

Elektronik

Schnittstelle zum Computer über LPT
Schrittmotortreiber
Endschalter
Zusätzliche Logik und Relais
Stromversorgung

Die Elektronik lässt sich auch auf einer Platine zusammenfassen.

Computerschnittstelle

Die Platine sollte über einen oder zwei Parallelport(s) mit dem Computer kommunizieren.
Leute die Angst um ihren Computer haben, können die Platine über Optokoppler galvanisch vom PC trennen. So wird verhindert, dass bei einem Kurzschluss die Motorspannung den Computer bruzzelt.

Schrittmotorendstufe

Die Endstufe musst Takt/Richtungssignale des Computers für die verschiedenen Phasen (normalerweise 2) der Schrittmotoren aufbereiten, und über Treiberbausteine genügend Strom für die Wicklungen schalten.
Dazu wird häufig die Kombination von L297 + L298 verwendet. Wer etwas mehr Strom braucht, kann statt dem L298 zwei L6203 verwenden.

Endschalter

Die Endschalter sind am Ende des Verfahrwegs jeder Achse montiert, und geben dem Computer an, das er dabei ist, über die Grenzen der Achsen zu fahren.

weitere Funktionen

Mit der Steuerkarte kann man über Relais, oder einen Frequenzumrichter die Werkzeugspindel kontrollieren.
Oder man bedient einen Staubsauger, eine Kühlung o.ä.
Ausserdem sollte man einen Notausschalter, und evtl. Referenzschalter verwenden.

Stromversorgung

Man braucht mind. 2 verschiedene Spannungen:

Motorspannung bis 42V (einige Ampere)
Logikspannung 5V
evtl. 5V für die Optokoppler (Seperater Trafo)

Es ist wichtig das die Logikspannung nicht unter ~4,6V einbricht, denn darunter funktioniert die Stromregelung des L297 nicht mehr, und die Treiberbausteine verabschieden sich.

Computer

Als Steuerungscomputer kommt nur einer in Frage, der einen Parallelen Anschluss hat.

CAD-Programm
CNC-Programm
CNC-Steuerung

CAD-Programme

In diesen wird eine Zeichnung des gewünschten Bauteils angefertigt.
z.B. Leiterplatten mit EAGLE

CNC-Programm

Das CNC-Programm verarbeitet die CAD-Zeichnung zu Befehlen, wann wie welche Achsen wohin fahren sollen.
Dazu wird meist der sog. G-Code verwendet.

Steuerprogramm

Das Steuerprogramm seinerseits ließt nun den G-Code des CNC-Programms, und setzt die Befehle in entsprechende Signale auf der Druckerschnittstelle des Computers um.

Siehe auch

Autor(en)

--BurningBen 17:15, 6. Apr 2009 (CEST)