CNC-Portalfräse "Karlowitz"

Eine ältere, aber funktionierende DIY CNC-Fräse mit Estlcam und PlanetCNC Steuerung.

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Features in Kurzform

Leistung und Genauigkeit

Abmessungen

Werkstoffe

Modi

Weitere Features

Intro / Übersicht

Die „Kotzgrenze“ an Höhe:

grafik.png

Es sind gerade noch so ca. 5mm Sicherheitsabstand zwischen Fräser (hier 6mm Fräser von Sorotec) über dem 22mm dicken Holzbauteil (bei aktueller Planfräsung der Opferplatte) 

Allgemeine Nachteile

  1. Z-Sensor (Kupferplatine und Maulklemme) = Input 1
  2. Limit Switches
    1. 1. X = 1 (+ und -)

    2. 2. Y = 2 (+ und -)

    3. 3. Z = 3 (+ und -)

  3. Output 1 = Drehzahl PWM (lila

  4. Output 2 = CW/CCW (gelb

  5. Output 6 = Spindel an/aus (orange) → Hiermit ist der Staubsauger gekoppelt. geht nur an. Hinweis: Die Spindel kann auch ohne Pin 6 aktiviert werden, allerdings ist ihr dann keine Leistung zugeschalten und der Staubsauger geht nicht an

Boards/Controller

Netzteile

Weitere Komponenten

XYZA Einstellungen sind alle gleich konfiguriert!

Stepper Decay Schrittmodus Phasenstrom
X 50% Fast (1 = off, 2 = on) 1/16 (3 = off, 4 = on) 2,5 A (5 = off ,6 = off)
Y 50% Fast (1 = off, 2 = on) 1/16 (3 = off, 4 = on) 2,5 A (5 = off ,6 = off)
Z 50% Fast (1 = off, 2 = on) 1/16 (3 = off, 4 = on) 2,5 A (5 = off ,6 = off)
A 50% Fast (1 = off, 2 = on) 1/16 (3 = off, 4 = on) 2,5 A (5 = off ,6 = off)

Hinweise:

Verbraucher Gemessener Leistungsbedarf
LED-Lampe 3 W
Steckdosenleiste mit Netzfilter + PC-Monitor im Standby + Frequenzumrichter im Standby 12 W
Steuerung eingeschalten (Grundstrom auf Schrittmotoren) 60 W
PC an + Monitor an + Frequenzumrichter im Standby 103 W
PC an + Monitor an + Frequenzumrichter im Standby + Steuerung eingeschalten (Grundstrom auf Schrittmotoren) 163 W
Steppermotor XYZ (einzelner) 30 W
PC an + Monitor an + Frequenzumrichter im Standby + Steuerung eingeschalten + XY Stepper Movement 230 W
PC an + Monitor an + Frequenzumrichter im Standby + Steuerung eingeschalten + Spindel an (24000 UPM) 260 W
PC an + Monitor an + Fräse im Betrieb (Spindel 24000 UPM, Werkzeug im Material, XY-Stepper in Bewegung) 330 W
Staubsauger Festool CTI I Mini auf Stufe 5/5 (niedrigere Stufen saugen weniger gut) 1200 W (minimium 350 Watt auf Stufe 1)

Änderungsprotokoll

Regelmäßige und außerplanmäßige Wartung

  • Gleitwellen schmieren

  • Riemen auf Überdehnung prüfen

  • Fräser auf Abbrand/Unschärfe/Ausbrüche in Schneidekontur prüfen

  • Prüfen der Endschalterpositionen (ggf. können die Winkel verbiegen)

  • Staub von LM-UU Lagern entfernen

  • Zyklonvorabscheider ausleeren

  • Staubsaugerbeutel ausleeren (im Schnitt alle 5-10 größere Fräsvorgänge)

  • Steuerung/PC/Frequenzumrichter entstauben

  • ggf. Lüfter ölen/reinigen

  • Bett planfräsen (dauert ca. 60-120 Minuten für 1-2x Durchgang)

Riemen wechseln

Vorsicht: Die Zahnriemen reißen schnell, wenn die Maschine zu stark belastet wird (Fräser bleibt stecken, während Gantry sich bewegt). Außerdem dürfen sie weder zu lasch (zu viel Versatzspiel), noch zu stramm gespannt werden (Verformung, Risse)

Schraubenschlüssel mit Weite 8mm/10mm nötig!

XY-Achsen Mikroschritte kalibrieren

Die Zahnriemen, insbesondere X, haben ein gewisses „Rückstellspiel“, da die Riemen recht lang sind. Die Dehnung lässt sich nicht komplett nullen. Das Spiel beträgt ca. 0,05mm je Richtung. Wir messen die Schrittabweichung mit einem 500mm langen Lineal, um ein möglichst langes Konfidenzintervall zu haben.

  1. Gravierstichel 1mm (sehr sehr spitz) einspannen

  2. Stichel an X=0 ausrichten

  3. Versatz in TNGv2 auf Null setzen

  4. G0 X500 ausführen

  5. Differenzmessung mit Messschieber ausführen

  6. G0 X0 ausführen

  7. Schritte mit Messdaten neu berechnen und in Firmware eintragen

  8. X-Achse erneut nullen

  9. diese Schritte wiederholen, bis G0 X500 exakt erreicht wird

Das gleiche Vorgehen nutzen wir für die Y-Achse. Hier nutzen wir den Gravierstichel zum Ausrichten des Lineals. Wir spannen das Lineal in Y=0 per Schraube fest und stellen dann den Winkel ein. Anschließend schrauben wir eine zweite Schraube ins Lineal, um es auf der Opferplatte zu fixieren.

Kalkulator Tool

Z-Achse Mikroschritte kalibrieren

Formel zur Neukalkulation der Schritte pro Millimeter:

Z-Höhe während Fräsvorgang justieren

Bett planfräsen

Vorsicht/Hinweise: 

Neue Opferplatte herstellen:

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Fräser reinigen

Nach einigen Fräsvorgängen sieht der Fräser häufig schwarz aus. Das können entweder Abbrand/Anlauffarben sein oder Harz. Letzteres lässt sich mit Bref oder Backofenspray entfernen. Dazu legen wir den Fräser ein und bürsten ihn nach ein paar Stunden mit Stahlwolle ab. Auf Bref kann auch verzichtet werden, wenn es mal schnell gehen soll. Dann reicht Stahlwolle allein.

Nach einigen Fräsvorgängen 

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Nach der Reinigung

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Spindelhalter, Spannzangen (ER11 Aufnahme) und Fräser

Spindehalter mit 3 Schrauben: obere und untere Schrauben dienen zum Festklemmen; mit der mittleren kann der Block aufgespreizt werden, sodass die Spindel komplett durchgeschoben werden kann (nicht benötigt)

Aufnahme der Spindel: Standardrechtsgewinde, Feingewinde - Festschrauben mit 13er und 17er Schlüssel - max. Einspanntiefe des Fräsers (inkl. Spannzange) ca. 50mm (ohne Zange ca. 43mm). D.h. ein Dräser mit länge 60mm blickt minimal 10mm aus der Zange heraus. Das empfohlene Anzugsmoment für ER11 Collets siehe https://www.tapmatic.de/service/spannen-er-spannzangen.

Falls der Z-Abstand nicht ausreicht, um den Fräser zu löse, dann den Werkzeugkopf nach X=0 fahren und/oder den Absaugschuh entfernen; zur Not die Spindel aus dem Halter lösen.

grafik.png

WARNUNG: Die Spannzange muss das schwarze Futter hörbar einklicken (siehe Fotos falsch/richtig)!

Minimale Einspanntiefe der Fräser

Wählen Sie einen möglichst kurzen Fräser und spannen Sie diesen soweit wie möglich ein. Es sollte wenigstens so tief wie die Einspannzange eingespannt werden (Höhe der ER11 Zangen beträgt 18mm).

Vorhandene Fräser → siehe LibreOffice Tabelle in Seafile

Empfohlene Parameter Gravierstichel: https://www.sorotec.de/shop/Zerspanungswerkzeuge/sorotec-werkzeuge/Gravurwerkzeuge/Gravierstichel--Standard-/?language=d

Gleichlauf (coventional milling) oder Gegenlauf (climb milling)?

Gleichlauf und Gegenlauf einzustellen hat nur Einfluss auf die Fräsqualität an einer Kante. Am Boden von Taschen oder bei Volleingriff in einer Nut gibt es kaum Auswirkungen. Bei Taschen wäre Gleich- oder Gegenlauf nur für den letzten äußersten Werkzeugweg interessant. Beim Räumen der Tasche selbst ist das egal, denn dort zählt nur die axiale Schneide des Fräsers.

Gegenlauffräsen (> bei uns eingestellt!)

Der Fräser hebt zum Ende des Schneideneingriffs einen größer werdenden Span ab. Sinnvoll ist das bei wabbeligen Maschinen, denn der Antrieb muss gegen einen größeren Widerstand arbeiten und so wird ein Spiel im Antrieb „zusammengedrückt“. Die Kante kann glatt aber wellig werden. Durch den Gleitvorgang der Schneide vor dem Eintauchen ist die Standzeit des Werkzeugs um einiges niedriger. Bei flexiblen Materialien dringt ein scharfer Fräser leichter ins Material ein.

Gleichlauffräsen

Der Span ist am Anfang dicker und zum Ende des Eingriffs hin dünner. Es entsteht bei einer stabilen Maschine eine glattere Kante, aber Gleichlauffräsen benötigt eine stabilere Maschine. Die Maschine darf kein Spiel haben, sonst entstehen viel größere Resonanzen. Ist Spiel irgendwo im Antrieb oder ist die Maschine weich, wird es immer größere Resonanzen als beim Gegenlauf geben. Ich denke eine Maschine aus MPX zählt eher nicht zu den stabilen Fräsen. Die Standzeiten der Fräser sind höher als beim Gegenlauffräsen. Der Effekt benötigt aber eine stabile Maschine, entstehen Resonanzen ist die Gefahr von Mikroschneidenausbrüchen größer. Für ein gutes Ergebnis bei flexiblen Materialien muss ein Fräser sehr scharf sein sonst prallt er am Material ab.

Feststellung vom 12.01.2022 an Hand eines 40,00 x 40,00 mm Vierecks:

Grundregeln und Ursachen und Lösungen für kaputte Fräser/Fräserkreischen

Grundregeln

Drehzahlen in Abhängigkeit vom Durchmesser

Durchmesser in mm Max. Umdrehung / Minute
1 - 24 ~ 28.000
25 - 30 ~ 24.000
31 - 50 ~ 18.000
51 - 67 ~ 16.000
68 - 90 ~ 12.000

kaputte Fräser/Fräserkreischen (Gründe sind vielfältig)

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Auf Grund der vorhandenen Spannzangen können in der Regel nur Fräser von 1 bis 7 mm eingespannt werden. Die meisten Hersteller bieten Fräser von 1 bis 6 mm Durchmesser an. Die Schaftlängen variieren dabei im Bereich bis 21 mm. Mit etwas Sicherheitsabstand lässt sich so sagen, dass eine maximale Frästiefe von 20 mm erreicht werden kann. Folgende Fräser eignen sich für unsere Fräse: https://www.sorotec.de/shop/Zerspanungswerkzeuge/sorotec-werkzeuge/2-schneider/Schaftfraeser-HOLZ

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Art.-Nr. D1 D2 D3 SL NL GL Preis Brutto
FSH032.0100.05 1 3 5 5 39 18,90 EUR
FSH032.0200.10 2 3 10 10 39 18,90 EUR
FSH032.0300.12 3 3 12 12 39 18,90 EUR
FSH032.0300.15 3 3 15 15 50 20,00 EUR
FSH042.0400.16 4 4 16 16 50 19,90 EUR
FSH052.0500.16 5 5 16 16 50 21,90 EUR
FSH062.0600.21 6 6 21 21 57 25,90 EUR

 

Absaugschuh, Zyklonvorabscheider, Staubsauger

Zyklonvorabscheider Volumen

$V = \pi \cdot r^2 \cdot h = \pi \cdot (\frac{23cm}{2})^2 \cdot 28cm = 1011,59 cm^3$

Programmierung und Software

  1. Inkscape
  2. QCAD

Estlcam

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  1. offizelle Software-Lizenz vorhanden

  2. wird nicht von Estlcam direkt unterstützt, weshalb eine Durchsschleifung notwendig ist

  3. ggf. Automatisierungen PlanetCNC Software via Python

  4. GCode Referenz → siehe G-Code Handbuch Planet CNC

  5. Setup-Pfad: C:\Program Files\PlanetCNC

  6. kompatibler Python Interpreter: Python 3.7.9

  7. NotePad++ Plugin: https://github.com/PlanetCNC/PlanetCNCNpp

  8. Manuelles Stepping auf Tastatur: beim Verfahren gibt es teilweise Ruckler, die so wirken, als hätte die Fräsensteuerung Fehler. Diese sind normal. Im regulären Fräsprogramm gibt es diese Phänomen nicht

Mögliche Gründe, warum der Fräsvorgang abbricht bzw. Fehlerbild

Maschine geht „einfach so“ und überführt in Zustand  des Not-Aus:

Wenn die Fräse mitten im Job stehen bleibt, dann wurde mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Endschalter ausgelöst. Um herauszufinden, welcher das ist, muss das Setting „Hard Limits enable“ temporär deaktiviert werden (dies ist in einem regulären Fräsjob nicht zu empfehlen!). Dann läuft die Fräse weiter und das Triggern der Endschalter kann im TNG v2 Frontend bei den Pin States live nachverfolgt werden.

Bei Fehlern siehe „Show Log“ → „Error&EStopCnt“:

Device: USB VID: 0x2121 PID: 0x2130
  Serial:           8974
  Type:             1
  SubType:          7
  VersionMain:      20211115
  VersionBoot:      0
  RequestTimeout:   10
  ResponseTimeout:  10
  CommCnt:          3235592
  RetriesSendCnt:   83
  RetriesReadCnt:   913
  ErrorTransferCnt: 0
  DuplicateCnt:     83
  LimitCnt:         96
  InputCnt:         60
  JogCnt:           0
  Error&EStopCnt:   3

Änderungen des Programms finden sich hier:

grafik.png

GCode Snippets TNGv2

#1=C:\Users\Holzkombinat\Desktop\<project>.log
(LOGOPEN,#1)
(Projekt <project>)
(Erstellt mit Estlcam Version <version> Build <build>)
(Laufzeit ca. <time> Stunden)

(Benötigte Werkzeuge:)
<tools>

(Travel Feed G0/G01> siehe PlanetCNC Settings -> Program Options -> Traverse Speed)

(LOGOPEN,C:\Users\Holzkombinat\Desktop\<project>.log)
#1=DATETIME[]
#2=YEAR[#1]
#3=MONTH[#1]
#4=DAY[#1]
#5=HOUR[#1]
#6=MINUTE[#1]
#7=SECOND[#1]
(LOG,Beginn #2-#3-#4 #5:#6:#7)
(LOGCLOSE)

G90
M03 S<s>

Das Endscript fährt den Werkzeugkopf auf die Koordinate X-100. Es muss sichergestellt werden, dass der Nullpunkt mindestens 100mm vom Endschalter weit weggesetzt ist, ansonsten lösen die Endschalter aus, wenn eine Koordinate erreicht wird, die geringer als das Minimum ist. Wir erhalten dann in PlanetCNC TNG v2 eine entsprechende Warnung bzw. Fehlermeldung, die den Job unterbricht

Manuelle Pause zum Festspannen via Schrauben

Achtung:

(LOGOPEN,C:\Users\Holzkombinat\Desktop\<project>.log)
#1=DATETIME[]
#2=YEAR[#1]
#3=MONTH[#1]
#4=DAY[#1]
#5=HOUR[#1]
#6=MINUTE[#1]
#7=SECOND[#1]
(LOG,Beginn manuelle Pause zum Festspannen via Schrauben #2-#3-#4 #5:#6:#7)
(LOGCLOSE)

G0 Z10
M05
G0 X-100 Y0
M0
M03 S24000

(LOGOPEN,C:\Users\Holzkombinat\Desktop\<project>.log)
#1=DATETIME[]
#2=YEAR[#1]
#3=MONTH[#1]
#4=DAY[#1]
#5=HOUR[#1]
#6=MINUTE[#1]
#7=SECOND[#1]
(LOG,Ende manuelle Pause zum Festspannen via Schrauben #2-#3-#4 #5:#6:#7)
(LOGCLOSE)

Fräsaufwand und Kalkulation

Bei mehreren Teile auf Platte diese jeweils einzeln zu Ende fräsen (Modus kann ausgewählt werden beim Kacheln) → Aufsummierung von Positionierfehlern wird gemindert.

grafik.png

Idee: Papierschablone ausdrucken auf Löcher+Schrauben per Hand machen (geht ggf. schneller, je nach Anzahl und erforderlicher Platziergenauigkeit der Bohrungen)

Tipp 1

XY-Anschlag auf Bett festschrauben, um Platte immer gleich einzuspannen und XY-Werte nicht anpassen zu müssen → reduzieren der Arbeit auf jeweils gut justierten Z-Wert. Achtung: die Befestigungslöcher für Schrauben „nudeln“ nach einer Weile aus und müssen ggf. gespachtelt werden (z.B. mit Silikon, Astfüller, Heißleim, Holzleim).

Tipp 2

Für ebene Taschen: Nur genaue Randkonturen der Taschen einfräsen und den inneren Rest mit der Handoberfräse nachträglich ausräumen!

Materialexperimente / Befestigungstipps

Fräsaufwand - was muss alles beachtet werden?

Das CNC-Fräsen benötigt ausreichend Vorbereitungszeit - auch, wenn bereits das eigentliche Modell fertig gezeichnet ist. Allgemeine, wichtige Schritte:

  1. Arbeitsplatz
    1. PC einschalten
    2. Sichtprüfung Maschine (alles i.O.?)
    3. Schrittmotoren aktivieren (grüner Knopf - dieser klemmt manchmal bzw. reagiert erst nach mehreren Anläufen)
  2. Softwareprogramm (GCode)
    1. Software-Programme starten (PlanetCNC TNGv2, Estlcam)
    2. CNC Programm erstellen - Ziele: Zeit sparen (=Fräsbahnen einsparen, Vorschub/Drehzahl anpassen an benötigte Qualität und Holzsorte) | je nach Komplexität 30-60 Minuten
    3. GCode nachbearbeiten (z.B. Pausen einarbeiten für Zwischenschritte; siehe GCode Snippets). CNC Programm im Anschluss simulieren (ermitteln der Machbarkeit, Dauer, Kosten, Vermeidung von Kollisionen und Fräserbruch) | weitere 30 - 60 Minuten
  3. Werkstück vorbereiten (Platten)
    1. Werkstück passend zum Programm konfektionieren (Nesting)
    2. ggf. Werkstück kalibrieren (auf Dicke abrichten/schleifen)
    3. Schleifstaub abwischen (stört beim Einspannen (sorgt für unnötige Z-Toleranzen)
  4. Werkstück (Platte) einspannen
    1. (festkleben, klemmen oder schrauben) - hierzu je Seite ca. 2 cm toten Rand lassen, in dem Löcher zur Befestigung mit Schrauben vorgebohrt werden müssen (sonst Ausreißen!)
    2. Astlöcher besser nach unten, falls möglich (abhängig von Auswölbung) > gegen die Wölbung arbeiten (Auswölbung mit Festschrauben auf Arbeitsplatte reduzieren)
    3. Platten konfektionieren + ORDENTLICH ENTSTAUBEN
  5. Job vorbereiten
    1. Alten Fräser lösen
    2. Spindelgewinde / Spannzange / Spannzangenhalter / Fräser reinigen
    3. korrekten Fräser einspannen (so kurz wie möglich, um Bruch und Vibration zu verringern)
    4. Maschine homen
      1. XYZ passend einstellen > Fräser auf Z=0 setzen per Hand (via Z-Probe (Kupferplatine), Prüfen mit Dickenlehre oder Augenmaß)
      2. Bauraum austesten für Werkstück (Fräsprogramm fährt bei Nichtbeachtung der Maximalmaße gegen Endschalter und geht still (ohne Fehlermeldung) in den Notaus-Zustand) → XY-BoundingBox vorher abfahren
  6. Werkstück Fräsen - Vorsicht!
    1. Y-Portal ist bis zu einem gewissen Grad elastisch und kann Kollisionen verzeihen - Hand immer in der Nähe vom Not-Aus Knopf!
    2. Wenn TNGv2 Software beendet wird, während Fräse noch läuft, dann bleibt u.U. die Spindel aktiv! > Not-Aus nutzen
    3. Späneabsaugung prüfen. Zu viel Späne im Schneidspalt können auch für Brand durch Reibung sorgen
    4. Wenn Fräser kreischt, quietscht oder stark vibriert: Maschine stoppen und auf Werkzeugeinspannung prüfen oder Geschwindigkeit/Vorschub dynamisch anpassen
    5. Während des Fräsjobs werden Fräser, Werkzeugaufnahme, Spindel und Spindelhalter sowie die XY-Schrittmotoren sehr warm/heiß (und dehnen sich aus)
    6. ggf. dynamische Anpassungen/Unterbrechungen notwendig: voller Staubsaugerbeutel/Zyklon, Z-Rejustage, Fräserwechsel, Plattenbefestigung anpassen, Geschwindigkeiten anpassen, etc.
  7. Nacharbeiten / Qualitätskontrolle
    1. Werkstückfugen komplett aussaugen und Sichtprüfung durchführen: ist wirklich die Platte komplett durchgefräst? Falls nicht, muss ggf. das Programm wieder laufen gelassen werden (mit korrigiertem Z-Versatz! Anderfalls sind die Platte und die bereits investierte Fräszeit dahin!)
    2. Werkstück entnehmen
    3. Maschine reinigen, um nächsten Job vorzubereiten (Zyklonabscheider, Staubsauger, Bett)
    4. Werkstück ggf. freistellen (Stechbeitel (idealerweise dünner als die Fräsbahnbreite, um Verkanten zu verhindern), Bandsäge oder Dekupiersäge)
    5. Werkstück ggf. nachschleifen (Langbandschleifer, Bandschleifer, Handschleifpapier, …)
    6. Bauteil(e) inspizieren: Sichtprüfung, Toleranzprüfung (insofern jemand ein technisches Produkt mit genauen Maßen (z.B. nach Zeichnung) benötigt)
    7. Im Fräsprogramm-Logfile nachsehen, wie lange der Job wirklich gedauert hat

Es stehen verschiedene Tools zur Verfügung, um die Job-Dauer (die reine Fräszeit der Maschine ohne sämtliche menschgemachte Unterbrechungen) zu berechnen:

Vorschlag Fräsjob-Berechnung:

5 Minuten extra (für Start) + Vorschauzeit des GCodes * 1,2 (20% Pauschale Extra)

Simulationsmodus:

grafik.png

Für eine korrekte Fräsdaueranzeige muss der „travere speed“ korrekt eingetragen werden. Wir nutzen in PlanetCNC einen Standard Feed für Reisebewegungen von 2500 mm/min (Stand 13.01.2022). Diesen Wert setzen wir in den Einstellungen von NC Corrector ebenfalls. Sobald sich der Wert ändert, muss er synchron hier angepasst werden!

Edit: Leider ist auch NC Corrector v4 ungenau. Bei einem Job mit 1h20Min Dauer rechnet NC Corrector gerade einmal 58Min aus.

grafik.png grafik.png