So sah das Projekt Spindel vor dem Einbau aus.

• Frequenzumrichter Hitachi WJ200-055 HFE 7,5 kW Spitze
• Frässpindel HSD ES915A mit 6,6 kW Spitzenleistung
• LED Beleuchtungsring d = 90 mm
• Bremswiderstand Hitachi PWR-R600-100 1,1 kW
• Donaldson SF0020 Filter und Membrantrockner

Parametrisierung

Doch zunächst hatte der ebenfalls gebrauchte gekaufte (allerdings sehr neuwertig wirkende) Hitachi WJ200 Frequenzumrichter für einen kleinen Schockmoment gesorgt… Direkt nach dem Start zeigte das Display die Meldung „- 5 – -“ an und verweigerte jegliche Eingaben am Bedienfeld. Auch die ansonsten sehr ausführliche Dokumentation hatte dazu keine passenden Angaben parat.

Fabian hatte sich mehrere Stunden mit dem Frequenzumrichter sowie der dazugehörigen Software ProDrive auseinander gesetzt, konnte das Problem schließlich beheben (u.a. Einstellung zum „Startbildschirm“) und die Spindel zum laufen bekommen.

Bei mehreren hundert (!) Parametern sind nötige und optionalen Einstellungen manchmal nicht auseinander zu halten. Hier galt es: Handbuch lesen und mit konservativen Parametern an das Optimum heran tasten.

Das Endergebnis:

Die Spindel läuft innerhalb von 4 Sekunden von 0 auf Maximaldrehzahl hoch. Dank 1,6 kW Bremswiderstand stoppt sie innerhalb von nur 2 Sekunden wieder. Mit der zugeschalteten Gleichstrombremse ab 4 Hz gibt es keinerlei Nachlaufen.

Sicherlich geht da noch mehr… das wollten wir aus Gründen der Materialschonung erstmal nicht fahren.

Pneumatischer Werkzeugwechsel

Nach dem Umbau von Schaltschrank I (Spannungsversorgung, Sicherungen, Netzteile) haben wir jetzt auch die pneumatisch lösbare Werkzeugspannung (a.k.a. Automatischer Werkzeugwechsel) in Betrieb genommen, hier ein Video:

Zum Schutz der Ausgangsschaltkreise der CSMIO/IP-S CNC Steuerung wurden die Magnetventile nochmal mit einem Solid State Koppelrelais getrennt. Induktive Lasten (trotz Freilaufdiode) findet die Steuerung, wie wir bereits einmal schmerzlich erfahren mussten, nämlich nicht so gut.

Es werde Licht

Auch Fabians Spindelbeleuchtung ist wieder aktiv. Zufällig passt die eigentlich für die Chinaspindel gedachte kreisförmige Platine perfekt um die Nase der neuen Spindel.

Das neue Anschlussgehäuse muss noch befestigt werden, doch das nehmen wir erst in Angriff wenn klar ist wie der 3D Werkstücktaster montiert wierd.

Wie geht es weiter?

Als nächstes müssen wir nochmal die Anbindung des Frequenzumrichters sowie der Spindelsensorik an die Steuerung angehen. Leider geht das aufgrund der Softwarekombination welche wir einsetzen nicht über ModBus. Da die Leitungen jedoch noch aus Zeiten der 2,2 kW Chinaspindel fertig verdrahtet liegen sollte das kein all zu großes Problem sein.

Etwas neues wird es jedoch noch geben: Mit Version 7 der Royal-CNC Software kann die Leistungsabgabe des Frequenzumrichters in der Software live angezeigt werden.

Nach wie vor gibt es weder im Deutsch- noch im Englischsprachigen Raum sinnvolle Infos über die Anbindung einer HSD Spindel. Neben dem Preis schreckt das noch zusätzlich ab. Wenn alles final eingerichtet ist wird es nochmal einen ausführlichen Artikel zu dem Thema geben, ähnlich dem Artikel zur Chinaspindel.

Vor dem Löten habe ich mich einige Zeit erfolgreich drücken können. Nachdem die Kabel jetzt schon seit Wochen unmotiviert in der Gegend rum hängen hat mich jetzt der Ehrgeiz gepakt.

Informationen wie der Stecker nun zu verarbeiten ist gibt es weder von HSD noch irgendwo im Netz. Scheinbar kauft die Mehrheit der Menschen den vorkonvektionierten Stecker ab Werk ( 250 Euro aufwärts) und erspart sich die Frickelei. Ein Grund mehr das Prozedere hier etwas genauer zu beschreiben. Vielleicht hilft es dem ein oder anderem ja…

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Der Stecker

Der Stecker ist in Wirklichkeit eine Kombination aus zwei Rundsteckverbindungen, welche in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut sind.

Der Stecker besteht aus zwei Bereichen, dem Lastteil (links, 9 Pins) und dem Signalteil (rechts, 22 Pins). Zeichnung: HSD

Aufbau

Von links nach rechts bzw. von oben nach unten:

• Mutter von Kabelverschraubung
• Kabelverschraubung
• Deckelplatte
• Unteres Steckergehäuse
• Gehäuse Rundsteckverbindungen
• Pins
• Dichtring
• Oberes Steckergehäuse

Die Kabelverschraubung ist nicht Teil des Lieferumfangs, es befinden sich jedoch bereits ein M23 und ein M32 Gewinde in der Deckelplatte. Verbaut habe ich hier wie immer LAPP Skintop MSR-M.

Spindelseitig

Auf Seite der Spindel sieht das ganze übrigens folgendermaßen aus. Durch Umbau der Anschlussbox ließe sich die Spindel sicherich auch direkt anschließen.

Unten zu erkennen: Leuchttaster für die manuelle Auslösung der Spannvorrichtung.

Kabel und Querschnitt

Vom Hersteller sind folgende Adernquerschnitte vorgegeben:

• Lastteil
  • Gerade Pin-Nummern: 6 mm2
  • Ungerade Pin-Nummern: 1 mm2
• Signalteil
  • Alle Pins 0,35 mm2

Wenn man nicht das fertige Kabel von HSD zur Hand hat stellt sich die Frage nach realistischen Werten. Zu beachten ist, dass HSD einen Kabelstandard für Spindeln von 3,6 bis etwa 12 kW benutzt und dementsprechend überdimensioniert wären in unserem Fall die 6 mm2.

Für mehradrige Leitungen kann man bei 6 mm2 von ca. 40 A Dauerbelastbarkeit ausgehen. Selbst bei 6 kW Spitzenleistung kommt die hier eingesetzte Spindel nicht über 25 A (Gesamtleistung! Bei 3 Phasen entsprechend verteilt.). Also sind 2,5 mm2 in unserem Fall ausreichend.

Glücklicherweise hatte ich für die 2,2 kW Chinaspindel bereits ein geschirmtes 4×2,5G Spindelkabel verbaut.

Bei größeren Leitungslängen vom Frequenzumrichter zur Spindel ist der Adernquerschnitt größer zu dimensionieren!

Löten

Das Verlöten der Pins benötigt einiges an Leistung, weswegen ich einen Gaslötkolben mit Blende verwende. Damit wird der Pin von allen Seiten erwärmt und erreicht die zum löten nötige Temperatur.

Hier meine Vorgehensweise:

1. Adern kürzen
   Damit nichts schief geht habe ich den Stecker inkl. Verschraubung zunächst zusammen gebaut um die Länge der Adern markieren zu können. Nicht vergessen: Vom Signalkabel müssen 4 Adern nach rechts geführt werden!
   
2. Adern abisolieren
   Die richtige Länge durch Messen (z.B. mit einem Nagel) ermitteln. Um Schäden am Aderisolation zu vermeiden, sollten 1-2mm Abstand zwischen Isolation und dem Pin liegen.
   
3. Pin einspannen
   (z.B. in eine Dritte Hand).  Da das Kabel bereits verbaut war und sich nur sehr unbequem aus den Schleppketten bzw. dem Galgen ausbauen lässt, habe ich mich für die Konvektionierung an der Maschine entschieden.
   
4. Mit dem Lötkolben Pins aufheizen
   Idealerweise mit einem Gaslötkolben/Heißluftlöter, geht aber auch mit einem normalen Lötkolben und breiter Spitze.
5. Lot in den Pin einführen bis sich das Flussmittel oben zeigt.
   Das Lot sollte unmittelbar nach dem Kontakt mit dem Pin schmelzen. Sollte das Aufheizen mit dem elektrischen Lötkolben zu lange dauern (gerade bei den großen Pins), kann man mit ein wenig temperaturbeständiger Wärmeleitpaste oder Lot auf der Lötkolbenspitze nachhelfen.
6. Sobald das Lot flüssig ist wird das abisolierte Aderende eingeführt
   Die kleinen Pins sind sehr eng, selbst für 0,75 mm2. Ich habe die feinen Litzen etwas mit der Hand verdrillt.
7. Zur Kühlung eignet sich Druckluft. In der Regel ist die Aderisolation nicht für hohen Temperaturen ausgelegt und wird bei zu langem Löten weich.
8. Kontrolle folgender Punkte:
   Ist die Ader tief genug im Pin, füllt das Lot den Pin gut aus, ist die Aderisolierung noch intakt, stehden Adern eventuell ab (Kurzschlussgefahr!)

Damit es im nächsten Schritt keine Komplikationen gibt sollte hier sauber gearbeitet werden. Ausgetretenes Lot macht den Zusammenbau teils unmöglich.

Zusammenbau

Nach dem Verlöten werden die einzelnen Pins in das jeweilige Steckergehäuse eingeschoben.Die kleinen Pins besitzen zum einrasten zwei kleine Flügel aus Blech, die großen Pins haben eine Rastnut.

Achtung! Die Nummerierung ist etwas schwierig zu lesen, dafür jedoch auf beiden Seiten des Gehäuses eingeprägt. Einmal eingebaut lassen sich vor allem die kleineren Pins so gut wie nicht mehr zerstörungsfrei entfernen.

Schrumpfschlauch sorgt für etwas Ordnung und Sicherheit. Die Leistungspins bekommen später noch einen Schrumpfschlauch, genau die eine Größe war leer…

Ergebnis

Zusammengebaut sieht das Ganze dann so aus…

Aufgrund der weit herausstehenden Pneumatikverschraubungen / Hohlschrauben sitzt das Signalkabel etwas geknickt. Das ist nicht nur „nicht schön“, sondern scheuert auch unnötigerweise am Mantel rum. Vermutlich wurmt mich das irgendwann noch so sehr, dass ich daran etwas ändere…

Auf der Rückseite des Schaltschranks wurde derweil die Beinheizung der Bremswiderstand installiert. Somit halten wir uns die (zugegeben kurzfristigen) bis zu 2 kW Abwärme aus dem Schaltschrank raus.

Die restlichen Arbeiten an der Verkabelung waren mit Eintreffen der fehlenden Teile schnell erledigt.

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Sitzt, passt und hat eben keine Luft mehr…

Bei den Einbaumaßen des Schaltschranks hatte ich die Abstandshalter vergessen, welche hinter der Montageplatte sitzt und für etwas Luft für herausstehende Schrauben sorgt. Aktuell lässt sich die Türe nur ganz knapp und unter leichter Gewaltanwendung schließen. Das Anschlussfeld der Netzdrossel sowie das Gehäuse des Netzfilters sind zu hoch… Also mussten die Abstandshalter raus und die Schrauben wurden mit dem Winkelschleifer plan geschliffen.

Erledigt!

Umbau Netzspannungsverteilung

Um den Stromhunger der neuen Spindel zu stillen muss die Netzspannungsverteilung umgebaut werden. Die bisherige Spindel war nur über eine einzelne Phase mit 16 A „C“ abgesichert, zukünftig arbeiten wir mit 3 x 20 A „C“.

Auf dem Weg beseitigen wir außerdem einen kleinen Planungsfehler beim Aufbau des Schaltschranks. Für die Stromverteilung hatten wir anstatt der üblichen Phasenschiene mit Einzeladern gearbeitet. Das beschränkt jedoch etwas die Flexibilität beim aufteilen der Verbraucher.

Anbindung

Alle benötigten Kabel sind eingetroffen. Dank großzügiger Auslegung passt das neue 11,2 mm Kabel (Lapp ÖLFLEX® FD CLASSIC 810 12G 0.75mm²) ohne Bauchschmerzen in die Energieketten der X sowie Y/Z Achsen.

Etwas enger geht es im Galgen der Z Achse vor. Mit so viel Zuwachs hatten wir bei der Auslegung der Maschine nicht gerechnet

Beim Eintritt in den Schaltschrank wir das Anschlusskabel der Spindel über den Kabelschirm flächig geerdet. Grundsätzlich ist bei HF Anwendungen eine beidseitige Erdung angebracht, aufgrund des Kunftstoffsteckverbinders der HSD Spindel ist dies jedoch nicht so einfach möglich. Wir werden das Störfeld bei Gelegenheit mal überprüfen lassen.

Einbindung Modbus

Um die Einbindung des Frequenzumrichters über Modbus hatten wir uns länger gedrückt. Beim zunächst vorhandenen „China FU“ der Firma Hyria war die Dokumentation der Register nicht sonderlich akkurat und so war die Anbindung über die I/Os bzw. den Analogausgang der CSMIO Steuerung im endeffekt einfacher.

Mit dem Hitachi WJ200 sowie der deutlich komplexeren Spindel wollen wir uns nochmal an das Thema heran wagen.

Das soll in Mach3 eingebunden werden:

Eingänge

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Ausgänge

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Schaltschrankbelüftung

Damit dem Frequenzumrichter und seinen „Mitbewohnern“ im Schaltschrank nicht zu warm besitzt der Schaltschrank einen temperaturgesteuerten Filterlüfter mit 24 m³/h Förderleistung und erträglichen 30 dBA Lautstärke.

Mit der größeren Spindel ist auch mit deutlich mehr Abwärme zu rechnen, weswegen der Lüfter sowie der Luftaustritt gedoppelt werden sollen. Ob das wirklich nötig ist muss sich erst noch zeigen. Die Teile liegen jedenfalls schon mal hier und können schnell eingebaut werden.

Bedientafel

Für etwas mehr Bedienkomfort werden am Schaltschrank noch 3 Befehls- und Meldegeräte angebracht.

1. Drehschalter „sicherer halt“ um bei manuellen Werkzeugwechseln oder Kontrollarbeiten ein unkontrolliertes Anlaufen der Spindel zu verhindern
2. Leuchtmelder für Betriebsbereitschaft
3. Leuchtdrucktaster für Fehler bzw. Reset

Die 22,5 mm Löcher kommen wie gewohnt mit dem Stufenbohrer in den Schaltschrank.

Aufräumen

Unter der Maschine sieht es im Moment noch ein wenig wild aus. Die Kabel und Leitungen müssen bei nächster Gelegenheit wieder neu gebündelt werden. So recht fehlt mir dazu aber die Motivation… unter der Maschine ist es sehr unbequem.

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Vorher

Hier der bisherige Aufbau mit dem 2,2 kW Hitachi WJ200 Frequenzumrichter. Dieser hat uns treue Dienste geleistet und wird deshalb künftig durch seinen großen Bruder mit mehr als der doppelten Nennleistung ersetzt. Insgesamt war auch noch ziemlich viel Platz im Schaltschrank.

Die Wasserkühlung wird ebenfalls nicht mehr benötigt, die neue Spindel arbeitet mit einem Ventilator mit eigenem Motor. Benötigt wird jedoch dringend der Platz im Schaltschrank!

Fabian hat schon mal alles für den Umbau vorbereitet und den Schrank leer gemacht.

Planung

Aus den bisherigen Bauprojekten haben wir gelernt. Zwar ist auch dieser Schaltschrank nicht im CAD entstanden, aber immerhin gibt es eine maßstabsgetreue Zeichnung.

Bis die restlichen Teile (Reihenklemmen, Adernleitung, etc.) da sind, bleibt Zeit für eine erste Stellprobe.

UPDATE: Mittlerweile hat sich das Layout nochmal geändert, zu sehen auf den folgenden Fotos. Der Platzbedarf des überdimensioniertem Netzfilters ist gigantisch.

Komponenten

Was alles in den Schaltschrank rein muss…

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Netzfilter und Drossel wurden großzügig ausgelegt. Damit haben wir aber für eine eventuelle künftige Aufrüstung der Spindel genügend Luft nach oben.

Blecharbeiten

Der neue Aufbau im Schaltschrank wird sich grundlegend unterscheiden, weswegen 24 neue Löcher gebohrt werden müssen. Alle Gewinde sind M5.

Und es kommt mal wieder wie es kommen musste. Loch 23, der Maschinengewindebohrer bricht ab. Natürlich war es der letzte in M5.

Zusätzlich zum Schaltschrankinneren wird sich auch an der Türe etwas ändern. Neben zwei LEDs für den Betriebszustand kommt ein Reset Taster nach außen. Um die neue Spindel zu schonen werden wir die Schutzeinrichtungen zunächst einmal sehr konservativ einstellen – was zu mehr Abschaltungen führen könnte.

FOTO TÜRE

Verkabelung

Hier die Anfänge der Verkabelung. Um für eine spätere, eventuell noch leistungsstärkere, Spindel gerüstet zu sein wurden alle leistungsrelevanten Leitungen in 6 mm² ausgeführt. Für unsere max. 6 kW (Spitzenleistung) ist das aktuell nicht nötig, ich wollte nur ungern in ferner Zukunft wieder bei Null anfangen.

Gleiches gilt für die Auswahl von Netzfilter und Netzdrossel. Beide sind dauerhaft Spannungsfest bis 36A, Spitze verkraften beide Komponenten nochmal deutlich mehr.

6 mm² sollte die Zange laut Hersteller schaffen. 6 mm² schafft sie auch, es Bedarf jedoch ein wenig Überredung.

Bei der letzten Teilebestellung sind mir zwei kleine Fehler unterlaufen. Die gekauften Reihenklemmen sind zwar bis 6 mm² angegeben, das gilt jedoch nur für starre Adern. Bei Maschinen, welche Vibrationen ausgesetzt sind, dürfen jedoch nur flexible Adern verwendet werden und so muss ich nochmal einige Klemmen austauschen.
Der zweite Fehler ist weniger tragisch – der M12 Verbindungsstecker des Drucksensors sitzt um 45° verdreht oben auf dem Gehäuse. Aus Gewohnheit hatte ich einen gewinkelten Stecker bestellt, welcher nun blöd im Raum herum steht. Werde ich wohl erst mal so lassen.

Umbau Spannungsversorgung

Bisher kamen wir mit einer Phase (Absicherung 16 A Typ „C“) aus. Für den etwas größeren Hunger der neuen Spindel werden wir auf 3 x 16 A aufstocken. Die Absicherung erfolgt direkt im Schaltkasten für die Spindel.

Im nächsten Artikel werden wir uns mit dem Umbau der Z Achse sowie der Pneumatik beschäftigen.

Zwischenfazit: Im eingebauten Zustand sieht man ihr die 21 Kg gar nicht mehr an. Wir freuen uns bereits darauf die neue Spindel das erste Mal zu verwenden.

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Umbau Z Platte

Glück gehabt. Die Z Achse muss für die neue Spindel, welche deutlich größer als ihr Vorgänger ist, nur geringfügig angepasst werden. Mechanisch bleibt aber alles weitestgehend unverändert.

• Aufweiten der Öffnung auf 120mm (Durchmesser der Spindel ist 110mm)
• Demontage des Absaugrohrs
• Neupositionierung des unteren Endschalters
• Umbau der Motoranschlussbox

Der Antrieb kann dagegen bleiben wie er ist, im Gehäuse der Z Achse war noch ausreichend Platz. Hier auf dem Foto nicht zu sehen: Der LED Beleuchtungskranz passt perfekt auf die Nase der Spindel (110 mm).

Passprobe

Und schon war die neue Spindel drin. Durch die großzügige Dimensionierung der Z Achse konnte die Spindel problemlos von hinten verschraubt werden ohne eine Adapterplatte anfertigen zu müssen. Somit konnten wir uns wieder 25mm Platz und damit unnötigen Hebel sparen.

Das da unten im Bild sind übrigens SK40 DIN2080 aufnahmen für unsere konventionelle Fräse. SK30 Aufnahmen haben wir bisher noch keine, was sich aber bald ändern wird. Zum Start werden wir erst Mal mit 10 Aufnahmen in der Größe ER20 und ER32 starten.

Unterstützung Z Achse

Die gute Nachricht vorweg: Auch ohne Unterstützung bleibt die Z Achse bei unbestromtem Motor auf Position. Trotzdem werden wir die Achse noch mit einem Pneumatikzylinder unterstützen damit der Motor weniger zu arbeiten hat. Mehr dazu in Kürze.

Neues Abdeckblech

Durch die neue Spindel müssen wir auch das Abdeckblech der Achse nochmal überarbeiten.  Hier noch das aktuelle Blech in einem frühen Foto während der Bauphase.

Die neue Spindel bringt in der Spitze 6,6 kW (knapp 8,9 PS) und selbst bei 60% Einschaltdauer (S6) noch 4,6 kW. Somit liegen wir bei mehr als der Zweifachen Leistung unserer Chinaspindel.

In diesem Artikel beschreiben wir einige Grundlagen unc Gedanken sowie unser Vorgehen beim Einbau der neuen Spindel. Vielleicht helfen die Informationen dem ein oder anderen bei der Wahl einer Frässpindel. Wieso? Weil über die Spindel bisher recht wenig im Netz zu finden ist und wir uns selbst solch eine Quelle gewünscht hätten. Die Infos in diesem Artikel basieren auf der Originalanleitung sowie unserem eigenen Wissen zu Elektronik und Maschinenbau.

Fabians eigenes Spindelprojekt wird damit jedoch nicht auf Eis gelegt! Für die nächste Maschine werden wir sehr Wahrscheinlich auf einen Eigenbau zurück greifen, dann jedoch angetrieben durch eine starken Servomotor und mit niedrigerer Maximaldrehzahl. Dann sind auch Stahl und Gewindeschneiden drin.

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Bevor wir mit der neuen Spindel arbeiten können, müssen einige Änderungen an Maschine und den Schaltschränken vorgenommen werden. Hier unser Plan:

1. Demontage Flüssigkeitskühlkreislauf und bestehender Frequenzumrichter
2. Montage des neuen Frequenzumrichters
3. Dreiphasige Zuleitung und Absicherung (3×16 A)
4. Montage der Druckluftaufbereitung
5. Einrichtung der pneumatischen Ventilinsel
6. Verlegung des unteren Z Limit Sensors
7. Bohrungen an der Z Achse anbringen sowie Montage der Spindel
8. Ausrichtung der Spindel zu den Achsen
9. Austausch des Kabelstrangs
10. Verlegung der Absaugung nach außen
11. Anschluss des Spindelsteckers
12. Parametrisierung des Frequenzumrichters
13. Testlauf

Technische Daten

Spindel

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Frequenzumrichter

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Der Frequenzumrichter ist ebenfalls als Gebrauchtgerät zu uns gekommen, sieht jedoch fast neuwertig aus.

Teileliste

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Anschlüsse

In diesem Abschnitt geht es um alle Medienanschlüsse der Spindel.

Schema Elektro

In Kürze lässt sich der schematische Aufbau vom Netz bis zur Spindel wie folgt beschreiben:

Netz > Absicherung > RCD  > Trennschalter/Hauptschalter > Netzdrossel > EMV Filter / Netzfilter > Frequenzumrichter > Motorleitung, >Frässpindel

Netz / Unterverteilung

Durch geschickte Wahl der Komponenten versuchen wir um die Absicherung mit 3x 32A herum zu kommen. Ob uns das gelingen wird, zeigt wohl nur der erste Praxistest.

Um den erhöhten Ableitstrom verarbeiten zu können muss ein zweiter RCD exklusiv für die Spindel eingebaut werden. Diesen klemmen dir direkt an die Unterverteilung der Werkstatt vor den RCD für die Steckdosen. In Kette geschaltet würde ansonsten trotzdem immer der RCD mit der geringsten Kennlinie auslösen.

Absicherung

Abgesichert wird mit einem 3 poligen Leitungsschutzschalter 16 A Typ „C“.  Dieser ist besonders bei stark induktiven oder kapazitiven Lasten geeignet (Motoren, Kondensatoren, Schaltnetzteile), da er Einschaltströme des 5 bis 10 fachen seines Nennwerts erlaubt. Wenn das noch nicht ausreichen sollte bietet Typ K sogar das 8 bis 14 fache an Überlastfähigkeit.

Allstromsensitiver Fehlerstromschutzschalter (RCD)

In der Hausinstallation kommen in der Regel nur Fehlerschutzschalter (auch als FI bekannt) der Klasse A zum Einsatz. Diese arbeiten im Wechselstromumfeld und innerhalb eines gewissen Frequenzbereich.

Frequenzumrichter nutzen jedoch meistens einen Zwischenkreis mit Gleichspannung und modulieren die Ausgangsspannung bis in den Kiloherzbereich. Unser neuer Frequenzumrichter arbeitet z:b. bis 1.000 Hz, also 1 Khz. Um im Notfall, also einem Erdschluss, eine sichere Auslösung zu gewährleisten sind Fehlerstromschutzschalter der Klasse B oder besser notwendig.

Netzdrossel

Frequenzumrichter entnehmen den Strom aus dem Versorgungsnetz meistens nicht sinusförmig sondern je nach Lastanforderung in Stößen. Für das Netz bedeutet dies eine höhere Belastung durch einen erhöhten Effektivstrom. Abhilfe schaffen sogenannte Netzdrosseln (Englisch „Reactor“), welche vor den Frequenzumrichter geschaltet werden. Nebenbei reduziert sich durch die Drossel auch die Einwirkung hochfrequenter Schwingungen auf das Versorgungsnetz.

In unserem Fall kommen wir durch Einbau der Netzdrossel um eine Versorgung der Maschine mit 32 A herum. Der Bemessungsstrom kann durch die Glättende Wirkung der Drossel von 23,2 auf 15,2 A verringert werden.

EMV Netzfilter

Einfachere Netzfilter leiten die Störungen gegen PE ab, was jedoch in diesem Leistungsspektrum zwangsweise zu hohen Ableitströmen führt. Oft auch >30 mA, was wiederum zum auslösen des RCDs führt.

Um das zu umgehen gibt es zweistufige Netzfilter bei welchen neben den drei Phasen und PE auch der Neutralleiter angeschlossen wird. Der Ableitstrom wird dann über N abgeführt und die Zusatzbelastung auf PE fällt unter 30 mA. Entsprechend haben wir uns für den Dreiphasen-Netzfilter CNW 206/36 entschieden.

Gerade in Wohngebieten ist ein Netzfilter zwingend erforderlich.

Zwischenkreisdrossel

Sollte es trotz der o.g. Maßnahmen weiterhin zu Problemen bzw. Störungen des Netzes kommen kann zusätzlich eine Zwischenkreisdrossel verbaut werden. Diese sorgt für eine Glättung im Gleichspannungs-Zwischenkreis des Frequenzumrichters. Wir verzichten aber vorerst darauf.

Bremswiderstand

Der Bremswiderstand sorgt für ein schnelleres Anhalten der Spindel. Beim Bremsvorgang wird die in der Spindel vorhandene Rotationsenergie in Form von Wärme „verheizt“.

Zur Auswahl stehen typischerweise zwei Typen. Modelle mit hoher Dauerbelastbarkeit (ED 100%) oder Modelle mit hoher Spitzenbelastbarkeit. Unsere Wahl (Hitachi – PWR-R600-100) vertägt bei ED 15% 1,1 kW, jedoch auf Dauer (ED 100%) nur 0,3 kW.

Bei der Auswahl ist zwingend darauf zu achten, dass der minimale Widerstand (Siehe Anleitung Frequenzumrichter) nicht unterschritten wird, da sonst der interne Bremschopper beschädigt werden kann.

Motorleitung & Frässpindel

HSD verwendet von 3,8 bis ca. 12 kW den gleichen Anschlussstecker, über welchen der Leistungsteil sowie die Sensoren angeschlossen werden. Das spart Verkabelungsaufwand und lässt somit einen schnellen Austausch gegen eine Spindel mit anderen Leistungsdaten zu.

CNC Steuerung

Geschaltet werden müssen die folgenden Funktionen

1. Spindle „ENABLE“ Signal
2. Spindeldrehzahl 0-10 V
3. Relais für den Lüftermotor
4. Pneumatikventil für den Werkzeugauswurf
5. Pneumatikventil für die Sperrluft

Auf der Eingangsseite sind 4 Signale wichtig

1. Signal für ALARM
2. Signal für Erreichung der vorgegebenen Drehzahl
3. Überwachung ob Werkzeug gespannt ist
4. Überwachung ob die Einzugstange voll ausgedrückt wurde

Schema Pneumatik

1. Kreis für die Ausdrückfunktion, 7 bar
2. Kreis für die Sperrluft sowie Kegelreinigung, 4 bar

Die Kegelinnenreinigung wird bei betätigter Ausdrückfunktion automatisch betätigt und speist sich aus Kreis 2. Im Betrieb wird durch Kreis 2 ein leichter Überdruck im Spindelgehäuse erzeugt, welcher das Eindringen von Staub und Flüssigkeit verhindert.

Vorbereitung

Druckluftaufbereitung

Die Druckluft für Sperrluft, Werkzeugauswurf und Kegelreinigung muss einigen Anforderungen genügen, um die Spindel auf Dauer nicht zu schädigen. Neben dem Wassergehalt (angegeben als Taupunkt) ist auch der maximale Ölgehalt vorgeschrieben. Bei zu hoher Feuchtigkeit entsteht Rost und bei zu hohem Ölanteil sammelt sich Öl im Keramiklager und kann dieses zerstören.

Durch die Kompression der Luft verdichtet sich auch die Konzentration von Schmutzpartikeln in der Luft. Bei den recht üblichen 8 bar (also absolut 9 bar) erhöht sich die Konzentration auf das Neunfache.

Anforderung an die Druckluft nach ISO 8573-1 (Angaben des Herstellers)

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Grundsätzlich gibt es folgende Optionen bei der Trocknung:

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Wir haben uns für die Membrantrockner Kombination SF0020 von Donaldson entschieden, da diese am besten auf unseren Anwendungsfall passt und die Anforderungen des Spindelherstellers voll erfüllt.

Die Kombination besteht aus

1. Zyklonabscheider mit Vorfilter
2. Koaleszensfilter, welcher durch Glasfasern die im Gas gebundene Flüssigkeit und Öl extrahiert. Klasse 1 ISO8573-1
3. Membranfilter zweistufig
4. Aktivkohlefilter
5. Druckregler

Montage

Auf der Rückseite der Spindel befinden sich zwei lange T-Nuten zur Montage. D.h. die Spindel muss rückseitig montiert werden. Alternativ kann eine Adapterplatte gebaut werden. In unserem Fall hat Fabian die Z Achse bereits passend konstruiert und eine Montage wird problemlos möglich sein. Aufgrund des hohen Spindeldurchlasses und der Konstruktion kann die neue Spindel von hinten montiert werden.

Zur Unterstützung der Z-Achse kommt ein Druckluftzylinder zum Einsatz.

Erster Start

Vorbereitung

HSD schreibt folgende Kaltstartsequenz vor. Damit sollen die Präzisionskugellager auf Temperatur gebracht und ein übermäßiger Verschleiß verhindert werden. Eine ähnliche Abfolge haben wir bereits bei unserer 2,2 kW Chinaspindel eingesetzt.

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Werkzeugaufnahmen

Einen super Artikel zur Theorie des Auswuchtens findet sich hier. Bei den Aufnahmen ist auf die korrekte Wuchtgüte und maximale Drehzahl zu achten. In kürze werden wir die ersten 10 Aufnahmen erwerben, Details zu Auswahl und Kaufentscheidung folgen.

Werkzeugwechsel

Hier setzen wir auf die ausgezeichnete Umsetzung von Siggi (www.royal-cnc.de). Alleine die Werkzeugwechselfunktion in seiner Royal-CNC Software kommt auf mehr als 600 Zeilen Programmcode und wird mit künftigen Erweiterungen (Kettenmagazin, Greifer, etc.) sicher noch viel umfangreicher.

Werkzeugmagazin

Die erste Zeit werden wir  uns mit einem simplen einreihigen Werkzeugmagazin zufrieden geben.

Alternative

Gerade bei Eigenbau und Hobbyprojekten die Frage der Fragen: Geht das nicht auch billiger?

Folgende Alternativen haben wir uns angesehen. Neben vollwertigen Spindel mit pneumatischer Werkzeugspannung gibt es noch sogenannte Vorsatzwechsler, welche als Verlängerung auf eine bestehende Rundspindel angesteckt werden können. Bauartbedingt fällt die Einzugskraft jedoch in der Regel äußerst gering aus, weswegen wir diese Variante von vorne herein ausgeschlossen haben.

3 kW BT30 Werkzeugwechselspindel vom Chinesischen Hersteller Rattm Motors

Diese findet sich bereits an der ein oder anderen Selbstbaumaschine in Deutschland (siehe Youtube).

Zu beziehen ist die Spindel aktuell nur über China, z.B. via Aliexpress. Mangels Prüfung und Zertifizierung dürfen die Spindeln hierzulande nicht ohne weiteres verkauft werden, was aber nicht grundsätzlich für ein fehlerhaftes oder gefährliches Produkt stehen muss! Inklusive Versandt und Einfuhrzoll bzw. Deutscher Steuer liegt die Spindel (mit Frequenzumrichter) bei ca. 2.100 Euro.

Fazit

Frässpindeln mit automatischem Werkzeugwechsel sind eine teure Angelegenheit. Gerade bei Sach- und Normgerechtem Anschluss bzw. Versorgung (Frequenzumrichter, Druckluft, Schutzbeschaltung, evtl. Kühlkreislauf, etc.) kommen zum Kaufpreis der Spindel noch eine Menge weiterer Kosten hinzu.

Royal-CNC

Siegfried König mit seiner Software Royal-CNC war kürzlich zu Besuch. Über die Software hatten wir bereits ausführlich in einem eigenen Artikel im Detail berichtet.

Neben der sehr schnellen Installation und dem Setup gab es eine ausführliche Einweisung sowie etliche Praxistipps. Wir sind jetzt schon total begeistert von der Software und freuen uns vor allem auf die Features zur Werkstückantastung und zum automatischen Werkzeugwechsel.

Interesse an dieser tollen Software bekommen? Weitere Informationen zu Royal-CNC sowie den Kontaktdaten von Siggi findet ihr online unter www.royal-cnc.de.

Bedienpult

Die kürzlich vorgenommene Verlängerung der Versorgungsleitung mussten wir nochmal überdenken. Ursprünglich sah die Konstruktion eine USB Strecke von 2+5+2 = 9 m vor. Um das ohne größere Leistungsverluste oder Verrenkungen (Aktive USB Verlängerung oder USB auf RJ45 Extender) zu schaffen ist das Lenovo ThinkCentre M73 Tiny von der Schaltschranktüre „raus“ auf den Wagen gewandert.

(Älteres Foto mit fehlenden Kabeldurchführungen!)

An die neue Position passt der Rechner sich ebenfalls perfekt ein. Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung sowie Spänen und Staub werden wir den gesamten Bereich noch mit Blech verkleiden.

Auch ein neuer Kabelschutzschlauch muss her. Das bisher verwendete Staubsaugerrohr war einfach zu kurz.

Etwas Zeit für die Kosmetik war auch noch übrig. Der Monitor befindet sich nun endlich in der Waage.

Cazeneuve HBX360: Zwischenstand

Auch bei unserem Drehbank Restaurationsprojekt hat sich wieder etwas getan. Der Schlosskasten und der Querschlitten sind wieder an Ort und Stelle und zusammen mit den lackierten Abdeckungen/Blechteilen kann man so langsam wieder von einer Drehbank sprechen.

Leider hatten wir keinen 2K Kleber mehr über, sonst wäre die Zug- und Leitspindel sicher schon wieder eingebaut.

Derweil geht es mit dem Schaltschrank nochmal in die 2. Runde. Dieser wurde in den über 40 Jahren Betriebszeit von der Firma Telemecanique, heute Schneider Electric, modernisiert. Leider liegt uns der Schaltplan nicht vor und so müssen wir bei Veränderungen sehr vorsichtig vorgehen. Die verschiedenen Netze mit 24, 240 und 400 Volt sind alle mit schwarzen Adern ausgeführt…

Für den ewig festsitzenden Spindelflansch gibt es nun einen zugegebenermaßen etwas grobschlächtigen Abdrücker

Eisenhamster

In einigen vorherigen Artikeln hatten wir bereits über dieses unliebsame Tier berichtet, heute haben wir seine Existenz auch beweisen können! Der Eisenhamster lebt in Werkzeugmaschinen und frisst oft jahrzehntelang und unbehelligt an Metallteilen rum.

Erst hatte ich Nagerbefall in der Werkstatt vermutet… Doch komischerweise waren die Überlassenschaften hochgradig magnetisch. Somit muss es sich eindeutig um den Eisenhamster handeln.

Auflösung: Es handelt sich bei den Kötteln um bis zur Unkenntlichkeit korrodierte Rollen eines Nadellagers. Schade! Die Geschichte mit dem Eisenhamster fand ich eigentlich besser.

Neue Hauptspindel

Das kleine Highlight kommt zum Schluss und beginnt erst Mal mit einer schlechten Nachricht.

Vor kurzem ist unsere 2,2 KW Chinaspindel ausgefallen. Zwar lief die Spindel noch, aber zum Start musste mit der Hand nachgeholfen werden… Anwerfen wie bei einem alten Doppeldecker, der rote Baron lässt grüßen. Vermutlich besteht das Problem bei einer der zwei Motorwicklungen.

Glück im Unglück! Über einen Freund konnten wir eine gebrauchte 3,8KW HSD Spindel mit automatischer Werkzeugwechselfunktion nebst passendem Frequenzumrichter kaufen. Die Spindel sieht noch ziemlich frisch aus und die Lager sowie Lüfter wurden getauscht. Für unsere Zwecke sollte das mehr als ausreichend sein und für viel Spaß sorgen.

Bei der Eigenbau Frässpindel SK30 mit automatischer Werkzeugspannung hat sich wieder etwas bewegt. Hier das Updates in der Schnellübersicht!

Der gesamten Artikel zu Aufbau und Auslegung der Spindel ist hier zu finden. Alles zur Chinaspindel (2,2 kW und ohne automatischem Werkzeugwechsel) gibt es hier.

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Schrumpfkur

Der grundsätzliche Aufbau ist zunächst einmal nahezu unverändert, aber etwas maßgebliches hat sich getan. Nämlich die Größe! Das Kantenmaß des Gehäuses (Blau) beträgt nur noch 96 mm. Dadurch lässt sich die Spindel aus einem 100 mm x 100 mm Block anstatt einem 120 mm x 120 mm Block fertigen, was die Bearbeitungs- sowie Materialkosten wieder etwas reduziert.

Außerdem baut die Spindel jetzt kürzer, was den Platzbedarf sowie ebenfalls die Materialkosten schont.

Was wurde noch geändert?

• Die Distanzhülse zwischen den vorderen Lagern wurde gestrichen. Mittlerweile denke ich, dass es keinen so großen Vorteil für die Steifigkeit bringt, aber zwei präzise Teile mehr gefertigt werden müssten.
• Die Labyrinthdichtung an der Spindelnase wurde, auch aufgrund der Fertigung, vereinfacht. Dafür werden die Toleranzen jedoch verringert, sodass dennoch eine sichere Abdichtung gegen Späne und Schmutz gewährleistet ist.
• Der Riemenantrieb wird aufgrund der hohen Drehzahlen nicht mehr als Zahnriemen, sondern als Keilrippenriemen ausgeführt. Hierfür soll das Profil PJ verwendet werden. Die dazu nötigen Nuten werden direkt in die Welle eingebracht, wodurch eine zusätzliche Riemenscheibe unnötig ist. Gleichzeitig wird ein kleinerer Durchmesser erreicht, wodurch die Riemengeschwindigkeit sinkt.
• Der Riemen läuft jetzt in einem geschlossenen Gehäuse. Schützt den Riemen und sollte gleichzeitig die Lautstärke reduzieren.
• Das Federpaket wurde etwas vergrößert. Es fehlt unten im Bild noch eine einschraubbare Wegbegrenzung nach oben für das Federpaket, damit dieses unter Vorspannung gehalten wird.
• Da keine Zenrierung mehr am oberen Gehäuseteil vorgenommen wird, werden alle Deckel durchgehend locker mit Hülsen verstiftet und verschraubt. Da wir hier keine Hochpräzision brauchen wird die Passung eher Locker ausfallen, um eine einfache Montage und Demontage zu gewährleisten.
• Neue Art der Riemenspannung über einen Exzenter, mehr dazu weiter unten.

Material

Für die Spindel selbst möchten wir C45E (alte Norm CK45) verwenden. Dieser Vergütungsstahl wird aufgrund seiner hohen Zug- und Dauerfestigkeit für Kurbelwellen, Achsen, Pleulstangen und andere stark belastete Teile verwendet. Die Werkzeugaufnahme soll zusätzlich gehärtet werden, um sie resistenter gegen mechanische Beschädigungen zu machen. Nach dem härten wird der Steilkegel dann auf das finale Maß ausgeschliffen.

Für das Gehäuse ist die Werkstoffauswahl noch nicht fix. Aluminium wäre wohl ausreichend, für die Lagersitze wäre Stahl schöner, wenn dieser aber rostfrei bleiben soll, wird es direkt teuer und schwer zu bearbeiten. Da Oberflächenbeschichtungen meistens die Passung der Lager verändern, müsste man diese bei der Herstellung der Lagersitze bereits berücksichtigen. Ich werde berichten, worauf die Wahl schlussendlich gefallen ist.

Riemenspanner

Auch bei der Spannvorrichtung für den Riemen gibt es Neuerungen. Anstatt einem Kugellager mit Arm und Stellschraube wird nun die Spindelklemmung als Exzenterspanner verwendet. Die Spindelaufnahme wird dadurch ein wenig komplexer, sollte aber dank eigener Drehbank samt Planscheibe kein Problem mehr darstellen. Der Exzenter beträgt 5 mm, wodurch der Riemen effektiv um 10 mm gespannt werden kann. Durch insgesamt 10 Gewindebohrungen zur Befestigung ist sichergestellt, dass immer je Langloch zwei Schrauben eingeschraubt werden können.  Die Ausrichtung des Antriebsgehäuses ist in alle vier Richtungen möglich, was eine individuelle Anpassung an den vorhandene Bauraum zulässt.

Sensorik

Trotz der nun deutlich kompakteren Bauweise werden noch Lagesensoren für die Ausdrückstange Platz finden. Damit sollen die Zustände „Leer“, „Voll“ sowie „Offen“ überprüft werden.

Aufgrund der beengten Platzverhältnisse werden wir vermutlich Sensoren in Baugröße M5 oder M6 verwenden. Der Mehrpreis ist nicht so hoch wie gedacht und die möglichen Lagezustände der Ausdrückstange definiert genug für solch einen kleinen Sensor. Typisch liegt der Schaltabstand hier unter 2mm. Wo genau die Sensoren untergebracht werden ist noch nicht final entschieden.

Aus gegebenem Anlass will ich hier kurz ein paar Informationen zusammen tragen. Häufig wird in Foren oder Facebook Gruppen teils gefährliches Halbwissen im Umgang mit der Spindel geteilt, vor allem wenn es um den Anschluss geht.

Die Informationen in diesem Artikel basieren auf eigenen Erfahrungen, technischen Grundlagen, Normen sowie Diskussionen mit sachkundigen Personen. Alle Angaben sind nach bestem Wissen und Gewissen zusammen gestellt.

Die Chinaspindel

Kommt vom chinesischen Hersteller Huanyang Electrical Co., Ltd und wird dort unter der Bezeichnung HY80-24Z/2.2 hergestellt. Diverse Hersteller und Händler vertreiben die Spindel ebenfalls in leicht abgewandelter Form, z.B. mit anderer Lagerkonfiguration.

Technische Daten

Die Angaben müssen entsprechend des Typenschilds der Spindel vor Inbetriebnahme im Frequenzumrichter eingestellt werden. Missachtung dieser Reihenfolge kann zur Zerstörung von Spindel sowie Frequenzumrichter führen.

Anwendungsbereiche

Die Chinaspindel ist ein Schnellläufer (max. 24.000U/min). Erst bei ca. 6.000 U/min entwickelt sie ein nennenswertes Drehmoment. Dadurch ist sie für die Bearbeitung von Holz, Kunststoff sowie NE Metallen (auch härterem Aluminium) geeignet. Stahl kann sie aufgrund ihres niedrigen Drehmoments sowie der Gesamtkonstruktion nur bedingt verarbeiten.

Rundlaufgenauigkeit

Hier gibt es unterschiedliches Feedback. Einige Forennutzer mussten ihre Spindel zurück schicken bzw. den Spannzangenkonus bei einem externen Anbieter schleifen lassen. Bei unserem Exemplar war ein Rundlauffehler mit unseren Messgeräten (Fühlhebelmessgerät Auflösung 0,002mm) fast nicht mehr messbar. Details im eigenen Artikel hier.

Sicherheit

Mechanisch ist die Chinaspindel für die meisten Hobbyanwender mehr als ausreichend aufgestellt. Leider wurde bei der Elektrik nicht ganz zu Ende gedacht…

• Steckverbinder

  Der werkseitig verbaute Stecker ist für max. 60V 5A zugelassen und muss zwingend getauscht werden. Vermutlich kommt dieser Verbinder aus der Funktechnik. Einen detaillierten Artikel mit Vorschlägen für den Austausch sowie einer Kurzanleitung gibt es hier.

• Erdung

  Das Gehäuse der Spindel wird werksseitig nur über den Kabelschirm der Anschlussleitung geerdet. Das ist nicht normgerecht und obendrein sehr gefährlich. Gültige Normen sehen vor, dass alle berührbaren leitenden Bauteile an einem Gerät oder einer Anlage zwingend zu erden sind. Der Querschnitt des Erdleiters muss dabei mindestens dem der Phasen entsprechen, um einen möglicherweise auftretenden Fehlerstrom sicher ableiten zu können. Details gibt es ebenfalls hier.

• Fehlerstromschutzschalter (FI/RCD)

  Im Fehlerfall können bei Frequenzumrichtern Gleichfehlerströme mit geringer Restwelligkeit oder hochfrequent pulsierende Fehlerströme auftreten, welche die regulär in einer Hausinstallation verbauten Fehlerstromschutzschalter (FI Typ A) nicht erkennen. Ebenfalls können die möglichen Gleichstromanteile im Fehlerstrom zu einer Sättigung der im FI eingebauten Spule führen und diesen auch für Wechselströme deutlich unempfindlicher machen.
  Nach VDE 0100-530 müssen hier allstromsensitive FI-Schutzschalter (Auch als FI-Schalter Typ B bekannt) verbaut werden, was jedoch Kosten von einigen hundert Euro mit sich bringt.

EMV

Für viele Hobbybauer ein Fremdwort. Zumindest bist zu dem Punkt an dem die Schrittmotorensteuerung Schritte verliert oder die Endschalter plötzlich mitten im Betrieb von selbst auslösen.
EMV steht für Elektromagnetische Verträglichkeit (auch als Funkentstörung bekannt). Da die Spindel in einem Frequenzbereich von 100 bis 400Hz arbeitet können bei unsachgemäßem Einbau empfindliche Störungen an der eigenen Maschine, dem Radioempfang oder anderen elektrischen Geräten auftreten.Im schlimmsten Fall steht irgendwann der Messwagen der Netzaufsicht vor dem Haus und es wird es teuer.

Um dies zu verhindern sind ein paar grundlegende Dinge zu beachten.

• Schirmung

  Die Leitung vom Frequenzumrichter zur Spindel sollte möglichst kurz gehalten werden. Außerdem ist den Regeln entsprechend nur ein energieketten-taugliches und geschirmtes Kabel zu verwenden (z.B. Lapp Ölflex CY FD). Die Schirmung muss beidseitig erfolgen, d.h. der Kabelschirm muss auf Seiten des Frequenzumrichters sowie an der Spindel auf PE (Masse) aufgelegt werden. An der Spindel erfolgt dies durch den Stecker, dessen Gehäuse auf PE kontaktiert ist. Auf Seiten des Schaltschranks gibt es hierzu von diversen Herstellern sogenannte Kabelschirmklemmen. Hier gilt: Unmittelbar nach Eintritt in den Schaltschrank sollte der Kabelschirm geerdet werden.

  Generell sollten Sensorleitungen und Leistungsleitungen niemals parallel verlegt werden. Sind unmittelbare Kreuzungen nicht zu vermeiden, sollten diese im 90 Grad Winkel zueinander erfolgen.

• Netzfilter

  Meistens wir die Chinaspindel zusammen mit dem passenden Frequenzumrichter vertrieben. Dieser kommt in der Regel ebenfalls vom Hersteller Hyria. Leider wurde, wohl aus Kostengründen, auf einen Netzfilter verzichtet.

  Beim Betrieb von Frequenzumrichtern entstehen s.g. Oberschwingungen, dass sind Sinusschwingungen die um ein Vielfaches der Grundfrequenz (50Hz) groß sind und im Versorgungsnetz auftreten. Hierdurch können andere Geräte, z.B. die Maschinensteuerung, der Computer oder aber das Versorgungsnetz in unmittelbarer Nähe (Nachbarn) gestört werden.

  Abhilfe schafft ein Netzfilter. Schaltungen für diesen Zweck basieren meistens auf einer stromkompensierten Drossel, welche die Oberschwingungen innerhalb der Vorgaben des Netzbetreibers halten kann.

  Beim Einsatz von Netzfiltern kann es konstruktionsbedingt zu erhöhten Ableitströmen gegen PE kommen, welche ein Auslösen des Fehlerstromschutzschalters zur Folge haben. Das passiert jedoch meistens nur bei erreichen eines hohen Einschaltstroms (blockierte Spindel) und sollte von einem guten Frequenzumrichter durch die integrierte Motorschutzschaltung abgefangen werden.

• Einbau des Frequenzumrichters

  Der Frequenzumrichter sollte nach Möglichkeit in einem metallischen Schaltschrank untergebracht werden. Somit ist er vor Spänen / Staub geschützt und kann andere Geräte in der näheren Umgebung nicht stören.
  Sollen Frequenzumrichter und Maschinensteuerung im gleichen Schaltschrank untergebracht werden, ist ein durchgehendes Abschirmblech, welches über die Montageplatte flächig geerdet wird,  ratsam.

Kühlung

Vom Hersteller Hyria gibt es keine Angaben zur Anforderung an den Kühlkreislauf.

Der Kühlkreislauf hat Kontakt mit Aluminium- sowie Kupferbauteilen. Um Korrosion zu vermeiden sollte der Kreislauf daher mit einer Mischung aus destilliertem Wasser und Aluminium-verträglichem Kühlerzusatz (Kühlerfrostschutz vom Auto) befüllt werden. Ein Ausgleichsbehälter ist ratsam um die Ausdehnung der Kühlflüssigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen zu gewährleisten.

Folgende Angaben sind aus dem Handbuch eines Deutschen Anbieters von Frässpindeln. Es liegt die Vermutung nahe, dass diese Firma die Chinaspindel importiert und dann veredelt (neue Lager, Justage, Vermessung, Änderung der Steckverbindung, etc.). Die Angaben lassen sich also sehr wahrscheinlich auch auf die anderen Chinaspindeln anwenden.

Der Austausch der Anschlüsse auf Schnellkupplungen aus der Pneumatik ist aufgrund des 5/16 Zoll Anschlussgewindes nicht ganz einfach. Entsprechende Fittings auf metrische Gewinde sind ziemlich rar gesäht. Es existieren jedoch einige Berichte über die erfolgreiche Verwendung von M8x1 (Feingewinde!), was ziemlich nahe an die Originalgröße heran kommt.

Bei Temperaturen unter 15 °C wird empfohlen den Warmlauf zu verdoppeln. Details siehe „Betrieb“.

Hier ein Beispiel unseres Kühlsystems. Die Wühlkiste hielt noch div. Komponenten aus einer Computer Wasserkühlung bereit… (Hersteller: Aqua Computer).

Spannzangen

Werden benötigt um Werkzeuge mit unterschiedlichem Schaftdurchmesser zentrisch in die Frässpindel einzuspannen. Dabei wird das Werkzeug auf der gesamten eingeführten Schaftlänge flächig gehalten.

Für die Chinaspindel ist folgender Typ zu verwenden:

Die Spannzangen bestehen in der Regel aus Federstahl und werden je nach Qualität geschliffen und poliert (Rz <1,5µ)

Rundlaufgenauigkeit

Die Rundlaufgenauigkeit beschreibt, wie sauber eine Spannzange das Werkzeug in der Werkzeugspindel zentrisch einspannt. Das Endergebnis muss jedoch immer mit dem Konus der Frässpindel zusammen betrachtet werden, das sich Rundlauffehler addieren sowie subtrahieren können.

Folgen einer schlechten Rundlaufgenauigkeit sind Vibrationen, erhöhter Werkzeugverschleiß oder auch Werkzeugbruch, sowie eine schlechte Oberflächengüte am Werkstück.

Folgende Genauigkeitsklasse werden grundsätzlich unterschieden. Die Angaben sind für die Größen bis etwa 10mm gültig. Darüber hinaus gelten für Klasse II höhere Werte.

• DIN 6499B, Klasse 0, < 0.005mm / 5µ
• DIN 6499B, Klasse I, < 0.01mm / 10µ
• DIN 6499B, Klasse II, < 0.015mm / 15µ

Darauf ist beim Kauf zu achten:

• Der Händler sollte Angaben zur Genauigkeitsklasse machen
• Die Spannzangen sollten vorne eine s.g. Abzugsnut haben. Diese wird in die Spindelmutter eingeklipst und sorgt beim Lösen dafür, dass die Spannzange zerstörungsfrei aus dem Konus gezogen wird.
• Gute Spannzangen wurden poliert und weisen keinerlei scharfe Kanten oder Drehriefen auf.

Spannbereich

Die meisten Spannzangen können bis zu -1mm Differenz zu ihrer Nenngröße überbrücken. D.h. eine 10mm Spannzange kann auch einen Fräser mit 9mm Schaft spannen. In die andere Richtung funktioniert das natürlich nicht. Hier sollten die Herstellerangaben beachtet werden, um eine Zerstörung zu verhindern.
Hilfreich ist das vor allem bei sehr kleinem Werzeug aus dem Ausland oder Graviersticheln, welche oft in 1/8″ (3,175mm) angeboten werden. Hier kann man also eine 4mm Spannzange verwenden.
Je weiter die Spanzange jedoch zusammengedrückt wird, desto schlechter ist ihr Rundlauf. Wird also viel mit 1/8″ gearbeitet, lohnt es sich eine entsprechende Spannzange dafür anzuschaffen.

Frequenzumrichter

Meistens wird die Chinaspindel im Set mit einem ebenfalls von Hyria hergestellten HY02D223B Frequenzumrichter angeboten. Das Gerät tut was es soll, ist für den Preis in Ordnung, aber auch nichts besonderes.

Alternative Hitachi WJ200

Mehr Komfort beim einrichten und Betrieb, sowie eine sensorlose Vektorregelung bietet etwa das Modell WJ200 von Hitachi. Wir haben uns recht schnell zum Umstieg auf den Hitachi entschieden.

• Vektorregelung für erhöhtes Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich
• Einstellung und Testbetrieb über komfortable USB Software
• Sehr gute Diagnosefunktionen (ebenfalls via USB)
• Ausführliche Betriebsanleitung mit Anschlussbeispielen auf Deutsch und Englisch

Bei beiden Optionen ist darauf zu achten, dass ein passender Netzfilter vorgeschaltet wird. Ebenfalls ist ein externer Bremswiderstand ratsam. So kommt die Spindel deutlich schneller zum Halt.

Anschluss

Kabel

Beim Kabel gibt es vom Hersteller keine Vorgaben. Nachdem der obligatorische (!) Austausch des Steckers vollzogen wurde stehen einem alle Optionen offen.

In der Vergangenheit haben wir immer wieder Fragen erhalten, welches Baumarktkabel sich zum Anschluss der Spindel eignen würde. So etwas passiert meistens Samstags, der Postbote hat die bestellte Chinaspindel geliefert und man will möglichst schnell starten…

Das „falsche Kabel“ ist hier jedoch in mehrerlei Hinsicht eine schlechte Idee.

• Das Spindelkabel wird in den Schleppketten der Maschine einem Biegeradius von 7-20 x seinem Durchmesser ausgesetzt. Auf Dauer führt das bei ungeeigneten Kabeln zum Bruch von Adern. Resultat: Zerstörung der Spindel, des Frequenzumrichters, der Maschinensteuerung und/oder Gefahr für das eigene Leben.
• Spindelkabel müssen geschirmt sein. Bei Frequenzen bis zu 400 Hz treten sonst an Radios oder auch an der Maschinensteuerung Störungen auf

Auslegung
Bei den zu maximal zu erwartenden 2,2 kW verteilt auf zwei Phasen (Damit ist nicht Drehstrom gemeint, sondern die Anazl der Wicklungen/Phasen der Spindel) ist ein Querschnitt von 1,0 mm2 für die üblichen Bedingungen an einer Eigenbaumaschine ausreichend.

Wir haben gleich 2,5 mm2 verlegt um für eine spätere Umrüstung auf eine stärkere Spindel gerüstet zu sein, was dann auch recht zeitnah eingetreten ist. So konnten wir ohne Probleme eine 6 kW Spindel einbauen und mussten kein neues Kabel verlegen.

Kabelwahl
Folgende Anforderungen müssen erfüllt sein:

• Schleppkettentauglich (!)
• Geschirmt
• > 1,0 mm2

Damit ergeben sich folgende Optionen auf dem Markt. Kostenpunkt zwischen 1,6 und 2,30 Euro / m inkl. MWSt.

• LAPP 0026221 Schleppkettenleitung ÖLFLEX® FD CLASSIC 810 CY 4 G
• Igus Chainflex® Steuerleitung CF140.UL (4G1.0)

G steht dabei für „Grün“, also sind 3 Adern nummeriert und eine Ader Gelb/Grün als Schutzleiter vorgesehen. Das passt perfekt zur Chinaspindel.

Am einfachsten sollten die LAPP Kabel zu bekommen sein. Neben Voelkner (Günstigerer Meterpreis als Conrad) gibt es die Kabel oft auch bei eBay oder Händlern wie Elektrotools.de günstig als Meterware.

Betrieb

Start

Wie alle Frässpindeln mag auch die Chinaspindel keine Kaltstarts. Sind die Lager nicht auf Betriebstemperatur können die veränderten Toleranzen zu erhöhtem Materialverschleiß führen. Außerdem kann eine kalte Spindel Einfluss auf die Oberflächenqualität des bearbeiteten Werkstücks haben.

Es ist also ratsam die Spindel langsam auf Betriebstemperatur zu bringen. Unsere Startroutine sieht folgendermaßen aus:

Den passende GCODE dazu gibt es hier:

Reinigung

Die Chinaspindel ist nur durch eine einfache Labyrinthdichtung gegen das Eindringen von Spänen und Staub geschützt. Sperrluft gibt es nicht. Es ist daher sehr wichtig, bei der Reinigung niemals mit der Ausblasspistole in die Unterseite der Spindel zu pusten. Dadurch setzt sich das Labyrinth zu und es wird Staub in die Lager der Spindel gedrückt.

Stattdessen sollte Schmutz abgesaugt oder mit einem Tuch abgewischt werden.

Automatischer Werkzeugwechsel

Irgendwann kommt man an dem Punkt, wo das wechseln des Werkzeugs anfängt zu nerven. Komplexere Programme können da schnell 5 oder mehr Fräswerkzeuge benötigen. Zwar lässt sich der Wechsel im CAM durch Gruppierung der Operationen nach Werkzeugen etwas veringern, doch gerade wenn Programme unüberwacht längere Zeit laufen sollen muss eine automatische Werkzeugwechsel-Funktion her.

Die Kosten einer „vollwertigen“ Spindel mit WZW sind für den Privatgebrauch nur wenig sinnvoll. Selbst die günstigste Variante aus chinesicher Produktion kostet mindestens 1.800 Euro (3Kw, ISO30).

Aufsatzwechsler

Alternativ gibt es auf dem Markt ein Aufsatz-Wechselsystem für die 2,2KW Spindel (sowie ein weiteres für die 1,5KW Spindel). Diese werden anstatt des Werkzeugs in der Chinaspindel eingespannt und somit angetrieben. Der Werkzeugwechsel erfolgt pneumatisch.

Vorsatzwechsler besitzen meistens nur eine sehr geringe Einzugskraft (Usovo z.B. 250N / 25Kg). In Verbindung mit dem recht kleinen Kegeldurchmesser muss das Spanvolumen entsprechend angepasst werden um ein ungewolltes Ausziehen der Werkzeugaufnahme aus der Spannung zu verbindern.

Industrielle Systeme haben z.B. in SK30 ca. 5kN Einzugskraft.

Dieser Beitrag soll auch den Entwicklungsprozess darstellen. Daher werden Änderungen unten am Beitrag angehangen, d.h. für den aktuellen Stand ganz runter scrollen.

Konzept

• Antrieb
  • Über externen 3 bis 4KW Servomotor
  • Eventuell zunächst Antrieb über vorhandene 2.2kW Frässpindel
  • Als Direktantrieb oder über Zahnriemen
• Spindel
  • Vierfach gelagert Update: Dreifach gelagert, Kostengründe und geringe Kräfte
  • Evtl. Sperrluft
• Werkzeugwechsel
  • Aufnahmen/Kegelgröße SK30 nach DIN 69871 / Zugbolzen nach DIN 69872
  • Spannung über Feder, Spannkraft ~ 1300N
  • Pneumatischer Werkzeugwechsel über doppelwirkenden Zylinder
  • (Pneumatische Kegelreinigung)
• Überwachung
  • Werkzeugwechsel überwacht über Endlagen der Einzugstange (Kegel „Leer“ und „Voll“)
  • Positionsüberwachung des Ausdrückzylinders
  • Temperaturüberwachung der beiden unteren Spindellager
  • Stillstandsüberwachung (Eventuell über Frequenzumrichter / Sicherer Halt)

Aufbau

Erster Entwurf:

• Blau: Grundkörper
• Grün: Hauptspindel
• Gelb: Riemenkasten

Gegen das eindringen von Staub und anderem Schmutz gibt es eine einfache Labyrinthdichtung mit etwa 0,1mm Spaltmaß. Über Sperrluft denken wir noch nach. Hierbei sorgt ein leichter Überdruck im inneren der Spindel für noch mehr Schutz gegen das Eindringen von Staub.

Lagerung

Als Lager kommen insgesamt 3 Hochgeschwindigkeits-Spindellager Bauform 71910/71909 in Präzisionsklasse P4A von FAG/SKF zum Einsatz.

Antrieb

Für den Antrieb gibt es momentan noch 3 verschiedene Ansätze.

1. Verwendung der vorhandenen 2,2KW HF Spindel, welche über einen Riemenantrieb mit Untersetzung die Spindel antreibt
2. Einbau eines 3 bis 4KW starken Servomotors, gekoppelt ebenfalls durch einen untersetzten Riemenantrieb
3. Einbau des Servos mit Direktantrieb aber dafür über ein Getriebe

Bei Lösung 1 und 2 ist die Geschwindigkeit hauptsächlich durch den Riemen beschränkt. Im Hochgeschwindigkeitsbereich sind das etwa 50m/s Umlaufgeschwindigkeit.

Lösung 3 muss dafür um ein Ölbad erweitert werden, damit das Getriebe nicht übermäßig verschleißt.

Lösungen 2 und 3 haben den großen Vorteil von Positioniergenauigkeit sowie einer elektrischen Bremse. Somit sind indizierte Werkzeuge für z.B. Sonderanwendungen (Einwechselbares Tangentialmesser) oder sogar Gewindeschneiden möglich. Letzteres hängt allerdings auch am Drehmoment des Motors im unteren Drezhalbereich.

Zwischenstand Juli 2016:

Die Anzahl der Lager wurde von Anfangs vier auf jetzt drei reduziert. Die obere Lagerstelle hat eher stützende Wirkung, daher ist hier ein Lager völlig ausreichend um alle Kräfte aufzunehmen. Positiver Nebeneffekt ist das Einsparen eines Präzisionslagers, welche alles andere als günstig sind.

Für die ersten Tests wird die vorhandene Spindel adaptiert und die Verbindung über HTD-Zahnriemen ausgeführt. Bei Drehzahlen bis knapp 18.000 U/min kommen die Riemen an ihre Grenzen. Hier sollten Umlaufgeschwindigkeiten von über 50 m/s vermieden werden oder es kommt zu frühzeitigem Verschleiß und starker Geräuschbildung.

Hier noch ein paar neue Bilder vom aktuellen (aber noch nicht finalen) Stand:

Zwischenstand August 2016

Bei beiden Lagern kommt die UL-Version zum Einsatz, d.h. Universallager, leicht vorgespannt. Diese können direkt gegeneinander montiert werden und haben dann eine definierte Vorspannung. Um im unteren Lagerbereich etwas mehr Steifigkeit zu bekommen habe ich mich für Distanzhülsen entschieden. Diese werden später gemeinsam überschliffen, damit sie ein identisches Höhenmaß erhalten um die Vorspannung der Lager nicht zu verändern.

Außerdem wurde der Wechsler insgesamt nochmal deutlich verkürzt um Gewicht und Einbauraum zu sparen.

Mit montiertem Antrieb (erstmal über die bereits vorhandene 2,2KW HF Spindel):

Das obere Lager wird mit Hilfe einer Wellfeder vorgespannt, wodurch eventuelle thermische Längenänderungen kompensiert werden können.

Die Riemenscheibe wird gemeinsam mit einem Reduzierstück auf das obere Wellenende aufgeschraubt. Konstruktiv ist das nicht die schönste Lösung, aber Fertigungstechnisch einfach herzustellen.

Auf der Vorderseite befinden sich jetzt zusätzlich noch zwei Bohrungen in Höhe der Lagersitze. In diese werden Temperatursensoren montiert, welche eine Überwachung der Lagertemperatur ermöglichen. Auf eine Kühlung der Lager wird bewusst verzichtet, da bei korrekter Vorspannung und Einbau der Lager keine starke Reibung und somit Temperaturerhöhung auftreten darf. Ein Temperaturanstieg über eine gewisse Arbeitstemperatur (ca. 40°C werden erwartet) deutet auf ein Problem mit der Vorspannung der Lager oder der Schmierung hin. Generell ist es sehr wichtig den vom Hersteller angegebenen Einlaufzyklus einzuhalten. Dieser sorgt für eine gleichmäßige Fettverteilung im Lager wodurch stabile Betriebszustände erst ermöglicht werden.

Das Federpaket wurde auch nochmals überarbeitet. Die Verbauten Tellerfedern haben bei eingespannter Werkzeugaufnahme eine Einzugskraft von ca. 1300N. Zum erreichen der Auswurfposition (ca. 8mm Verfahrweg)  ist eine Kraft von ca. 2200N auf die Ausrückstange nötig. Der Pneumatikzylinder erreicht bei 6 bar Betriebsdruck eine Kraft von ca. 2650N.

Seitlich sind Gewinde angebracht, um den Halter für den Antriebsmotor zu montieren.

Auch über die Zustandsüberwachung haben wir uns Gedanken gemacht, damit Maschine und Werkzeugwechsler bei einem Fehler keinen Schaden nehmen. Hierfür werden zwei bis drei kleine induktive Näherungssensoren verbaut, welche die Position der Ausrückstange überwachen. Abgegriffen werden somit die Zustände

• „Leer“, d.h. kein Werkzeug eingezogen
• „Voll“, d.h. Werkzeug eingezogen
• Stillstand: Werden wir wahrscheinlich nach EN 60204 SS1 über den Frequenzumrichter ausführen. Alternativ ließe sich ein Hallsensor an der Spindel dafür verwenden.

Schema der Zustandsüberwachung: