Hier geht’s zu Teil 1.

Motortausch

Nachdem der Rausch von hohen Spitzendrehmomenten und guten Preis des 1kW AC Servo abgeklungen war, stellte sich nüchtern betrachtet ein deutliches Kräfteungleichgewicht dar. Auf gut Deutsch: Der Servo ist zu stark für das Harmonic Drive Getriebe.

Bei einem maximal zulässigen Kollisionsdrehmoment des HDs von 284 Nm (= ab hier permanenter Schaden) und einer Untersetzung von 1:100 benötigt es Eingangsseitig also maximal 2,84 Nm. Der 1 kW Servo schafft spitze 9,26Nm… die 750W Version immer noch 7,71 Nm und auch die 400W Version hat mit 3,81 Nm noch ausreichend Reserve.

Durch den Tausch können wir insgesamt etwas kompakter bauen. Der “große” Bruder ist aber nicht umsonst den weiten Weg aus China zu uns gereist und wird demnächst wohl an der X oder Z Achse seine neue Bestimmung finden.

Motorhalterung v2

Kleinerer Motor, neue Halterung. Aufgrung der Axialen Freizeit des HD Antriebs sowie der definierten Ausrichtung werden wir auf eine Wellenkupplung verzichten und den Antrieb direkt vornehmen.

Damit das Teil etwas spannender wird gibt es ein Fillet sowie Löcher für Senkschrauben. Material bleibt voraussichtlich POM, ein passendes Halbzeug sollten wir noch haben.

Alles Dicht?

Tipp vom hauseigenen Maschinenbauer (Fabian): Dichtung einbauen. Das hält die Späne draußen und sollte der Lebensdauer des Getriebes zuträglich sein. Klingt logisch, wird also gleich mit umgesetzt.

Da es kein fertiges CAD Modell gab, hier eine grob modelierte V-Ring Dichtung.

Flansch

Damit der Schraubstock auf der Abtriebsseite des Harmonic Drive Getriebes installiert werden kann, wird noch ein passender Flansch benötigt. Für ein anderer Projekt (Futterflansch Drehmaschine) hatten wir bereits zwei größere GG Ronden bestellt, die wir jetzt für die 4. Achse zweckentfremden können.

Mit montiertem Zentrischspanner sieht die Konstruktion dann folgendermaßen aus…

Der Schraubstock kommt von Xin Dian Precision, hört auf den Namen H67-F-90L und kommt ca. auf 250 Euro. Für das Geld bekommt man nicht mal einen gebrauchten Schruabtsock von Lang und Konsorten… Mal schauen, was in Sachen Leistung geboten wird.

Die Backen lassen sich drehen, sind austauschbar und können auch gegen einfach selbst herzustellende weiche Backen ersetzt werden (Rot).

Auf der Maschine haben wir sogar zwei Optionen für die Befestigung. Konstruktionsbedingt kann die X Achse über das Tischende hinaus verfahren. So könnte die 4. Achse auch dauerhaft montiert bleiben.

Kurz zum Harmonic Drive

Hinter dem Harmonic Drive steckt ein geniales Prinzip. Über eine Antriebswelle wird ein Stahlbecher mit Außenverzahnung verformt und gegen einen Ring mit Innenverzahnung gedrückt. Die Innenverzahnung besitzt dabei weniger Zähne als die Außenverzahnung, was durch die elytische Bewegung zu einer Drehung auf der Abtriebsseite führt.

Es wird dabei relativ immer um zwei Zähne versetzt und insgesamt sind immer eine Vielzahl an Zähnen im Eingriff.

Ergebnis ist eine ruckfreie und sehr genaue Drehbewegung ohne Umkehrspiel.

Wiki / Jahobr

Sollte man wissen

• HD Getriebe können auch rückwärts laufen (Also Abtriebseitig auf die Antriebsseite). Sie sind nicht selbsthemmend! Je nach Anwendung ist eine Bremse nötig.
• Es gibt sehr flach bauende voll integrierte Servo-Getriebe-Lager Kombinationen vom Hersteller Harmonic Drive AG mit denen man sehr einfach eine 4. + 5. Achse bauen kann. Leider sehr teuer, manchmal bei eBay gebraucht für ca. 1.200 Euro zu finden.
• Baureihen xxx-CP, xxx-UH , xxx-ULW, xxx-M, xxx-H, etc. besitzen ein eingebautes Kreuzrollen bzw. 4-Punkt Lager auf der Abtriebsseite, was eine Integration deutlich vereinfacht.

Komponenten

Kleine Übersicht der Komponenten mit ein paar Detailansichten.

Gehäuse

Ein dicker Klotz aus GGG40 bzw. EN-GJS-400-15 mit Bearbeitung von drei Seiten. Guss dämpft vibrationen, lässt sich gut bearbeiten (bis auf die Sauerei) und ist ausreichend stabil. Unser Maschinentisch besteht aus dem gleichen Material.

Auf der Unterseite befindet sich eine Nut zum Einsetzen eines Nutensteins. Damit lässt sich das Gehäuse einfach an den Tischnuten ausrichten um die Rüstzeit zu verringern.

Motorhalterung

Hier steht die Wahl des Materials noch aus. Möglicherweise nehmen wir POM, Alu wäre aber auch eine Option.

Welle

Motor und Harmonic Drive haben unterschiedliche Wellen-Durchmesser, entsprechend muss ein kleines Drehteil mit Ausfräsungen her. Wir adaptieren von 19mm auf 11mm.

Harmonic Drive HFUC-25-100-2UH-SP

Das HD kommt gebraucht von einem Industrie-Händler aus Österreich. Variante HFUS kommt bereit mit einem eingebauten Abtriebslager, bei dieser Variante ein Kreuzrollenlager. CAD Modell: Harmonic Drive AG.

Kleine Aufschlüsselung der Typbezeichnung aus dem Hersteller-Datenblatt.

• HFUC
• 25 = Baugröße
• 100 = Untersetzung (1:100)
• 2UH = Integrierte Abtriebslagerung (Kreuzrollenlager)
• SP = ?

Leadshine EL6 / Stepper-Online T6 Servomotor 1 kW

Auch das Thema AC Servomotor ist schon länger im Gespräch. Als wir vor 10 Jahren mit dem Bau der Maschine begonnen hatten war der Markt noch recht klein und Motoren/Regler für den Hobbybereich zu teuer. Das hat sich mittlerweile geändert.

• Leistung 1,0 kW
• Drehmoment 3,19 bzw. 9,26 Nm
• Drehzahl 3.000 bzw. 5.000 U/min
• Encoder 17bit
• Bremse 3,2 Nm

Da Harmonic Drive Getriebe auch rückwärts Kraft übertragen können (genauer: umgekehrt von Ab auf den Antrieb), haben wir uns für einen Motor mit Bremse entschieden.

Ein paar Daten

Drehmoment

Laut Tabelle vom Hersteller gelten folgende Grenzen für unser Harmonic Drive (HD):

• Wiederholbares Spitzendrehmoment: 157 Nm
  Also die Kraft die regelmäßig und ohne Schäden erreicht werden kann.
• Durchschnittsdrehmoment: 108 Nm
  Um die angegebene Lebensdauer zu erhalten, sollte dieses Drehmoment im Durchschnitt eingehalten werden.
• Kollisionsdrehmoment: 284 Nm
  Ende Gelände, ab hier nimmt das Getriebe permanenten Schaden. Maximal zulässiges Drehmoment z.B. bei einem Crash oder einem Not-Aus.

Der Motor ist laut Hersteller mit 3,2 Nm bzw. einem Spitzendrehmoment von 9,5 Nm angegeben. Zusammen mit der Untersetzung von 1:100 durch das HD ergibt sich somit theoretisch ein Drehmoment von 950 Nm, was deutlich über der zulässigen Kraft liegt. Entsprechend werden wir den Motor in seiner Kraft abriegeln.

Kurze Info noch zur elektromagnetischen Bremse – diese ist NC, also normal geschlossen und hält die Position der Welle mit max. 3,2 Nm. Nach der Untersetzung also 320 Nm und auch damit deutlich über dem Kollisionsdrehmoment des Getriebes. Entsprechend werden wir den Motor in seiner Leistung reduzieren, eventuell sogar auf die 750W Variante umsteigen.

Geschwindigkeit

Mit Fett- und Ölschmierungen sind Antriebsdrehzahlen von 5.600 bzw. 7.500 U/min zulässig, der Motor liefert 3.000 bzw. im erweiterten Bereich 5.000 U/min. Damit sind Abtriebsseitig 30 bzw. 50 U/min möglich und eine Umdrehung der Achse dauert somit 2 bzw. 1,2 Sekunden.

Wie geht es weiter?

Aktuell warten wir auf die Komponenten aus Österreich, China und Deutschland. Sobald das Material da ist geht es auch schon an die Bearbeitung der Bauteile… Bald mehr an dieser Stelle.

Uns war schon länger klar, dass wir das Thema Absaugung noch mal aufgreifen mussten. Seit dem Umstieg auf die HSD Spindel war unser altes Absaugkonzept hinfällig geworden. Einmal wegen der Maße, und zum Anderen wegen dem automatischen Werkzeugwechsel.

Unser Ansatz für einen simplen automatischen Absaugschuh…

Material

Hier eine kurze Auflistung des Materials. Hinzu kommen noch diverses Kleinzeug wie Schrauben und Klebstoff.

Die Konstruktion

An sich recht simpel. Die “neue” HSD Spindel mit der langen Nase ist bietet ca. 100mm Weg für einen Absaugschuh, den wollten wir durch einen niedrigen Aufbau möglichst nutzbar machen. Theoretisch lässt sich der Absaugschuh auch unter die Spindelnase verfahren, die zusätzliche Abstützung durch die Spindel wollten wir jedoch nutzen.

Für die Führung kommen Igus Drylin® Lager und Schienen zum Einsatz. Diese sind wartungsfrei und Staub/Späne können sich nicht am Schmiermittel verfangen, da es schlichtweg keins gibt.

Hier noch mal die Hebevorrichtung im Detail. Orange Bauteile sind aktuell aus 20mm PMMA hergestellt. Technisch sind mit dieser Bauart zwei Betriebsarten möglich: Heben und Senken mit Druck auf feste Positionen oder Heben mit Druck und frei schwebend.

Herstellung

Damit der Absaugschuh das Geschehen nicht vollständig verdeckt besteht die Basisplatte aus 20mm PMMA (Plexiglas). Mit etwas Geduld lässt sich das Material recht gut mit unserem 80W CO2 Laser bearbeiten… Natrülich sind die Schnittkanten nicht glänzend poliert wie bei der Bearbeitung von Material bis zu 10mm, für diesen Anwendugszweck war das jedoch egal.

Auch die Halterung der Konstrktion haben wir zunächst aus Plexiglas hergestellt. Einerseits als Prototyp, andererseits als Kraftbegrenzung. Sollte sich das Absaugschuh verhaken sorgt das Bauteil für eine einfach zu erneuernde Sollbruchstelle. Später werden wir das Teil wohl noch mal aus Aluminium herstellen.

Hier die erste Anprobe. Das Gewinde für den Pneumatikzylinder haben wir direkt ins Plexiglas geschnitten. Auf dem Foto erkennt man noch einen kräftigen Ausrichtungsfehler durch den verlaufenen Laserschnitt. Mit etwas Schleifpapier konnte das jedoch einfach korrigiert werden.

Drossel vs. Druckminderer

Einen extra Druckminderer für den Absaugschu wollten wir uns sparen und somit nutzen die vollen 6 bar Betriebsdruck der Maschine. Bei 16mm Kolbendurchmesser wird eine Kraft von ca. 120 Nm bzw. 12 Kg erreicht, was für diesen Zweck gleichzeitig ausreichend aber und nicht exzessiv zu viel ist.

Nich ideal ist jedoch die Verfahrgeschwindigkeit – der Zylinder stempelt ordentlich in die Endlagen. Abhilfe schafft hier eine Zuluftdrossel auf beiden Anschlusseiten des doppeltwirkenden Zylinders.

Bürstenleiste

Die mit viel Vorsicht eingebrachten Gewinde entlang der Kontur kamen doch nicht zum Einsatz. Unsere erste Idee, die Bürstenleiste zu durchbohren und anzuschrauben, mussten wir leider wieder verwerfen. Am Ende haben wir beides mit Klebstoff (Acrifix Acrylglaskleber) zusammengefügt, soweit scheint es zu halten.

Montage und Test

Passt wie angegossen! Durch die Verstellung des Mitnehmers lässt sich die maximale Tiefe einstellen. Der obere Anschlag ist durch die Maschine definiert. Damit wir den maximalen Verfahrweg erreichen können muss die Z-Bodenplatte noch umgearbeitet werden.

Viellcht hat der ein oder andere ihn bemerkt und sich gefragt, was es mit dem Spiegel an der Maschine auf sich hat?! Dieser ist noch von der aktuell laufenden Vermessung des Steigungsfehlers montiert… Hierzu demnächst in einem gesonderten Artikel mehr.

Und am Ende natürlich noch ein Video
Mit der Zuluftdrossel lässt sich die Verfahrgeschwindigkeit sehr fein einstellen.

Testlauf

Damit sich die Konstruktion einlaufen kann und später im Betrieb keine Probleme macht gab es heute den ersten trochenen Testlauf. Die Motoren mussten bei ausgebauter Spindelmutter 1 Stunde GCODE abarbeiten.

Hier mit offener Abdeckplatte:

Luft?!

Da ist definitiv keine Luft mehr. Als wir kürzlich die Stahlplatte auf dem Maschinengestell neu ausgerichtet haben, hatten wir nicht mit so einem geringen Spaltmaß gerechnet.

“Ja, war beim konstruieren schon alles sehr eng da”

OTon Fabian

Auf der anderen Seite haben wir jedoch noch etwas Spielraum, den wir nutzen werden.

Anschlusskästen Achsantriebe

Die originalen Steckverbinder der Leadshine Hybrid-Stepper (/Servos) hatten wir bereits gleich zu Anfang ausgetauscht. Zum Anschluss gibt es je Achse ein Alugehäuse, was jedoch etwas wuchtig geraten war. Auch bei den Ausschnitten wurde mangels Fräse… na ja, sagen wir mal “improvisiert”.

Alles neu macht der Mai! Und so gab es einen Satz neuer Alugehäuse von Hammond Electrics:

Auch bei den Kabeln diesmal keine halben Sachen. Alles wird ordentlich mit Schrumpfschläuchen befestigt. Und auch die Erde wird diesmal angeschlossen. Gerade im Hinblick auf den baldigen Umstieg von 48 auf 70 V keine verkehrte Sache.

Und hier bereist montiert (überkopf) unter den Portalwangen. Die neuen Gehäuse haben nur 1/3 des Volumens und tragen nicht so auf.

Schwarzes Alu

Merke: Wenn du Alu bohrst und die Späne werden schwarz kann das nichts gutes heißen…

André

Beim Versuch einen neuen Durchlass für das Encoderkabel zu bohren ist das Bohrloch leider verlaufen und hat das 5×1,5 mm2 Motorkabel gestreift. Glück im Unglück: Die meisten Leitungen habe ich absichtlich etwas länger gelassen und unter der Maschine “geparkt”. Somit konnte das Kabel ohne Probleme verlängert werden.

Ciao Zahnstangen

Ein letztes Relikt des alten Zahnstangenantriebs ist nun auch endlich beseitigt. Schon damals bei der Montage hatten sich zwei der Imbus-Schraubenköpfe zerfressen und wollten sich jetzt nicht ausbauen lassen.

In denkbar ungünstiger Lage wurden die Schraubenköpfe ausgebohrt. Hier das finale Ergebnis. Es wird echt Zeit für einen ordentlichen Ausdrehersatz…

Was bisher geschah..

Teil 1 – Start des Umbaus, mit CAD Modellen
Teil 2 – mit den Aluteilen von André aus der Nähe von Bremen
Teil 2 1/2 – Herstellung der Spindelhalter
Teil 3 – Zwischenstand und Herstellung der Lagerblöcke
Teil 4 – Drehteile & Übersich
Teil 5 – Spindelhalter

Gewinde, Gewinde

Bei einem der Drehteile (Hülse) ist uns beim Drehen im letzten Durchlauf der Gewindevorschub durchgerutscht und hat die davor akurat geschnittenen Gewindegänge “Überrannt”.

Ergebnis: Trotz Rettungsversuch hat das Gewinde nicht sonderlich gut getragen.

Lösung: Mit dem WIG Schweißgerät und speziellem Kupfer-Siliziumschweißstäben hat Fabian das Bauteil wieder aufgefüllt und danach erneut abgedreht. Das Drehen von Schweißnähten macht zwar nicht sonderlich Spaß, aber das Teil nochmal anzufertigen wäre noch anstrengender geworden.

Spindel-Befestigung

Der vor kurzem angefertigte Klemmblock wurde an seinen Platz an der Maschinenfrontseite montiert. Durch die Klemmung wird die Kugelumlaufspindel gegen Verdrehen gesichert.

Wer sich fragt wozu die kleinen Löcher zwischen den flachgesenkten Schrauben sind: Hier wollten wir ggf. Passstifte setzen. Aktuell sehen wir hierfür jedoch keine Notwendigkeit, da alles auf Anhieb zusammen gepasst hat.

Was hier so mangels Referenz vielleicht klein und zerbrechlich wirkt ist eine 25 mm Spindel mit darüberliegender 45er Linearführung.

Auf der anderen Seite der Spindel befindet sich ein Halter ohne Klemmung, dafür aber mit zwei dicken Tellerfedern. Dadurch erzeugen wir etwas Vorspannung (verhindert das Durchbiegen) und kompensieren die Temperaturausdehnung.

Da die Werkstatt beheizt ist (Winter 18 – Sommer 28 Grad Celsius) haben wir nur einen sehr geringen Temperaturunterschied von 10 Grad zu erwarten, was einer Längenausdehnung von < 0,4 mm entspricht.

PS: Gut, einen 32er Maulschlüssel zu besitzen…

Antrieb

Die beiden Antriebseinheiten hatten wir ja bereits im letzten Artikel gezeigt. Hier nochmal montiert und in ganzer Pracht.

Es wurden an dieser Stelle bewusste keine Passstifte gesetzt. Bei der Konstruktion hat Fabian darauf geachtet, dass die gesamte Antriebseinheit nicht überbestimmt ist, was ansonsten zu unnötigen Spannungen bzw. erhöhtem Verschleiß führen könnte

Hier nochmal von vorne. Die Abdeckung des Riemengehäuses ist noch nicht montiert.

Doktorspiele!

All zu oft haben wir über Fotos von “leergeräumten” Kugelumlaufspindel-Muttern geschmunzelt. Sowas würde uns nie passieren… denkste! Irgendwann ist immer das erste Mal und heute war es auch bei uns so weit.

Beim aufgleisen der Mutter nach der Passprobe an den Drehteilen hatte sich der Abstreifer verkantet. Um das zu richten musste die Mutter nochmal von der Spindel runter und hat sich dabei einiger Kugeln entledigen können.

Unter sterilen (Werkstattbedingungen) mussten die Kugeln wieder mühselig mit der Pinzette in ihre Bahnen gesetzt werden.

Fazit

Insgesamt hat der Umbau eine Menge Zeit in Anspruch genommen – ehrlich gesagt mehr als erwartet. Da war zunächst einmal die neu gekaufte (alte) Drehmaschine, welche überholt werden musste… Alles in Allem war der lange Weg jedoch sehr lehrreich und entsprechend stolz sind wir auf das Ergebnis.

Nochmal alles in der Übersicht.

So geht es weiter

Als nächstes müssen wir noch die zweite Seite montieren sowie die kleinen Umbauarbeiten an der Steuerung fertigstellen. Auch die leicht zu groß geratenen Anschluss-Boxen für die X-Antriebe werden nochmal angepasst.

Im nächsten Post gibt’s dann bereits den ersten Test “unter neuen Segeln”.

Previously:

• Part 1 – Start and CAD model
• Part 2 – Aluminium parts machined by André from Bremen
• Part 2 1/2 – Machining of the screw holders
• Part 3 – Update and machining of the bearing blocks
• Part 4 – Machining of the turning parts

The part…

… was of course created in CAD by Fabian and will be used to hold the ball screws on the front side of the machine. Because we run one ball screw on each side of the machine this parts will need to be manufactured twice (mirrored).

Steps of machining

• 3 x 9 mm thru holes with a sink
• 3 x 5 mm thru holes
• 1 x 8,5 mm thru hole with sink and M10 thread
• One fit 20 mm H7
• One saw cut to clamp the ball screw
• One stance to index the holders
• Radius for most edges

Doesn’t look much for a professional but quite an adventure for me. After all, all parts of the assembly need to exactly fit together.

Machining

As with most of our work pieces we start at the band saw. I was lucky and the machine was behaving – some time ago we decided to permanently removed the rear blade cover because the saw developed a nasty habit of spitting out the saw blade. Probably this is caused by some clocked up bearings… We will need to perform some maintenance soon!

Raw stock

Next step is truing up the sides of the stock and bringing it down to final dimensions with my favourite tool, the facing head.

To cut down milling time the overall gemoetry was roughed out with the band saw first. Sawing is the most economic way to remove large chunks of stock, especially if the saw is semi-automatic.

The rest of the machining is done with a 20 mm flat end mill.

Slot cutting

Not sure if slot cutting is the correct term but I guess you will get the point. In order to clamp down the ball screw the 20 mm H7 fit had to be relieved.

Concentration! Last time I had (tried) to use a saw blade on the mill I manage to break it. Thanks to the engineering data reference book everything went well this time.

Reaming

The 20 mm fit with tolerance H7 first needed an appropriate pilot hole. The engineering data reference book demanded 0,3 to 0,4 mm undersize but the only drill sizes we have in the shop are 18 mm (too small) and 20 mm (too big). A few minutes at the bench grinder later and the 20 mm cheap “chinesium” spiral flute drill shrunk down to 19,06 mm.

Quick check before I continue with the remaining operations. The fit is perfect and the ball screw will be fixed perfectly.

The radii were machined using a quadrant cutter. This “ancient” tool comes from the pre-CNC time and still gives pretty good results.

The result

Done! If you compare the part to the CAD model you will find that I rationalized some minor details of the part in order to speed up machining.

The surface was later on polished with an orbital surface grinder and 320 gauge sand paper.

This left me with only a few last finishing touches on the parts Fabian hat procued on the lathe earlier… Drilling a few holes and cutting threads.

Next step

All parts are ready for assembly. Here is a first “loose-fit” test.

Some time ago we had started to use dedicated boxes, so called Euroboxes, per each project we start. The box format is standardized and allows to stack equal and half sized boxed above each other for better space management.

The overall build was a bit lenghty… Before we could start this project we first had to complete the rebuild of our Cazeneuve HBX 360 lathe.

Previously:

• Teil 1 – Start des Umbaus, mit CAD Modellen
• Teil 2 – mit den Aluteilen von André aus der Nähe von Bremen
• Teil 2 1/2 – Herstellung der Spindelhalter
• Teil 3 – Zwischenstand und Herstellung der Lagerblöcke

Preparation

Before Fabian and I could start this exiting “shop-weekend” we had to do some improvements on the power supply of the shop. To date we only had one 16 A CEE socket available and could not work in parallel.

Soon we will have 7 16 A CEE sockets available throughout the shop plus 1 32 A CEE socket for the CNC router. Everything will be split in 5 independent circruits.

Soon we will be showing some more details in a seperate article.

Bearing support

André had to re-do one of the two bearing blocks after feeding the boring head too much. The fit was just too loose. Unfortunately his proposal to bridge the gap with some precision calibre band was turned down (for obvious reasons).

Reordering the stock was not so easy. Surprisingly few online stores have 100 x 100 mm raw steel in stock.

After machining we decided to blue the steel parts for better corrosion protection. Unfortunately the finish turned out a bit flaky – despite swiping the parts equally with acetone to remove any residual oils.

The parts before bluing. All functional faces were milled flat with a milling head, the remaining surfaces received a light shining with the beld sander.

Turned parts

At the same time we manufactured the remaining turning parts on our lathe.

When swapping the morse taper tools we realized that we managed to miss 3 screws during tailstock assembly… Now we know why ejecting the tools was so hard!

In order to improve run-out when machining the other side of the part we used soft jaws. Previous to machining the actual part the soft jaws are bored out with a boring bar to a slightly smaller dimension.

The result: Perfect dimensional stability and a mirror finish.

Our refurbished Cazeneuve earned our respect.

The only thing where the machine did not perform as expected was the thread cutting function. Sometimes the automatic pick up function of the lathe did not engage and ended up destroying the previously machined threads. We need to have a look at this problem in more detail later…

Overview

Left: CAD model, right: finished parts. On both sides the parts look relatively small – but trust me, they are large and heavy!

All components at a glance:

• Belt housing with motor mount and motor
• Lid for belt housing
• Bearing support with mounting adaptor
• Cartridge with belt pulley
• Cartridge, bearing and belt pulley

Next time..

The only parts still missing are the mounting / clamping plates for the ball screws. We already ordered the stock and will start machining the parts shortly.

Vor Kurzem haben wir dieses Foto eines HPC Einschneiders gepostet. Die Auflösung zum “Bilderrätsel” gibt es jetzt!

André und der rote Drachen

André, Namensfetter und ebenfalls ein sehr ambitionierter CNC Enthusiast, hat sich freundlicherweise bereit erklärt uns bei der Fertigung der Teile zu unterstützen. Mit seinem Späne-speiendem “Red Dragon” (Ein Traum aus CSMIO IP/S, Royal-CNC, Vakuumtisch, Servoantrieben und 7 kW Frässpindel) wurden die Deckel und Rahmenteile für unsere neuen X-Antriebe hergestellt.

Hier die Maschine nochmal in ganzer Größe… Auf dem Foto hat André übrigens schon die neue Royal-CNC Tastatur, passend zur Software, verbaut. Das Gehäuse ist Marke Eigenbau und natürlich aus Alu.

Bei Gelegenheit muss ich mir die Maschine mal live anschauen!

Mittlerweile hatte ich auch Gelegenheit die Maschine (und den Erbauer!) persönlich kennen zu lernen.

Bearbeitung

Wer sich fragt wieso der Berg Lametta Späne wie kleine Nadeln aussieht: Das ist das Werk des oben gezeigten HPC (High Performance Cutting) Fräsers. Mit diesem Werkzeug kann in kurzer Zeit viel Material zerspant werden, was in der Regel auf Länge der gesamten Schneide geschieht.

Ergebnis

Das Ergebnis kann sich sehen lassen!

Nächste Schritte

Weiter geht’s in Kürze mit den Drehteilen. Hierzu warten bereits diverse Stahlklötze und etwas Rundmaterial darauf zerspant zu werden.

Für die Gehäuse haben wir jetzt auch einen Ausdreh/Ausspindelkopf bekommen. Cat for dimension only!

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Umbau Y Antrieb

Langsam entstehen die Teile für den Umbau des Y Antriebs. Wir arbeiten ja bereits seit längerem am Umbau weg von Zahnstangen hin zu Kugelumlaufspindel mit angetriebenen Muttern. Diesmal entstanden die zwei vorderen Aufnahmen. An sich keine spektakulären Teile, für uns jedoch spannend da konventionell hergestellt. Hier ein paar Fotos aus der Werkstatt.

Die Grundform hat Fabian bereits vorab mit einem Sägeblatt auf der Fräse hergestellt. Anreißen auf der Messplatte mit unserem neuen digitalen Höhenanreißer.

Nach dem Bohren mit 0,4 mm Untermaß wurde das Loch auf 20 mm H6 aufgerieben. Die Reibahle war nicht mehr ganz frisch, für die bearbeiteten Enden der Kugelumlaufspindeln war das jedoch kein Problem.

Dank Digitalanzeige konnten wir den (manuellen…) Werkzeugwechsel gering halten (Anbohren, Vorbohren, Bohren).

Ein kleines Schmankerl war die Kantenbearbeitung mit einem Viertelkreis-Profilfräser. Damit lassen sich auch konventionell ansehnliche runde Kanten herstellen.

Die fertigen Teile. Im Hintergrund hängt übrigens die Druckluftaufbereitung für die neue HSD Spindel, welche wir bald in Betrieb nehmen werden.

Vierbackenfutter

Nach etwa einem Jahr “Ruhezeit” haben wir uns dem 300 mm WMW Vierbackenfutter aus DDR Herstellung gewidmet. Mehr Details dazu in diesem Artikel.

Projekt Pegelstandsanzeige

Für einen Kumpel entsteht gerade ein kleines IOT Projekt. Die Pegelstandsinformationen und Sturmflutwarnungen der Nordsee sollen auf einer LED Anzeige ausgegeben werden. Neben der Elektronik bzw. Software wird gedreht, gefräst und 3D-gedruckt um dieses Projekt zu realisieren. Näheres dazu in Kürze in einem eigenen Artikel.

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Hintergrund

Aufgrund der Größe der Maschine (>2.000mm Verfahrweg auf der X Achse), hatten wir uns am Anfang des Projekts für einen Zahnstangenantrieb entschieden.

Mit steigendem Gewicht des verfahrenden Portals hatten wir jedoch mit Positionierungsproblemen und Vibrationen zu Kämpfen. Der Antriebsstrang erweist sich wegen seiner durch Riemen erreichte Vorspannung als zu elastisch und kann die auftretenden Kräfte bei aggressiveren Schnitten in z.B. Aluminium nicht hinreichend aufnehmen.

Unsere Komponenten kommen dabei leider nicht an die in der Industrie bei sehr großen CNC Maschinen eingesetzten Zahnstangenantriebe ran. Diese sind hochpräzise geschliffen, schrägverzahnt und werden elektronisch über einen weiteren Motor vorgespannt, sowie durch ein Absolutwegmesssystem dynamisch nachgeregelt.

Abhilfe schafft in unserem Fall der beidseitige Antrieb mit Kugelgewindetrieben, welche wir in Kürze nachrüsten werden. Der vorhandene Zahnstangenantrieb wird dann eventuell später in einem anderen Projekt Platz finden (z.B. CNC Plasmaschneider… An dieser Stelle bald vielleicht ein neues Projekt ;-)).

Wegen der hohen Nachfrage in unserer Umfrage nach mehr Detailberichten und Bildern, werden wir dieses Thema ein wenig detaillierter dokumentieren.

Angetriebene Muttern

Bei unseren Y- und Z-Achsen (sowie bei den meisten kleineren CNC Maschinen auf sämtliche Achsen) wird die Kugelumlaufspindel selbst angetrieben. Aufgrund des großen Verfahrweges der X-Achse macht es bei uns jedoch mehr Sinn stattdessen die Mutter anzutreiben. Somit kann der Durchmesser der Spindeln reduziert werden, was wiederum die Kosten senkt und für eine höhere maximale Verfahrgeschwindigkeit sorgt.

Komponenten

• 2×2.300mm Kugelumlaufspindeln 25 oder 32mm, Steigung 10mm/U) mit beidseitigen Gewinden zum Vorspannen.
• 4 Schrägkugellager
• Satz HTD Riemenantriebe
• Div. Fräs- und Drehteile aus Aluminium
• Eine Hand voll M5 Zylinderkopfschrauben  in div. Längen

Fertige Einheiten gibt es sowohl bei den meisten Herstellern von Kugelgewindetrieben (Sehr teuer, da zumeist ZKLF Axial Schrägkugellager verbaut sind) oder von Drittanbietern (Um die 500 bis 600 Euro je Einheit). Fabian hat sich für eine Eigenentwicklung entschieden, hier sein Modell:

Aufbau v.L.n.R.

• Grau: Riemenrad Profil HTD
• Blau: Hülse, welche die KUS Mutter trägt.
• Braun: Gehäuse aus Aluminium
• Grau: 2 Schrägkugellager Typ 7010 2RS
• Gelb: Nutmutter (feststellbar) zum Vorspannen der Lager
• Hellgrau: Runde Kugelumlaufmutter (HiWin SES)
• Grau: Gehäuse zum Schutz der Lager. Hier wird eventuell noch ein äußerer Abstreifer angebracht.

Damit der Antriebsriemen gespannt werden kann, wird der Motor auf einem Schlitten montiert (Weiß). Durch das seitlich angebrachte Loch lässt sich die Vorspannung mittels einer Imbusschraube einstellen.

Ansicht von vorne, mit abgenommenem Decke. Der ganze Riemenantrieb läuft geschützt in einem Aluminiumgehäuse.

Im Querschnitt mit Spindel wird die Einheit dann folgendermaßen aussehen (ohne Deckel vorne/hinten).

Update 30.09.2016

Fabian hat das Modell noch einmal überarbeitet, größen-optimiert und ihm den letzten Schliff verliehen. Unter anderem sind nun alle maßgeblichen Größen parametrisiert, so dass eine Anpassung auf andere Kugelumlaufspindel Größen problemlos möglich ist.

Schnittmodell mit geschlossenem Deckel (Grün) und angebautem Hybridservo Baugröße NEMA34 (Dunkelgrau). Abbildung ohne Spindelmutter.

Montiert an der Maschine trägt der neue Antrieb nicht mehr als die bisherige Lösung mit Zahnstangen auf. Es sind keine größeren Veränderungen nötig. Vergleich: Links mit Kugelumlauftrieb, Rechts mit bisherigem Zahnstangenantrieb.

Hier noch einmal eine aktuelle Übersicht der ganzen Maschine, frisch aus Fabian’s CAD Schmiede. Die neue Frässpindel mit Werkzeugwechselfunktion sowie die automatische Werkstückantastung sind bereits mit an Bord.

Update 02.10.2016

Hier noch einige Details zur Klemmung der Spindel.

Beim traditionellen Betrieb, d.h. Antrieb der Spindel, wird diese zwischen einer fest- und einer Loslagerseite befestigt. Bei einer angetriebenen Mutter wird die Spindel hingegen eingeklemmt. Da bei dieser Länge jedoch mit thermischer Ausdehnung zu rechnen ist, wird nur eine Seite fest geklemmt, auf der anderen Seite sorgt eine Tellerfeder für eine gleichbleibende Vorspannung.

Durch Drehung des Antriebsmoduls um 90 Grad konnte die vordere Spindelposition um fast 20mm nach oben verlagert werden. Somit ergibt sich ein kleinerer Hebel bei der Konstruktion der Klemmung.

Hintere Klemmung von hinten, aus 25mm Aluminium
Hellgrau: Tellerfeder mit Mutter, über welche die Vorspannung des Systems eingestellt.

Hintere Klemmung von vorne
Pink: In X Richtung beweglicher Bolzen zur Aufnahme des Drehmoments der Spindel.

Unterstützung

Bei X max. und X min. hängen jeweils mehr als 80 Prozent der Spindel ohne Unterstütztung frei in der Luft. Hierdurch wirken große Kräfte auf die angetriebene Mutter sowie den Spannblock. Um diese Durchbiegung zu verhindern werden in der Industrie mitlaufende Unterstützungen eingesetzt.

Fabian hat berechnet, dass die 25mm Spindel im Extremfall sowie ohne Vorspannung ca. 3,5mm durchhängen wird. Da wir jedoch planen die Spindel über Tellerfedern mit einigen hundert Newton Vorspannung einzubauen, sollte sich dieser Wert drastisch verbessern. Auch eine technisch aufwendige Unterstützung wollen wir erst mal verzichten.

Nächster Schritt

In den kommenden Wochen werden die Teile geordert. Fräs und Drehteile gehen in externe Fertigung, da uns aktuell die nötigen Maschinen fehlen.

Update 10.10.2016

Die Bestellung für die Kugelumlaufspindeln ist raus. Wir haben uns aufgrund der positiven Erfahrung mit den No-Name Spindeln aus China wieder für den gleichen Lieferanten entschieden.

Diese Spindeln werden gerollt, gehärtet und dann poliert.  Das reicht für Qualitätsstufe C7, was eine mittlere Wegabweichung von 52 µm/300 mm Verfahrweg bedeutet. Für die meisten Anwendungen im Hobbybereich ist das ausreichend, da alleine thermische Veränderungen bei unseren großen Verfahrwegen für einiges an Abweichung sorgen können. Ohne entsprechend genau Wegmeßsysteme mit Anbindung an die Steuerung lässt sich so etwas nur schwer kompensieren.
Nach dem Einbau werden wir die Spindeln vermessen und ein nicht-lineares Korrekturprofil in der Steuerung anlegen.

Auch bei den zu fertigenden Teilen hat sich wieder etwas bewegt. Fabian hat aus dem CAD Modell für jedes Bauteil eine Zeichnung abgeleitet und so kann auch schon bald die Fertigung beginnen.