In diesem Artikel beschreiben wir ausführlich den Umbau des Antriebssystems der X Achse.
[toc]Hintergrund
Aufgrund der Größe der Maschine (>2.000mm Verfahrweg auf der X Achse), hatten wir uns am Anfang des Projekts für einen Zahnstangenantrieb entschieden.
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- Drehmoment bei der Arbeit…
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.
Darf man fragen bei welchem chinesischen Supplier ihr die Spineln bestellt?
Ich hatte bisher erst einmal zwei KGT aus China bezogen, war hier aber bisher negativ überrascht worden (eine Spinel hatte fast 0,4mm Rundlauffehler am Loslagerzapfen ; die andere Spindel war aufgrund des Steigungsfehlers nicht zu gebrauchen).
Deshalb war ich eigentlich drauf und dran mein aktuelles Projekt mit Ritzel/Zahnstange umzusetzen.
Hallo Torsten,
den Hersteller kann ich dir leider nicht nennen, jedoch den Händler. Die Spindeln haben wir über Kamp & Kötter (www.kamp-und-koetter.de) in Dortmund bezogen. Bisher ist uns bei der Ware noch nichts negatives aufgefallen und der Preis war gut (Qualität C7, gerollt).
Zum Thema Zahnstange/Ritzel: Wir verkaufen aktuell ein sehr wenig gebrauchtes Komplett-System von Damen CNC inkl. 4,6 m Zahnstangen, spielfreien Getrieben und Vorspanneinheit. Bei Interesse kannst du dich gerne melden. Grund für den Umbau ist das Gewicht des Portals (gerade wegen der neuen Spindel um weitere 22 Kilo gewachsen), wodurch das Zahnstangensystem eine gewisse Elastizität gezeigt hat.
Wir bauen übrigens wieder auf C7 gerollt von K&K um. Je nachdem was das Budget in Zukunft hergibt wären auch C3 aus Taiwan denkbar (geschliffen)…
Gruß,
André
Servus,
Du schreibst:
×2.300mm Kugelumlaufspindeln 25 oder 32mm, Steigung 10mm/U) mit beidseitigen Gewinden zum Vorspannen.
und: Die Spindeln haben wir über Kamp & Kötter (www.kamp-und-koetter.de) in Dortmund bezogen.
jedoch sind bei http://www.kamp-und-koetter.de im Shop nur max. 2000mm erhältlich. Oder schau ich da falsch?
https://www.kampundkoetter.de/index.php/kugelumlaufspindel.html
Moin!
Einfach bei K&K anfragen – die Endbearbeitung wurde damals nach unseren Vorgaben/Zeichnungen gemacht und auch die Länge ist nicht Standard.
Super, danke für die schnelle Antwort!
Die kamp-und-koetter ist ja echt zu empfehlen, die haben auch schon geantwortet. Die sind übrigens grad dabei eine eigene Antreibbare Kugelumlaufmutter zu entwickeln.
Du schreibst:
Hellgrau: Runde Kugelumlaufmutter (HiWin SES)
Bei HiWin kann ich keine SES finden, auch google ist da eher spärlich. Stimmt die Bezeichnung? Kannst Du evtl. noch die genaue Produktnummer schreiben?
Gratulation und Hochachtung übrigens noch zu Eurem CNC-Projekt!
Hallo Stefan,
freut mich, dass ich dir helfen konnte und dir unser Blog hier gefällt!
Ob es die SES Bezeichnung noch gibt weiß ich nicht – im Endeffekt haben wir die Import-Ware von K&K verbaut und sind damit zufrieden. Die Endbearbeitung war auch genau wie von uns vorgegeben.
Klar, geschliffene C3 wären schön, der Preis würde sich jedoch auch locker verdreifachen.
Viele Grüße,
André
Hallo Andre,
ich guck schon einige Zeit gelegentlich in euren Blog rein. Ein paar Anregungen hab ich auch schon gefunden.
Nun bin ich selbst dabei, zwei Achsantriebe mit fester Spindel und rotierender Mutter zu bauen. Im Unterschied zu euch mit Spindeln 2010. Die Enden der Spindeln sollen abweichend vom Standard Durchmesser 16mm bekommen, damit ich Tellerfedern zum Vorspannen verwenden kann. Gewinde auf beiden Seiten M16x1,5. Als Drehmomentstütze auf jeder Seite eine Längsnut mit Passfeder 5×20 oder 5×16.
Oder nur eine Passfeder auf der Seite, auf der vorgespannt wird und auf der festen Seite eine grössere Bohrung mit Spannsatz drin. Der würde gleich radiale und axiale Klemmung übernehmen. Dann bräuchte dieses Spindelende auch kein Gewinde für eine Wellenmutter.
Habt ihr den pinken Stift aus dem CAD-Modell auch tatsächlich so ausgeführt? Oder habt ihr auf eine Verdrehsicherung ganz verzichtet? Welche Tellerfedern habt ihr verwendet und wie stark sind die gespannt? Ich würde gerne grob abschätzen, welche Axialkraft bei euch auf die Spindeln wirkt. Ich würde dann 3/4 der Kraft aufbringen, weil ich ja dünnere Spindeln verwenden will.
Wenn du euer Wissen und eure Erfahrungen teilen möchtest, wäre das schön.
schöne Grüsse
Michael
Hallo Michael,
Danke für’s Vorbeischauen, freut mich dass der Blog hilfreich ist!
Wir haben am Ende auf die Verdrehsicherung verzichtet. Versuche haben gezeigt, dass die Klemmung ausreichend stark ist und das Drehmoment gar nicht so stark wie erwartet. Zumindest solange der Kugelgewindetrieb blockierungsfrei arbeitet.
Die genauen Tellerfedern kann ich dir leider nicht mehr nennen, wir nutzen zwei Federn in paralleler Anordnung.
Auf einer Seite ist die Klemmung fest, auf der anderen Seite mit etwas loserer Passung das Federpaket. Wir haben beide Seiten mit Endbearbeitung / Gewinde für eine Mutter.
Wo in Deutschland sitzt du?
Viele Grüße aus Remscheid, André
Hallo Andre,
danke für deine Antwort.
Ich hatte Bedenken wegen Torsion der KGS beim Beschleunigen und Verzögern.
Eure geschlitzte Klemmstelle verhindert ja ein Verdrehen des Spindelendes durch Kraftschluss am Umfang. Dieses Spindelende würde auch ohne die Wellenmutter seine Lage beibehalten, denke ich.
Auf der Gegenseite reicht die axiale Kraft, die über die Wellenmutter und Tellerfedern aufgebracht wird, um hier eine Verdrehung der Spindel zu verhindern? Verdreht sich dieses Spindelende nicht, wenn ihr die Tellerfedern durch Anziehen der Wellenmutter spannt? Habt ihr dabei mit einer Zange gegengehalten?
Ich bin noch nicht sicher, ob ich die Endenbearbeitung mit oder ohne Passfedernut anfragen soll.
Mein “Zeug” steht in Rees, auf halbem Weg nach Hamminkeln. Da habe ich bei meinen Eltern den ehemaligen Heuboden ausgebaut. Da ist schon zuviel Platz. Hätte ich weniger, dann würde ich mehr aufräumen und ordnen 🙂
Michael
Hallo Michael,
wir hatten mal Testweise eine kleine Schraubzwinge auf die letzten Zentimeter des losen Endes der KGS geklemmt um mögliche Torsion zu beobachten. 25mm KGS + weiche S-Rampen führen da zu keiner sichtbaren Bewegung.
Notfalls kannst du die Passfedernut immer noch selbst einbringen.
Wie groß ist der Verfahrweg deiner Maschine?
Schön mal wieder jemanden aus der (relativen) Nähe zu treffen. Gefühlt sitzen alle Leute in dem Hobby immer irgendwo im tiefen Süden oder weit im Osten.
Das Platzproblem kennen wir leider zu gut. Die neue Werkstatt ist mehr als doppelt so groß, füllt sich aber zunehmens. Dann gibt es da noch das Thema mit den horizontalen Flächen, die einen verleiten möchten auf ihnen etwas abzulegen 🙂
Grüße,
André
Hallo Andre,
mir fiel eben deine Frage wieder ein.
In x-Richtung ist es 2,284m zwischen den “harten Grenzen”.
In y-Richtung 1,144m.
Und in z-Richtung ist der Weg noch nicht festgelegt. Der wird zwischen 250mm und 300mm auskommen.
Schaust du gelegentlich bei Peters CNC Ecke rein?
Grüsse Michael
Hallo Michael,
in X sind wir sehr ähnlich von der Länge… in Y hast du etwa 200mm mehr. Gute Größe für Plattenmaterial!
Was Z angeht sind wir gleichauf, je nach Aufspannung würde ich mir manchmal jedoch etwas mehr wünschen. Liegt aber auch an der Frässpindel mit der “langen Nase”, die im Vergleich zum initialen Plan etwas Z gekostet hat.
Seitdem ich für Alu die DMU habe hat sich das jedoch relativiert und ich mache so gut wie nur noch Plattenmaterial auf der selbstgebauten Portalfräse.
Dann würde ich auf jeden Fall zu 20-25mm KUS greifen.
Ist auch abhängig von den bewegten Massen. Inklusive Frässpindel (30Kg) wiegt unser Portal knapp unter 100 Kilo.
In der CNC Ecke bin ich auch unterwegs, allerdings eher selten. Ist an manchen Stellen leider etwas eingeschlafen.
Viele Grüße,
André