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.

Wieso wir bisher noch nich die CsLab eigene simCNC Software ausprobieren konnte: Unsere CSMIO Steuerung ist über 7 Jahre alt und unterstützt leider nur Mach3 und Mach4.

Nach langer Überlegung haben wir uns dann doch für einen Austausch entschieden. Alles neu macht der Mai. Neue CSMIO/IP-S, simCNC Software, sowie das Handrad-Modul haben einzug in die Maschine gehalten.

Hardwaretausch

Dadurch, dass wir vorher bereits eine IP-S verbaut hatten war der Umstieg im Schaltschrank einfach… Stecker ab, Steuerung rein. Auf dem Weg hatten wir dann aber doch noch mal ein paar Dinge optimiert und insgesamt den Schaltschrank noch mal etwas aufgeräumt.

PS: Der 3D Probe ist nicht von CsLab… mehr dazu in Kürze

Erste Erfahrung mit simCNC

Die ersten Schritte mit simCNC gingen fix von der Hand, die Schnellstartanleitung bringt eigentlich alles mit was man braucht. So konnten wir nach nicht mal einer Stunde bereits die Achsen verfahren und die Maschine war quasi einsatzbereit.

Insgesamt reagiert die Software sehr schnell auf Eingaben und ist logisch gut aufgebaut.

Hier noch ein paar Punkte zur Software die uns überzeugt haben

• Direkt von CsLab entwickelt und damit native Integration mit den CSMIO Hardware-Steuerungen
• Läuft auf Windows, Linux und MacOS als Betriebssystem
• Vollständig anpassbare Oberfläche mit eingebautem GUI Editor + CSS
• Verbesserter Algorithmus für Bewegung und Beschleunigung
• Scripte in Python
• Der tolle Support von CsLab, den wir schon von der Hardware kannten

Steile Lernkurve vs. unsere Knowledge Base

In den ersten paar Tagen mit simCNC, sprich Installation auf der Maschine und dem Start unserer Anpassungen, haben wir eine ziemlich steile Lernkurve durchlaufen. Mit der reichhaltigen Anleitung vom Hersteller sowie dem Support via Email und Forum haben wir bereits eine Menge an Ideen umsetzen können.

Damit das gesammelte Wissen für uns, aber auch andere zugänglich bleibt, habe ich mich dazu entschieden eine gesonderte Knowledge Base aufzubauen.

Unter http://simcnc.a-ueberbach.de/ finden sich künftig viele Tipps, Hinweise und unsere eigenen Scripte zum herunterladen, verstehen und lernen. Die Seite befindet sich noch im Aufbau, wächst aber mit jedem unserer Projekte und Anpassungen weiter an.

Screen Editor

Was wirklich gut gelöst ist: Der eingebaute GUI Editor. Nach kurzer Einarbeitung und etwas Inspiration der mitgelieferten Sreens konnten wir schnell damit beginnen das Ganze an unsere Maschine anzupassen.

Hier ein paar erste frühe (!) Eindrücke von unserem künftigen Screen.

Unser Werkzeug-Screen für das 30 Platz Kettenmagazin (in Arbeit).

Kleiner Tipp für das Handrad-Modul

simCNC unterstützt aktuell keine USB Handräder. Stattdessen gibt es ein Handrad-Zusatzmodul mit den benötigten Eingängen und Anschluss an den Erweiterungsbus.

Das dazu passend angebotene Handrad ist etwas teuer. Wer sich jedoch traut den Stecker selbst anzulöten, der kann für etwa 1/3 des Preises das identische Handrad unter dem Stichwort CALT Manual Puls Generator TM2080 in China bestellen. Die Lieferzeit lag bei etwas mehr als zwei Wochen.

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Blindleistung mal anders

Die Umbauarbeiten von vor ein paar Wochen (Kabeldurchführungen der Schaltschränke) haben noch ein paar Nacharbeiten verursacht.

Im Schaltschrank der Steuerung kam es zu mehr als 2A Leerlaufstrom, laut Berechnung hätten die Sensoren und sonstigen Bauteile nur 0,1A ziehen dürfen. Wie sich nachher herausgestellt hat, war die neue LED Arbeitsbeleuchtung beim provisorischen Anschluss verpolt worden und zieht dabei 2A.

Hier ein Bild bei der Fehlersuche ohne die Kabeltunnel Abdeckungen:

Wackelnde Griffe

Nachdem das Elektronikproblem behoben war, musste der Griff der ausziehbaren Schaltschränke nochmal fixiert werden. Nach unzähligen Bewegungen hatte sich dieser los gerüttelt, was aufgrund der Lage hinter den Montageplatten gar nicht zu einfach zu beseitigen war. Jetzt sind die Schrauben mit hochfester Schraubensicherung hoffentlich bis an das Lebensende der Maschine “wartungsfrei”.

Helles Arbeitslicht

Hier mal ein Bild des von Fabian kürzlich angebrachten Arbeitslichts. Neben einer besseren Übersicht sollte es in Zukunft auch deutlich bessere Fotos von der Bearbeitung geben…

Ein Labyrinth aus Holz

Momentan übe ich mich in der Herstellung von Lernspielzeug aus Holz. Hier entsteht ein Kugellabyrinth aus 12mm MDF:

Die Bearbeitungszeit für die Innen und Außenkonturen lag bei ca. 6,5 Minuten, durchgeführt mit einem 8mm VHM Zweischneider für Holz von Sorotec. Durch die spezielle Nut wird das Material nicht nach oben gezogen und franst fast gar nicht aus – so muss deutlich weniger nachbearbeitet werden.

Nach der Behandlung mit Öl wirkt selbst MDF gleich viel wertiger:

Kleinteile aus Alu

Für einen Kumpel entstanden folgende kleine Aluteile auf der Maschine. Hier erstmal der Prototyp mit noch dem ein oder anderen Schönheitsfehler.

Eigentlich schade drum, aber dünneres Material hatte ich gerade nicht da: Damit ich die Höhe effektiv halbieren kann, wurden zusätzlich zu den Stufenbacken noch Parallelunterlagen verwendet. Bei knapp 2 Tonnen (pneumatischer) Spannkraft sollte das für meine eher leichte Alubearbeitung noch mehr als genug klemmen.

Um möglichst wenig das Werkzeug zu wechseln sowie den Nullpunkt suchen zu müssen, verwende ich hier nur drei Werkzeuge. Von Links nach Rechts: 20mm Planfräser, 6mm Dreischneider, 90 Grad Fasenfräser.

Bearbeitungsschritt 1:

Mit dem 20mm Planfräser geht es dem Material an den Kragen.

Bearbeitungsschritt 2:

Jeweils zwei Sack und zwei Durchgangslöcher werden gefräst. Hier wird später eine Achse bzw. ein Pin durchgeführt. Verwendet wurde ein 6mm Holex Dreischneider mit Zentrumsschliff.

Bearbeitungsschritt 3:

Damit ich die Konturen ohne Umspannen sauber bearbeiten kann, wird das Teil nun über zwei M6 Schrauben gespannt. Um all zu große Vibrationen vorzubeugen habe ich im CAM die Zustellung minimiert.

Die neue Beleuchtung macht nicht nur das Arbeiten leichter… auch die Fotos werden merklich besser ausgeleuchtet.

Bearbeitungsschritt 4:

Mit einem 8mm Fasenfräser werden noch die Kanten gebrochen

Fertig! Wie beschrieben war das der erste Prototyp… jetzt geht es an die Optimierung des Teils und der Durchlaufzeit.

Soweit hat die Bearbeitung gut geklappt. Ich freue mich jedoch schon auf den Werkzeugwechsler, sowie die automatische Werkstückantastung, die Fabian in den letzten Wochen geplant hat… Denn die meiste Zeit habe ich heute mit Werkzeug einspannen und Nullpunkt setzen verbracht.

Auffällig war außerdem seit einiger Zeit, dass das CSMIO Mach3 Plugin statt 24V Versorgungsspannung nur zwischen 12 und 13,9V angezeigt hat. Die interne 5V Spannung war hingegen stabil bei 4,9V.

Möglicherweise ist die interne Spannungsstabilisierung defekt. Warum das allerdings nur die Eingänge betrifft, verstehe ich nicht.

Aktuell gibt die CSMIO keine Lebenszeichen mehr von sich und startet nicht mehr. Die Stromaufnahme ist 0. Eventuell ist die Spannungsstabilisierung komplett durch oder eine möglicherweise intern verbaute Sicherung hat ausgelöst.

Ich werde die Steuerung zur Kontrolle an den Hersteller in Polen schicken und hoffe auf schnelle Reparatur / oder Austausch. Bei einer 700 Euro Steuerung mit industrieambitionen hätte ich solch einen Ausfall nicht erwartet – da ich bisher aber noch von nichts vergleichbarem gelesen habe und die CSMIO an sich einen sehr guten Eindruck macht gehe ich von einem unglücklichen Einzelfall aus.

Update: Anscheinend hat irgendwas in der Stromversorgung zur Zerstörung der internen Spannungsversorgung der CSMIO geführt. Netterweise wurde sie auf Kulanz vom Hersteller CS-Labs repariert. Vielen Dank! Um zukünftig solchen Problemen vorzubeugen hat die Steuerung nun ihr eigenes, stabilisiertes Netzteil und eine Feinsicherung.

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Steuerung

Was hier noch etwas wild aussieht verschwindet bald wieder in den Kabelkämmen, Rohren und Kabelverschraubungen. Ganz verschwinden werden die schwarzen Kabel von Leadshine (Spannungsversorgung und Sensorleitung Antriebsmotoren). Diese scheinen mir nicht für Energieketten geeignet und werden höchst wahrscheinlich recht schnell zu Ausfällen mit unschöner Fehlersuche führen.

Noch lassen sich auf den Bildern diverse WAGO Klemmen finden – diese habe ich nur zum Testen verbaut und mittlerweile vollständig gegen Reihenklemmen sowie Brücken ersetzt.

Rechner

Der Lenovo Rechenknirps hat mittlerweile auch einen Platz im inneren des Steuerungsschranks bekommen. Mit doppelseitigem Montageband habe ich den VESA Rahmen in die Türe eingeklebt.

So ist er Rechner vor Staub gut geschützt. In die Außenwelt führen dann nur noch LAN, Display Port und 2x USB.

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Bedienung

Um die Einstellungen vorzunehmen:

1. FU mit Strom versorgen, kurz warten bis er hochgefahren ist
2. PROG/ESC drücken
3. Mit den Pfeiltasten die Gruppe (z.B. P0) wählen
4. DATA/SET drücken
5. Mit den Pfeiltasten den Paremeter (z.B. P0.1) wählen
6. DATA/SET drücken
7. Mit den Pfeiltasten den einzustellenden Wert wählen
8. DATA/SET drücken zum speichern
9. PROG/ESC drücken um einen weiteren Parameter auszuwählen

Standardparameter

Vor dem Anschluss der Spindel müssen diese Parameter gesetzt werden.

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Terminal Parameter

Hier geht es um die extrne Steuerung des FUs z.B. über Mach3. In der SL Serie lassen sich diverse Statusmeldungen und Eingänge frei auf 6 digitale Ausgänge (X1/X6), 2 digitale Eingänge (Y1/Y2) 2 analoge Eingänge (AI1/AI2) und einen analogen Ausgang (AO1) legen.

Neben Vorwärts/Rückwärts will ich die Frequenz einstellen können und wissen, wann die Wahldrehzahl erreicht ist. Ebenfalls möchte ich den Leerlaufzustand (z.B. beim Werkzeugwechsel) in meinen Macros verwenden.

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Alle weiteren Parameter (von insgesamt 150) habe ich auf den Werkseinstellungen gelassen. Sobald ich das Kabel an der Spindel habe, wird wohl noch einmal etwas Optimierung von Anlauframpen etc. nötig sein.

Den Not-Aus Kreis binde ich später noch über das Wechslerrelais (Öffner) an (TA/TB/TC) um im Falle eines Fehlers die Maschine zu stoppen.

Verkabelung

GND > analoger Ausgang, Klemmen2 oder 8 der CSMIO

AI2 > analoger Ausgang, Klemmen 1 oder 6 der CSMIO

COM > -24V

X1-X6 > Digitale Ausgänge der CSMIO

Möchte man die internen Spannungsquellen des FU nutzen um z.B. einen externen Taster oder ein externes Poti zu verwenden, können die Klemmen +10V und +24V der eingebauten Spannungsversorgung genutzt werden.

Testbetrieb

Noch ein wenig wild: Um die ganzen Klemmen, DIP Schalter und Steckbrücken besser erreichen zu können, wurde die Montageplatte des Steuerungsschranks nochmal herausgenommen.

Einbindung Mach3

Hier gibt es in der CSMIO Anleitung bereits eine gute Beschreibung (Kapitel 10.6 Spindel und Kühlung). Das wichtigste in Kurzform:

•  Config > Config Plugins > CSMIO
• Special Functions
  • Spindle DAC Enable aktivieren
  • Analog Ausgang wählen
• Config > Ports and Pins
  • Output Signals
    • Output 1, Port 10 (CSMIO Digital Output), Pin 3 (Oder nach Wahl) für Spindel Start gegen den Uhrzeigersinn
    • Output 2, Port 10, Pin 4 (Oder nach Wahl) für Spindel Start im Uhrzeigersinn
  • Spindle Setup
    • Disable Spindle Relays deaktivieren
    • Die vorher gewählten Outputs einstellen. M3 = Im Uhrzeigersinn, M4 = Gegen den Uhrzeigersinn
  • ModBus Spindle
    • Enable aktivieren
    • Reg 64
    • Max. ADC Count 4095
• Config > Spindle pulleys
  • Maximale Drehzahl (Chinaspindel: 24.000 U/min eintragen)

 UPDATE 21.06.2015

Nach ettlichen Anlaufschwierigkeiten beim Versuch die Spindel im Vektormodus in Betrieb zu nehmen habe ich noch einmal mit Hyria, dem Hersteller von Spindel und FU in China, gesprochen. Der Vektormodus funktioniert angeblich nicht mit der 2,2KW Spindel aus dem eigenen Haus. Warum man mir jedoch beides zusammen verkauft hat entzieht sich mir jeglicher Logik.

Aus einem britischen CNC Forum habe ich den Tipp erhalten auf einen Hitachi Vektor FU umzusteigen. Damit hat man auch bei sehr geringen Drehzahlen noch ausreichend Drehmoment. Hier hatte schon mal jemand mit den gleichen Komponenten Probleme…

Nähere Infos gibt’s nach den ersten Tests.

Update (22.12.2014): Das Plugin funktioniert problemlos in Mach4, die CSMIO wurde sofort erkannt und empfängt brav ihre Befehle. Zwischenzeitlich hat CS Lab ein Update des Plugins zur Verfügung gestellt, welches nochmal Fehler behebt.

Der CSMIO/IP-S ist ein 6 Achsen Controller auf LAN Basis und mir eher zufällig beim Surfen über den Weg gelaufen. Für etwas über 600 Euro gibt es beim polnischen Hersteller CS Lab eine professionelle Steuerung die für viele Einsatzzwecke mehr als ausreichend ist.

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Vorteile

Wieso wir uns für die CSMIO entschieden haben…

• Ausbaufähigkeit. Durch das CAN BUS System lassen sich weitere I/O Port Module anbinden.
• Netzwerkanschluss. Weg vom störanfälligen und sehr eingeschränkten LPT Port oder USB.
• Alle Ein/Ausgänge sind über Optokoppler isoliert, sowie Kurzschlussfest
• Stabiles Aluminiumgehäuse für die Hutschiene. Somit war die Steuerung schnell aufgebaut
• Anschlussterminals mit sinnvoller Pinbelegung, sowie getrennte Gruppen für den Anschluss verschiedener Potentiale
• Gute Anbindung an Mach3/4. Das eigene Plugin bietet tolle Einstell und Diagnosefunktionen. Bisher hatten wir keinen einzigen Aussetzer.

Technische Daten

Hier die wichtigsten Daten im Überblick. Mehr auf der Seite des Herstellers.

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