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.

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.

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.

Zum Einrichten der Frässpindel bzw. des Frequenzumrichters habe ich mir schnell einen kleinen “Spindelprüfstand” zusammengebaut. So kann ich bei Bedarf schnell das Setup anpassen und habe alle Komponenten im Blick. Außerdem gibt es ein Not-Aus um den ganzen Aufbau bei Bedarf vom Strom zu trennen.

Hitachi ProDrive

Bei der Einrichtung der Parameter hilft die Software ProDrive, welche kostenlos von Hitachi zur Verfügung gestellt wird. Hier kann man schnell mal ein neues Setup ausprobieren, mit anderen Leuten tauschen (Export/Import) und sogar “online” die Kontrolle über den FU übernehmen. Die Verbindung läuft dabei über ein mini USB Kabel.

Als weiteres praktisches Gimmick lassen sich im Live Betrieb sämtliche Variablen des FU überwachen und auf einem Graphen abtragen. Neben Stromaufnahme, Frequenz und Spannung kann man sich z.B. die Temperatur des FU oder den Status der Überspannungsüberwachung zeigen lassen.

Die Investition hat sich aus meiner Sicht jetzt schon gelohnt. Zwar kostet der WJ200 in etwa 3 Mal so viel wie der gleich starke Hyria FU, ein Plus an Funktionen und die deutlich bessere Dokumentation machen das jedoch wieder wett.

Update 13.06.2018
Für die Interessierten hier noch unsere Config Datei für die Spindel. Einige der Angaben stammen aus dem Autotuning des Frequenzumrichters und lassen sich eventuell nicht 1:1 anwenden. Bitte vor Inbetriebnahme überprüfen und validieren (u.a. max. Strom). Click zum Download.

Zwischenergebnis:

Zusammen mit dem externen Bremswiderstand kann der FU die Spindel in 3 Sekunden sicher von 24.000 auf 0 U/min zwingen. Die Beschleunigung habe ich auf 5 Sekunden eingestellt, auch wenn da gefühlt noch etwas Luft ist…

ToDo:

• Anbindung an Mach3 (ModBus)
• Einbindung “sicherer Halt”
• Schaltschrank kaufen

Nachdem die Anbindung des Hyria SL-222ES Frequemzumrichters flott und logisch von Statten gegangen ist und auch die Anbindung an die CSMIO Steuerung problemlos geklappt hat, gab es doch noch eine unschöne Überraschung.

Ich hatten extra ein Modell alus der SL (Complex Inverter) Familie zur Chinaspindel geordert um eine sensorlose Vektorsteuerung zu haben. Aus der Differenz zwischen IST und SOLL Stromaufnahme errechnet der FU dabei die Drehzahl und vergleicht diese wiederum mit dem Sollwert. Geht die Drehzahl in den Keller wird mit mehr Strom nachgeregelt.

Auf Nachfrage teilte mir Hyria wörtlich mit, dass ich die HY Serie verwenden sollte. Die SL Serie sei nur für größere CNC Maschinen gedacht. Auf Deutsch: Keine Vektorsteuerung mit der hauseigenen Spindel. Nachvollziehen kann ich das nicht – jemanden der das Ding mit Vektorregelung zum Laufen gebracht hat konnte ich jedoch auch nicht finden. Regulär (Stichwort V/f Betrieb) verrichtet der FU seinen Dienst.

Hitachi WJ200

Alternativ habe ich mich inspiriert durch dieses Video für einen Hitachi WJ200 (Baugleich mit Omron MX2) entschieden.

Video: Dujam Ivanišević

Neben einer Vektorsteuerung mit bis zu 200% mehr Drehmoment lässt sich dieser mittels der hauseigenen Software ProDive komfortabel über mini USB programmieren. Auch die Anbindung an Mach3 via ModBus soll laut diversen Internetforen sehr einfach sein. Durch eine saubere Implementierung des Schnittstellenstandards braucht man außerdem kein extra Plugin mehr zum Betrieb.

Um ähnliche Bremswerte wie in dem Video zu erreichen verbrät ein 0,2KW 70Ohm Metallux Draht-Leistungswiderstand die kinetische Energie der Spindel sekundenschnell in Form von Wärme. Bei der Auswahl des Widerstandes ist unbedingt auf den richtigen Wert (Siehe Handbuch) zu achten – ein falsch gewählter Widerstand kann sich selbst und den FU zerstören.

Für die nötige Funkentstörung des auf Primärseite sorgt noch ein 24A Einphasen Netzfilter von Rasmi.

Am Wochenende werde ich die Kiste zum ersten Mal testen und dann hoffentlich etwas positives vermelden können.

Großes Lob noch an den Lieferanten Sorotec. Neben einem guten Preis lag der FU nach nur 24 Std. schon in meinen Händen.

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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…

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 Frässpindel Hyria HY80-24Z/2.2

Denke über die Spindel gibt es nichts Neues zu sagen… In diversen Foren finde man durchaus positive Berichte zu der Spindel und vor allem zum Beginn ist sie sicher keine schlechte Anschaffung.

Vermutlich hätte es auch die 1,5KW Variante getan. Dieser hat jedoch keine ER20 Werkzeugaufnahme, so dass nur kleinere Fräser eingespannt werden können. Die 2,2KW Variante erlaubt Durchmesser von 2 bis 13mm.

Mangels Messuhr kann ich im Moment noch nichts zum Rundlauf sagen. Beim ersten drehen mit der Hand zeigt sich jedenfalls schon mal ein ruhiger und weicher Lagerlauf ohne Widerstand, sowie kein spürbares Spiel. Vom Hersteller wird die Spindel mit einem Rundlauf von 0,01mm beworben. [UPDATE: Messung der Rundlaufgenauigkeit]

Sollte der Rundlauf schlechter als 0,03 sein (gemessen am Konus inneren), werde ich sie zum Schleifen schicken. Jüngst habe ich in der Bucht dazu folgenden Dienst gefunden. Hier hat man scheinbar Erfahrung mit der Chinaspindel – Vorher/Nachher von 60 auf 14µ oder 30 auf 4µ klingen jedenfalls schon mal gut.

Wie oft im Internet moniert ist die Spindel mit einem vierpoligen Flanschstecker bestückt, Pol 4 bleibt jedoch auch bei diesem Exemplar “kalt” und wird nicht sinnvollerweise für die Erdung verwendet.

Der verwendete Stecker ist vom Typ GX16 und  mit 16A / 250V (1.500V AC Test) angegeben Angeblich findet diese staub- und wasserdichte (IP…??) Verbindung in der Luftfahrt Anwendung. Ich hoffe mit solch einem Flugzeug werde ich nie fliegen müssen. Bei nächster Möglichkeit tausche ich das System aus!

Frequenzumrichter Hyria SL-222ES

Die bisher bei eBay und Co. erblickten Angebote, oft im Paket mit der Spindel, beinhalteten meistens den Typ HY02D223B. Augenscheinlich sind die Leistungsdaten beider Geräte gleich (Gehäuse, 230V Primär, Einphasig, 2,2KW). Der Unterschied liegt im Inneren:

• Vektorsteuerung: Drehmoment und Drehzahl können (in einem gewissen Rahmen) getrennt voneinander kontrolliert werden. Somit werden beim Anlauf die Stromspitzen begrenzt und auch bei niedrigen Drehzahlen steht mehr Drehmoment zur Verfügung. Das war beim Spindel/Einfacher FU Paket bisher oft ein Kritikpunkt.
• Schaltausgänge für den Fehlerfall (Blockierung, Überspannung, Spitzenstrom)

In den nächsten Wochen werde ich mich noch mit den Anschlüssen beschäftigen. Dann folgen nähere Informationen.

UPDATE 2015-01-07:

Laut Anleitung ist der FU wie folgt anzuschließen:

Primär

1. Sicherungsautomat 32A (Engl. Fuse)
   Die Anleitung spricht hier von 1.5-2x typische Nennleistung, womit 32A deutlich zu viel wären.
2. Relais 20A (Engl. Contactor)
   Zum Trennen der Versorgungsspannung im NOT-AUS Fall
3. Eingangsfilter (Engl. Input EMC Filter)
   Vermeidet Störungen von anderen im Netz befindlichen Komponenten
4. Eingangsdrossel Entfällt für 222ES (Engl. Input Reactor)
   Zur Vermeidung von hohen primärseitigen Strömen

Sekundär

1. Ausgangsdrossel Entfällt für 222ES (Engl. Output EMC Filter)
   Glättet das Ausgangssignal, reduziert das Motorgeräusch und soll bei langen Kabelwegen den Leckstrom minimieren
2. Ausgangsfilter (Engl. Output Reactor)
   Verringerung der Funkstörung. Zusätzlich sind geschirmte (geerdete) Kabel zu verwenden

Die Zuleitung wird mit “6” benannt, was auch immer das heißen mag. Bei den zu erwartenden Strömen gehe ich mal nicht von 6mm² aus…

Um die Spindel in einen schnellen Stopp zu zwingen, ist noch ein Bremswiderstand hilfreich. Baureihe SL hat von 0,4 bis 7,5KW angeblich bereits einen verbaut – Klemmen für einen externen Widerstand sind jedoch trotzdem vorhanden.

Konfiguration

Der FU verfügt über 2 frei programmierbare Ausgänge und ein programmierbares Wechslerrelais, welche folgende Zustände ausgeben können:

• Vorwärtslauf
• Rückwärtslauf
• Fehler
• Frequency Detection Range erreicht
• Zielfrequenz erreicht
• Unteres Frequenzlimit erreicht
• Oberes Frequenzlimit erreicht
• “Zero Speed Running” (??)

Teileliste

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