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.

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

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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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