Im Momemt besitzt unsere Maschine einem starres Magazin mit – immerhin – 10 Plätzen. Das wäre für gleichartige / wiederkehrende Werkstücke auch locker ausreichend, für unsere abwechselnden Materialien und Projekte jedoch immer mit viel Bestückungsarbeit verbunden. Und wehe, das falsche Werkzeug wird geladen und die Längenkorrektur passt nicht…

An Aufnahmen mangelt es jedenfalls nicht, mittlerweile haben sich ca. 40 Stück angesammelt und die Quelle ist noch nicht versiegt.

Aktuell arbeiten wir noch am finalen CAD Modell und ein paar Lösungen sind noch in Arbeit. Das ist auch der Grund wieso wir nicht die vollständige Kette im Magazin zeigen – es lässt sich einfach komfortabler daran arbeiten.

Und hier noch einmal von oben und von der Seite.

Idee

Ein sehr ähnliches Projekt hat sich unser Bekannter Siggi vor einigen Jahren gebaut. Damals hatten mich schon das CAD Modell begeistert, “live” nach Fertigstellung war die Begeisterung aber noch um ein vielfaches größer. So etwas wollten wir auch – und jetzt wird es realität.

Der Plan

• Mindestens 20 Plätzen für unsere SK30 Aufnahmen
• Statisch montiert auf dem hinteren Tischbereich zur direkten Entnahme durch die Spindel
• Überwachung durch Sensoren, damit eine Fehlbedienung ausgeschlossen ist
• Eigene Logik

Kettenglieder

Die Kettenglieder bestehen aus 15mm Alu, der Montageflansch hat 12mm. Um das Gewicht ein wenig zu reduzieren gibt es eine Aussparung im Material.

Für eine reibungslose Bewegung sorgen Igus Gleitlager GFM-1012-10 aus iglidur® G. Diese laufen trocken, sind damit dauerhaft Wartungsfrei und sehr preisgünstig. Nebenbei sind die Lager super bei staubigen Umgebungen.

Antriebsräder

Auf insgesamt 4 Rädern aus PE1000 laufen die Ketten, geführt durch Miniaturkugellager. Angetrieben wird nur eine Seite.

Antrieb

Wer mag schon gerne warten… Als Antrieb kommt ein 750W AC Servo-Set zum Einsatz (T6 von Stepper-Online / Baugleich mit Leadshine EL6). Durch die Untersetzung von ca. 1:2 erhalten wir damit ein Spitzendrehmoment von 14 Nm.

Angetrieben wir über einen HTD Zahnriemen. Aus Gründen der Vereinfachung sind die Taper-Buchsen nicht eingezeichnet.

Rahmen

Die gesamte Konstruktion besteht auf 15mm Alu, voraussichtlich fein gefrästes EN AW-5083. Insgesamt keine spektakuläre Bearbeitung, aber aufgrund der Fasen dann doch wieder Zwei-Seiten.

Wer das Material (Gleich GAL 250) noch nicht kennt: Die beidseitig feingefrästen Platten aus gegossenem Aluminium weisen ein Ra von 0,4 μm auf und haben eine +/- 0,1mm Dickentolleranz bei < 0,13mm Ebenheitsabweichung auf 1m. Diese Eigenschaften erleichtern den Bau dieses Projekts ungemein, da viele Flächen nicht mehr bearbeitet werden müssen.

Wieso Kunststoff?

Bei den Antriebsrädern und den Führungsflächen haben wir uns für POM bzw. PE1000 entschieden. Das macht die Konstruktion erstens etwas leichter und zweitens hat das Material gute Gleiteigenschaften. Insgesamt sollte das Magazin dadurch leiser laufen.

BOM (Bill of Materials)

Danach werden wir bei unseren Projekten häufiger gefragt, daher hier gleich mal eine vollständige Liste an Teilen. Insgesamt wird das Projekt 1.300 EUR an Material kosten. Interessanterweise ist der teuerste Posten nach Servo, Aluminium und Kunststoff die Passschauben.

Wie geht es weiter?

Aktuell befinden sich Teile und Material im Zulauf, bis wir Zeit finden mit dem Projekt zu starten wird es noch ein paar Wochen dauern. Und dann ist ja auch schon wieder Weihnachten dazwischen…

Da wir in Zwischenzeit Zuwachs bekommen haben (DMU 50T), bietet es sich an die Teile mit der neuen Maschine zu bearbeiten. Es wird also doppelt spannend

Mit den SK30 Werkzeugaufnahmen haben wir auch direkt Halterungen in passender Menge erhalten. Unter Ausnutzung des X-Verfahrwegs passen somit ziemlich genau 10 Aufnahmen nebeneinander.

Herstellung

In unserem kleinen Stahllager hatten wir noch etwas 30x30x3mm gefunden. Zitat Fabian: Das kann man wenigstens ordentlich schweißen.

Ich wollte ja erst noch Versteifungen oder ein Knotenblech einbauen, was sich aber im Nachhinein als totaler overkill herausgestellt hätte

Für die Montage der Halter werden zwei Lochreihen benötigt. Ein idealer Anwendungsfall für die Universalfräsmaschine mit der nachgerüsteten Digitalanzeige. Die hintere Reihe ist für die Passstifte, in die vordere kommen M8 Gewinde.

Reihenfolge beachten! Nach dem Zusammenbau ist das Teil unhandlich und (mit unseren Mitteln) schwer zu spannen. Hier schon kurz vor der Fertigstellung.

Die vordere Schraube sitzt direkt unter der Strebe, weshalb wir das Loch erst noch zugänglich machen mussten.

Hier schon nach dem nächtlichen lackieren bei LED-Taschenlampenschein draußen. Da die Konstruktion nur temporär ist haben wir hier den schnellen Weg gewählt und mit der Dose (aber mit Vorgrundierung) lackiert.

Ein beherzter Klopfer mit dem Montagehammer und die Zangen sitzen. Die Passstifte sitzen alle sauber in den Bohrungen. Ohne Maßstäbe an der Maschine wäre das sicher schnell daneben gegangen.

Montage

Dank dem massiven Gusstisch konnten wir das Magazin mit 4 M8 Schrauben einfach direkt montieren. Wie massiv die Konstruktion ist haben wir dann gleich auf die harte Tour rausgefunden… Mehr dazu weiter unten.

Grauguss lässt sich übrigens sehr angenehm verarbeiten und schmiert das Werkzeug aufgrund des hohen Graphitanteils automatisch ein wenig.

Nutensteine und Spindelposition

Bei dieser Gelegneheit haben wir dann auch gleich die Spindel noch ein wenig versetzt. Vor gar nicht so langer Zeit hat eine HSD Spindel in LN-Version (Steht für Long Nose) zu uns gefunden – die alten Befestigungspunkte waren jedoch für die reguläre Spindel vorgesehen und entsprechend tief. Damit keine neuen Löcher in die Z-Platte gebohrt werden mussten, haben wir noch fix zwei extralange Nutensteine aus Stahl hergestellt.

Software

An der Softwareseite des Werkzeugwechsels arbeiten wir aktuell noch, die Positionen haben wir jedoch bereits vermessen. Was passiert, wenn man dabei nicht vorsichtig genug ist sieht man hier:

Glück im Unglück… unserer Bestellung lagen 11 anstatt 10 Halter bei. Das Material (POM oder ähnlicher sehr stabiler Kunststoff) hat beim Kräftemessen mit der Z-Achse den kürzeren gezogen.

Mit dem Labeldrucker und der sehr praktischen Serialisierungsfunktion sind dann noch schnell Werkzeugplatz-Nummern entstanden.

Zur Erinnerung hier nochmal der “Masterplan” in Sachen Projekte.

Strom- und Druckluftversorgung

Die Kabeltrassen werden mit Leben befüllt. Neben den Druckluftleitungen werden wir endlich die ausstehende Verkabelung vornehmen und uns vom andauernden umstecken verabschieden.

Projekt: Kompressor

Stahlbau und Steuerung befinden sich auf der Zielgeraden… beim Thema Verrohrung wird es nochmal spannend, aber wir sind wie immer guter Dinge!

Der aktuelle Stand und der Weg dorthin:

• Vorstellung
• Teil 1: Software
• Teil 2: Schaltschrank
• Teil 3: Rahmen
• Teil 3,5: Zwischenstand
• Teil 4: Montage & Rohrleitungen
• Teil 5: Inbetriebnahme
• Teil 6: Test, Demontage, Transport, Fazit.

Upgrade CNC

Nach der feuerbedingten Zwangspause arbeiten wir aktuell an ein paar Verbesserungen der Portalfräse.

• Austausch Spindel
• Anlöten des neuen HSD Spindelsteckers
• Maschine reinigen
• Ein paar Verschleißteile (Riemen, Kugellager, …) tauschen
• Neue Servo Anschlussbox für die Z Achse
• Dokumentation der Elektrik
• Neues Kabelschutzrohr für den Steuerungswagen
• u.v.m.

Gedankenspiele: Werkzeugmagazin

Um in Sachen CAD/CAM mit Fusion360 in Übung zu bleiben entstand ein erster Entwurf für ein Ketten-Werkzeugmagazin. Beim Layout haben wir uns von Siegfried König / Royal CNC inspirieren lassen. Demnächst gibt es einen ausführlicheren Artikel dazu.

Werkstatt, Werkstatt, Werkstatt

Mit der Sanierung ist sie zwar nicht größer geworden, aber wir konnten den vorhandenen Platz nochmal etwas optimieren und besser ausnutzen. In den kommenden Wochen starten wir eine kleine Serie zum Thema Ordnung und Arbeitssicherheit in der Heimwerkstatt. Vielleicht hilft die ein oder andere Idee ja jemandem beim Ausbau der eigenen Werkstatt weiter.

Zwischenfazit: Im eingebauten Zustand sieht man ihr die 21 Kg gar nicht mehr an. Wir freuen uns bereits darauf die neue Spindel das erste Mal zu verwenden.

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Umbau Z Platte

Glück gehabt. Die Z Achse muss für die neue Spindel, welche deutlich größer als ihr Vorgänger ist, nur geringfügig angepasst werden. Mechanisch bleibt aber alles weitestgehend unverändert.

• Aufweiten der Öffnung auf 120mm (Durchmesser der Spindel ist 110mm)
• Demontage des Absaugrohrs
• Neupositionierung des unteren Endschalters
• Umbau der Motoranschlussbox

Der Antrieb kann dagegen bleiben wie er ist, im Gehäuse der Z Achse war noch ausreichend Platz. Hier auf dem Foto nicht zu sehen: Der LED Beleuchtungskranz passt perfekt auf die Nase der Spindel (110 mm).

Passprobe

Und schon war die neue Spindel drin. Durch die großzügige Dimensionierung der Z Achse konnte die Spindel problemlos von hinten verschraubt werden ohne eine Adapterplatte anfertigen zu müssen. Somit konnten wir uns wieder 25mm Platz und damit unnötigen Hebel sparen.

Das da unten im Bild sind übrigens SK40 DIN2080 aufnahmen für unsere konventionelle Fräse. SK30 Aufnahmen haben wir bisher noch keine, was sich aber bald ändern wird. Zum Start werden wir erst Mal mit 10 Aufnahmen in der Größe ER20 und ER32 starten.

Unterstützung Z Achse

Die gute Nachricht vorweg: Auch ohne Unterstützung bleibt die Z Achse bei unbestromtem Motor auf Position. Trotzdem werden wir die Achse noch mit einem Pneumatikzylinder unterstützen damit der Motor weniger zu arbeiten hat. Mehr dazu in Kürze.

Neues Abdeckblech

Durch die neue Spindel müssen wir auch das Abdeckblech der Achse nochmal überarbeiten.  Hier noch das aktuelle Blech in einem frühen Foto während der Bauphase.

If you are looking for the full article on the construction and calculation, check out this article here. All information on the famous 2,2KW china spindle (without ATC functionality) can be found here.

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On a diet

First things first: The general structure and setup of the spindle remains unchanged. Nevertheless, the outer diameter has changed down to 96mm. This way we can use a 100mm x 100mm piece of stock (compared to 120mm previously), which has a positive impact on material and machining costs.

In addition the overall length has been reduced so the spindle will take up less space on the machine.

What else did change?

• The spacer between the lower bearings has been removed. It will not have a major impact on stability but adds a lot of complexity and cost.
• The labyrinth seal has been de-featured for easier manufacturing. At the same time tolerances have been lowered in order to still ensure a safe seal against dust and chips
• Previously we had planned for a cam belt. Due to the high speeds we had to swap it for a multi-rib belt (profile PJ). This also helps the manufacturing process as the grooves can be cut directly into the main shaft.
• To protect the belt from chips and lower the noise a full casing was added
• The spring tension package was enlarged. The picture is still missing a screw-on limit to adjust the load.
• As the overall structure has no more centering references all parts will be doweled together loosely and then bolted in place. This way assembly becomes much easier.
• One big change is the belt tensioning mechanism, which now works eccentric.

Material

Für die Spindel selbst möchten wir C45E (alte Norm CK45) verwenden. Dieser Vergütungsstahl wird aufgrund seiner hohen Zug- und Dauerfestigkeit für Kurbelwellen, Achsen, Pleulstangen und andere stark belastete Teile verwendet. Die Werkzeugaufnahme soll zusätzlich gehärtet werden, um sie resistenter gegen mechanische Beschädigungen zu machen. Nach dem härten wird der Steilkegel dann auf das finale Maß ausgeschliffen.

Für das Gehäuse ist die Werkstoffauswahl noch nicht fix. Aluminium wäre wohl ausreichend, für die Lagersitze wäre Stahl schöner, wenn dieser aber rostfrei bleiben soll, wird es direkt teuer und schwer zu bearbeiten. Da Oberflächenbeschichtungen meistens die Passung der Lager verändern, müsste man diese bei der Herstellung der Lagersitze bereits berücksichtigen. Ich werde berichten, worauf die Wahl schlussendlich gefallen ist.

Riemenspanner

Auch bei der Spannvorrichtung für den Riemen gibt es Neuerungen. Anstatt einem Kugellager mit Arm und Stellschraube wird nun die Spindelklemmung als Exzenterspanner verwendet. Die Spindelaufnahme wird dadurch ein wenig komplexer, sollte aber dank eigener Drehbank samt Planscheibe kein Problem mehr darstellen. Der Exzenter beträgt 5 mm, wodurch der Riemen effektiv um 10 mm gespannt werden kann. Durch insgesamt 10 Gewindebohrungen zur Befestigung ist sichergestellt, dass immer je Langloch zwei Schrauben eingeschraubt werden können.  Die Ausrichtung des Antriebsgehäuses ist in alle vier Richtungen möglich, was eine individuelle Anpassung an den vorhandene Bauraum zulässt.

Sensorik

Trotz der nun deutlich kompakteren Bauweise werden noch Lagesensoren für die Ausdrückstange Platz finden. Damit sollen die Zustände “Leer”, “Voll” sowie “Offen” überprüft werden.

Aufgrund der beengten Platzverhältnisse werden wir vermutlich Sensoren in Baugröße M5 oder M6 verwenden. Der Mehrpreis ist nicht so hoch wie gedacht und die möglichen Lagezustände der Ausdrückstange definiert genug für solch einen kleinen Sensor. Typisch liegt der Schaltabstand hier unter 2mm. Wo genau die Sensoren untergebracht werden ist noch nicht final entschieden.

Dieser Beitrag soll auch den Entwicklungsprozess darstellen. Daher werden Änderungen unten am Beitrag angehangen, d.h. für den aktuellen Stand ganz runter scrollen.

Konzept

• Antrieb
  • Über externen 3 bis 4KW Servomotor
  • Eventuell zunächst Antrieb über vorhandene 2.2kW Frässpindel
  • Als Direktantrieb oder über Zahnriemen
• Spindel
  • Vierfach gelagert Update: Dreifach gelagert, Kostengründe und geringe Kräfte
  • Evtl. Sperrluft
• Werkzeugwechsel
  • Aufnahmen/Kegelgröße SK30 nach DIN 69871 / Zugbolzen nach DIN 69872
  • Spannung über Feder, Spannkraft ~ 1300N
  • Pneumatischer Werkzeugwechsel über doppelwirkenden Zylinder
  • (Pneumatische Kegelreinigung)
• Überwachung
  • Werkzeugwechsel überwacht über Endlagen der Einzugstange (Kegel “Leer” und “Voll”)
  • Positionsüberwachung des Ausdrückzylinders
  • Temperaturüberwachung der beiden unteren Spindellager
  • Stillstandsüberwachung (Eventuell über Frequenzumrichter / Sicherer Halt)

Aufbau

Erster Entwurf:

• Blau: Grundkörper
• Grün: Hauptspindel
• Gelb: Riemenkasten

Gegen das eindringen von Staub und anderem Schmutz gibt es eine einfache Labyrinthdichtung mit etwa 0,1mm Spaltmaß. Über Sperrluft denken wir noch nach. Hierbei sorgt ein leichter Überdruck im inneren der Spindel für noch mehr Schutz gegen das Eindringen von Staub.

Lagerung

Als Lager kommen insgesamt 3 Hochgeschwindigkeits-Spindellager Bauform 71910/71909 in Präzisionsklasse P4A von FAG/SKF zum Einsatz.

Antrieb

Für den Antrieb gibt es momentan noch 3 verschiedene Ansätze.

1. Verwendung der vorhandenen 2,2KW HF Spindel, welche über einen Riemenantrieb mit Untersetzung die Spindel antreibt
2. Einbau eines 3 bis 4KW starken Servomotors, gekoppelt ebenfalls durch einen untersetzten Riemenantrieb
3. Einbau des Servos mit Direktantrieb aber dafür über ein Getriebe

Bei Lösung 1 und 2 ist die Geschwindigkeit hauptsächlich durch den Riemen beschränkt. Im Hochgeschwindigkeitsbereich sind das etwa 50m/s Umlaufgeschwindigkeit.

Lösung 3 muss dafür um ein Ölbad erweitert werden, damit das Getriebe nicht übermäßig verschleißt.

Lösungen 2 und 3 haben den großen Vorteil von Positioniergenauigkeit sowie einer elektrischen Bremse. Somit sind indizierte Werkzeuge für z.B. Sonderanwendungen (Einwechselbares Tangentialmesser) oder sogar Gewindeschneiden möglich. Letzteres hängt allerdings auch am Drehmoment des Motors im unteren Drezhalbereich.

Zwischenstand Juli 2016:

Die Anzahl der Lager wurde von Anfangs vier auf jetzt drei reduziert. Die obere Lagerstelle hat eher stützende Wirkung, daher ist hier ein Lager völlig ausreichend um alle Kräfte aufzunehmen. Positiver Nebeneffekt ist das Einsparen eines Präzisionslagers, welche alles andere als günstig sind.

Für die ersten Tests wird die vorhandene Spindel adaptiert und die Verbindung über HTD-Zahnriemen ausgeführt. Bei Drehzahlen bis knapp 18.000 U/min kommen die Riemen an ihre Grenzen. Hier sollten Umlaufgeschwindigkeiten von über 50 m/s vermieden werden oder es kommt zu frühzeitigem Verschleiß und starker Geräuschbildung.

Hier noch ein paar neue Bilder vom aktuellen (aber noch nicht finalen) Stand:

Zwischenstand August 2016

Bei beiden Lagern kommt die UL-Version zum Einsatz, d.h. Universallager, leicht vorgespannt. Diese können direkt gegeneinander montiert werden und haben dann eine definierte Vorspannung. Um im unteren Lagerbereich etwas mehr Steifigkeit zu bekommen habe ich mich für Distanzhülsen entschieden. Diese werden später gemeinsam überschliffen, damit sie ein identisches Höhenmaß erhalten um die Vorspannung der Lager nicht zu verändern.

Außerdem wurde der Wechsler insgesamt nochmal deutlich verkürzt um Gewicht und Einbauraum zu sparen.

Mit montiertem Antrieb (erstmal über die bereits vorhandene 2,2KW HF Spindel):

Das obere Lager wird mit Hilfe einer Wellfeder vorgespannt, wodurch eventuelle thermische Längenänderungen kompensiert werden können.

Die Riemenscheibe wird gemeinsam mit einem Reduzierstück auf das obere Wellenende aufgeschraubt. Konstruktiv ist das nicht die schönste Lösung, aber Fertigungstechnisch einfach herzustellen.

Auf der Vorderseite befinden sich jetzt zusätzlich noch zwei Bohrungen in Höhe der Lagersitze. In diese werden Temperatursensoren montiert, welche eine Überwachung der Lagertemperatur ermöglichen. Auf eine Kühlung der Lager wird bewusst verzichtet, da bei korrekter Vorspannung und Einbau der Lager keine starke Reibung und somit Temperaturerhöhung auftreten darf. Ein Temperaturanstieg über eine gewisse Arbeitstemperatur (ca. 40°C werden erwartet) deutet auf ein Problem mit der Vorspannung der Lager oder der Schmierung hin. Generell ist es sehr wichtig den vom Hersteller angegebenen Einlaufzyklus einzuhalten. Dieser sorgt für eine gleichmäßige Fettverteilung im Lager wodurch stabile Betriebszustände erst ermöglicht werden.

Das Federpaket wurde auch nochmals überarbeitet. Die Verbauten Tellerfedern haben bei eingespannter Werkzeugaufnahme eine Einzugskraft von ca. 1300N. Zum erreichen der Auswurfposition (ca. 8mm Verfahrweg)  ist eine Kraft von ca. 2200N auf die Ausrückstange nötig. Der Pneumatikzylinder erreicht bei 6 bar Betriebsdruck eine Kraft von ca. 2650N.

Seitlich sind Gewinde angebracht, um den Halter für den Antriebsmotor zu montieren.

Auch über die Zustandsüberwachung haben wir uns Gedanken gemacht, damit Maschine und Werkzeugwechsler bei einem Fehler keinen Schaden nehmen. Hierfür werden zwei bis drei kleine induktive Näherungssensoren verbaut, welche die Position der Ausrückstange überwachen. Abgegriffen werden somit die Zustände

• “Leer”, d.h. kein Werkzeug eingezogen
• “Voll”, d.h. Werkzeug eingezogen
• Stillstand: Werden wir wahrscheinlich nach EN 60204 SS1 über den Frequenzumrichter ausführen. Alternativ ließe sich ein Hallsensor an der Spindel dafür verwenden.

Schema der Zustandsüberwachung: