Im Vergleich zum deutlich gealteten Mach3 ist die verfügbare Hilfe im Netz jedoch noch etwas eingeschränkt. Da wären nebem dem Hersteller-Support zunächst einmal die offiziellen Quellen…

• Anleitung in Deutsch
• Script-Leitfaden in Deutsch
• Support-System von CsLab
• CsLab Forum

Hier und da finden sich darüber hinaus in bekannten CNC Foren der ein oder andere hilfreiche Post oder mal ein Macro.

Unser eigenes Repository

Seit einigen Monaten teilen wir unsere Erfahrungen und Beispielscripte nun auf einer eigenen Unterseite. Um die Reichweite zu erhöhen haben wir uns für Englisch entschieden, möglicherweise wird es in der Zukunft aber auch eine Übersetzung ins Deutsche geben.

Die bisherige Resonanz war durchweg positiv und so werden wir an dieser Stelle gerne weiter machen.

Überblick der bisherigen Themen

Neben vielen Grundlagen zu Macros und dem Anpassen der Bedienoberfläche gibt es auch ein paar kleine Tutorials bzw. HowTos. Kleiner Auszug daraus…

1. Bau einer Statuszeile inklusive blinkenden Warnanzeigen – mehr hier

2. Softlimits über Button schalten (im Original ist das eine Checkbox) – mehr hier

3. M6 Werkzeugwechsel Macro – mehr hier

4. Werkzeugmanagement mit getrennten IDs für Werkzeuge und deren Position im Magazin – mehr hier

Uns war schon länger klar, dass wir das Thema Absaugung noch mal aufgreifen mussten. Seit dem Umstieg auf die HSD Spindel war unser altes Absaugkonzept hinfällig geworden. Einmal wegen der Maße, und zum Anderen wegen dem automatischen Werkzeugwechsel.

Unser Ansatz für einen simplen automatischen Absaugschuh…

Material

Hier eine kurze Auflistung des Materials. Hinzu kommen noch diverses Kleinzeug wie Schrauben und Klebstoff.

Die Konstruktion

An sich recht simpel. Die „neue“ HSD Spindel mit der langen Nase ist bietet ca. 100mm Weg für einen Absaugschuh, den wollten wir durch einen niedrigen Aufbau möglichst nutzbar machen. Theoretisch lässt sich der Absaugschuh auch unter die Spindelnase verfahren, die zusätzliche Abstützung durch die Spindel wollten wir jedoch nutzen.

Für die Führung kommen Igus Drylin® Lager und Schienen zum Einsatz. Diese sind wartungsfrei und Staub/Späne können sich nicht am Schmiermittel verfangen, da es schlichtweg keins gibt.

Hier noch mal die Hebevorrichtung im Detail. Orange Bauteile sind aktuell aus 20mm PMMA hergestellt. Technisch sind mit dieser Bauart zwei Betriebsarten möglich: Heben und Senken mit Druck auf feste Positionen oder Heben mit Druck und frei schwebend.

Herstellung

Damit der Absaugschuh das Geschehen nicht vollständig verdeckt besteht die Basisplatte aus 20mm PMMA (Plexiglas). Mit etwas Geduld lässt sich das Material recht gut mit unserem 80W CO2 Laser bearbeiten… Natrülich sind die Schnittkanten nicht glänzend poliert wie bei der Bearbeitung von Material bis zu 10mm, für diesen Anwendugszweck war das jedoch egal.

Auch die Halterung der Konstrktion haben wir zunächst aus Plexiglas hergestellt. Einerseits als Prototyp, andererseits als Kraftbegrenzung. Sollte sich das Absaugschuh verhaken sorgt das Bauteil für eine einfach zu erneuernde Sollbruchstelle. Später werden wir das Teil wohl noch mal aus Aluminium herstellen.

Hier die erste Anprobe. Das Gewinde für den Pneumatikzylinder haben wir direkt ins Plexiglas geschnitten. Auf dem Foto erkennt man noch einen kräftigen Ausrichtungsfehler durch den verlaufenen Laserschnitt. Mit etwas Schleifpapier konnte das jedoch einfach korrigiert werden.

Drossel vs. Druckminderer

Einen extra Druckminderer für den Absaugschu wollten wir uns sparen und somit nutzen die vollen 6 bar Betriebsdruck der Maschine. Bei 16mm Kolbendurchmesser wird eine Kraft von ca. 120 Nm bzw. 12 Kg erreicht, was für diesen Zweck gleichzeitig ausreichend aber und nicht exzessiv zu viel ist.

Nich ideal ist jedoch die Verfahrgeschwindigkeit – der Zylinder stempelt ordentlich in die Endlagen. Abhilfe schafft hier eine Zuluftdrossel auf beiden Anschlusseiten des doppeltwirkenden Zylinders.

Bürstenleiste

Die mit viel Vorsicht eingebrachten Gewinde entlang der Kontur kamen doch nicht zum Einsatz. Unsere erste Idee, die Bürstenleiste zu durchbohren und anzuschrauben, mussten wir leider wieder verwerfen. Am Ende haben wir beides mit Klebstoff (Acrifix Acrylglaskleber) zusammengefügt, soweit scheint es zu halten.

Montage und Test

Passt wie angegossen! Durch die Verstellung des Mitnehmers lässt sich die maximale Tiefe einstellen. Der obere Anschlag ist durch die Maschine definiert. Damit wir den maximalen Verfahrweg erreichen können muss die Z-Bodenplatte noch umgearbeitet werden.

Viellcht hat der ein oder andere ihn bemerkt und sich gefragt, was es mit dem Spiegel an der Maschine auf sich hat?! Dieser ist noch von der aktuell laufenden Vermessung des Steigungsfehlers montiert… Hierzu demnächst in einem gesonderten Artikel mehr.

Und am Ende natürlich noch ein Video
Mit der Zuluftdrossel lässt sich die Verfahrgeschwindigkeit sehr fein einstellen.

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.

Das bringt zwar in unserem Fall kein Plus an Leistung, macht uns das Leben beim automatischen Werkzeugwechsel bzw. einem zukünftigen Magazin jedoch deutlich einfacher.

Modellvergleich

Was sind denn nun die Unterschiede bei den beiden doch sehr ähnlich Spindeln?

Die 900er Baureihe besitzt ein identisches Montageraster (Zwei 10 mm T-Nuten auf der Rückseite) und kann bei uns problemlos ersetzt werden. Auch der Durchmesser des oberen Rings ist identisch.

Etwas Arbeit steht uns beim Stecker bevor – die Pinbegelgung hat sich geändert und er Lüfter arbeitet nun mit 24 anstatt 220V.

Pneumatisch gibt es auch einen kleinen Unterschied – Bei der E950 muss der Ausdrückkolben pneumatisch eingefahren und während der Bearbeitung in der oberen Position gehalten werden. Das ist jedoch nicht weiter tragisch, da wir eine 5/2 Wege Ventilinsel einsetzen und nur einen Blindstopfen entfernen müssen.

Fotos!

Und wer sich schon immer gefragt hat, was die Tasten auf der Front bedeuten: Bei den E-Modellen der 900er Baureihe könen einige Funktionen programmiert werden.

• Anlernen der Lagesensoren für den WZ Wechsel
• Vorhandensein Lüfter anlernen
• Vorhandensein Temperatursensor Lager anlernen
• Vorhandensein eines Encoders anlernen

Abgesehen davon zeigt die Spindel ihren Betriebszustand über die 4 LEDs an. Sieht gleich nochmal viel cooler aus

Einbau

Ruck Zuck ist die neue Spindel an ihrem Platz. Insgesamt baut das Gehäuse ein wenig höher, was jedoch mit den vorhandenen Platzverhätlnissen noch gut funktioniert.

Mit 25 Kg ist die Spindel kein Leichtgewicht und am besten mit einem Hilfsmittel einzusetzen.

Eine neue Spindelabdeckung in Form eines VA Blechs steht schon länger auf der Wunschliste und wird demnächst angegangen.

Verkabelung

Leider hat die neue Spindel auch einen neneun Stecker bekommen. Plug & Play ist also leider nicht. Eine der größten Änderungen ist wohl der Lüfter, welcher nun anstatt 240 mit nur noch 24 Volt läuft. Da sich allerdings auch das Layout des Steckers geändert hat (Codierung), kann weiter nichts passieren.

So heißt es also wieder: Stecker löten! Nachdem wir beim ersten Mal etwas Erfahrung sammeln konnten sollte die Verkabelung jetzt deutlich schneller von der Hand gehen.

Mehr Details in diesem separaten Artikel.

Bonus

Auf dem Weg haben wir dann auch gleich noch die Anschlussbox der Z-Achs-Antriebe überarbeitet. Diese war bisher doppelt so groß und nicht sonderlich schön verarbeitet.

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.

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 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.

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: