D R U C K V E R S I O N

CNC-Fräsmaschine

Kleine Fräsmaschine für CNC-Steuerung umbauen

Da ich gerne "bastele" und auch am liebsten immer mal was neues mache, habe ich mir ein Projekt vorgenommen, das ich insgeheim schon immer mal machen wollte, CNC-Maschinen haben mich schon immer fasziniert. Der Hintergrund ist daß ich zuerst von 1975 bis 1977 Zerspanungsfacharbeiter gelernt habe bevor ich zur Bahn ging. In dieser Lehre und auch danach hatte ich schon mit NC-Maschinen zu tun, damals in der DDR noch im Anfang der CNC-Bearbeitung mit Kugel-Schrittschaltwerk.
Im Internet sind unter CNC-Fräse und Eigenbau fast nur Portalfräsen zu finden, daher möchte ich hier mal den Umbau meiner Konsolen-(Säulen-) Fräse zeigen.


Der Umbau:     Achs-Antriebe     Endschalter     Anzeige
Zusatzteile:     Kühlung     Drehzahl
sonstiges:     Spindel-Antrieb     Software
                        . . . und Fertig!


Das ist die Fräsmaschine Rotwerk EFM 200 DS, wie sie im Baumarkt steht.

   Fräse

Nennspannung    230 Volt~ / 50 Hz

Nennleistung    350 W

Arbeitstisch (L x B)    390 x 95 mm mit 3 T-Nuten 12 mm

max. Arbeitstischverstellung X-Achse     220 mm
max. Arbeitstischverstellung Y-Achse     100 mm

max. Höhenverstellung    180 mm
max. Neigungswinkel    -45° bis +45°

Drehzahlbereich I     stufenlos 150 - 1.100 min-1
Drehzahlbereich II    stufenlos 300 - 2.500 min-1

Zahnkranzbohrfutter    3 - 13 mm

max. Fingerfräserdurchmesser    16 mm
max. Stirnfräserdurchmesser     30 mm

Morskegel der Arbeitsspindel    MK 3

Gewicht    ca. 55 kg

Abmessung (B x H x T)    ca. 510 x 700 x 520 mm
    Wichtige Infos zur Maschine, bitte auch hier lesen!


 Diese Fräsmaschine habe ich vor allem deshalb ausgewählt, weil ich keine grössere in meinem kleinen Bastelkeller stellen kann. 

 Trotz ihrer geringen Größe hat diese Maschine eine sehr robuste Säule, was ich für äusserst wichtig halte um gute Arbeit damit zu vollbringen. Eine instabile Säule kann jedes Werkstück versauen. 

 In dieser Größe auch nicht immer üblich ist der Spindelkegel MK3. Die meisten kleinen und sogar grössere Maschinen haben hier nur MK2 drin.
Und um die Werkzeuge bei Bedarf auch an der Drehmaschine verwenden zu können, stand eine Fräse mit Steilkegel (SK) nicht zur Wahl. 




vorhandenes Zubehör:
- diverse Zwei- Drei- und Vierschneider Schaftfräser (auch bohrend) von 1 mm bis 20 mm, größere auch als Schruppfräser
- Spannzangenfutter MK3 ER25 mit Spannzangen 1 mm bis 16 mm
- Kombi-Aufsteckfräsdorn MK3 16mm
- 1 Walzenstirn-Schruppfräser und 1 Walzenstirn-Schlichtfräser 35 mm für Aufsteck-Fräsdorn
- Ausbohrkopf (Ausdrehkopf) MK3 30 mm mit passenden Stählen verschiedener Länge
- Stufen-Spannpratzen diverser Längen
- Maschinen-Schraubstock 80 mm und 140 mm
- Teilapparat 100 mm mit nachstellbarem Schneckengetriebe 90:1 und Dreibackenfutter, horizontal und vertikal aufspannbar
- Reitstock für Teilapparat
- Fühlhebel-Meßuhr mit Zentrikator
- Messuhr mit Magnetstativ
- Kantentaster
- Digitaler Meßschieber
- Gewindebohrer und Schneideisen von M3 bis M16 sowie 1/4 Zoll und 3/8 Zoll



Was ist geplant?

An allen Achsen soll die Handbedienung durch Schrittmotoren oder Servomotoren ersetzt werden, damit die Maschine vom Computer gesteuert werden kann. Dazu wird die Feineinstellung an der Säule (Z-Achse) und die Kurbeln an den Schlitten (X- und Y-Achse) abgebaut und motorisiert. Das Drehkreuz der Z-Achse kommt ganz weg.

Fräse



Wie man an diesem Bild sehen kann, bieten X- und genauso auch die Y-Achse der Maschine schon ideale Voraussetzungen um einen Antrieb aufzuflanschen. Handrad, Skalenring und das oben aufgenietete Zeigerschildchen kommen ab, und schon passt das. Bei der Z-Achse wird das schwieriger, aber "geht nich gibts nich".

Kurbel



Ich hatte nun auch noch das Glück, eine Maschine mit einfachen Antrieben (Schrittmotoren 1,82 Ampere) gebraucht zu bekommen, an allen 3 Achsen ein Motor mit Zahnriemenantrieb. Dazu die 3-Kanal Schrittmotorsteuerung SM33PCV3 von GWR-Elektronik sowie ein 24 Volt Netzteil.

Hardware



End- oder Referenzschalter, Anschluß für Kühlung und Spindelmotor etc. waren nicht vorhanden. Diese Funktionen habe ich mittels der 15 Kanal Optokopplerkarte KKS22-33 nachgerüstet, die auch die galvanische Entkopplung aller Ein- und Ausgänge des LPT-Ports vom PC realisiert.
Sinn dieser Aktion ist, zuerst die Maschine voll Funktionsfähig umzubauen und mit der alten Steuerung zu testen, dann erst eine neue und für die Motoren ausreichend leistungsstarke Steuerung in Betrieb zu nehmen. Wenn dann mit der neuen Steuerung Fehler auftreten, kann ich die Maschine als Fehlerquelle ausschließen. Die KKS22-33 kostet 29 Euronen, für diesen Zweck ist mir das nicht zuviel. (Zur neuen Steuerung später mehr)

Fräse01a  Fräse01b 

Auf den Bildern kann man erkennen, die Antriebseinheiten waren einfach vorn auf die Achsen aufgesetzt. Somit stehen der Y- und der Z-Antrieb .ca 15 Zentimeter in den Raum vor der Maschine, sprich in den Bereich, in dem ich mich bewege. Beulen vorprogrammiert, das muß geändert werden.


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Der Umbau:

Unbedingt erforderlich: eine Drehmaschine und eine Fräsmaschine, in diesem Fall ersatzweise ein Bohrständer mit Fräsmotor und Kreuztisch. Die Arbeit mit diesem Teil erfordert sehr viel Geduld, da die Rundsäule des Bohrständers keine sehr stabile Führung darstellt. Teilweise wurden die Teile auch auf der CNC-Fräse mit noch den alten Antrieben hergestellt, was natürlich ohne Endschalter und mit noch wenig Kenntnissen vom CNC-Bearbeiten nicht so einfach ist. Noch recht mühsam habe ich mir die Programmzeilen für die Bearbeitung zusammengeschustert, und es hat funktioniert.

Drehe00  Fräse00




Antriebe:

Die alten Motoren sind sehr laut und bei kleinem Vorschub bebt da schon mal die ganze Maschine. Also habe ich mir zuerst einmal bei eBay neue Schrittmotoren Sanyo Denki 103-H7126_1740 (4 Ampere) besorgt, die laufen doch schon viel ruhiger. Natürlich bekommen die neuen Motore auch neue Zahnriemen und neue Riemenräder, die ich bei Conrad-Electronic gekauft habe. Bei Conrad gibt es auch gleich alle benötigten Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben, Federringe etc. sowie diverse elektronische Bauteile für die neue (40 Volt, 5 Ampere) Steuerung der Maschine.


Y-Achse:   Der Antrieb für die Y-Achse ist etwas breiter geworden...

Der X-Schlitten ist übrigens nicht krumm. Das ist ein Fehler den mein Billigheimer-Digitalfotoknipser verursacht.
Y-01

...aber dafür steht der Motor nun neben der Maschine nach hinten weg. Das ganze ist nach vorne kürzer als das Handrad mit Kurbel.

Y-02
Der X-Schlitten ist übrigens nicht krumm. Das ist ein Fehler den mein Billigheimer-Digitalfotoknipser verursacht.

Dazugekommen ist eine Riemenspannrolle. Diese besteht einfach aus 3 Kugellagern, die auf einer in einer Nut verstellbaren Achse sitzen (hab die Kugellager für die Bilder extra noch geputzt).
Die Achse hat einen Durchmesser von 6mm (Innen-Durchmesser der Kugellager). Sie ist aus Stahl, soll sich ja nicht verbiegen. Von oben drückt eine Madenschraube im Motorträger radial auf die Achse, womit der Riemen nun gespannt werden kann.
Wer es ganz schick machen möchte, der fertigt sich jetzt auf der Drehbank noch eine Hülse aus Kunstoff, die außen straff auf die Kugellager geschoben wird.

Riemenspannrolle

Alle Kugellager, Axialkugellager und alles Alu-Rohmaterial hab ich super günstig bei eBay gekauft.



Hier mal eine meiner - zugegeben nicht sehr professionellen - aber trotzdem hilfreichen Konstruktionszeichnungen für den Y-Antrieb.
Der Motorträger (grün) dient mit den Langlöchern dem Vorspannen des Zahnriemens. Die genaue Spannung wird mit der Riemenspannrolle eingestellt. Dieses Prinzip zum spannen wird Funktionsgleich auch bei den beiden anderen Antrieben verwendet.

Y-03

Das ganze ist so aufgebaut, daß der Gesamtantrieb (Motor + Zahnriemenantrieb + Verkleidung) so klein wie möglich wird. Je näher ich später an die Maschine komme (etwa beim einrichten), desto besser läßt es sich arbeiten. Ich finde die vorn direkt angeflanschten Motoren, die man sehr oft sieht, völlig daneben.
Die Stärke der verwendeten Platten richtet sich also nach der Länge der Motorachse und der Dicke des Zahnriemenrades. Das muß man sich vorher ausrechenen. Die Achse des Schrittmotors sollte nicht aus dem Zahriemenrad herausstehen, damit die Verkleidung (das Gehäuse) so nah wie möglich daran gebaut werden kann.



X-Achse:   Der Antrieb für die X-Achse hat nur den neuen Motor, Riemenräder, Riemen und dazu die Riemenspannrolle bekommen. Sonst wurde er nur marginal verändert, da er an der rechten Seite der Maschine nicht weiter stört.

X-01

Die Riemenspannrolle sitzt hier unterhalb des Riemens und ist daher auf dem Foto nicht zu sehen.


Z-Achse:   Die Verlängerungsachse nach vorne zur ehemaligen Feineinstellung für die Z-Achse wurde entfernt, und der Antrieb jetzt direkt an das Schneckengetriebe geflanscht. Dazu habe ich das Gehäuse des Schneckengetriebes (schwarz) mit einem gleich dem Gehäuse gefrästen Alublock um 16mm nach rechts versetzt, damit das Riemenrad genug platz hat.
Die Welle von der Maschine zum Schneckenzahnrad gibt das von der Länge her, ich mußte nur eine Messingbuchse als Abstandhalter zum Fräskopf im Schneckengetriebe aufsetzen.
Auch dieser Antrieb wurde mit einer Riemenspannrolle ausgerüstet.

Z-01

In allen Antrieben habe ich z.Zt. 12 Zähne auf der Motorachse und 30 Zähne auf der Spindel, Übersetzung also 1:2,5 im Moment. Damit ich die Maschine im Eilgang schneller fahren kann, werde ich wenn die stärkere Steuerung fertig ist, die Motoren von X-Achse und Y-Achse mit 15 (1:2) oder 20 (1:1,5) Zähnen bestücken. Genaues bleibt noch zu testen

Z-02

Wie man hier sehen kann, habe ich die Maschine auch gleich mit einem NOT-STOP-Schlagschalter versehen, der sowohl den Spindelmotor als auch die Schrittmotoren und die Kühlung abschaltet. Diese Funktionen werden von der Zusatzkarte KKS22-33 geschaltet. Wie das dann mit der neuen Steuerung und der Relaiskarte RK2V7 geht wird in CNC-Steuerung beschrieben. Zur Kühlung später mehr.


 ACHTUNG: Der NOT-STOP darf an keiner Maschine fehlen!  Das ist einfach mal eine Sache der Sicherheit!  


Anbau der Endschalter:

Da in der Höhe an den Schlitten sehr wenig Platz ist, habe ich die Endschalter waagerecht eingebaut. Dazu benutze ich Endschalter, die auf dem Kontaktstößel noch einen Hebel liegen haben.

E-0

Die Endschalter sind auf einen Träger aus Alu (Grau) aufgeschraubt, um Abstand vom Schlitten der Fräse zu bekommen.

Das Prinzip ist an allen 3 Achsen Gleich, gegenüber den Endschaltern werden Rollen angebaut, die den Hebel des Endschalters (Blau) niederdrücken sollen.
Auf dem Bild zu sehen, der linke Endschalter ist gedrückt, der rechte nicht.

Klick

Mit der Verschraubung des Endschalterträgers in Langnuten kann der Verfahrweg sehr genau auf die maximale Länge eingestellt werden.
Je nach Lage der Endschalter reicht evtl. auch eine Rolle, um beide Endschalter zu betätigen.

E-2

Links ist die obere Rolle an der Z-Achse gut zu sehen, rechts ein Endschalter auf dem Alu-Träger.

Wie die Endschalter angeschlossen werden, wird in den Schaltbildern der CNC-Steuerung dargestellt.



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Abdeckung und Schutz von Endschaltern und Kabeln:

Die Endschalter hinten am X-Schlitten samt den Schaltrollen und die Kabel werden von einem Kanal abgedeckt, den ich aus Alu-Winkelprofilen und Plastik hergestellt habe.

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Das ganze nochmal aus einem anderen Blickwinkel, die Maschine noch ohne die Gummibälge, die anschließend an das ganze angepaßt werden müssen. Die Alu-Bleche decken den gesamten hinteren Teil des Y-Antriebs sowie Y-Endschalter mit Schaltrollen und die Kabelführungen ab.

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Von weiter vorne gesehen. Das obere Alu-Blech ist vorne am Antrieb befestigt, das darunter ist fest am Y-Schlitten montiert und wird mit dessen Bewegung mitgeführt.
Die weiter hinten zu sehende grüne Abdeckung ist ein halbierter Gartenschlauch, der das darunter liegende U-Profil mit den Kabeln abdeckt.

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Ganz von Vorn sieht das dann so aus:

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Da ich keine Abkantvorrichtung für die Bleche habe, sieht das ganze so richtig handgemacht aus. Wichtig ist aber die Funktion.

An den Abdeckungen habe ich lange gebastelt, da man immer wieder alles anpassen muß. Bei jedem neuen Teil war wieder ein anderes irgendwo im Weg und muß nochmal bearbeitet werden. Auch ist alles vom vorhandenen Platz sehr eng, über den seitlichen Alu-Abdeckungen ist grad mal noch etwa 1mm Platz bis zur X-Spindel darüber. Die gleichen Bleche dürfen auf keinen Fall zu weit nach hinten laufen, da sie dann dem mit dem X-Schlitten mitlaufenden Abdeckkanal im Weg sind, etc. etc. Aber mit "Geduld und Spucke" wird es dann irgendwann.

Jetzt kommen noch die Gummi-Bälge dran, etwas höher als im Original.

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Und wieder von vorne:

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Nicht zuletzt bekam noch der Z-Antrieb eine Verkleidung die die Drehzahlanzeige mit einschließt

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Anzeige- und Bedienfeld an der Maschine mit Bereit-Taster


Anzeige   Front

Hier sind alle Meldeleuchten wie im rechten Bild zu sehen sowie der Bereit-Taster untergebracht.
Baubeschreibung hier


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Kühlung mittels Luft

Für eine Minimalmengen-Kühl(schmier)ung ist mein wirklich kleiner Kompressor mit 20 Liter Behälter unterdimensioniert. Das würde nur für 1 - 2 Minuten funktionieren. Also muß eine andere Lösung her. Kühlung mittels Luft


Es soll etwas Luft an den Tatort geblasen werden, nur um die Späne zu entfernen. Das sorgt für einen sauberen Fräsgrund für den Fräser, und eine Kühlung mit Luft ist immer noch besser als gar keine Kühlung.

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Mit einem Spiralschlauch kommt die Luft. Durch ein Druckminderventil kann die sehr geringe Luftmenge eingestellt werden. An den Druckminderer wird ein Magnetventil angeschlossen, das von Relais 2 der Steuerung geschaltet wird.

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Dann wird die Luft mittels flexiblem Rohr auf die Spitze des Fräsers gerichtet. Keine große Sache, FERTIG.


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Fertig!

Und hier noch mal eine Gesamtansicht der jetzt fertigen Maschine

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Hier nochmal der Hinweis: Es ist nichts krumm oder schief an und um die Maschine. Dieser Fehler kommt von meinem Billigheimer-Fotoknipser.


Hier sieht man die Fräse mit leuchtstarker  Arbeitslampe mit LEDs.

Wie man einen unkonventionellen Werkzeugtaster baut.

Die Maschine hat einen neuen  Spindel-Antrieb mit Zahnriemen bekommen, läuft nun leiser und genauer als vorher.

Die Maschine hat eine neue  CNC-Steuerung mit 4A passend zu den Schritt-Motoren bekommen, die Schlitten laufen nun schneller und kräftiger als vorher.

Die Maschine hat eine  Drehzahl-Anzeige bekommen.


Optimierung der Umgebung:

So zwischendurch hab ich mal ein neues Regalsystem um die Maschine gebaut.
Ganz oben der Computer, direkt über der Maschine die Steurung. Rechts dann Monitor, drunter die Tastatur und Maus.

regal


Verbesserung der Maschine:

Was ich mache, um die nicht sehr genauen X- und Y-Schlittenführungen zu verbessern (siehe hier), ist noch nicht klar. Vielleicht muß ich nur präzisere Spannkeile herstellen.
Sollte das nicht helfen, müssen die Führungen nachbearbeitet werden, weiß ich aber noch nicht wer/wo sowas machen kann.
Auf jeden Fall werde ich später noch die klapprigen Bronze-Spindelmuttern gegen zwei gegeneinander verspannte Kunststoff-Muttern tauschen um das Umkehrspiel zu minimieren. Bronze-Muttern sind auch nur bedingt für die höheren (CNC-) Drehzahlen geeignet.
Die Trapezgewindespindeln bleiben drin, da sie meinen Ansprüchen durchaus genügen.





Es folgt später ...

Teilapparat   Umbau vierte Achse (Teilapparat, auch Rundtisch genannt) auf Schrittmotorantrieb



Übrigens...

Als Software benutze ich vorerst die Testversion Mach3 mit der deutschen Fräs-Oberfläche von Christoph Selig.

Ich habe viele Programme durchgetestet, aber diese Kombination gefällt mir echt am besten. Mach3 ist ein CNC-Programm, daß keine Wünsche offen läßt. Die Selig-Oberfläche beschränkt sich auf das für den Heimwerker wesentliche, dabei fehlt aber nichts wichtiges. Sehr übersichtlich und gut zu handhaben. Ganz prima der manuelle Bildschirm, auf dem Lochkreis und Lochreihe, Kreistasche und Rechtecktasche und noch mehr schon vordefiniert sind. Zudem gibt es ein ebenfalls deutsches Handbuch dazu. Seht euch die Sache einfach mal an, ich kann es wärmstens empfehlen.
Achja, wichtig: die Motoren laufen im Zusammenspiel Mach3 und Selig ruhig und ohne Schrittverluste.

Hier der Automatik-Screen:
Y-01


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CNC-Fräsmaschine

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