CNC-Steuerung für die Portal-Fräse

Erweiterte Steuerung mit SM33PCV7 & RK2V7 / RK3SN für die Portalfräse

Ich bin mit der vorhandenen Steuerung aus verschiedenen Gründen garnicht zufrieden. Deshalb wird eine neue Steuerung mit Steuerkarte SM33PCV7 gebaut. Der Aufbau einer Grundplatte wird so gestaltet, daß die Steuerung unten in die Portalfräse eingeschoben werden kann. Daran werden einige Extras wie LEDs für die Fahraktivitäten der Achsen, die Endschalter, Werkzeugtaster, Spindel, Kühlung und Not-Stop angebaut. Das Bedienteil mit den LEDs wird direkt vorn an der Fräse angebaut und bekommt noch ein Handrad mit Funktionstasten für etwa Achsenauswahl etc. und Drehgeber für Vorschub und Spindeldrehzahl.

Da man ja nie weiß was kommt, werden alle erforderlichen Komponenten (außer Steuerkarte) nicht nur für 3 sondern gleich für 4 Achsen gebaut. Wie daran die Steuerung für die 4. Achse aufgabaut wird, wird später hier beschrieben.

Zusätzlich zum NOT-STOP-Schalter mit 3-fach-Sicherheit bekommt die Steuerung noch einen Spindel-Sicher-Schalter (SSS).

Der Aufbau: Schaltbild Not-Stop & SSS Anzeige Netzteil Kühlung Grundplatte Handrad
Fehlersuche und Tips

Eine weitere, im eigenen Gehäuse gebaute Steuerung mit SM33PCV7 ist im Abschnitt CNC-Konsolfräse zu finden.

Was ist geplant?

Da die Portalfräse unter dem Frästisch leer ist, soll die Steuerung hier ihren Platz finden und nicht irgendwo außerhalb der Fräse Platz wegnehmen. Dabei ist zu beachten, daß bei mir die Höhe der Steuerung 65mm nicht übersteigen darf.

Ich habe mich für eine Steuerung von GWR-Elektronik entschieden, SM33PCV7 mit 3 Kanälen für 4 Ampere pro Motor, galvanisch entkoppelt vom LPT-Port, automatische Stromabsenkung bei Motorstillstand, 3 x Enschalter- und Not-Aus- und Werkzeugtaster-Anschluss ebenfalls galvanisch entkoppelt vorhanden. Dazu die passende Relaiskarte RK3SN (Eigenbau) für Spindel und Kühlung schalten, ebenfalls galvanisch entkoppelt.

Zur Spannungsversorgung ein Ringkerntransformator mit sekundär 30 Volt und 6 Ampere für Motorspannung, 2 x 15 Volt und 1,5 Ampere für die Steuerspannungen. Gleichrichter KBPC1010 sowie 3 Eigenbau-Netzteile die 5 Volt Steuerspannung (Motorlogik) + 12 Volt Steuerspannung (Eingangslogik) + 42 Volt Motorspannung bereitstellen.

An der Maschine wird ein Pult für Anzeige und Bedieung angebaut. Hier werden die Funktionen Power, Fahren Richtung X-Y-Z, Endschalter X-Y-Z, Spindel Ein, Kühlung Ein, Werkzeuglängensensor und Notstop betätigt mit LEDs angezeigt. Auch der Bereit-Taster findet hier seinen Platz.
Die Fahren-Anzeige wird je Achse mit zwei LEDs realisiert, die je nach Richtung leuchten (alternative Fahr-Anzeige).

Der Not-Stop wird gut erreichbar in das Pult an der Maschine eingebaut.

WICHTIG: Die Steuerung wird in 2 Bereiche unterteilt, einer enthält das Netzteil und ALLE Netzspannung führenden Teile, der andere die Steuerung. Unterteilt wird mit einer Aluminium-Platte, die an PE (Schutzleiter) angeschlossen ist.

Die Relais zum Schalten von Spindelmotor und Kühlung werden von der Relaiskarte entfernt und im Netzteilbereich direkt unter die Anschluß-Steckdosen gebaut. Dadurch befinden sich keine Netzspannnung führenden Kabel zwischen der Steuerungselektronik.

Netzspannung ist Lebensgefährlich! Man sieht immer wieder Steuerungen selbst professioneller Hersteller, in denen die Relais mit den 230V-Kabeln auf der Steuerungsseite eingebaut sind oder die Steuerung garnicht vom Netzteil getrennt ist. Das ist purer Leichtsinn und unverantwortlich.
Auf der Steuerungsseite des Gerätes sind Netzspannungsführende Teile absolut fehl am Platz.

Am besten ist jedoch, die Steuerung erst mal ohne den ganzen zusätzlichen Kram aufzubauen. Dann die Inbetriebnahme laut Anleitung durchführen und erst danach Schritt für Schritt die Erweiterungen vornehmen. Wenn etwas nicht funktioniert, bitte ganz unten den Abschnitt "Fehlersuche" beachten.

Da mir Beschreibung und Zeichnungen zur SM33PCV3 etwas konfus erscheinen, erlaube ich mir an dieser Stelle mal einige Hilfen bereitzustellen:

Beschaltung original - SM33PCV7 + RK2V7 + SMN4515V1
Jumper + LEDs + Messpunkte - SM33PCV7

Hier schon mal eine Ansicht der im Bau befindlichen Steuerung.

Rechts die Netzteil-Abteilung, in der Mitte die modifizierte Steuerkarte mit darunter der ebenfalls modifizierten RK2V7 mit einem 3. Relais für Kühlung 2. Als nächstes folgt der Ausbau der Relaisplatine mit dem SSS, die Relais werden noch verlagert (Pfeil) Links davon ist die Test-Platine für die neue Anzeige-Ansteuerung zu sehen..
Das an der Linken (Front-)Seite zu sehende Gehäuse ist die Basis für das Handrad- und Bedienpult.

Schaltbild

Gesamtaufbau der Steuerung

Dieser Gesamtaufbau soll als Anregung dienen, das ganze wäre so oder ähnlich auch mit einer anderen Steuerung - beispielsweise 3D-Step - möglich.

! Variante 1 - Umbau RK2V7

Aber zuerst das Schaltbild für meine Steuerung mit Relaisplatine ohne Modifikationen:
Beschaltung SM33PCV7 + RK2V7
Ist die Steuerung so aufgebaut, sollte die Inbetriebnahme laut Anleitung des Herstellers vorgenommen werden.
Wenn nach einem Test alles Ordnungsgemäß funktioniert, kann die nächste Ausbaustufe gestartet werden.

Die Relais werden jetzt von der RK2V7 in den Netzteilbereich verlagert.

Erste Ausbaustufe, Schaltbild für die Steuerung mit modifizierter RK2V7 (Not-Stop-Schalter und Spindel-Sicher-Schalter):
Beschaltung SM33PCV7 + RK2V7 modifiziert ohne LEDs
Wenn nach einem erneuten Test alles Ordnungsgemäß funktioniert, kann die letzte Ausbaustufe gestartet werden:
Beschaltung SM33PCV7 + RK2V7 modifiziert mit LEDs
Die Modifikation der SM33PCV7 sowie der Umbau der Relaisplatine RK2V7 und der Anzeige-Ansteuerung AAS wird weiter unten beschrieben.

! Variante 2 - Neubau RK3SN (Relais-Karte-3-Spindel-Sicher-Schalter-Not-Stop)

Mit einem Neubau der Relaisplatine (ich nenne sie RK3SN) kann auch das Relais für die zweite Kühlung einbezogen werden.

Aber zuerst das Schaltbild für die Steuerung ohne Relaisplatine und ohne Modifikationen:
Beschaltung SM33PCV7
Ist die Steuerung so aufgebaut, sollte die Inbetriebnahme laut Anleitung des Herstellers vorgenommen werden.
Wenn nach einem Test alles Ordnungsgemäß funktioniert, kann Ausgebaut werden.

Das komplette Schaltbild enthält auch die Vorbereitung für eine 4. Achse, die mit R bezeichnet wird. Die Achse R könnte später ein Tangentialmesser oder auch einen kleinen Rundtisch steuern.

Die blau und grün gezeichneten Anschlüsse XA von der SM33PCV7 werden nachgerüstet zur Ansteuerung der Anzeigetafel und zweiter Kühlung. Die grau gezeichneten Anschlüsse werden nachgerüstet zur Ansteuerung der 4. Achse - dazu später mehr.

Beschaltung SM33PCV7 + RK3SN:

Die Modifikation der SM33PCV7 sowie der Aufbau der Relaisplatine RK3SN und der Anzeige-Ansteuerung AAS wird im folgenden beschrieben.

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SM33PCV7 - Anschlüsse Erweitern

Die LEDs für Not-Stop und Endschalter werden direkt von X3 der SM33PCV7 abgenommen. Die Anschlüsse für die Werkzeugsensor-LED, die Achsen-LEDs, die zweite Kühlung und die Not-Stop-Modifikation müssen von der Platine selbst abgegriffen werden.

Die mit Buchstaben in einem Kreis gekennzeichneten Anschlüsse finden sich im Gesamtschaltbild und in den Schaltbildern der Anzeigeansteuerung und der Relaisplatine wieder.

Anmerkung: Das ist eine Prinzipzeichnung zur Veranschaulichung der Lage der Bauteile und der für die
Beschaltung wichtigen Verbindungen. Schwarz gezeichnete Leitungen sind vorhandene Leiterbahnen
der Steuerkarte, der wirkliche Leitungsverlauf ist aber auf der SM33PCV7 anders.

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Nachrüsten von Spindel-Not-Stop und Spindel-Sicher-Schalter

Die Signale für Spindelmotor (K1) und Kühlung (K2) werden von der Steuerkarte SM33PCV7 zur Relaiskarte RK2V7 nur durchgeschleift, also werden mit dem Not-Stop die Relais der RK2V7 und somit Spindelmotor und Kühlung NICHT direkt ausgeschaltet. Einige Software gibt den Not-Stop an Spindel und Kühlung weiter, schaltet diese also aus, andere aber nicht. Daher habe ich mich entschlossen, diese Sicherheits-Funktion nachzurüsten. Hier die
Erklärung NOT-STOP-Schalter

Im Fall, das die Software die Notstop-Funktione nicht übernimmt, könnte nach Rücknahme des Not-Stop-Schalters die Spindel ungewollt wieder anlaufen. Um dies auszuschließen, wird eine weitere Sicherheits-Funktion nachgerüstet. Hier die
Erklärung Spindel-Sicher-Schalter (SSS).

Die Funktion ist einfach: Die Relais-Signale werden über 2 AND-Gatter eines 74HC08 mit dem Not-Stop-Signal verknüpft. Somit können die Relais nur Einschalten wenn kein Not-Stop betätigt wurde bzw. schalten aus wenn Not-Stop betätigt wird.
Das Notstop-Signsl ist am Abnahmepunkt der SM33PCV7 schon optisch vom LPT-Port entkoppelt. Es kann direkt verwendet werden.

Zur optischen Kontrolle der Not-Stop Funktion habe ich noch eine weitere LED mit Vorwiderstand angebaut. Hier muß das Not-Stop-Signal nochmals mit dem 74HC14 invertiert werden. Als LED-Treiber benutze ich eine Darlington-Stufe des schon vorhandenen ULN2003.
Auch hier könnte man noch ein Relais schalten um etwa bei betätigen des Not-Stop eine Rundumleuchte zu aktivieren (blödes Beispiel, Overkill) !

Die LEDs Spindel und Kühlung leuchten bei eingeschalteter Funktion, wenn kein Not-Stop gedrückt ist. Die entsprechenden Relais schalten aber erst ein, wenn der SSS eingeschaltet ist. Der SSS wird auch vom Not-Stop ausgeschaltet.

Ablauf im Not-Stop-Fall:

1. Der Not-Stop wird gedrückt, sowohl durch den Not-Stop als auch durch den Spindel-Sicher-Schalter werden Spindel und Kühlung deaktiviert und abgeschaltet. Die Not-Stop-LED und die Spindel-Sicher-LED leuchten, Spindel-LED und Kühlung-LED sind aus.
2. Der Not-Stop wird wieder deaktiviert, Spindel und Kühlung werden eingeschaltet, die Not-Stop-LED ist aus. Der Spindel-Sicher-Schalter bleibt ausgeschaltet, wodurch Spindel und Kühlung deaktiviert bleiben. Die Spindel-Sicher-LED leuchtet weiter.
3. Anhand der nun leuchtenden LEDs für eingeschaltete Spindel und/oder Kühlung kann ich feststellen, welche davon ich nun auschalten muß. Das wird jetzt erledigt, die Spindel-LED und/oder Kühlung-LED sind nun aus.
4. Mit Spindel-Sicher-Taster 1 kann jetzt der Spindel-Sicher-Schalter wieder eingeschaltet werden. Die Spindel-Sicher-LED ist dann aus.

Dieser technische Ablauf ist völlig unabhängig davon, was die Software macht, außer die Software schaltet im Not-Stop-Fall selbsttätig die Spindel und /oder Kühlung aus. Dann leuchten natürlich beim Schritt 3 die LEDs dafür nicht mehr. Schritt 3 entfällt also.

! Variante 1 - Umbau RK2V7

Die Schaltung der Relais-Platine RK2V7 unmodifiziert

Die beiden Widerstände 3k3 werden entfernt. An dieser Stelle, zwischen a1 und a2 sowie zwischen b1 und b2 werden die Komponenten für die Not-Stop-Funktion angeschlossen.
Die Leitung zwischen c1 und c2 wird getrennt und der Not-Stop-Schalter eingefügt.

RK2V7 + Notstop

Man kann auch an den neuen Not-Stop-Anschluß (S) noch ein Relais (grau gezeichnet) anschließen, um z.B. eine Warnlampe zu schalten.

Die Funktion des neuen Not-Stop testen und dann . . .

wird der Spindel-Sicher-Schalter in die Leitung von c1 zum Not-Stop-Schalter gebastelt.

RK2V7 + Notstop + SSS

Eine Zeichnung verdeutlicht die an der Platine vorzunehmenden Änderungen

Und so sieht meine modifizierte RK2V7 aus. Die Relais wurden entfernt, sie finden direkt neben den Anschlußsteckdosen auf der Netzteilseite ihren Platz. Anstelle der Relais wurde die Platine durchgesägt und etwas Lochplatine für die Modifikation eingefügt (geklebt).

Auch wenn das nicht sehr professionell aussieht funktioniert es, man muß nur ordentlich arbeiten. Bisher hat noch keine meiner vielen Lochplatinen-Schaltungen den Dienst versagt.

Als Relais für den SSS eignet sich ein 5 Volt Signalrelais wie das NA5W-K (weiß), nicht größer als ein IC.

! Variante 2 - Neubau RK3SN (Relais-Karte-3-Spindel-Sicher-Schalter-Not-Stop)

Bei dieser Platine wird zusätzlich zum Not-Stop und SSS auch noch das zweite Relais für die Kühlung 2 (K3) einbezogen. Der Anschluß ist in der Steuerungs-Gesamtschaltung (Pin 16 - LPT1) und in der SM33PCV7-Modifikation (T an X5) dargestellt. Die Platine ist 116mm x 40mm groß.

Im Gegensatz zu den anderen LEDs leuchtet die SSS-LED wenn der SSS ausgeschaltet ist. Daher ist es angebracht, die LEDs auf dem Display nebeneinander zu plazieren. Man kann dann mit einem Blick den Zustand der Funktionen und des SSS erkennen.
Das Teil ist natürlich auch ohne Spindel-Sicher-Schalter verwendbar für Maschinen die diesen Schalter bereits haben.

Unterhalb des Schaltbildes RK3SN ist auch das Anschluss-Schema der dazu gehörenden Taster und LEDs vom Bedienfeld dargestellt. Die LEDs auf der Platine selbst können auch weggelassen werden.

Jumper 2 und Jumper 3 legen fest, ob die Kühlungen vom Spindel-Sicher-Schalter ausgeschaltet werden (A-B) oder eingeschaltet bleiben (B-C).

Schaltplan (oben) und Bestückung (unten) der Platine RK3SN mit Kühlung 2

Schaltplan und Bestückung der Platine RK3SN ohne Kühlung 2
Schaltplan und Bestückung der Platine RK3SN ohne Spindel-Sicher-Schalter

Die Platine:

Inzwischen ist die Platine in die Steuerung eingebaut. Funktioniert Prima, Die Arbeit hat sich gelohnt.

HINWEISE:

Die Vorwiderstände für die LEDs sind nur Richtwerte. Die Werte sollten sich nach der Helligkeit der LEDs richten. Eine Ultrahelle LED kann hier durchaus 520 Ohm oder mehr gebrauchen.

Die Dioden 1N4002 werden stehend eingelötet.

Für die 3 IC PC817 kann ein 16-poliger IC-Sockel eingelötet werden, Bohrungen dafür sind vorhanden.

Als Relais für die drei Kanäle empfehle ich die auch beim Original verwendeten JQX-115F. Diese ziehen schon bei 3 Volt sicher an.

Die mit R1 bis R3 bezeichneten Pull-Up Widerstände könnten von Fall zu Fall mit dem Wert von 22 Kilo Ohm zu klein sein. Sollte einer der Kanäle K1 bis K3 nicht schalten, muß der Spannungshub am Pin 3 des jeweiligen IC PC815 gemessen werden.
Liegt die Spannung bei eingeschaltetem Kanal unter 2.8 Volt, muß der dazugehörige Pull-Up Widerstand vergrößert werden. Ab 56 Kilo Ohm sollte das dann auf jeden Fall funktionieren.
Bei verschiedenen Tests reichte manchmal schon 10 Kilo Ohm, manchmal waren mindestens 47 Kilo Ohm nötig. Die Ursache hierfür blieb mir allerdings bisher verborgen.

ANMERKUNG: Die Pull-Up Widerstände sind eigentlich für die Schaltung nicht unbedingt notwendig, ziehen aber im Fall des Falles (die Leitungen K1 bis K3 kommen direkt vom LPT-Port) das Signal auf Null, schalten also den entsprechenden Kanal aus.
Am Kanal 4 (Not-Stop) ist das nicht notwendig, da der Pull-Up bereits auf der SM33PCV7 passiert, bevor wir das Signal abgreifen.

Die Herstellung der RK3SN kann mittels meiner Dateien erfolgen, die ich in einem Archiv zusammengestellt habe. Das Archiv enthält die Fräs- und Bohrdateien sowie alle Pläne:

Download der ZIP-Datei RK3SN.ZIP 470 kByte

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AAS - Aufbau der Anzeige Ansteuerung

Ich möchte je Achse 2 LEDs für die Richtungen (++ und --), die nur dann leuchten sollen, wenn die Achse in die entsprechende Richtung bewegt wird. Zu diesem Zweck wird das Richtungssignal einmal direkt und einmal invertiert mit dem Arbeitsstrom-Signal (Fahren) verknüpft.

Das Schaltbild ist für 4 Achsen angefertigt. Die vier Achsen zeigen durch die farbige Darstellung die 4 Verschiedenen Zustände dar, die jede Achs-Schaltung annehmen kann.
Anmerkung: Ich weiß, das TTL-Signale der in der Schaltung enthaltene Tabelle normalerweise mit Low und High dargestellt wird. Ich finde es aber so leichter zu verstehen.

Schaltplan (oben) und Bestückung (unten) der Platine AAS . . .

Bestückung der Platine AAS ohne 4. Achse

Die Platine ist 84mm x 75mm groß.

HINWEISE:

Die 180 Ohm für die Vorwiderstände für die LEDs sind nur Richtwerte. Die Werte sollten sich nach der Helligkeit der LEDs richten. Eine Ultrahelle LED kann hier durchaus 520 Ohm oder mehr gebrauchen.

Die Herstellung der AAS kann mittels meiner Dateien erfolgen, die ich in einem Archiv zusammengestellt habe. Das Archiv enthält die Fräs- und Bohrdateien sowie alle Pläne:

Download der ZIP-Datei AAS.ZIP 200 kByte

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Netzteil

weiter demnächst . . .

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Einfachste Lüfterregelung

Natürlich bekommt das ganze eine Zwangsbelüftung, damit entstehende Wärme abgeführt wird. Dazu sind in die Rückwand zwei Lüfter eingebaut und unter allen Leiterplattten sind mehrere 5mm große Löcher im Gehäuse gebohrt. Somit sollte ein relativ guter Luftdurchsatz gewährleistet sein.

Wird der Kühlkörper der Steuerung wärmer, wird auch die Drehzahl der Lüfter hochgeregelt und bei Abkühlung wieder heruntergeregelt.

Wegen der minimalistischen Schaltung muss mittels Einstellpoti (4k7) die minimale Drehzahl der Lüfter am kalten Gerät so eingestellt werden, dass jeder Lüfter beim Einschalten der Steuerung sicher anläuft.

Die Schaltung wird auf einem kleinen Stück Lochrasterplatine (7x10 Löcher) aufgebaut und direkt auf dem Kühlkörper der SM33PCV7 befestigt. Der Temperatursensor (NTC 470) wird mit ein wenig Wärmeleitkleber auf den Kühlkörper geklebt.

Bei einer Messung fingen die Lüfter ab einer Kühlkörpertemperatur von etwa 45 Grad an hochzudrehen, und je höher die Temperatur, um so mehr drehen die Lüfter dann auch.

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Aufbau der Grundplatte und Einbau in die Portalfräse

Nach Einbau der RK3SN und der AAS sowie der Relaisplatine (ganz rechts) wieder ein Bild

Jetzt muß noch etliches verkabelt werden und dann wird das Bedienpult in Angriff genommen.

weiter demnächst . . .

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Fehlersuche

Wer die Steuerung aufbaut und in Betrieb nimmt, sollte die Hinweise zur Inbetriebnahme lesen. Wenn das ganze etwa schon beim Einstellen der Motorströme nicht funktioniert, logisch denken und mögliche Fehlerquellen Schritt für Schritt prüfen und ggf. reparieren.

Am besten ist es, die Steuerung erst mal ohne den ganzen zusätzlichen Kram aufzubauen. Dann die Inbetriebnahme laut Anleitung durchführen und erst danach Schritt für Schritt die Erweiterungen vornehmen.

Hier einige Tipps:

1. Ist die Pinbelegung PC - Steuerung korrekt in der Software eingestellt?

2. Sind die Spannungen Motorlogik und Eingangslogik an X4 vorhanden? (messen)

3. Kommen die Befehle der Software korrekt an X1 an? (messen)

4. Sind Notstop (X2 Pin 2-7) und Endschalter (X2 3-8, 4-9, 5-10) geschlossen?

Beschaltung original - SM33PCV7 + RK2V7 + SMN4515V1
Jumper + LEDs + Messpunkte - SM33PCV7

Anfragen bei mir per Email: "... liegt es an meinem Kabel" oder so ähnlich sind sinnlos, eine Ferndiagnose ist fast unmöglich!

Und nochwas:
CNC ist nun mal eine nicht einfache Angelegenheit. Du kannst nicht erwarten eine Software zu installieren und 30 Minuten später funktioniert alles.
Vor allem erst mal Handbücher lesen, Schritt für Schritt an der Maschine durchgehen, vorgenommene Schritte nochmals prüfen.

Wer wie ich bei Null anfängt (meine NC-Ausbildung ist mehr als 30 Jahre her) der muß sich damit beschäftigen, das heißt also
lernen, lernen und nochmals lernen
einrichten, einrichten und nochmals einrichten
testen, testen und nochmals testen

. . . und dann Funtioniert das auch !

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