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

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).

Zuletzt wird ein Handrad - Bedienpult gebaut, das mit vielen Funktionen ausgestattet ist.


                            Was ist geplant?

Der Aufbau:     Schaltbild     Not-Stop & SSS     Anzeige     Netzteil     Kühlung     Auf- und Einbau    
                            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.
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.
Klick

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 Aufbau 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 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.

Die RK3SN verknüpft Spindel sowie Kühlung 1 & 2 mit  (Not-Stop-Schalter und Spindel-Sicher-Schalter):

Beschaltung SM33PCV7 + RK3SN:
.
Klick
.

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



[ Seitenanfang ]



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.

Klick 
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.




[ Seitenanfang ]



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-Funktion 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-Signal 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:
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
.
Klick


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
.
Klick

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
.
Klick


Eine Zeichnung verdeutlicht die an der Platine vorzunehmenden Änderungen

Klick




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.

Klick

Als Relais für den SSS eignet sich ein 5 Volt Signalrelais wie das NA5W-K (weiß), nicht größer als ein IC.
Dabei auf die richtige polung der Spulenspannung achten, sonst zieht das Relais nicht an.



!  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).



Klick

Klick

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


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





Die Platine:
Klick

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 wenig über 3 Volt sicher an (min 3.75V laut Hersteller).

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 PC817 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


[ Seitenanfang ]



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 stellen 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 werden. Ich finde es aber so leichter zu verstehen.

Klick

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

Klick


Bestückung der Platine AAS ohne 4. Achse  


Die Platine ist 84mm x 75mm groß.

Klick


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   470 kByte


[ Seitenanfang ]



Lüfterregelung

Natürlich bekommt das ganze eine Zwangsbelüftung, damit entstehende Wärme abgeführt wird. Dazu sind in die Rückwand und die Zwischenwand Lüfter eingebaut.

Wird der Kühlkörper der Steuerung wärmer, muß die Drehzahl der Lüfter hochgeregelt und bei Abkühlung wieder heruntergeregelt werden. Das macht die folgende Schaltung, die so oder ähnlich in jedem gut sortierten Elektronik-Markt für wenige Euronen zu haben ist:

.

Bei einer Messung fingen die Lüfter ab einer Kühlkörpertemperatur von etwa 50 Grad an hochzudrehen, und je höher die Temperatur, um so mehr drehen die Lüfter dann auch.


[ Seitenanfang ]



1. Netzteil 5V/12V mit LM317

Neben dem 40 Volt Netzteil, bestehend nur aus einem Brückengleichrichter und einem 25000 uF Kondensator, wird eine Platine mit 5 Volt und 12 Volt Ausgangsspannung gebaut. Das ganze hängt an einem Ringkerntrafo der mir 35 Volt mit 4,5 Ampere sowie 2 x 15 Volt mit 1 Ampere zur Verfügung stellt. 2 Automatische Sicherungen in der Rückwand der Steuerung sorgen für Überlastschutz.

Die Schaltungen für 12 Volt und 5 Volt sollten zuerst mit 7805 und 7812 realisiert werden. Da der 5 Volt Verbrauch aber bei etwa 1,1 Ampere liegt, habe ich mich für LM317 entschieden. Gut gekühlt hat der LM317 im Gegensatz zum 7805 damit keine Probleme. Für die Regelwiderstände habe ich Spindelpotis verwendet. Damit läßt sich die Spannung mühelos ganz präzise einstellen.
Wer mehr als 1,5 A verbrät, kann statt des LM317 den LM350 verwenden. Die 240 Ohm Widerstände müssen dann durch 120 Ohm ersetzt werden, die Potis durch 5kOhm. Alle anderen Teile bleiben gleich.

Warum diese Schaltung so und nicht anders aufgebaut ist, wird im Elektronik-Kompendium sehr genau beschrieben.


Klick

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

Klick


Die Platine ist 89mm x 55mm groß.

Klick

Da auf der 5 Volt Schiene bei meinem Trafo gut 10 Volt vernichtet werden, bekam der Spannungsregler später noch einen größeren Kühlkörper.
Ideal wäre also ein Trafo der um 7,5 Volt abgibt ( Minimum: 5 Volt am Ausgang + 1,25 Volt für den Spannungsregler + 0,7 Volt für den Gleichrichter = 6,95 Volt).
Für die 12 Volt Schiene ist der zu sehende Kühlkörper bei 15 Volt am Eingang ausreichend.



Die Herstellung des Netzteils 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 NT.ZIP   470 kByte


2. Netzteil 40V


Klick

Der Netzteilbereich wurde zum Abschluß nochmal etwas umgebaut. Der Gleichrichter für die Motorspannung ist jetzt rechts an der Alu-Trennwand befestigt und wird von dieser gekühlt. Daneben ist der Elko befestigt. Zur Stabilisierung und Einstellung auf max. 40 Volt ist ein gekaufter Schaltregler (im Bild links unten) verwendet worden, der bei Überstrom (einstellbar) abschaltet.
Die Platine 5V/12V mußte richtung Rückwand versetzt werden (im Bild links oben).




[ Seitenanfang ]



Aufbau der Grundplatte und Einbau in die Portalfräse


Die Grundplatte besteht aus 8 mm starkem Pertinax, das durch mehrere doppelt aufgesetzte Winkelprofile in Längs- und Querrichtung stabilisiert wird. Innerhalb dieser Winkelprofile stehen die Trenn- und Abschlußwände.

.

Die Winkelprofile, Trennwände und auch das Gehäuse des Bedienpults sind mit Kabeln untereinander verbunden und an PE (Schutzleiter) angeschlossen.

.

In die mittige Trennwand und die Rückwand sind die Lüfter eingebaut.

.

Rechts neben dem Rückwandlüfter sind die Anschlußdosen für Spindel und Kühlung, daneben die Automatischen Sicherungen und darunter die Relaisplatine zu sehen.


Hier noch eine Ansicht der eingebauten RK3SN und AAS. Dahinter die schwarze Steckerleiste wird die Motoranschlüsse aufnehmen. Die darauf sitzende kleine weiße Steckerleiste ist für die Endschalter.

Klick



Die fertiggestellte Steuerung

Klick

Klick

Klick





  Die Steuerung hat alle Tests bestanden und wird demnächst  in die Fräse eingebaut . . .


[ Seitenanfang ]




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 war 1976) 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 funktioniert das auch !

[ Seitenanfang ]























CNC-Steuerung für die Portal-Fräse

designed and created by Bernhard Pahl. Build with the fine Tool -Crimson Editor-
^