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CNC Fräse im Eigenbau

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Vor einem Monat habe ich mir ein neues Projekt in den Kopf gesetzt: Die Fertigung einer Eigenbau CNC Fräse.

Inspiriert hat mich vor allem das CNC Forum von Peter. (Link zu www.cncecke.de). Nach einer ersten Vorauslegung habe ich bereits einige Teile bestellt. Diese Woche sind die ersten Eigenbau CNC Fräskomponenten bereits angekommen:

Wichtige Komponenten der Eigenbaufräse

Antriebsmotoren der Eigenbau CNC Fräse

Schrittmotor der Eigenbau CNC Fräse

Bild 1: High-Torque Schrittmotor ISEL SM60L

Für den Vorschub von X-Y und Z-Achse will ich Kugelgewindespindeln mit einer Steigung von 5 einsetzen. Für diese drei Achsen habe ich jetzt drei gleiche Schrittmotoren von Isel bestellt (s. Bild1).

Diese Schrittmotoren haben ein Haltemoment von 3,0 Nm und bringen mehr als ausreichend Kraft für die Vorschubachsen meiner Eigenbau CNC Fräse.
Hier findest Du mehr zur Auslegung von Schrittmotoren.

Spannungsversorgung für die Antriebsmotoren der Eigenbau CNC Fräse

Spannungsversorgung 48 V

Bild 2: Schaltnetzteil SP320-48-6,7A von Mean-Well mit 48 V

Als Steuerung werde ich eine bewährte TripleBeast einsetzen. Als Spannungsversorgung habe ich mir das in Bild 2 gezeigte Schaltnetzteil von Mean Well gekauft.

Mean Well ist ein chinesischer Hersteller von Schaltnetzteilen, welche äußerst günstig und qualitativ dennoch sehr brauchbar sind.

Dieses Schaltnetzteil ist kurzschlusssicher, überspannungsfest und schaltet bei Übertemperatur ab.

Ein weiterer positiver Effekt den ich bemerkt habe: Vor den elektrischen Anschlüssen ist eine Kunststoffabdeckung. Die Abdeckung verhindert ein versehentliches Berühren der stromführenden Kontakte.

Schaltentzteil 48 V der Eigenbau CNC Fräse

Bild 3: Schaltnetzteil 48 V – Front

Das Schaltnetzteil besitzt an der Front jeweils 3 Anschlüsse für + und -.

Außerdem sind drei Anschlüsse für die Erdung, den Leiter und den Nichtleiter vorhanden.

Für den späteren Anschluss muss ich mir noch überlegen, wo ich den Not-Aus Schalter und die Sicherungen im Kreis anschließen will.

Bearbeitungsspindel für meine Eigenbau CNC Fräse

Als Bearbeitungsspindel habe ich mir eine wassergekühlte 1,5 kW HF-Spindel zugelegt (Bild 4).

Diese sollte genug Power haben um neben Holz auch Aluminium Fräsen zu können. Die Einzelteile für die Wasserkühlung und den Frequenzumrichter stehen ganz oben auf meiner Einkaufsliste. Parallel bin ich auch noch am Eigenbau einer Frässpindel dran.

Man darf gespannt bleiben!

Spindel 1,5kW

Bild 4: Frässpindel mit 1,5 kW Leistung und Wasserkühlung

Was ist deine Eigenbau Erfahrung? Lohnt sich das ganze?

Vielleicht interessiert dich ja auch mein Beitrag zu CNC Fräse Bausatz, in welchem ich verschiedene günstige Bausätze vorstelle.

Im Folgenden erfährst Du mehr zum aktuellen Konstruktionsstand, der Gestaltung der Führungen und Antriebsachsen und zum Aufbau des Rahmengestells.

CNC Fräse im Eigenbau – aktueller Konstruktionsstand

In folgendem Bild seht Ihr meinen derzeitigen Konstruktionsstand:

Bild CNC Fräse

Meine Eigenbau CNC Fräse

Verwendest du die Fräse nicht nur zum Gravieren und willst du auch mal Stahl zerspanen, so musst du besonderes Augenmerk auf die Steifigkeit des Aufbaus legen.

Ansonsten kauf dir lieber gleich eine einfache günstigere und Graviermaschine 😉

Um die Biegung der z-Achse möglichst gering zu halten, habe ich mich dafür entschieden, die x-Achse, also den Tisch, angetrieben zu gestalten.

Das Portal selbst ist – wie bei Portalfräsen üblich – fest.

Die Frässpindel wird dann in y- und z-Richtung verfahren.

Die Gestaltung der CNC Achsen und Führungen

Konstruktion von X – und Y- Achse

Die X-Achse und y-Achse werden über jeweils ein Kugelgewindetriebe (16×5) angetrieben.

Hierbei wird die Mutter mit dem Tisch verbunden, und die Welle in über eine Fest-Los Lagerung oder alternativ eine angestellte Lagerung gelagert.

Angetrieben werden die Kugelgewindetriebe über die Spindel, welche jeweils mit einem Schrittmotor verbunden ist.

Ein Kugelgewindetriebe besitzt gegenüber dem Trapezgewindetrieb folgende Vorteile: Der Wirkungsgrad und die Leichtgängigkeit ist besser, da die Reibung um Faktoren geringer ist.

Es kann eine dauerhafte Vorspannung der Achsen ohne Nachstellen erreicht werden. Auch die Geräuschentwicklung lässt sich durch das verwenden von Kugelgewindetrieben in Maßen halten. Nachteilig ist jedoch der deutlich höhere Preis für ordentliche Kugelgewindetriebe.

Gestaltung der Z-Achse

Die Z-Achse erhält einen Trapezgewindetrieb. Vorteil eines Trapezgewindetriebs ist die Selbsthemmung. Bei Stromausfall bleibt also die z-Achse in Position stehen und rauscht nicht nach unten.

Führungen der Achsen

Als Führungen werde ich Profilschienen mit Laufwägen in der Standardausführung verwenden. Die Führungen will ich derzeit direkt auf die Aluminium Rahmenprofile schrauben. Idealerweise beschaffst Du dir Laufwägen die spielfrei sind, damit du nachher auch gerade Linien und ohne Umkehrspiel fräsen kannst!

Nicht ist ärgerlicher als zu viel Spiel in den Achsen, da dies zum einen ungenaue Teile und schnellen Werkzeugverschleiß verursacht.

Alle Achsen und Führungen sollten möglichst spielfrei sein. Sowohl beim Gleichlauffräsen als auch beim Gegenlauffräsen soll der Schneideingriff niemals die Position des Werkstücks beeinflussen, indem der Schlitten innerhalb seines Spiels hin und hergerückt wird.

Die Spielfreiheit erreichen wir durch definiertes Vorspannen der Lager und möglichst spielfreie Führungen. Beim Gravieren ist dies weniger wichtig, da hier keine hohen Bearbeitungskräfte auftreten werden.

Rahmengestell der Selbstbau CNC Fräse

Für den Rahmen werde ich 45×45 Aluminiumprofile verwenden. Die Abmessungen kannst du übrigens ganz einfach mit einer Schieblehre prüfen. Durch die Kastenbauform erhoffe ich mir geringe Verwindung bzw. hohe Steifigkeit der Maschine. Aufgrund des höheren E-Moduls wäre für die Maschinensteifigkeit der Werkstoff Stahl natürlich besser.

Praktisch ist auch, dass ich dann ohne großen Aufwand Schutzbleche anbringen kann, sodass der Raum der CNC Bearbeitung abgeschottet werden kann.

Anbieter von Aluminiumprofilen

Am bekanntesten sind die Aluminiumprofile von Bosch Rexroth und Item.

Weitere geeignete Aluminiumprofile für den Eigenbau der CNC-Fräse, die teilweise sogar kompatibel zu den bekannten Marken sind, gibt es bei:

Die meisten Hersteller geben hier Angaben zum Widerstandsbiegemoment (manchmal Flächenträgheitsmoment). Bei vergleichbaren Preisen solltet Ihr immer die Profile mit dem größten Widerstandsmoment (Flächenträgheitsmoment) nehmen, Diese sind vom Aufbau steifer.

Ein Zuschnitt und das Bohren von Löchern ist bei den meisten Händlern ebenfalls gegen geringes Entgelt möglich. Aufpassen müsst Ihr beim Zubehör (Schrauben, Winkel, Nutensteine…). Hier wird teilweise kräftig zugelangt.

Ein weiteres Update mit Bauplan zu meiner Eigenbau Fräse wird bald folgen! Außerdem dürft Ihr gespannt sein was meine Recherchen zur CNC Steuerung ergeben haben. Recherchiert habe ich z.B. PCNC von CNC Step, Triple Beast, die Uhu-Steuerung und weitere.

18 Gedanken zu „CNC Fräse im Eigenbau“

  1. Maximilian Raab

    Servus Toni,
    Du hast geschrieben du willst Profilschienen und Kugelgewindetriebe verbauen. Das hab ich bei meinem Projekt auch vor, aber die preise für diese teile sind schon sehr hoch. Hast du da irgendwo nen günstigen Anbieter gefunden den du empfehlen kannst?

    Liebe Grüße
    Max

  2. Hallo,
    ich bin eben auf diesen Blog gestoßen und bin sehr begeistert. Gibt es schon den Teil mit dem angekündigten Bauplan? Wäre sehr nice.
    Viele Grüße

  3. Hallo,
    Ich bin sehr begeistert von deinem Enthusiasmus und Hingabe für diese Technik. Allerdings würde mich bei deinem vorhaben interessieren (habe selbst auch so ein Projekt im köpf), wie die stellmotoren und das Programm dann den richtigen Vorschub bestimmen können, heißt, wie sich das ganze bemisst. Hängt ja alles von der Steigung der Kugelgewindetrib und der Umdrehung des stellmotors ab, wie viel sich der Tisch z.B. in der X-achse bei einer Umdrehung des Motors bewegt. Wie erhalte ich hierbei das richtige Zusammenspiel?

    Mfg

    1. Servus Thomas,

      also wenn Du z.B. die kostenlose Software Mach3 verwendest, dann kannst Du in dieser angeben, wieviele Schritte der Schrittmotor machen muss um einen mm der Achse zu verfahren.
      Du findest das in Mach3 unter Motor Einstellungen – Steps / mm.
      Ein bisschen mehr über Mach3 findest Du unter: https://www.precifast.de/pc-fuer-mach-3-vorbereiten/

      Wie kannst du jetzt die Steps/mm berechnen?
      Hier ein Beispiel:
      – Dein Schrittmotor macht laut Datenblatt 200 Schritte pro Umdrehung
      – Deine Schrittmotorsteuerung unterstützt eine weitere 1/8 Schritt Unterteilung
      –> für eine Umdrehung benötigt deine Schrittmotorsteuerung 200 / (1/8) = 1600 Signalimpulse
      – Deine Spindel hat die Steigung 4 mm
      –> Bei einer Umdrehung=1600 Impulsen verfährt die Achse 4 mm
      –> Bei 1/4 Umdrehung = 400 Impulse verfährt die Achse 1 mm.

      Soweit die Theorie. In der Praxis kannst Du dann auch noch mit der Messuhr an die Achse gehen und unter Mach3 ablesen, wieviele Schritte exakt notwendig sind um 1mm zu verfahren. Aufgrund von Steigungsfehler oder kleiner Ungenauigkeiten in der Steuerung können das nämlich dann auch 402 oder 403 Schritte sein.
      Und wenn du eine eigene Mikrocontroller-Steuerung hast, dann hinterlegst du in dieser einfach in einer speziellen Variable, wieviele Schritte zum Verfahren 1 mm notwendig sind. Pro Achse, versteht sich.
      Gruß,
      Toni

  4. Hallo
    finde deine Ausführungen sehr interessant, bin gerade auch am Anfang eines Fräsenprojektes.
    Bei meiner letzten Fräse BF20 Umbau auf CNC, hatte ich MACH 3, Trinble Beast etc. Jetzt habe durch eine glücklichen Zufall Festo schritt- und Servomotoren nebst Steuerung bekommen, hast du eine Ahnung wie man die zum Laufen bringt.

    mfg Hans Hahn

    1. Hallo,
      danke für die nette Rückmeldung. Eine professionelle Industriesteuerung wie Du sie jetzt hast ist sicherlich das non-plus-ultra für die Eigenbau Fräse. Bisher hatte ich selbst noch keinen Kontakt mit einer Festo-Steuerungseinheit, nur mit der Simatic von Siemens. Die Schwierigkeit bei Dir ist vermutlich die Kommunikation zwischen Deinem CNC Rechner und der Festo-Steuerung? Möglicherweise gibt es da aber eine Dokumentation oder sogar einen Treiber von Festo – Ich würde Dir jetzt mal empfehlen auf http://www.festo.com nach einem Handbuch und einer Software passend zu Deiner Steuerung zu recherchieren.
      Schöne Grüße und Viel Erfolg!

  5. Hallo,

    ich baue derzeit ein ähnliches Projekt, jedoch lediglich um Teile für mein ursprüngliches Vorhaben realisieren zu können.

    Wie wirst du die NC-Daten eingeben? Realisierst du das mit einer entsprechenden CNC-Software oder gibst du die Koordinaten in deinen AVR-Programmen vor?
    Wenn du Software nutzen wirst, welche wirst du voraussichtlich nehmen und wie wirst du deinen Prozessor damit koppeln?

    LG
    Alex

    1. Hallo Alex,

      mein Plan ist, zunächst die 3D Daten aus der Konstruktionssoftware in die CAM-Software einzulesen, welche mir dann den G-Code erstellt. Diesen G-Code werde ich in die CNC-Software Mach3 auf dem PC einlesen. Dieser PC wird dann zentral die Schrittdaten an die Schrittmotorsteuerung (Triple Beast) ausgeben. Ich glaube es ist dazu sinnvoll, eine redundante Sicherheitslogik extern auf einem Mikrocontroller (z.B. AVR) parallel zum PC laufen zu lassen. Im Fehlerfall (PC-Ausfall, Softwarefehler) kann dann die Stromversorgung der Aktoren über den Mikrokontroller abgeschaltet werden.
      Kannst Du näheres über dein Projet sagen, wird es ebenfalls eine Fräse? Wirst Du deine NC-Steuerung selbst programmieren? Wie kommst Du von den 3D Files auf Daten welche Du deinem Mikrocontroller geben kannst? Hier habe ich einen Tipp für Dich, es gibt auf http://bengler.no/grbl (C-Code hier zu finden: https://github.com/grbl/grbl) einen fertigen G-Code Interpreter inklusive Bahnsteuerung für den Mikrocontroller Arduino/AVR. Du benötigst also nur noch eine Software, welche Dir aus den 3D Daten einen G-Code erzeugt und diesen G-Code gibst du wiederum deinem Controller welcher dann die Befehle and die Schrittmotoren ausgibt.

      Viele Grüße,
      Toni

      1. Hallo,

        danke für die Antwort.
        Aktuell habe ich mir über die Kommunikation der 3D-Daten an die Fräse noch wenig Gedanken gemacht. Daher meine Frage. Mach3 ist mir ein Begriff und habe ich in dem Zusammenhang auch schon mehrfach gelesen, daher denke ich das ich ebenfalls in die Richtung tendiere.

        Die Fräse baue und programmiere ich selbst, bin aber noch etwas den Umgang mit dem Arduino am lernen. Die Konstruktion steht und die Auswahl der Hardware ist auch abgeschlossen, somit fehlt im Prinzip nur noch das Programm und das zusammen setzen.

        Um Fehlerfälle auszuschließen, mache ich mir Stillstandsüberwachungen und Taktzeitüberwachungen mit Hardwareabschaltungen zu nutze. Relais, die die Spannung von den Antrieben holen usw. Des Weiteren wird nach jedem PowerOn eine Referenzierung erforderlich sein, um die Lageistwerte korrekt zu haben.

        Der grobe Plan sieht vor, einen Arduino zur Steuerung der Antriebe, einen zur Steuerung der Peripherie, wie TFT, Tasten, externe DI/DOs und eine HMI, wahrscheinlich der Laptop, als Bedienoberfläche mit entsprechender NC-Software.

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