Hjemmebygget CNC-fræser – del 1 (mekanik)

I dette første indlæg om min hjemmebyggede cnc-fræser vil jeg beskrive den mekaniske del af projektet – og ikke mindst motivationen for projektet.

I del 2 vil jeg skrive om elektronikken og i del 3 om softwaren der styrer det hele.

Min far – Gunnar Augustinus – har en maskinfabrik i kælderen. Så jeg er vokset op med drejebænke og fræsere. Jeg supplerede lommepengene i værkstedet  – men vidste reelt aldrig nok til at lave noget på egen hånd.

20151103_200838

Min fars fabrik hedder SR 80 metaldrejebænke (sr80.dk) og han laver den eneste danskproducerede metaldrejebænk. Eller rettere lavede. Nu leverer han kun reservedele. Jeg overtalte ham til at lave en maskine til mig før han stoppede helt :-). Jeg fik min i 2011 – men han fortsætter nu forretningen stadig – dog flest reservedele og reparationer.

Meeen – hvad skal man med en drejebænk hvis man ikke kan hitte ud af at bruge den? Så – vi aftalte at jeg skulle “gå i lære” hos ham hver tirsdag eftermiddag / aften. Min mor fik samtidig en undskyldning for at forkæle os – så det var ren win-win :-). Det holdt ved ca. et års tid så jeg fik lært en masse fif og teknikker. Og som hårdt skadet ingeniør kunne jeg selvfølgelig heller ikke helt lade være med at læse noget litteratur om enmet i tillæg…

Og – vi skulle jo have “noget” at lave på drejebænken. Jeg har længe drømt om at bygge en cnc-fræser – og når nu drejebænken var i hus – ja så måtte cnc-fræseren jo ligge næst på listen.

I et anfald af selverkendelse valgte jeg at købe en billig bænkfræser som jeg kunne bygge om – i stedet for at starte helt fra bunden… Det er der selvfølgelig en masse ulemper ved – men fordelen er at det var en overskuelig opgave som jeg var ret sikker på at jeg kunne afslutte 🙂

Så fundamentet blev en Rotwerk EFM150 (link). Den sælges i mange varianter har jeg efterfølgende fundet ud af. Hvis man søger efter “Micro mill” så er der mange hits.

En fin lille maskine at bygge videre på.

Projektet gik ud på at rippe maskinen for alt overflødigt, derefter montere stepmotorer og endestop på alle tre akser og sidst at udskifte spindelmotoren med en der kunne køre noget hurtigere. Der skal selvf. også noget elektronik til – men det kommer i næste del af indlægget.

Som det kan ses på billedet var der både en “rigtig” z-akse – og så en boremaskine-type z-akse som oven i købet kunne indstilles til enten at være sluttet til “armen” eller et finjusteringshjul. Det er en af de største ulemper ved maskinen. Det var nemlig meget vanskeligt at få låst disse muligheder helt fast uden slør. Målet er jo at Z-aksens motor har helt styr på bevægelserne.

Og – sådan ser den så ud efter en let ombygning :-):

 

20151103_202115

Meeen – for der er et lille men… Jeg lavede ingen cad-tegninger af det hele inden jeg gik i gang… Det var lidt fra punkt til punkt og håndskitser undervejs: 20151103_210418

Som fedtpletterne indikerer er de lavet på arbejdsbordet oven i skæreolie og andet godt 🙂

X/Y-akserne

Der er flere udfordringer når man skal sætte en stepmotor på en slæde… Den største er backlash. Backlash er det fænomen at der når “vender retning” mister et antal 100-dele mm på grund af slør rundt omkring. På spindel / spindelmøtrik er problemet at der slør mellem delene – som illustreret her:

Hvis man “kun” har én møtrik vil man opleve det der overdrevet vises på illustrationen – nemlig at gevindet “læner” sig op ad den ene side – så når man skal den anden vej så sker der ikke noget før man rammer den modsatte side af gevindet.

En anden kilde til backlash (der dog er nemmere at håndtere) er det der fikserer spindlen til slæden. Det må der heller ikke være slør i.

Hvis man vil slå det store brød op – ja så køber man kuglespindler (ball screw spindle) til at erstatte de klassiske spindler med trapezgevind. Kuglespindler er nogle meget præcist forarbejdede specielle gevind der i kombination med en spindelmøtrik (lead screw) giver meget lille backlash.

 

De er dog ikke helt gratis – så jeg valgte at holde mig til de traditionelle spindler med trapez gevind. De eksisterende var dog ikke lange nok – så jeg købte en lang stang jeg kunne skære op til de tre akser. Jeg valgte at lave en spindelmøtrik der kunne justeres for at minimere backlash.

Det skal bemærkes at der findes en softwareløsning til backlash også. MACH3 har en indstilling hvor man beder softwaren om at kompensere for backlash. Funktionen får ikke ros på nettet – men jeg har ikke eksperimenteret med det endnu – men det burde jeg nok…

20151025_200710

Nå – forbindelsen mellem motor og spindel består af en række elementer.

Inderst en afstandsklods der sikrer at det næste element – basepladen – ikke hindrer slæden i at køre helt i bund. Basepladen bærer dels de 4 afstandsstag ud til motoren og dels fundamentet for lejerne. Spindlen går gennem de første elementer og ud i en justeringsskrue der sørger for at holde lejerne samen. Sidst er der motorkoblingen (SRJ-30 10x14mm – link) der samler motoraksel og spindelarrangement. Formålet med den er at kompensere for de små misallignments der ikke kan undgås mellem enhederne. Sidst sidder stepmotoren der har en størrelse der hedder NEMA 34.

20151103_20511520151103_205018Meeen – det med lejerne er det centrale – resten er kun til for at holde på dem :-). En maskiningeniør vil sikkert give mig tørt på her – men min grundlæggende analyse er at jeg skal have noget der kan holde spindlen både aksialt og radialt på én gang. Og ikke mere end én der bestemmer i hver retning da vi ellers vil få spændinger mellem elementerne der vil lede til tab og spildte kræfter fra stepmotoren.

20151103_20515920151103_205219Så – jeg valgte at gå efter en kombination af et trykleje og et konisk rulleleje. Til det koniske rulleleje valgte jeg den mindste variant jeg kunne finde – 15x35mm (indv. / udv. diameter). Til tryklejet valgte jeg 10x24mm.

Og for at dokumentere PRÆCIS hvordan det endte med at være skruet sammen er her opskrift:

20151103_210601Det er da nemt at forstå ikk’? Kunsten er at sørge for at respektere trykfladerne…

Nå – jeg har forbarmet mig og tegnet det i cad her efterfølgende…:
Capture

Og her en gennemskåret model:

Capture

Den lyserøde del skrues på spindlens gevind og strammes indtil der er pres på lejerne. Den låses fast vha. en pinolskrue.

Anti-backlash valgte vi som omtalt at løse på den simple måde… Vi lavede en messing-leadscrew hvor den ene del af skruen kan justeres – så man opnår at klemme på begge sider af gevindet. Det kan (og skal) justeres med et par pinolskruer.

20151106_182724

Z-akse

20151107_085446Den tredje akse blev lavet meget som de to andre – blot med den forskel at jeg ikke skiftede spindlen. Det viste sig nemlig at ledeskruen (som fører slæden op og ned) var besværlig at modificere… Så derfor valgte vi at holde fast i den oprindelige spindel.

Hovedspindel og spindelmotor

Den oprindelige spindelmotor var på 300W med en max. omdrejningshastighed på 2000 o/min. Hvis man skal fræse med små 2-3mm fræsere – ja så havde jeg læst mig frem til at det ikke var nok. Så jeg besluttede at skifte spindelmotoren ud med en hurtigere og kraftigere.

WATER-COOLED-DISCOUNT-2-2KW-HY-CNC-SPINDLE-MOTOR-ER20-2-2KW-VFD-INVERTER-DRIVEEfter at have søgt en del forelskede jeg mig i en 2.2 kW vandkølet spindel… Jeg ville så pille den oprindelige spindel og alle de finurlige mekanismer til justering ud og erstatte dem med spindelmotoren. Motoren er 80mm i diameter så det vil kræve en ret massiv ombygning… Samtidig var der den udfordring at motoren kun kunne køre 8.000-24.000 o/min. Og jeg var bange for at 8.000 o/min er for meget til at køre med lidt større fræsere.

Det var også en ulempe at den brugte ER11 spændetænger. Det betyder at akslen på værktøjerne begrænses til 7mm. Hvis jeg kunne bruge den indbyggede spindel med Morse 2 konus så kunne jeg bruge ER25 spændetænger – hvilket giver en max tool diameter på 16mm.

I forbindelse med at jeg skrev dette indlæg søgte jeg igen – og de spindler der nu er til salg leveres med ER20 (max. 13mm). Samtidig er de vandkølede versioner i stand til at køre helt ned til 0 o/min. Så det kunne være et ret godt bud på en spindelmotor (link).

20151106_182620Men – jeg valgte en “midlertidig” løsning baseret på at kombinere den oprindelige hovedspindel med en overfræser. En billig og kraftig motor med en maksimal omdrejningshastighed på 30.000 o/min.

På billedet kan ses et “rør” der stritter lige op i luften – det skjuler trækspindlen til morse-konus’en. Vi kunne ikke nænne at skære den af så den fik lov til at overleve i fuld længde med lidt beskyttelse omkring…

For at få hastigheden ned lavede vi en gearing baseret på tandremme. Jeg valgte tandremme for at reducere støjniveauet. Vi lavede nogle forsøg med metaltandhjul – og de larmede ret meget.

Så vi gik i gang med puslespillet… Målet var en reduktion af hastigheden med en faktor to. 15.000 o/min i max – og med tab og belastninger ville det nok falde en del derfra – så hvis jeg kunne nå 10-12.000 o/min var det fint. Og valget faldt på en 44/22 tænders kombination med en 90-tænders rem. Jeg valgte størrelsen “T5” – som betyder at der er 5mm mellem tænderne. Jeg fandt en online calculator til at hjælpe mig med at beregne bæltelængde og centerafstand. I parantes bemærket så hedder det timing belt og timing pulley hvis du skal lede efter det på nettet.

20151107_114032

Vi byggede de to tandhjul med rem ind i en stump rør-profil. Formålet var at sikre stabiliteten af forbindelserne – og det lykkedes til fulde.

Vi lavede en lille aksel til at sætte direkte i overfræseren og det store hjul blev monteret på spindelakslen.

Det er ikke nemt at fotografere ind i røret – her det bedste jeg kunne klare. Vi sluttede af med at sætte et dæksel på den ene ende – så hvis en rem skulle springe at vi så ikke får den i hovedet…

20151106_18250120151106_182513

 

 

 

 

20151025_200744

Endestop og ledningsføring

Endestoppene blev først tilføjet sent i projektet. Jeg var træt at at køre i bund med akserne – og endnu mere irriterende var det når jeg kørte akserne for langt ud så de hoppede ud af ledeskruen…

Det simplest mulige er at bruge en enkelt switch til begge endestop. Vi lavede det med en stump fladjern der aktiverer en micro switch. Metoden brugte vi på X- og Y-akserne.

20151025_200832

20151025_200628På Z-aksen ville jeg gerne have noget mere fleksibelt da det nedre endestop jo vil afhænge af hvilket værktøj der sidder i fræseren. Forålet i den retning er at undgå at køre ned i planet ved et uheld… Så der lavede vi to microswitche – en til hver ende.

Her switchen i toppen.  Den er ret simpel da den bare skal aktiveres når Z-slæden kommer i top.

20151025_200817

Det nedre endestop lavede vi justerbart vha. en stump fladjern med udfræst spor og et låsehjul.

Enden af fladjernet aktiverer switchen når den kommer i bundpositionen.

 

 

 

 




 

 

 

 

CaptureKablerne trak jeg samlet – trods de problemer det gav anledning til med hensyn til EMC. Jeg lavede som det første projekt på fræseren nogle små plastkasser med låg der skulle bruges som samledåser for ledningerne fra motorerne.

Capture2 Capture3

20151025_200710

Vandkøling…

Da jeg begyndte at arbejde i aluminium og stål fandt jeg ret hurtigt ud af at jeg havde behov for køling. Jeg købte en “spray cooling” svanehals på ebay og monterede den. Den har vist sig meget nyttig idet den ikke bruger ret meget vand sammenlignet med en traditionel vandkøling. Til gengæld kræver den trykluft til at  generere sprayen. Det har dog vist sig at være en fordel for så kan jeg bruge den til at puste med tør luft når jeg bruger lasergraveringshovedet. win-win 🙂

20151025_200803

Konklusion

Alt i alt er jeg godt tilfreds med resultatet. Maskinen har stadig mange punkter der kan forbedres – men den er absolut brugbar og lever rigeligt op til mit behov. Det er så ikke det samme som at jeg ikke drømmer om at lave en der er endnu bedre – med kuglespindler, linære bæringer og selvf. en bedre spindel 🙂

Jeg vil i et senere indlæg fortælle lidt om hvad jeg kan opnå i præcision og materialer.

20151103_202131




Locking lever til pagaj

20150913_185319Jeg købte en brugt pagaj – to-delt og i fuld carbon. Super pagaj – men låsen var i stykker. Jeg forsøgte først at komme i kontakt med en forhandler uden held – dernæst producenten… Men ingen kunne skaffe mig den lille arm der manglede.

Nå – men med kælderen fyldt med værktøj bør der jo være en vej… Og med en cnc-fræser er der jo en supernørdet vej jeg ikke kunne holde mig fra 🙂

CaptureSå – jeg tegnede låsearmen i Geomagic – det cad program jeg bruger fordi man ikke kunne finde en hæderligt gratis et den gang jeg startede med cnc og 3d. Programmet hed den gang Alibre CAD og blev forhandlet af Amstrup Engineering (link). Jeg købte også Alibre CAM – der i virkeligheden er en tilpasset VisualCAM der er integreret i Alibre CAD. Det fungerer faktisk ret godt.

Jeg startede med at fræse den i abs plastik – og konceptet var super. I praksis kunne jeg dog ikke fræse sekskanten med en 2mm fræser (og jeg har ikke rigtigt held med mindre fræsere). Men det gjorde ikke så meget – jeg klemte den bare ned over og sekskanten og satte låseskruen i.

Og voila – havde jeg en ny låsearm:
20150922_192609

Helt perfekt – bortset fra at den ikke kunne holde…:

20151101_163754

Nå – men så må det jo blive i aluminium i stedet.

Jeg har eksperimenteret med aluminium i fræseren. Jeg brugte en feed and speed calculator (link).. Konklusionen er at med max spindelhastighed (~13.000 o/min), 2-skærs 2mm fræser, 1mm spåndybde og køle med sprit – ja så virker 200mm/min fint.

Så jeg reprogrammerede CAM-jobbet og kørte en tur mere i fræseren – nu i 2mm aluminium.

20151101_164452

Som det kan ses laver den lidt rigeligt med grater – måske fræseren skulle have været skiftet til en ny og skarpere…

Men efter at have givet låsearmen en tur med filen så lykkedes det at montere den:

20151101_165056

20151101_165203

Og i samlet tilstand:

20151101_165246

Så må vi se om det kan holde i alu…