Dienstag, 28. Februar 2017

Bionic Z-Axis Video Online


Freitag, 24. Februar 2017

Pushing Hard - Feedrate up to 6000 mm/min moving over 120 KG

Hier präsentiere ich die Ergebnisse der letzten Tage um auf die Closed Loop Stepper umzusteigen. Weitere Probleme und Lösungen die auf dem Weg der Umrüstung auftraten werden in kommenden Blogposts besprochen. Zur Erinnerung welcher Stepper und Motor es sind (hier klicken)


Edit 25.02.2017:

Die Auflösung wurde nun verändert von 3200 Steps/Umdrehung auf 6400 Steps/Umdrehung und die Schrittmotoren laufen etwas sanfter, jedoch pfeift das rechte Festlager, da die Riemenscheiben sowas von schlecht gebohrt sind. Ich versuche eine Alternative mit Spannsätzen zu montieren.
Hier ist ein Video bei F5600 und in Mach4 sind 1280 Steps/mm bei ca. 150-160 Beschleunigung eingestellt. Für mich persönlich sind bereits F3200 ausreichend:

Mittwoch, 22. Februar 2017

Gehäuse für WZW-Welle drehen

Das Gehäuse wird mit beinahe den gleichen Abmessungen hergestellt werden, wie in diesem Video zu sehen ist. Es ist ein sehr gutes Video:

Freitag, 17. Februar 2017

Bauplan updated auf Auflage 9

Heute wurde der Bauplan auf Auflage 9 aktualisiert.
Neuerungen sind:
  • Erklärung der Pokeys57CNC
  • Anschluss und Konfiguration der Pokeys57CNC an eine Chinaspindel
  • Topologieoptimierte Z-Achse

Mittwoch, 15. Februar 2017

Ein steifes Portal - Topology Optimization of a CNC Portal


Oft steht einem Hobbymodellbauer die Fragestellung im Sinn, wie soll das Portal aussehen, damit es sehr steif ist? In diesem Blogpost soll ein optimales Portal betrachtet werden. Die Grundlagen und Bedeutungen einer Topologieoptimierung können Sie in diesem Post nachlesen (klick). Würde das Portal aus einem Stück hergestellt werden, so sieht der Designbereich wie folgt aus:

Die Führungswagen befinden sich unter den Portalwangen. Die Anbindungen für die Kugelgewindetriebe sind bei diesem Konzept an den Seiten der Portalwangen angebracht. Die Z-Achse befindet sich in der Symmetriebene. Es wurden folgende Lasten in der Spindelaufnahme angesetzt. In der XYZ Richtung wurden jeweils 1000 N angebracht. Als Drehmoment wirken 10 Nm ein. 
Die Portalwangenhöhe ist hier 300 mm, die Portalwangenbreite 150 mm. Das Portal hat eine Gesamtbreite von 750 mm. Die Z-Achsenplatte ist 150 mm breit und 30 mm stark. Die Frässpindelaufnahme hat einen Durchmesser von 80 mm (2,2 kW Spindeln). Das Material ist Aluminium AW 6061. 
Im nachfolgenden sehen Sie eine 3D-Darstellung (hier: großer 3D Viewer und *.STL - Downloadmöglichkeit) der Optimierung, leider auf die Seite verkippt. Sie können die 3D-Ansicht mit der Maus bewegen und auch mit dem Mausrad rein- und rauszoomen. Das laden dauert ein wenig, da das Modell 8.0 MB groß ist. Die Optimierung ist sehr stark vereinfacht und bezieht sich nur auf eine in der Mitte liegenden Z-Achse. 

Das GIF zeigt das Verhalten der der Struktur bei Verformung/Deformation:

Hier wird wieder deutlich, wie wichtig die seitlichen Wangen an der Z-Achse sind. Auch die seitlichen Portalwangen müssen absolut nicht so dick gestaltet sein, wichtiger ist die horizontale Verbindung, d.h die Traverse. Es muss verhindert werden, dass sich eine "parallelogrammähnliche" Verschiebung ergibt. Die Verschiebung die durch das Fräsen in X-Richtung entsteht sollte deshalb auf jedenfall mit seitlichen Verrippungen an den Portalwangen versteift werden. Ein gutes Beispiel hierzu ist die seitliche Versteifung der "Ripper" von Max Mali, mir fällt gerade auf, dass die Aussparungen an den Portalwangen von Ihm auch sehr geschickt gewählt wurden. 
Eine weitere Auffälligkeit der optimierten Lösung sind die weggerechneten Eckbereiche, hier scheint keine große Belastung einzuwirken. Selbstverständlich würde das Design bei einer vollständigen Topologieoptimierung ein wenig anders aussehen. Hiermit ist der Beweis erbracht, dass die Portalwangen an den passenden Stellen ausgespart werden können und auch wieder an den richtigen Stellen versteift werden müssen. Ich hoffe ich konnte Ihnen die Verschiebungen und diesen Ansatz näher bringen. 

Sonntag, 12. Februar 2017

Günstiger, automatischer Werkzeugwechsler - Cheap Automatic Tool Changer

Jeder möchte sich die mühselige Arbeit ersparen ständig die Werkzeuge per Hand zu wechseln. Hierfür wird eine sog. "ATC" Spindel benötigt. Solche Spindeln kosten jedoch mit entsprechender Leistung (min. 3kW) ungefähr 2500€ ohne Einfuhrgebühren!
Eine attraktive Alternative scheint der Einbau einer WZW-Austauschwelle. Es gibt solche, die für den Austausch an einer
WZW-Austauschwelle (Optimum)

  • Optimum BF20 (SK20, für ER16 oder ER20 Spannzangen, Einzugskraft 1500N, 429€) oder einer 
  • Wabeco (SK30 für ER25 Spannzangen, Einzugskraft 2000N, 499€) gedacht sind. 
Die Rundlaufgenauigkeit ist für mich mit 0,02 mm ausreichend. Das Material scheint auch mit 16MnCrMo4 (Optimumvariante) geeignet. Der primäre Vorteil des Umbaus ist, dass im Defekt jedes Teil selbst ausgetauscht werden kann. Würde eine China ATC-Spindel defekt werden, so muss diese eingeschickt werden. In folgender Konstruktion ist der Antrieb getrennt von der WZW-Einrichtung, somit ist der Austausch des Motors sehr einfach und kostengünstig, denn eine China Ersatzspindel kostet mit FU aktuell nur ca. 334 €. In diesem Konzept treibt die Chinaspindel über einen Riemen das Riemenrad, welches an der WZW-Austauschwelle befestigt wird an. Im Inneren der "roten" Welle befindet sich der Auswerferstift, welcher später betätigt werden soll.

Für den Einsatz müssen einige Modifikationen durchgeführt werden:

  • Spiralfeder auf Tellerfedern austauschen (wg. Unwucht)
  • Kerbzahnwelle kürzen
  • Auswerferbetätigung ins Innere verlegen, bisher ist diese durch einen Druckring realisiert
  • Auswerferbetätigung (Hauptteil dieses Blogposts)
  • Riemenspanner entwerfen
Für die Austauschwelle wird ein Gehäuse benötigt. Nachfolgend ist ein Gehäuse konstruiert worden, Tellerfedern eingelegt, ein zweites Kegelrollenlager (gelb) eingefügt worden, eine Feingewindemutter M24 und ein Zahnriemenrad.
 Für den Werkzeugauswurf werden 5 mm Weg benötigt. Die Tellerfedern haben nun eine Federkraft von 3500N. Ein Kniehebelspanner würde hier gute Arbeit leisten. Werden am gelben Kolben nun 3500N angelegt, so muss der Pneumatikzylinder ca. 1800N aufbringen.
Dieser Aufbau ist für meine Z-Achse jedoch ungeeignet, da der Pneumatikzylinder zu weit oben stehen würde. Ich möchte auch bei 6 bar noch "sicher" durchdrücken können. Bei 7 Bar würde ein D63 mm Kolben ausreichen.
Ein etwas anders angeordneter Kniehebelspanner, wie auch die Fa. Tünkers diesen baut, kann noch einiges rausholen. Ich habe eine Bewegungssimulation mit 40mm Schenkeln aufgebaut. Bei ca. 5mm lasse ich die 3500N (blauer Pfeil) drauf wirken. Laut Animation werden bei 40 mm Zylinderhub (linker roter Pfeil) nur noch 1200N benötigt.
Leider ist bei mir nun wieder das Problem, dass auch dieser "geniale" Kniehebel nicht gut ist, da nur ein 50er Kolben gedacht wäre bei (F=1240N bei 7bar).
Für mehr Sicherheit muss also ein zweiter Kolben her und ein zweiter Kniehebel. Das ganze wird Spiegelsymmetrisch aufgebaut. Bei 40er Schenkellängen würde eine Zylinderhubkraft von 1000N notwendig werden. Dies würden dann zwei 50er Zylinder schaffen. Sehr gut, dann haben wir doch jetzt eine funktionierende Lösung, denn bei 4bar schafft ein 50er Zylinder F=707N.
Wird nun das ganze so aufgebaut, dass auch die Zylinder platz finden. So werden die 40 mm Schenkellänge ganz schnell zum Platzproblem. In der folgenden GIF-Animation sind nun 2x 50er Zylinder und 20er Schenkel verbaut:
Die Auswerferbetätigung (der Pin) wäre in der Symmetrieebene. Hier wird auch ganz schnell klar, dass eine besondere Anordnung der Kniehebel zueinander erforderlich wäre um den Pin sorgfältig nach unten zu drücken. Nicht wie oben abgebildet, denn da schneiden sich beide drückenden Schenkel. Dies erfordert deutlich mehr Aufwand. Mir war auch nach sorgfältiger Überlegung auch keine gute "Drückplatte" oder ähnliches eingefallen, da auch die Zylinderbewegung synchron ablaufen muss. Die Teile für die Schenkel müssten auch eine Eigenanfertigung sein. Viel zu aufwändig. Eine weitere Alternative dazu ist der Eigenbau-Druckluftzylinder:




Der Zylinder ist eine "Rennbahn" 150x50 und besteht aus 5mm Wandungen und 2x5 mm Druckplatte aus AW6061. Bei 8 Bar hält dieser das problemlos aus, bis auf den Stift in der Mitte. Dieser Eigenbauzylinder erfordert dennoch viel Arbeit und Aufwand. Die resultierende Kraft, die bei 8 Bar erreicht werden könnte liegt bei 5.16kN. Ich habe jedoch bedenken, dass sich der bewegliche Kolben aufgrund der geringen Führungslänge, ohne weitere Konstruktionsmaßnahmen schiefstellen könnte und somit nicht mehr funktionieren würde
Aus vorangehender Recherche kenne ich die "Hochkraftzylinder" oder die sog. "Tandemzylinder". Diese werden bei der Tormach, X2 oder diversen anderen Säulenfräsmaschinen verwendet (Stichwort: "Drawbar CNC"). Nun habe ich einen günstigen, passenden 3-Fach, D63 Festozylinder mit 15mm Hub gefunden: 
Der "FESTO ADVUT- 63-X3-15-P-A. 161142" erreicht bei 6 bar bereits F=5234N und wurde auf ebay.de für nur 50 € erworben. Der ADVUT (bis 2010 gebaut) ist der Vorgänger vom ADNH Zylinder. Ich empfehle einen ADVUT, da älter und deutlich mehr angeboten wird. Auch die CAD Modelle sind bei FESTO noch verfügbar.
Jetzt fehlt nur noch der Riemenspannermechanismus :-)