myhobby-CNC
Während ich mich mit meinem Hobby beschäftigt habe, und viel und lange im Internet unterwegs war, stieß ich bei meinen Streifzügen auf sehr interessante Projekte. Diese fand ich so interessant, dass ich sie alle gerne nachgebaut hätte. Wie auf der Startseite schon erklärt, war für mich der Einkauf der "Kit´s" meist mit dem Import aus dem Ausland verbunden, und dann mit Port +Verpackung +Zoll vom Preis her nicht mehr interessant.
Dann wollte ich die Einzelteile hier in Deutschland für mich fertigen lassen, was sich auch wieder für Einzelstücke nicht rentiert hat.
Als Letztes habe ich mir dann überlegt: "Wenn ich die Sachen so gut finde, vielleicht gibt es noch weitere interesssierte Hobby Enthusiasten, die auch so einen Bausatz erwerben und zusammenbauen wollen!". Ich habe dann die verschiedenen Einzelteile in kleineren Serien und Stückzahlen herstellen lassen, und zu Bausätzen zusammengestellt, die für die Käufer dann ohne weitere Einkaufstouren durch die diversen Bau- und Internetmärkte zusammengebaut werden können. So spart sich der Käufer die Portokosten für die vielen Kleinbestellungen und Einrichtungskosten (Rüstkosten) für die Herstellung von Einzelstücken bei Herstellern.
Auf den folgenden Seiten werden die von mir ausgewählten Projekte vorgestellt und genauer beschrieben.
MakerSlide
MakerSlide ist weniger ein Projekt als eher eine Entwickung, die Grundbaustein für viele weitere Projekte ist.
Dem MakerSlide liegt die Idee zugrunde, dass man ein Konstruktionsprofil (Standard ALU-Nutenprofil) mit einer Führungsschiene kombiniert. So muss z.B. bei einer Portalfräse nicht erst mit Stahlblechen oder Aluprofilen der Rahmen aufgebaut werden, auf den dann noch, meist zum nochmal demselben Preis, eine Führungsschiene aufgeschraubt werden.
Hier ist Konstruktionsprofil und Führungsschine eins.
Die Führungsschiene besteht aus einem dreieckigen Profil mit einem 90 Grad "Dach", auf dem entweder Laufrollen oder Gleitlager verwendet werden können.
Zum MakerSlide gibt es zusätzlich die oft benötigten Standardteile wie z.B. einer Universal-Grundplatten, Laufrollen, Abstandsröhren, Exentermuttern usw.
Diese Einzelteile werden sowohl einzeln als auch teilweise in Sets hier angeboten.
ACHTUNG: Der MakerSlide wird nach Millimetern angeboten und abgerechnet. Das bedeutet, der angegebene Preis ist pro mm.
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Shapeoko
Der Shapeoko ist eine kleine Hobby Portalfäse entwickelt von Edward Ford (Dixon, IL). Seine Website ist unter www.shapeoko.com. Die Fräse ist sehr gut für die ersten Gehversuche beim Neueinstieg in die Materie der CNC-Fräsen geeignet. Die nimmt nicht so viel Platz auf dem heimischen Arbeitsplatz weg, funktioniert aber wie eine richtige große Fräse. Der Bearbeitungsraum ist mit 211 x 191 x 75 mm schon ausreichend für manche Hobbyanwendung oder dem Modellbau.
Als Fräsmotor wird eine Handfräse verwendet wie sie in den Baumärkten oder sogar in Supermarktketten erhältlich ist. Damit kann dann Holz und Kunststoff gefräst und Nichteisenmetalle wie Messing und Aluminium graviert werden. Ein Erweiterungssatz ermöglicht das Aufrüsten der Fräse, so dass auch NE-Metalle gefräst werden können.
Die Fräse hat Zahnriemen als Antriebe. Dadurch werden Spannungen, wie bei Gewindetrieben üblich, vermieden. Auch der Aufbau und die Justierung der Bauteile vereinfacht sich enorm. NEMA 17 Schrittmotoren und eine µProzessor Steuerung mit Leistungstreibern übernehmen die Steuerung der Fräse.
Üblicher Weise wird die Fräse von einem Arduino Prozessor gesteuert, auch ein Projekt der Open Source Community. Es kann aber auch jede andere Steuerung, z.B. die preiswerten "China"-Steuerungen mit TB6560 und einer Steuerungssoftware auf dem PC (MACH3, EMC2,..) verwendet werden. Auch die fertigen Boards, mit µProzessor und Leistungsteibern, für 3D-Drucker können hier verwendet werden.
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Shapeoko Umbau
Auch wenn die Shapeoko1, so würde ich die Shapeoko nennen nachdem die Shapeoko2 erschienen ist, schon etwas in die Jahre gekommen ist, so gehört sie dennoch nicht zum alten Eisen. Einige wollen mit der Shapeoko eigentlich nur Platinen fräsen und würden für die Fläche der üblichen Platinen nicht unbedingt eine Shapeoko2 benötigen.
Aber die Shapeoko2 hat natürlich einige Verbesserungen die auch gerade für eine höhere Präzision für das Platinen fräsen schon gut wären. Ich habe mir dann Gedanken darüber gemacht, wie man aus der Not eine Tugend macht und doch noch eine passable Platinenfräse aus einer Shapeoko macht.
Als Erstes habe ich meine Shapeoko auseinander genommen, um Sie dann in neuer Gestalt wieder neu aufzubauen. Die Gantry, also der Laufwagen der X-Achse hatte mir im Original noch nie gefallen. Mir war von Anfang an nicht klar, warum die V-Rollen für die X-Bewegung an der hinteren Platte waren und die für die Z-Bewegung dann an der forderen, also an getrennten Platte. Um die Stabilität zu erhöhen, habe ich beide Laufrollensätze an der forderen (blaue Aluplatte oder Stahl) Platte befestigt. Dazu muss dann auch das Makerslide Profil der X-Achse so gedreht werden, dass die V-Profile vorne sind. Nun sind beide Rollensätze an einer Platte, was die Verwindungen stark reduziert.
Als nächstes sollte die Y-Achse einen beidseitigen Antrieb bekommen, der auch noch im höchsten Maße synchron sein sollte. Für mich war hier die einfachste Lösung, beide Seiten von einer Achse und somit auch von einem Motor antreiben zu lassen. Hier mit zwei Schrittmotoren zu arbeiten erschien mir als zu Aufwändig. Es müsste dann ja auch die Elektronik dafür "sinvollerweise" gedoppelt und synchronisiert werden.
Für die durchgehende Achse musste ich zunächst den Motor mit einem Abstand von 40 mm an eine Seitenplatte befestigen. Es ist hier unerheblich, ob auf der linken oder rechten Seite. Die Abstandsbolzen haben ein M3 Innen-/und ein Außengewinde. Das Außengewinde kommt in den Motor, das Innengewinde wird mit 4St. M3x12 Schrauben am Blech befestigt.
Die gelaserten Löcher in den Seitenplatten, durch die bisher die Motorachse ragte, haben einen Durchmesser von 13 mm. Da passen genau die Kugellager F695 ZZ rein. Das sind Flanschkugellager, die mit ihrem Flansch von innen gegen ein durchfallen des Kugellagers nach außen geschützt sind. Bei den Platten ist darauf zu achten, dass das gelaserte Loch an einer Seite etwas kleiner ist als auf der anderen. Das liegt am Laserprozess. Also vorher ausprobieren, wie die Kugelleger leicht rein gehen. Ev. etwas nachfeilen. Das Kugellager wird auf beiden Seitenplatten der Y-Achse verwendet, immer jeweils der Flansch nach innen. Auf der zweiten Y-Platte sind dann noch zwei zusätzliche Umlenkrollen so an zu schrauben wie bei der ursprünglichen Platte mit dem Motor.
Durch die beiden Kugellager wird nun eine Achse mit 5 mm Außendurchmesser geschoben. Dass kann eine M5 Gewindestange sein (schlechte Wahl, die ist etwas kleiner als 5 mm) oder eine Achse aus Aluminium oder geschliffenem Präzisionsstahl (bessere Wahl).
Während die Achse durch die Kugellager von der offenen Seite, also die ohne Motor, geschoben wird, müssen auf die Achse noch zwei Pullys wie auf eine Perlenkette aufgereiht werden. Die Pullis werden im Innenraum der Fräse so auf die Achse gefädelt, dass die Seiten der Pullys mit den Madenschrauben jeweils nach außen zeigen. Die Pullys werden dann mit der Hand jeweils von innen gegen die Kugellager gedrückt und die Madenschrauben festgezogen. Vorher wird aber noch direkt beim Motor eine flexible Kupplung mit beidseitiger 5 mm Bohrungen auf die Motorachse und die 5mm Achse aufgeschoben. Zwischen der Motorachse und der 5mm Achse sollte in der flexiblen Kupplung ein paar mm Luft sein.
Zum Schluß sind noch auf beiden Seiten die Zahnriemen und die Zahnriemenhalter zu montieren.
So ist die Shapeoko1 nun bestens für das Fräsen von Platinen vorbereitet. Mit einem geeigneten Fräsmotor und einem entsprechenden Stichel kann die Arbeit beginnen.
Neu am Markt ist eine fantastische Host Software, die bestens für das Platinenfräsen geeignet ist. Sie nennt sich chilipeppr und ist unter chilipeppr.com erreichbar. Hier muss keine Software installiert werden. Die komplette Anwendung läuft im Webbrowser. Die Kommunikation wird über virtual COM-Port und USB an den Arduino mit GRBL V0.9x Firmware hergestellt. In die Software kann direkt eine *.BRD Datei (Eagle PCB Format) per Drag-and-Drop geschoben werden. Die Leiterbahnen werden dann "freigestellt", der Stichel automatisch auf die Länge genullt und los geht´s!
Ich hoffe diese kann eine Anregung für all diejenigen sein, die sich mit dem Gedanken des Platinenfräsens befassen. Es muss nicht immer die teuerste Fräse sein.
Shapeoko 2
Die Shapeoko 2 Fräse ist eine konsequente Weiterentwicklung der beliebten Einsteigerfräse Shapeoko.
Edward Ford, der Entwickler beider Fräsen hat sich die Kundenwünsche zu Herzen genommen, und auf Basis der bisherigen Komponenten eine vollkommen neue und sehr skalierbare Fräse geschaffen. Außerdem hat die Fräse nun, auf vielfachen Kundenwunsch, standardmäßig einen Antrieb auf beiden Seiten der Längsachse bekommen und die Querachse wurde durch den Einsatz von doppelten Profilen sehr viel robuster und stabiler.
Die neu Fräse kann nun sowohl in der X-Achse als auch in der Y-Achse nach Kundenwunsch bemessen sein. Dabei können alle Shapeoko 2 Komponenten beibehalten werden. Lediglich die MakerSlide-Profile und die Zahnriemen müssen in der gewünschten Länge neu beschafft werden.
In der Standardversion mit 500mm MakerSlide-Profilen auf der X-, und Y-Achse hat die Fräse dann einen Bearbeitungsraum von ca. 300x300x70mm.
Die Z-Achse ist vom prinzipiellen Aufbau auch gleich geblieben. Es hat sich nur die "Orientierung" gedreht. Was früher fest war ist jetzt beweglich und umgehehrt. Gewünschter Nebeneffekt dieser Drehung ist eine höhere Steifigkeit der Achse, mehr Verfahrweg und eine höhere Flexibilität für die Montage des Fräsmotors.
Auch die meisten Einzel- und Kleinteile der alten Shapeoko Fräse können bei einem "Upgrade" für die neuen Shapeoko 2 verwendet werden. So dass für einen gewissen Investitionsschutz gesorgt ist. Es besteht auch die Möglichkeit, z.B. für die alte Shapeoko nur neue Rahmenbleche anzuschaffen, und so die alte Fräse zu verbreitern. Alles andere kann von der alten Fräse übernommen werden.
Die neuen Blechteile habe aber auch Detailverbesserungen bekommen. So bieten die neuen Bleche für die Laufwagen schmale Langlöcher für Mikroschalter, um eine automatische Nullpunkt-Kalibrierung zu ermöglichen. Die neuen Langlocher für die Schrittmotoren ermöglichen das Spannen der Zahnriemen durch verschieben der Motoren. Dadurch ist das Spannen durch zusätzliche Spanner an den Zahnriemenenden nicht mehr nötig. Auch die Befestigung der Zahnriemenenden erleichtert sich dadurch erheblich.
Die Rahmenbleche haben zusätzliche Löcher zur Profilbefestigung und auch Rechtecklöcher für die Zahnriemendurchführung bekommen. Dadurch hat man nun die Möglichkeit NEMA 17 oder 23 Motoren zu verwenden. Die Zahnriemen dicht am Aluprofil oder mit etwas Abstand zu führen, oder den Zahnriemen im inneren des Laufwagens oder außerhalb laufen zu lassen.
Fazit:
Abschließend kann man sagen, dass Edward mit nur wenigen technischen Änderungen viele neue Möglichkeiten, und eine vollkommen neue sehr modulare und robuste Fräse geschaffen hat. Der Investitionsschutz ist im hohen Maße gegeben, und man kann auch Alt mit Neu und umgekehrt kombinieren.
Die neue Fräse ist eine konsequente Weiterentwicklung in Richtung "Semiprofessionell"!
Weiterführende Links:
WoodPecker
Der Woodpecker ist eine eigene Entwicklung mit Anlehnungen an viel verschiedene Projekte im Internet. Ziel dieser Entwicklung war die Reduzierung der Kosten, Reduzierung der Komplexität und dennoch guter Eignung für den Hobbybereich.
Der Name WoodPecker wurde gewählt, da die meisten Teile der Fräse selber aus Holz bestehen, und die Fräse auch meist für die Bearbeitung von Holz geeignet ist.
WoodPecker ALU
Die Fräse WoodPecker ALU ist eine eigene Weiterentwicklung der WoodPecker. Die WoodPecker ALU ist entstanden, weil die Nachfrage nach größeren Bearbeitungsbereichen aufgekommen ist. Bei diesen Ausmaßen hat Holz als Material nicht mehr die benötigte Stabilität, bzw. müsste aufwendiger unterstützt werden.
Auch bei der WoodPecker ALU wurde auf eine einfache Bauweise und möglichst geringer Anzahl Bauteile geachtet.
Die beiden X-Achsen, hier vor und zurück, werden über einen Mittelmotor und Zahnriemen auf beide Seiten synchronisiert. Daher gibt es im Ernstfall keine ungleichmäßigen Schrittverluste mehr, und es wird nur eine 3-Kanal und nicht eine 4-Kanal Schrittmotorsteuerung benötigt.
Die gesammte Konstruktion besteht aus massiven 80x80 mm Aluprofilen, die mit den Füßen (gelaserte 10mm Alubleche) verwindungssteif verbunden werden. Mit dieser Konstruktion besteht auch die Möglichkeit, die X- und Y-Achsen nach individuellen Wünschen zu erweitern.
An allen Achsen sind Gewindestangen von Typ TR12x3 mit einer spielfreien Kunststoffmutter verbaut. Somit besteht auf jeder Achse mit einem Standardmotor mit 200 Steps/U eine physikalische Auflösung von 0,015 mm ohne Microstepping. Mit z.B. 1/8 Microstepping wird eine Auflösung von 0,001875 mm erreicht.
Verfahrwege (ca.):
X: 590 mm
Y: 680 mm
Z: 110 mm
Eventorbot
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ORD-Bot
CO2-Laser
Rostock
GRBL-Shield-CNC
Es gibt sehr viele verschiedene Shields für die ARDUINO-Boards am Markt. Unerklärlicher Weise aber nur sehr wenige zur Ansteuerung von Schrittmotoren. Davon haben nur wenige mehr als einen Kanal oder aber sind zu unflexibel für die Nutzung!
Im Hobby CNC-Bereich, dazu zählen DIY-Fräsen, CO²-Laser oder auch 3D-Drucker hat sich eine spezielle Steuerungsfirmware namens GRBL stark verbreitet. Die Software wurde von Simen Svale Skogsrud (Norway) begonnen und bis 2011 auch weiterentwickelt. Danach haben weitere Entwickler der OpenSource Gemeinde das Projekt weiter vorangetrieben. Die aktuelle Version davon ist v0.9g (Stand: 5.9.2014).
GRBL hat eine spezielle immer gleiche Belegung der Pins des ARDUINO-Boards. Die Pinbelegung ist aus folgender Grafik zu sehen.
Auf der Suche nach einem flexiblen und leistungsfähigen GRBL-Shield sind wir im Internet auf Suche gegangen. Die Shields hatte alle ihre Vor- und Nachteile. Und sei es nur eine schwierige Beschaffung. Letztendlich haben wir uns für eine Eigenentwicklung (basierend auf verschiedenen Entwicklungen im Internet) entschieden, die so wie wir hoffen, alle unsere Ansprüche erfüllt.
Für die Entwicklung hatten wir uns folgende Ziele gesetzt:
- Platz für bis zu 4 Schrittmotor-Treibern!
- Treiber müssen einzeln als Steckmodule austauschbar sein!
- Die Treiber sollen kompatibel zum POLOLU-Layout sein!
- Zwei Treiberbausteine müssen sychronisierbar (clone), für Dual-Motrobetrieb sein!
- Preiswerte Herstellung!
- Keine komplizierten Bauteile mit schwieriger/teurer Beschaffung!
- Platine in Shield-Form unter Nutzung des GRBL-Pin-Layouts!
Dabei spielte weniger eine ausgeklügelte Elektronik die Rolle, als vielmehr eine geschickte Plazierung der Bauteile. Daher ist die Bestückung der Platine auch relativ einfach.
Eine bestückte Platine ist im folgenden Bild zu sehen.
Mit dem Shield haben wir alle unsere Ziele erreicht. Ohne die Firmware individuell anpassen zu müssen, kann das Shield für unterschiedlichste Zwecke verwendet werden. Es ist noch einigermaßen preiswert und sehr flexibel. Die Einhaltung des "POLOLU-Standards" für die Treiberbausteine ermöglicht die gemischte Bestückung der Treibersteckplätze und einen individuellen Austausch der Module z.B. durch einen Defekt einer Stufe.
Die zusätzlich herausgeführten restlichen Pins des ARDUINO, bietet Platz für weitere Erweiterungen wie z.B. einer Anzeige, einer Fernsteuerung oder externer Endstufen (z.B. mit TB6560).
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myStepper
Ich habe immer schon nach einem Board gesucht, auf dem ich alles zusammen auf einem Board habe, was ich für den Betrieb meiner Fräsen und 3D-Drucker benötige. Bei meiner Suche bin ich dann im Shapeoko-Forum auf die gemeinsame Entwicklung des XStepper gestoßen.
Im Prinzip war auf dem Board alles drauf was ich gesucht hatte. Wichtig für den Nachbau war für mich auch, dass es aus THT (Through Hole Technology) Bausteinen bestehen sollte, da diese gut selber zu löten sind. Außerdem sollten die Treiberbausteine für die Schrittmotoren als POLOLU-Kompatible Steckmodule ausgeführt sein.
Der XStepper hatte diese Erwartungen bereits erfüllt. Plus USB-to-RS232 Schnittstelle und weitere sinnvolle Schnittstellen! Allerdings wollte ich ganz gerne noch die Möglichkeit haben, einen ARDUINO PRO MICRO direkt auf das Board zu stecken, wenn man entweder auf einen ATMega328P verzichten möchte oder den FTDI Chip (SMD-Baustein auf der Rückseite der Platine) für die USB-to-RS232 nicht bestücken möchte. Der PRO MICRO hat ja bereits eine eigene USB-Schnittstelle mit On-Board.
Ich habe dann die Platine in so weit erweitert, dass alle meine zusätzlichen Anforderungen erfüllt wurden. Dabei habe ich dann auch, um Verwechselungen zu vermeiden, den Namen in myStepper umbenannt.
Die Eckdaten des Boards sind nun:
- Betrieb mit ATMega328P oder ARDUINO PRO MICRO.
- 4x Steckplätze für POLOLU-Treiber.
- Clone-Funktion für den 4ten. Kanal.
- USB-Schnittstelle für USB-B/Mini-USB-Buchse mit FTDI232 chip.
- Alt. USB-Betrieb mit FTDI-to-TTL Adapter.
- Alt. USB-Betrieb via Bluetooth.
- Spannungsregelung für 5 und 12 V.
- Separater Eingang für Treiberspannung bis 34V.
- Buchsen für drei Endschalter (X-, Y-, Z-Achse).
- Alternative Motoranschlüsse als Pfostenleiste oder Schraubklemmen.
- Weitere Ausgänge für Steuerungssignale über RJ45 Buchse.
Nach einer kurzen Änderungssitzung am Layoutprogramm und nachfolgendem Entflechten der Platine, ist dann das neue myStepper-Board herausgekommen.
Der Aufbau des Prototypen hat dann auch die Funktionsfähigkeit bewiesen.
Mit dem normalen USB-B Anschluss, FTDI-232 Baustein und ATMega328P hat sich das Board bereits bewährt. Bluetooth-Modul (JY-MCU 06) wurde auch schon erfolgreich getestet.
Als nächstes möchte ich die Firmware TEACUP auf den PRO MICRO bringen und damit dann einen 3D-Drucker ansteuern. Mal sehen wie lange das braucht!
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Neue Produkte
Ich habe nun endlich ein paar neue Produkte in den Shop eingestellt. (19.08.13)