Aufbau eines CNC-Fräsers

Ich habe vor kurzem angefangen, an meinem eigenen Tutorial-Blog makerguides.com zu arbeiten. Ich habe derzeit mehrere Arduino-Tutorials zur Verwendung von Sensoren und zur Steuerung von Schrittmotoren geschrieben:

  • So steuern Sie einen Schrittmotor mit A4988-Treiber und Arduino
  • Tutorial zum Ultraschall-Abstandssensor HC-SR04
  • 28BYJ-48 Schrittmotor mit ULN2003-Treiber und Arduino-Tutorial

Fühlen Sie sich frei, sie zu überprüfen und vielleicht einen Kommentar mit einem Feedback zu hinterlassen, danke!

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Diese Anleitung zeigt Ihnen, wie ich meinen CNC-Fräser gebaut habe. Ich hoffe, Sie können sich von meinem Build inspirieren lassen und diese Anleitung wird für Ihre zukünftigen Projekte hilfreich sein. Diese Anleitung zeigt alle Schritte, die ich beim Entwerfen und Erstellen dieses CNC-Fräsers durchlaufen habe.

Das Wichtigste, was ich an einem CNC-Fräser mag, ist, dass er so vielseitig ist. Sie können es als Bohrmaschine, Fräser, Säge, Mühle und sogar als Drehmaschine verwenden. Da meine Werkstatt sehr klein ist (es ist eher wie ein Schuppen), hatte ich nicht Platz für all diese Werkzeuge, aber ich wollte trotzdem sehr präzise Teile für verschiedene Projekte herstellen können. Deshalb habe ich angefangen, über den Bau eines CNC-Fräsers nachzudenken.

Nach einigen Recherchen entschied ich mich, meine eigene Maschine zu entwerfen und zu bauen. Ich habe fast 6 Monate gebraucht, um die Maschine von Anfang bis Ende zu bauen und zu konstruieren. Bevor ich mit dem eigentlichen Entwurf der Maschine begann, habe ich viel im Internet recherchiert. Ich empfehle einen Blick auf die folgenden Websites: cncroutersource.com und cnczone.com. Diese Websites bieten Ihnen eine Menge Informationen und beantworten die meisten Ihrer Fragen zu CNC-bezogenen Themen.

Bitte beachten Sie:

Ich habe diesen CNC-Fräser als Abschlussprojekt für die Schule gebaut (in den Niederlanden auch 'profielwerkstuk' genannt). Als ich mit dem Bau anfing, war ich 16 Jahre alt und habe ihn mit 17 Jahren fertiggestellt. Obwohl ich in der Vergangenheit einige größere Projekte durchgeführt habe und in den letzten Jahren FTC-Robotik betrieben habe, hatte ich das nicht viel Erfahrung mit dem Bau von CNC-Maschinen. Diese Maschine ist tatsächlich die zweite CNC-Maschine, die ich gebaut habe. Die erste war eine hölzerne Testmaschine, die ich gebaut habe, um Erfahrungen zu sammeln und mehr über CNC-Maschinen zu erfahren. Ich habe versucht, diese Maschine so gut wie möglich zu bauen, mit den Werkzeugen, dem Wissen und dem Budget, das ich damals hatte. Ich denke, die Maschine ist ziemlich gut herausgekommen und ich hoffe, Sie genießen es, darüber zu lesen.

Schritt 1: Das Design - Werkzeuge und Material

Bevor Sie mit dem Bau einer Maschine beginnen, müssen Sie immer eine Art Entwurf erstellen. Manchmal müssen es nur einige Skizzen auf einem Blatt Papier sein, aber für diese Maschine war eine genauere dreidimensionale Zeichnung erforderlich. Ich habe mein Design mit Google Sketchup erstellt. Google Sketchup ist ein kostenloses CAD-Programm, das Sie aus dem Internet herunterladen können. Ich fand es sehr einfach, damit zu arbeiten, obwohl ich noch nie zuvor mit einem CAD-Programm gearbeitet hatte. Mit anderen Programmen wie Autocad können Sie nicht so komplizierte Designs wie möglich zeichnen, aber für meine Zwecke hat es einwandfrei funktioniert.
Mein Hauptziel war es, alle richtigen Abmessungen für meine Teile zu erhalten, damit ich sie online bestellen kann. Ich wollte sehen, ob alle meine Teile zusammenpassen würden. Da die Maschine aus vielen beweglichen Teilen besteht, wollte ich sicherstellen, dass sich beim Betrieb der Maschine nichts trifft.
Als ich anfing, die Maschine zu entwerfen, hatte ich bereits einige Teile wie die Linearschienen und die Kugelumlaufspindeln. Ich habe diese von jemandem gekauft, der eine Testmaschine für seinen Webshop gebaut hat. Ich habe für diese Maschine dieselbe Elektronik verwendet wie für die hölzerne Testmaschine, die ich zuvor gebaut hatte.

Dies sind die Grundabmessungen und Teile, die für die Maschine verwendet werden:
Gesamtabmessungen
X: 1050 mm
Y: 840 mm
Z: 400 mm
Reise
X: 730 mm
Y: 650 mm
Z: 150 mm

Die Länge der Schienen und Kugelumlaufspindeln hängt von der Größe der Maschine ab, die Sie bauen möchten.

Elektronik
- - 3x 3 Nm Nema 23 Schrittmotoren

- 3x DM556 Leadshine Schrittmotor Treiber

- 36V Spannungsversorgung (für Schrittmotoren)

- Breakout-Board
- 5V Stromversorgung (für Breakout Board)

Besser: Ethernet Smoothstepper (verwendet keinen LPT-Port im alten Stil).

- Ein / Aus Schalter
- Abgeschirmter 18/4 Awg Draht
- 3x Näherungssensor (Endschalter)

Sie können auch ein komplettes Elektronik-Kit kaufen, das Schrittmotoren und Treiber enthält. Diese funktionieren einwandfrei, können aber manchmal von geringerer Qualität sein als echte Leadshine-Treiber.

- Spindel : Kress FME 800 oder Bosch Colt oder Dewalt Compact Router

Wenn Sie auch Aluminium und andere Nichteisenmetalle schneiden möchten, ist eine wassergekühlte oder luftgekühlte Spindel viel besser. Sie können ein Kit kaufen, das alles enthält, was Sie brauchen. Ich habe dies als Upgrade nach Fertigstellung meiner CNC gekauft

Optional:

- Elektronikgehäuse
- Energiekette
- Anschlüsse

Mechanisch

- Lineare Schienen: X: SBR 20 Y / Z: SBR 16

- Kugelumlaufspindeln: X / Y: 16 mm 5 mm Abstand

Sie können viel Geld sparen, indem Sie ein Kit kaufen, das Linearschienen und Kugelumlaufspindeln enthält.

- Z-Achsen-Antriebsschraube : M10 mit hausgemachter Delrin-Mutter, aber eine Kugelumlaufspindel wäre besser
- Aluminiumprofile : 30/60 mm Misumi 100 mm
- Aluminiumplatten : 15 mm dick
- CAD / CAM-Software: CamBam / Fusion 360
- Steuerungssoftware: Mach3

Die Maschine besteht fast ausschließlich aus 15 mm dicker Aluminiumplatte und 30 x 60 mm Aluminiumprofilen. Ich habe diesen CNC-Fräser mit einer sehr begrenzten Anzahl von Werkzeugen gebaut. Die Hauptwerkzeuge, die ich benutzte, waren eine Bohrmaschine und eine Drehmaschine. Da ich nicht die richtigen Werkzeuge hatte, um die Aluminiumplatten zu zuschneiden, habe ich die Maschine auf Standardgrößen ausgelegt und die Platten online bestellt, bereits auf Länge geschnitten. Die von mir verwendeten Aluminiumprofile wurden ebenfalls abgelängt und bei misumi Europe bestellt.

Bei der Entwicklung eines CNC-Fräsers ist es hilfreich, sich einige Fragen zu stellen. Hier finden Sie den Entwurfsprozess, den ich für meinen CNC-Fräser durchlaufen habe.

Welche Art von CNC-Fräser möchten Sie bauen?
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von CNC-Fräsern: das Moving-Table-Design und das Moving-Gantry-Design. Moving Table-Designs werden häufig für kleinere CNC-Fräser verwendet. Sie sind einfacher zu konstruieren und können steifer gebaut werden als eine Maschine im Stil eines beweglichen Portals. Der Nachteil beim Bewegen des Tisches anstelle des Portals besteht darin, dass die Gesamtfläche der Maschine im Nachhinein zu ihrem Schneidumschlag etwa doppelt so groß ist wie bei einem beweglichen Portal. Daher ist es wahrscheinlich besser, eine Maschine im Stil eines beweglichen Portals herzustellen, wenn Ihr Schneidumschlag größer als etwa 30 x 30 cm ist. Da ich eine Maschine mit einer Schnitthülle von ca. 65 x 65 cm bauen wollte, verwendete ich das Design im Stil eines beweglichen Portals.

Was möchten Sie mit dem CNC-Fräser schneiden?
Dies bestimmt so ziemlich jede Antwort auf die folgenden Fragen. Ich wollte die Maschine hauptsächlich für Sperrholz, Harthölzer und Kunststoffe verwenden, aber auch für Aluminium. Wenn Sie Materialien härter als Aluminium schneiden möchten, empfehle ich den Bau einer CNC-Fräse anstelle eines Fräsers.

Welches Material werden Sie für den Bau der Maschine verwenden?
Dies wird durch die obige Frage bestimmt. Eine gute Richtlinie ist, dass das Material, mit dem Sie die Maschine konstruieren, stärker oder so stark ist wie das Material, das Sie schneiden möchten. Wenn Sie also Aluminium schneiden möchten, sollten Sie Aluminium oder sogar Stahl verwenden, um die Maschine zu bauen. Ich habe hölzerne CNC-Fräser gesehen, die Aluminium schneiden können (einige finden Sie auf Youtube), aber dies ging sehr langsam und die Maschinen müssen sehr gut konstruiert sein. Da ich mit diesem CNC-Fräser Aluminium schneiden wollte, habe ich ihn aus Aluminium gebaut. Ich hätte Stahl verwenden können, aber das ist schwieriger zu bearbeiten und ich hatte nicht die richtigen Werkzeuge dafür.

Welche Verfahrstrecke benötigen Sie für jede Achse?
Meine erste Absicht war es, einen CNC-Fräser zu bauen, der Blechwaren in Standardgröße wie Sperrholz und MDF verarbeiten kann. In den Niederlanden sind dies 62 x 121 cm. Für die Y-Achse wollte ich also eine Verfahrstrecke von mindestens 620 mm. Die Maschine befindet sich in einem kleinen Schuppen in meinem Hinterhof mit sehr wenig Platz. Ich konnte die Maschine nicht zu groß machen, weil sie dann wirklich in die Quere kam und den ganzen Platz einnahm. Die X-Achse hat also nur 730 mm Federweg. Dies ist weniger als die volle Länge einer Sperrholzplatte (1210 mm), aber ich dachte mir, wenn ich etwas wirklich Großes bearbeiten wollte, könnte ich das erste Teil schneiden, als die Platte nach vorne zu schieben und das letzte Teil zu schneiden. Mit dieser Technik können Sie Teile schneiden, die viel größer sind als die normale X-Verfahrstrecke. Für die Z-Achse habe ich angenommen, dass 150 mm ausreichen würden, um möglicherweise in Zukunft eine vierte Achse zu verwenden.

Welche Art von linearer Bewegung werden Sie für die Maschine verwenden?
Für die lineare Bewegung stehen viele Optionen zur Auswahl: Schubladenführungen, Kugellager auf der V-Schiene, V-Nut-Lager, nicht unterstützte runde lineare Schiene, vollständig unterstützte runde lineare Schiene und lineare Profilschiene. Das von Ihnen verwendete Linearbewegungssystem bestimmt in hohem Maße die Schnittqualität, die Sie erzielen können. Ich würde empfehlen, das beste System zu wählen, das Sie sich leisten können. Nach einigen Recherchen stellte ich fest, dass voll unterstützte Linearschienen die beste Option sind, die ich mir noch leisten kann. Wenn Sie bei ebay oder Amazon nach SBR12, SBR16 oder SBR20 suchen, finden Sie eine Reihe verschiedener Verkäufer und Sets zur Auswahl. Wenn Sie einen 3-Achsen-CNC-Fräser bauen, sollten Sie ein Kit kaufen, das aus drei Sätzen linearer Schienen und zwei linearen Lagern pro Schiene besteht.

Welche Art von Linearantrieb verwenden Sie für jede Achse?
Die grundlegenden Optionen zum Antreiben jeder Achse sind: Zahnriemen, Zahnstange und Antriebsschrauben. Bei hausgemachten CNC-Fräsern werden am häufigsten Antriebsschrauben verwendet. Schraubenantriebssysteme arbeiten, indem sie die stationäre Mutter auf den beweglichen Teil der Maschine setzen und die Schraube an beiden Enden festhalten. Die Schraube wird am Motor befestigt. Wenn sich die Motoren zu drehen beginnen, bewegt sich die Mutter mit dem daran befestigten beweglichen Teil der Maschine entlang der Schraube und setzt die Maschine in Bewegung.
Für die X- und Y-Achse habe ich Kugelumlaufspindeln verwendet. Kugelumlaufspindeln sorgen für eine sehr gleichmäßige Bewegung ohne Spiel. Das Spiel ist das Spiel zwischen der Antriebsschraube und der Mutter und ist etwas, das Sie in einem CNC-Fräser nicht wollen. Wenn Sie mehr über Spiel erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen, einen Blick auf die Website cncroutersource.com zu werfen.
Kugelumlaufspindeln sind teurer als ACME-Schrauben (die eine gute Alternative darstellen), verbessern jedoch erneut die Schnittgeschwindigkeit und Schnittqualität, die Sie erzielen können.
Für die Z-Achse habe ich eine hochwertige M10-Gewindestange aus Edelstahl mit einer hausgemachten Delrin-Mutter verwendet.

Welche Art von Antriebsmotor und Steuerung werden Sie verwenden?
Bei den Motoren gibt es zwei grundlegende Optionen: Servomotoren und Schrittmotoren.
Servomotoren werden hauptsächlich für High-End-CNC-Fräser verwendet und sind sehr teuer. Sie verwenden Encoder, um Positionsrückmeldungen bereitzustellen, und erfordern teurere Controller. Schrittmotoren werden häufig in hausgemachten CNC-Fräsern verwendet und es gibt viele verschiedene Typen und Größen. Die Größe des Schrittmotors, den Sie benötigen, hängt davon ab, was Sie schneiden möchten, wie schnell Sie ihn schneiden möchten, welche Art von Linearantrieb und Bewegungskomponenten Sie verwenden, wie groß die Maschine ist usw. Ich habe 3-Nm-Schrittmotoren für meine Maschine verwendet, was wahrscheinlich übertrieben ist.
Der Controller muss zu dem Motor passen, den Sie verwenden. Sie können wie ich für jeden Motor einzelne Treiber verwenden oder eine 3- oder 4-Achsen-Treiberplatine kaufen. Sie können mehr über die Elektronik lesen, die ich in Schritt 14 verwendet habe.

Welchen Spindeltyp verwenden Sie?
Die meisten hausgemachten CNC-Fräser verwenden einen Standard-Fräser oder einen Fräser als Schneidspindel für ihre Maschine. Meins ist keine Ausnahme. Ich habe einen Kress-Fräser verwendet, der von etwas höherer Qualität als Standard-Holzfräser ist und einen schönen 43-mm-Klemmflansch hat. Wenn Sie viele verschiedene Materialien schneiden möchten, kann eine Art Geschwindigkeitsregelung sehr praktisch sein. Der Kress-Router verfügt über eine integrierte Geschwindigkeitsregelung, die Sie jedoch bei den meisten Routern finden. Wenn Sie viel richtig schwer schneiden, sollten Sie in luft- oder wassergekühlte Spindeln schauen. Sie können diese auch bei Amazon / Ebay finden, aber sie kosten Sie viel mehr als ein Standard-Router. Sie verwenden einen VFD zur Geschwindigkeitsregelung und können viel leiser als Standard-Router sein.

Was sind die Gesamtkosten für die Maschine und möchte ich so viel Geld ausgeben?
Ich habe die Gesamtkosten für diesen CNC-Fräser auf rund 1500 Euro geschätzt. Ein CNC-Fräser ist teuer, aber Sie können viel Geld sparen, indem Sie selbst einen bauen.

Nachdem ich die Antworten auf alle oben genannten Fragen gefunden hatte, entwickelte ich das endgültige Design für meinen CNC-Fräser. Wie Sie sehen können, ist mein Design nicht sehr detailliert. Sie werden zum Beispiel nicht auf allen Teilen die genauen Lochpositionen sehen. Es ist schwierig zu bestimmen, wie viele Schrauben Sie verwenden sollten, um zwei Teile zusammenzufügen, wenn Sie diese Teile noch nie zuvor in Ihren Händen gehalten haben.
Für mich war dieses Design genug, um mir einen guten Überblick darüber zu geben, wie alles funktionieren würde und welche Teile ich bestellen sollte.

Nachdem das Design einige Male fertiggestellt und abgelehnt / neu gestaltet wurde, konnte ich alle benötigten Teile bestellen. Die 30x60mm Aluminiumprofile und alle Aluminiumplatten für das Portal und die Z-Achse, die ich für die X-Achse verwendet habe, wurden auf Länge zugeschnitten. Ich bestellte auch einige Hochleistungs-Schwingungsdämpfungsfüße.

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Schritt 2: Die X-Achse

Die X-Achse besteht aus einem Grundrahmen aus 4 30/60 Aluminiumprofilen und zwei 15 mm dicken Endplatten. Am Ende der Profile befinden sich zwei 6, 8-mm-Löcher. Ich habe einen Metallhahn verwendet, um ein M8-Gewinde an den Innenseiten der Löcher zu erzeugen. Danach habe ich die Positionen für die Löcher in den Endplatten sorgfältig festgelegt. Ich habe beide Platten beim Bohren zusammengeklemmt, um sicherzustellen, dass die Löcher an beiden Enden ausgerichtet sind. Ich habe auch vier Löcher in die Mitte jeder Platte gebohrt, um die Lagerblöcke zu montieren. Ich bohrte vier zusätzliche Löcher in eine der Seitenplatten, um die Motorhalterung zu befestigen.

Ich habe 4 Blöcke gemacht, um die Nivellierfüße zu halten. Die Blöcke sind Aluminiumteile (50x50x20). Ich habe vier m5-Schrauben und T-Muttern verwendet, um sie an den äußeren Profilen zu befestigen.

Die Linearschienen passen direkt auf die Aluminiumprofile. Für die X-Achse habe ich Schienen mit 20 mm Durchmesser verwendet. Die vorgebohrten Löcher in der Basis der Linearschienen stimmen genau mit den Schlitzen in den Aluminiumprofilen überein. Ich könnte sie leicht mit m5-Schrauben und t-Muttern montieren.

Schritt 3: Portalseitenplatten

Die Portalseitenplatten sind nahezu identisch. Der einzige Unterschied besteht darin, dass einer von ihnen vier zusätzliche Löcher zum Anbringen der Motorhalterung hat. Das gesamte Portal besteht aus 15 mm dicken Aluminiumplatten. Das Bohren der Löcher in die Seitenplatten war recht einfach. Obwohl ich sehr genau arbeiten musste. Um die Löcher genau an der richtigen Stelle zu platzieren, habe ich ihre Positionen sorgfältig markiert und dann mit einem Mittelstempel einen kleinen Divot erstellt. Dann ging ich zur Bohrmaschine und benutzte einen Mittelbohrer, um ein Loch zu erstellen, das den eigentlichen Bohrer führt. Für die größeren Löcher habe ich zuerst einen kleineren Bohrer verwendet, bevor ich den endgültigen Bohrer verwendet habe.

Aufgrund der Art und Weise, wie ich das Portal entworfen hatte, musste ich Löcher in die Endflächen der Seitenplatten bohren. Ich hatte ursprünglich vor, dies auf der Bohrmaschine zu tun, aber die Teile passten nicht darunter. Also musste ich eine andere Lösung finden: die Drehmaschine benutzen. Ich habe einen speziellen Halter für den beweglichen Wagen der Drehmaschine gemacht. Ich bohrte zwei zusätzliche Löcher in jede Platte, um sie auf dem Wagen an Ort und Stelle zu halten. Jetzt konnte ich leicht perfekte Löcher in die Enden der Seitenplatten bohren. Das einzige, was noch zu tun war, war, die Löcher für einen M8-Faden zu klopfen.

Schritt 4: Zusammenbau des Portals

Der Rest des Portals besteht aus den Seitenplatten. Am schwierigsten war es, die linearen Schienen richtig auszurichten. Die linearen Schienen mussten mit dem Rand der Platte ausgerichtet sein. Beim Markieren der genauen Lochpositionen habe ich zwei Aluminiumprofile an den Seiten der Platte festgeklemmt, um die Schienen auszurichten. Nachdem ich die Lochstellen markiert hatte, bohrte ich sie und klopfte sie mit einem M5-Gewinde an. Wenn Sie die Schienen am Portal befestigen, müssen Sie sicherstellen, dass der Abstand zwischen den Schienen über die gesamte Länge völlig gleichmäßig ist (die Schienen müssen parallel sein).

Ich habe die Löcher in die Endflächen genauso gebohrt wie die Seitenplatten.

Ich habe einige Eckwinkel angefertigt, um der Baugruppe zusätzliche Steifigkeit zu verleihen. Bei der Endmontage der Maschine habe ich sie tatsächlich weggelassen, weil ich nicht das Gefühl hatte, dass sie gebraucht werden.

Die Platte am Boden des Portals ist sehr einfach. Ich habe 6 Löcher gebohrt, um es an den Seitenplatten zu befestigen. In der Mitte musste ich zwei Löcher bohren, um den Mutternhalter zu montieren.

Schritt 5: Y-Achsenschlitten

Der Y-Achsenschlitten besteht aus einer Platte mit 8 daran befestigten Linearlagern. Das Bohren der Löcher war ziemlich einfach, aber es musste wieder sehr präzise sein. An dieser Platte werden sowohl die Linearlager für die Y-Achse als auch für die Z-Achse befestigt. Da die Lager so nahe beieinander liegen, kann es bereits bei geringster Fehlausrichtung zu einem Stau kommen. Ich habe die Löcher nur 0, 2 mm übergroß gemacht, aber ich musste sie auf 0, 5 mm bohren, um die Lager richtig auszurichten. Ich musste ein wenig optimieren, damit der Wagen leicht von einer Seite zur anderen gleiten konnte. Sowohl die Schienen als auch die Lager mussten angepasst werden. Ich habe hochwertige digitale Bremssättel verwendet, um sie so gut wie möglich auszurichten. Als ich die Antriebsmutter für die Y-Achse montiert hatte, bohrte ich zwei zusätzliche Löcher in die Platte, um sie zu befestigen. Ich habe auch versucht, die Lager für die Z-Achse so gut wie möglich auszurichten, aber ich musste sie noch anpassen, als ich den Rest der Z-Achse fertig hatte.

Schritt 6: Z-Achse

Die linearen Schienen der Z-Achse werden am beweglichen Teil der Z-Achsen-Baugruppe befestigt. Die Schienen mussten einige Millimeter vom Rand der Platte versetzt sein. Ich habe die gleiche Methode wie für die Y-Achse verwendet, um sie auszurichten. Ich fand zwei Plastikstücke von genau der richtigen Dicke, die ich als Abstandshalter verwenden konnte. Ich wusste, dass die Kanten der Aluminiumplatte parallel waren, also klemmte ich zwei Aluminiumstücke an den Rand der Platte und fügte die Plastikstücke hinzu, um die Schienen von der Kante weg zu platzieren. Nachdem ich die Lochstellen markiert hatte, bohrte ich sie einfach und klopfte sie erneut an. Stellen Sie sicher, dass Sie markieren, wohin die Teile gehen, damit die Löcher immer noch ausgerichtet sind, wenn Sie alles wieder zusammensetzen.

Um die obere Platte an der Z-Achsen-Baugruppe zu befestigen, habe ich drei Löcher in das Ende der Router-Montageplatte gebohrt und geklopft. Ich habe dies mit dem gleichen Setup auf der Drehmaschine gemacht wie für die Y-Achsenplatten. Ich hatte ursprünglich geplant, den Schrittmotor der Z-Achse direkt an der oberen Platte anzubringen. Also habe ich versucht, einige Schlitze in die obere Platte zu fräsen, um den Schrittmotor zu befestigen. Das hat nicht so gut geklappt, weil ich kein richtiges Fräs-Setup hatte. Also habe ich das Teil mit den Schlitzen abgeschnitten und eine andere Motorhalterung aus Kunststoff hergestellt (siehe Schritt 12).

Ich habe auch zwei Lagerblöcke aus demselben Kunststoff hergestellt, die ebenfalls an der oberen Platte befestigt wurden. Die Antriebsschraube ist ein Stück Edelstahl-Gewindestange (M10). Die Antriebsschraube wird mit zwei Muttern zwischen die beiden Lager geklemmt. Ich bohrte und klopfte auf die Zahnscheibe für ein M10-Gewinde und schraubte sie einfach auf den oberen Teil der Antriebsschraube. Es wird von drei Stellschrauben gehalten. Die Delrin-Antriebsmutter wird am Wagen der Y-Achse befestigt (siehe Schritt 10).

Die Routerhalterung war vorgefertigt und ich habe sie bei damencnc.com bestellt. Es hat einen 43-mm-Klemmring, der zu dem von mir verwendeten Kress-Router passt.

Wenn Sie stattdessen eine wassergekühlte Spindel als Upgrade verwenden möchten, ist häufig eine Halterung im Kit enthalten. Sie können diese Halterungen auch kaufen, wenn Sie einen Dewalt- oder Bosch-Router mit einem zylindrischen Körper verwenden möchten.

Schritt 7: Zahnriemen und Riemenscheiben

Ich wollte nicht, dass die Motoren aus der Maschine herausragen. Denn dies würde die Gesamtgröße der Maschine in jeder Achse um ca. 15 cm erhöhen. Normalerweise montieren Sie die Motoren an der Außenseite der Maschine mit einer speziellen Motorhalterung oder Abstandshaltern. Auf diese Weise können Sie die Motoren mit einer flexiblen Kupplung direkt mit den Kugelumlaufspindeln koppeln. So habe ich es auf der ersten Holzprototypmaschine gemacht, die ich gebaut habe. Für die meisten Leute wird dies wahrscheinlich gut funktionieren. Was ich jedoch fand, war, dass die Motoren wirklich in die Quere kamen, weil die Maschine in einem sehr kleinen Laden aufgestellt war. Da sie fast 20 cm herausragen (Motorabstandshalter), stieß ich ziemlich häufig gegen sie.

Deshalb habe ich die Motoren im Inneren der neuen Maschine platziert. Auf diese Weise konnte ich die Motoren nicht direkt mit den Kugelumlaufspindeln koppeln, sondern musste einen Zahnriemen und Riemenscheiben verwenden.

Ich habe die Zahnriemen und Riemenscheiben bei bucklingonline.co.uk bestellt. Sie haben eine große Vielfalt an Typen und Größen. Ich habe 9 mm breite HTD5-Riemen und Riemenscheiben verwendet. Wenn Sie Ihren Motor mit einem Riemenantrieb an die Antriebsschraube anschließen, können Sie eine Untersetzung verwenden. Wenn Sie ein kleineres Zahnrad am Motor verwenden, können Sie kleinere Motoren verwenden und trotzdem das gleiche Drehmoment erhalten (obwohl Sie natürlich an Geschwindigkeit verlieren). Da meine Motoren ziemlich groß waren, brauchte ich keine Untersetzung, um mehr Leistung zu erhalten.

Um etwas Geld zu sparen, bestellte ich die Zahnscheiben ohne die Löcher für die Stellschrauben und mit nur einem Pilotloch in der Mitte. Ich habe die Drehmaschine benutzt, um die Bohrung auf die richtige Größe zu bohren. Um die Löcher für die Stellschrauben zu bohren, habe ich mit der Drehmaschine und der Bohrmaschine aus einer Stahlsechskantstange eine kleine Schablone gemacht.

Schritt 8: Motorhalterungen

Die Motorhalterungen bestehen aus Aluminiumrohren. Meine wurden auf Länge zugeschnitten, als ich sie bestellte, aber Sie können auch ein Stück Stahlrohr verwenden und es in quadratische Stücke schneiden. Die Motorlager für die X- und die Y-Achse mussten ein- und ausrutschen können, um die Zahnriemen zu spannen. Wenn Sie zum Anschließen Ihrer Schrittmotoren einen normalen Koppler verwenden, empfehle ich, einige Abstandshalter herzustellen oder zu kaufen. Ich habe die Drehmaschine verwendet, um die Schlitze herzustellen und ein großes Loch in eine Seite der Halterung zu bohren, aber Sie können dies auch mit einer normalen Bohrmaschine tun.

Ich begann damit, mit einer Lochsäge ein großes Loch in eine Seite der Montierung zu bohren. Dadurch kann der Motor bündig mit der Oberfläche abschließen und die Welle ist zentriert. Der Motor wird mit vier M5-Schrauben an der Halterung befestigt. Ich habe vier Schlitze auf der anderen Seite der Halterung gemacht, damit sie hinein- und herausgleiten kann. Ich klemmte das Stück auf einen speziellen Drehaufsatz, um die vier Schlitze zu fräsen.

Schritt 9: Lagerblöcke

Die Lagerböcke für die X- und die Y-Achse bestehen aus 50 mm Aluminium-Rundstangenmaterial. Ich schneide vier gleiche Platten mit einer Dicke von jeweils 15 mm ab. Ich blickte dann von jeder Seite der Rohlinge auf der Drehmaschine ab. Nachdem ich die vier Befestigungslöcher markiert und gebohrt hatte, bohrte ich mit der Drehmaschine erneut ein großes Loch in der Mitte des Rohlings. Ich habe dann den Hohlraum für das Lager geschaffen. Die Lager müssen eingedrückt werden und die Blöcke werden an den End- und Seitenplatten angeschraubt. Ich bohrte und klopfte ein Loch in das Ende der Kugelumlaufspindeln, um sie an Ort und Stelle zu halten. Durch Einsetzen einer Schraube konnte ich sie gegen die Schrägkugellager festziehen. Das Ende der Kugelumlaufspindel wurde auf der Drehmaschine auf 11 mm nach unten gedreht. Dies ist der Teil, an dem die Zahnscheibe befestigt wird. Das Ende der Kugelumlaufspindel wurde etwas weiter auf 10 mm nach unten gedreht, damit es auf das Lager gedrückt werden konnte. Am schwimmenden Ende der Kugelumlaufspindeln habe ich nur Standardkugellager verwendet.

Schritt 10: Montage der Z-Achsen-Antriebsmutter

Ich habe keine Kugelumlaufspindel für die Z-Achse verwendet. Stattdessen habe ich eine Standard-M10-Gewindestange verwendet. Ich habe aus einem Stück Delrin eine Nuss gemacht. Delrin ist ein sehr gutes Material für diesen Zweck, da es selbstschmierend ist und sich mit der Zeit nicht abnutzt. Wenn Sie einen Gewindebohrer von guter Qualität verwenden, um die Gewinde in der Mutter herzustellen, ist das Spiel sehr gering (ich habe keine bemerkt). In der Z-Achsen-Baugruppe war nur sehr wenig Platz für die Montage der Mutter. Und da meine hausgemachte Nuss rund war, musste ich ein spezielles Reittier machen. Die Halterung besteht aus zwei 12 mm Acrylstücken. Ich konnte den hausgemachten CNC-Fräser meines Schullehrers verwenden, um diese Teile herzustellen. Die runde Mutter passt sehr gut in die Acrylstücke und wird von einer kleinen Schraube festgehalten. Die Schraube verhindert, dass sich die Mutter in der Halterung dreht. Ich bohrte und klopfte zwei Löcher in die kleinen Füße der Halter, um sie am Wagen der Y-Achse befestigen zu können

Schritt 11: Montage der Antriebsmutter auf der X- und Y-Achse

Für die X- und die Y-Achse habe ich eine andere Antriebsmutter aus einem Stück Aluminium hergestellt. Die Kugelumlaufspindelmuttern haben zwei kleine Flansche auf einer Seite mit drei Löchern. Ich habe eines der Löcher auf jeder Seite verwendet, um die Mutter am Halter zu befestigen. Der Halter besteht aus einem Stück Aluminium und wird auf der Drehmaschine bearbeitet. Da ich keine Mühle hatte, benutzte ich die Drehmaschine mit einem Vierbackenfutter. Diese Teile müssen sehr präzise bearbeitet werden. Sobald Sie die Muttern am Portal und am Y-Achsenschlitten befestigt haben, sollten Sie diese Teile leicht von einer Seite zur anderen bewegen können, indem Sie die Kugelumlaufspindeln von Hand drehen. Wenn die Abmessungen der Halter nicht korrekt sind, verklemmt sich die Mutter und Sie können die Kugelumlaufspindel nicht mehr von Hand drehen.

Schritt 12: Z-Achsen-Motorhalterung

Die Z-Achsen-Motorhalterung unterscheidet sich von den anderen. Es besteht aus 12mm Acryl und wurde auch mit dem hausgemachten CNC-Fräser von meinem Lehrer geschnitten. Ich hatte ursprünglich geplant, die Halterung aus einer Aluminiumplatte herzustellen, aber die Bearbeitung war zu schwierig. Die Riemenspannung kann eingestellt werden, indem die beiden Schrauben oben gelöst und die gesamte Motorhalterung verschoben werden. Das 12-mm-Acryl funktioniert vorerst einwandfrei, aber ich könnte es in Zukunft durch ein Stück Aluminium ersetzen. Ich fand heraus, dass sich die Acrylplatte beim Spannen des Gürtels etwas verbiegen würde.

Schritt 13: Das Schneidebett

Der letzte Teil, den ich für die Maschine machen musste, war das Schneidbett. Das Schneidbett ist ein sehr wichtiger Teil der Maschine und wird oft übersehen. Es gibt viele verschiedene Arten von Schneidbetten. Beispiele sind: T-Slot-Tischplatte, perforierte Tischplatte, Vakuumtisch oder Sie können einfach eine Einweg-Tischplatte verwenden und Ihren Vorrat direkt auf den Tisch schrauben. Eine T-Slot-Tischplatte aus Aluminium wäre wahrscheinlich die beste, kostet aber je nach Größe Ihrer Maschine ein paar hundert Dollar. Ich habe mich für die perforierte Tischplatte entschieden, da sie in mein Budget passt und ich immer noch viele Klemmoptionen hätte.

Das Schneidebett für meine Maschine besteht aus einem 18 mm dicken Stück Birkensperrholz. Ich habe es mit M5-Schrauben und T-Nut-Muttern an den Aluminiumprofilen befestigt. Ich kaufte ungefähr 150 M8 Sechskantmuttern für ungefähr 4 Dollar. Mit einem CAD-Programm habe ich sechseckige Formen in einem Raster mit einem Loch in der Mitte gezeichnet. Dann habe ich mit der Maschine alle Taschen für die Muttern ausgeschnitten. Anstelle von normalen Nüssen könnten Sie auch T-Nüsse verwenden, aber dann müssten Sie die Tischplatte umdrehen, um sie einzusetzen. Ein weiteres Problem, das Sie haben können, ist, dass sie herausfallen.

Auf das Stück Birkensperrholz habe ich ein Stück 25 mm dickes MDF installiert. Dies ist die Einwegfläche. Ich habe einen größeren Fräser verwendet, um Löcher in beide Teile zu schneiden. Die Löcher richten sich genau nach der Mitte der zuvor geschnittenen sechseckigen Formen aus. Dann habe ich das Stück MDF abgeschraubt und alle Muttern in das Stück Sperrholz eingebaut. Ich habe die Löcher leicht verkleinert, also musste ich sie mit einem Hammer einschlagen. Dann habe ich die MDF-Oberfläche neu installiert und überprüft, ob die Ausrichtung noch korrekt war.

Ich habe auch die Tischplatte abgeflacht, um sicherzustellen, dass die Oberfläche parallel zur x- und der y-Achse und perfekt flach ist.

Schritt 14: Die Elektronik

Die Elektronik für meine Maschine besteht aus folgenden Komponenten:

Hauptstromversorgung - 48VDC 6, 6Amp
3 Treiber - Leadshine M542 V2.0
3 Schrittmotoren - 3Nm Hybrid Nema 23
Breakout-Board
Relais - 25A, 230VAC Ausgang, 4-32VDC Eingang
Hauptschalter
Stromversorgung für Breakoutboard - 5VDC
Stromversorgung für Lüfter - 12VDC
2 Lüfter (80mm)
2 Steckdosen - für Kress Router und Shop Vac
Not-Aus - muss noch installiert werden
Endschalter - müssen noch installiert werden

Dies wäre ein gutes Elektronik-Kit:

3-Achs-Schrittmotor-Kit Nema 23

Wenn Sie nicht viel Geld für Elektronik ausgeben möchten, können Sie ein Kit bei Amazon kaufen. Es gibt viele verschiedene Verkäufer mit Preisen im Bereich von 200 bis 400 Dollar. Bevor Sie ein Kit bestellen, sollten Sie sich überlegen, welche Steppergröße Sie benötigen. Wenn Sie eine kleine Maschine zum Schneiden von Holz und Kunststoffen bauen, erhalten Sie mit 1, 9 Nm-Motoren viel Leistung. Ich wähle 3-Nm-Motoren, weil die Maschine selbst ziemlich groß und schwer ist und ich vorhatte, in Zukunft einige härtere Materialien wie Aluminium zu bearbeiten.

Wenn Ihre Motoren nicht zu groß sind, können Sie eine 3-Achsen-Treiberplatine verwenden, obwohl es besser ist, einzelne Treiber zu verwenden. Einzelne Treiber können mit mehr Ampere umgehen und verfügen über Mikroschritte. Sie sind zuverlässiger und liefern bessere Ergebnisse. Die Treiber, die ich benutze, wurden mit dem von mir bestellten Kit geliefert. Sie können maximal 4, 2 Ampere und bis zu 125 Mikroschritte verarbeiten.

Die Hauptstromversorgung ist über ein 14-Gauge-Kabel mit den Treibern verbunden, das hauptsächlich in RC-Flugzeugen verwendet wird. Diese Drähte sind sehr flexibel, aber von hoher Qualität und können viele Ampere verarbeiten. Das 5-VDC-Netzteil ist an den Hauptstromeingang angeschlossen. Für die Lüfter habe ich eine Steckdose im Gehäuse installiert, damit ich sie mit einem Standard-12-V-Wandadapter versorgen kann. Die Hauptstromversorgung wird durch einen großen Netzschalter ein- und ausgeschaltet.

Das 25A-Relais wird vom Computer über das Breakoutboard gesteuert. Die Eingangsklemmen des Relais sind mit den Ausgangsklemmen des Breakoutboards verbunden. Das Relais ist an zwei Steckdosen angeschlossen, die den Kress-Router und den Shop Vac mit Strom versorgen, um die Späne aufzusaugen. Wenn der Gcode mit dem Befehl M05 endet, schaltet die Maschine automatisch sowohl den Shop Vac als auch den Router um. Zum Einschalten können Sie entweder F5 drücken oder den Gcode-Befehl M03 verwenden.

Schritt 15: Elektronikgehäuse

Da ich die Elektronik vorübergehend auf ein Stück Holz montierte, um die Maschine zu testen, musste ich immer noch ein gutes Gehäuse herstellen. Ich habe die groben Maße und Stellen für alle Komponenten auf ein Stück Papier gezeichnet. Ich habe versucht, sie so anzuordnen, dass ich leicht zu allen Klemmen gelangen kann, um die Drähte zu installieren. Ich habe auch dafür gesorgt, dass ich einen ausreichenden Luftstrom durch das Gehäuse bekomme. Dies ist sehr wichtig, da die Schrittregler sehr warm werden können.

Alle Kabel können an der Rückseite des Gehäuses angeschlossen werden. Ich habe spezielle 4-Draht-Stecker verwendet, weil ich die Elektronik von der Maschine trennen wollte, ohne die Kabelklemmen abschrauben zu müssen. Ich habe auch zwei Steckdosen installiert, um die Spindel und einen Shopvac mit Strom zu versorgen. Die Steckdosen sind mit dem Relais verbunden, um den Router in Mach3 automatisch ein- und auszuschalten. Ich habe einen großen Netzschalter an der Vorderseite des Gehäuses angebracht.

Nachdem ich alle Komponenten so angeordnet hatte, wie ich es wollte, entwarf ich alle Teile, um das Gehäuse mit einem CAD-Programm herzustellen. Ich habe dann die CNC-Maschine selbst verwendet, um alle Seiten und die Basis auszuschneiden. Ich machte einen Deckel mit einem Stück Plexiglas in der Mitte. Ich habe dann alle Komponenten installiert und versucht, die Verkabelung so sauber wie möglich zu halten.

Schritt 16: CNC-Software

Zur Steuerung eines CNC-Fräsers benötigen Sie 3 verschiedene Softwaretypen. Ein CAD-Programm zum Erstellen einer Zeichnung. Ein CAM-Programm zum Erstellen der Werkzeugwege und zum Ausgeben des G-Codes. Und ein Steuerungsprogramm, das den G-Code übersetzt und den Router steuert. Ich verwende CamBam, um die meisten meiner Zeichnungen und Werkzeugwege zu erstellen. CamBam ist ein einfaches Programm und sehr einfach zu bearbeiten. Es verfügt über einige grundlegende CAD-Funktionen, sodass Sie für die meisten Projekte kein anderes CAD-Programm benötigen. Bevor CamBam die Werkzeugwege erstellen kann, müssen Sie einige Parameter festlegen. Beispiele sind: der Durchmesser des verwendeten Werkzeugs, die Schnitttiefe, die Tiefe pro Durchgang, die Schnittgeschwindigkeit usw. Wenn Sie die Werkzeugwege erstellt haben, können Sie den G-Code ausgeben. Der G-Code ist die Bearbeitungssprache, die der Maschine sagt, was zu tun ist.
Für die Controller-Software verwende ich Mach3. Mach3 sendet die Signale über den parallelen Anschluss Ihres Computers an das Breakout-Board. Mit Mach3 setzen Sie das Schneidwerkzeug auf Null und starten das Schneidprogramm. Sie können damit auch die Spindeldrehzahl und die Schnittgeschwindigkeit steuern. In Mach3 sind einige grundlegende Assistenten integriert, mit denen Sie einfache G-Code-Dateien ausgeben können. Ein Beispiel ist der Schreibassistent, mit dem Sie schnell Text schreiben und in G-Code ausgeben können. (Ein Beispiel finden Sie in Schritt 17).

Schritt 17: Verwenden der Maschine

Nach mehrmonatiger Arbeit ist die Maschine endlich fertig. Nach den ersten Tests machte ich als erstes einige Niederhalteklammern. Das erste "große" Projekt war das Elektronikgehäuse, das Sie in Schritt 15 gesehen haben. Ich habe auch verschiedene Arten von Zahnrädern und einige Schilder geschnitten. Für einige Gitarren-Pickboxen, die ich gemacht habe, siehe meinen Etsy-Shop.
Eine Sache, die mir schnell klar wurde, war, dass ein CNC-Fräser viel Staub macht und ziemlich laut sein kann. Um das Staubproblem zu beheben, habe ich einen Staubschuh hergestellt, an dem ein Staubsauger angebracht werden kann. Die Reduzierung des Geräuschpegels war schwieriger. Meine Eltern waren so freundlich, die Materialkosten für den Bau eines vollständigen Gehäuses für die Maschine zu bezahlen. Also habe ich einen großen Schrank gemacht, in dem die CNC-Maschine steht. Ich habe geräuschabsorbierende Platten verwendet, um die Innenseite der Wände abzudecken. Die Elektronik und der Ladenstaubsauger können in zwei verschiedenen Fächern unter der Maschine sitzen. Das Gehäuse reduziert den Geräuschpegel erheblich und macht die Bedienung der Maschine noch lustiger.

Schritt 18: Fazit

Das war's auch schon. Jetzt wissen Sie, wie ich meinen CNC-Fräser baue und warum ich es so gemacht habe, wie ich es gemacht habe.
Obwohl Sie wahrscheinlich keine exakte Kopie meiner Maschine erstellen werden, hoffe ich, dass Sie sich von meinem Design und meiner Konstruktion inspirieren lassen können. Ich habe durch den Bau dieses CNC-Fräsers viel gelernt und freue mich sehr darauf, ihn für zukünftige Projekte zu verwenden.

Ich möchte meinem Schullehrer Nop Velthuizen danken, der mir die Möglichkeit gab, diese Maschine zu bauen. Er erlaubte mir, in seine eigene Werkstatt zu kommen und alle Werkzeuge zu verwenden, die ich zum Bau dieses CNC-Fräsers benötigte. Er gab mir viele Informationen und Inspirationen und half mir bei Bedarf, dieses Projekt erfolgreich abzuschließen.

Wenn Sie Fragen haben, hinterlassen Sie bitte einen Kommentar und ich werde versuchen, Ihre Fragen so schnell wie möglich zu beantworten.

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