Stepcraft-CNC 2013 — fast nagelneu
(Zum Vergrößern auf das Bild klicken)
Sie nervt. Sie kann kaum etwas, und sie ist auf eine penetrante Art und Weise ziemlich laut. Kein Wunder, dass sie in den letzten zehn Jahren viel Zeit unbeachtet schmollend in der Ecke verbracht hat. Die Rede ist natürlich von meiner alten Stepcraft-CNC. Beim hier beschriebenen Retrofit soll die Maschine leiser und zuverlässiger werden.
Die Stepcraft 420 ist ein kleiner Fräsplotter, der damals als Bausatz verkauft wurde. Mit drei kleinen Schrittmotoren im NEMA-14-Format von Nanotec, getrieben von drei Allegro-A3979-Endstufen im Halbschrittbetrieb ist sie untermotorisiert und laut.
Als automatische Laubsäge war sie mir beim ein oder anderen Projekt durchaus eine Hilfe. Aber größtenteils hat sie in der Ecke gestanden, weil die Lärmkulisse es unerträglich gemacht hat, mit ihr in einem Raum zu sein.
Als Lückenfüller-Projekt will ich hauptsächlich Eh-schon-da-Teile verbauen. Die meisten davon sind Überreste aus anderen Projekt. Bis auf Schrauben und Stecker will ich es vermeiden, Sachen neu zu kaufen. Entsprechend planlos ist das ganze geplant: Was beim Aufräumen gefunden wird, kann verbaut werden. Ich weiß zum Beginn noch nicht einmal, ob es bei Mach3 bleibt, oder ob es auf eine auf GRBL-basierte Steuerung (EstlCAM oder GRBLgru) hinausläuft.
Letztes Jahr ist mir auf einem Flohmarkt ein 10-Zoll-Baugruppenträger über den Weg gelaufen, der im wahrsten Sinne des Wortes den Rahmen für die neue Steuerung bildet. Die Segnungen der 19-Zoll-Baugruppentechnik werde ich allerdings ignorieren und das Ganze „nur“ als ausreichend großes und gut belüftetes Gehäuse betrachten.
Entsprechend besteht der erste Schritt dann auch darin, Einfädelöffnungen für Nutensteine zu fräsen, um bei meinem planlosen Vorgehen nicht immer wieder die Seitenwand abschrauben zu müssen.
Der zweite Schritt besteht darin, den Deckel von oben anschraubbar umzugestalten, damit man ihn ebenfalls abnehmen kann, ohne die Seitenwand abzuschrauben.
Dafür habe ich den Deckel 1,6 mm kürzer gefeilt, dass er nur noch auf einer Seite in der Nut einrastet. Stattdessen wird er jetzt auf einer Seite von zwei Schrauben gehalten.
Als Ende vom Anfang finden noch Lochstreifen mit M-2,5-Gewinden und eine Masseschraube ihren Platz. (Lochstreifen mit M3 wären mir lieber gewesen, aber M2,5 war nun einmal noch da.)
Damit kann dann die elektrische Spannungsversorgung angegangen werden. Eine Kaltgerätebuchse mit Sicherung kommt an die Rückseite (alle Teilfrontplatten auf der Rückseite werden aus dem Vollen gefräst). Als Berührschutz kommt noch eine 3d-gedruckte Abdeckung aus ABS darüber. Für die angestrebte Schutzklasse 1 ist das zwar nicht von Belang, aber da Experimente bei geöffnetem Gerät wahrscheinlich nicht vermeidbar sind, fühle ich mich damit besser.
Benötigt werden ca. 36 V für die Versorgung der Schrittmotorendstufen, 24 V für die Ansteuerung externer Relais (Spindel und Staubsauger) und 5 V für die interne Logik.
Für alles habe ich die passenden Netzteile als Rest von Alt-Projekten da. Für die 5V-Versorgung werde ich aber vorerst nicht auf ein eigenes Netzteil zurückgreifen – die benötigten Ströme sind so gering, dass ein Linearwandler ausreichen dürfte.
Für das 36-Volt-Netzteil gibt es eigentlich nur eine Stelle, an der es sinnvoll hinpasst.
Im Gegensatz zu den anderen MeanWell-Netzteilen, die ich bisher kannte, hat dieses keinen Berührschutz an den Anschlussschrauben. Entsprechend wurde dieser als 3d-Druckteil nachgerüstet.
Beim 24-Volt-Netzteil habe ich lange herumprobiert, wo der beste Platz sein mag. Ich denke, mit einem Haltebügel direkt hinter der Frontplatte habe ich ihn gefunden. So ist alles mit 230 Volt „vorne links“ konzentriert, und im Rest des Gehäuses ist noch viel Platz.
Bei meinem planlosen Vorgehen werde ich beide Netzteile wohl noch mehrere Male ab- und wiederanschrauben müssen. Da hier zu lange Schrauben direkt auf die Leiterplatte im Netzteil drücken können, ist es sinnvoll, die benötigte Schraubenlänge zu markieren.
Die 230V führenden Adern am kleinen Netzteil bekommen noch einen Scheuerschutz und irgendwann sind auch die bestellten Zahnscheiben für den Schutzerde-Sternpunkt eingetroffen.
Für die interne Spannungsverteilung ist noch ein Klemmenblock dazugekommen. Für die 24-V-Versorgung dient eine fünfpolige Wago-Klemme, der Funktionsmasse dient die mächtige Wago 221-420 („eine Wago-Klemme sie zu knechten…“) als Sternpunkt. Ob das nur vorläufig ist oder so bleibt, wird sich zeigen.
Die Schrittmotortreiber sind drei TB6600-Endstufen, die bei einem Schnappsidee-Projekt während der Corona-Langeweile-Zeit übriggeblieben sind. (Eine vierstimmige Schrittmotororgel. Prinzipiell hatte sie auch funktioniert – aber es stellte sich heraus, dass darauf zu spielen weniger Spaß als erwartet machte.)
Auch für die Schrittmotortreiber gibt es nur eine einzige passende Position.
Eventuell soll das Ganze später auf vier Kanäle erweitert werden, deswegen sorgt ein Platzhalter aus dem 3d-Drucker dafür, dass ich mir das später nicht verbaue.
Es stellte sich noch die Frage nach der richtigen Steckverbindung.
Für größere Schrittmotoren habe ich in der Vergangenheit immer vierpolige XLR-Steckverbinder gewählt. Diese besitzen die nötige Strombelastbarkeit, verriegeln sich selbsttätig und gelten auch allgemein als zuverlässig. Für dieses Projekt sind sie mir jedoch zu groß und zu teuer. Traditionell scheint ein neunpoliger D-Sub ein beliebter Stecker für Schrittmotoren kleiner Leistung zu sein. Ich kann meinen Widerwillen gegen diese Lösung nicht rational begründen. Es fühlt sich irgendwie falsch an.
Ich habe mich dann für vierpolige GX12-Stecker entschieden. Das ist die kleinere Variante der GX16-Stecker, die früher als Mikrofonstecker für Funkgeräte unter dem Namen „Japanstecker“ bekannt waren. Sie sind genau für die passenden Kabelquerschnitte gedacht und in meinem Haushalt noch nicht für anderweitige Zwecke belegt.
Das Ganze wird dann entsprechend verkabelt. Die Rückplatte ist wieder aus Resten aus dem Vollen gefräst.
Auf der Rückplatte ist die entsprechende Aussparung für die Buchse auch schon vorgefräst und kann später mit Laubsäge und Feile schnell freigelegt werden. Vorerst bleibt sie aber von außen unsichtbar.
Der Netzschalter an der Vorderseite soll ab jetzt auch wirklich benutzt werden, also wird es Zeit, die Frontplatte zu montieren.
Die Vollfrontplatte für die Vorderseite wurde schon als Rohling beim 10-Zoll-Baugruppenträger-Bausatz mitgeliefert – es mussten nur noch die Aussparungen für den Netzschalter und den Not-Halt eingefräst werden. Wie man sieht, konnte ich es mir auch nicht verkneifen, den Folienplotter anzuwerfen.
Jetzt geht es daran, den bisherigen Stand zu testen – um Verkabelungsfehler auszuschließen, aber auch um wieder ein Gefühl für die Drehmomente der kleinen Motörchen zu bekommen. Der Schrittmotor ist ein 17HS19-2004S1, von denen vier Stück bei meinem oben erwähnten erfolglosen Schrittmotororgelprojekt übriggeblieben sind.
Als Pulsgenerator dient eine meiner anderen Projekte. Bei den ersten Tests stellt sich heraus, dass die Verkabelung bis jetzt so weit in Ordnung ist. Es stellt sich aber auch heraus, dass an der Frontplatte eine große Status-LED fehlt. Die Steuerung ist bis jetzt nämlich absolut lautlos –egal ob drehender oder stehender Motor– und man muss schon auf die LEDs im Inneren schauen um sicher zu sein, dass sie überhaupt eingeschaltet ist.
Hoffen wir, dass der Rest ähnlich erfreulich wird.
Eine Nachwirkung der Tatsache, dass die Schrittmotortreiber ihren Platz im Gehäuse gefunden haben, ist dass die auf deren Gehäusen aufgedruckte Tabelle mit den DIP-Schalter-Einstellungen nicht mehr gut lesbar ist. Um nicht jedes Mal, wenn etwas zu verstellen ist, das Datenblatt heraussuchen zu müssen, gibt es einen Aufkleber mit den Tabellen unter dem Deckel.
Als PC-Interface liegen folgende Möglichkeiten bereit:
Mit dem Arduino Nano, GRBL, einer USB-Verlängerung und dem Klemmenblock könnte das ein sehr sauberer Aufbau werden.
Das Parallelport-Interface hat —wenn es wie erhofft funktioniert— den Vorteil, dass ich auf eine fertige Konfiguration von Mach 3 zurückgreifen kann, bei der nur noch wenige Parameter angepaßt werden müssen. Das hat gleichzeitig den Nachteil, dass ein alter Windows-XP-PC mit Parallelport weiterhin am Leben gehalten werden muss.
Als erstes gilt es zu prüfen, ob die Optokoppler schnell genug sind. Sind sie es nicht, müsten sie durch einen Transistor oder einen Draht ersetzt werden – die Potenzialtrennung benötige ich ja ohnehin nicht, denn ich habe ja einen halbwegs sauberen Massebezug. Aber wenn ich sie nicht auslöten muss, ist das natürlich auch praktisch – zumal das später die Implementierung des Not-Halt-Kreises massiv vereinfachen wird.
Als vorläufige Spannungsversorgung nutze ich einfach ein USB-Kabel und beide Seiten sind gebrückt - also keine Potenzialtrennung durch die Optokoppler.
Bei der Inbetriebnahme unter Mach3 werde ich erst einmal mit dem „Problem“ konfrontiert, dass solange nichts angeschlossen ist, der E-Stop als ausgelöst angesehen wird, und damit nichts geht. Der entsprechende Eingang –in meinem Fall Pin 11– auf Masse gelegt und die Fehlermeldung verschwindet. Ziehe ich die USB-Spannungsversorgung ab, ist die Fehlermeldung wieder da. So weit so gut.
Die Interface-Platine ist ja recht übersichtlich. So lässt sich das Signal von einen oder zwei Kanälen schnell nachverfolgen. Ich habe mich für P3 (Taktsignal X-Achse) und P3 (Taktsignal Y-Achse) entschieden. Damit lässt sich dann schnell ein Schaltplan krakeln.
Vom Parallelport kommt ein Open-Collector-Signal, für das der passende Pull-Up-Widerstand vorhanden ist, ein 74HC14 sechsfach-Schmitt-Trigger als Puffer, Optokoppler, und der Ausgang ist wieder ein Open-Collector mit entsprechendem Pull-Up-Widerstand.
So weit ein vernünftiger Aufbau. Wäre statt des 74HC14 ein 74HCT14 verbaut gewesen, wäre es sogar ein ziemlich guter Aufbau.
Ich will mit 30 mm/s verfahren können. Bei Schrittmotor-Endstufen im Achtelschrittbetrieb benötige ich dann eine Schrittfrequenz von 24 kHz (oder eine Pulsdauer von 20 µs). Die verbauten Optokoppler haben laut Datenblatt Übergangszeiten von 18 µs, allerdings bei kleinerem Vorwiderstand.
Das heißt: Es könnte klappen. muss ich einfach mal messen.
Von der Theorie in die Praxis: Hier ist der Signaldurchlauf durch die Schnittstellenkarte bei einem Schritttakt von 24 kHz für die X-Achse mal gemessen. Erzeugt wurde das Signal unter Mach 3 mit dem G1-Befehl (G1 X10000 F1800). Gelb ist der Ausgang des Parallelports/Eingang Schnittstellenkarte und blau der Ausgang der Schnittstellenkarte/Eingang Schrittmotortreiber (Klemme P3).
Wie man sieht, kommt der Ausgang nicht mit.
Das gilt aber nur ohne Last, wenn der Optokoppler allein gegen die Pull-Up-Widerstände arbeitet. Wird die echte Schrittmotor-Endstufe mit ihren Optokoppler-Eingängen angeschlossen, sieht das Bild plötzlich anders aus. Nicht großartig –aber auch nicht grauenhaft– ist der Eindruck. Für das Taktsignal wird die fallende Flanke verwendet. Sie ist ausreichend steil für einen sicheren Betrieb.
Der X-Achsen-Motor läuft einwandfrei über die Schnittstellenkarte. Die Optokoppler können also bleiben, was die Implementierung des Not-Halts sehr vereinfachen wird.
Wie man aber auch sieht, verursacht Mach3 einen ziemlich heftigen Jitter, selbst wenn im Eilgang mit konstanter Geschwindigkeit gefahren wird!
Dieser Jitter kostet Laufruhe und Drehmoment im Vergleich zu den Tests mit dem externen Takterzeuger.
Nach dem Einbau funktioniert die X-Achsen-Steuerung schon so wie gewollt.
Nachdem die Motoren zufriedenstellend laufen, sind die anderen Ausgänge –Relais für Spindelmotor und Staubsauger– dran. Diese Relais-Module habe ich irgendwann einmal im Dreierpack gekauft und zwei übrig behalten. Für 230 V würde ich diesen Relais kein bischen über den Weg trauen – aber für die 24 V Steuerspannung sehe ich da kein Problem. Diese Relais-Module haben schon die Freilaufdiode und einen Ansteuer-Transistor dabei. Die Halterung für die Module entstand mit dem 3d-Drucker.
Praktischerweise ist der Eingang der Relaismodule low-aktiv, passend zu den Ausgängen der Interface-Platine. Das ist sehr angenehm. So ist es nämlich insgesamt ein Leichtes, den Not-Halt zu implementieren. Praktisch bedeutet das: Wenn ich die Masseverbindung auf der Maschinenseite (GND2) unterbreche,
Ich hätte vorher nicht gedacht, dass das so einfach ist. Da die Stepcraft schon vorher nie eine Ladungspumpen-Sicherheitsfunktion hatte, sind damit alle Punkte, die Ausgänge betreffen, geklärt.
Es wird Zeit, sich um die Eingänge zu kümmern. Durch das E-Stop-Signal wurde ja schon festgestellt, dass die Signaleingänge low-aktiv sind. Die Endschalter können gegen Masse schalten und sind damit auch kein Problem.
Es bleibt nur noch das elektronische Handrad. Ich habe mich entschlossen, das Anschlußschema von einem anderen Projekt zu übernehmen – dafür liegt nämlich noch ein fertig verdrahtetes Handrad herum.
Glücklicherweise sind die Optokoppler der Schnittstellenkarte für die optischen Drehgeber schnell genug, und auch hier muss nichts umgebaut werden.
Mit dem Handrad lassen sich jetzt die Motoren butterweich verfahren. Die Parallelport-Schnittstellenkarte hat sich also für diese Anwendung als goldrichtig herausgestellt.
Nachdem alle „Entwicklungsrisiken“ abgedeckt sind, kann es mit dem mechanischen Aufbau weitergehen.
Die Interface-Platine und die vielen kleinen Module, aus denen die Steuerung besteht, werden auf eine eigens dafür angefertigte Lochrasterplatine aus Aluminium geschraubt.
Damit ich beim Anschrauben nicht die Interfaceplatine, vier Schrauben und vier Abstandsbolzen gleichzeitig irgendwie einfädeln und festhalten muss, habe ich einen kleinen Rahmen mit allen Abstandstüllen 3d-gedruckt.
Da ich die CNC-Steuerung mit einem Parallelport-„Verlängerungskabel“ und nicht mit einem 1:1 Verbindungskabel anschließen will, habe ich noch einen kleinen Gender-Changer-Adapter gebastelt. Leider ist das keine 1:1-Verbindung, sondern es müssen alle Adern gekreuzt werden.
Die gibt es zwar fertig zu kaufen, aber die Prämisse war ja, vorwiegend „Eh-schon-da-Material“ zu verwenden, und ein UNC #4-40-Gewindeschneider war aus unerfindlichen Gründen tatsächlich schon in meinem Fundus.
Nach der gleichen Prämisse ist ein Klemmenblock aus einer Streifenrasterplatine und einem 3d-gedruckten Sockel entstanden.
Nachdem noch die Rückwand gefräst wurde, folgen die ersten Pass-Tests. Mit dem ersten Eindruck bin ich zufrieden. Alles findet seinen Platz, und es geht nicht zu eng zu. Mit dem „Lochraster“-Layout bleibe ich flexibel, falls ich noch einmal umplanen muss.
Durch die Schlitze in der Lochrasterplatine können die Drähte geführt werden.
Für die RJ45-Buchse habe ich ein „Netzwerk-Verlängerungskabel“ mit Montageflansch geschlachtet.
„Nur noch ein paar Drähte – dann bin ich fertig.“
Mit der Steuerung geht es in den Endspurt. Es gilt alles fertig zu verdrahten und einzubauen. Sind erst einmal alle Module verbaut und verkabelt, sieht die Lochrasterplatine deutlich weniger aufgeräumt aus.
Aber Motoren, Relais, Endschalter und Handrad funktionieren.
Jetzt gilt es unter realistischen Betriebsbedingungen die Stromaufnahme des Steuermoduls zu bestimmen.
500 mA benötigt das Steuermodul auf 5 V unter realistischen Betriebsbedingungen. Das bedeutet, ein Linearregler müste fast 10 Watt ständig verheizen. Der Hauptteil des Stromverbrauchs (ca. 300 mA) geht auf die Interfaceplatine, der Rest verteilt sich recht gleichmäßig. Das heißt hier lohnt es sich, einen Schaltregler zu verbauen.
Jetzt kann alles fest eingebaut werden. Die Frontplatte bekommt eine LED und ihren Not-Halt-Taster und der Rest besteht aus dem vergeblichen Versuch, die paar Drähte so übersichtlich wie möglich zu verlegen.
Die Wago-Klemmen und die Dummy-Schrittmotor-Endstufe, ursprünglich nur als Provisorium gedacht, bleiben.
Auch für die Dummy-Endstufe sind schon die meisten Adern verlegt, damit der Kabelbaum später nicht wieder komplett zerrupft werden muss.
Das Not-Halt-Signal entzieht der Maschinen-Seite der Interface-Platine die Masse. Damit hängen alle open collector-Ausgänge in der Luft, die Schrittmotorendstufen bekommen keinen Takt mehr und die Relais fallen ab.
Alles so weit in Ordnung. Also Deckel drauf.
An die Rückseite sind noch zwei 3d-gedruckte „Kufen“ gekommen, damit das Gerät auf die Rückwand gestellt werden kann, ohne dass die Stecker und Buchsen beschädigt werden.
Fürs erste war es das. Das bleibt jetzt erst einmal so.
„In einem ordentlichen Haushalt geht nichts verloren!“, sagte die Oma und zog einen Socken aus dem Sauerkraut.
Eine Sache, die mich neben dem Lärm immer gestört hat, waren sporadische Schrittverluste der Y-Achse bei höheren Geschwindigkeiten. Da konnte man das Portal noch so genau ausrichten – am Ende half nur, die Maschine so langsam zu betreiben, dass man selbst mit der Laubsäge schneller ist.
Sollte ich einen stärkeren Schrittmotor einbauen?
Von meinem schon vorher erwähnten Schrittmotororgelprojekt habe ich vier 17HS19-2004S1 von StepperOnline herumliegen. Laut Datenblatt haben die mit 0,59 Nm ein deutlich höheres Haltemoment als der original verbaute ST4118M1804-A von Nanotec mit 0,28 Nm. dass sie auch etwas schwerer sind, macht ja nichts, weil der Y-Achsen-Motor nicht mit verfährt. Beide brauchen ungefähr den gleichen Strom.
Nur interessiert mich eigentlich nicht das Haltemoment, sondern das Drehmoment bei 1000 Umdrehungen pro Minute. Leider ist das der Drehzahlbereich, wo die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien von Schrittmotoren oft schon deutlich abgeknickt sind. Und selbst bei Schrittmotoren, zu denen der Hersteller eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie angibt, so ist dies meist für den Halbschrittbetrieb und nur begrenzt mit dem Mikroschrittbetrieb vergleichbar.
Wie gut, dass in einem ordentlichen Haushalt nichts verloren geht und mein alter Schrittmotor-Pendelprüfstand immer noch funktioniert. Er hat den Vorteil, dass die komplette Kombination aus Schrittmotor, Soll-Drehzahl, Schrittmotortreiber und dessen Versorgung im gewünschten Betriebspunkt getestet werden kann.
Der schwerere Motor hat bei 1000 U/min zwar nicht mehr das doppelte Drehmoment wie der kleine, aber immer noch deutlich mehr. Der Y-Achsen-Motor wird also getauscht.
Jetzt kommt der Stepcraft-Fräsplotter selbst dran. Die Original-Elektronik kann komplett entfernt werden.
Ein Problem, mit dem ich vorher allerdings überhaupt nicht gerechnet habe: Die Achse des neuen Motors ist ein bisschen länger und stößt damit gegen das Schutzblech. Da bleiben mir 3 Möglichkeiten:
Die Achse kürzen bietet dem Schrittmotor die hervorragende Gelegenheit, Eisenspäne hineinzuziehen. Wenn ich einen Zwischenflansch mache, funktioniert der Zentrierbund am Motor nicht mehr. Ein Loch im Schutzblech muss wirklich genau sitzen, ansonsten sieht es furchtbar aus.
Die anderen Motoren bleiben erst einmal. Momentan ist alles schnell genug, wie es ist, und bei einem Tausch von X- oder Z-Motor müste ich neue Lagerschilde anfertigen, weil dort eine merkwürdige Konstruktion mit einer Messing-Druckplatte ist, um die axiale Gewindespindellagerung halbwegs spielarm einstellbar zu machen. Außerdem habe ich keine Lust, neue Kabel durch die Wellschläuche zu ziehen.
Dem Kabel-Chaos auf der Rückseite muss auch noch irgendwie Einhalt geboten werden.
Die Schrittmotorkabel werden durch einen Kabelmantel gezogen. Dieser wurde aus alten Netzwerkkabeln gewonnen. Da die Kabel nur sehr kurz sind, wird keine Schirmung benötigt.
Für die Montage des Motors habe ich mich für ein Zwischenblech mit 0,8 mm Dicke entschieden. Damit funktioniert der Zentrierbund am Motor zwar nicht mehr wie gewünscht, aber da an der Y-Achse ein Riemenspanner verbaut ist, ist das auch nicht besonders schlimm.
Eine Frontplatte für Kabeldurchführungen und ein U-Profil bilden ein schmales Gehäuse für den Kabelverbau.
Nachdem alles in dieser Mischung aus Kabelkanal und Gehäuse verbaut ist, sieht die Maschine plötzlich sehr leer und sehr übersichtlich aus.
Praktisch bedeutet das: Wenn mir irgendwann einmal die Arbeitshöhe nicht ausreicht (ich denke da an dicke Schaumstoff-Einlagen für Koffer), kann ich die Arbeitsplatte einfach herausnehmen und habe dann eine quasi unlimitierte maximale Werkstückhöhe.
Von oben sieht die kleine Käsefräse immer noch genau so aus wie vorher. Es ist sogar das selbe Foto! Aber das Verfahren macht Spaß, das Laufgeräusch ist deutlich weniger penetrant. Ob ich an alles gedacht habe, werde ich aber wohl erst merken, wenn wieder die ersten Späne fliegen. Vorher muss die Maschine erst einmal wieder gereinigt, gefettet und ausgerichtet werden.