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Durch einen abgebrochenen Gewindebohrer in einem Werkstück, in dem schon mehrere Stunden Arbeit steckten und mehreren Ausbohrversuchen mit ebensovielen zerstörten teuren VHM-Bohrern wurde mir erstmals der Nutzen eines solchen Geräts für den Hobbybereich bewußt.
Leider sind in den Weiten des WWWs nur sehr wenige Informationen über Funkenerosion im Hobbybereich verfügbar. Fast alle Selbstbauten scheinen auf dem „EDM How To Book” [1] von Ben Fleming zu beruhen. Leider wird dieses Buch für mehrere hundert Euro gehandelt und die stolzen Erbauer eines solchen Apparats geben fast keinerlei Details - insbesondere in Bezug auf die elektrischen Parameter - preis, während der mechanische Aufbau nicht meinem persönlichen Geschmack entspricht.
Die Lehrbücher Weck Werkzeugmaschinen Band 1 [2] und Weck Werkzeugmaschinen Band 3 [3] bieten recht nützliche allgemeine Informationen über das Funkenerodieren, wobei diese hauptsächlich in Band 1[2] zu finden sind, während Band 3[3] nur einen sechsseitigen Abschnitt über „zeitgemäße” Regelkonzepte enthält, der allerdings so abstrakt ist, daß er in keinerlei Hinsicht hilfreich ist. Ähnlich viele nützliche Informationen wie die beiden Lehrbücher bietet der Wikipedia-Artikel[4].
Aufgrund dieser Quellenlage erfolgte die Entwicklung komplett in Eigenregie. Der Aufbau nach [1] wird gerne als „Mini-EDM” bezeichnet, so daß sich für das folgende Projekt die Bezeichnung „μEDM” aufgrund der kompakten Bauweise förmlich aufdrängt.
Das Hauptgerät beinhaltet sämtliche elektrische Komponenten des μEDMs, bestehend aus der Pulserzeugung für den Erodierprozeß, der Vorschubregelung und der Bedienerschnittstelle. Es bietet die folgenden Merkmale:
Das konventionelle Netzteil stellt 70V/8A DC zur Funkenerzeugung und 9V/2A AC zur Versorgung der anderen Einheiten potenzialfrei zur Verfügung.
Das Steuer- und Bedienteil wird mit 5V versorgt und ist für die Pulserzeugung, Vorschubregelung, Bedienerschnittstelle und Notabschaltung zuständig. Die Bedienerschnittstelle besteht aus einem Grafik-LCD, drei herkömmlichen Potenziometern, einem Potenziometer mit mechanischer Rückstellcharakteristik auf Bereichsmitte und einem Drehgeber mit Taster. Alle Bedienelemente (bis auf den Netzschalter, der Teil des Netzteils ist) fungieren als Softkeys.
Kern des Bedienteils ist ein Mikrocontroller vom Typ ATmega16 oder ATmega32. Für die Vorschubregelung und die Notabschaltung wird die Spannung über dem Meßshunt des Leistungsteils dem Bedienteil zugeführt, geglättet und durch den internen A/D-Wandler des ATmegas digitalisiert. Dies erlaubt eine Regelung nach dem Mittelwert des Stroms.
Der Versorgungsteil für den Vorschubantrieb stellt eine 10V-Versorgung für den Leistungsteil Funkenerzeugung und eine 5V-Versorgung für den Bedien- und Steuerteil zur Verfügung. Außerdem dient er der Entstörung zwischen diesen beiden Komponenten.
Hauptsächlich besteht er allerdings aus einer Schrittmotorsteuerung in klassischer L297/L298-Kombination bei ca. 10kHz im Halbschrittbetrieb. Vorteil dieser Steuerung ist, daß für die Schrittmotorsteuerung keine passiven Signalleitungen durch das Gehäuse laufen müssen, was hier aus EMV-Gründen weitestmöglich vermieden werden sollte.
Der Leistungsteil zur Funkenerzeugung besteht im wesentlichen aus einem Low-Side-Switch mit Ansteuer- und Schutzbeschaltung und einem Meßshunt für die Strommessung zur Regelung. Die gewählte Schaltung erlaubt Pulsfrequenzen bis ca. 200kHz bei Strömen (Peak) bis 20A. Aufgrund der begrenzten Leistung des Netzteils wird allerdings der Peakstrom auf 10A begrenzt. Da der Leistungsteil zur Funkenerzeugung als Pulsgenerator und nicht als Step-Down-Wandler arbeiten soll, wurde auf einen induktivitätsarmen Aufbau Wert gelegt.
Der Lastwiderstand dient der Strombegrenzung auf 10A im Kurzschlußfall und dem Spannungsabfall beim Funkenüberschlag, um die thermische Leistung im Dielektrikum zu vermindern.
Er besteht aus mehreren separaten 5-Watt-Lastwiderständen im Keramikgehäuse auf einer Europlatine. Dieser Aufbau ist deutlich induktivitätsärmer und flacher als ein entsprechender Leistungswiderstand mit dem zugehörigen Kühlkörper und die normale konvektive Kühlung ist ausreichend, so daß auf einen Lüfter verzichtet werden kann.
Die Vorschubeinheit hat den Zweck, die Elektrode in das Werkstück einzuführen. Obwohl sie auf den ersten Blick wie eine kleine Bohrmaschine aussieht, dreht sich das Bohrfutter nicht, sondern kann nur axial verfahren werden. Für den Verwendungszweck ist, im Gegensatz zu einer Bohrmaschine, eine genaue Führung weitaus wichtiger als Steifigkeit. Selbst axiales Spiel spielt kaum eine Rolle, da dies von der Vorschubregelung ausgeglichen werden kann.
Der Antrieb erfolgt über einen Schrittmotor mit einer M6-Gewindestange als Spindel und hat eine Auflösung (hier definitiv nicht mit der Genauigkeit zu verwechseln!) von 5μm (Vollschritt), der Verfahrweg beträgt maximal 70mm. Die axiale Spindel„lagerung” besteht nur aus dem Schrittmotor. Die Vorschubstange ist eine hohlgebohrte 10mm-Rundführung mit 2mm Führungsrille, die in einer passend aufgeriebenen Messinghülse läuft und damit für eine ausreichende Genauigkeit in radialer Richtung sorgt. Das Gehäuse ist mit einem 43mm-Eurohals für einen Bohrständer oder die Spindelhalterung meiner CNC-Fräse ausgestattet.
Da die Spulen des Schrittmotors entsprechend isoliert sind, bleibt die gesamte Elektrik potenzialfrei.
Auch wenn ich mit dem Gerät in seiner jetzigen Form schon sehr zufrieden bin, gibt es Dinge, die ich bei einer Neukonstruktion anders machen würde z.B.: