Alex - Fräse für die Schule Dokumentation

(Platinen-)Fräse für die Schule, BLL im Schuljahr 2008/2009





Aufgabenstellung


Eine Computergesteuerte Fräse mit höchstmöglicher Präzision für maximal 200 Euro anfertigen.
Vor allem sollten Schüler damit Platinen fräsen können (dazu ist eine Genauigkeit von etwa 0,1mm nötig).
Der Bau und alle Vorüberlegungen sollen dokumentiert und das gesamte Projekt am Ende des Schuljahres 08/09 in einer Präsentation vorgestellt werden.

Grundlagen


Die Computergesteuerte Fräse besteht aus drei fast völlig unabhängigen Komponenten:

Bei der Mechanik stellt sich zuerst die Frage, wie das Grundgerüst der Fräse überhaupt aufgebaut sein soll.
Dabei muss auf Kraftaufkommen und -wirkungen, wie bei Hebelarmen, geachtet werden. Vor allem die Stabilität ist aufgrund großem Kraftaufkommen sehr wichtig. Auch sollte der Platz, den die Fräse einnimmt optimal genutzt werden, um Materialsparend bauen zu können.

Hier die in Frage kommenden Varianten, die Fräse aufzubauen:

Fraestypen

(Quelle: User "simonberlin" bei Microcontroller.net)


Aufgrund der wenigen Hebelarme und Platzeffektiven Bauweise fiel die Wahl auf die obenliegende Gantrybauweise.


Danach müssen Führungen ausgewählt werden:
Da Gleitlager einfach zu realisieren sind und größere Kräfte ohne Schäden aushalten können, sind diese für das Projekt geeignet. Als Schienen und Schlitten lassen sich handelsübliche U- und Quadratrohrprofile aus dem Baumarkt nutzen, zum Verbinden der einzelnen Teile genügen L-Profile und Gewindeschrauben. Die Profile sind aus Aluminium, wodurch nichts Rosten kann. Der Rest der Mechanik (die Stabilisierenden Teile) sind Abschnittstücke von BOSCH-Profilen (ebenfalls aus Aluminium).



Der Antrieb setzt sich aus drei Teilen zusammen
Die Kraftübertragung ist mittels Spindel nicht nur deutlich kräftiger und genauer, sondern auch stabiler und einfacher zu bauen. Aus Kostengründen kommen Trapezgewinde- und Kugelumlaufspindeln nicht in Frage. M8-Gewindestangen sind durch ihren Durchmesser sehr stabil und, wenn sie aus Edelstahl sind, auch ausreichend genau. Die Steigungen der Metrischen Gewinde sind einheitlich, doch haben sie zwei Nachteile: zum einen sind sie eigentlich zum fixieren von Bauteilen ausgelegt, wodurch Reibungsverluste entstehen. Zum anderen haben Muttern auf ihnen ein gewisses Spiel, wodurch Ungenauigkeiten entstehen können.

Schrittmotoren sind sehr einfach anzusteuern und haben auch Haltemoment, da sie sich nur schrittweise auf bestimmte Positionen bewegen und sich nicht, wie normale Motoren, drehen sobald Strom durch sie fließt.

Die Ansteuerelektronik für Schrittmotoren ist sehr einfach, da die Elektronik vorgibt, um wieviel Schritte sich der Motor drehen soll. Bei normalen Motoren muss dagegen immer die Position oder Geschwindigkeit der Spindel ermittelt werden. Auch sind die meisten Steuerungsprogramme für Schrittmotorsteuerung ausgelegt. Die verschiedenen Arten der Ansteuerung zu erklären, würde hier jedoch den Rahmen sprengen, darum verweise ich an dieser Stelle auf die Erklärung im Wiki von Roboternetz.de.


Die Software, also das Programm zur Steuerung der Fräse konnte ich mangels Zeit und tiefgründigem Programmierwissen nicht selbst programmieren, jedoch sind im Internet zahlreiche Programme kostenlos zu bekommen. Nun galt es, aus dieser Auswahl das am besten zu handhabende Programm herauszusuchen, einen alten Computer aus dem Inventar der Schule zu besorgen, das Programm zu installieren und alle nötigen Einstellungen vorzunehmen.

Da ich im Internet häufig auf Problemmeldungen mit Windows-Programmen (meist bei der Signalausgabe) gestoßen bin, habe ich mich für EMC2 entschieden. Dies hat auch den Vorteil, dass man kostenlos die Datei für eine Installations-CD (live-CD) im Internet herunterladen kann welche das Betriebssystem Ubuntu (Linux) enthält und EMC2 gleich mitinstalliert. Dadurch entstehen auch keine Kosten für das Betriebssystem.


Um Platinen zu erstellen sollen die Schüler die Demonstrationsversion von Target3001! nutzen können. Damit lassen sich einfach und schnell Schaltpläne und daraus Platinen erstellen. Diese können auch gleich in eine Fräsdatei umgewandelt werden.


der Bau:


Zuerst wurde eine 3-D Zeichnung angefertigt, und nach dieser eine Materialliste erstellt.



Als das Material zusammengetragen war, konnte die Montage beginnen:



Stand 16. 4. 2009



Stand 16. 5. 2009



Stand 1. 6. 2009



Stand 15. 6. 2009



Elektronik 19. 6. 2009



Stand 19. 6. 2009



Stand 26. 6. 2009



Stand 17. 7. 2009



Stand 23. 7. 2009



Stand 13. 10. 2009



Dann begannen erste Testfräsungen.

Platinenfräsen am 13. 10. 2009



Fertige Platine 5. 11. 2009 (mit Schaltplan, Layout und 3D-Vorschau)



Das fertige Projekt:




Hier gibt es ein Video des ersten Testlaufs vom 15. 6. zum runterladen:
Video 15. 6. 2009 (Typ: avi)
(Rechtsklick - "Ziel speichern unter")


Und hier ein Video der fertigen Fräse beim Platinenfräsen:
Video 13. 10. 2009 (Typ: avi)



Tests der Elektronik haben ergeben, dass die Fräse selbst mit 700mm/min dauerhaft ohne Schrittverluste fahren kann, eventuell sind auch 900m/min möglich.


Die Kosten des gesamten Projekts betragen 217,73 EUR. Die Elektronik mit den Motoren kostete 65,49 EUR, die Mechanik 117,75 EUR und der Fräskopf mit Zubehör 34,49 EUR. Die Software und der Computer sind aus dem Schulinventar, auch der Tisch und zwei der Lüfter sind von dort. Alle Kabel, zwei der Motoren, die BOSCH-Profile und die dicke Grundplatte der Fräse sind aus privaten Restbeständen.




Zum Tutorial, wie man als Schüler oder Lehrer Platinen anfertigen kann