Aktuelle Version vom 2. September 2024, 15:27 Uhr

Einführung

Im Praktikum "Produktionstechnik" des 7. Semesters im Studiengang Mechatronik (Schwerpunkt "Global Production Systems") wird an einem selbst konzipierten, entwickelten und weiterentwickelten 3D-Bearbeitungszentrum gearbeitet. In Kleingruppen á 2-3 Personen wird die Ansteuerung anhand von unterschiedlicher, in der Industrie und Mikrocontroller-Welt üblichen Automationshardware (Siemens, PHOENIXCONTACT, NationalInstruments, dSPACE, Arduino) selbst erstellt und programmiert. Dies schafft fundierte Kenntnisse über die Funktionsweise einer 3D-Maschine, wie z. B. einer 3-Achs-Fräse oder eines 3D-Druckers. Des Weiteren wurde begonnen, einen zentralen Steuerungs-Algorithmus in Matlab/Simulink zu entwickeln, der die drei Achsen mit ihren unterschiedlichen Treibern mit Zielvorgaben bzw. Koordinaten per Broadcast mit RS232 versorgt.

Leitung: Prof. Dr. Mirek Göbel

Weitere im Rahmen von Sonderthemen für das Praktikum entstandene Artikel

Fachthemen für die Kleingruppen

Ansteuerung:

Konstruktion:

Linksammlung

Fräsmaschine im Eigenbau, sehr schick [1]
Eigenbau einer Maschine für weniger als 1000€ [2]
Tolle Aufstellung G-Codes:
"open-hardware"-Projekt [3]
Tipps fürs die Holzverarbeitung [4]

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-= Einführung =
+[[Kategorie:Projekte]]
-Projekt vorstellen!
+[[Datei:CNC_Maschine_nach_Neukonstruktion_gerendert.JPG|500px|rechts]]
-=Fachthemen=
-== Achsensteuerung mit SPS ==
+= Einführung =
+Im [[Praktikum_Produktionstechnik | Praktikum "Produktionstechnik" des 7. Semesters]] im Studiengang Mechatronik (Schwerpunkt "Global Production Systems") wird an einem selbst konzipierten, entwickelten und weiterentwickelten 3D-Bearbeitungszentrum gearbeitet. In Kleingruppen á 2-3 Personen wird die Ansteuerung anhand von unterschiedlicher, in der Industrie und Mikrocontroller-Welt üblichen Automationshardware (Siemens, PHOENIXCONTACT, NationalInstruments, dSPACE, Arduino) selbst erstellt und programmiert. Dies schafft fundierte Kenntnisse über die Funktionsweise einer 3D-Maschine, wie z. B. einer 3-Achs-Fräse oder eines 3D-Druckers. Des Weiteren wurde begonnen, einen zentralen Steuerungs-Algorithmus in Matlab/Simulink zu entwickeln, der die drei Achsen mit ihren unterschiedlichen Treibern mit Zielvorgaben bzw. Koordinaten per [[Broadcast mit RS232]] versorgt.
-== Achsensteuerung mit µController ==
-Ein 3D-Fräsbearbeitungszentrum soll in Gruppenarbeit realisiert werden. Neben der Konstruktion des Bearbeitungszentrum und dessen Montage werden die drei Achsen mit unterschiedlichen Programmiersprachen und Steuerungen realisiert. Des Weiteren muss ein Algorithmus die drei Steuerungskonzepte vereinen um Zielvorgaben respektive Koordinaten auf die entsprechenden Achsen zu verteilen.
-Innerhalb dieses HSHL-Wikipedia Eintrags wird die Automatisierung einer Achse mit µC „Arduino Mega“ als Steuerungskonzept vorgestellt.
-= Regelkreis =
-Als Regelkreis bezeichnet man ein Wirkungsgefüge, das aus einem Steuerungsprozess mit eingeschalteter Gegenkoppelung besteht.
-In unserem Fall wird als Sollgröße ein zuvor definierter Weg vorgegeben, der innerhalb des Arduino-Programmes in digitale Signale übersetzt wird. Diese digitalen Signale bzw. Steps nutzt der Schrittmotorcontroller (Geckodrive G201X) um den Schrittmotor der Linearachse anzusteuern. Die rotatorische Bewegung des Antriebes wird mittels Inkrementalgeber erfasst und durch die Programmierung in absolute Distanzen umgerechnet, sodass diese Werte als Rückführgröße übergeben werden können. Die Regeldifferenz errechnet Abweichungen dieser Rückführgröße zum Sollwert, sodass ggf. der Arduino die Maßabweichung ausgleicht. Ziel ist es, dass die Regeldifferenz Null wird.
-== Zentraler Steueralgorithmus ==
-== Konstruktion ==
-=== Aufgabe im Fachthema ===
-Das Fachthema Konstruktion im Rahmen des Praktikums „Produktionstechnik“ umfasst die mechanische Planung und den Aufbau einer CNC-Maschine.
-Es geht hierbei um die Zusammenstellung von Anforderungen bezüglich einer 3-Achs-CNC-Maschine sowie die konstruktive Planung mittels CAD-Modellen und technischen Zeichnungen und die Umsetzung dieser Planung durch die Montage der Maschine.
-=== Erste Überlegungen ===
-Im ersten Schritt wurden Anforderungen an die Maschine, an den Werkzeughalter sowie den Werkstückhalter gesammelt und ein erster Entwurf der Maschine erstellt.
-==== Anforderungen ====
-Die gesammelten Anforderungen sind im Folgenden erläutert.
-Um eine präzise Ausführung der Bewegungen zu realisieren, muss der Aufbau sowohl leichtgängig als auch verwindungssteif sein.
-Da die Maschine von mehreren Generationen von Studenten genutzt werden soll, sollte die Bedienung einfach und intuitiv sein.
-Um eine Flexibilität des Gebrauchs zu gewährleisten, sollte die Maschine möglichst leicht im Gewicht sein sowie (ggf. durch teilweise einfache Demontierbarkeit) gut transportierbar.
-Das verwendete Material sollte korrosionsbeständig, preisgünstig sowie mit einfachen Mitteln zu bearbeiten sein. Das Material war zum großen Teil bei Projektaufnahme bereits vorhanden.
-Der Werkzeughalter sollte erweiterbar sein, sodass keine Beschränkung auf zuvor geplante Werkzeuge vorliegt. Der Werkzeughalter sollte entsprechend entweder kompatibel oder leicht zu wechseln sein.
-Durch eine gute Abriebfestigkeit soll eine hohe Genauigkeit sowie eine hohe Haltbarkeit erreicht werden.
-Der Werkstückhalter sollte flexibel sein, sodass Werkstücke unterschiedlicher Form und Größe eingespannt werden können. Außerdem muss er nach Gebrauch leicht zu reinigen und gut transportierbar sein.
-==== Erster Entwurf ====
-In einem ersten Entwurf wurden zunächst verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, um eine 3-Achs-CNC-Maschine zu konzipieren.
-Generell gibt es die Möglichkeit, einen Tisch unterhalb eines Portalbalkens zu verfahren. Der Tisch stellt dabei die X-Achse dar. An dem Portalbalken sitzt die zweite Achse, welche im 90Grad-Winkel zur X-Achse verfährt und die Y-Achse darstellt. Auf dieser Y-Achse sitzt wiederum im 90Grad-Winkel die Z-Achse, welche senkrecht zur X-Achse steht.
-Alternativ kann man ein in X-Richtung fahrbares Portal erzeugen, welches an einem feststehenden Tisch entlangfährt. Vorteil bei dieser Variante ist der geringere Platzbedarf und damit die bessere Ausnutzung der Linearachsen für die X-Achse. Nachteil ist, dass für eine ausreichende Steifigkeit das Portal stabiler ausgeführt werden muss, als dies bei einem feststehenden Portal nötig wäre.
-Da sämtliche Linearachsen bereits vorhanden waren und möglichst gut ausgenutzt werden sollten, entschied man sich für ein fahrbares Portal, bei welchem dieses an einem rechteckigen Grundrahmen vorbeifährt und damit die X-Achse darstellt.
-=== Detaillierung ===
-==== CNC-Maschine ====
-Der beschriebene Aufbau wurde im Weiteren detailliert und ergänzt.
-Der generelle Aufbau der Maschine wurde in einem CAD-Modell erstellt. Mit hochkant angeordneten Aluminiumprofilen mit den Außenabmessungen 160x40mm wurde ein kastenförmiger Grundrahmen zusammengesetzt. Seitlich an den Längsseiten sitzen die Linearantriebe für die x-Achse. Diese sind an beiden Seiten angeordnet, um ein Verkanten des Portalbalkens bei außermittiger Krafteinwirkung zu verhindern. Der Kasten wird durch zwei weitere Aluminiumprofile versteift.  Seitlich an den beiden X-Achsen-Linearantrieben werden senkrechte Aluminiumprofile montiert, welche einen waagerechten Portalbalken aufnehmen. Auf diesem ist der Linearantrieb der Y-Achse montiert, welcher wiederum den Linearantrieb der Z-Achse aufnimmt.
-Als Arbeitsfläche dient eine Holzplatte, die bündig auf dem Tisch angebracht wird.
-Die Konstruktion wurde um Haltewinkel für Endschalter sowie um eine Halterung für die benötigte E-Kette ergänzt.
+Leitung: [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Dr. Mirek Göbel]]
-Es wurden für jede Achse vier Endschalter-Haltewinkel vorgesehen, wobei jeweils zwei an jedem Ende der Achsen hintereinander angebracht sind. Der jeweilige innere Endschalter wird von der jeweiligen Steuerung ausgelesen und kann beispielsweise als Referenzschalter verwendet werden. Der jeweilige äußere Endschalter dient als Not-Aus und geht direkt auf den Disable Eingang des Gecko-Drive. So wird der Gecko hardware-seitig ausgeschaltet, um einen mechanischen Schaden zu verhindern.
-==== Werkzeug- und Werkstückhalter ====
+= Weitere im Rahmen von Sonderthemen für das Praktikum entstandene Artikel =
+*[[Schrittmotor]]
+*[[Schrittmotoransteuerung mit Gecko Drive]]
+*[[Mikrocontrollerboard Arduino Mega 2560]]
+*[[Automatisierungssystem SPS SIMATIC S7-300]]
+*[[Automatisierungssystem dSpace DS1104 R&D Controller Board]]
+*[[Ansteuerung des Mitsubishi Roboters]]
+*[[3D-Druck mit dem German RepRap X400]]
+*[[Baukasten Automatisierung]]
+*[[Entwicklung und Bau von Roboterzellen für Delta-Roboter]]
+*[[2D-Styroporschneidewerkzeug für 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine]]
+*[[Computer_Aided_Manufacturing_(CAM)#Fr.C3.A4ser_und_ihre_Parameter_zum_Fr.C3.A4sen_von_unterschiedlichen_Materialien]]
-Als Werkzeughalter wurden zwei Platten mit unterschiedlich großen Aussparungen zur Aufnahme zwei verschiedener Werkzeuge konstruiert. Die Platten sind mittels zwei Schrauben befestigt und so leicht zu wechseln.
+=Fachthemen für die Kleingruppen =
-Als Werkstückhalter bieten sich die Holzplatte und eine ergänzte Nutenplatte. Hier kann das Werkstück auf der Holzplatte festgeschraubt werden beziehungsweise im Profil der Nutenplatte befestigt werden.
-==== Platte für Steuerungseinheiten ====
+==Ansteuerung:==
-Da für die Maschine die Steuerungseinheiten mit Treibern, Kühlern und Netzteilen benötigt werden, wurde eine Platte konzipiert, die genügend Platz für alle benötigten Elemente bietet.
-Es handelt sich hierbei um eine 80x50cm große Holzplatte. Um  einen optimalen Wärmetransport zu realisieren, wurden die wärmsten Bauteile am oberen Ende der Platte angebracht. Die Geckos wurden mit entsprechendem Kühler über einen Aluminiumwinkel befestigt, darunter die Netzteile und am unteren Ende der Platte die Steuereinheiten und eine Mehrfachsteckdose.
-Eine Darstellung der Platte inklusive aller zu montierenden Elemente ist der Abbildung zu entnehmen
-=== Stückliste & Montageanleitung ===
+*[[Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit Siemens SIMATIC S7-300 SPS]]
-==== Stückliste ====
+*[[Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit PHOENIXCONTACT AXC 1050]]
-[[Datei :Stueckliste.png|200px|thumb|left|Stückliste]]
+*[[Ansteuerung_einer_Schrittmotor-Achse_mit_dSpace_DS1104 und_Matlab/Simulink]]
+*[[Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit Mikrocontrollern am Beispiel eines Arduino-Mega]]
+*[[Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit NI Labview]]
+*[[Zentraler Steuerungsalgorithmus für ein 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrum]]
+*[[Zentraler Steuerungsalgorithmus für ein 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrum mit Matlab/GUIDE]]
+*[[Computer Aided Manufacturing (CAM)]]
-==== Montageanleitung ====
+==Konstruktion:==
+*[[Konstruktion eines 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrums]]
+*[[Weiterentwicklung eines 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrums mit neuen Spindelantrieben]]
+*[[Erweiterung/Fehlerbehebung an dem 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrums und Konstruktion eines Außengehäuses]]
+*[[Konstruktion, Fertigung und Inbetriebnahme eines Rundtisches (4.Achse)]]
+*[https://www.igus.de/energieketten/wiki/montage/grosse-energieketten igus Energiekette Montageanleitung]
 =Linksammlung=
 * Fräsmaschine im Eigenbau, sehr schick [http://der-frickler.net/technik/frickelfraese]
-* ...
+* Eigenbau einer Maschine für weniger als 1000€ [http://www.tron-cnc.de/]
+* Tolle Aufstellung G-Codes:
+** https://www.maschinfo.de/CNC-G-Code
+** https://www.machiningdoctor.com/gcodes/
+** https://www.rapiddirect.com/de/blog/g-and-m-codes/
+* "open-hardware"-Projekt [http://www.shapeoko.com/wiki/index.php/Main_Page]
+* Tipps fürs die Holzverarbeitung [https://www.holzwerken.net/tipps-tricks]

3D-CNC-Bearbeitungsmaschine: Unterschied zwischen den Versionen