Umbau des Labornetzgeräts PS-302 auf Digitalanzeigen

Das Labornetzgerät PS-302 war jahrelang bei Conrad im Angebot. Es bietet 0-30V bei 0-2A. Das Gerät ist kurzschlußfest und äußerst robust gebaut. Das Netzteil ist ein Längsregler mit dickem Trafo und damit geringer Restwelligkeit (kein Schaltnetzteil). Leider hat es nur ein analoges Anzeigeinstrument. Dieses zeigt entweder Spannung oder Strom ab, man kann nie beides gleichzeitig sehen. LCD Panelmeter sind für unter 10 Euro im Handel erhältlich. Ich habe daher meine beiden Labornetzteile auf Digitalanzeige umgebaut. Jedes Gerät bekam eine Anzeige für Strom und eine für Spannung.

Die digitalen Panelmeter benötigen normalerweise eine eigene, galvanisch getrennte Versorgungsspannung, bei mir 9V. Daher habe ich noch ein Mini-Netzteil mit 2x9V gebaut und die Panelmeter werden damit betrieben.


Eines der beiden Geräte nach Öffnung und Entfernung des analogen Instruments. Die Blende kann mit sanfter Gewalt entfernt werden, sie ist angeklebt. Der mittig angebrachte Schalter schaltet das Anzeigeinstrument zwischen Strom und Spoannung um und wird überflüssig.

 


Das übrigbleibende analoge Panelmeter

Ich habe zwei Geräte, die äußerlich sehr ähnlich sind, innen aber ziemlich unterschiedlich. Trotzdem konnte ich beide Geräte weitgehend identisch bearbeiten.


Das Gerät (das ältere Baujahr) von innen. Das neuere Gerät hat hinter dem Anzeigeinstrument noch eine weitere Platine und einen noch dickeren Trafo.

Aussägen eine Ausschnitts, in den beide digitale Panelmeter hineinpassen. Schutz des Geräts vor Sägespänen durch einwickeln in Zeitungspapier o.ä. Der Ausschnitt kann auch mit einem Knabber gemacht und dann sauber nachgefeilt werden (habe ich so gemacht).

Der fertige Ausschnitt.

Das kleine zusätzliche Netzteil kann an dem Befestigungswinkel, an dem das analoge Panelmeter befestigt war, angebracht werden. Diesen dazu passend abwinkeln.

So hängt das Mini-Netzgerät (ich halte den Trafo zwischen meinen Fingern!) am Befestigungswinkel.

Befestigter Winkel

Und hier das Netzteil am Befestigungswinkel.

Die Panelmeter brauchen ca. 60mA Strom bei 9V (sie haben Hintergrundbeleuchtung). Als Trafo ist ein Typ 2x9V bei 100mA vollkommen ausreichend. Die Regelung der 9V kann z.B. durch einen 78L09 oder einen TA78L009 erfolgen.

Meine Panelmeter sind 3,5-stellig, haben Hintergrundanzeige und können 200,0 mV darstellen. Nachmessen an den alten Anzeigeinstrumenten ergab, dass dort a) 100mV-Instrumente mit 250Ohm Innenwiderstand 200mV-Instrumente mit 450Ohm Innenwiderstand im Einsatz waren. Die passende Anzeige an den neuen Instrumenten erhält man durch Spannungsteiler. Da man das genau einstellen muss, sind Timmer zu verwenden.


Schaltbild a) Netzteil für die Panelmeter und b) Anschluß der Panelmeter.

Der Spannungsregler TA78L009, der 9V bei 150mA bereitstellen kann. Es kann genauso gut der besser erhältliche 78L09 verwendet werden, der 100mA bereitstellt.


Erster Funktionstest, mit losen Anzeigeinstrumenten. Angezeigt werden 5,0 Volt. Das Strommessgerät ist noch nicht in Betrieb.

Erster Test mit Spannung (4,7V) und Strom (1,01Ampere).

Und so sieht’s von innen aus. Sichtbar das kleine Zusatznetzteil (auf dem Kopf stehend montiert)

Die Panelmeter von ihrer Rückseite

Die Panelmeter werden mit einer Heißklebepistole genau fixiert

Danach werden die Panelmeter mittels der Trimmer so eingestellt, dass sie korrekte Spannungs- und Stromwerte anzeigen.


Und so sieht’s fertig aus.

Für etwa 2×8 Euro und etwa 2 Stunden Arbeit erhält man wesentlich aufgewertete Geräte.

Umbau einer Sieg Micro Mill X1 Mikrofräse für CNC-Betrieb

Hinweis 1: Die beschriebene Schrittmotoransteuerung wird am 230 Volt Stromnetz angeschlossen. Beschrieben ist wie immer mein privater Experimentalaufbau.Von einem Aufbau in einem anderen Umfeld rate ich ab und übernehme keinerlei Verantwortung. Durch Fehlbedienung/Fehlkontruktion können beispielsweise teure Fräsen beschädigt werden oder sonstige Schäden entstehen. Sagen Sie nachher nicht, ich hätte Sie nicht gewarnt…
Hinweis 2: Diese Aktivität ist nicht abgeschlossen. Das Dokument beschreibt also den momentanen Stand.

Ich habe in 2007 eine kleine Fräse erstanden. Diese Fräse kommt von der chinesischen Firma Sieg (Link auf wikipedia) und wird auf der ganzen Welt unter verschiedenen Handelsnamen verkauft. Zur Fräse hat sich im Internet eine Community gebildet und Verbesserungen etc. werden dort diskutiert.

Die Sieg X1 wird allgemein als eine der kleinsten im Handel erhältliche Fräsen angesehen, mit der man noch ernsthaft Arbeiten mit dem Werkstoff Stahl durchführen kann. Messing und Aluminium sind weniger problematisch und daher ohnehin auch für kleine Fräsen kein Problem. Die Genauigkeit der X1 wird -je nach Anspruch- als gut bis ok angesehen.

Umbau auf Riemenantrieb: Der ungünstige Antrieb der Fräse, bei dem Plastikzahnräder verwendet werde, habe ich zunächst auf Riemenantrieb umgebaut. Hierfür gibt es fertige Bausätze. Den Umbau habe ich hier beschrieben.

In 2010 habe ich begonnen, diese Fräse auf CNC-Betrieb umzubauen. Im folgenden ist der Umbau meiner Sieg X1 beschrieben. Ich habe dies in folgende Abschnitte unterteilt

Ausgangssituation

Hier ein paar Bilder vor dem Umbau.


Ausgangssituation: Die Fräse im Originalzustand für Handbetrieb. (Der Windows Inside Aufkleber ist nur ein Scherz von mir…)


Das Bedienpanel der Fräse. Neben Links- und Rechtslauf kann die Drehgeschwindigkeit zwischen 0 und 2000 U/min geregelt werden, dazu gibt es zwei Gänge H/L und eine elektronische Regelung.

Die Fräse besitzt Handräder für X,Y und die Z-Richtung. Die Tischgröße beträgt 240x145mm.

In X und Y Richtung kann man in 0,025 mm Schrittmarkierungen auf dem Skalenring verstellen, eine Umdrehung besitzt dabei 80 Teilungen, so dass eine Umdrehung einen Verstellweg von 2 mm bedeutet. X-Verfahrweg ist 180 mm, Y-Verfahrweg ist 90 mm.


Der X-Antrieb


Der Y-Antrieb; da das Handrad bei einem Umzug kaputt ging, habe ich den Antrieb durch eine selbstgemachte Lösung aus Metall ersetzt

In Z Richtung fehlt ein Skalenring, man kann den Verstellweg direkt auf einer Achsenskala ablesen. Auf dieser Achse bedeutet eine Umdrehung einen Verstellweg von 1,5mm. Z-Verfahrweg ist 235mm.


Der Z-Antrieb

In Z-Richtung gibt es noch einen Feintrieb, der einen eigenen Verstellweg von 30mm besitzt. Der Feintrieb wird durch Heben/Senken eines Handarms bedient. Bei einer Steuerung mittels CNC wird dieser Feintrieb nicht genutzt, er darf keine Wirkung mehr haben.


Z-Feintrieb mit Handarm

Die folgende Tabelle stellt genannte Werte noch einmal dar.

Achse

 

mm/Umdrehung

 

Verfahrweg [mm]

 

Verfahrweg [mm]

Großer XY-Tisch

 

X

 

2 180 304
Y

 

2 90 139
Z

 

1,5 235
Z Feintrieb

 

30

 

Auswahl der Schrittmotoren

Nach längerem Studium bin ich zu dem Schluss gekommen, dass Schrittmotoren unter 1Nm Haltekraft zu schwach sein könnten. Ich habe daher 1,8Nm Motoren von MotionKing gekauft (Typ 23HS8430), 200 Vollschritte pro Umdrehung. Diese Motoren haben 4 Adern und ziehen 3A im Maximum. Sie sind geringe 76mm lang und wiegen etwa 1040 Gramm. Als Maßbezeichnung sind dies „NEMA23“ Motoren, die 4 Befestigungslöcher für Schrauben sind quadratisch auf 47,14×47,14mm angeordnet.


Der Motor MotionKing 23HS8430

Mechanischer Umbau der Fräse

Erster Versuch: Komplette Eigenlösung

Zunächst habe ich eine vollständige Eigenlösung gestartet. Diese hat sich aber als sehr aufwendig herausgestellt und ich habe sie daher abgebrochen.

Diesen erste Versuch habe ich trotz allem hier beschrieben und lasse das Dokument aus historischen Gründen bestehen.

Zweiter Versuch: Verwendung eines gekauften CNC Conversion Kits

In einem zweiten Durchgang habe ich mir einen CNC Conversion Kit für die Sieg Micro Mill X1 von http://www.cnc-fusion.com gekauft.

Suche im Internet brachte 2013 leider keinen Anbieter in Europa, aber bei
http://www.cncfusion.com/ in Texas werde ich fündig. Dort wurde ein Konversionskit für die X1 fertig, mit allen benötigten Teilen angeboten, siehe http://www.cncfusion.com/micromill1.html . 2016 ist das Kit immer noch im Angebot.

Für etwa 360 Euro (inklusive deutscher Steuer und Zoll) erstehe ich das Kit und nach etwa 14 Tagen ist das Kit bei mir. Es ist nicht billig, aber dafür ist auf mechanischer Seite praktisch nichts mehr zu tun.

Die drei Motoradapter, die in die an der Fräse vorhandenen Bohrungen passen. Oben links die Motorkupplungen, die an 6,3mm-Motorachsen sowie an die Achsen der Fräse direkt angeschraubt werden können. Die Fräsenachsen werden über jeweils zwei kleine Kugellager geführt. Schließlich sind auch alle nötigen Schrauben beim Kit dabei.

 

Next Step: Anbau der Motorhalterungen TBD

Bau der Motoransteuerungen

Da die Motoren 3A Strom ziehen, kann die beliebte L297/L298-Lösung nicht zum Einsatz kommen. Professionelle Steuerungen sind mir zu teuer und ich werde hier fündig, eine Schaltung mit Platinendesign, die bis zu 4A verkraftet. Diese stammt wohl aus der Elektor, Jahrgang 9/1999. Es kommt der Leistungs-Baustein L6203 zum Einsatz, der vom L297 angesteuert wird. Die Schaltung ist im wesentlichen die aus dem Datenblatt des L6203. Da ich das Teil dreimal brauche und das alles lange halten soll, beschließe ich einen Aufbau auf Platinen, also keinen losen Aufbau. Die Platinen will ich selbst ätzen. Das habe ich zuletzt vor rund 25 Jahren gemacht und habe daran keine so tollen Erinnerungen, es ging meist irgendwas schief und das Ergebnis war minderqualitativ. Nach kurzem Internet-Studium steht fest: am Verfahren hat sich seitdem kaum was geändert, außer dass das damals genutzte Eisentrichlorid (das diese tollen unentfernbaren Flecke in die Kleider und auf den Teppich machte) heute out ist.
Das Selbstanfertigen von Platinen besteht aus den Schritten:

  • Vorlage erstellen
  • Belichten
  • Entwickeln
  • Ätzen
  • Rückstande entfernen
  • Bohrungen anfertigen

und ist beispielsweise unter den folgenden Links sehr ausführlich beschrieben:

Ich steuere daher hier nur ein paar Bilder des Entstehens meiner Platinen bei. Basis ist ein fertiges Set von Reichelt.

Vorlage erstellen: Die Vorlage wird als Laser-Transparent-Folie erzeugt. Ich drucke dreimal aus und klebe die drei Drucke übereinander. Damit sind die schwarzen Stellen nicht mehr durchsichtig. Vielleicht langt auch zweimal, aber mir fehlt die Erfahrung und die Lust am Experimentieren (natürlich nur beim Platinenerstellen).

Nachtrag: Ich habe später andere Platinen entwickelt und dabei auch versucht, Ergebnisse mit 2 Folien (ok&gut) und sogar mit nur einer Folie zu erzielen. Bei nur einer Folie schleichen sich zahlreiche winzige Stellen ein, bei denen zu stark belichtet wurde und nach dem Ätzen sind dort Löcher und sogar an einer Stelle eine Leiterbahnunterbrechung entstanden. Nur eine Folie ist nicht zu empfehlen.


Im Bild die Transparentfolie, hier zum Schutz in einer Transparenthülle. Das Platinenbild oben ist nur ein Ausdruck auf Papier, das unten querliegende sind die zusammengeklebten drei Tansparentfolien.

Belichten: Da mir eine UV-Lampe fehlt, belichte ich mit einem 1000 Watt Halogenstrahler , den ich zufällig da habe. Die Belichtung mit 40cm Abstand (sonst fängt die Platine und ihre Umgebung an zu brennen 🙂 dauert dann halt statt 2 Minuten satte 25 Minuten, aber das Ergebnis ist auch ok.


Der Aufbau beim Belichten. 40cm Abstand zwischen Lampenglas und Platine. Die Platine ist mit einer Glasplatte abgedeckt. 25 Minuten Belichtung.

Entwickeln: In mindestens 3 Minuten kam ein gut ätzbares Ergebnis heraus. Eine Entwicklung mit 2 Minuten war unbrauchbar (Entwickler nicht ganz weg).

Ätzen: Mangels Heizung habe ich eine kleine Wanne mit dem Ätzmittel in eine große Wanne gestellt. In die große Wanne habe ich heißes Wasser eingefüllt und immer mal durch neues heißes Wasser ersetzt.


Aufbau beim Ätzen. In rot die Wanne mit dem heißen Wasser, in grau die kleine Wanne mit dem Ätzmittel.


Zustand während des Ätzens


Zustand am Ende der Ätzung. Die Platine wird danach noch zugeschnitten.

Zuschnitt: Wegen meiner natürlichen Faulheit 🙂 scheue ich das Zusägen der Platine mit der Handsäge. Ich probiere daher meine Dekupiersäge mit verschieden gezahnten Sägeblättern aus. Das Ergebnis ist katastrophal, die Blätter der Säge werden so heiß, dass die Zähne abschmelzen. Ich versuche auch erfolglos einen Zuschnitt mit einem Papierschneidemesser (das Messer geht fast kaputt). Dann nehme ich doch die Metallhandsäge und bin in wenigen Minuten fertig…

Nach dem Zuschneiden wird der noch vorhandene Entwickler mittels Spiritus von den Platinen entfernt. Danach werden die Platinen mit Lötlack eingesprüht. Dieser Lack verhindert die Oxidation der Leiterbahnen und erleichtert das spätere Löten.


Die mit Lötlack besprühten Platinen. Die Platine ganz rechts besteht aus Pertinax (, über dessen Eigenschaften sich schon unsere Großväter geärgert haben), die beiden links aus Epoxyd-Harz.


Bohren der Platinen. „Normale“ Löcher werden mit 0,8mm gebohrt, dickere Löcher mit 1mm.


Eine fertig gebohrte Platine


Und hier die erste der drei Platinen mit kompletter Bestückung. Hinten die beiden L6203. Der Kühlkörper wird erst später angebracht.

Netzteilberechnung

Im Probebetrieb (eine Steuerungsplatine mit einem Motor, keinerlei Integration zur Fräse hin) konnte ich die Steuerung zunächst nur kurz mit dem ausgesuchten Motor betreiben. Die beiden L6203 wurden sehr heiß, daher habe ich Tests immer schnell abgebrochen. Kaputtgehen kann prinzipiell nichts, der L6203 schaltet bei 150 Grad Hitze den Motor einfach ab… dann sind die Lötstellen noch nicht flüssig 🙂

Offensichtlich brauche ich Kühlkörper für die Steuerungen. Internet-Recherche bringt einiges zur Berechnung von Netzteilen und Kühlkörpern ans Licht. Was dort schon festgestellt wurde, will ich hier nicht wiederholen, daher nur in Kürze…

Alle Formeln findet man unter http://www.einfach-cnc.de/netzteilberechnung.html

Spannung des Netzteils: Für meinen Motor und meine eben gebaute Motorsteuerung ergibt sich eine optimale Betriebsspannung von 39 Volt, die der Trafo bringen müsste. Es findet sich dort aber auch der Hinweis, dass man mit niedrigeren Spannungen auch glücklich werden kann.

Leistung des Netzteils: Weiterhin finden sich unter der genannten URL auch Formeln, um die benötigte Watt-Zahl für das Netzteil zu ermitteln. Ich komme mit der Annahme, dass 75% des Drehmoments meines Motors bei 1200 U/min erreicht werden (mir liegt die passende Kennlinie nicht vor, also schätze ich) auf einen Maximalverbrauchs eines Motors von 160 Watt. Der Wert ist für mich plausibel. Da theoretisch alle drei Motoren gleichzeitig laufen, brauche ich also ein Netzteil, das 3*160=480 Watt zur Verfügung stellt.

Ein 480 Watt Trafo für 24Volt (das sind etwa 33 Volt Gleichstrom) erfüllt also in etwa meine Anforderungen. 480VA ist schon ganz schön viel, aber es gibt handelsüblich Ringkerntrafos mit 500 (und sogar 1000) VA. Mein Wunschtrafo kommt auf etwa 60 Euro.


Bild: Der Ringkerntrafo mit 500VA (2×24 Volt und 2×20,84A). Befestigungsmaterial lag bei.

Das Netzteil besteht neben dem Trafo auch aus Gleichrichter und  Kondensator. Auch hierfür findet man unter der oben angegebenen URL Formeln.

Gleichrichter: Der Gleichrichter muss für mindestens 14,08 Ampere ausgelegt sein. Ich werde einen 25A-Gleichrichter nehmen, die Kosten dieses Elements sind gering (ein paar Euro).


Der Gleichrichter

Kondensator: Der Kondensator muss laut Formel 33.062 µF besitzen. Hier werde ich einen 22.000 oder einen 47.000µF-Typ nehmen (33.000µF-Typen gibts scheinbar nicht so einfach). Der Kondensator ist außerdem ziemlich teuer (fast 20 Euro).


Der Kondensator, hoffentlich langen die nur 22.000µF, im Bild zusammen mit dem Gleichrichter.

Kühlkörper: Man kann die Größe des benötigten Kühlkörpers berechnen. Dazu muss man wissen, wie viel Watt im L6203 in Hitze umgesetzt werden. Dazu gibt es dann passende Kühlkörper. Mittels des Links http://www.eevblog.com/2010/08/15/eevblog-105-electronics-thermal-heatsink-design-tutorial/ ermittle ich, dass ich einen Kühlkörper von etwa 2 Kelvin/Watt brauche. Das ist schon ein etwas größerer. Ich beschließe, einen ganz großen zu nehmen, an den ich dann alle 6 L6203 anbringen und kühlen kann. Dieser müsste dann nach meinem Laienverständnis 2/3 Kelvin/Watt (für drei Steuerungen) haben, ich finde einen mit 0,7 Kelvin/Watt und entscheide mich für den (Abmessung: 160x100x40mm, Preis ca. 10 Euro).

Sanftanlauf des Netzteils (Einschaltstrombegrenzung)

Ein erster Test des Netztrafos am Stromnetz zeigt, dass meine Hausabsicherung mit einer üblichen 16A-Sicherung sofort herausspringt. Der Transformator baut beim Einschalten ein Magnetfeld auf, und bei einem Transformator dieser Stärke wird kurzzeitig ein sehr hoher Strom gebraucht. Diesen Stromstoß hält die Sicherung für einen Kurzschluss und löst aus. Wenn ich es im Web richtig gesehen habe, ist der Stromstoß in der Größenordnung vom 25-fachen des Stroms, den der Trafo unter Belastung ziehen würde, bei 500VA also etwa 50A.

Das Problem ist allgemein bekannt, alle stärkeren Verbraucher wie Trafos oder Motoren benötigen eine Einschaltstrombegrenzung. Diese kann man als Vorschaltgerät im Handel erwerben oder unterschiedlich komplex selbst bauen. Ich studiere 2 Schaltungen, eine elegant-komplexere sowie eine ganz einfache. Die ganz einfache probiere ich mal schnell aus und sie funktioniert wunderbar. Ich baue diese Schaltung auf einer kleinen Platine auf.

In diesem Link ist am Anfang die komplexere Schaltung (mit DIAC, Thyristor und Relais) beschrieben, etwas weiter unten die ganz einfache mit NTC und Relais. Die ganz einfache Schaltung habe ich in folgendem Bild nochmal abgemalt.


Achtung: Entgegen des oben im Bild genannten Widerstands des NTCs habe ich einen Wert von 47 Ohm, bei dem etwa 4 Ampere durch den NTC fließen verwendet.

Die einfache Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung aus dem Thread im HiFi-Forum (Link). Direkt nach dem Einschalten fließt ein relativ hoher Strom durch den NTC (Heißleiter), aber nicht so hoch, dass die Sicherung herausfliegt. Derselbe Strom fließt auch durch den Transformator, der nun „sanft“ sein Magnetfeld aufbaut. Dabei wird zunehmend Spannung in der Sekundärwicklung des Trafos induziert. Diese Spannung wird über die Diode gleichgerichtet und lädt über den Widerstand mit bei mir 330 Ohm den Kondensator mit 470µF auf. Wenn die Spannung am Kondensator hoch genug ist, schaltet das Relais. Der Relaisschalter überbrückt dann den NTC, der nun keinen Strom mehr ziehen kann. Der ganze Strom fließt dann über den Trafo. Das Relais zieht innerhalb von ein paar dutzend Millisekunden, so dass der NTC in dieser kurzen Zeit nur lauwarm werden kann. Die Schaltung funktioniert trotz ihrer Einfachheit wunderbar.


Die fertig aufgebaute Einschaltstrombegrenzung. Oben rechts der NTC, oben links das Relais. (Die Buchsenleiste habe ich wie folgt belegt: 1 und 2: Sekundärwicklung des Trafos, 3 frei, 4 und 5 Phase 1 230V, 5 und 6 Phase 2 230V. Geschaltet wird vom Relais Phase 2, also zwischen den Kontakten 5 und 6).

Die drei Schrittmotorsteuerungen wurden dann am Kühlkörper angebracht (Isolierung nicht vergessen).
Die ganze Steuerung mit Netzteil wurde kurzerhand in ein altes PC-Gehäuse eingebaut, dort steht ausreichend Platz zur Verfügung. Das folgende Bild zeigt einen Zwischenstand beim Aufbau der Motorsteuerung.

Unten Kühlkörper mit den drei Motorsteuerungen, unten Links die zwei SUB-D Buchsen. Oben rechts (hinter der Abdeckung) der Ringkerntrafo mit Netzteil und Sanftanlauf.

Für die Verbindungen

  • PC zur Motorsteuerung
  • Motorsteuerung zur Fräse

wurde je eine 25-polige SUB-D Buchse ins Gehäuse der Motorsteuerung eingebaut. SUB-D Buchsen sind bis 5A Strom spezifiziert, im Innern des Gehäuses sind Kabel mit ausreichendem Kabelquerschnitt zu verwenden. Pro mm2 Kabelquerschnitt können 8-10A transportiert werden (Angabe schwankt je nach Quelle, die ich im Internet gefunden habe). Mit 0,5mm2 Kabelquerschnitt pro Ader sollte man also hinkommen.

Die Verbindungskabel selbst sollten auch diesen Querschnitt haben. Für allererste Funktionstests werde ich allerdings simple Druckerkabel verwenden.

Gemäß EMC-Konvention (http://linuxcnc.org/docs/html/config_stepconf.html#cap:Parallel-Port-Setup) können nur bestimmte Pins der Drucker-Schnittstelle für Eingabe bzw. Ausgabe verwendet werden:

  • Pin 2..9 für Ausgabe (Motoransteuerung etc.)
  • Pin 10..13 für Eingabe (Sensoren wie Limit-Schalter etc.)

Basierend darauf habe ich meine Buchsen wie im folgenden Bild dargestellt belegt.


Links Eingangsbuchse in die Steuerung (PC<->Motorsteuerung),
rechts Ausgangsbuchse (Motorsteuerung<->Fräse).
Die Verbindungen für die Limit-Schalter sind von der Eingangsbuchse direkt durchgeschleift zur Ausgangsbuchse. An Pin 24/25 steht GND/+5V zur Verfügung, um an der Fräse kleinere Schaltungen (Lichtschranken der Limit-Schalter) zu versorgen.
Die Darstellung der Pinnummern entspricht der Sicht von Hinten (=Lötseite) auf die Buchse bzw. der Sicht von vorn auf den Stecker.

Das Ausgangskabel der Motorsteuerung hat 17 Leitungen, die recht dick sind. Daher wurde die 25-polige Buchse auf 4 neunpolige Stecker mit eigenem Kabel mit 5 Leitern geführt. Drei Stecker für die drei Motoren und ein Stecker für 5V und GND sowie spätere Erweiterungen.
Die Verkabelung der drei Schrittmotorsteuerungen wurde wie folgt durchgeführt:

  • Alle GND und +5V-Leitungen parallelgeschaltet
  • Alle +/-36V Eingänge parallelgeschaltet
  • pro Steuerung (X, Y, Z) werden Richtung („DIR“) und Motortakt („STEP“) auf die Eingangsbuchse gelegt.

Verkabelung der drei Schrittmotorkarten

Nach obigen Überlegungen wurde die Verkabelung dann im Gehäuse durchgeführt.


Blick auf Verkabelung im Gehäuse

Ein erster Test mit extern angelegten +5V, einer extern angelegten Motorspannung von 15V/2A (statt 33V/20A) und manuell eingegebenen Taktsignalen an den drei Steuereingängen zeigt, dass die Schrittmotoren korrekt angesteuert werden.

Bei ersten Funktionstests sollte man die Leistung des Ringkerntrafos nicht verwenden. Falls nämlich etwas an der Verkabelung nicht stimmt, lösen sich bei 33V/20A Bauteile und auch Kabel explosiv in Qualmwolken auf. Daher sind z.B. 15V/2A mit Strombegrenzung fürs Testen aus einem Labornetzteil wesentlich harmloser.

Zwischenzeitlich wurden die ganzen Innereien der Motoransteuerung in ein besser geeignetes Gehäuse umgezogen. Dabei wurde auch die ausgangsseitige 25-polige SUB-D Buchse durch drei je 8-polige Buchsen Lumberg mit Schraubverschluss ersetzt (z.B. bei Reichelt). Die Kontakte sind für 5A/60V ausgelegt.

Limitschalter

Pro Achse habe ich einen Limitschalter vorgesehen. Der Schalter soll auch zur Bestimmung der Null-Position verwendet werden können.

Mein Limitschalter ist eine optische Variante. Eine Lichtschranke ist am Gerät befestigt, die in Endstellung (Nullposition) von einer Metallnase („Fühler“) unterbrochen wird.

Limitschalter Schaltplan. Gabelllichtschranke Typ ist TCST1103.


Bestückung Limitschalter

Ätzvorlage für 4 Limitschalter

Um den Limitschalter anzubringen, ist eigene Kreativität erforderlich. Hier ein paar Bilder meiner Lösung.


Ein fertiger Limitschalter

 

An Z-Achse angebrachtes Gehäuse mit Limitschalter und Motorbuchse

 


Bohren für 2 Gewinde, die den Fühler für die Lichtschranke halten. Die Fräse liegt quer auf einer Ständerbohrmaschine.


Hier kann man den Fühler sehen, er ragt durch einen Schlitz im Gehäuse in die Lichtschranke hinein.

Als Steuerkabel verwende ich pro Motor ein 16-adriges geschirmtes Kabel mit je 0,14mm2 Querschnittsfläche. Für die Motoradern werden immer drei der Kabeladern zusammen verwendet, so dass der Motor 12 Adern benötigt. Drei weitere benötigt der Limitschalter.

Stecker/Buchsenbelegung je Motor und Kabelbelegung (evtl. nur für mich interessant 🙂 ):

Pin

 

Belegung

 

Adernfarbe Kabel
Adernfarbe Motorgehäuse
8 Motor Spule 1 Anschluss 1 rot/blau+weiss/grün+braun/grün schwarz
3 Motor Spule 1 Anschluss 2 grün+gelb+braun grün
5 Motor Spule 2 Anschluss 1 lila+grau/rosa+gelb/rot blau
2 Motor Spule 2 Anschluss 2 blau+rosa+grau rot
4 Limitschalter Ausgang weiß weiß
1 Limitschalter +5V rot rot
7 Limitschalter GND schwarz schwarz
6 N.C.

 

Steckerbelegung Lumberg-Serie, 8-polig

Mit einer supersimplen Ansteuerung mittels AVR kann ich das ganze Zusammenspiel schon mal testen. Die Ansteuerung besitzt Taster zur Motorsteuerung und eine LCD-Anzeige. Außerdem wird der Limitschalter abgefragt.

Pin

 

Nutzung

 

PD3 Limitschalter
PD4 DIR
PD5 Pulse

Weiter: Test mit EMC-Ansteuerung und „lose“ liegenden Motoren.

Aufbau eines Steuer-PCs mit Linux und EMC2 als CNC-Software

Ich habe mich zur Nutzung der Software EMC2 entschieden (deutsche Seite hier: http://linuxwiki.de/EMC). Diese bietet eine in Foren sehr gut besprochene Funktionalität an, um einen PC in eine CNC-Steuerung umzuwandeln.
Die  Steuerung erfolgt über den Parallel-Port des Rechners.

Ich habe mir einen Extra Rechner für den Umbau aus älteren Komponenten zusammengebastelt. CPU ist ein AMD Athlon 64 mit 2,4Ghz. Unter 1Ghz sollte man laut EMC2-Enwickler nicht nehmen, da auch eine graphische Oberfläche läuft. Der Rechner bekommt 1GB Speicher und eine ältere Festplatte mit 40GB. Essentiell ist die Verfügbarkeit einer parallelen Schnittstelle. Parallele Schnittstellen können als PCI-Karte nachgerüstet werden (war hier nicht nötig).

EMC2 kommt als Komplett-Distribution, die auf Ubuntu Hardy beruht.  Besonderheit der EMC Ubuntu-Installation: Diese Installation benutzt eine Realtime-Kernel, der zeitnah Interrrupts bearbeiten kann und externe Geräte so in einem engen Zeitraster steuern kann.

Danach sollte man den Latency Test durchführen. Bei meinem Board liegt die Latenz um 17.000ns, ein sehr guter Wert.

Mit dem EMC2 Wizard „stepconf“ kann dann EMC konfiguriert werden, z.B. kann dort eingegeben werden, an welchen Pins der Druckerschnittstelle welches Motorsignal liegt etc.
Innerhalb des Wizards können die Achsen bereits einzeln getestet werden.
Beim Testen finde ich noch einen Verdrahtungsfehler der Motoransteuerung der Z-Achse.
Das beim Testen verwendeten Druckerkabel wird beim Testen sehr warm, was zu erwarten war. Die Ströme sind einfach zu hoch, ich muß ein spezielles Kabel noch herstellen.

Nach der Konfiguration kann EMC2 gestartet werden. EMC2 liegen einige Beispiele bei, die man nun fräsen kann, auch wenn die Motoren noch nicht an der Fräse befestigt sind.
Unter http://magge2k.roboterbastler.de/index.php?seite=17.emc2verwenden sind erste Schritte mit EMC2 wunderbar einfach beschrieben. Grob sinds:

  • NOTAUS-Schalter deaktivieren (Button der EMC2-Oberfläche)
  • Maschine einschalten (Button der EMC2-Oberfläche)
  • Auf allen Achsen Referenzfahrt durchführen (auch dies mittels Buttons der EMC2-Oberfläche). Dies muß ich machen, da ich momentan noch keine Referenzschalter habe und EMC2 eine definierte Aussgangsstellung (=Referenzpunkt) verlangt. Wenn man Referenzschalter hat, macht vermutlich EMC2 selbst die Referenzfahrt. Den Referenzpunkt hat man mit stepconf definiert.
  • Danach kann man manuell die Achsen bewegen oder ein Beispiel laden und ausführen lassen.

Nutzungsbeispiele

(TBD)

Weiterführende Links

X1 Infos & Foren

http://groups.yahoo.com/group/hf47158toCNC/ – User Forum

X1 Vertrieb

X1 CNC Umbauten

Anbieter von CNC (Teil-)lösungen

Motoransteuerung

        Motorkupplungen

EMC

Rohmaterial zum Fräsen und Drehen

Nutzung und Verbesserungen von Fräsen

        • http://www.zellix.de/ – Herbert Zellhuber, ein begnadeter Mechaniker, gibt zahllose Anregungen zur Verbesserung von Fräsen (und auch Drehbänken), extrem lesenswert…

Sieg X1 Fräse (Sieg Micro Mill X1) Umbau auf Riemenantrieb

Die Sieg X1 ist eine schöne kleine, aber doch stabile Fräse. Leider ist der Antriebsteil durch die Verwendung von Plastikzahnrädern ziemlich anfällig. Wenn der Fräser blockiert, und das kommt bei dem schwachen Motor schon mal vor, reißen die Zähne von den Zahnrädern ab. Der Motorcontroller stoppt in solchen Fällen zwar den Motor, aber für die Zahnräder ist es oft zu spät… Auf die Dauer gehen die Ersatzzahnräder doch ins Geld…


So sehen Zahnräder aus, wenn der Motor blockiert….

Es gibt aber einen Umbausatz für Riemenantrieb. Der Original-Motor kann weiter verwendet werden. Die Riemenscheiben erlauben 2×3 unterschiedliche Übersetzungen. Der Umbausatz ist (11/2016) bei http://www.mbbilici.com/ (Türkei) erhältlich. Da die Türkei (noch) in einer Zollunion mit der EU ist, fällt bei einem Kauf aus der EU kein Zoll an. Im Herbst 2016 kostet der Umbausatz ungefähr 140 Euro.


Bauteile des Umbausatzes

Im folgenden wahllos einige Bilder aufgenommen während des Umbaus auf Riemenantrieb…


Der alte Aufsatz mit den Zahnrädern schon entfernt…

Der neue Aufsatz teilmontiert…

 


Hier mit Riemenscheibe…

 


Lösen des Ritzels am Motor … natürlich auch aus Plastik …

 


Nach dem Umbau

 

 


Typenbezeichnung des Riemens, falls ich den mal nachkaufen muss…

Gehäuse für den Motorcontroller

Nach dem Umbau auf Riemenantrieb liegt leider der Motorcontroller lose herum. ich habe daher ein Aluminiumgehäuse als neue Behausung des Controllers verwendet.


Gehäuse noch ohne Inhalt…

 

 


Hier der Test ob alle Kabel passen

 


Ausfräsen der Öffnung für die Frontplatte

 


Ein paar größere Löcher für die Kabeldurchführungen…

 


… passt …

 

 


Hier mit eingesetztem Controller

 

 


Endstadium, alles ist wieder verkabelt.

 

 


Ansicht von hinten

 


… von unten …

 


Gesamtansicht, öh leider quer

 

 

Ein paar Bemaßungen die ich verwendet haben. Das Alu-Gehäuse gibts bei Reichelt.

Erfahrungen mit dem Umbausatz

Der Motor läuft wesentlich leiser/ruhiger und durch die Untersetzungen ist er auch deutlich kraftvoller. Während der Motor mit Zahnrädern schon im Normalbetrieb immer mal stehen blieb, ist mir dass mit dem Riemenantrieb überhaupt nicht mehr passiert (habe ~2 Jahre Erfahrung mit dem Riemenantrieb). Der Riemenantrieb ist eine wesentliche Verbesserung für die Sieg MicroMill X1.