Baubericht meiner Portalfräse "Hannah"

[klarisatec]

Führungen der Z-Achse

Für die eigentliche Führung der Z-Achse mit der Fräse selbst habe ich mir die gleichen Gedanken gemacht - na ich werde mir doch auf den letzten Linearführungsmetern nicht untreu werden �

Vorgesehen sind bei der P2 Anlagen von EMS an der Frässpindel Aufnahme zwei 30-er Führungswagen. Um die Frässpindel maximal an das Portal zu rutschen, verfolge ich wieder einen (verrückten?) Gedanken...

Warum zwei 30-er Wagen habe ich mich gefragt? Denn zum Verfahren des gesamten Portals werden doch auch nur vier 25-iger Wagen verbaut und dort ist die Belastung ungleich größer als an der Z-Achse. Also reichen hier evtl. auch vier der kleineren 20-er Wagen?

Ab ans CAD dachte ich mir und habe die vier 20-er Wagen auf der Z-Achse verbaut. Auch hier habe ich natürlich den Vergleich der technischen Daten angestellt, diesmal der SBI SLL und SL Typen (siehe unten).

Um es vorweg zu nehmen. Die technischen Daten sind bis auf die Wagenbreite identisch mit denen der Flanschausführung der Typen FLL und FL. In diesem Fall hat die Verdopplung der Wagen also keine Einschränkung des Arbeitsbereiches zur Folge.

Auch die Tragzahlen der zwei 20-er SLL Wagen sind höher, als bei einem einzelnen 30-er Wagen. Die Drehmomente sind in etwa gleich.

Ein Plus ist bei dieser Lösung ist aus meiner Sicht:
- deutlich größere Führungslänge der Spindelaufnahme
- die Frässpindel rutscht um 15mm näher zum Portal hin
- fasst 2kg an eingespartem Gewicht

Nun kommen sicherlich bald die Nachfragen bzgl. der Gewichtsreduzierung in Verbindung mit der Schwingungsdämpfung. Klar, weniger Gewicht bedeutet evtl. auch höhere Eigenfrequenzen, doch wie verhält sich das in Verbindung mit der höheren Eigensteifigkeit?

Die Profis unter Euch haben sicherlich sofort aufgehört mitzulesen, wenn´s um den Einsatz von 20-iger Wagen geht ...

Die gesamte Führungshöhe beträgt von Schienenunterkante bis Wagenoberkante 30mm. Die Spindelmutter der ß16-er Spindel hat jedoch eine mind. Einbauhöhe von 40mm �

Und nun?

Zur Einbauidee der Spindelmutter schreibe ich Euch morgen, denn der Gedanke ist noch etwas vage. Da muss ich nochmals drüber schlafen ...

Gruß Markus

[klarisatec]

Die Auswahl der Spindeln

Nachdem ich mich nun im ersten Schritt für die Größen der Linearführungen entschieden habe, möchte ich nun die Abmessungen der Kugelrollspindeln festlegen. Die billigeren Trapezspindeln sind auf Grund der geringeren Genauigkeit und der höheren Reibung für mich keine Option.

Hier gehe ich in umgekehrter Reihenfolge vor, d.h. von der Z-Achse beginnend bis zur X-Achse. Beim Lesen der vielen Berichte war mir aufgefallen, dass alle drei Achsen mit Spindeln der Größe ß16 ausgestattet waren.

Aber warum? Hat ein Werkzeug in allen drei Ebenen gleich große Schnittkräfte? Sind die dynamischen Kräfte der verschiedenen Achsen vernachlässigbar klein und daher gleich hoch? Oder kann man durch gleiche Lagerungen (höhere STückzahlen) evtl. etwas Geld sparen?

Um diese Fragen zu beantworten bin ich ganz pragmatisch vorgegangen. Durch die Auswahl der 20-iger Führungswagen an der Z-Achse ist der Platz für die Höhe einer Spindelmutter auf 30mm beschränkt. Wenn jedoch eine 16-er Spindelmutter verbaut werden soll, müssen die Aluplatten in der Mitte um die Spindelmutter freigefräst werden und zwar um ca. jeweils 6mm. Sicherlich machbar, allerdings ein zusätzlicher Fräsaufwand, der Zeit und Geld kostet.

Mit denen in der P2 von EMS eingesetzten 35-er Führungswagen taucht dieses Problem natürlich nicht auf, denn die Führungshöhe ist mit 45mm ausreichend. Bei 30-er Wagen beträgt der Abstand 40mm, so dass auch hier bereits etwas freigefräst werden müsste. Wenn die Fräsarbeiten insgesamt teurer sind, als der Mehrpreis für die 35-er Schienen mit einem Wagen, macht diese Konstellation für ein (Klein-) Serienprodukt schon Sinn.

Doch nun baue ich ja selbst und schaue etwas genauer hin. Was, wenn man eine kleinere Spindel einsetzen würde, deren Mutter in den vorhandenen Bauraum hineinpasst?

So habe ich kurzer Hand im CAD eine 12-er Spindel verbaut. Die Spindelmutter hat eine Höhe von nur 26mm und würde zumindest geometrisch sehr gut zu den 20-er Führungen passen. Auch ohne zusätzliche Fräsarbeiten.

Aber wie sieht es mit den Belastungen aus? Und wie kommt man jetzt möglichst schnell auf ein paar Ergebnisse ohne eine Doktorarbeit zu schreiben ... ?

Ich habe einfach an -das andere Ende- geschaut. Also nicht an den Fräser und welche Belastungen im Extremfall auftreten können, sondern wieviel Leistung ich am Antrieb der Spindel max. zu Verfügung haben werden.

Ein Blick auf die vielen Fräsen in dieser Größe zeigt, dass hier konstruktiv durchgehend die Größe NEMA 23 vorgesehen ist und auch so empfohlen wird. Also stürze ich mich nun ins Internet und suche mir verschiedene Datenblätter heraus um das max. Drehmoment der Antriebe zu erfahren. Also bis später ...

Gruß Markus

[klarisatec]

Die Vorschubkraft an der Z-Achse

Um Informationen über Schrittmotoren zu bekommen habe ich natürlich zuerst in den bekanntesten CNC Shops gesucht, in denen viele der -Fräseneigenbauer- ihre Komponenten auch beziehen. Einer der Shops findet sich bei der Firma Sorotec. Auf der dortigen Internetseite finden sich auch Datenblätter der empfohlenen Motoren.

Bei Sorotec habe ich Motoren vom Hersteller Nanotec gefunden. Da die Links in den Shops oftmals aktualisiert werden, habe ich Euch einfach einen Screenshot angehängt. Hier wird bei bipolarer Installation ein max. Drehmoment von 3,54Nm angegeben. Betrachtet man nun das verknüpfte Datenblatt von Nanotec, so wird dort -nur- ein max. Drehmoment von 3,1Nm gelistet.

Nun habe ich zur Sicherheit auf der Nanotec Homepage nach der genannten Typenbezeichnung ST6018L3008 gesucht. Bei Nanotec wird der genannte Typ aktuell als Nema 24 Motor geführt. Und siehe da, wenn man dort das aktuelle Datenblatt ST6018L3008-A öffnet, findet man auch die Drehmomentangabe von 3,54Nm.

Nema 23, Nema 23 XL, Nema 24 - was denn nun? Mich haben die Bezeichnungen auf der Sorotec Homepage schon ein wenig ins Schleudern gebracht. Das Bohrbild am Flansch ist bei beiden Typen identisch, lediglich die Flanschgröße richtet sich ja nach der Bezeichnung und weicht etwas voneinander ab (Nema 23 = 2,3- = 56,4mm und Nema 24 = 2,4- = 60mm). Zur weiteren Konstruktion und Berechnung verwende ich nun die -Zwischengröße- Nema 24 und das originale Datenblatt von Nanotec, so liege ich (hoffentlich) auf der sicheren Seite.

Mit diesem Antrieb schaue ich nun nach der erzielbar maximalen Vorschubkraft an der Spindel. Der Ansatz ist im Grunde recht einfach:

Die Arbeit, die auf beiden Seiten aufgewandt wird, muss (bei einem Wirkungsgrad von 100%) identisch sein. Daraus folgt: Drehmoment mal Drehwinkel (im Bogenmaß) multipliziert mit dem Wirkungsgrad des Spindeltriebes ist gleich Kraft mal Weg.

M * a * μ = F * s wobei gilt: a = 2 * Ï? (Bogenmaß)

Hierbei sind die Werte mit M (Drehmoment Antrieb) in Nmm, F (max. Vorschubkraft an der Spindel) in N und s (Spindelsteigung) in mm einzusetzen. Als Wirkungsgrad nehme ich einen sehr guten Wert von 95% an.

F =( M * a * μ ) / s = (M * 2 * Ï? * μ)/s

In meinem Beispiel bedeutet das für die Vorschubkraft:

F = 3,54 * 10°3 Nmm * 2 * Ï? * 0,95 / 5mm
F = 4.226 N

Wähle ich nun noch ein ßbersetzungsgetriebe mit i = 1,25 wie bei der neuesten P2 Maschine, erhöht sich die max. Vorschubkraft auf ca. 5.300 N.

Als nächstes werde ich prüfen, ob diese Kraft mit einer 12-er Spindel noch wirklich zuverlässig übertragen werden kann.

Gruß Markus

[klarisatec]

Die Belastungen an der Spindel

Welche Kriterien schließen nun die Verwendung einer 12-er Spindelgröße aus? Zum einen könnten die berechneten 5.300N eine zu große Knicklast bedeuten und zum anderen eine zu hohe Lagerbelastung an einer der Spindellagerungen.

Diese Werte kann man mit Hilfe der Formeln, die von den verschiedenen Spindelherstellern angegeben werden grob überprüfen. Hinweise hierzu finden sich eigentlich immer im vorderen Bereich der Produktkataloge.

Auch muss man sich über die Antriebsanbindung der Spindel Gedanken machen. Setzt man den Antriebsmotor in axialer Verlängerung mit einer Kupplung an, so hat das keinen Einfluss auf die folgenden Berechnungen. Da ich die Bauhöhe zu Gunsten einer kompakteren Bauform reduzieren möchte, kommt ein Riemengetriebe zum Einsatz. Dieser wirkt ja ebenfalls als Kupplung, allerdings kann man gleichzeitig noch eine ßbersetzung einbauen.

Nachteil:
- Die maximale Geschwindigkeit sinkt um den Faktor 1,25

Vorteil:
- höheres Drehmoment an der Spindel
- verbesserte Genauigkeit durch noch feinere Auflösung

Die Knicklast:

Sie spielt eigentlich nur eine Rolle, wenn die freie, nicht eingespannte Länge der Spindel zu lang wird. Diese bei z.B. Hiwin genannte -ungestützte Länge- gibt der Spindelhersteller als Abstand zwischen Fest- und Loslager an. In meinem aktuellen Konstruktionsentwurf mit den vier 20-ger Wagen an der Z-Achse beträgt dieser Abstand max. 250mm.

Die Berechnung der Knicklast erfolgt dann mit der Hiwin Formel:
F = 4,072 x 10^5 + (f x d^4 / l^2)

Hierbei bedeuten: f (Faktor der unterschiedlichen Montagearten, bei einer Los- / Festlager ist dieser Wert 0,5), k (Kerndurchmesser am Gewindeschaft) in mm und l (ungestützte Spindellänge) in mm. Nach den Einheiten darf man hier allerdings nicht so genau fragen, denn dieses werden wohl in dem Faktor 4,072 -gerade gebügelt-.

F = 4,072 * 10^5 * (0,5 * 9,9^4 / 250^2)
F = 31.292 N

Laut Hersteller ist lediglich die Hälfte als max. Kraft zulässig, also ergibt sich eine max. Knicklast mit ca. Fmax = 15.650 N

Man könnte also getrost seinen PkW auf die 250mm lange Spindel stellen. Die errechneten 5.300N Vorschubkraft sind hier somit völlig unkritisch.

Doch wie sieht es mit den Lagerbelastungen C und Co aus? Bei Hiwin werden die zulässigen Dyn. Und stat. Tragzahlen angegeben mit C = 5.500N und Co = 12.000N. Das erscheint auf den ersten Blick etwas knapp an der berechneten Belastung mit 5.300N zu sein, doch diese Werte sind ja dazu da auch ausgenutzt zu werden - es sind schlicht und einfach zulässige Werte.

Schaut man im Vergleich auf die Spindeldaten der 16-er Spindel so sind die stat. Tragzahlen der 12-er Spindel sogar noch etwas größer. Lediglich die dynamischen Werte liegen bei der 12-er Spindel ca. 15% darunter.

Wenn man in etwas die gleichen Sicherheiten wie bei der 16-er Spindel haben möchte, lässt man einfach die ßbersetzung mit 1,25 weg. Gedanklich kann man ja die Konstruktion so vorsehen, dass beide Riemenscheibenvarianten (1:1 und 1:1,25) verbaut werden können.

Da die Berechnungen insgesamt alle auf eine hohe Lebensdauer abzielen und dann eine max. Umdrehung von 10^6 bei max. Last annehmen, sehe ich bei der 12-er Spindel auch praktisch keine Probleme und werde diese in der Z-Achse mit der ßbersetzung 1,25 vorsehen bzw. verbauen. Eleganter Nebeneffekt, das angegebene Axialspiel ist bei der 12-er Spindel nur halb so groß wie bei einer 16-er Spindel (theoretisch).

Die Spindellagerungen (Fest- und Loslager) muss ich zu gegebener Zeit allerdings nochmals hinsichtlich der Belastungen überprüfen.

Gruß Markus

[klarisatec]

Das Riemengetriebe

Gedanklich habe ich mich heute auch noch über den Riementrieb der Z-Achse hergemacht. Da alle drei Spindeln den gleichen Antriebsmotor bekommen brauche ich diese Untersuchung ja nur einmal zu machen, also kann ich etwas genauer hinsehen.

Die Themen meiner Wissbegierde sind:
- Riementyp (Profil, Teilung, Gesamthöhe)
- Belastungen am Zahnriemen
- ßbersetzung
- Zahnriemenführung an den Riemenscheiben
- Anbindung der Zahnriemen an Antrieb und Spindel
- Spindellagerung am Riemenrad (Festlagerseite)
- Spannkräfte am Zahnriemen

Es geht also um das komplette Programm der Bauteile, die das Antriebsdrehmoment auf die Spindel übertragen.

Kupplung der Z-Achse / Grundsatzentscheidung:
Konstruktiv gesehen bin ich ein Freund einer kompakten und teilereduzierten Bauart. Die oft verwendete Klauenkupplung funktioniert ganz sicher tadellos, doch für mich sind folgende Punkte ein Ausschlusskriterien:

1. mehr Fertigungsteile als bei einer Zahnriemenlösung
Vergleicht man die mechanischen Kupplungsteile, so stehen zwei Kupplungsnaben, zwei entsprechenden Riemenscheiben gegenüber. Hier muss jeweils die Wellenpassung und eine Klemmung vorgesehen werden. Allerdings brauche ich zur Motorbefestigung meist drei Bauteile, bei dem Lösung mit Riemengetriebe nur ein zusätzliches.

2. schlechtere Dämpfung, als mit Zahnriemen
Wenn man sich den Fräser einmal als Schwingungserreger vorstellt, übertragen sich diese Impulse die beim Ein- und Austritt der Werkzeugschneide ergeben, in die Kupplungsnabe der Spindel. Hat nun der Zahnkranz der Kupplung (das farbige) Gummiteil ein wenig Spiel, oder ist die Gummihärte zu hoch (Shore Härte), so federt die Kupplung immer wieder ein wenig hin- und her. Es entsteht eine sogenannte Dreh- bzw. Torsionsschwingung. Die Energie, die hierbei verloren geht erwärmt die Kupplung und schädigt diese häufig dauerhaft.
In der Industrie kann man das mit Hilfe eines Stroboskop Lichtes sehr gut sehen.

3. nicht veränderbare ßbersetzung
Logisch, bei einem 1:1 Antrieb, braucht bzw. will man die ßbersetzung nicht verändern. Sie hat dafür einen etwas besseren Wirkungsgrad. Wenn man allerdings beim Achsabstand eine Varianz zulässt (z.B. -längere- Langlöcher an der Motorhalteplatte), kann man die ßbersetzung auch später noch durch den Tausch eines Riemenrades verändern und bleibt flexibler.

4. höhere, schwingungsanfälligere Bauform
Was mich am meisten bei der 1:1 Lösung stört, ist die Tatsache, dass man die recht große Masse des Schrittmotors mit Verlängerung (Kupplungsgehäuse) am obersten Ende des Portals verbaut - quasi eine -Masseschaukel-. Daher möchte ich hier die kompaktere Umlenkung mittels Zahnriemengetriebe wählen.

5. Verringerte Laufgeräusche
Speziell das HTD Zahnriemenprofil ist ein geräuschoptimiertes Profil, welches von Haus aus zudem als spielarm eingestuft werden kann. Bei allen Profilen (T, AT und den zölligen Varianten MXL, XL, L, H) kann das nur durch -speziellere- Zahnformen der Riemenscheiben erreicht werden. Die ßbertragung der manchmal pfeifenden Geräusche bei einer Klauenkupplung wird durch den Zahnriemen deutlich besser entkoppelt.

Gruß Markus

[echo.zulu]

AW: Baubericht meiner Portalfräse "Hannah"

Hallo Markus.
So viel Gedanken wie Du was die Dimensionierung angeht habe ich mir damals nicht gemacht. Andererseits war die Auswahl gerade bei den Spindeln doch sehr beschränkt. Isel war da einer der wenigen Hersteller, der sich auch mit Privatabnehmern beschäftigt hat. Damals gab es die bezahlbaren Spindeln auch nur in 16mm oder 25mm. So bin ich dann bei 16x5mm gelandet. Du hast aber einen ganz gravierenden Rechenfehler bei der Dimensionierung. Das im Datenblatt eines Schrittmotors angegebene Drehmoment ist das Haltemoment. In Bewegung sinkt das Drehmoment mit steigender Schrittfrequenz extrem stark ab. Alle für uns gebräuchlichen Lager, Spindeln und Führungen werden den Belastungen in jedem Fall Stand halten, denn wir arbeiten mit unseren Geräten kaum im 24/7 Betrieb. Bei der Auswahl würde ich einfach auch mal von den eigenen Möglichkeiten ausgehen. Beispielsweise ob eine einfache Drehmaschine zur Verfügung steht um die Lagersitze anzufertigen.

Bei der Auswahl des Spindelantriebs bin ich ganz auf Deiner Seite, wobei Du in der Regel auch noch eine Spannrolle vorsehen musst, da es selten möglich ist die Riemenlänge und den Wellenabstand in Einklang zu bringen. Ich habe der Einfachheit halber meine Spannrollen aus Delrin mit einer Gleitlagerung gedreht. Für die relativ geringen Drehzahlen des Antriebs ist das m.E. völlig ausreichend. Ich habe ja an der X- und Z-Achse zwei Spindeln angebaut. Diese werden von einem zentralen Schrittmotor über HTD5x25mm Zahnriemen angetrieben. Die Spindeln der X- und Y-Achse sind an beiden Enden gelagert. An der Z-Achse habe ich auf das Loslager verzichtet, da die Spindeln recht kurz sind und die Spindelmutter ja auch eine zusätzliche Lagerung darstellt. Für die Spindellagerböcke waren mir damals die doppelreihigen Schulterlager für die Festlagerseite zu teuer. Deshalb habe ich dort einfach zwei normale Radiallager verbaut. Zwischen den Außenringen befindet sich ein Distanzring und an den Innenringen können die Lager mit der Spindelmutter gegeneinander verspannt werden. Die Zahriemenscheiben habe ich einfach auf den erforderlichen Durchmesser aufgebohrt und gerieben. Sie werden mit Stiftschrauben auf den Wellen geklemmt. Ich denke, dass eine Befestigung mit Spannbuchsen auf Grund der geringen Drehzahlen nicht erforderlich ist.

[klarisatec]

AW: Baubericht meiner Portalfräse "Hannah"

Hallo Egbert,

vielen Dank für die Tipps und Beschreibungen. Du hast bezüglich der früheren Situation natürlich Recht. Vor Jahren gab es wirklich nur Isel und ein paar andere (teure) Hersteller. Eine schnelle Vergleichbarkeit bzw. Preistransparenz durch das Internet war damals ebenfalls noch zum größten Teil Wunschdenken.

Doch heute kann man (fast) nach Herzenslust konstruieren, weil unglaublich viele Lösungen in erschwinglichem Rahmen und überschaubarem Zeitrahmen lieferbar sind.

Du hast aber einen ganz gravierenden Rechenfehler bei der Dimensionierung

Naja, das sehe ich etwas anders ... Kugelrollspindeln sind ja (im Gegensatz zu Trapezspindeln) keine Antriebe mit Selbsthemmung. D.h. sie können - wenn denn die Kraft groß genug ist - auch entgegen des Kraftflusses vom Antrieb weg (also zum Motor hin) gedreht werden. Sind die Schnittkräfte / Vorschubkräfte oder Schubkräfte z.B. durch eine Kollision extrem hoch, dann muss der Spindelantrieb min. das Haltemoment des Antriebs aushalten können, sonst wird er beschädigt.

Hält die Mechanik das aus, wird der Schrittmotor einfach über- bzw. weitergedreht ...

Im schlimmsten Fall ist der Motor die preiswerteste und schnellste Reparatur ...

Einen Riemenspanner wird es nur beim Riemen der beiden X-Achsen Spindeln geben. Die Y- und Z-Achse bekommt jeweils einen "spannbaren" Motor. Moderne Zahnriemen verändern Ihre Länge durch die Verwendung von Stahl-, GfK oder Armidgeweben nur noch minimalst. Ein Nachspannen wie früher bei den Keilriemen ist im laufenden Betrieb daher nicht mehr notwendig.

Gruß Markus

[klarisatec]

Antrieb der Z-Achse

Bei der Lösung von Herrn Möderl war mir aufgefallen, dass beide Riemenscheiben mit Borscheiben ausgeführt werden. Warum das so ist kann ich nicht recht erklären. Doch evtl. spielen hier kommerzielle Gründe eine Lösung, d.h. die Mehrfachverwendung der einzelnen Zahnscheiben an Motor oder / und Spindel?

Technisch gesehen macht das keinen Sinn, denn der Riemen braucht ja nur eine Borscheibe an der oberen und eine an der unteren Kante zur Führung. Bei zwei Bordscheiben an jedem Rad wird der Riemen evtl. verkantet. Zudem ist das eine teurere Angelegenheit, denn bei den meisten Herstellern werden die Riemenführungen (Bordscheiben) nur bis zu einer max. Verzahnung von 44 Zähnen angeboten. Größere Zahnriemenscheiben mit Borscheiben sind Sonderanfertigungen und - wie Herr Möderl auf seiner Homepage schreibt - nicht standardmäßig zu bekommen (also auf jeden Fall nicht für kleine Euros).

Natürlich gibt es auch Konstruktionen ohne Borscheiben. In diesen Fällen sind die Zahnriemenräder ballig, so dass sich der Zahnriemen selbst zentriert. Doch das sind auch wieder recht teure Lösungen für ausgewählte Leistungen und Anwendungsbereiche.

Prinzipiell wäre es auch denkbar an jedem Riemenrad nur eine Borscheibe vorzusehen, also gegenüberliegend. Hierzu habe ich Euch mal ein Beispiel der Firma RS Pro. Eine interessante Lösung mit glasfaserverstärktem Polycarbonat und Aluminiumnabe. Leider wird das HTD Profil in dieser Ausführung nicht gelistet.

Mit Hilfe der Drehmomentdaten des Schrittmotors von Nanotec, kann man einen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl sehen.

Mit zunehmender Drehzahl nimmt das Drehmoment ab - das erklärt auch die Leistungsformel P = M * n. Im unten angehängten Diagramm werden nur ca. 3,1 Nm als max. Drehmoment angegeben und dieses verwende ich für die weiteren Berechnungen.

An der Fräse erkennt man den ßberlastfall (im Diagramm auf der rechten Hälfte) häufig bei zu großem Vorschub durch Schrittverluste, in dem Fall fungiert der Motor quasi als Rutsch- bzw. ßberlastkupplung.

Nun habe ich mit dem max. Drehmoment von 3,1Nm verschiedene Zahnriemenvarianten grob durchgerechnet. Die 1. Variante ist die Lösung der P2 Maschine. Auch wenn sicherlich nicht immer das max. Drehmoment ansteht, so hat mich doch gewundert, dass die von Mädler angegebene max. Zugkraft am Zahnriemen mit 9mm (100N) um über 35% überschritten wird (135,3N).

Sicherlich hält der Zahnriemen eine kurzfristige ßberlastung aus, doch bei einem längeren Einsatz hätte ich persönlich dabei etwas -Bauchweh-. Sicherlich sprechen einige Gründe gegen andere Konstellationen. Der HTD 5M Riemen ist von der Zahnteilung größer, d.h. heißt er rollt etwas -härter- ab und ist etwas lauter. Zudem ist der Riemen steifer, d.h. auch die Zahnriemenräder müssten im ß wachsen. Das alles verteuert natürlich die Maschinen an dieser Stelle. Des Weiteren sind die höheren Riemenräder evtl. nicht an den gängigen Spindelendenbearbeitungen unterzubringen, da die Wellenenden zu kurz sind.

Nach einem Vergleich der Mädler Daten habe ich mich für ein Riemengetriebe mit dem Profil HTD 3M und einer Zahnriemenbreite von 15mm entschieden. Die Verzahnungsteile werde ich möglichst groß wählen und zwar mit den ßbersetzungen / Zahnverhältnissen 48:48 und optional 60:48.

Morgen gibt´s dann endlich wieder etwas vorzeigbares am CAD ...

Gruß Markus

[klarisatec]

Das Riemengetriebe

Nach der ganzen trockenen Theorie der vergangenen Tage geht´s nun am CAD weiter. Und zwar mit der Konstruktion des Riemengetriebes.

Anbei nun meine Lösung für den Antrieb der Z-Achse. Einige Schrauben fehlen allerdings noch. Auch zusätzliche Stützwinkel der Aluplatte, an der Motor und Spindelfestlager befestigt sind, sind noch offen. Hier habe ich eine etwas andere Idee, die sich allerdings noch etwas entwicklen muss ...

Das Wichtigste in Kurzform:

- Zahnriementyp HTD 3M 15mm hoch
- ßbersetzung 1:1 oder alternativ 1:1,25, beides kann verbaut werden
- Verzahnung der Zahnriemenscheiben 48:48 oder 60:48
- Wellenende der Kugelumlaufspindel Standard (Festlager ohne Passfeder)
- Schrittmotor Nema 23 bzw. Nema 24
- Zahnriemenspannung über separate Stellschraube an der Motorhalteplatte

Der Kerngedanke der Konstruktion ist, die Biegung am Spindel- und Motorende so klein wie möglich zu halten. D.h. den Zahnriemen so nahe wie möglich an das Spindelfestlager und an das A-seitige Schrittmotorlager zu legen.

Die Zahnriemenspannung ist oftmals etwas schwierig einzustellen, denn wenn man die Schrauben der Motorbefestigung öffnet, verliert sich die vorhandene Vorspannung oftmals ruckartig. Dann spannt man den Zahnriemen zwar von Hand wieder neu, doch im Grunde weiß man nicht ob die Spannung nun höher ist als zuvor, oder doch nicht ...

Hierzu ist die -rote Stellschraube- vorgesehen, diese verhindert das Zurückrutschen des Motors zur Spindel. Mit dieser kann man durch Drehen um eine viertel bis halbe Umdrehung die Riemenvorspannung weiter erhöhen. Wenn das von Interesse ist, kann man an dieser Stelle die Riemenspannung z.B. mit einer Federwaage sehr genau bestimmen.

Aber Achtung! Monteure, die nur gewohnt sind mit 32 Maulschlüssel zu arbeiten - evtl. auch noch mit 2m Verlängerungsrohr, sollten diese Einstellung evtl. besser ihre Freundin oder Frau vornehmen lassen �
Denn nach -ganz fest- kommt -ab-.

Zu viel Vorspannung am Zahnriemen schädigt die Motorlager des Steppers nachhaltig. Im Datenblatt des Nanotec Motors wird in der Mitte der Motorwelle eine max. zulässige Querkraft von 112N angegeben, das sind ca. 11 kg. Herr Möderl gibt für die Riemenspannung bei der P2 Maschine einen Wert von ca. 4 - 6 kg an und liegt damit genau richtig. Der Zahnriemen ist ja ein formschlüssiges Maschinenelement (beim Keil- oder Rillenriemen sieht das natürlich anders aus) und braucht daher auch keine riesige Vorspannung. Nur so viel, dass alle umschlingenden Zähne des Zahnriemens satt am Riemenrad anliegen.

Des Weiteren habe ich an der Z-Achse die Wagen vom Typ SLL (schmal) auf FLL getauscht (mit Flansch). Der Grund war ein ganz einfacher. Die Flanschwagen lassen sich von beiden Seiten verschrauben, die schmalen nur ein einer - sie haben Sacklochbohrungen. Nun bietet sich plötzlich die Möglichkeit die Wagen von vorne anschrauben und ausrichten zu können. Dies erleichtert die Montage ungemein - eine evtl. zusätzliche Aluplatte zur Montage der Wagen erübrigt sich somit. Möglich war das nur, weil ich am Portal zwei anstatt einen Wagen gewählt habe. So war der Platz dafür einfach da.

Zur Vollständigkeit und um die Position der Spindelhalterung festzulegen, habe die die geplante Frässpindel grob eingezeichnet. Es soll eine luftgekühlte Spindel im Bereich 1,5 - 2,2 kW werden.

Gruß Markus

[klarisatec]

Vorschubkraft

Bei der Wahl der Kugelumlaufspindel meiner Y-Achse (am Portal) habe ich die Größe ß16mm gewählt. Eine 12-er Spindel ist hier vermutlich etwas -schwach auf der Brust- und so kommt die vielfach bewährte Baugröße 16 zum Einsatz.

Nun gibt es für den Antrieb der Spindel wiederum mehrere Möglichkeiten:
- axialer Anbau des Schrittmotors mit z.B. einer Klauenkupplung, oder
- das bereits zum Einsatz kommende Riemengetriebe wie an der Z-Achse oder aber
- eine angetriebene Spindelmutter, d.h. der Schrittmotor verfährt mit der Y-Achse an der Halterung der Z-Achse (diese wurde im Beitrag #15 von ??? schon einmal angesprochen)

Um es vorweg zu nehmen. Der platzsparende Aufbau des Portals mit zwei 25-er und zwei 20-er Linearführungswagen lässt keinen Platz für das benötigte Zahnriemenrad HTD 3M mit 48 Zähnen. Man müsste in den Nachbarteilen die Störkanten aus- bzw. wegfräsen. Es ist einfach zu groß und passt nicht zwischen Portal und der Aufnahme der Z-Achse. Sie überdeckt die Führungsschiene am Führungswagen oben rechts.

Somit wird hier die gleiche Lösung wie an der Z-Achse zum Einsatz kommen, also mit außen liegendem Zahnriemengetriebe, lediglich mit dem größeren Spindedurchmesser von 16mm.

[klarisatec]

angetriebene Spindelmutter

Da mich die Konstruktion der angetriebenen Spindelmutter interessiert und ich den Einsatz später noch in der X-Achse überprüfen möchte, habe ich mir die Konstruktion auf der Homepage von EMS einmal näher angesehen.

Beim Lesen fand ich einen max. Vorschubwert der Kugelrollspindel mit 1200N. Mit dieser doch recht kleinen Kraft begründet Herr Möderl den Einsatz einer Spindelmutteraufnahme aus Kunststoff.
Nun war ich natürlich ein wenig erschrocken, denn meine Berechnungen an der Z-Achse hatten ja eine max. Vorschubkraft von 5.300N ergeben. Hatte ich mich jetzt tatsächlich um den Faktor von fast 4,5 verrechnet �

Also habe ich meine Berechnung nochmals mit anderen Formeln des Herstellers THK vergleichen (es hätte auch jeder andere Hersteller sein können). Im linken Bereich habe ich die bereits berechnete 12-er Spindel der Z-Achse nachgerechnet. Der Wert im orangenen Kästchen mit 5.560,62 N entspricht einem Wirkungsgrad von 100%. Multipliziert man diesen mit 0,95 (also einem Wirkungsgrad von 95%) entspricht das dem Wert aus meinem Beitrag #33 auf der Seite 4. Das Ergebnis sind somit 5.282,59N, also wieder die bereits berechneten ca. 5.300N.

Nun habe ich die Werte der P2 Spindel eingegeben (rechte Berechnung). Im grünen Kästchen steht das Ergebnis der berechneten Werte, inkl. des abgelesenen Wirkungsgrades bei dem ermittelten Steigungswinkel. Das Ergebnis mit ca. 1.750N (1.753,01N) liegt um 50% höher, als die Annahmen der P2 Maschine.
Sicherlich kann man das max. Drehmoment für die Berechnung verringern, wenn man eine Mindestdrehzahl annimmt. Bei einem Drehmoment von ca. 2,1 - 2,2Nm am Schrittmotor müssten jedoch min. 100 1/min Umdrehungen anliegen - und das kann ja auch wieder nicht sein.

Egal, so richtig konnte ich die genannte Vorschubkraft von 1.200N nicht nachvollziehen. Ich für meinen Teil werde mit auf jeden Fall mit den höheren Werten weiterrechnen, um auf der sicheren Seite zu liegen. Schlimm ist das nicht, da ja selbst eine 12-er Spindel diese Lasten aufnehmen kann und ich somit keinen Baugrößensprung (mit den einhergehenden höheren Kosten) nach oben verursache.

Wichtige Erkenntnis für die -Berechnungsmuffel- unter Euch:
- doppelte Steigung bedeutet doppelte Geschwindigkeit, allerdings auch halbierte Vorschubkräfte
- halbe Steigung bedeutet halbe Geschwindigkeit, dafür gibt es allerdings die doppelte Vorschubkraft

Warum das Ganze? Ist das denn wirklich so wichtig? Ist denn nicht sowieso alles mit Sicherheiten versehen und daher überdimensioniert?

Bei der angetriebenen Spindelmutter gibt es einen Bereich, der mir diesbezüglich -im Bauch grummelt-. Ob da etwas dran ist, muss ich mir erst noch etwas genauer anssehn. Ich werde darüber berichten.

Doch davor geht es an die Y-Spindelachse am Portal.

Gruß Markus

[klarisatec]

Die Spindellagerung

Bei der Spindellagerung gibt´s (wie immer) mehrere Möglichkeiten. Eine konstruktiv sehr elegante Lösung sind die Flanschlager vom Typ ZKLFA von INA. Die Lager sind unglaublich kompakt, nur 16mm bzw. 20mm breit und lassen sich sehr gut in die 20mm starken Flachmaterialien einbauen. Allerdings sind die Preise genauso Kompakt. Sollte sich hier keine preiswerte Einkaufsmöglichkeit auftun, werde ich das Lager nochmal aufs Reißbrett holen müssen.

Bei der Betrachtung des Schnittes quer durch das Portal war mir im Zusammenhang mit der Positionssuche der Spindelmutter eine Schwachstelle bezüglich der Krafteinleitung / -führung aufgefallen.
Beim oberen Linearwagen der Z-Achse wäre es natürlich eleganter, wenn die Abstützung zum Portal in gleicher Höhe wäre. Um den großen Abstand der Wagen an der Z-Achse beizubehalten bleibt nur die Vergrößerung des Alu Profils am Portal. Damit einher bräuchten auch die Wangen etwas mehr Material im oberen Bereich.

Der finanzielle Mehrpreis dürfte sehr überschaubar bleiben und so habe ich die Konstruktion an dieser Stelle nochmals überarbeitet und aus dem bisherigen Profil 120x80 leicht, ein Profil mit den Abmessungen 160x80 leicht gemacht. Die Gesamtabmessungen der Fräse ändern sich dadurch nicht und auch der Arbeitsbereich bleibt von dieser ßnderung unberührt.

Die Spindellagerung habe ich wie beschrieben wieder mit einem Kombilager (ZKLFA) und Nutmutter gestaltet. Beim Loslager habe ich lediglich ein Rillenkugellager mit Wellensicherungsring vorgesehen.

Gruß Markus

[klarisatec]

Die angetriebene Spindelmutter

Nun steht noch der Spindelantrieb des Portals (X-Achse) auf der Konstruktionsliste. Bauart bedingt ist hier der Abstand zwischen Linearführungswagen und einer einigen, mittig angeordneten Spindel sehr groß. D.h. der Abstand der beiden Führungswagen an der Wange ist kleiner, als der Abstand der Wagen zur Kugelumlaufspindel. Bei Rundführungen führt diese Gegebenheit immer wieder zum Ruckeln und Klemmen, verbunden mit erhöhtem Verschleiß und schlechterem Wirkungsgrad (Egbert hatte darauf ja schon im Beitrag #12 hingewiesen).

Welche Möglichkeiten gibt es um diese geometrische Gegebenheit zu verbessern. Mir sind zwei konzeptionelle Möglichkeiten eingefallen:
1. Vergrößerung des Abstandes der beiden Lineareinheiten an der Wange
2. Verringerung des Spindelabstandes zu den Führungswagen

Die erste Maßnahme hat eine Verbreiterung der Wange, erhöhtes Gewicht und natürlich eine Vergrößerung des Grundrahmens / Frästisches zu Folge. Auch die Aufstellfläche wächst 1:1 mit der Abstandsvergrößerung.

Die zweite Maßnahme geht prima ohne die Maschine zusätzliche zu vergrößern - allerdings nur zu einer Seite hin, denn rutsch man die Spindel zu einer Wangenseite hin, wächst das Problem in gleiche Größe auf der anderen Seite.

Die Lösung ist hier die schon angesprochene zweite Spindel. Sicherlich die elegantere aber auch teurere Lösung, denn man braucht nicht nur eine zweite Spindel sondern auch ein Synchronisationsgetriebe um die Spindeln im Gleichlauf bewegen zu können. Wenn man beim Riemengetriebe bleibt bedeutet das einen längeren Zahnriemen und Spannrollen für eine verbesserte Riemenführung / Umschlingung.

Ob diese Doppelspindellösung mit konventioneller Spindelmutter oder angetriebener Mutter umgesetzt wird ändert am gedanklichen Prinzip zunächst gar nichts.

Herr Möderl verwendet die angetriebene Kugelumlaufmutter bei der P3 (Cobra) an der X- und Y-Achse und in der aktuellen Konstruktion auch bei der P2 zumindest an der X-Achse. Die nachfolgenden Bilder stammen von der Homepage von EMS und sind im Original dort zu finden.

Bei der X-Achse hat Herr Möderl bezüglich der angetriebenen Spindelmutter das gleiche Problem, welches ich in meinen ßberlegungen auch hatte: zu wenig Platz.

Das Riemenrad passt nicht zwischen die Aufnahmeplatte der Z-Achse und dem Aluprofil des Portals. An der Platte muss eine Freiraum für das Zahnriemenrad gefräst werden und oben ein Durchbruch für den Zahnriemen. Legt man den Zahnriemen nach außen (wie bei der P3) fehlt dieser Bereich als Verfahrweg in der P2 Y-Achse.

Bei der stärkeren (und teureren) P3 (Cobra) ist an dieser Stelle mehr Platz.

Für mich war das wie schon gesagt an der Y-Achse zu aufwendig, darum kam die angetriebene Spindelmutter hier nicht zum Tragen. Die Nachteile und der finanzielle Mehraufwand haben aus meiner Sicht überwogen.

Bei einigen Herstellern gibt es auch angetriebene Spindelmuttern im Standardsortiment, doch diese bauen sehr groß am Flansch der Mutter und sind zudem recht teuer.

Da ich neugierig bin, werde ich mir die interessante Eigenkonstruktion der angetriebenen Spindelmutter von EMS im CAD einmal genauer angesehen.

Gruß Markus

[klarisatec]

Die angetriebene Spindelmutter

Bei den Bildern der angetriebenen Spindelmutter waren mir zwei Dinge besonders aufgefallen:

1. Das tragende, zentrale Drehteil ist aus Kunststoff und
2. Dieses schwarze Kunststoffdrehteil ist (nicht nur gefühlt) sehr lang

Meine Frage war nun: könnte eine eigene Konstruktion noch etwas kompakter ausfallen? Nun ja, nach ein wenig Probieren und ßberlegen habe ich das Zahnriemenrad ausgedreht und auf die gegenüberliegende Seite der Spindelmutter verschoben. Die bewegten Teile werden somit leichter und die Dynamik steigt wieder etwas.

Das ganze könnte dann in etwa wie unten angehängt.

Nun habe ich die Spindelmutter an der unteren Verbindungsplatte der Wangen eingezeichnet. Es zeigt sich, dass sie in dieser Form zu hoch ist und an den Querverbindern des Tisches anstoßen würde. Um das Problem zu lösen müssten die beiden Spindeln der X-Achse weiter nach unten verlegt werden, also weiter weg von den Linearführungswagen.

Somit erklärt sich auch die geteilte Verbindungsplatte an den P2 / P3 Maschinen. Mit den zusätzlichen 20mm nach unten, kann die Spindel frei unter der Tischkonstruktion verfahren. Warum in diesem Fall nicht einfach um 20mm längere Seitenwangen gewählt wurden, kann ich nicht genau sagen. Mehrfachverwendung? Höhere Zuschnittskosten? Grenzen der Bearbeitungsgröße? Bessere Ausrichtbarkeit in der Montage �

[klarisatec]

Die angetriebene Spindelmutter

Nachdem die Einbauuntersuchung der angetriebenen Spindelmutter im CAD für mich dann doch etwas ernüchternder gewesen war als zunächst angenommen, habe ich mir nochmals grundsätzlich Gedanken über Vor- und Nachteile dieser Lösung gemacht:

Vorteile der angetriebenen Spindelmutter:
- kompakte Bauform bei unveränderten Aufstellmaßen / Abmessungen
- das Spindelfestlager ist wirklich -fest-, denn die Spindel wird einfach mechanisch geklemmt. Festlagerspiel bzw. -toleranz kennt diese Lösung nicht
- Die Spindel schwingt sich nicht durch die eigene Drehung auf
- Die Endenbearbeitung der Spindel gestaltet sich sehr einfach und preiswert

Nachteile der angetriebenen Spindelmutter:
- es ist eine zusätzliche Energiekette für die Verkabelung des Schrittmotors notwendig
- mehr -Stress- für das Antriebskabel des Schrittmotors durch die Platzierung am beweglichen Portal
- mehr bewegte Massen, also ein kleines Minus für die Dynamik
- Antrieb und Getriebe liegen extrem schlecht zugänglich unter dem Tisch. Ein Zahnriemenwechsel und die richtige Einstellung wird zur Herausforderung
- die größere Bauhöhe unter dem Tisch erfordert eine geteilte Verbindungsplatte für die beiden seitlichen Wangen, oder höhere, seitliche Tischprofile. Die geteilte Verbindungsplatte verursacht zusätzliche, ungewollte Bewegungsfreiheiten an den Fügestellen.
- eine manuelle Bewegung des Portals z.B. über Handrad o.ä. ist nicht möglich bzw. nicht bequem von außen zugänglich

Unterm Strich muss ich sagen, dass das schlechte Wechseln des Zahnriemens für mich die Entscheidung gegen die angetriebene Spindelmutter bedeutet hat. D.h. ich werde bei dieser Variante hier abbrechen und zwei konventionelle Kugelumlaufspindeln vorsehen, die stirnseitig über einen Zahnriemen verbunden werden.

Als kleines -Bonbon- muss ich ja nichts Neues konstruieren, denn alle spindelführenden Teile wie die Mutteraufnahme und die beiden Lagerflansche können ja aus der Y-Achse unverändert übernommen werden.

Also wieder zurück ans CAD ...

Gruß Markus