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CNC-Fräsen im Modellbau -Grundlagen und Elektronik

Vorwort
1. Grundlagen
1.1. Warum CNC-Technik für den Hobbybereich?
1.2. Anwendungen der CNC-Technik
1.3. Fräs- oder Drehmaschine?
1.4. Aufbau einer CNC-Fräsmaschine
1.4.1. Typen von Fräsmaschinen
1.4.1.1. Flachbett- oder Portalmaschinen
1.4.1.2. "Konventionelle" Fräsmaschinen mit CNC-Steuerung
1.4.1.3. Die Freuden des Selbstbaus
1.4.2. Koordinatensysteme
1.4.2.1. Das rechtwinklige Koordinatensystem
1.4.2.2. Das polare Koordinatensystem
1.4.2.2. Das polare Koordinatensystem
1.4.3. Achsantriebe
1.4.3.1. Antriebe mit Gleichstrom-Servomotor
1.4.3.2. Antriebe mit Drehstrom-Servomotor
1.4.3.3. Antriebe mit Schrittmotor
1.4.4. Positionsbestimmung
1.4.4.1. Direkte Messung
1.4.4.2. Indirekte Messung
1.4.4.3. Vertrauens-Meßsystem
1.4.5. Absolute und inkrementelle Wegmessung
1.4.6. Maschinennullpunkt
1.4.7. Referenzposition, Referenzfahrt
1.4.8. Endschalter
1.5. Spindelantrieb
1.5.1. Drehzahlregelung
1.5.2. Rückmeldung der Spindeldrehzahl
1.6. Die Steuerungsarten
1.6.1. Punktsteuerung
1.6.2. Streckensteuerung
1.6.3. Bahnsteuerung
1.7. Die Software
1.8. Die Steuerelektronik
1.9. Der Computer
1.10. Fräsprogramme
1.10.1. NC-Programme nach DIN 66025
1.10.2. Erstellen von NC-Programmen nach DIN 66025
1.10.3. Fräsprogramme in HP-GL
2. Schrittmotore
2.1. Was ist ein Schrittmotor?
2.2. Wie funktioniert der Schrittmotor?
2.2.1. Der Hybridmotor
2.2.2. Das Prinzip der Ansteuerung
2.2.3. Haltemoment
2.3.4. Aufbau und Polzahl eines realen Motors
2.3.5. Die Ansteuerung des Schrittmotors
2.3.5.1. Motorphasen
2.3.5.2. Vollschritt
2.3.5.3. Halbschritt
2.3.5.4. Mikroschritt
2.3.6. Wicklungsausführungen
2.3.6.1. Wicklungen für den Betrieb mit konstanten Spannungen
2.3.6.2. Wicklungen für den Betrieb mit konstanten Strömen
2.3.6.3. Motoren mit vier Anschlüssen
2.3.6.4. Motoren mit sechs Anschlüssen
2.3.6.5. Motoren mit acht Anschlüssen
2.3.6.6. Jede andere Anschlussanzahl
2.3.7. Warnung: Fremdantrieb des Schrittmotors
2.3.8. Kenngrößen eines Schrittmotors
2.3.8.1. Anzahl Phasen
2.3.8.2. Schrittwinkel, Anzahl Schritte
2.3.8.3. Haltemoment
2.3.8.4. Drehmoment
2.3.8.5. Beschleunigungs- und Bremsrampen
2.3.8.6. Phasenstrom
2.3.8.7. Nennspannung
2.3.8.8. Wicklungswiderstand, Wicklungsinduktivität
2.3.9 Beispiele für Schrittmotoren
3. Die Steuerung
3.1. Die Bestandteile der Steuerung
3.1.1. Netzteil
3.1.2. Netzversorgung
3.1.3. Endstufen
3.1.4. Maschinen-Schnittstelle
3.1.5. Verteiler
3.1.6. Optokoppler
3.1.7. Computerschnittstellen
3.1.8. LED-Anzeigen
3.2. Vereinfachte Steuerung
3.3. Die Endstufen
3.3.1. H-Brücken
3.3.2. Stromregelung
3.3.3. Integrierte Schaltungen für die H-Brücken
3.3.3.1. L298 von ST Microelectronics
3.3.3.2. L6203 von ST Microelectronics
3.3.3.3. A3977 von Allegro Micro Systems
3.3.3.4. LMD18245 von National Semiconductor
3.3.4. Integrierte Schaltungen für den Translator
3.3.5. Die Prinzipschaltung der Endstufe
3.3.5.1 Erzeugen der Referenzspannung, Prinzipschaltung
3.3.5.2 Erzeugen der Referenzspannung, praktische Schaltung
3.3.5.2.1. Stromanhebung im Halbschrittbetrieb
3.3.5.2.2. Sleep
3.3.5.2.3. Boost
3.3.5.3. Der Oszillator
3.3.5.4. Einstellen Halb- / Vollschritt und Chopping
3.3.5.5. Enable
3.3.5.6. STEP und DIR
3.3.6. Die konkret ausgeführte Endstufe
3.4. Die Stromversorgung
3.4.1. Die +42V-Versorgung
3.4.2. Die +5V/2-Versorgung
3.4.3. Die +5V/1-Versorgung
3.4.4. Die +12V-Versorgung
3.4.5. Sicherungen
3.5. Die Netzversorgung
3.5.1. Netzfilter
3.5.2. Schutz vor Berührung
3.5.3. Netzspannungs-Relais
3.5.4. Anschluss des Spindelmotors ohne Frequenzumrichter
3.5.5. Einschaltstrombegrenzung
3.6. Die Maschinen-Schnittstelle
3.6.1 Referenzschalter
3.6.2. Endschalter
3.6.3. Spindel-Index
3.6.4. Werkzeuglängen-Sensor
3.6.5. Frequenzumrichter
3.6.6. Simulation der Endschalter durch D1 - D3
3.6.7. Die Signale der Schnittstelle
3.6.8. Die Schaltung der Maschine
3.7 Der Verteiler
3.7.1. Computer-Schnittstellen und Rangierfeld
3.7.2. Die Aufbereitung der Schrittimpulse
3.7.3. Die Aufbereitung der Signale von der Maschinen-Schnittstelle
3.7.4. Die Erzeugung der Signale für den Frequenzumrichter
3.7.5. Auswertung der End- und Notschalter, Sicherheitsschaltungen
3.7.5.1. CHARGE_PUMP, ENABLE_OUT
3.7.5.2. /ESTOP
3.7.5.3 LIMIT, /E_OFF
3.8 Der Optokoppler
3.9. Die LED-Anzeige
4. Platinenherstellung und Bestückung
4.1. Aufbau und Herstellung einer Platine
4.1.1. Basismaterial
4.1.2. Filme
4.1.3. Belichten
4.1.4. Entwickeln
4.1.5. Ätzen
4.1.6. Bohren
4.1.7. Entschichten, Lötlack
4.1.8. Löten
4.1.9. Fehler und Probleme
4.1.10. Die Bauteile
4.1.10.1 Widerstände
4.1.10.2. Kondensatoren
4.1.10.3. Integrierte Schaltungen
4.1.10.4 Dioden
4.1.10.5. Sonstige Bauelemente
4.2. Bestücken
4.2.1. Netzteil bestücken
4.2.2. Netzversorgung bestücken
4.2.3. Endstufen bestücken
4.2.4. Verteiler bestücken
4.2.5. Optokoppler bestücken
4.2.6. LED-Anzeige bestücken
4.2.7. Maschinen-Schnittstelle bestücken
5. Zusammenbau Gehäuse und Netzteil
5.1. Gehäuse
5.2. Flachbandkabel und Pfostenverbinder
5.3. Anschlusskabel für die Endstufen
5.4. Messgerät
5.5. Vorbereitung der Frontplatte
5.6. Montage der Rückwand
5.7. Montage der Platinenschienen und der Chassisplatte
5.8 Montage der Zwischenplatte
5.8 Montage der Zwischenplatte
5.9. Test der Stromversorgung
5.10. Test der Netz-Versorgung
5.11. Einbau des Netzteils
6. Test und Einbau der restlichen Platinen
6.1. Endstufen
6.2. Verteiler
6.2.1. Statische Prüfungen
6.2.2. Referenzschalter, DIGI_PROBE, S_INDEX
6.2.3. ENABLE
6.2.4. Not-Aus-Logik
6.2.5. Steuerung Spindelmotor
6.3. Optokoppler
6.4. LED-Anzeigen
6.5. Maschinen-Schnittstelle
6.6. Einbau der Platinen und Verkabelung
7. Installation der Software Mach3 und Inbetriebnahme
7.1. Anforderungen an die Systemsoftware
7.2. Installation von Mach3
7.3. Treiber-Test nach Softwarefehler
7.4. Konfiguration
7.4.1. Druckerport-Adressen (Port Setup and Axis Selection)
7.4.2. Belegung der Druckerschnittstellen
7.4.3. Motor-Ausgänge (Motor Outputs)
7.4.3. Motor-Ausgänge (Motor Outputs)
7.4.4. Eingangssignale (Input Signals)
7.4.5. Ausgangssignale (Output Signals)
7.4.6. Konfigurieren der Spindelsteuerung (Spindle Setup)
7.4.6.1. Werkzeugspindel nur Ein/Aus
7.4.6.2. Werkzeugspindel über Frequenzumrichter
7.4.6.3. Allgemeine Parameter (General Parameters)
7.4.6.4 Kühlung (Flood/Mist relays)
7.4.6.5 Spezielle Funktionen (Special Functions)
7.4.7. Tastenbelegung (System Hotkeys)
7.5. Konfigurationen mit nur einer Druckerschnittstelle
7.5.1. Drei Achsen, Regelung Spindeldrehzahl
7.5.2. Vier Achsen, Spindel ein/aus
7.5.3. Drei Achsen, Spindel ein/aus, Werkzeuglängensensor
7.5.4. Drei Achsen, Spindel ein/aus, Rückmeldung Spindeldrehzahl
7.6. Inbetriebnahme der Steuerung
7.6.1. Der Diagnose-Bildschirm
7.6.2. Das Signal "Enable"
7.6.3. End-, Referenz- und Notschalter
7.6.4. Prüfen der Relais
7.6.5. Endstufen und Schrittmotoren
7.6.6. Motor-Drehrichtung, Referenzfahrt, Grenzen (Motor Home / Soft Limits)
7.6.6.1. Einstellen der Motor-Drehehrichtung
7.6.6.2. Einstellen der Referenzfahrt
7.6.6.3. Software-Limits
7.6.6.4. Kompensation des Spindelspiels (Backlash)
7.6.7. Einstellen der Werkzeug-Spindel
8. Anhang
8.1. Schnittstellenbelegung
8.2. Einstellung der Jumper
8.3. Liste der verwendeten Kabel
8.3. Liste der verwendeten Kabel
8.4. Bezugsquellen
8.4. Bezugsquellen
8.4.1. Elektronische Bauteile
8.4.2. Schrittmotoren und Steuerungen
8.5. Literaturverzeichnis
8.6. Datenblätter
8.6.1. ICs für Schrittmotor-Endstufen
8.6.2. Sonstige Elektronik-Bausteine
8.7. Hilfreiche Internet-Links
8.7.1. CNC-Hardware und Software
8.7.2 Sonstiges
8.7.3. Hersteller/Anbieter von CNC-Fräsmaschinen
8.7.4. Internet-Foren
8.7.4.1. Roboternetz
8.7.4.2. Mach2/Mach3 Benutzerforum
8.7.4.3. NC-Step Userforum
8.7.4.4. Peters CNC-Ecke
8.7.5 Private Webseiten über den Bau von CNC-Maschinen
8.7.6. Die Webseite des Autors
8.8. Dateien der Buch-CD