Selbstbau einer kleinen CNC Fräse

Inspiriert durch diverse YouTube Videos in denen der Selbstbau von kleinen CNC Fräsen vorgestellt wird, habe ich beschlossen es auch zu versuchen. 

Im Wesentlichen bin ich der Anleitung von DAZ projects auf create.arduino.cc  gefolgt. Ich habe ein ATmega328 Mikrocontroller Board für 8,48 EUR und ein CNC Shield für Arduino Uno R3 mit 4 Stück A4988 Schrittmotortreibern für 12,22 EUR verbaut

Desweiteren kommt ein 775 Motor mit 12V/60W und 10000 rpm als Frässpindel für 8,18 EUR, ein ER11A 5 mm Motorwellenhalter mit Spannzangen von 1 bis 7 mm für 13,64 EUR  sowie Rillenkugellager 8 x 16 x 5 mm aus Kohlenstoffstahl für 7,38 EUR zum Einsatz. Eine lange M8 Gewindestange und 3 Stück 28BYJ-48 Stepper Motoren für die Achsen der CNC Maschine waren vom Bau einer drehbaren Antenne noch vorhanden. Zusätzlich habe ich für 1cm dickes Sperrholz, Schrauben und Muttern ungefähr 10 EUR ausgegeben, so dass sich die Gesamtkosten auf ca. 60 EUR belaufen.

Die Gleitlager und Aufnahmen für Lager und Motoren werden mit dem 3D Drucker hergestellt. Sieht man sich die auf  create.arduino.cc verlinkten *.stl Dateien jedoch genauer an, so ist zu erkennen dass die Gleitschienen zu locker in ihren Blöcken sitzen. 

Ich habe die die obere und untere Hälfte der Schienen daher vor dem Druck jeweils auf 110% in x-Richtung skaliert. Nach dem Zusammenbau können die Blöcke dann wenn nötig noch ausgefeilt werden, bis die Schienen leicht laufen. Die Hohlräume in den Blöcken habe ich mit Holzkitt ausgespritzt, um sie stabiler gegenüber Verformung zu machen.

Der Schlitten für die Bewegung in x-Richtung, sowie die Auflagefläche für das Werkstück bzw. für die Opferplatte ist aus 1cm dickem Sperrholz.

Auch der Schlitten für die Bewegung in y-Richtung ist aus Sperrholz. Die Gewindestange die den Kopf mit der Frässpindel bewegt, ist auf der einen Seite im Kugellager fixiert, und auf der anderen Seite mit dem Steppermotor verbunden.

Damit die Steppermotoren durch die A4988 Treiber angesprochen werden können, müssen sie in bipolare Motoren umgebaut werden. Dazu wird die blaue Kappe an den Motoren abgehebelt, und der rote Draht wird in Motornähe abgeklemmt. Auch aus der Steckerleiste wird der rote Draht entfernt, und der gelbe Draht wird mit dem pinken Draht vertauscht.

Laut Datenblatt besitzen die 28BY-48 Motoren eine DC Widerstand von 50 Ohm. Bei einer nominellen Betriebsspannung von 5 V, beträgt die Stromaufnahme daher ca. 100 mA. Um den Strom entsprechend zu begrenzen, muss auf den Treiberboards eine sogenannte Referenzspannung eingestellt werden. Es gilt:

Auf meinen Treiberboards hat der 'current sense' Widerstand R_s einen Wert von 0,1 Ohm. 

V_ref für 100mA errechnet sich daher zu 0,08V. Mit Hilfe eines kleinen Schraubenziehers an den eine Krokodilklemme geklemmt ist lässt sich die Referenzspannung einstellen.

Ich habe den Wert letztlich auf 0,15V eingestellt. Die Motoren erwärmen sich dann immer noch kaum. Wird ein gemeinsames 12V Netzteil für den Fräsmotor und das Shield für die Stellmotoren verwendet, muss darauf geachtet werden, dass das Netzteil ausreichend dimensioniert ist, denn sonst fällt die Spannung bei hoher Motorlast u.U. unter die minimale Versorgungsspannung des Treibers von 8V. Dies führt zu wirren Ergebnissen in den Verfahrwegen. 

Nun kann die Grbl Firmeware auf den Arduino Uno Klon geladen werden. Ich bin der Anleitung auf dem entsprechenden githup repository gefolgt. Nachdem die Firmware installiert ist, kann der Uno mit der Arduino Software angesprochen, und mit $$ der serielle Monitor geöffnet werden. Jetzt wird die Zahl der Schritte/mm und die feedrate an die Motoren angepasst. Die Zahl der Schritte/mm wird in $100, $101 und $102 auf 1660 gesetzt und die feedrate in $110, $111 und $112 auf 30.

Um den G-code für die CNC Fräse an den Arduino senden zu können habe ich das Programm Universal G-Code Sender auf meinem Laptop installiert.

Für erste Versuche, und um g-code aus Schriftzügen zu erzeugen verwende ich die Software F-Engrave. Unter 'Settings - General' sollte 'Units' auf  'mm' gesetzt und kein header für den g-code ausgewählt werden.

Im Hauptmenü haben ich 'Line Thickness' auf den Durchmesser des Fräskopfes von 1,5 mm gesetzt, und einer Graviertiefe von 0,7 mm gewählt.

Und so sieht die Maschine dann in Aktion aus.

Grundsätzlich muss gesagt werden, dass die Maschine gut funktioniert, und für einfachere Fräsarbeiten auch sicher geeignet ist, allerdings reicht die Genauigkeit für feine Gravuren oder das Fräsen von PCB nicht aus. Bei einem Verfahrweg von 30mm hin und 30 mm zurück, ergibt sich sowohl in x- wie auch in y-Richtung bereits eine Abweichung von ca. 0.3 mm vom Startpunkt. Spiel in den Achsen bzw. ein zu geringes Drehmoment der Motoren wirken sich hier negativ aus. 

Ich habe mich daher entschieden doch in den Bausatz einer hochwertigeren 3018 PRO CNC Maschine für 135 EUR zu investieren. 

Der Aufbau gestaltet sich mit den beiliegenden Anleitungen recht einfach. Das Bild oben zeigt meinen Aufbau mit Opferplatte und offline controller.

Um komplizierter Objekte als dies mit F-Engrave möglich ist zu gravieren, empfiehlt es sich die Objekte zunächst mit einem Zeichenprogram wie Inkscape als Scalable Vector Grafik zu zeichnen.   

Für ein Schild wird in Inkscape z.B. die Schrift und der Rahmen erstellt. Anschließend wird die Schrift im Rahmen horizontal und vertikal zentriert.

Dann wir das Schriftobjekt in einen Pfad umgewandelt, und als *.svg Datei gespeichert.

Zur Erzeugung des G-codes möchte ich das Programm Estlecam verwenden. Zunächst habe ich einen neuen Fräskopf gemäß den Dimensionen meines Gravierstichels mit einer Spitze von 0,1 mm und einem Winkel von +/- 20° angelegt.

Dann habe ich die aus Inkscape exportierte *.svg Datei geladen. Im carve Modus kann nun jeder Buchstabe angeklickt werden und wenn die erscheinenden Pfeilchen nach Innen zeigen das Fräsen der Innenkontur festgelegt werden.

Nachdem die einzelnen Buchstaben in der richtigen Reihenfolge definiert sind, kann man mit 'Teil' das Schild auch aus dem Material ausfräsen lassen.

Dazu wählt man den Rahmen aus, und legt den Startpunkt fest. Dann muss die Frästiefe, die Reihenfolge und fall man den Fräser nochmal wechseln möchte der Fasenfräser gewählt werden. Anschließend kann das Projekt gespeichert, und die *.nc Datei erzeugt werden.

Und so sieht das Fräsergebnis in einer grauen Kunststoffplatte dann aus. 

Ich habe die einzelnen Buchstaben anschließend mit einem weißem Edding 751 Stift gefüllt. Die überschüssige Lackfarbe kann man nach kurzem Antrocknen mit Spiritus leicht entfernen. Das fertige Schild sieht dann wie folgt aus.

Viel Spaß beim selber Fräsen...