Erweiterung/Fehlerbehebung an dem 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrums und Konstruktion eines Außengehäuses
Autor: Michael-Junior Kopguep, Florian Gerwin
Betreuer Prof. Dr. Mirek Göbel
Einleitung und Aufgabenstellung
Im 7. Semester das Mechatronikstudiums an der HSHL, mit dem Schwerpunkt "Global Production Engineering" wird das Praktikum "Produktionstechnik" angeboten. Im Rahmen dieses Praktikums war es das Ziel, eine 3-Achs-CNC-Bearbeitungsmaschine zu entwickeln und über mehrere Steuerungsarten anzusteuern. Unterteilt wurde das Projekt dabei in mehrere Fachthemen, welche jeweils von 2-Personen-Gruppen bearbeitet wurden. Im WS 16/17 bestand die Aufgabe der Gruppe Konstruktion in der Planung und Montage eines Außengehäuses zur Abschrimung der Maschine bei Betrieb. Außerdem sollten Fehler die sich im Laufe der Zeit herausgestellt hatten behoben werden und vorangegangenen Lösungsansätze zu Details der Maschine weiterentwickelt werden.
Folgende Aufgabenliste kristallisierte sich heraus:
- Gummifüße austauschen
- Bewegliche Kabelführung überarbeiten
- Motorkabel verlängern
- Schrauben an der Halterung der Fräse austauschen
- Absaugung optimieren und montieren
- 2 zusätzliche GekkoDrives anbringen
- Halter für Endschalter konstruieren und motieren
- Außengehäuse kostruieren und aufbauen
Fehlerbehebung
Zunächst mussten nachfolgende Fehler behoben werden die mit der Zeit aufgefallen sind.
Gummifüße
Da die Maschine bei Betrieb ins schwingen geriet, wurden die instabilen Gummifüße gegen stabilere ausgetauscht, die schon vorhanden waren. Bei Bedarf können diese sogar noch mit der Tischplatte verschraubt werden.
Bewegliche Kabelführung
Die bewegliche Kabelführung an der Seite der Maschine, die die Bewegung in X-Richtung mitmacht, verhakte sich an einer Stelle an herausstehenden Schrauben. Der Abstand zwischen Maschine und Kabelführung wurde an deren Halterungen vergrößert, um das Problem zu lösen.
Motorkabel
Die Motorkabel wurden verlägert, sodass mit dem neuen Außengehäuse trotzdem alle Motoren angeschlossen werden können und die Kabel nicht mehr gespannt sind.
Halterung Fräse
Die Schrauben an der Halterung der Fräse stießen bei Fahrt in Y-Richtung an die Halter des Spindelantriebs der Y-Achse.
Es wurden Schrauben mit flacherem Kopf bestellt und montiert.
Erweiterung
Die nachfolgenden Erweiterungen wurden an der 3-Achs-CNC-Bearbeitungsmaschine vorgenommen.
Absaugung
Die Absaugung der beim Fräsen entstehenden Späne sollte optimiert werden. Hierzu wurde ein Absaugschuh bestellt und montiert, an den anschließend der lange Staubsaugerschlauch des vorhandenen Industriesaugers angeschlossen werden konnte.
Der Schlauch wurde an den beweglichen Kabelführungen entlang verlegt, sodass er sich mit der Fräse mitbewegen kann.
GekkoDrive
Aufgrund einer 4.-Achse, die von einer anderen Praktikumsgruppe paralell entwickelt wurde, musste der Schaltschrank um 2 weitere GekkoDrives erweitert werden. Zum Glück passten diese genau zwischen die 3 schon vorhandenen GekkoDrives, sodass nicht alle umpositioniert, sondern nur die neuen angebracht und verkabelt werden mussten.
Endschalter
Für die Halterungen der Endschalter der jeweiligen Achsen, wurde mithilfe von SolidWorks ein CAD-Modell angefertigt. Die Halterungen müssen jedoch noch mit dem 3D-Drucker gefertigt werden. Anschließend werden diese an jeder Seite einer Achse auf die bestehende Halterungen der Spindelantriebe montiert um darauf die Endschalter anzubringen. (X-Achse auf beiden Seiten der Maschine)
Sind die Endschalter in der richtigen Position angebracht müssen sie noch verkabelt werden. An der Y-Achse und an der Z-Achse muss die Verkabelung durch die beweglichen Kabeltunnel erfolgen, da sich die ganze Aufbau auf der X-Achse bewegt. Die Endschalter an der X-Achse bleiben jedoch starr in Position und konnen somit auf direktem Weg angeschlossen werden.
Außengehäuse
Anforderungen
Verlangt wurde ein Außengehäuse für die 3-Achs-CNC-Bearbeitungsmaschine, welches die komplette Maschine umschließt und somit Schutz vor umherfliegenden Spänen bei Betrieb bietet. Da es sich um eine Lehrmaschine handelt an der man die Funktionsweise einer CNC-Fräse nachvollziehen soll, musste das Gehäuse natürlich größtmögliche transparenz bieten um die Arbeitschritte beobachten zu können. Zusätzlich soll die gesamte Maschine transportabel sein, weshalb das Gehäuse auf dem vorhandenen Rolltisch der CNC-Maschine montiert werden muss.
Konzeption
Wir haben uns für die Verwendung von Aluprofilen entschieden (genau wie bei dem Grundgerüst der Maschine), da diese durch Ihre vielfälltigen Kombinationsmöglichkeiten die idealen Voraussetzungen für das Projekt bieten. In das Gerüst von Aluprofilen werden Plexisglas-Scheiben eingesetzt, wodurch eine Gute Sicht auf die Maschine, bei gleichzeitigem Schutz vor eventuell herumfliegenden Teilen gewährleistet ist. Da die Maschine trotz des Gehäuses gut zugänglich sein muss, um zum Beispiel neue Werkstücke einzuspannen oder den Fräser zu wechseln, werden drei große Türen verbaut. Das ganze Außengehäuse wird mit der Tischplatte, auf der die 3-Achs-CNC-Bearbeitungsmaschine steht, verschraubt. Es ist somit stabil befestigt und durch den Rolltisch trotzdem noch einfach zu transportieren. Auf der Seite zum Schaltschrank hin steht das Gehäuse etwas über. Zum einen ist das aus Platzgründen nötig, da die Maschine größer als der Tisch ist und zum anderen verlaufen durch diesen Spalt sämtliche Leitungen sowie der Staubsaugerschlauch für die Absaugung.
Entwurf
Zunächst wurden die Abmessungen des Außengehäuses ermittelt und in ersten Skizzen festgehalten. Anschließend wurde daraus mithilfe von SolidWorks ein CAD-Modell mit den exakten Maßen erstellt.
Bestellung
Mit den genauen Maßen konnte folgende Teileliste zusammengestellt werden:
| Bezeichnung | Anzahl | Link |
|---|---|---|
| Aluminiumprofil Profil 8 30x30 1740mm | 4 | SMT-Montagetechnik |
| Aluminiumprofil Profil 8 30x30 1600mm | 2 | SMT-Montagetechnik |
| Aluminiumprofil Profil 8 30x30 1540mm | 3 | SMT-Montagetechnik |
| Aluminiumprofil Profil 8 30x30 1200mm | 17 | SMT-Montagetechnik |
| Aluminiumprofil Profil 8 30x30 1000mm | 6 | SMT-Montagetechnik |
| Abdeckkappe 30x30 | 100 | SMT-Montagetechnik |
| Verbindungswinkelsatz 8-30 Innen-Innen | 40 | SMT-Montagetechnik |
| Verbindungswinkelsatz 8-30 Innen-Außen | 20 | SMT-Montagetechnik |
| Scharnier 6 30x30 ZN8/8 Satz | 9 | SMT-Montagetechnik |
| Nutenstein 8 M6 rostfrei | 100 | SMT-Montagetechnik |
| Nutenstein 8 M5 rostfrei | 100 | SMT-Montagetechnik |
| Verbindungssatz 8 30x30x30 | 4 | SMT-Montagetechnik |
| Türschnäpper 8 PA | 6 | SMT-Montagetechnik |
| Handgriff 8 PA 120 | 3 | SMT-Montagetechnik |
| Plexiglas XT 6mm klar, 95cm x 122cm | 3 | |
| Plexiglas XT 6mm klar, 26cm x 122cm | 4 | |
| Plexiglas XT 6mm klar, 36cm x 122cm | 2 | |
| Plexiglas XT 6mm klar, 87,5cm x 122cm | 2 | |
| Plexiglas XT 6mm klar, 87,5cm x 156cm | 2 |
Mit dieser Teileliste wurden anschließend Angebote bei Verschiedenen Herstellern eingeholt. Die Richtlinien für Bestellungen an der HSHL verlangen bei einem Warenwert von über 500 Euro (ohne Mehrwertsteuer und Verpackung), dass 3 Angebote verschiedener Hersteller eingeholt werden. Die Wahl viel auf die Firma SMT-Montagetechnik und die Bestellung wurde ausgelöst.
Montageanleitung
Schritt 1
Als erstes wird der Grundrahmen des Gehäuses zusammengebaut und mit der Tischplatte verschraubt. Dafür werden 2 1740mm lange und 2 1600mm lange 30x30 Aluprofile mit jeweils einem Verbindungswinkel Innen-Innen verbunden. Davor müssen jedoch für die späteren Arbeitsschritte noch 2 Verbindungswinkel Innen-Innen in die oben liegende Nut des Profils an der Längsseite mit der Tür eingeschoben werden. Es empfiehlt sich die Winkel so auszurichten, dass sie jeweils von innen an das später senkrecht stehende Profil geschraubt werden, denn das wird die Öffnung der Tür und man spart sich die Bearbeitung der Kanten an den Plexiglasscheiben neben der Tür. Auf der gegenüberliegenden Längsseite benötigt man nur einen Verbindungswinkel Innen-Innen für die später folgende Mittelstrebe. Dessen Ausrichtung ist vom Ausgangspunkt des weiteren Aufbaus abhängig und kann daher variieren. Zusätzlich müssen auf der Längsseite mit der Tür und den beiden Querseiten Nutensteine in die innen liegenden Nuten des Rahmens eingefügt werden. Je 2 an den Querseiten und 3 bei der Längsseite. Ist der Grundrahmen montiert kann er mit den vorhandenen Winkeln auf die Tischplatte geschraubt werden. Wie unten abgebildet schließen die beiden Querseiten und die Längsseite mit der Tür bündig mit der Tischplatte ab.
Schritt 2
Jetzt kann mit dem Aufbau der Seitenwände begonnen werden. Wir haben an der rechten Ecke der Längsseite mit Tür begonnen, dies ist jedoch auch anders herum möglich. Dazu nehmen wir ein 1200mm Profil und schneiden zunächst an einem der Kopfenden ein M8 Gewinde in das vorgebohrte Loch. Die Seite mit dem Gewinde ist oben denn hier wird später der Eckverbinder eingeschraubt. Ist dieses Profil mit einem Verbindungswinkel Innen-Innen angebracht, können wir uns der ersten Plexiglasscheibe widmen, in unserem Fall eine der beiden 36x122cm Scheiben. Diese muss nun angepasst werden, indem man an den jeweiligen Ecken, in denen Verbindungswinkel eingeschraubt sind, eine Aussparung für eben jenen aussägt. Das ist nötig, da der Winkel die Nut blockiert, in der wir nun die Scheibe einsetzen wollen.