Bei diesem Projekt geht es um die komplette Konstruktion und Bau der Mechanik und Elektronik einer Fräsmaschine. Ich mache dies im Auftrag der Firma Condux, die mir gnädigerweise auch einen CatiaV5-Arbeitsplatz zur Verfügung stellt, ein Tool, daß ich mir sonst nie hätte leisten können. Die Maschine wurde zunächst komplett als 3D-Modell gezeichnet, damit hinterher auch wirklich alles zusammenpaßt (hoffentlich...). Die Tester der Steuerung können sich jetzt wohl auch denken, warum in letzter Zeit so wenig voran ging...

Auf dieser Seite sind schon mal ein paar Bildchen zu sehen (Vergößern durch Anklicken). Vorbild für die Konstruktion war das Modell aus Pappe, das ich vor ca. zwei Jahren mal vorgestellt habe. Die Bauart ist diesmal dieselbe, nur die Abmessungen sind auf ca. 60% geschrumpft, so daß sich jetzt ein Verfahrweg von 360 x 180 x 180mm (XxYxZ) ergibt. Während das Pappmodell die komplette Fräse mit Sockel und Aufspanntisch zeigt, ist in den CAD-Zeichnungen nur der obere Teil der 3-Achs-Verfahreinheit zu sehen.

Im Gegensatz zu den meisten Portalanlagen, bei denen Das Werkstück auf einem beweglichen Kreuztisch angeornet ist, und die Werkzeugspindel nur in Z-Richtung bewegt wird, ist diese Maschine ist so konstruiert, daß die X-, Y- und Z-Achse aufeinander aufbauen und der Aufspanntisch für das Werkstück feststehend ist. Dies hat den Vorteil, später einfacher Drehtische, Werkzeug- und Werkstückwechsler montieren zu können.

Ein wichtiges Designziel war höchstmögliche Stabilität und Steifigkeit, um später einmal auch härtere Materialien wie Stahl, Messing und Titan bearbeiten zu können. Deshalb wurden hier keine Aluminiumprofile wie bei den sonst üblichen Selbstbau- und Baukastenfräsen verwendet. Alle Rahmen und Schlitten sind Schweißkonstruktionen aus dickwandigen Stahlplatten, die zusätzlich durch innenliegende Verstebungen versteift sind. Alle Achsen sind durch zwei parallel verlaufende Führungsschienen und insgesamt vier Führungswagen gelagert, wodurch Biege- und Kippmomente gut aufgenommen werden. Leider werden dadurch die Außenabmessungen (ca. 800mm) im Verhältnis zum nutzbaren Verfahrweg (360mm) recht groß, aber beim unbeweglichen Unterbau ist Platz und Gewicht ja kein Problem. Der Unterbau soll ebenfalls aus Stahlplatten zusammengeschweißt, und zur Erhöhung der Stabilität und Schwingungsdämpfung mit Polymerbeton ausgegossen werden.

Als Antrieb der Linearachsen finden DC-Servomotoren mit 120 bis 300W von Tamagawa verwendung, die denen von Isel erstaunlich ähnlich sehen. Kugelgewindespindeln von SKF mit 20mm Durchmesser und 5mm Steigung setzen die Drehbewegung in einen linearen Vorschub um. Um eine hohe Steifigkeit zu erreichen wurden intern spielfrei vorgespannte Muttern mit Zweipunktkontakt ausgewählt, die für schwere Bearbeitung wesentlich besser geeignet sind als preisgünstigeren Spindeln mit Gothikbogenprofil und manueller Spieleinstellung. Bei den SKF-Spindeln wird die Vorspannung durch einen internen eingeschliffenen Versatz von 2 x 2 Kugelumläufen erreicht. Dies wirkt dann wie zwei gegeneinander verspannte Schrägkugellager.

Bild2: Ur-Modell aus Wellpappe

Bild3: Ansicht von Hinten, Antrieb von X- und Y-Achse

Wie man in Bild 3 sieht, ist die Kugelgewindespindel für die X-Achse an beiden Enden gelagert, die für die Y-Achse dagegen nur auf der Motorseite. Auf Bild 4 ist die Loslagerseite der X-Spindel abgebildet. Man sieht dort sehr schön die Detailtreue der Zeichnungen, im Kugellager sind sogar einzelne Kugeln zu sehen (Dank Norman, der mir beim Zeichnen sehr geholfen hat). Schön zu sehen ist hier auch die Führungsschiene.

Die X-Kugelgewindespindel führt duch den hohlen X-Schlitten hindurch. Da sie recht lang ist, wird sie durch eine Federscheibe in der Loslager-Einheit leicht gespannt. Durch berechnung wurde nachkontrolliert, daß die kritische Drehzahl für Biegeschwingungen auch bei der Maximaldrehzahl der Servomotoren nicht erreicht wird.

Im unteren Bild 5 ist die obere Deckplatte des Schlittens transparent dargestellt, um einen Einblich ins innere auf die Kugelgewindemutter frei zu geben.

Zu erkennen ist auch die Verzahnung der Platten, aus denen der Schlitten zusammengesetzt und dann verschweißt wird (Die Mutter wird natürlich mitsamt dem Montageblock nachträglich eingesetzt und nicht mit eingeschweißt. :-)
Durch die Lasergescnittenen Laschen und Taschen am Umfang der Platten wird die Montage erleichtert und dem Verzug beim schweißen entgegengewirkt. Trotzdem muß die gesamte Konstruktion nach dem Schweißen spannungsfrei geglüht werden. Danach werden alle Montageflächen für Führungsschienen, Führungswagen, Servomotoren Kugelmuttern nachträglich überarbeitet. Nur dadurch ist absolut genaue Parallelität und Winkligkeit zu erreichen.

Bild 5: Innenansicht mit Blick auf die X-Kugelmutter

Bild7: Antrieb der Z-Achse und Werkzeugspindelmotor

Die eigentliche Wellenkupplung besteht aus zwei Flanschen, je einer auf Spindel- und Motorwelle, die über eine flexible Scheibe aus glasfaserverstärktem Kunststoff verbunden sind. Im Gegensatz zu Schrittmotorantrieben müssen hier keine Schrittresonanzen gedämpft werden, weshalb nicht die sonst üblichen Gummikupplungen verwendet wurden. Die GFK-Scheibe gleicht kleineren axialen und Winkelversatz aus, ist aber in Drehrichtung sehr steif.

Bild 7 zeigt die ganze Einheit von oben. Man sieht den Antrieb der Z-Achse und die Rückseite des Werkzeugspindelmotors. Hier kommt ein Asynchronmotor von Isel mit Werkzeugwechsler und SK20-Aufnahmen zum Einsatz. Unten sieht man nochmal das alte Pappmodell, wie der Z-Schlitten in den Bearbeitungsraum hineinragt.
 

Bild8: Pappmodell Ansicht von schräg unten