Enno hatte mich ja auf die günstigen UDSSR-Modulfräser aufmerksam gemacht und da hatte ich mir gleich 2 Sätze in M 0,5 und M 0,3 bestellt. Wenn eine Pendeluhr mit Modul 0,3 realisiert werden soll, dann sind Zähnezahlen von ein paar Hundert erforderlich und das will ich nun wirklich nicht am Teilapparat kurbeln. Deshalb diese Lösung:
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Der Schrittmotor (NEMA 23) hat ein angegebenes Haltemoment von 1,9 Nm bei 3 A. Der Mikroschritt-Motortreiber (Pololu High-Power Stepper Motor Driver 36v4) kann bis 4 A. Beides zusammen kostet nur rund 40.- EUR.
Das Zahnrad (Plexiglas zum Üben) hat 269 Zähne (Primzahl :-) und war dank Hebelsupport in der einen Hand und Zahnweiterschalt-Taster in der anderen Hand in weniger als 15 min gefräst. So macht das Spaß :-)
Interessanter Beitrag. Mein Sohn und ich wollen an seiner Uhrmacherdrehbank ebenfalls eine solche Lösung verwirklichen. Ich kenne mich mit Schrittmotoren etwas aus. Welche Software benutzt du um die/den Motor zu steuern? Wir wollen die "Estlcam" Software https://www.estlcam.de/ dazu benutzen. Diese steuert bis zu 3 Motoren, siehe auch HP davon.
Mit freundlichem Gruß
Gerd
@Enno - könntest du den Link für die Fräser noch hier einstellen? Danke
Wenn Sie hier auf Links zu eBay klicken und einen Kauf tätigen, kann dies dazu führen, dass diese Website eine Provision erhält.
Hallo Gerd,
ich habe mir die Estlcam Webseite mal angeschaut. Wenn ich das richtig sehe, dann werden die Treiber von einem Arduino Uno oder Nano angesteuert, wobei die Einstellung 1600 Mikroschritte pro Umdrehung offenbar vorgegeben ist. Das entspricht 8 Mikroschritten pro Vollschritt und ist für meinen Geschmack etwas wenig. Mein Motor lief erst mit 64 Mikroschritten so richtig "smart" und nahezu lautlos. Um mit einem Uno/Nano auf 32 Mikroschritte zu kommen, muss man die Software schon übel optimieren (mein Wissensstand von vor ein paar Jahren aus dem RepRap-Bereich). Heutzutage werden bevorzugt deutlich höher getaktete Mikrocontroller eingesetzt.
Ich habe einen Nano 33 IOT verwendet und nur das Demo-Programm für den Motortreiber leicht geändert. Bei nur einer Achse ist das ja recht einfach und die 48 MHz des Nano 33 IOT ausreichend. Ich werde noch ein LCD und ein paar Taster anbauen, um auch ein paar Eingaben machen zu können.
Soweit ich mich erinnere, hatte Enno keinen konkreten Link angegeben. Ich hatte bei einem Ukrainer gekauft: Werbung: Link in die Bucht. Da ist das Angebot aber mittlerweile arg klein ...
LG, Willy
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Danke für deine aufschlußreiche Antwort. Ganz so firm wie du bin ich da allerdings "noch" nicht. Wie sieht es dann mit dem Arduino Mega aus? Der kann doch einiges mehr? Ich versuche mich mal in die Materie besser einzuarbeiten. Außer dem Demo-Programm verwendest du keine andere Software? Muß ja nicht unbedingt Estlcam sein. Wie du schon geschrieben, bei einem Motor sollte es nicht ganz so kompliziert sein. Ich versuche mal bei dem Händler Auskunft zu bekommen, inwiefern die Mikroschritte änderbar wären.
Mit bestem Gruß
Gerd
Nachtrag: Da ich die Software ja hier habe, hier die Einstellmöglichkeiten, wobei man diese verändern kann. Inwieweit, muss ich erst noch rausfinden
Hallo Gerd, die Software ist nicht das Problem. Für eine CNC- Steuerung benötigt man: eine mechaniche Übersetzung optional als Ausgleich zum Drehmoment des Steppermotors. Die mechanische Übersetzung ist auch eine Möglichkeit die Genauigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. ( Trapezspindel, Schneckengetriebe, Zahnriemenrad,... ) Steppermotor Dieser wird nach dem notwendigen Drehmoment ausgewählt. In den meisten Fällen benötigt die zu beschleunigende Masse ein deutlich höheres Drehmoment als für die zu überwindende Reibung. Kleine Portalfräsen sind z.B. sehr leicht und beschleunigen stark, Maschinenbaufräsmaschinen sind schwer, beschleunigen nur langsam und benötigen deutlich größere und teurere Schrittmotoren. Ein weiteres Auswahlkriterium ist somit der Preis. Steppermotoren unterschieden sich zu anderen Synchronmotoren dadurch, dann man gezielt eine bestimmte Drehposition einstellen kann. Dies funktioniert auch bei höheren Drehzahlen, so dass man immer weiss wo steht der Rotor. Die maximae Drehzahl ist aber hierdurch begrenzt. Die reale Genauigkeit liegt meistens bei 1-2°. Die Theoretische Genauigkeit ist 360° / (200 * Mikrostepping),d.h bei Mikrostepping 1: 1,8°, MS 16:0.11° Steppermotortreiber Setzen die Steuerbefehle (Schrittimpulse und Richtung) in die benötigte Ströme für den Schrittmotor um (sinusförmige Spannungsversorgung, gepulst). An den Steppermotortreiber kann man auch das Mikrostepping einstellen. D.h wieviele Strompulse erhält der Motor, wenn der Treiber selbst zur Steuerung einen Schrittimpuls erhält. Steppermotortreiber brauchen eine eigene Energieversorgung (Netzteil) da sie die Leistung auf die Motoren bringen. Mikrokontroller und/oder PC (optional) Hier unterscheidet sich nun die Vorgehensweise hinsichtlich der zu verwendeten Software. Es geben drei Möglichkeiten: 1. Eigenentwicklung: Der Mikrokontroller ist ein einzelnes Chip, das CPU, Speicher und Steuerelektronik für externe Anschlüsse beinhaltet. Der Mikrokontroller ist also ein selbständiger aber sehr primitiver Rechner. Dieser Mikrokontroller kann in c,C++ oder direkt in Maschinensprache programmiert werden. Der arduino ist solch ein Mikrokontroller mit schnell lernbarer Entwicklungsumgebung und großer Community. Ein Gymnasiast oder Student der eine Programmiersprache schon kennt, lernt die Programmierung des arduino sehr schnell. Hier kann man sich also seine eigene Steuersoftware programmieren. Für einen einzelnen Motor über Regler anzusteuern existieren schon viele Beispielprogramme. 2. Mikrokontroller mit G-Code-Interpreter: Für CNC-Maschinen anzusteuern verwendet man i.d.R. G-Code. G-Code sind primitive Befehle in Textform um die Fräsmaschine mit vorgegebener Geschwindigkeit auf eine neue Position zu fahren (und vieles mehr) Für den arduino existiert ein sehr robuster und kostenloser G-Code- Treiber: grbl. Entscheidet man sich für diesen Lösungsweg, so spielt man nur den grbl-Treiber auf den arduinio und verbindet den Arduino mit einem USB-Kabel mit dem PC. Für den PC geben es nun genügend freie Software mit den man den G-Code im CAD erstellt und auf die Fräse sendet. 3. Direkte Ansteuerung über den PC: In diesem Fall benötigt man auf dem PC Software wie EstlCAM oder LinuxCNC die den G-Code selbst interpretieren und die Steuerimpulse für die Steppermotoren (und anderem) erzeugen. Dies geht aber nicht ohne zusätzliche Elektronik. Der Unterschied zwischen Lösung 2. und 3. besteht darin, wo die Steuerungsintelligenz sich befindet: Im Mikrokontroller oder benötigt man einen PC. Alle drei Möglichkeiten funktionieren, unterscheiden sich aber im Aufwand, Preis, Kompatibilität.
Arduino-Mega und Arduino-Uno unterscheiden sich im wesentlichen durch größeren Hauptspeicher (Mega) und mehr Steuerleitungen die man anschliessen kann. Die Taktfrequenz ist gleich (niedrig aber bei weitem ausreichend).
Für den Erfolg bei Anwendungen für Uhrmacher spielt die Genauigkeit des Gesamtsystems eine Rolle. Hier kann man durch die mechanische und (fast) spielfreie Übersetzung vieles erreichen. Eine CNC- Steuerung kann aber eine Ungenauigkeit der Mechanik korrigieren. So ist es möglich das Umkehrspiel bei jeder Richtungsänderung zu korrigieren (backlash compensation, Arduino-Mega) sowie die Vorschubachsen auszumessen und jede Position zu korrigieren. (z.B. Mach3)
Beispiel 1 Zahnradfräse Die Steuerung ist mit einem arduino Mega und selbst entwickelter Steuersoftware aufgebaut. Die Mechanik besteht aus einem Teilkopf der sich seitlich auf einer Achse bewegen läßt. Die Steuerung erlaub Teilfräsen, Evolventenverzahnung und Zykloidformen, bisher aber nicht für Kleinuhren. Die Schwalbenschwanzführungen für die Achsen ist selbst erstellt. Nema 17 war für diese Größe (vergleichbar mit einer Uhrmacherdrehbank) ausreichend. Die Genauigkeit wurde durch Kalibrieren mittels Lichtscharnke bei jedem Fräsvorgang erreicht. Materialwert knapp 200€. Der Fräskopf bzw. Schleifkopf ist austauchbar und horzontal/vertikal schwenkbar. Selbst Edelstahl bis 5mm sind noch möglich.
Beispiel 2 3D- Fräse für Uhrenteile Die Steuerung ist wiederum mit einem arduino aufgebaut. Die Steuersoftware ist grbl. Die Schrittmotoren sind Nema 23 mit 130Ncm und einer Untersetzung von 1:3. Die Beschleunigungswerte sind im Vergleich zu einer Portalfräse geringer. Basis war ein billigst Kreuzsupport (Eberth 5"") dessen Schwalbenschwanzführungen nachgefräst wurden. Die Spindeln wurde durch Edelstahlspindeln höherer Genauigkeit ersetzt. Die Spindellager bestehen aus zwei Axial- und einem Radiallager und lassen sich im Spiel nachstellen. Die Maschine ist so genau, dass selbst mit Fräsern unter 1mm noch gearbeitet werden kann. Die Zustellung ist dabei sehr gering. 2,5D Fräsen besteht somit aus 0,1-0,2mm Tiefe Fräsungen bis man ganz durch ist. Auch hier läßt sich der Fräskopf austauschen. Materialwert ca. 280€. Ausfräsen von Speichen eines Zahnrades: Das Werkstück wurde beidseitig auf Sandpapier abgezogen. Die Innenfläche ist nicht nachbearbeitet. Jede Frässchicht liegt genau über den vorhergehenden.
Beispiel 3 Portalfräse für Holzarbeiten Die Steuerung ist ein Arduino Uno. Die Steuersoftware wieder grbl. Die Schrittmotoren sind wieder Nema 23 mit 130Ncm. Die Kalibrierung erfolgt über Endschalter. Die Fräsqualität kann man aus meinem anderen Thread zum Thema Gravierversuche entnehmen. Die Längsachsen sind 1:1 übersetzt. Die Höhenachse ist 1:3 untersetzt. Die Höhenspindel ist wieder mit zwei Axial- und einem Radiallager mit einstellbarem Spiel angefertigt. Materialwert ca. 650€.
Noch eine Ergänzung zu den Mikroschritten: diese sind in der Regel am Schrittmotortreiber einstellbar: Informationen darüber findet man, indem man nach dem Treibernamen und dem Wort datasheet sucht. z.B. zu dem Treiber von Willy:
Zitat von Willy im Beitrag #1Pololu High-Power Stepper Motor Driver 36v4
Sehr interessanter Beitrag. Sobald mein Sohn aus seiner kurzen Reha wieder zurück ist, werde ich mich mit ihm darüber genauer unterhalten. Bis dahin verfolge ich weitere Beiträge mit großem Interesse. Was für ein Display ist beim Beispiel 1 verbaut?
Zitat von Sonnenuhr im Beitrag #5Arduino-Mega und Arduino-Uno unterscheiden sich im wesentlichen durch größeren Hauptspeicher (Mega) und mehr Steuerleitungen die man anschliessen kann. Die Taktfrequenz ist gleich (niedrig aber bei weitem ausreichend).
Dank @Sonnenuhr bin ich wieder auf grbl aufmerksam geworden. Im 3D-Drucker-Bereich spielt die Software/Firmware ja nur eine untergeordnete Rolle, aber für spanende Eigenbau-CNC-Maschinen scheint sie optimal zu sein. In der Dokumentation habe ich auch den Hinweis gefunden, dass die Steppertreiber mit bis zu 30 kHz angesprochen werden können. Damit kann man sich leicht ausrechnen, ob ein 8-Bit AVR Prozessor (16 MHz Taktfrequenz) für die eigene Anwendung ausreichend ist: Der Pololu-Treiber kann maximal 256 Mikroschritte, die mit den Vollschritten des Motors (i.d.R. 200) multipliziert werden, um die Pulse für eine Umdrehung zu erhalten = 51.200. Mögliche Pulse (30 kHz) geteilt durch Pulse pro Umdrehung (51.200) ergibt die maximale Motordrehzahl = 0,586 U/s = 35,2 U/min.
Wenn der Motor ein Trapezgewinde mit 4 mm Steigung direkt antreibt, dann ist der Vorschub 4 mm/U x 0,586 U/s = 2,34 mm/s. Das reicht zwar möglicherweise beim Drehen, ist aber besonders beim Verfahren arg langsam. Werden nur 64 Mikroschritte genutzt, dann steigt die Geschwindigkeit auf knapp 10 mm/s - immer noch nicht toll.
Bei Estlcam habe ich den Eindruck, dass entweder nicht grbl verwendet wird, oder eine sehr alte Version, die deutlich weniger gcode-Befehle versteht als das aktuelle grbl. Es ist also zu vermuten, dass Estlcam auf noch weniger als 30 kHz kommt. Deswegen vermutlich auch die nur 8 Mikroschritte, mit denen dann immerhin rund 70 mm/s Verfahrgeschwindigkeit möglich sind.
Bei den 3D-Druckern wurde zwischenzeitlich gern der Arduino Due verwendet. Da ergibt sich aber das Problem, dass die Logikspannung nur bei 3,3 V liegt ...
Zitat von Willy im Beitrag #8Damit kann man sich leicht ausrechnen, ob ein 8-Bit AVR Prozessor (16 MHz Taktfrequenz) für die eigene Anwendung ausreichend ist: Der Pololu-Treiber kann maximal 256 Mikroschritte, die mit den Vollschritten des Motors (i.d.R. 200) multipliziert werden, um die Pulse für eine Umdrehung zu erhalten = 51.200. Mögliche Pulse (30 kHz) geteilt durch Pulse pro Umdrehung (51.200) ergibt die maximale Motordrehzahl = 0,586 U/s = 35,2 U/min.
Der Schrittmotortreiber ist nichts anderes als ein Mikroschritt-Generator. D.h Der arduino mit seiner "niedrigen" Taktfrequenz steuert einen Impuls und der Treiber erzeugt um den Mikroschrittfaktor mehr zum Motor an Impulse. Der Arduino bräuchte also nur um die gewünschte Drehzahl *200 Impulse/U als Frequenz. z.B. 3000U/min *200 /60 (sec/min) = 10000 Impulse /sec. Selbst bei Mikrostepping 32 benötigt der Mikrokontroller nicht mehr, das erledigt der Treiber für ihn. Der arduino ist selbst bei hohem Mikrostepping bei weitem nicht ausgelastet. Bei Tests habe ich in Erinnerung, dass ich über 3000 U/min mit einem Steppermotor im Leerlauf locker erreichte. Bei meinen Fräsen wird die maximale Geschwindigkeit eher durch die Trägheit der Mechanik und Schwingungen in den Spindeln (keine Kugelumlaufspindeln) gebremst. Die Portalfräse fährt z.B. 500mm/min.
Beim Display sollte man drauf achten, das ein Display-Treiber mitgeliefert wird. Dieser extra-Baustein nimmt dem Arduino einiges an Arbeit ab. Auch die Verkabelung wird dadurch stark reduziert.
Zitat von Sonnenuhr im Beitrag #9Der Schrittmotortreiber ist nichts anderes als ein Mikroschritt-Generator. D.h Der arduino mit seiner "niedrigen" Taktfrequenz steuert einen Impuls und der Treiber erzeugt um den Mikroschrittfaktor mehr zum Motor an Impulse. Der Arduino bräuchte also nur um die gewünschte Drehzahl *200 Impulse/U als Frequenz. z.B. 3000U/min *200 /60 (sec/min) = 10000 Impulse /sec. Selbst bei Mikrostepping 32 benötigt der Mikrokontroller nicht mehr, das erledigt der Treiber für ihn.
Das stimmt so nicht. Aber wie immer gibt es auch hier Ausnahmen. Mir ist allerdings nur der TMC2100 Chip bekannt, der tatsächlich selbstständig Zwischenschritte berechnet (möglicherweise kann der Pololu-Treiber das auch, aber in der Beispielkonfiguration benötigt er für jeden Mikroschritt einen Puls). Diese Krücke sorgt zwar für einen leisen Motorlauf und vermutlich auch für eine gewisse Interpolation bei schrägen Verfahrwegen, aber die Positioniergenauigkeit am Anfang und Ende einer Strecke wird dadurch nicht verbessert.
Weiterhin kann auch die Firmware prinzipiell zu einem tatsächlich berechneten Schritt noch weitere Pulse dazupacken. Bei der Repetier-Firmware für 3D-Drucker habe ich die entsprechende Konfiguration mal gesehen. Ob grbl die Möglichkeit auch bietet weiß ich nicht.
Zitat von gebuwa im Beitrag #4Außer dem Demo-Programm verwendest du keine andere Software?
Jetzt hätte ich beinahe vergessen Deine Frage zu beantworten. Nein, keine andere Software. Der Motor muss ja bei einem Tastendruck nur eine definierte Anzahl Schritte machen. Schwierig wird es ja erst, wenn 2 - 3 Motoren gleichzeitig und koordiniert laufen sollen (schräge Strecke, Kreis, Spirale).
Nach Auskunft vom Estlcam-Entwickler ist seine Software nicht für unser Vorhaben geeignet. Das mit dem Tastendruck habe ich so vermutet. Wie du schreibst, es muss ja nur ein Motor gesteuert werden.
@Sonnenuhr - ich muss mal in meiner Grabelkiste nachschauen, ich meine ich hätte so ein Display sogar vorrätig, fehlt blos noch der Zehnerblock dazu?
Mit bestem Gruß
Gerd
Nachtrag: Das habe ich schon mal gefunden, aber nicht den Lieferanten dazu.
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18.04.2020 13:07
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