Dit topic is het vervolg op het mechanische deel: [F.A.Q.] CNC bouwen (mechanisch deel)
Interesses brengen vaak vragen met zich mee. Omdat veel mensen vaak graag een CNC machine willen maken maar een beetje tegengehouden worden door de vele dingen die erbij komen kijken, wil ik voor die mensen de zaak een beetje verhelderen. Ik ga hier uit van een voorbeeld, en de achterliggende gedachten. Vragen en opmerkingen zijn welkom, deze verzamel ik dan hieronder. Ik zal proberen een zo goed mogelijke beschrijving geven van hoe je te werk moet gaan om een werkende CNC sturing te krijgen. Hierbij ga ik er van uit dat je het mechanische gedeelte van de frees al in orde hebt.
Stappenmotoren
Aller eerst zul je moeten kiezen welke motoren je wilt gaan gebruiken. Motoren zijn er in vele soorten en maten.
Enkele soorten zijn:
Hybride stappenmotoren zal je het meest tegenkomen voor CNC besturingen.
Enkele type zijn:
Deze types worden vaak gebruikt bij CNC besturing. Elk type heeft zijn voordeel en nadeel, waarbij gedacht kan worden aan prijs, koppel, grootte, en stroom. Servomotoren hebben het voordeel dat ze een terugkoppeling aan het systeem kunnen geven over hun werkelijke positie. Het voordeel van bipolaire motoren t.o.v. unipolaire motoren is dat ze kleinere dimensies hebben voor een gelijke hoeveelheid koppel. Servomotoren hebben echter als nadeel dat ze veel duurder zijn, en een dure sturing nodig hebben. Voor hobbymatig gebruik zijn deze motoren naar mijn mening te prijzig. De beste keus voor een CNC sturing is een bipolaire stappenmotor, omdat bij bipolaire sturing de motor efficienter gebruikt wordt en dat geeft een hoger koppel. Daartegenover staat dat een unipolaire sturing veel simpeler te maken is. Bipolaire motoren hebben vaak 200 stappen voor 1 omwenteling.
Het koppel wat de motoren moeten hebben is heel sterk afhankelijk van wat je ermee wilt gaan doen. Motoren van een eenvoudige schuimfrees hebben een veel lager koppel nodig dan dat je bijvoorbeeld aluminium of harde metalen wilt gaan frezen. Het hangt ook af van hoeveel wrijving je spindels en glijlagers veroorzaken, waardoor de motor meer kracht moet zetten om de tafel in beweging te krijgen. Ook niet te vergeten is de spoed die gebruikt wordt. 1 mm spoed of 10 mm maakt een enorm verschil, bij 10 mm spoed is een veel groter koppel nodig. Om deze redenen is het vaak lastig te zeggen welke sterkte je nu precies nodig hebt. Toch is er een soort tabel te maken van wat je nodig hebt:
Bedenk dat het hier om het koppel op de as gaat. Voor het frezen van metaal zou een 2Nm stappenmotor met een 1:2,5 overbrenging ook een prima keuze zijn. Het nadeel hiervan is dat je snelheid verliest, waardoor het frezen dus ook langer duurt.
Stappenmotoren zijn onder andere op de volgende adressen te krijgen:
DamenCNC
Stappenmotor.nl
Conrad
Haltronic
NC-step
Voor meer informatie over de werking van stappenmotoren:
Zeer informatieve Engelse website over aansturing stappenmotoren
stappenmotor.nl uitleg stappenmotoren
Tweakers uitleg stappenmotoren
In het vervolg van het document wordt uitgegaan van een bipolaire stappenmotor met een koppel van 2Nm en een stroom van 3Ampere.
Stappen sturing
Als gekozen is voor een bepaald type motor, moet de sturing ervoor gekozen worden. Voor de sturing heb je de optie om te kopen of om ze zelf te maken. Als je niet veel technische kennis van elektronica hebt, is het raadzaam om ze te kopen. Bovendien kunnen stappenmotoren op verschillende manieren worden aangestuurd. Je kunt de motor bij een puls van het stuurprogramma een volle stap laten maken. Je zou er ook voor kunnen kiezen om half step, of zelfs microstepping toe te passen.
Zelf maken
Een stappenmotor sturing bestaat uit twee delen; een regel en een vermogens gedeelte. Het regelgedeelte meet de stroom door de stappenmotor, en zorgt dat deze constant blijft en niet te hoog wordt. Het vermogensgedeelte bestaat uit twee H-bruggen, welke de stroom door de spoelen beide kanten op kunnen laten stromen. Voor stromen tot 2 a 3 Ampère zijn er vaak chips die alles regelen en sturen. Voor stromen daarboven zal men zelf een H-brug moeten maken met 4 transistors, waarvoor vaak MOSFET’s worden gebruikt. Stappenmotoren dienen in een bepaald patroon van stroom door de spoelen te worden aangestuurd. Dit patroon is hier te vinden. Als chip tot 2 ampère voor FULL en HALF step wordt vaak de dubbele H-brug L298 i.c.m. sturingschip L297 gebruikt. Voor microstepping zou de chip LMD18245 kunnen worden gebruikt, tot 3 Ampère.
Het voordeel van de stappen indelen in tussenstappen zoals bij half en microstepping, is dat de rotor van de motor ook posities tussen de gehele stappen door aan kan nemen. Als dit het geval is bevind de rotor zit in een instabiele situatie, en is hiervoor een stroomregeling nodig. Doordat door deze techniek de stappenmotor meer (tussen) stappen heeft gekregen, heeft de motor een hogere nauwkeurigheid. Het grootste voordeel van microstepping is dat als bijvoorbeeld cirkels worden uitgefreesd, deze een gladde snede hebben i.p.v. een overdreven gezegd blokkerig patroon door de stappen. Daarnaast geeft microstepping een veel rustigere loop van de motoren en heeft de sturing veel minder last van resonanties.
Als stromen van boven de 3Ampere gebruikt worden en microstepping gewenst is, is het raadzaam om drivers te kopen vanwege de hoge complexiteit van de sturing. Het is niet alleen de bepaalde stroomsturingen van sinus en cosinussen op de spoelen, maar ook hoe snel de stroom moet afvallen (decay) en een stroom meting dat deze niet te hoog wordt. In mijn opinie is het dan voordeliger om de sturing te kopen. Als je uiteraard het leuk vind om te maken is het een ander verhaal. Maar verwacht niet dat het binnen 2 weekjes klaar is. Er gaan vele tests aan vooraf voordat je een goede driver hebt, die niet al te warm wordt.
Drivers kopen
Als je drivers gaat kopen, moet je weten welke motor je gaat sturen. Zoals eerder vermeld gaan we uit van bipolaire motoren. Stappenmotor sturingen zijn o.a op de volgende locaties te krijgen:
DamenCNC
Stappenmotor.nl
Haltronic
NC-step
HobbyCNC
UHU stappensturingen
Op ebay zwerven ook sturingskaarten voor 3 en 4 axis rond, bijvoorbeeld gebaseerd op de TB6560. dit zijn goedkoper alternatieven.
Bij het frezen van nauwkeurige dingen wordt vaak 1/8 of 1/16 microstep gebruikt. Let erop dat de nauwkeurigheid ook afhankelijk is van je overbrenging.
Als de bekend is welke stappenmotoren en sturingen gebruikt gaan worden, moet er vervolgens een stabiele voeding ontworpen worden. In het rekenvoorbeeld wordt uitgegaan van 4 assen (x,y,z,a), welke alle vier een stappenmotor van 2Nm hebben die 3.2 Ampère piek aankunnen. De gekozen drivers in dit voorbeeld hebben een aanlegspanning van maximaal 50V. In dit geval zal dus een stabiele voeding gebouwd moeten worden van 50 Volt 12.8 (4x3.2A) Ampère. Voor een voeding kan uit 2 types gekozen worden; een voeding op basis van transformator en op basis van een schakelende voeding. Indien voor een schakelende voeding gekozen wordt, is het raadzaam deze te kopen. ze zien er als volgt uit:
Als je op ebay bijvoorbeeld zoekt naar "48V Power Supply" , dan kom je er genoeg tegen.
Je kunt er ook voor kiezen een trafovoeding te maken, hij is eenvoudig zelf te maken. De trafovoeding heeft als basis een transformator, gelijkrichter en condensatorbank.
hier is een kleine handleiding voor berekeningen aan voedingen.
Transformator
Als eerste wordt gekeken welke spanning de transformator moet hebben. In het voorbeeld is gekozen voor 50 Volt DC. Na gelijkrichting en afvlakking (elko’s) van een wisselspanning, is de verkregen gelijkspanning ongeveer een factor wortel(2) hoger. Hierbij moet van de gelijkspanning nog wel de sperspanning van de gelijkrichter diode worden afgetrokken. Je bepaald je trafospanning door de DC spanning te delen door wortel(2), en te kijken welke van de aangeboden trafo’s het dichts erbij zit, maar niet eroverheen. In het voorbeeld dus 50V/wortel(2) = 35,36V maximaal. Dit zou neer komen op een trafospanning van 35V AC.
De stroom die de trafo aan moet kunnen, wordt bepaald door de 12.8A piek te vermenigvuldigen met wortel(2), en dat is 18 Ampère. Omdat we rekening moeten houden met dat er elke periode een hoge piekstroom loopt die de condensatoren op moet laden zorgen we ervoor dat we er een marge op inbouwen. Bovendien is het zo dat je een aantal VA erin stopt, en je deze er nooit meer volledig uit krijgt. De spanning gaat omhoog, en dus de stroom omlaag. Een marge van 15 a 30% zou prima moeten zijn. In het voorbeeld wordt gekozen voor een marge van 25%, wat een stroom geeft van 18 x 1.25 = 22.5 Ampère.
De trafo die nu nodig is kan worden bepaald uit bovenstaande gegevens door de stroom en spanning te vermenigvuldigen. In het voorbeeld is dus een trafo nodig van 35 Volt x 22.5 Ampère = 780VA minimaal. Dit geeft een trafo van 800 VA, op een werkspanning van 35 Volt AC.
Omdat trafo's die dit vermogen moeten leveren veel te zwaar zijn en bijna niet te betalen, kan er voor hogere vermogens beter voor elke stappenmotor+ sturing een zelfde voeding worden gebouwd. In dit geval zouden dat 4 trafo's zijn van 225VA 35VAC zijn. Dit is pas interessant als 4 trafo's goedkoper zijn dan 1 grote van het totale vermogen. Voor het voorbeeld is 1 grote nog goedkoper dan 4 kleine, dus wordt er voor 1 grote gekozen.
Belangrijk is dat de trafo's identiek zijn, dus zelfde spanning en zelfde fabrikant!
In voedingen met hoge vermogens worden vaak ringkerntrafo’s gebruikt. Dit type transformator heeft namelijk minder magnetisatie verliezen waardoor de voeding efficiënter is. Een goede fabrikant van ringkerntrafo’s is Amplimo.
Voor transformatoren ongeveer boven de 400VA is een inschakelvertraging vereist. Deze laat eerst een kleine stroom van bijvoorbeeld 2 Ampère door de transformator stromen om te zorgen dat er een kleinere piekstroom is wanneer de transformator ingeschakeld zal worden. Dit gebeurt door een weerstand te plaatsen in serie met de spoel. Let erop, dit is een grote vermogensweerstand! Stel, je wilt een stroom van max. 2 Ampère. Dit geeft een weerstand van 120 Ohm en hierbij is het vermogen 230² /120 = 440W over de weerstand. Je zou dan bijvoorbeeld drie 25W weerstanden van 47Ohm kunnen gebruiken. Om de weerstand niet al te veel te belasten moet ervoor worden gezorgd dat de weerstand na ongeveer 500 ms wordt kortgesloten (dit is te zien in het schema onderaan, R1 wordt kortgesloten door ). Dit is vaak een beetje “trial en error”. Zorg ervoor dat er een redelijk koellichaam op de weerstand(en) zit.
Voor een schema van een inschakelvertraging zou je hier eens kunnen kijken.
Transformatoren worden op de volgende adressen verkocht:
Okaphone
Conrad
BMM-elektroniks
Vandijken Elektronika
Voor schakelende voedingen kun je kijken bij:
Vandijken Elektronika
DamenCNC
Gelijkrichter
Om te zorgen dat de wisselspanning van de trafo in gelijkspanning wordt omgezet, is een gelijkrichter nodig. Het enige wat van belang is, is dat deze de spanning en stroom aan moet kunnen van de voeding. In ons voorbeeld is dat dus minimaal 35V AC en 22 Ampère. De MB3505 van 50Volt 35 Ampère zou een goede keuze zijn. Als de stroom lager geweest zou zijn, dus bijvoorbeeld bij 15 Ampere totaal, zou de MB1505 van 50 Volt 15 Ampère ook kunnen.
Als voor meerdere gelijke voedingen wordt gekozen, zijn er 2 opties.
Bij voorkeur wordt vaker voor mogelijkheid 1 gekozen, omdat bij mogelijkheid 2 bij verkeerd aansluiten van de spoelen de trafo in tegenfase gezet kan worden, waardoor de spanning 0V wordt. Als er 4 aparte voedingen voor de stappensturingen gemaakt worden, hoeven de transformators niet gekoppeld te worden.
Gelijkrichters kun je bij de volgende adressen krijgen:
Dickbest
Vandijken Elektronika
Conrad
Condensatorbank
Om de spanning na de gelijkrichter af te vlakken zijn een stel condensatoren nodig. Voor deze toepassing kunnen de zogenaamde “low ESR” elko’s gebruikt worden welke een relatief lage interne weerstand hebben, maar normale elko's zullen ook voldoen. Als vuistregel wordt meestal een capaciteit van 4700uF per ampère gebruikt. Voor het voorbeeld zijn dat dus 16 elko’s van minimaal 50V en 4700uF.
Omdat de condensators een redelijk lage weerstand hebben zal na het erop zetten van de spanning een flinke stroompiek ontstaan. Over het algemeen wordt dit door de trafo als onprettig ervaren. Daarom wordt er bij de condensatorbank ook een soort inschakelvertraging gemaakt. Deze wordt ook gevormd door een vermogensweerstand, maar relatief kleiner. Bij gebruik van een 0.047 Farad 50Volt bank is een 22 Ohm weerstand van 3W prima. Dit komt omdat de condensators via een e-macht. oplaadt. Het vermogen door de weerstand is dan maar heel even zo veel, omdat de condensators relatief snel opladen.
Om na een aantal seconden de weerstand R2 kort te sluiten wordt vaak een POWER MOSFET gebruikt. Dit zijn MOSFET’s welke een hoge stroom en spanning aankunnen. Voor het voorbeeld zou dat een MOSFET voor minimaal 50 Volt en 16 Ampère moeten zijn, maar het is goed om een marge te nemen. Let er ook op dat de RDS(on) niet al te hoog is. Het vermogen wat de MOSFET disipeerd is namelijk voor het voorbeeld 16² * RDS(on). De waarde van RDS(on) is altijd in de datasheet van de MOSFET te vinden. Deze kun je vinden door het type van de MOSFET in te voeren in bijv. Google, en dan naar een pdf bestand te zoeken. Op de MOSFET zou ook een koellichaam bevestigd moeten worden. Voor mijn sturing heb ik een IRLZ34N gebruikt, en deze heeft een RDS(on) van 0.035 Ohm. Dit geeft een maximaal dissiperend vermogen van 9 Watt. Stel je wilt het koellichaam maximaal 50 graden laten worden, dan heb je een koellichaam van maximaal (50 – 20 graden)/9 Watt = 3.3 Kelvin/Watt nodig. Een kleinere K/W waarde is altijd beter. Meestal is een koellichaam van een PC ter grootte van 5x5x30 cm wel voldoende.
Om te voorkomen dat de condensators opgeladen blijven na het uitschakelen, kan er een ontlaad “systeem” gemaakt worden. In het schema onderaan is dat weerstand R3 welke in of uit geschakeld wordt door relais X2. Relais X2 wordt dan bijvoorbeeld gevoed door 12V van een adapter die aangesloten zit na de schakelaar. Als dan de hoofdschakelaar aangezet wordt, is de weerstand niet verbonden met de “loper” van het relais, als de hoofdschakelaar uitgezet wordt wel. Zo ontladen de condensators via de weerstand.
Verder is ook belangrijk dat de CNC sturing gezekerd is. Deze afzekering is min of meer afhankelijk van je transformator, maar een zekering van 5-10 Ampère is een goede keuze.
Sturing Controle
Om nu de sturing bijvoorbeeld voor MACH3 geschikt te maken, dienen alle step/dir signalen van de parallelle poort door gegeven te worden aan de stepperdrivers. Hiervoor zijn kant en klare printen te koop. De exacte naam is een “PC-interface card”. Omdat er in de CNC sturing met hoge vermogens wordt gewerkt, is het raadzaam om de PC te elektronisch te scheiden van de CNC sturing. Als er dan een kortsluiting of wat dan ook in de CNC sturing ontstaat, is de PC hiertegen beschermd. Anders is het mogelijk dat het moederbord defect raakt.
Let erop dat de motoren juist verbonden zijn met de drivers. Op de drivers staat vaak iets als a+ en a- genoteerd. Dit geeft aan dat hier 1 van de 2 spoelen van een bipolaire motor aan verbonden zou moeten worden.
Ook een aandachtspunt is een noodstop. Deze kun je als invoer geven op je PC. MACH3 heeft bijvoorbeeld een ingang, welke E-stop heet. Na het indrukken van de schakelaar zal MACH3 in een pauze modus springen. Een reset is nodig om vervolgens weer verder te kunnen frezen. Het simpelweg draaien van de noodstop zal niet zorgen dat de machine weer gaat draaien.
Voorbeelden
Als laatst nog enkele voorbeelden van CNC machines/sturingen
CNC Sturing van Rik Hermsen
CNC sturing van 5Bears
EMC oftewel Elektromagnetische Compatibiliteit kan voor veel problemen zorgen bij CNC en andere machines.
Hier wat voorbeelden die dat kunnen voorkomen.
We beginnen bij het netfilter en de voeding.
Hieronder een voorbeeld van een netfilter.
Een merk van b.v. een filter is Schafner; deze filters zijn te koop in verschillende stromen.
De filters zijn o.a. te koop bij: www.rs-components.nl
Het nut van een netfilter is om de storing die van het net komt te filteren.
De voeding kan b.v. gekocht worden, maar je kan hem ook zelf maken. Het beste kan je hiervoor een ringkern trafo nemen. Deze trafo’s hebben een veel kleiner strooiveld dan een blok trafo oftewel een trafo met een blik pakket. Na de trafo komt de gelijkrichter en de afvlak condensator of condensatoren.
Hier een paar berekeningen voor het uitrekenen van de spanning. Als je een trafo gelijk gaat richten en af gaat vlakken, doe je dat met de volgende berekening:
Stel je wilt 24VDC hebben, dan heb je een sec trafospanning nodig van 18VAC.
Hoe komen we nu aan +/- 24VDC, dat is 18 X wortel_2 = 18 X 1.4 = 25.2 ( – 1.4) = 23.8. De laatste ( -1.4) is de spanningsval over de diodebrug. Als het geheel is gelijkgericht, moeten we de spanning nog afvlakken met condensatoren oftewel elko’s genaamd. Als vuistregel houden we hiervoor aan 1000uF per ampere, en het is ook beter om meerdere elko’s te plaatsen dan een met een grote capaciteit.
Stel dat je een vermogen nodig hebt van 5A, dan krijg je dus 3 elco’s van 2200uF en 35VDC.
Voor een voeding van bv 24VDC en 5A heb je een trafo nodig van +/- 120VA.
U X I = 24 X 5 = 120.
Hieronder een voorbeeld van een voeding.
Hier is ook nog een RC filter toegepast, en twee ferrietkernen tegen ontstoring.
Zo kan je dus op eenvoudige wijze zelf een voeding maken die geschikt is voor CNC machines.
Je hoeft voor de motordrijvers geen gestabiliseerde voeding te gebruiken; het wordt anders als je er b.v. een print mee wil voeden, dan is een spanningsregelaar aan te raden.
Nog even extra aandacht voor de massa aansluiting van de voeding. De beste manier om de massadraden aan te sluiten is om van één punt uit te waaieren naar alle aan te sluiten massapunten, dus om een sterpunt te maken in de besturingskast. Dit voorkomt aard lussen.
Nu zijn de drivers en de motoren aan de beurt.
Deze kunnen het best aangesloten worden via afgeschermde kabels. Als de drivers in een stalen of aluminium behuizing zijn ingebouwd kan je de kabels het beste door EMC wartels invoeren,. Zorg er wel voor dat de wartels goed contact maken met de behuizing, anders heeft het weinig effect.
Het is ook de bedoeling om de afscherming aan beide zijden aan te sluiten, dus ook bij de motoren. Zie voorbeeld hieronder.
Het is het beste om ook hier de aders van de kabel door een ferrietkern te halen.
Dit geldt ook voor de voeding van de driver en voor de signaalkabels.
Dit geldt voor CNC machines met stappenmotoren. Als het machines zijn met servo motoren komt er nog iets bij.
Voor machines die gebruik maken van servo’s kunnen de motoren nog extra gefilterd worden.
Hieronder nog wat filter methodes voor de servo;s.
Dit filter komt eventueel tussen de driver en de servo motor te zitten. Dit wordt ook weer aangesloten via afgeschermde kabels en het zelfde aangesloten zoals hier boven beschreven.
Er kan eventueel ook alleen een filter op de motor geplaatst worden, zie hieronder.
Zo. Dit zijn wat voorbeelden en toepassingen om storing te voorkomen, vooral in de besturing van de CNC machine. Niet iedereen zal last hebben van storing, maar als de machine kuren vertoond is het de moeite waard om eens te experimenteren. En de storing hoeft natuurlijk niet plaats te vinden in de machine, maar het kan ook er buiten zijn. Zoals b.v. ruisen op de radio, of telefoon, vervormd beeld op je beeldscherm van de p.c., er is van alles mogelijk.
Nog even over de condensator waardes, die variëren tussen de 100 en 470nF. Voor de spoelen kunnen standaard gewikkelde ferriet kernen worden gebruikt, of zelf- gemaakte spoelen. Deze spoelen zijn zelf te wikkelen ook weer met een standaard ferriet kern. Als men spoelen koopt, let dan wel op de stroom die er door mag lopen.
Voor het netfilter moeten de condensatoren 400 tot 600VDC aan kunnen, voor de rest blijft het gelijk.
Hoop dat het allemaal een beetje duidelijk is zo, en een aanvulling op het mechanische gedeelte.
H. van Zwieten.
Toevoeging:
eventuele adressen voor electronica en cnc hardware:
Motoren en sturingen:
Haltronic
NC-step
HobbyCNC
damencnc
Conrad
Stappenmotor.nl
UHU stappensturingen
Elektronica, zoals voedingen parts e.d.:
Okaphone
Conrad
BMM-elektroniks
Vandijken Elektronika
Dickbest
spindels en lagers:
slides and ballscrews
world of cnc
machine en werktuigen
Aluminium en staal:
CMD-aluminium
Staalmarkt
vergeet ook ebay (en marktplaats) vooral niet, hier worden dingen vaak voor een leuke prijs verkocht.
Mochten er dus nog vragen zijn, stel ze gerust. Opmerkingen/toevoegingen zijn uiteraard ook welkom. Voor de mensen die nu aan de slag gaan, succes
Gr. Rik
Interesses brengen vaak vragen met zich mee. Omdat veel mensen vaak graag een CNC machine willen maken maar een beetje tegengehouden worden door de vele dingen die erbij komen kijken, wil ik voor die mensen de zaak een beetje verhelderen. Ik ga hier uit van een voorbeeld, en de achterliggende gedachten. Vragen en opmerkingen zijn welkom, deze verzamel ik dan hieronder. Ik zal proberen een zo goed mogelijke beschrijving geven van hoe je te werk moet gaan om een werkende CNC sturing te krijgen. Hierbij ga ik er van uit dat je het mechanische gedeelte van de frees al in orde hebt.
[size=+2][F.A.Q.] CNC bouwen (elektrisch deel)[/size]
Stappenmotoren
Enkele soorten zijn:
- Stappenmotoren met Permanent magneet
- Stappenmotoren met Variabele reluctantie
- Hybride stappenmotoren
Hybride stappenmotoren zal je het meest tegenkomen voor CNC besturingen.
Enkele type zijn:
- Bipolaire stappenmotoren
- Unipolaire stappenmotoren
- Servomotoren
Deze types worden vaak gebruikt bij CNC besturing. Elk type heeft zijn voordeel en nadeel, waarbij gedacht kan worden aan prijs, koppel, grootte, en stroom. Servomotoren hebben het voordeel dat ze een terugkoppeling aan het systeem kunnen geven over hun werkelijke positie. Het voordeel van bipolaire motoren t.o.v. unipolaire motoren is dat ze kleinere dimensies hebben voor een gelijke hoeveelheid koppel. Servomotoren hebben echter als nadeel dat ze veel duurder zijn, en een dure sturing nodig hebben. Voor hobbymatig gebruik zijn deze motoren naar mijn mening te prijzig. De beste keus voor een CNC sturing is een bipolaire stappenmotor, omdat bij bipolaire sturing de motor efficienter gebruikt wordt en dat geeft een hoger koppel. Daartegenover staat dat een unipolaire sturing veel simpeler te maken is. Bipolaire motoren hebben vaak 200 stappen voor 1 omwenteling.
Het koppel wat de motoren moeten hebben is heel sterk afhankelijk van wat je ermee wilt gaan doen. Motoren van een eenvoudige schuimfrees hebben een veel lager koppel nodig dan dat je bijvoorbeeld aluminium of harde metalen wilt gaan frezen. Het hangt ook af van hoeveel wrijving je spindels en glijlagers veroorzaken, waardoor de motor meer kracht moet zetten om de tafel in beweging te krijgen. Ook niet te vergeten is de spoed die gebruikt wordt. 1 mm spoed of 10 mm maakt een enorm verschil, bij 10 mm spoed is een veel groter koppel nodig. Om deze redenen is het vaak lastig te zeggen welke sterkte je nu precies nodig hebt. Toch is er een soort tabel te maken van wat je nodig hebt:
Code:
Soort frees: voorbeeld: koppel:
Lichte frees piepschuim 0.5Nm-1Nm
Normale frees hout, kunststof 1Nm-3Nm
Zware frees metaal, zware kunststof 3Nm-12NmBedenk dat het hier om het koppel op de as gaat. Voor het frezen van metaal zou een 2Nm stappenmotor met een 1:2,5 overbrenging ook een prima keuze zijn. Het nadeel hiervan is dat je snelheid verliest, waardoor het frezen dus ook langer duurt.
Stappenmotoren zijn onder andere op de volgende adressen te krijgen:
DamenCNC
Stappenmotor.nl
Conrad
Haltronic
NC-step
Voor meer informatie over de werking van stappenmotoren:
Zeer informatieve Engelse website over aansturing stappenmotoren
stappenmotor.nl uitleg stappenmotoren
Tweakers uitleg stappenmotoren
In het vervolg van het document wordt uitgegaan van een bipolaire stappenmotor met een koppel van 2Nm en een stroom van 3Ampere.
Stappen sturing
Als gekozen is voor een bepaald type motor, moet de sturing ervoor gekozen worden. Voor de sturing heb je de optie om te kopen of om ze zelf te maken. Als je niet veel technische kennis van elektronica hebt, is het raadzaam om ze te kopen. Bovendien kunnen stappenmotoren op verschillende manieren worden aangestuurd. Je kunt de motor bij een puls van het stuurprogramma een volle stap laten maken. Je zou er ook voor kunnen kiezen om half step, of zelfs microstepping toe te passen.
Zelf maken
Een stappenmotor sturing bestaat uit twee delen; een regel en een vermogens gedeelte. Het regelgedeelte meet de stroom door de stappenmotor, en zorgt dat deze constant blijft en niet te hoog wordt. Het vermogensgedeelte bestaat uit twee H-bruggen, welke de stroom door de spoelen beide kanten op kunnen laten stromen. Voor stromen tot 2 a 3 Ampère zijn er vaak chips die alles regelen en sturen. Voor stromen daarboven zal men zelf een H-brug moeten maken met 4 transistors, waarvoor vaak MOSFET’s worden gebruikt. Stappenmotoren dienen in een bepaald patroon van stroom door de spoelen te worden aangestuurd. Dit patroon is hier te vinden. Als chip tot 2 ampère voor FULL en HALF step wordt vaak de dubbele H-brug L298 i.c.m. sturingschip L297 gebruikt. Voor microstepping zou de chip LMD18245 kunnen worden gebruikt, tot 3 Ampère.
Het voordeel van de stappen indelen in tussenstappen zoals bij half en microstepping, is dat de rotor van de motor ook posities tussen de gehele stappen door aan kan nemen. Als dit het geval is bevind de rotor zit in een instabiele situatie, en is hiervoor een stroomregeling nodig. Doordat door deze techniek de stappenmotor meer (tussen) stappen heeft gekregen, heeft de motor een hogere nauwkeurigheid. Het grootste voordeel van microstepping is dat als bijvoorbeeld cirkels worden uitgefreesd, deze een gladde snede hebben i.p.v. een overdreven gezegd blokkerig patroon door de stappen. Daarnaast geeft microstepping een veel rustigere loop van de motoren en heeft de sturing veel minder last van resonanties.
Als stromen van boven de 3Ampere gebruikt worden en microstepping gewenst is, is het raadzaam om drivers te kopen vanwege de hoge complexiteit van de sturing. Het is niet alleen de bepaalde stroomsturingen van sinus en cosinussen op de spoelen, maar ook hoe snel de stroom moet afvallen (decay) en een stroom meting dat deze niet te hoog wordt. In mijn opinie is het dan voordeliger om de sturing te kopen. Als je uiteraard het leuk vind om te maken is het een ander verhaal. Maar verwacht niet dat het binnen 2 weekjes klaar is. Er gaan vele tests aan vooraf voordat je een goede driver hebt, die niet al te warm wordt.
Drivers kopen
Als je drivers gaat kopen, moet je weten welke motor je gaat sturen. Zoals eerder vermeld gaan we uit van bipolaire motoren. Stappenmotor sturingen zijn o.a op de volgende locaties te krijgen:
DamenCNC
Stappenmotor.nl
Haltronic
NC-step
HobbyCNC
UHU stappensturingen
Op ebay zwerven ook sturingskaarten voor 3 en 4 axis rond, bijvoorbeeld gebaseerd op de TB6560. dit zijn goedkoper alternatieven.
Bij het frezen van nauwkeurige dingen wordt vaak 1/8 of 1/16 microstep gebruikt. Let erop dat de nauwkeurigheid ook afhankelijk is van je overbrenging.
Als de bekend is welke stappenmotoren en sturingen gebruikt gaan worden, moet er vervolgens een stabiele voeding ontworpen worden. In het rekenvoorbeeld wordt uitgegaan van 4 assen (x,y,z,a), welke alle vier een stappenmotor van 2Nm hebben die 3.2 Ampère piek aankunnen. De gekozen drivers in dit voorbeeld hebben een aanlegspanning van maximaal 50V. In dit geval zal dus een stabiele voeding gebouwd moeten worden van 50 Volt 12.8 (4x3.2A) Ampère. Voor een voeding kan uit 2 types gekozen worden; een voeding op basis van transformator en op basis van een schakelende voeding. Indien voor een schakelende voeding gekozen wordt, is het raadzaam deze te kopen. ze zien er als volgt uit:
Als je op ebay bijvoorbeeld zoekt naar "48V Power Supply" , dan kom je er genoeg tegen.
Je kunt er ook voor kiezen een trafovoeding te maken, hij is eenvoudig zelf te maken. De trafovoeding heeft als basis een transformator, gelijkrichter en condensatorbank.
hier is een kleine handleiding voor berekeningen aan voedingen.
Transformator
Als eerste wordt gekeken welke spanning de transformator moet hebben. In het voorbeeld is gekozen voor 50 Volt DC. Na gelijkrichting en afvlakking (elko’s) van een wisselspanning, is de verkregen gelijkspanning ongeveer een factor wortel(2) hoger. Hierbij moet van de gelijkspanning nog wel de sperspanning van de gelijkrichter diode worden afgetrokken. Je bepaald je trafospanning door de DC spanning te delen door wortel(2), en te kijken welke van de aangeboden trafo’s het dichts erbij zit, maar niet eroverheen. In het voorbeeld dus 50V/wortel(2) = 35,36V maximaal. Dit zou neer komen op een trafospanning van 35V AC.
De stroom die de trafo aan moet kunnen, wordt bepaald door de 12.8A piek te vermenigvuldigen met wortel(2), en dat is 18 Ampère. Omdat we rekening moeten houden met dat er elke periode een hoge piekstroom loopt die de condensatoren op moet laden zorgen we ervoor dat we er een marge op inbouwen. Bovendien is het zo dat je een aantal VA erin stopt, en je deze er nooit meer volledig uit krijgt. De spanning gaat omhoog, en dus de stroom omlaag. Een marge van 15 a 30% zou prima moeten zijn. In het voorbeeld wordt gekozen voor een marge van 25%, wat een stroom geeft van 18 x 1.25 = 22.5 Ampère.
De trafo die nu nodig is kan worden bepaald uit bovenstaande gegevens door de stroom en spanning te vermenigvuldigen. In het voorbeeld is dus een trafo nodig van 35 Volt x 22.5 Ampère = 780VA minimaal. Dit geeft een trafo van 800 VA, op een werkspanning van 35 Volt AC.
Omdat trafo's die dit vermogen moeten leveren veel te zwaar zijn en bijna niet te betalen, kan er voor hogere vermogens beter voor elke stappenmotor+ sturing een zelfde voeding worden gebouwd. In dit geval zouden dat 4 trafo's zijn van 225VA 35VAC zijn. Dit is pas interessant als 4 trafo's goedkoper zijn dan 1 grote van het totale vermogen. Voor het voorbeeld is 1 grote nog goedkoper dan 4 kleine, dus wordt er voor 1 grote gekozen.
Belangrijk is dat de trafo's identiek zijn, dus zelfde spanning en zelfde fabrikant!
In voedingen met hoge vermogens worden vaak ringkerntrafo’s gebruikt. Dit type transformator heeft namelijk minder magnetisatie verliezen waardoor de voeding efficiënter is. Een goede fabrikant van ringkerntrafo’s is Amplimo.
Voor transformatoren ongeveer boven de 400VA is een inschakelvertraging vereist. Deze laat eerst een kleine stroom van bijvoorbeeld 2 Ampère door de transformator stromen om te zorgen dat er een kleinere piekstroom is wanneer de transformator ingeschakeld zal worden. Dit gebeurt door een weerstand te plaatsen in serie met de spoel. Let erop, dit is een grote vermogensweerstand! Stel, je wilt een stroom van max. 2 Ampère. Dit geeft een weerstand van 120 Ohm en hierbij is het vermogen 230² /120 = 440W over de weerstand. Je zou dan bijvoorbeeld drie 25W weerstanden van 47Ohm kunnen gebruiken. Om de weerstand niet al te veel te belasten moet ervoor worden gezorgd dat de weerstand na ongeveer 500 ms wordt kortgesloten (dit is te zien in het schema onderaan, R1 wordt kortgesloten door ). Dit is vaak een beetje “trial en error”. Zorg ervoor dat er een redelijk koellichaam op de weerstand(en) zit.
Voor een schema van een inschakelvertraging zou je hier eens kunnen kijken.
Transformatoren worden op de volgende adressen verkocht:
Okaphone
Conrad
BMM-elektroniks
Vandijken Elektronika
Voor schakelende voedingen kun je kijken bij:
Vandijken Elektronika
DamenCNC
Gelijkrichter
Om te zorgen dat de wisselspanning van de trafo in gelijkspanning wordt omgezet, is een gelijkrichter nodig. Het enige wat van belang is, is dat deze de spanning en stroom aan moet kunnen van de voeding. In ons voorbeeld is dat dus minimaal 35V AC en 22 Ampère. De MB3505 van 50Volt 35 Ampère zou een goede keuze zijn. Als de stroom lager geweest zou zijn, dus bijvoorbeeld bij 15 Ampere totaal, zou de MB1505 van 50 Volt 15 Ampère ook kunnen.
Als voor meerdere gelijke voedingen wordt gekozen, zijn er 2 opties.
- Alle 4 de trafo's worden met hun AC kant aan elkaar gekoppeld worden, en dan worden gelijkgericht.
- Alle trafo's worden eerst afzonderlijk gelijkgericht, waarna de DC spanning aan elkaar gekoppeld wordt.
Gelijkrichters kun je bij de volgende adressen krijgen:
Dickbest
Vandijken Elektronika
Conrad
Condensatorbank
Om de spanning na de gelijkrichter af te vlakken zijn een stel condensatoren nodig. Voor deze toepassing kunnen de zogenaamde “low ESR” elko’s gebruikt worden welke een relatief lage interne weerstand hebben, maar normale elko's zullen ook voldoen. Als vuistregel wordt meestal een capaciteit van 4700uF per ampère gebruikt. Voor het voorbeeld zijn dat dus 16 elko’s van minimaal 50V en 4700uF.
Omdat de condensators een redelijk lage weerstand hebben zal na het erop zetten van de spanning een flinke stroompiek ontstaan. Over het algemeen wordt dit door de trafo als onprettig ervaren. Daarom wordt er bij de condensatorbank ook een soort inschakelvertraging gemaakt. Deze wordt ook gevormd door een vermogensweerstand, maar relatief kleiner. Bij gebruik van een 0.047 Farad 50Volt bank is een 22 Ohm weerstand van 3W prima. Dit komt omdat de condensators via een e-macht. oplaadt. Het vermogen door de weerstand is dan maar heel even zo veel, omdat de condensators relatief snel opladen.
Om na een aantal seconden de weerstand R2 kort te sluiten wordt vaak een POWER MOSFET gebruikt. Dit zijn MOSFET’s welke een hoge stroom en spanning aankunnen. Voor het voorbeeld zou dat een MOSFET voor minimaal 50 Volt en 16 Ampère moeten zijn, maar het is goed om een marge te nemen. Let er ook op dat de RDS(on) niet al te hoog is. Het vermogen wat de MOSFET disipeerd is namelijk voor het voorbeeld 16² * RDS(on). De waarde van RDS(on) is altijd in de datasheet van de MOSFET te vinden. Deze kun je vinden door het type van de MOSFET in te voeren in bijv. Google, en dan naar een pdf bestand te zoeken. Op de MOSFET zou ook een koellichaam bevestigd moeten worden. Voor mijn sturing heb ik een IRLZ34N gebruikt, en deze heeft een RDS(on) van 0.035 Ohm. Dit geeft een maximaal dissiperend vermogen van 9 Watt. Stel je wilt het koellichaam maximaal 50 graden laten worden, dan heb je een koellichaam van maximaal (50 – 20 graden)/9 Watt = 3.3 Kelvin/Watt nodig. Een kleinere K/W waarde is altijd beter. Meestal is een koellichaam van een PC ter grootte van 5x5x30 cm wel voldoende.
Om te voorkomen dat de condensators opgeladen blijven na het uitschakelen, kan er een ontlaad “systeem” gemaakt worden. In het schema onderaan is dat weerstand R3 welke in of uit geschakeld wordt door relais X2. Relais X2 wordt dan bijvoorbeeld gevoed door 12V van een adapter die aangesloten zit na de schakelaar. Als dan de hoofdschakelaar aangezet wordt, is de weerstand niet verbonden met de “loper” van het relais, als de hoofdschakelaar uitgezet wordt wel. Zo ontladen de condensators via de weerstand.
Verder is ook belangrijk dat de CNC sturing gezekerd is. Deze afzekering is min of meer afhankelijk van je transformator, maar een zekering van 5-10 Ampère is een goede keuze.
Sturing Controle
Om nu de sturing bijvoorbeeld voor MACH3 geschikt te maken, dienen alle step/dir signalen van de parallelle poort door gegeven te worden aan de stepperdrivers. Hiervoor zijn kant en klare printen te koop. De exacte naam is een “PC-interface card”. Omdat er in de CNC sturing met hoge vermogens wordt gewerkt, is het raadzaam om de PC te elektronisch te scheiden van de CNC sturing. Als er dan een kortsluiting of wat dan ook in de CNC sturing ontstaat, is de PC hiertegen beschermd. Anders is het mogelijk dat het moederbord defect raakt.
Let erop dat de motoren juist verbonden zijn met de drivers. Op de drivers staat vaak iets als a+ en a- genoteerd. Dit geeft aan dat hier 1 van de 2 spoelen van een bipolaire motor aan verbonden zou moeten worden.
Ook een aandachtspunt is een noodstop. Deze kun je als invoer geven op je PC. MACH3 heeft bijvoorbeeld een ingang, welke E-stop heet. Na het indrukken van de schakelaar zal MACH3 in een pauze modus springen. Een reset is nodig om vervolgens weer verder te kunnen frezen. Het simpelweg draaien van de noodstop zal niet zorgen dat de machine weer gaat draaien.
Voorbeelden
Als laatst nog enkele voorbeelden van CNC machines/sturingen
CNC Sturing van Rik Hermsen
CNC sturing van 5Bears
[size=+1]Het volgende stuk is geschreven door Harry (Lambiek):[/size]
[size=+2]EMC EN CNC[/size]
[size=+2]EMC EN CNC[/size]
EMC oftewel Elektromagnetische Compatibiliteit kan voor veel problemen zorgen bij CNC en andere machines.
Hier wat voorbeelden die dat kunnen voorkomen.
We beginnen bij het netfilter en de voeding.
Hieronder een voorbeeld van een netfilter.
Een merk van b.v. een filter is Schafner; deze filters zijn te koop in verschillende stromen.
De filters zijn o.a. te koop bij: www.rs-components.nl
Het nut van een netfilter is om de storing die van het net komt te filteren.
De voeding kan b.v. gekocht worden, maar je kan hem ook zelf maken. Het beste kan je hiervoor een ringkern trafo nemen. Deze trafo’s hebben een veel kleiner strooiveld dan een blok trafo oftewel een trafo met een blik pakket. Na de trafo komt de gelijkrichter en de afvlak condensator of condensatoren.
Hier een paar berekeningen voor het uitrekenen van de spanning. Als je een trafo gelijk gaat richten en af gaat vlakken, doe je dat met de volgende berekening:
Stel je wilt 24VDC hebben, dan heb je een sec trafospanning nodig van 18VAC.
Hoe komen we nu aan +/- 24VDC, dat is 18 X wortel_2 = 18 X 1.4 = 25.2 ( – 1.4) = 23.8. De laatste ( -1.4) is de spanningsval over de diodebrug. Als het geheel is gelijkgericht, moeten we de spanning nog afvlakken met condensatoren oftewel elko’s genaamd. Als vuistregel houden we hiervoor aan 1000uF per ampere, en het is ook beter om meerdere elko’s te plaatsen dan een met een grote capaciteit.
Stel dat je een vermogen nodig hebt van 5A, dan krijg je dus 3 elco’s van 2200uF en 35VDC.
Voor een voeding van bv 24VDC en 5A heb je een trafo nodig van +/- 120VA.
U X I = 24 X 5 = 120.
Hieronder een voorbeeld van een voeding.
Hier is ook nog een RC filter toegepast, en twee ferrietkernen tegen ontstoring.
Zo kan je dus op eenvoudige wijze zelf een voeding maken die geschikt is voor CNC machines.
Je hoeft voor de motordrijvers geen gestabiliseerde voeding te gebruiken; het wordt anders als je er b.v. een print mee wil voeden, dan is een spanningsregelaar aan te raden.
Nog even extra aandacht voor de massa aansluiting van de voeding. De beste manier om de massadraden aan te sluiten is om van één punt uit te waaieren naar alle aan te sluiten massapunten, dus om een sterpunt te maken in de besturingskast. Dit voorkomt aard lussen.
Nu zijn de drivers en de motoren aan de beurt.
Deze kunnen het best aangesloten worden via afgeschermde kabels. Als de drivers in een stalen of aluminium behuizing zijn ingebouwd kan je de kabels het beste door EMC wartels invoeren,. Zorg er wel voor dat de wartels goed contact maken met de behuizing, anders heeft het weinig effect.
Het is ook de bedoeling om de afscherming aan beide zijden aan te sluiten, dus ook bij de motoren. Zie voorbeeld hieronder.
Het is het beste om ook hier de aders van de kabel door een ferrietkern te halen.
Dit geldt ook voor de voeding van de driver en voor de signaalkabels.
Dit geldt voor CNC machines met stappenmotoren. Als het machines zijn met servo motoren komt er nog iets bij.
Voor machines die gebruik maken van servo’s kunnen de motoren nog extra gefilterd worden.
Hieronder nog wat filter methodes voor de servo;s.
Dit filter komt eventueel tussen de driver en de servo motor te zitten. Dit wordt ook weer aangesloten via afgeschermde kabels en het zelfde aangesloten zoals hier boven beschreven.
Er kan eventueel ook alleen een filter op de motor geplaatst worden, zie hieronder.
Zo. Dit zijn wat voorbeelden en toepassingen om storing te voorkomen, vooral in de besturing van de CNC machine. Niet iedereen zal last hebben van storing, maar als de machine kuren vertoond is het de moeite waard om eens te experimenteren. En de storing hoeft natuurlijk niet plaats te vinden in de machine, maar het kan ook er buiten zijn. Zoals b.v. ruisen op de radio, of telefoon, vervormd beeld op je beeldscherm van de p.c., er is van alles mogelijk.
Nog even over de condensator waardes, die variëren tussen de 100 en 470nF. Voor de spoelen kunnen standaard gewikkelde ferriet kernen worden gebruikt, of zelf- gemaakte spoelen. Deze spoelen zijn zelf te wikkelen ook weer met een standaard ferriet kern. Als men spoelen koopt, let dan wel op de stroom die er door mag lopen.
Voor het netfilter moeten de condensatoren 400 tot 600VDC aan kunnen, voor de rest blijft het gelijk.
Hoop dat het allemaal een beetje duidelijk is zo, en een aanvulling op het mechanische gedeelte.
H. van Zwieten.
[size=+1]geschreven door Harry (Lambiek), dank daarvoor![/size]
Toevoeging:
eventuele adressen voor electronica en cnc hardware:
Motoren en sturingen:
Haltronic
NC-step
HobbyCNC
damencnc
Conrad
Stappenmotor.nl
UHU stappensturingen
Elektronica, zoals voedingen parts e.d.:
Okaphone
Conrad
BMM-elektroniks
Vandijken Elektronika
Dickbest
spindels en lagers:
slides and ballscrews
world of cnc
machine en werktuigen
Aluminium en staal:
CMD-aluminium
Staalmarkt
vergeet ook ebay (en marktplaats) vooral niet, hier worden dingen vaak voor een leuke prijs verkocht.
Mochten er dus nog vragen zijn, stel ze gerust. Opmerkingen/toevoegingen zijn uiteraard ook welkom. Voor de mensen die nu aan de slag gaan, succes
Gr. Rik
Laatst bewerkt:
roost:
