Pololu A4988 copper Heatsink kupfer kühler

Nach dem ich nun einige Fräsarbeiten hinter mir habe musste ich bei größeren Arbeiten feststellen, dass meine Fräse Schritte verlor. Ich habe ziemlich schnell die Schrittmotortreiber im Verdacht gehabt. Diese wurden bei langen, schnellen Fahrten ziemlich heiß und schalteten kurz ab. Sobald die Fräse nach einer kurzen Pause abgekühlt wurde, verschwanden die Schrittfehler für kurze Zeit, bis sie wieder aufgetreten sind.

Nach Messungen wurden die A4988 Motortreiber nach kurzer Zeit über 80 Grad heiß. Da die Pololus bei 90 Grad kurz abschalten waren diese natürlich an der Grenze. Kein wunder, denn die Motoren ziehen gute 1,6A.

Nach dem ich die Schrittmotortreiber versehentlich getoastet habe brauchte ich einen Satz neue Schrittmotortreiber. Ich entschied mich diesmal die Black Edition der Pololu A4988 zu kaufen, da diese durch die vier lagige Platine mehr Wärme abführen können. Allerdings steht auf der Pololu Webseite, dass ab einem Strom von 1,2A eine zusätzliche Kühlung stattfinden muss.

Diese hatte ich vorher über passive Kühler und einen Lüfter realisiert, was aber nicht wirklich reichte. Die Mini Kühler, die es für die Pololus gibt taugen meiner Meinung nach nur, wenn man leicht über die von Pololu genannten Grenze kommt.

Es musste also etwas besseres her. Nach etlichen versuchen diverse Aluplättchen auf die Controller zu kleben und darüber die Wärme abzuführen kam ich auf Kupfer.

Auf Ebay habe ich Kupferstäbe gefunden, die 8x8mm haben und 10cm lang sind. Genau das richtige dachte ich und bestellte welche.

Nach etwas hin und her habe ich den Stab mit der Fräse endlich zugeschnitten, so dass ich zwei identisch aussehende Brücken aus Kupfer habe. Man kann die Kupferstäbe nicht ohne weiteres auf dem Controller befestigen, weil umliegende Bauteile höher sind, darum musste ich eine Seite etwas aussparen.

Nach dem die Brücken fertig waren habe ich sie noch etwas poliert und auf die Controller geklebt. Nach etwas Recherche habe ich mich für das entschieden, was herum lag – Schraubensicherungslack. Dünn aufgetragen halten die Brücken ziemlich gut und nehmen die Wärme relativ gut auf.

[Nachtrag]

Mittlerweile kam der Northbridge Kühler an, den ich für die Kupfer Kühler zweckentfremde. Dieser passt dank der Klebepads super auf die Kupferbrücken und führen die Wärme ebenfalls gut ab. Die Pololu Black Editions kommen nun nicht mehr über 50°C, was ein echter Fortschritt ist!

Wer hätte es gedacht, dass die eShapeOko noch diesen Monat ihren Weg zu mir findet? Ich zumindest nicht. Ich hatte mit Anfang November gerechnet und bin umso erfreuter, dass Catalin meine eShapeOko schon jetzt bereits auf den Weg bringt. Bestellt hatte ich sie am 2. September und zur Post ging sie heute. Mittlerweile hat er im Webshop wieder den Normalbetrieb ausgerufen, mit einer Auslieferung innerhalb von 3 Tagen nach Bestellung.
Das ist echt fair! Ich hoffe meine Fräse kommt bald an, damit es endlich losgehen kann :).

Nach dem es nun wieder etwas stiller um mein CNC Fräsen Thema wurde will ich hier mal über den aktuellen Stand berichten. Das Thema Selbstbau CNC ist vom Tisch. Die Grundidee war schon nicht schlecht, doch leider fehlt mir im Moment die Zeit und das notwendige Werkzeug um eine saubere Umsetzung meiner DIY CNC zu realisieren.
Da ich aber unbedingt eine Fräse haben will und ich die Elektronik schon nahezu vollständig habe, habe ich mich für eine eShapeOko entschieden. Der Bausatz kann flexibel gestaltet werden, bietet z.B. open end Plates, so dass man die Fräse beliebig erweitern kann, sollte das mal notwendig sein. Da der Bausatz noch unterwegs ist (aus UK) werde ich hier auf die Dinge eingehen die es zu beachten gilt.

Was benötigt man alles für das Basis Set?
Den eShapeOko Bausatz (Werkzeug und einen M5 Gewindeschneider)
– 3-4 Schrittmotoren
– 3-4 Motortreiber
– 3-4 Kühler
– Eine Steuerplatine die den Schrittmotortreibern sagt, was die Motoren machen sollen
Ein Netzteil mit genug Power
– Eine Spindel, welche die Bohrarbeiten übernimmt (z.B. Dremel)
– Fräsbohrer
– Kabel
Platine für den Aufbau (oder eine vorgefertigte Platine -> Shield)
– Schrumpfschlauch
– Lötkolben
– Einen Computer 🙂
– Software

Zur Anzahl der Schrittmotoren
Man kann die eShapeOko mit doppelt bestückter Y-Achse bestellen, somit benötigt man 4 Motoren und 4 Schrittmotor Treiber und 4 Kühler

Zu den Motoren
Es gibt Motoren wie Sand am Meer. Ich habe mich für Nema 17 Motoren entschieden. Erstens sind die von der Größe her vertrauenserweckend und zweitens sind sie mit knapp 43 Ncm ein gutes Haltemoment. Ich habe welche gekauft die zusätzlich jeweils ein 2,5 Meter langes Anschlusskabel (4 Adern) hatten. Das macht die Montage einfach (hoffe ich). Bestellt habe ich die bei Multec.de
Preis pro Stück ~10€

Zu den Motortreibern
Auch hier gibt es eine mehr oder weniger große Auswahl. Ich habe mich für welche von Pololu entschieden. Das Modell hört auf den Namen A4988 und liefert bis zu 2A pro Phase an den Motor, wenn die Kühlung entsprechend gewährleistet ist. Den Treiber und die Kühler kann man ebenfalls bei Multec.de bestellen. Um die Kühlrippen korrekt aufkleben zu können brauch man Wärmeleitpaste, die nicht nur Wärme leitet, sondern auch klebt, sonst rutschen diese schneller vom Kontroller als man gucken kann.
Preis pro Stück (Pololu) ~10€
Preis pro Stück (Kühler) ~ 1€

Zur Steuerplatine
Es gibt ein Opensource Projekt namens GRBL (Garbel ausgesprochen), welches sich mit der Ansteuerung der Motortreiber auseinander setzt. Hierfür brauch man als Basis einen Arduino (z.B. einen Arduino Uno) auf den man die Software aufspielt. Dieser wird mit dem Computer per USB verbunden und nimmt die Signale per serieller Schnittstelle entgegen und treibt die Motoren über die Motortreiber an. Da das Projekt gut dokumentiert ist würde ich hier nicht näher darauf eingehen.
Preis pro Stück (Arduino Uno) ~10€

Zum Netzteil
Das Netzteil machte mir am meisten sorgen. Ich habe etwas mit 12v Ausgangsspannung gesucht und einer Leistung von mindestens 8A, lieber 10A. Am besten lüfterlos und günstig. Als ich bei meinem lokalen Elektronikmarkt nach diversen erfolglosen Ebayrecherchen nach etwas vergleichbaren fragte entgegnete man mir mit einem Fragezeichen. Netzteile hatten sie, 12V und max 6A. Nichts brauchbares und vor allem nichts wirklich bezahlbares. Durch einen Hinweis eines sehr guten Freundes kamen wir dann auf eine brauchbare Lösung. Ein ATX Computernetzteil (leider mit Lüfter) bei dem man die Kabel einzeln anschließen kann. Somit fahren nicht überall Kabel herum, sonder nur das nötigste. Ein Plus: Neben den 2x 12v16A Leitungen kann ich das Arduino Board ebenfalls noch mit 5V versorgen. Ein Nachteil: man muss den Enable Pin auf GND legen, damit es anspringt. Mit etwas Lötarbeiten und etwas Schrumpfschlauch ist auch das Problem einfach gelöst.

Platine für den Aufbau
Es gibt mehrere Möglichkeiten den Aufbau zu bewerkstelligen. Entweder man bastelt sich selbst eine Platine und lötet alle notwendigen Teile zusammen, die man für das verdrahten der Pololu Treiber mit den Motoren und dem Arduino benötigt, oder man kauft eine Platine, die schon vorgefertigt ist. Hier entfällt das verdrahten und anschließende Suchen nach Fehlern. Ich habe mir eine entsprechende Platine bei Reactive Substance bestellt (Buildlog.net Stepper Shield: Revision 3.0). Ein weiterer Vorteil dieser Platine ist, dass sie 4 Steckplätze für die Motortreiber hat und ich somit meine doppelt ausgelegte Y-Achse einfach anschließen kann.

Wie alles zusammen spielt
Die Modelle, die gefräst werden sollen werden am Computer erstellt. Dafür gibt es freie Programme wie LibreCAD, InkScape und andere Programme, die ins DXF Format exportieren können. Die Modelle werden in einem CAM Programm weiter verarbeitet, dass sich um den Ablauf kümmert. Was wird zuerst gemacht, welcher Bohrer wird verwendet etc… Am ende kommt sogenannter GCode heraus, der mit einer Software (GRBL Controller) die Codes an den Arduino Uno überträgt. Dieser kümmert sich darum, die übertragenen Informationen in Signale umzuwandeln, die die Schrittmotoren in der XY und Z Achse bewegen und das Modell fräsen. So ist der grobe Ablauf.

Das ist es erst einmal. Für die Spindel habe ich noch etwas im Petto. Derzeit warte ich noch auf den eShapeOko Kit und hoffe das dieser bald eintrifft. Die Kommunikation gestaltet sich etwas schwer. Eigentlich wurde mir zugesagt, dass die Fräse letzte Woche verschickt werden sollte. Dazu kam es aber nicht und eine Antwort habe ich vom Hersteller ebenfalls noch nicht bekommen. Anders sieht es bei Multec aus. Wer hier mit Paypal bezahlt kann sich auf eine extrem schnelle Lieferung verlassen.
In der Zwischenzeit habe ich heraus gefunden, dass der Hersteller der eShapeOko Probleme bei seinen Zulieferern hat, also harre ich der Dinge, die da kommen und hoffe, dass sie dennoch bald eintrifft.

 

Wie gesagt bin ich schon lange am überlegen, ob ich eine CNC Fräse bauen soll, oder nicht. Für mich war immer klar, dass wenn ich eine CNC Fräse bauen werde, dann will ich vorher die Elektronik im Griff haben. Über EBay und Heise bin ich über einen 3 Achsen Controller gestolpert. Ein Teil, das zwar im Amateursektor liegt, aber dennoch was kann und das man über den Parallel Port steuern kann. Damit macht man vermutlich nichts falsch dachte ich, denn serielle und parallele Schnittstellen sind schon seit gefühlten 1000 Jahren in Betrieb und somit kompatibel mit dem hinter letzten Betriebssystem.

Mein Computer hat schon lange keinen LPT Port mehr, dafür aber die Dockingstation meines Laptops, aber ich hatte meine Rechnung ohne Windows 7 x64 gemacht, denn mit 64 Bit kann die Software (hatte Mach3 getestet) scheinbar nicht. Genauso wie mit Laptops, denn da soll das Timing auf Grund der Schlafmodus-Integration auch nicht wirklich taugen. Und der Parallel Port über eine proprietäre Dell Schnittstelle? Pff… Projekt zum Scheitern verurteilt.

Ich hatte es natürlich versucht und den Schrittmotor an die Elektronik angeschlossen, aber mehr als geglüht hat der Motor nicht. Zumindest ging er, denn er hatte das volle Haltemoment – Aber Bewegung?! Fehlanzeige.
Frustriert landete dieses Stück Hardware nach insgesamt 10h Fehlersuche und Debugging erst einmal in der Ecke. Bei dem Modul handelt es sich um einen 3 Achsen Controller mit TB6560AHQ Chips. Schön anzusehen, aber für meine Betriebssystem Kombi und Schnittstellenproblematik einfach nicht zu gebrauchen.

TB6560AHQ

Pest vs. Cholera
Da dieses Teil aus Fernost leider nicht so funktioniert wie ich es mir gedacht hatte und ich gerne mit USB arbeite habe ich mich auf die Suche nach etwas gemacht, mit dem ich arbeiten kann. Da bin ich auf Arduino und ein Projekt GRBL gestoßen. Wer mich kennt, der weiß, dass ich nicht viel von Arduino halte. Überall werden diese Monster haften Arduino boards verbaut, auch wenn es ein <1€ Controller tun würde. Es wird nicht mehr nachgedacht, sondern nur noch alles mit Hardware erschlagen. Aber genau das ist nicht wirklich meins. Ich lerne gerne neue Sachen von der Basis, verstehe wie Microcontroller funktionieren, ohne das ich eine Tonne von Bibliotheken benötige um dann eine Zeile Code zu schreiben, die dann wie Welt in die andere Richtung drehen lässt.

Doch dieses Mal wollte ich nicht davon abbringen lassen meine CNC Fräse zu bauen, egal ob ein Arduino Herz darin schlummert, oder nicht. (Alleine die Erkenntnis, dass ich damit nicht entwickeln muss um eine CNC Steuerung zu bekommen hatte wirklich sehr viel Charme)
Also Arduino als CNC Controller. Dann fehlen nur noch die Schrittmotor Treiber. D.h. der Controller sorgt dafür, dass die Motoren wissen was sie tun müssen und die Schrittmotor Treiber die zwischen Controller und Schrittmotor hängen versorgen den Schrittmotor und bereiten die Signale des Controller soweit auf, dass er weiß in welche Richtung und wie weit er drehen muss. Es ist auch möglich den oben beschriebenen China Controller über ein Arduino (bzw. einen Microcontroller) zu steuern. Das kam aber zumindest für meine ersten Gehversuche nicht in Frage, da hier auch wieder allerlei Probleme entstehen können.

Als Schrittmotortreiber habe ich welche von Polulu genommen – die A4988. Diese sind zusammen mit Arduino und GRBL sehr einfach zu betreiben. Auch jemand der absolut keine Ahnung von Fräsen hat kommt hier mit einer entsprechenden Anleitung zurecht. Ich möchte aber dennoch gerne die Schritte erläutern, die notwendig sind das Arduino Board dahin zu bringen G-Code zu empfangen.
Als erstes kauft man sich ein Arduino Board. Soweit ich gelesen habe geht es gut mit einem Arduino Nano, oder Arduino Uno. Ich habe mich für das Uno entschieden, weil es für mich praktischer zum Entwickeln ist. Hält man das Arduino Board in der Hand sollte man sich die aktuellen Treiber runterladen, damit es auch korrekt auf dem Laptop erkannt wird. Die Arduino Gui wird nicht wirklich benötigt.
Nach dem das Board korrekt unter Windows (für andere Betriebssysteme müsst ihr leider wo anders gucken) erkannt wurde kann man sich auch direkt ans Flashen machen. Zuerst brauchen wir das .hex File von der GRBL Seite (das sollte einfach zu finden sein). Als nächstes nimmt man den Flasher seiner Wahl, oder den Link von der GRBL Seite für ein mini Tool namens XLoader – http://xloader.russemotto.com/.
Damit flasht man das .hex File zügig und unkompliziert auf den Atmel Chip.
Wie funktioniert nun die Kommunikation?!

Die Kommunikation der Computersoftware zum Übersenden der Steuerbefehle läuft nun über die Serielle Schnittstelle des Arduino. D.h. alle Kommandos werden via USB auf die Serielle Schnittstelle des Atmel Chip übertragen.
Über diese Schnittstelle kann man den Atmel auch konfigurieren um die Schrittmotor Schrittweite zu ändern. Dafür kann man eine x beliebige Terminal Emulation nehmen, oder falls man sich die Arduino GUI heruntergeladen hat diese Verwenden. Der Punkt für die serielle Kommunikation lautet Werkzeuge -> Serieller Monitor.

Nach dem die Verbindung aufgebaut wurde (Seriell mit 9600 Baud) begrüßt uns der Controller mit einem freundlichen Grbl 0.8c [‚$‘ for help].
Hierüber können wir nun alles konfigurieren. Hierzu müsst ihr aber das Wiki von GRBL lesen, denn alle Einstellungen hier noch einmal aufzulisten wäre etwas viel . Ich habe erst einmal alle Parameter so gelassen, wie sie waren und versucht ob der Motor, den ich angeschlossen habe läuft. Als Software, die G-Code versteht und mit GRBL Arbeitet habe ich „GRBL Controller“ heruntergeladen. Das sah ganz praktikabel aus und genau das ist es auch. Für jemanden der zum ersten Mal mit so etwas in Kontakt kommt ist Mach3, zumindest für mich einfach zu überfrachtet.
GRBL Controller ist relativ simpel. Man kann auf den entsprechenden COM Port des Controllers Verbinden und dann ein G-Code File importieren und dann auf „Begin“ drücken.

Wie gesagt, nach dem ich alles soweit verkabelt hatte lief der erste Nema 12 Motor nach nicht einmal 15 Minuten 1a. Vorbei die Zeit des Debuggings, nun konnte ich mich daran machen, die Materialien zu kaufen, die ich brauchte um alles zusammen zu bauen.
Bisher läuft die erste Achse (Frästisch) ganz gut, so dass ich in den nächsten Tagen diesen Beitrag hier mit Fotos über die Verkabelung als auch den nächsten mit dem Basis Aufbau füttern kann, yay.

Nachtrag: Hier geht es zu der weiteren Entwicklung in Sachen CNC

 

Es ist mal wieder so weit, ich wage mich an das Thema kleine selbst gebaute CNC Fräse. Das Internet ist voll mit Informationen und über die letzten 2 Jahre in denen ich mich mit dem Thema beschäftigt habe wurde ein Entwurf nach dem anderen erweitert und wieder verworfen.
Ich hatte damals die Idee eine kleine, kostengünstige CNC zu bauen. Nichts verrücktes, so günstig wie möglich. Dann kam ich vom hundertsten ins tausendste. Aus den normalen M6 Gewindestangen wurden schnell Trapezgewindestangen, aus Schubladenführungen high end Linearführungen und aus meinem Dremel als Bohrkopf eine profi Lösung für mehrere 100 Euro. Liest man sich weiter durch diverse Internet Foren kommt man auf allerlei Schnickschnack. Da fragen User nach eine DIY CNC und werden erstmal mit der Ungenauigkeit der eigenen Idee gefolgt von verschiedensten Fachbegriffen und „MUST HAVE“s (wie z.B. Gravurtiefenregler) geplättet. Von der Ansteuerung und den Schrittmotoren ganz zu schweigen.

Kurzum, mir ging das alles ziemlich auf die Nerven. Ich mag es ein Projekt so kostengünstig wie nötig und dafür so gut wie möglich zu bauen. Ich habe aber keine Lust für eine CNC Fräse 1000€ auszugeben (selbst das reicht ja nicht) um damit 10 kleine Fräsprojekte die mit einer kleinen Toleranz auskommen. Das ganze gelese über Fräsen hat mein Hirn einfach überfrachtet, so dass mir die Lust darauf verging. Alleine die Vorstellung einen CNC Community Shit Storm wegen meiner schlechte Kenntnisse über mich ergehen zu lassen, weil ich an einer Stelle nicht weiter komme erregte in mir das Grauen.
Letztens habe ich dann aber doch wieder das Thema CNC Fräse aufgegriffen und habe mich ins Internet gestürzt.

Meine Vorstellungen waren diesmal klar definiert. Kein Schnickschnack, keine Trapezgewindespindel, keine Linearführungen, keine speziellen Motoren etc… Also wirklich eine CNC Fräse als DIY Projekt, ohne Technologie Kram von dem ich keine Ahnung habe. getreu dem Motto „Learning by doing“. Erst wenn ich in meinen Ergebnissen sehe, dass ich keine Platinen Fräsen kann, oder dass 1-2mm Toleranz für alles zu viel ist, was ich mit der Fräse vor habe, dann will ich die nächsten Schritte vornehmen und mich mit dem ganzen Zeug befassen, von dem ich gelesen habe.
Vorerst bleibt es bei normalen Gewindestangen, Nema 17 Motoren usw. Das genaue Setup wird hier peu a peu veröffentlicht werden.

Also hoffen wir auf gutes Gelingen und harren der Dinge, die da kommen