Elektrifizierung

Weiter gehts mit dem CNC-Schaltschrank. Im vorherigen Artikel habe ich einige Punkte in mein Lastenheft geschrieben. Hinzu kommen noch ein paar Überlegungen.

Energieversorgung

Um den Strombedarf zu jedem Zeitpunkt zu erfüllen und direkt für spätere Bedarfe gerüstet zu sein, werde ich mit drei Phasen den CNC-Schaltschrank mit Strom beliefern. Folgende Aufteilung:

• 1. Phase: Steckdosen nach Außen (zB für Computer, Wasserpumpe, etc.)
• 2. Phase: ausschließlich für den Frequenzumrichter
• 3. Phase: interne Stromversorgung, d.h. 48V, 24V und 12V Netzteile für das BOB und die Endstufen der Motoren. 12V werden per XLR-Stecker nach außen geführt und an der Maschine verteilt, z.B. für die neue Pumpe zur Wasserkühlung der Spindel und Beleuchtung.

Folgende Überlegung steckt dahinter: eine 16A-Sicherung stellt bei 220V eine Leistung von 3520W bereit. Würde ich die Anlage nur mit EINER 16A Sicherung betreiben, könnte es eng werden. Mit den Maximalwerten gerechnet kämen 2200W (Spindel) + 2*480W (Netzteil) + 60W (Netzteil) + 60W (Netzteil) + 600 (Computer) = 3880 W zusammen. Und dabei sind der Monitor und die Pumpe für die Wasserkühlung nicht eingerechnet. Dies würde eine 16A Sicherung zweifelsohne belasten. Mir ist durchaus bewusst, dass dies so gut wie nie passieren wird. Wenn man bedenkt, dass in der Werkstatt parallel auch noch andere Elektrowerkzeuge betrieben werden, sieht die Sache schon anders aus. Und aus diesem Grund sind drei extra abgesicherte PE sinnvoll.

Sicherung

Es mag mit Kanonen auf Spatzen geschossen sein. Der Schrank soll seine eigenen LS-Schutzschalter bekommen. Die Idee hinter diesem Plan ist, dass im Falle einer Überstromsituation nur die Maschine und nicht meine gesamte Werkstatt still gelegt wird und ich ggf. Dunkeln stehe.

Anordnung der Komponenten

Ein erklärtes Ziel ist es, den Frequenzumrichter (FU) in den Schaltschrank zu integrieren. Dies kann zu EMV-Problemen führen. Um diese weitgehend einzuschränken, werden auch im Gehäuse für die ausgehenden Leitungen geschrirmte Kabel verwendet. Darüber hinaus wird der FU von den anderen Komponenten entfernt angeordnet.

Wahl der verwendeten Komponenten

Bevor ich aufliste, welche Komponenten ich in meinem Schaltschrank verwende, möchte ich kurz auf folgendes hinweisen.

• Schaltschrank RITTAL 1060500
• 1x Pokeys57CNC Controller Board
• 1x Meanwell MDR-60-24 Netzteil für Pokyes57CNC und Sensoren
• 1x Meanwell MDR-60-12 Netzteil für 12V Output (zB Beleuchtung, Pumpe, PC-Lüfter)
• 2x Meanwell NDR-480-48 Netzteil, je eines für zwei Endstufen der Motoren
• 4x Leadshine DM556 Endstufen
• 1x Schaffner FN2030-20-06 Netzfilter
• 1x Powtran PI9130 Frequenzumrichter (nur noch Nachfolger verfügbar)
• je 1x PTFIX 12×2,5 BU, PTFIX 12×2,5 GYE, PTFIX 12×2,5 GY, PTFIX NS35, erhältlich bei diversen Elektronikversendern)
• 1x ABB S203-C16 Sicherungsautomat
• 2x Mennekes 11011 Anbausteckdosen
• Neutrik XLR universal Einbaubuchse female, 3polig und
• XLR universal Einbaubuchse female, 4polig

Verkabelung

Für die Verdrahtung aller 200V Leitungen habe ich einen Querschnitt von 2,5mm² genommen. Alle Gleichstromleitungen sind mit 1mm² versehen. Die durchgängige Verwendung von Aderendhülsen ist obligatorisch, ebenso die für ihren Zweck gültige Farbgebung der Leitungen. Es gilt, einige Meter an Kabel zu verlegen. Da hilft ein Plan.

Kühlung des Schaltschranks

Der Frequenzumrichter und die Motorendstufen sind nicht umsonst mir Kühlkörpern ausgestattet. Um einen Hitzestau im Schrank zu vermeiden, habe ich zwei 120mm PC-Lüfter an zwei gegenüberliegenden Seiten des Schranks verbaut. Dabei ist die Anordnung der Lüfter so gewählt, dass ein Lüfter Luft in das Gehäuse bläst während der zweite Lüfter diese aus dem Gehäuse abführt.

Steuerleitungen

Nachdem alle verwendeten Komponenten mit der notwendigen Spannung versehen sind, gilt es nun, die Steuerleitungen zu legen. Auch hier hilft ein Plan.

Im ersten Schritt der Verkabelung der Steuerleitungen lasse ich bewusst den Anschluss der induktiven Endschalter außen vor. Es ist nett, sie zu haben und sie bringen im Gesamtkontext der Maschine auch einige Vorteile, allerdings sind sie für Fräsarbeiten nicht wirklich notwendig, da ich hier nicht mit Maschinenkoordinaten, sondern nur mit lokalen Koordinaten gefräst habe, bei denen ich die jeweiligen Nullpunkte der Maschine manuell gesetzt habe. Die Verkabelung kommt zu einem späteren Zeitpunkt.

Warum ein neuer CNC-Schaltschrank?

Bei dem letzten Aufbau des Schaltschranks für die CNC-Maschine griff ich auf das Stahlgehäuse von Sorotec zurück. Dies ist ein sehr solides Gehäuse und reicht für die Steuerungskomponenten einer drei- oder vierachsigen Maschine aus. Allerdings reicht der Platz nur für die Steuerungselektronik, die Endstufen und die Netzteile, was bei Verwendung einer handelsüblichen Fräse als Spindel ausreichend ist, die neben einer eigenen Stromversorgung manuell ein- bzw. ausgeschaltet wird. In meinem Fall erfolgt die Steuerung der Spindel über die CNC-Software und so brauche auch noch Platz für den Frequenzumwandler (FU) der Spindel, den ich bisher notgedrungen außerhalb des Gehäuses montieren musste. Das hat funktioniert, war aber nicht schön, denn der FU war auch unterhalb der Fräse einer nicht unerwähnenswerten Menge an Staub und Spänen ausgesetzt. Dieser Umstand soll sich bei dem neuen Schaltschrank ändern. Auch sollen die Kabel, insbesondere die Steuerkabel zwischen den geschirmten Schrittmotorendstufen ordentlicher und störungsärmer verlegt werden.

Lastenheft

Bei der folgenden Planung stehen demnach ein paar Dinge im Lastenheft. Unter anderem wären das

• Integration
  • der Frequenzumwandler wird in den Schaltschrank integriert.
  • Eine bestmögliche räumliche Trennung von Strom- und signalführenden Leitungen soll gewährleistet sein
• Spannung
  • den Motoren soll zu jedem Zeitpunkt genug Strom zur Verfügung stehen
• Wärme
  • durch den Betrieb der Anlage entsteht Wärme. Diese muss zuverlässig abgeleitet werden
• Sicherheit
  • es muss eine Möglichkeit geschaffen werden, den Schrank ad hoc Spannungsfrei zu schalten
• Technik
  • endlich sollen induktive Näherungssensoren zum Einsatz kommen
  • die Maschine soll eine sinnvolle Beleuchtung bekommen

Also muss ein neuer Schaltschrank her, in dem alles reinpasst. Die Wahl fiel auf einen RITTAL 1060500 mit den Maßen 600x600x210mm. Auch, wenn bei einem direkten Vergleich beider Schaltschränke der Rittal ganz offensichtlich deutlich größer erscheint, wird im Verlauf des Aufbaus klar, dass durch die Hinzunahme des Frequenzumrichters dieser Vorteil auf die Probe gestellt wird. Aber dazu mehr in Folgeartikeln.

Du arbeitest mit einer hohen Spannung, die potenziell tödlich sein kann. Bitte lass die Installation einen Fachmann machen, falls du nicht über die nötigen Qualifikationen verfügst!

Ich übernehme keine Gewähr und schließe eine Haftung für Schäden und Verletzungen jeder Art aus!
[/av_notification]

[av_one_full first min_height=“ vertical_alignment=“ space=“ custom_margin=“ margin=’0px‘ padding=’0px‘ border=“ border_color=“ radius=’0px‘ background_color=“ src=“ background_position=’top left‘ background_repeat=’no-repeat‘ animation=“]

[av_textblock size=“ font_color=“ color=“]

Die Einzelteile des CNC-Steuergerätes

CNC-Steuerung

[av_dropcap2 color=“default“ custom_bg=“#444444″]I[/av_dropcap2]n diesem Artikel geht es um den Aufbau des CNC-Steuergerätes und die zu meisternden Hürden. Die Einzelteile des Steuergerätes sind im Artikel „Aufbau der CNC-Steuerung“ beschrieben.

Bevor ich mit der Beschreibung beginne, möchte ich Roy Kloss von Sorotec und Nicolas Benezan von Benezan Electronics für Ihren schnellen und freundlichen Support danken!

Packt man das recht massive Stahlgehäuse (1,5mm Stahlblech kann sich sehen lassen) und das Elektro-Set von Sorotec aus, findet man unter anderem ein paar Tüten mit Schrauben. Unglücklicherweise fehlt ein Hinweis, an welche Stelle diese Schrauben genutzt werden sollen. Der Bau des Steuergehäuses begann mit einem heiteren Puzzlespiel nach Ausschlussverfahren, bis ich die meisten dieser Schrauben ihrer Zweckbestimmung zuordnen konnte. Ebenso fehlt jeglicher Hinweis, wie die Teile des Elektro-Sets zu montieren und/oder zu verkabeln sind. Allerdings ergeben sich auch hier die meisten Positionen durch die bereits vorhandenen Bohrungen und gestanzten Öffnungen.

Beim 48V-Netzteil geht es weiter. Auch, wenn man nicht viel falsch machen kann, weil der Aufdruck an den Kontakten selbsterklärend ist, fehlt dennoch eine Dokumentation, wie das Netzteil anzuschließen ist. Das Ganze ist also nichts für absolute Anfänger. Mit ein wenig Logik und Google sind ggf. Wissenslücken aber recht schnell zu schließen.

Für die Montage des 48V-Netzteils sind Bohrungen im Stahlblechboden vorhanden, ebenso für die Leadshine-Endstufe der 4. Achse. Zusätzliche Bohrungen sind für das 24V-Netzteil sowie der Hutschiene für die Montage des Triple-Beasts erforderlich.

Theoretisch kann man das Triple-Beast auch direkt am Kühlkörper anschrauben, jedoch finde ich die Montage an einer Hutschiene aus Wartungsgründen deutlich angenehmer. Eine kurze Hutschiene habe ich bei Conrad erworben.

Als Kabel habe ich durchgängig Schaltlitze mit 1mm² Querschnitt verwendet. Auch diese habe ich bei Conrad gefunden. Aderendhülsen und Steckhülsen bekommt man dort natürlich auch 🙂

Die Montage

Eingang der Stromzufuhr, Schaltung des Entstörfilters/Sicherungen

Der Anschluss vom Entstörfilter über die Sicherungen zu den Netzteilen ist recht selbsterklärend. Anders beim Wippschalter. Hier musste das Messgerät her, um die zu verdrahtenden Anschlusspins zu ermitteln.

Vom Schalter aus geht jeweils ein Stromzufuhr zum 48V und 24V Netzteil. Das 48V-Netzteil wird mit der Spannungsversorgung (Klemme V) des Triple-Beast verbunden. Wichtig ist hier, die Polarität nicht zu verwechseln.

Sinn des 24V-Netzteils

Wozu braucht man ein zusätzliches 24V Netzteil, wenn man bereits ein 48v Netzteil installiert hat? Ganz einfach: Das Triple-Beast wird mit 48V betrieben. Allerdings braucht es eine weitere Spannungsquelle für eine weitere externe Spannungsversorgung (X1-Klemme) von 5V und 12V. So ist es beispielsweise problemlos möglich, den im Elektroset enthaltenen 12V-Gehäuselüfter zu betreiben.

Zum anderen kann man mit dem Triple Beast zwei Relais schalten lassen (Klemme X4). Diese Relais können entweder mit einer niedrigen Spannung wie beispielsweise 24V oder mit 220V geschaltet werden. Im ersten Fall wird das Relais genutzt, um beispielsweise dem Frequenzumwandler das Signal für den Start der Spindel zu geben. Versorgt man die Relaisspannung mit 220V ist es möglich, ein Gerät anzuschalten, das an der externen Gehäusesteckdose gesteckt ist.

In meinem Fall habe ich den 24V Input gewählt, um später den Start der Spindel zu steuern. Die Montage und den Anschluss der Spindel wird in einem weiteren Artikel beschrieben.

Anschluss der Nanotec-Motoren

Für alle, die wie ich noch keine Berührung mit dem Anschluss von Schrittmotoren hatten, ist so ein Anschlussplan der Motoren nicht unmittelbar direkt ersichtlich. Das Triple-Beast hat je Motor vier Anschlussklemmen, jeweils zwei für eine Spule. An den Motoren sind aber acht Kabel befestigt. Und nun?

Im Grunde ist es nicht schwer. Es müssen je zwei Kabel des Motors verdrillt werden und die vier Kabelpaare an die Anschlussklemmen des Triple-Beast angeschlossen werden. Dem Anschlussplan kann man entnehmen, welche Kabel verdrillt werden und wie sie an das Triple-Beast angeschlossen werden müssen. Für Nanotec-Schrittmotoren vom Typ ESM.6088.42N ist der Anschlussplan wie in der folgenden Tabelle dargestellt. Er gilt für alle drei Motoren an den jeweiligen Anschlussklemmen des Triple-Beast.
[/av_textblock]

[av_table purpose=’tabular‘ pricing_table_design=’avia_pricing_default‘ pricing_hidden_cells=“ caption=’Anschlussplan Nanotec Schrittmotoren an das Triple-Beast‘ responsive_styling=’avia_responsive_table‘]
[av_row row_style=’avia-heading-row‘][av_cell col_style=“]Motor-Anschlusskabel[/av_cell][av_cell col_style=“]Klemme am Triple-Beast[/av_cell][/av_row]
[av_row row_style=“][av_cell col_style=“]Blau-Weiß und Rot-Weiß[/av_cell][av_cell col_style=“]Klemme 1[/av_cell][/av_row]
[av_row row_style=“][av_cell col_style=“]Blau und Rot[/av_cell][av_cell col_style=“]Klemme 2[/av_cell][/av_row]
[av_row row_style=“][av_cell col_style=“]Grün-Weiß und Schwarz-Weiß[/av_cell][av_cell col_style=“]Klemme 3[/av_cell][/av_row]
[av_row row_style=“][av_cell col_style=“]Grün und Schwarz[/av_cell][av_cell col_style=“]Klemme 4[/av_cell][/av_row]
[/av_table]

[av_textblock size=“ font_color=“ color=“]

Einbindung der 4. Achse

Das Triple-Beast besitzt Endstufen für drei Motoren, bietet allerdings auch die Option, eine weitere Endstufe mit angeschlossenem Motor zu kontrollieren. In meinem Fall kommt eine Leadshine DM556 zum Einsatz. Verbunden wird das Triple-Beast mit der Leadshine per Patchkabel. Dazu ist ein Adapterstück notwendig. Trotz sorgfältiger Lektüre der Leadshine-Dokumetation als auch der Triple-Beast-Anleitung ist dem geneigten Leser nicht unmittelbar klar, in welcher Richtung dieses Adapterstück auf die Leadshine-Endstufe gesteckt werden muss. Die folgende Abbildung zeigt dies.

Einstellung am Triple-Beast

Die Installationsanleitung des Triple-Beast ist ausführlich genug, sodass man bei genauer Lektüre alle Fragen beantwortet bekommt. Ich beschränke mich in an dieser Stelle darauf, nur die Bilder meiner Einstellung zu zeigen.
[/av_textblock]

[av_gallery ids=’3736,3735′ style=’thumbnails‘ preview_size=’portfolio‘ crop_big_preview_thumbnail=’avia-gallery-big-crop-thumb‘ thumb_size=’portfolio‘ columns=’2′ imagelink=’lightbox‘ lazyload=’avia_lazyload‘]

[av_textblock size=“ font_color=“ color=“]

Konfiguration Mach3

Nachdem die Elektronik verkabelt war, ging es an die Konfiguration von Mach3. Die Besonderheit meiner CNC-Maschine ist, dass ich zwei Motoren an der X-Achse installiert habe und somit vier Motoren steuern muss, von denen zwei synchron laufen müssen. Mit Mach3 kein Problem.

Ich habe die vierte Achse der externen Leadshine-Endstufe zugeordnet. Somit sieht meine Mach3-Konfiguration wie folgt aus.
[/av_textblock]

[av_masonry_gallery ids=’3740,3743,3742,3744,3741,3745,3746′ items=’7′ columns=’flexible‘ paginate=’none‘ size=’flex‘ gap=’large‘ overlay_fx=’active‘ container_links=’active‘ id=“ caption_elements=’title excerpt‘ caption_styling=“ caption_display=’always‘]

[/av_one_full][av_comments_list]

Um die Motoren der CNC-Maschine ansteuern zu können, braucht es Endstufen, um die Steuersignale des Computers zu verstärken und an die Motoren zu senden. Die Möglichkeiten zur Kombination von Hardware für eine CNC-Steuerung sind zahlreich. Leider entscheidet in diesem Segment der Preis über die Qualität und die Anzahl der möglichen Probleme. Ein wesentliches Ziel bei der Auswahl meiner Hardware zur CNC-Steuerung war die Zuverlässigkeit und Einfachheit bei der Montage. Zusätzlich war eine Zielelement eine ausreichende Dokumentation sowie ein hoher Deckungsgrad mit positiven Erfahrungsberichten der Komponenten.

Ich für meinen Teil habe in der Firma Sorotec eine Bezugsquelle mit sehr gutem Support gefunden und mich für folgende Elemente für den Bau des Steuergerätes entschieden.

Das Stahlblechgehäuse SRT ist mit seinen Innenmaßen 395 x 395 x 140mm auch für größere Projekte. Ein Netzteil und mehrere Endstufen finden hier bequem Platz.

Passend zu dem Gehäuse SRT bietet Sorotec auch ein Elektrosatz zur Elektrifizierung an. Das Preis/Leistungsverhältnis stimmt und bevor ich die einzelnen Komponenten beim Elektronikhandel von Nebenan heraussuche und kaufe, halte ich dieses Set für zielführender. Im Lieferumfang erhält man allerdings nur die Einzelteile. Eine Anleitung zum Einbau der Elemente fehlt. Zu dem Elektrosatz muss man noch Kabel, Aderendhülsen und bei Bedarf weitere Blechschrauben hinzukaufen.

Das 48V-Netzteil passt für den Betrieb für vier Endstufen und Motoren.

Das Triple Beast Breakout Board von Benezan gilt als eine sehr zuverlässige und leicht zu konfigurierende Endstufe für drei Motoren mit der Option, eine weitere Endstufe anschließen zu können, um einen vierten Motor anzusteuern.

Da ich für meine CNC-Maschine die X-Achse mit zwei Motoren ansteuern will und somit vier Endstufen benötigt werden (2x X-Achse, 1x Y-Achse, 1x Z-Achse), kommt die digitale Endstufe Leadshine DM556 zum Einsatz, die vom Triple Beast angesteuert wird.

Als Schrittmotoren kommen 4,2A Bipolare Motoren von Nanotec zum Einsatz, wobei zwei Motoren auf der X-Achse parallel geschaltet werden, um das Portal zu bewegen.