Starthilfe bei meiner eigenbau billig-Fräse (Problem mit Schrittmotoren)

  • Hi Leute,

    Ich bin neu hier im Forum und neu im Thema CNC.

    Ich bin seit einigen Monaten dabei eine sehr günstige 3 Achs CNC Fräse zusammenzuschustern.

    Zur Fräse:

    - Alu- und Stahlprofiele aus dem Baumarkt als Führungen, mit 22mm Kugellagern
    - Arbeitsbereich ca. 80cm x 55cm x 2cm
    - 4x NEMA 17 Schrittmotoren
    - M8 Gewindestangen als Antrieb
    - Proxxon FBS 12/EF
    - aktiv gekühlte 2A Schrittmotortreiberplatinen
    - Arduino mit GRBL
    - universal G-Code sender


    Nun habe ich aber das Problem, das meine Fräse nicht das macht, was sie soll. Meistens fängt alles gut an, und irgendwann weicht die Fräse vom vorgesehenen weg ab und Fräst irgendwas. Ohne Vorwarnung und ohne erkennbaren Grund. Da sie zu diesem Zeitpunkt meistens schon recht tief im Holz ist, verbiegt sich alles und ich muss das ganze sofort abschalten.


    Meine Theorie ist jetzt, dass meine Z Achsen Schrittmotoren ein Problem haben. Denn wenn sie langsamer werden, sieht es an einem Punkt kurz so aus als würden sie sich verhaken und danach wieder weiter drehen. Das Problem tritt auch auf, wenn die Motoren ausgebaut sind. Die Treiberplatinen sind nicht zu heiß, daran kann es also nicht liegen. Ich glaube, dass auf der Z Achse eine Verschiebung stattfindet, die aber nicht auffällt, da sich der Fräser weiterhin in der zuvor gefrästen Bahn bewegt (Die Fräse ist nicht sehr stabil). Irgendwann wird die Abweichung zu groß und der Fräser fräst dann neben dem vorgesehenen weg. Hat diese Theorie irgendjemand verstanden und ist sie realistisch?


    Ich wäre sehr dankbar, wenn mir jemand helfen könnte, da mir irgendwie die Ideen ausgehen.

  • Das ist ein Vidoeo von dem Stepper, der andere x Achsen Schrittmotor verhält sich ähnlich. Ich kann leider mur sehr kurze Videos hochladen, da meine Internetverbindung extrem langsam ist. Hilft das weiter? Soll ich noch was anderes zeigen?

  • Das YT video ist aus 4 Videos zusammengesetzt, in jedem davon ruckelt der Motor kurz. Ich glaube das dabei Schritte übersprungen werden was dann zu einer Verschiebung führt, deren Folgen im ersten Bild das ich gepostet habe zu sehen ist. Kann das sein?


    Ich kann bei meinen Treibern nur den Strom einstellen. Und die Mikrosteps (hab ich nicht aktiviert).


    Ein Wackelkontakt kann ich nicht ausschließen, da ich alles recht provisorisch zusammen gelötet habe. Aber der Fehler tritt nur auf, wenn der Motor sich langsam dreht. Es gibt nur eine elektrische Verbindung zwischen Motor und Treiberplatine, Vibrationen sollten nicht über tragen werden.

  • Was heisst "Mikrosteps sind nicht aktiviert"? Im Grunde hast Du die Jumper dann wohl nicht gesteckt und das bedeutet Vollschritt. Den Strom musst Du schon vernünftig einstellen und an den dafür vorgesehenen Messpunkten die Referenzspannung ordentlich messen. Ohne Mikrosteps läuft das Teil nämlich nicht. Was für eine Spannungsversorgung hast Du angeschlossen? Wenn wenigsten alles ordentlich eingestellt ist, sollte das auch laufen. Ich habe letztes Jahr eine "Übungsmaschine" mit der Hardware aufgebaut und das hat schon funktioniert. Du darfst nur von der Steuerung keine Wunder erwarten. Video

  • Hallo irgendjemand,

    ohne Deine Mechanik weiter zu sehen und zu kennen wage ich mal die Idee von Schrittverlusten einzuwerfen. Du schreibst Stahl- und Aluprofile und 22mm KL als Führungen - da hätte ich schon Zweifel dass das reibungsarm und krümelunempfindlich läuft. Dann gibst Du Maße an die ich mich mit Nema17 und 2A Endstufen mich nicht trauen würde (800x550x20mm) Stimmt das oder vertippt? 80cm=800mm=0,8m.


    ICh fürchte Du musst auf die Suche gehen ob deine Mechanik so gut läuft dass du eine so große Fräse mit Nema17 und 2A betreiben kannst. Das müsste richtig , richtig leichtgängig laufen. Ein Krümel und Deine Motoren verschlucken sich. Die sind für einen 3D-Drucker....


    Dann noch das Thema Arduino - USB und Störungsfreiheit: Die USB Verbindung ist eine unsichere Verbindung. Das funktioniert eig. nur zuverlässig mit einem guten, hochwertigen (ca.10.-€) doppelt geschirmten Kabel. Auch und gerade die Endschalter Eingänge sollten gegen Prellen mit einem 100nF nach GND und 1-5kOhm nach +5V gefiltert sein. Motorleitungen abgeschirmt, Endschalterleitungen von diesen getrennt und ebenfalls abgeschirmt. Trifft eins davon nicht zu, hast Du schon Probleme mit USB.

  • Hinzu kommt, dass wenn Deine Mechanik so instabil ist wie du schreibst, es gut sein kann dass der Fräser durch die Fräskräfte die Z-Achse entgegen den zu geringen Motor-Haltekräften (welche Motoren? Welche Endstufen-Versorgungsspannung? Welcher EINGESTELLTE Strom an den Endstufen?) runter zieht. Die Fräskräfte gehen nach unten, Richtung Material. Dann kann es noch Verbiegen, Verklemmen und die Summierung all dieser Fehler sein. Mach mal eine Luftfahrt und beobachte was sich an Z tut, auch ohne Last. Hast Du eine Messuhr, die Du statt der Spindel einspannen könntest? So als Idee....

    VG Hanno aus HH


    Am besten Du zeigst uns noch mal mehr Fotos oder verlink mal eine YT Video, Links gehen ja. Einfach zur besseren Einschätzung....

  • Danke für die Antworten.

    Was heisst "Mikrosteps sind nicht aktiviert"? Im Grunde hast Du die Jumper dann wohl nicht gesteckt und das bedeutet Vollschritt. Ohne Mikrosteps läuft das Teil nämlich nicht. Was für eine Spannungsversorgung hast Du angeschlossen?

    Ja, ich betreibe die Motoren mit Vollschritten. Ich dachte dann wären sie kräftiger und eine so hohe präzision brauche ich nicht. Ich verstehe nicht, was mit "ohne Mikrosteps läuft das Teil nicht" gemeint ist.
    Ich habe gerade erst erfahren, dass es diesen Messpunkt gibt. Danke für die Idee. Ich werde heute Abend dann mal den Strom genauer einstellen.


    Ich verwende ein 500W PC Netzteil als Stromversorgung, und habe die Treiberplatinen an 12V angeschlossen.

    Ich glaube auch dass Schrittverluste das Problem verursachen. Das kann natürlich an der PC - Arduino Verbindung liegen. Ich habe weder ein doppelt Abgeschirmtes USB Kabel noch abgeschirmte Motorleitungen. Endschalter verwende ich noch nicht. Anderseits sind alle Kabel parallel oder ineinander verdreht und die Ströme erreichen maximal 8,3 A beim Fräsmotor.

    Die Fräse ist wirklich so groß. Ich dachte eben dass ich diese Motoren trotzdem verwenden könnte, da ich Gewindestangen verwende und nie besonders schnell arbeiten wollte. Ich weis nicht ob man meine Fräse als Leichtgängig bezeichnen kann, ich habe ja keinen Vergleich.


    Die Mechanik ist von der Fräse, die in diesem Video zu sehen ist, inspiriert:

    .


    Ich glaube eben, dass die Schrittverluste eine andere Ursache haben. Ich glaube, dass das Ruckeln der Motoren beim be- und entschleunigen zu Schrittverlusten führt, und das tritt auch auf, wenn die Motoren gar nicht eingebaut sind. Wenn die USB Verbindung schuld ist, müssten die Motoren ja ständig ruckeln, oder?


    Hinzu kommt, dass wenn Deine Mechanik so instabil ist wie du schreibst, es gut sein kann dass der Fräser durch die Fräskräfte die Z-Achse entgegen den zu geringen Motor-Haltekräften (welche Motoren? Welche Endstufen-Versorgungsspannung? Welcher EINGESTELLTE Strom an den Endstufen?) runter zieht. Die Fräskräfte gehen nach unten, Richtung Material. Dann kann es noch Verbiegen, Verklemmen und die Summierung all dieser Fehler sein. Mach mal eine Luftfahrt und beobachte was sich an Z tut, auch ohne Last. Hast Du eine Messuhr, die Du statt der Spindel einspannen könntest? So als Idee....

    VG Hanno aus HH


    Am besten Du zeigst uns noch mal mehr Fotos oder verlink mal eine YT Video, Links gehen ja. Einfach zur besseren Einschätzung....

    Sollten die Haltekräfte der Motoren nicht relativ egal sein, wenn ich Gewindestangen verwende?
    Ich habe keine Messuhr.

  • Hallo Irgendjemand,

    danke für die Infos und das Video. Ja, Homo Faciens baut schon tolle Sachen, die ich persönlich aber durchgehend als "Spielzeug" und Proof-of-Concept betrachten würde. Für den echten Einsatz sind die Sachen meistens dann doch ungeeignet, weil an vielen Stellen zu heftig improvisiert wird. Er zeigt dann Ergebnisse, aber nicht die fünf gescheiterten Versuche, was zu fräsen. Ich glaube dass so eine Mechanik (in der Größe) nicht tauglich ist um was zu fräsen außer Schaum. Als Plotter wird das gehen, evtl. auch mit einem Laser. beim Fräsen treten jedoch Kräfte auf, denen weder die Führungen noch die Antriebe gewachsen sind. Kleinste Krümel auf den Führungen und du hast Ruckeln und die Kräfte übersteigen die Haltekräfte der kleinen Motoren. Gewindestangen gehen natürlich auch nur bis zu geringen Geschwindigkeiten, dann schwingen sie auf und verklemmen sich und du hast ebenfalls Schrittverluste. Aber egal. Dein Projekt soll ja erst mal wenigstens so laufen wie das im Video.


    12 Volt sind richtig wenig Input für Schrittmotoren. Was können Deine Endstufen an Eingangsspannung vertragen? Da solltest Du nur knapp drunter liegen. A4988 machen 35V, DRV8825 schon 45V max. Es reicht ein Netzteil für 3 achsen, was 5-6A liefern kann, zum Probieren auch mal ein einfaches, nicht stabilisiertes mit Trafo, Gleichrichter, Kondensator. Zwei PC-Netzteile in Reihe gingen auch, immerhin schon 24V. Das kann schon Welten im Drehmoment bedeuten und in der Geschwindigkeit (wobei die Gewindestangen dann das Limit setzen...)


    Für das Ruckeln beim Beschleunigen und Bremsen sehe ich folgende Ursachen:


    1. Das Gestell/Portal ist zu schwer. Die Motoren mit Nema17 schaffen das nicht, die Masse angemessen zu beschleunigen sondern werden selbst gebremst. Gilt zumindest für das Anfahren. Da könnte man ein flachere Rampe eingeben, um sanfter zu starten. Schrittverluste beim Bremsen wollen mir damit aber nicht einleuchten (bei Gewindeantrieb, bei Riemen schon...).


    2. Durch das Anfahren der Motoren werden die Leitungen zu wunderbar langen Sendeantennen und strahlen in Dein USB-Kabel rein und verursachen die beobachteten Störungen. Das könnte allerdings immer auftreten, vielleicht beim Anfahren gehäuft und stärker (mehr Strom, mehr Strahlung).

    Verdrillen der Kabel hilft dagegen nicht, das hilft nur (ein wenig) bei Empfängerleitungen. Als Sender strahlen die genau so gut ab wie ohne Verdrillung. Einzig eine Schirmung nimmt das EMV-Gewitter da raus.


    VG Hanno

  • So, noch drei Gedanken zu Deinen Fragen:


    "Ich glaube eben, dass die Schrittverluste eine andere Ursache haben. Ich glaube, dass das Ruckeln der Motoren beim be- und entschleunigen zu Schrittverlusten führt, und das tritt auch auf, wenn die Motoren gar nicht eingebaut sind. Wenn die USB Verbindung schuld ist, müssten die Motoren ja ständig ruckeln, oder? "


    Ruckeln beim Be- und Entschleunigen auch ohne Last spricht für dynamische Störungen sprich Einstrahlung

    -> Schirmung Motorleitungen UND USB


    "Sollten die Haltekräfte der Motoren nicht relativ egal sein, wenn ich Gewindestangen verwende"


    Nein, denn die Motoren arbeiten gegen die nicht unerhebliche Reibung bei Last auf den Gewindeflanken. Je mehr Masse bewegt werden muss um so mehr Reibung. Dann vielleicht noch die tolle Umkehrspiel-Vermeidungsmutter und ein bisschen Verklemmen und Schluss ist mit Drehmoment -> Schrittverluste. Beim Bremsen hast du allerdings recht, da wirkt der Gewindeantrieb selbsthemmend.



    "Ich habe keine Messuhr."

    Dann kontrollier die Höhe mit einem Distanzstück, das Du an mehreren Stellen mal gegen Z bzw einen eingespannten Stift hältst. Da sollte sich bei Luftfahrten nichts verändern. Ich tippe auf Fräskräfte....


    VG Hanno

  • Hallo,

    zu der Mechanik sag ich jetzt mal nix, aber wie wäre es denn mit Abschirmung? Das würde wahrscheinlich schon einiges helfen.


    Gruss Dieter

    Würde ein kürzeres USB Kabel Sinn machen? Ich verwende aktuell ein fast 2m langes Kabel, ich habe aber noch ein dickeres 45cm langes hier rumliegen. Wie kann ich die Kabel am besten abschirmen? Gibt es da irgendwelche günstigen/Eigenbau Lösungen?


    Ich weis, meine Fräse ist nicht ganz das wahre. Ich würde auch gerne was besseres bauen als Homo Faciens, deswegen sehen meine Führungen und alles auch anders aus und ich habe dickere Gewindestangen. Meine finanziellen Mittel sind leider recht begrenzt, deswegen versuche ich ja mir eine möglichst günstige Fräse zusammenzuschrauben. Eigentlich wollte ich mit dieser Fräse eine zweite version meiner Fräse ausfräsen und so die Präzision, Stabilität und das Design schrittweise verbessern. Aber ich kann eben keine längeren Aufträge fräsen, weil meine Fräse irgendwann verrückt spielt.


    Ich hätte noch ein 19,5V Laptopnetzteil hier rumliegen, mit dem ich eventuell zwei der Schrittmotoren betreiben könnte. Ist es ein Problem wenn die manche Treiberplatinen mit einer höheren Spannung als andere betrieben werden?


    Ich habe A4988 Treiberplatinen, die bis zu 35V aushalten sollten. Allerdings habe ich irgendeinen Klon davon, mit einem anderen Aufbau. Ich konnte den Strom aus Zeitgründen noch nicht berechnen.


    Die Motoren beschleunigen, weil die Fräse eigentlich einen Kreis fräst. Ich habe den G Code des Teils, das im ersten Bild zu sehen ist, ausgeführt. Ich könnte natürlich die Feedrate verringern, aber die ist glaube ich schon bei 150mm pro minute.


    Ich finde auch, das sich die Gewindestangen leicht drehen lassen. Das ist ja alles mit Kugellagern und Öl ausgestattet. Auf mich wirkt das so, als müssten die Motoren mit der Belastung überhaupt kein Problem haben.


  • Ja, kürzer und dicker wäre einen Versuch wert.

    Getestet und störsicher ist so was hier:

    https://www.reichelt.de/USB-Ka…INE+11888802&SEARCH=%252A


    DIY-Abschirmung wäre mit Alufolie und ein Ende auf GND legen möglich - Motorkabel. Besser sind geschirmte 4polige Kabel 0,5 qcm


    19,5V sind schon mal mehr als 12. Noch besser eben Richtung 30V. Die Treiber schaffen das. Auf jeden Fall Strom einstellen. Nach Anleitung, nicht im laufenden Betrieb, das garantiert Treiber-Sterben.

    Und ja, verschiedene Spannungen an den Treibern geht, aber nur wenn Du die komplett getrennt versorgst. Also GND gemeinsam, aber Plus XY an 19,2 und Plus Z an 12V z.B.


    Wenn Du einfach den nackten Geometrie- G-code sendest, ist da keine Rampe drin. Der Motor fährt sofort auf volle Drehzahl, das können so kleine Nema17 oft schon ohne Last nicht. Versuch dich doch mal mit Estlcam. Das ist erst mal kostenlos und wenn es dir gefällt, die Vollversion ist unter 50.- zu haben. Testen geht aber schon mit der Demo. Dort kannst Du in den Einstellungen den Arduino als "interne Steuerung" ansprechen und auch Rampen sprich Beschleunigungen einstellen. das wäre schon mal mehr als nichts. Vielleicht kommst Du damit schon weiter.

    Feed alleine zu reduzieren kann helfen, muss aber nicht - auch von null auf 150mm/min ist für den Motor ein Sprung. Rampen sind das Stichwort. Da wird der Feed langsam bis 100% sprich die 150mm/min hochgeregelt.


    Gewindestangen: Alleine das "leicht drehen" ist keine Garantie für nichts. So ein Normgewinde ist für Verschraubung optimiert, deshalb gibt es da 60Grad- Flanken, die schon bei kleinem Drehmoment hohe Reibung erzeugen. FÜr den Linearantrieb gibt es Trapezgewindespindeln, die haben fast senkrechte Flanken und reiben von Haus aus weniger, sind dafür genauer und haben weniger Flankenspiel. Aber auf der Länge wie von dir projektiert müsste man 16, eher 20mm starke Spindeln nehmen, damit die wenig schwingen und Drehzahlen erlauben. Das ist schon einer der Kompromisse die dir das CNC-Leben erschweren. Ich würde mich bei so einer Plotter/Fräskombi mal mit Riemenantrieb beschäftigen, der hat viele Vorteile (auch Nachteile) und ist leicht zu realisieren. Stichworte c't Sperrholzfräse, c't MaxYPOsi. Bewährte Konzepte, auch preiswert zu machen und weniger faule Kompromisse. Das geht auch mit NEMA 17.


    VG HAnno

  • Danke für die Antwort.

    Ich werde das Laptop Netzteil und die Alu-Abschirmung mal probieren.


    Welche Vorteile hat Estlcam gegenüber Fusion 360 cam? Ich nutze bisher Fusion 360, weil ich nunmal damit angefangen habe und gehört habe, es sei sehr umfangreich. In Fusion 360 lassen sich auch Rampen einstellen, ich werde das mal ausprobieren. Ich kenne mich in diesem Bereich noch nicht besonders gut aus.


    Die erwähnten CNC Fräsen sehen sehr gut aus, aber auch teurer, im Vergleich zu dem, was ich hier versuche zu bauen.

  • Hallo Irgendjemand!

    F360 ist klasse wenn man es erst mal beherrscht. Keine Frage. Wenn du mit CAD CAM erst anfängst ist das overkill. Für dein Projekt sowieso.


    Estlcam ist einfach und kann alles was man für den Start ins CNC braucht. V.a. hat es die erwähnte, eingebaute Arduino Steuerung. Dort hast du viele Möglichkeiten deine Geschwindigkeiten und Rampen einzustellen. F360 kennt nur PPs - Postprozessoren und m.W. nach gibt es keinen für Arduino, nur für grbl, da müsstest du zumindest was anpassen. Wenn du so was kannst, na los. Würden sich einige freuen.


    Auch bei den c't Projekten gibt es Einsparpotential. Dafür kann man damit ernsthaft fräsen! Aber mach mal. Lernen ist viel wert.... :)


    VG Hanno

  • Guten Tag,

    ich habe jetzt mal meine halbfertige Fräse wiederbelebt.

    Ich hab in der Zwischenzeit folgendes erledigt:

    - Die Stabilität meiner Fräse an manchen Stellen deutlich verbessert

    - Den Strom meinen A4988 Treiberplatinen eingestellt:

    Bisher:

    X1 1,675 A 0,67 V (Spannung an den Messpunkten)

    X2 1,675 A 0,67 V

    Y 2,45 A 0,98 V (Ich schätze mal das sind dann 2 A, denn die Teile sollten ja over current protection haben)

    Z 2,45 A 0,98 V

    Nach dem Einstellen:

    X1 1,8 A 0,72 V

    X2 1,8A 0,72 V

    Y 1,8A 0,72 V

    Z 1,8A 0,72 V

    - Meine Verkabelung ordentlicher gestaltet

    - Bin von einem >2m USB Kabel auf ein 45cm USB Kabel umgestiegen für den Arduino

    - Habe die Schrittmotorkabel in Alufolie eingepackt und dann mir GND verbunden

    - Ich habe in Fusion 360 jetzt eine Rampe eingestellt. Allerdings war das nicht das, was ich mir darunter vorgestellt habe. Die Fräse bremst jetzt von 150mm/min schlagartig auf 50mm/min ab und fräst dann mit der geringen Geschwindigkeit die nächsten 5mm bis zur Ecke. Dann beschleunigt sie sofort wieder auf 150mm/min bis zum nächsten Abbremsen. Hat jemand eine Idee was ich falsch gemacht habe? Vielleicht muss ich jetzt doch noch auf Estlcam umsteigen. Ich habe das wie folgt eingestellt:

    Maximum Directional Change: 5 deg

    Reduced Feed Radius: 0.065 mm

    Reduced Feed Distance: 5 mm

    Reduced Feedrate: 50mm/min

    Only inner Corners: unchecked

    - Ich habe mein Workholding verbessert. Ich glaube dass es Teil des Problems war, dass sich das Brett manchmal irgendwie angehoben hat und dadurch die Belastung für meine Mechanik zu groß wurde. Allerdings hab ich immer noch das Problem, dass sich ausgefräste Teile verschieben. Doppelseitiges Klebeband (vielleicht ein schlechtes?) habe ich schon Probiert, das hat bei mir nicht fest genug geklebt. Vorschläge?

    - Ich habe einen neuen Schaftfräser verwendet: bisher 2mm 1 Flute jetzt 1,3mm 2 Flutes

    - Ich hab mir ein 24V Netzteil mit ausreichend großer Strombelastbarkeit besorgt. Allerdings habe ich es noch nicht in Betrieb genommen, weil ich keine Verbindung zwischen dem Alugehäuse und dem Schutzleiter messen konnte. Soll ich das Teil jetzt einfach trotzdem verwenden? Oder die Verbindung nachrüsten?

    - Ich habe während dem letzten Fräsvorgang mal die Temperaturen gemessen:

    Schrittmotoren

    Treiberplatinen

    Fräsmotor

    Temperatur in ℃ nach 15min

    30

    30

    50

    Temperatur in ℃ nach 30min

    31

    33

    50

    Temperatur in ℃ nach 45min

    32

    32

    51

    Das Ergebnis: ein auf einer Seite offener Würfel mit 4cm Kantenlänge aus 5mm MDF: