CNC-Mini-Fräse: Neue Elektronik, Elektronikbox (Teil 2)

Im letzten Teil habe ich das CNC-Shield vorgestellt und den Arduino UNO vorbereitet. Jetzt geht es darum die Komponenten in die mittlerweile leere Elektronikbox einzubauen. 

 

 

Auch wenn ich die Box wiederverwende, muss ich ja nicht unbedingt den ursprünglichen Installationsstil nachahmen. Ziel war es für mich, dass die Box einigermaßen aufgeräumt aussieht. Keine Bauteile sollen frei herumfliegen und die Wärme erzeugenden Platinen sollen sinnvoll angebracht werden.

Zunächst mal habe ich das schwachbrüstige Netzteil ersetzt. 24 Volt sind es geblieben, – jetzt aber bei 21 Ampere. Rein theoretisch stehen damit etwa 500 Watt zur Verfügung. Die Netzteile sind übrigens sehr preiswert über aliexpress zu bekommen und sind üblicherweise unter LED-Netzteil zu finden. Damit das Netzteil genügend Luft von unten bekommt und zudem an diversen Teilen der Front und der Rückseite nicht anstößt habe ich es mit Aluwinkeln gute 5cm in die Höhe gebaut. Die Winkel sind an mit der Bodenplatte verschraubt, denn da stört es am wenigsten.

Das CNC-Shield habe ich so eingebaut, dass die USB-Buchse des Arduino UNO auf der Vorderseite der Box direkt erreichbar ist. Das bedeutet natürlich auch ein neues Loch dafür.

Rechts im Bild ist eine bisher nicht besprochene Platine zu sehen. Das ist eine Steuerplatine für die Spindel. Über Pulsweitenmodulation wird die Drehgeschwindigkeit geregelt. Auch diese Platine muss natürlich den Leistungsanforderungen der Spindel gerecht werden. Beim Kauf ist darauf zu achten. Deutlich im Bild zu sehen sind die Leitungen, die zum Potentiometer auf der Gehäusefront führen. Ich habe mich entschlossen, vorerst die Spindel nicht über Software zu steuern, sondern völlig getrennt über eben dieses Potentiometer.

Beide Platinen sind über dem Netzteil angeordnet und mit zwei Aluwinkelprofilen an diesem befestigt. Während die unteren Winkel zum Boden noch mit dafür vorgesehenen Gewinden im Netzteilgehäuse befestigt werden konnten, war das mit den oberen Winkeln nicht mehr so einfach. Der Deckel des Netzteils ist aber glücklicherweise mit 4 Schrauben M3 befestigt. Diese wurden kurzerhand entfernt und durch längere Schrauben ersetzt, die jetzt auch die Winkel fixieren.

Der Abstand zwischen den Winkeloberseiten und dem Netzteildeckel ist aus zwei Gründen wichtig. Zum einen muss ich ja die Platinen festschrauben und benötige daher den Platz. Zum anderen ist das aber auch aus thermischen Gründen notwendig. Das Netzteil hat sogar einen eigenen Lüfter, für den Fall, dass es mal richtig was leisten muss.

Nochmal etwas näher betrachtet sieht man hier die Anschlussleiste des Netzteils. Ganz rechts ist der 230V Netzanschluss. Eine der gelben Leitungen läuft über den Schalter, der auch schon vorher die Box eingeschaltet hat. Rot -> Erde sollte man nicht vergessen! Drei Anschlüsse für 24V sind vorhanden. Sicherlich sind sie im Netzteil zusammengeführt. Ein Anschluss geht zur PWM-Platine für die Spindel und der zweite geht zum CNC-Shield. Sollte die Spannung nicht passen, könnte man sogar noch über ein Poti ganz links Anpassungen vornehmen. In unserem Fall ist das egal. Selbst wenn die 24V-Spannung 5 Volt daneben läge, wäre es hier egal. Ich rate aber davon ab, daraus zu schließen, dass man dann gleich ein 12V-Netzteil nehmen könnte, denn da wird es dann langsam knapp, weil die Ströme dann zu hoch werden um die gleiche Leistung zu erreichen.

Die PWM-Platine hat Anschraubpunkte, die vollkommen von den Leiterbahnen getrennt sind. Eine Montage direkt auf den Aluwinkeln mit 3mm-Schrauben ist problemlos. Natürlich darf die Platine aber nicht aufliegen. Also irgendwie Abstand erzeugen.

Die Arduino UNO – Platine macht es uns leider nicht so leicht. Aufgrund der kompakten Bauweise sind die Löcher für die Schrauben nicht so frei. Eine isolierte Installation, wie hier im Bild, auf einem dünnen Brettchen ist notwendig um keine Kurzschlüsse zu bekommen. Aber selbst bei 3mm-Schrauben lassen sich nicht alle 4 Schraubenlöcher verwenden. Sowohl die Hohlbuchse für die externe Stromversorgung als auch eine Kontaktreihe versperren den Weg für Schrauben bzw. Muttern. An der Hohlbuchse konnte ich noch etwas „schnitzen“. Die Schraube fand dann Platz. An der zweiten Stelle ging leider nichts. Die Platine ruht also auf 3 Schrauben. Es reicht auch so ganz sicher. Erst nachdem ich die Arduinoplatine so fixiert hatte, habe ich das Blech der Gehäuserückseite um die USB-Buchse markiert und dann den entsprechenden Durchbruch gebohrt und gefeilt. Einmal in die Mitte mit 10mm bohren und dann den Rest viereckig nachfeilen. Meinen viereckigen Bohrer hatte ich leider gerade verlegt 🙂

Das Loch daneben und auch das alte USB-Loch unten werden nicht mehr gebraucht. Betrachten wir sie mal als Lüftungslöcher.

Kommen wir zu den Anschlüssen. Unten ist der unveränderte 230V-Netzanschluss. Er ist, wie schon oben beschrieben über den Schalter auf der Gerätefront mit dem Netzteil verbunden. Die 12-polige Rundbuchse dient weiterhin zum Anschluss der Fräse und im speziellen dem Anschluss der Schrittmotoren. Leider passen aber die ursprünglichen Anschlüsse auf der Innenseite jetzt nicht zum CNC-Shield. Vor dem Entfernen der alten Stecker sollte man kennzeichnen, welches Kabelquartett zu welcher Achse gehört und zudem jeweils die negative Ader eines jeden Paares kennzeichnen. Es gibt 3 Kabelbünde mit je 4 Leitungen, die paarweise jeweils ein Coil des Schrittmotors ansprechen. Also nochmal anders ausgedrückt. Man merke sich die Achszuordnung, die Coilzuordnung und jeweils die negative Leitung. Die Coilzuordnung innerhalb einer Achse war bei mir einfach zu finden. Ein Coil war gelb und das andere grün. Zudem war der Kabelbaum für jede Achse zusammengebunden. Falls man die Achsenzuordnung nicht hat, kann man das später durch Umstecken auf dem CNC-Shield immer noch korrigieren. Ansonsten hilft nur Leitungsverfolgung an der Fräse. Viel Spaß!

Für den Anschluss an das CNC-Shield werden spezielle Flachstecker benötigt. Und um es richtig zu machen, benötigt man eigentlich auch noch die im Bild sichtbare Zange zum Aufpressen (Crimpen).

         

Der Anschluss auf dem CNC-Shield für jede einzelne Achse liegt immer neben dem Treiberbaustein (DRV8825). Da das Shield so extrem kompakt gebaut wurde, war wohl kein Platz mehr für eine sinnvolle Kennzeichnung der Pinleiste. Solange der Treiber noch nicht gesteckt ist, kann man es sehen. Die Coils sind paarweise angeordnet. Es ist egal, welches nun das A- und welches das B-Coil ist. Wichtig ist, dass aus dem jeweiligen Coil jeweils die Polarität paarweise richtig liegt. Es sind also 4 Möglichkeiten richtig:

A+ A- B+ B- oder
B+ B- A+ A- oder
B- B+ A- A+ oder
A- A+ B- B+

Die Wahl zwischen den oben genannten Varianten wird jeweils die Drehrichtung des Steppers ändern. Das ist aber völlig egal, da man das bequem in der Software anpassen kann.

falsch wäre: A- A+ B+ B- oder A- B- B+ A+ oder ähnliche Varianten. Der paarige und gleichpolige Ansatz ist hier nicht eingehalten. Deshalb ist es auch so wichtig, dass bereits bei der Zerlegung der alten Elektronik sauber jede Leitung bezeichnet wird.

So sieht das jetzt bei mir aus. Im zweiten Bild sieht man ganz links das blaue Terminal. Da wird die Versorgungsspannung (24V) direkt vom Netzteil angeschlossen.

Dazu noch dieses Detailbild. Bitte auf Plus und Minus achten !

Die Spindel muss ja auch noch angesteuert werden. Mir hat die Verbindung mit der Lüsterklemme überhaupt nicht gefallen. Der 25-polige Stecker wäre ja jetzt frei, denn parallel wird nichts mehr angeschlossen. Aktuell gibt es nur 2 Leitungen zu übertragen. Die allerdings mit höherer Leistung. Also habe ich mir gedacht, dass ich jeweils für Plus und Minus 4 Pins der unteren Reihe dafür verwende.

Die Leitungen kommen vom Ausgang der PWM-Platine.

Ich habe hier auch nicht mehr die Male-Seite der Steckverbindung eingebaut, sondern die Female-Seite. Schließlich liegt hier Spannung drauf und ein gewisser Berührschutz sollte gegeben sein. Übrigens ist das bei dem 12-poligen Schrittmotorstecker eigentlich auch verkehrt herum verbaut worden! Der maschinenseitige Spindelanschluss wird dann natürlich mit einem Male-Stecker entsprechend versehen. Plus und Minus beachten! Die restlichen Pins dieses Steckers werden mal für Endstopps oder Ähnliches Verwendung finden.

Die Vorderseite des Gehäuses hat sich nicht wesentlich verändert. Nach wie vor ist die links unten verbaute Sub-D-Buchse unbelegt. Noch ist auch der Probe-Anschluss oberhalb des Netzschalters nicht angeschlossen, – ebensowenig der Notstopp. Rechts oben ist das Poti für die Spindelgeschwindigkeit. Die grüne LED ist an N und L am Netzteil angeschlossen und zeigt wie im ursprünglichen Aufbau, das Spannung anliegt und eingeschaltet wurde. Sie leuchtet übrigens eher gelb als grün. Die rote LED ist noch nicht belegt.

Nochmal zusammengefasst: Netzspannung über Schalter an das Netzteil. Ein 24V-Ausgang geht zum CNC-Shield. Vom CNC-Shield gehen aktuell nur die Anschlüsse der drei Steppermotoren weg. Zweiter 24V-Ausgang geht an die PWM-Platine für die Spindelsteuerung. Ein Leitungssatz geht zur Frontplatte zum Poti zur Regelung. Der geregelte Ausgang geht von der PWM-Platine zum 25-poligen Sub-D-Female Anschluss an der Gehäuserückseite. Alle Leitungen sollten ordentlich und nachvollziehbar verlegt sein. Das war der Basisaufbau der Elektronik.

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