X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

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X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #1 von mhier » Fr 19. Jun 2020, 12:29

Ich denke im Moment über Verbesserungen am RF1000 für den Fräsbetrieb nach. Schon seit längerem stören mich die Ungenauigkeiten der X- und Y-Achsen beim Fräsen von Platinen. Meiner Einschätzung nach sind einfach die Zahnriemen und/oder die Zahnriemenräder nicht wirklich exakt, so dass sich schon allein daraus eine Positionsungenauigkeit von ein bis zwei 1/10 Millimetern ergibt. Beim Fräsen von Leiterbahnen, die auch nur wenige 1/10 Millimeter breit sind, ist das dann blöd. Deshalb überlege ich, die Zahlriemen durch Kugelumlaufspindeln zu ersetzen.

Eine Problematik dabei wäre, dass sich ggf. die maximale Feedrate reduziert. Im Moment kann der Drucker m.W. eine maximale Feedrate von 150 mm/s = 9000 mm/min. Das ist jedenfalls das Limit, das ich in der Firmware finde, und ich kann auch einen Unterschied zwischen 9000 und 8000 hören, bei höhreren Feedrates dann aber nicht mehr. Im Moment haben wir knapp 5 Steps/mm und 200 Steps pro Umdrehung, das sind 42 mm/Umdrehung. Es gibt Kugelumlaufspindeln mit 40mm Steigung. Damit wäre also die gleiche Feedrate möglich wie aktuell. Die sind allerdings schwer zu bekommen, und dann wird es schnell teuer.

Deswegen frage ich mich, ob man so hohe Feedrates überhaupt sinnvoll nutzen kann. Beim Drucken bleibe ich eigentlich i.d.R. sehr weit weg davon, selbst bei Travel Moves bin ich eher im unteren 100er Bereich (also z.B. 200 mm/min), um das Risiko zu minimieren, dass sonst das Objekt vom Bett gerüttelt wird (oder die Dauerdruckplatte aus der Halterung, wobei ich die inzwischen festschraube ;-)). Beim Fräsen hab ich jetzt bei Alu mit 1500 mm/min experimentiert, viel höhere Feedrates würde ich mich nicht trauen.

Dementsprechend denke ich darüber nach, ob nicht eine viel einfacher zu bekommene Spindel mit 10mm Steigung völlig ausreichen würde. Falls das aktuelle Limit von 9000mm/min tatsächlich durch Motor+Treiber bestimmt ist, würde ich dann immer noch ca. 2000mm/min hinbekommen.

Was meint ihr, reicht das? Oder beschränkt einen das irgendwann dann doch zu sehr? Nutzt ihr Feedrates von über 2000mm/min (außer beim Homen)?

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #2 von anwofis » Fr 19. Jun 2020, 13:34

Hallo,

ein Problem ist, dass Stepper so nur 400-500 U/min maximal können, soweit ich weiß:

https://reprap.org/wiki/Stepper_torque/de

Bei einer Kugelumlaufspindel mit 10mm Steigung sind das: ~400/60*10=66.6 mm/s maximaler Speed

Bräuchtest also für sagen wir mal 150 mm/s Travel sicher so 25 mm Steigung. also schon Steilgewindespindeln.

Glaube jetzt nicht, dass sich sowas lohnt am RF1000 einzubauen?

Cool wäre es aber schon :coolbubble:

Grüße,
anwofis

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #3 von mhier » Fr 19. Jun 2020, 14:48

Wie gesagt: ich glaube, weniger Feedrate ist verschmerzlich. Druckst/fräst du mit > 60mm/s = 3600 mm/min?

Die Kosten sind nicht so wahnsinnig hoch. Die Spindeln mit 10mm Steigung bekommt man als Komplettsatz mit Mutter und Lager für etwas über 100 EUR in der passenden Länge. Kommt noch ne Kupplung oben drauf und etwas Material, um sich ne Motor-Befestigung zu fräsen ;-) Also ich sag mal, Gesamtkosten für beide Achsen 250 bis 300 EUR. Dafür wäre einer der beiden Schwachpunkte im Hinblick auf Fräsen eliminiert. Ich könnte mir dann sogar vorstellen, ne kleine Kress statt dem Dremel draufzusetzen, dann wäre der andere Schwachpunkt auch erschlagen, und der würde einer Stepcraft o.ä. IMO eher überlegen sein ;-)

Außerdem sind mir schon zwei mal die Achsen der Steppermotoren gebrochen wohl wegen der radialen Belastung durch die Zahnriemen. Ich habe sie zwar nicht besonders stark gespannt, aber längerer Stillstand und dann wieder verstärkte Benutzung (typisches Profil bei mir ;-)) scheinen die so nicht zu mögen... Das wäre gleich mitbehoben.

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #4 von mhier » Fr 19. Jun 2020, 15:15

Ah shit mir fällt gerade auf, ich hab die Einheiten im Slicer verwechselt. GCode gibt die Feedrates in mm/min an, aber im Slicer stehn sie ja doch in mm/s. Da ist der Faktor 60. Also bin ich ja doch fast beim aktuellen Maximum. Mist.

Mal sehen, ob ich doch irgendwo Spindeln mit höherer Steigung finde. Zumindest eine mit 20mm Steigung sollte ja zu finden sein. Damit müssten bei 400 U/min 132 mm/s drin sein, das wäre ja noch ok.

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #5 von mhier » Fr 19. Jun 2020, 21:30

Ich hab gerade mal etwas rumexperimentiert und die maximale Feedrate hochgesetzt. Normal liegt sie bei 150 mm/s. Ich bin bis 366 mm/s gekommen, wenn ich die Microschritte reduzieren:

https://photos.app.goo.gl/NprWPzWgw4uG82PU9

Vielleicht ginge noch höher, wenn ich die Microschritte noch mal halbieren würde, dazu muss ich die Firmware aber erst anpassen...

Dann wird das ja vielleicht doch noch realistisch :-)

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #6 von mhier » Fr 19. Jun 2020, 21:40

Jo, mit noch weniger Microsteps geht's bis ca. 500 mm/s. Da bin ich fast beim 4-fachen der normalen 150 mm/s. Damit würde ich bei einer Spindel mit der Steigung 10mm nicht viel verlieren. (Ich musste bei den Tests schon die Beschleunigung hochsetzen, weil ich langsam in die Gegen gekommen bin, dass er auf den 200mm gar nicht mehr die volle Geschwindigkeit erreicht :-D)

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #7 von rf1k_mjh11 » Sa 20. Jun 2020, 22:30

Hallo Martin/mhier,

mhier hat geschrieben:Meiner Einschätzung nach sind einfach die Zahnriemen und/oder die Zahnriemenräder nicht wirklich exakt, so dass sich schon allein daraus eine Positionsungenauigkeit von ein bis zwei 1/10 Millimetern ergibt.

Das primäre Problem ist nicht der Zahnriemen an sich, sondern dass (durch den Zahnriemen) ein, im Prinzip, "direct drive" entsteht. Das heißt, die Bewegung wird direkt, ohne Umwege, vom Motor durchgeführt.
Ein Schrittmotor ist nicht unendlich steif sondern stellt ein elastisches System dar (besonders die Mikroschritte). Aber auch wenn der Motor bei einem Ganzschritt zu stehen kommt, ist es noch elastisch. Eine einwirkende Kraft führt dazu, dass der Motor ein wenig nachgibt (sich dreht), womit sich die entsprechende Achse 'verstellt'. Beim Fräsen, mit den damit verbundenen Kräften, stellt das ein Problem dar.

Eine Spindel würde vielleicht helfen - garantiert dann, wenn die Spindel selbsthemmend ist. Bei deinen anvisierten Steigungen von 10 oder 20mm, noch dazu in der Ausführung als leichtgängige Kugelumlaufspindel, sehe ich, wenn überhaupt, nur eine geringe Verbesserung. Bei einer so großen Steigung würde bei einer Krafteinwirkung erst wieder der Motor etwas nachgeben.
Bei einer selbsthemmenden Spindel wird eine Kraft nicht bis an den Motor geleitet. Daher würde der Motor gar nicht nachgeben und das System wäre (theoretisch) unendlich steif (bis auf die Elastizität der Spindel samt Mutter selbst).

Der Nachteil einer selbsthemmenden Spindel? Die Fahrwege werden VIEL langsamer. Beim Fräsvorgang selbst nicht unbedingt ein Problem - bloß dauern alle Leerfahrten ewig.... Auch steigen die Reibwerte bzw. der Widerstand, womit der Motor mehr gefordert wird und leichter Schritte verlieren könnte (Abhilfe: Einsatz eines Drehgebers).

Zumindest waren das meine Erfahrungen bei meinem Ausflug in die CNC-Fräserei.

Allseits Gesundheit,

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #8 von mhier » Sa 20. Jun 2020, 22:50

Naja, die von mir beobachteten Ungenauigkeiten wahren ohne Last. Beim Platinenfräsen gibt es praktisch keine Last (35um Kupfer bieten nicht wirklich Widerstand, und die 0.2mm Spitze des Stichels kann kaum Kraft aufnehmen). Außerdem hatte ich Tests ganz ohne Last und bei abgeschaltetem Dremel gemacht, um sicherzugehen. Die von dir beschriebene Weichheit kommt natürlich noch oben drauf, wobei da erstmal noch die Zahnriemen selbst weich sind. Wenn man mal bei eingeschalteten Steppern am X-Schlitten drückt und zieht, sieht man, wie sich die Zahnriemen spannen und der Schlitten sich bewegt, das Zahnriemenrad am Stepper steht aber noch still. Das müsste sich ja sonst am Umfang des Rades genauso weit wie der Schlitten bewegen, also locker sichtbar.

Hinzu kommt noch, dass durch die Untersezung die Kraft ja schon reduziert wird um einen Faktor 4. Ich würde also eine ganz erhebliche Verbesserung erwarten.

Mir macht eher Sorgen, ob die hoch getunten Geschwindigkeiten am Ende erhebliche Nachteile bringen. Das Drehmoment lässt ja mit zunehmender Geschwindigkeit nach. Fällt das zu stark ab, verliere ich am Ende Schritte unter last. Das kann ich nur schwer vorher testen... Andererseits wäre eine Reduktion des Drehmoment um einen Faktor 4 noch unkritisch, denn ich hätte ja die Untersezung. Die ausübbare Kraft am Schlitten wäre dann also noch die selbe.

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #9 von anwofis » Sa 20. Jun 2020, 23:14

Hallo mhier,

vielleicht wäre es interessant anstelle der normalen Riemen welche mit Stahlzugsträngen zu nehmen für die X/Y Achsen;
Dazu noch etwas größere Riemenräder?

Grüße,
anwofis

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Re: X/Y Achsen mit Kugelumlaufspindeln?

Beitrag #10 von mhier » So 21. Jun 2020, 11:48

Ja ich hab auch schon über einen anderen Riemenantrieb nachgedacht. Ich fürchte aber, damit kann man nicht so leicht was reißen. Größere Riemenräder würden sicher was bringen, aber damit erhöht sich dann auch die Übersetzung (also weniger Schritte pro mm). Zum Fräsen sind wir da mit unseren knapp 5 Schritten pro mm schon hart an der Grenze. Man könnte sicherlich den Umfang des Riemenrades verdoppen und dafür einen 0.9 Grad Stepper verwenden, aber man verliert dann auch einen Faktor 2 an Drehmoment.

Hauptproblematik ist aber m.E. die Riemenspannung. Für eine hohe Genauigkeit müsste man die möglichst weit erhöhen. Die aktuelle Konstruktion erlaubt das aber nicht, weil die Achsen nur einseitig gelagert sind und dann einfach brechen oder sich verbiegen. Dadurch kommt der Riemen nie exakt parallel zur Bewegungsrichtung vom Riemenrad weg, sondern hat eine Biegung in der Luft. Unter Last zieht sich diese Biegung dann gerade, wodurch eine effektive Längenänderung entsteht. Da hilft auch kein Stahlzugstrang, der macht den Riemen eher noch steifer und erfordert demnach noch höhere Zugspannungen.

In dem Punkt die Konstruktion zu verbessen drüfte aber eher aufwändiger sein, als Kugelumlaufspindeln einzubauen. Beim Gegenlager könnte man vielleicht eine längere Achse verbauen und die irgendwie beidseitig abstützen. Dazu müsste man das Lager vermutlich fest anbringen und einen zusätzlichen Riemenspanner anderweitig anbringen, sonst verkippt das ja nur in seiner Führung. Das Motorlager ist da schon schwieriger, man müsste einen Motor mit längerer Achse finden, oder die Achse verlängern, was aber wiederum viel Platz kostet, den man eher nicht hat.

Und vermutlich bekommt man am Ende auch kein wirklich zufriedenstellendes Ergebnis. Ich habe noch keine Fräsmaschine mit Riemenantrieb gesehen, die verwenden alle Spindeln. Ich denke, das hat den Grund, dass ein Riemenantrieb unter Last einfach nicht gut genug seine Position hält. Man kommt ja übrigens auch schnell an die Grenzen des Schrittmotors. Den Schlitten kann man selbst bei maximalem Stepper-Strom relativ mühelos von Hand verschieben (zumindest wenn der Dremel angebracht ist, der nen guten Griff bietet). Da wäre eine gewisse Untersetzung sicher nicht verkehrt.

Weiß jemand, warum die maximale Feedrate softwareseitig auf 150mm/s beschränkt ist?


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