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4.1.1 Fräsplotter 1

Erstellt ab Oktober 2002

Ich muss auch unbedingt mal die spannende Story von meinem Fräsplotter los werden:


Also:

Es ereignete sich ungefähr 1985, als wir Elektro-Auszubildenden im dritten Ausbildungsjahr dereinst bei Firma Teves in Gifhorn beisammen saßen und uns überlegten, ob es wohl möglich sei, eine CNC-Maschine selber zu basteln.

Damals war ja gerade der ATARI 800 XL der „letzte Schrei“...


© FOTO: www.homecomputer.de

Wir konnten uns nur den 800 XL leisten, denn der kostete schon hunderte von Mark (damals ca. 700 DM !). Also beschlossen wir, uns in den XL einzufuchsen. Dies geschah mit dem recht guten Turbo-Basic, was recht „flott“ lief. Wir kümmerten uns zunächst um um die Zauberquadrate, bei denen in einer Matrix Zahlen von 1 bis 25 eingetragen werden und dann immer die Spalten und Zeilen addiert werden mussten.
Der Trick an der Sache ist ja der, dass das Ergebins immer die Gleiche Zahl sein musste. So sehr wir auch von Hand probierten, wir kamen auf keine Lösung. Also programmierten wir das Problem in unseren XL. Diese „Rennmaschine“ spuckte uns dann auch nach 24 Stunden weit über 20 richtige Lösungen aus.


Wir waren erstaunt !

Also versuchten wir mal etwas Grafisches. Wir ließen einen Würfel auf dem Bildschirm drehen. Das ging auch zunächst recht holprig zwar, aber wir schafften es (mit dem kleinen Rechner !) zum Schluss sogar ruckelfrei !!!

Ab da stand unser Entschluss fest: Es musste also auch möglich sein, eine CNC-Maschine mit dem ATARI zu basteln. Auch damals gab es Völkner in Braunschweig schon (jetzt Conrad Electronik) und da wurde sich also erstmal ein Schrittmotor besorgt. Der XL war ja wie gemacht für Basteleien via Joystickports. Also schnell mal den Lötkolben raus geholt und ein paar Brücken mit den guten BD 130-ern gelötet, ran an den Joystickport und los programmiert. Uiiihhh, wie sich der Motor schön gedreht hat ! Das beflügelte uns, denn wir ahnten ja noch nicht, dass der Teufel ganz tückisch und hinterlistig im Detail steckt...

 

Es wurde nun also darüber nach sinniert, ob man wohl einen Plotter mit 2 Achsen und einem Stift basteln könnte. Diesen Part übernahm ich dann auch sogleich, denn ich hatte als Einziger eine recht gut eingerichtete „Bastelkammer“ bei meinen Eltern im Keller. (Mit riesig dicken Spinnen --- brrrrrrrrrääähh!)

Ich nahm als Grundmaterial Spanplatte. Darauf baute ich zwei Führungsstangen an den Seiten in Y-Richtung. Auf diesen Führungsstangen prangten je eine Halterung für die quer verlaufende X-Richtung, die wiederum aus zwei Führungsstangen bestand. Auf diesen Stangen lief ein kleiner Schlitten mit der Stift-Mechanik. Der Stift war über einen kleinen Hebel mit dem Relais-Anker  eines auseinander genommenen Relais verbunden. Die Schrittmotoren (2 parallele für Y und 1 für X) zeigten mit der Welle nach oben. Um diese Welle war ein Zwirnsfaden „genüdelt“, der dann die jeweiligen Achsen antrieb. Die Elektronik bestand aus drei Schrittmotor-Treiber-IC´s (damls SAA 1027, wird leider nicht mehr hergestellt) und ein paar Bauteilen drum herum. Das Ding hat dann auch tatsächlich funktioniert, der Stift malte schöne Kreise, Ellipsen und sogar später auch Schrift auf das Papier.
Inzwischen hatte ich ausgelernt und war auch übernommen worden. Von einem meiner ersten Löhne kaufte ich mir sodann flugs den damals revolutionären ATARI ST:

© FOTO: www.homecomputer.de
Zwar nur einen 520+, aber immerhin ! Solch ein Gerät hatte damals die revolutionäre Speichermenge von 1 MB RAM !! Mit soviel Speicher waren noch nicht einmal die ersten PCs in den Firmen ausgestattet, die hatten damals die "magische Grenze" von 640 kB, das lag am verwendeten Prozessor (286-er Intel). Der Atari ST hatte aber einen anderen Prozessor (68000er von Motorola), der eine andere Speicherstruktur aufwies und daher größere Steichermengen ansprechen konnte. Der 68000er war dann auch die Basis für die heutigen "MAC´s".

Nun schlug das Schicksal das erste mal zu:
Ich hatte natürlich keinen Joystickport mehr, zumindest nicht so, wie ich es gewohnt war ! Außerdem war das mitgelieferte Basic eine Katastrofe !


Was nun ?


Ich holte mir das damals recht gute Omikron-Basic für den ST und begann, alles wieder neu zu lernen. Als Schnittstelle benutzte ich den Druckerport. Und was soll ich sagen: Der Plotter lief wieder. Aber nun kam langsam der Teufel aus dem Detail gekrochen...

Ich war natürlich verzückt über die "irrsinnige Geschwindigkeit", die der ST an den Tag legte (16 Bit-Architektur) und wollte meinen Plotter schneller machen.


Und da geschah es:

Ein unglücklicher Zustand jagte den anderen: Die Motoren ließen bei steigender Drehzahl sehr stark im Drehmoment nach, worüber ich mir bislang überhaupt keine Gedanken gemacht hatte, denn mein alter ATARI XL war nun mal nicht schneller. Also schafften es die Motoren nicht mehr, die Schlitten über die Schubstangen „zu quälen“, die Motoren verloren immer wieder Schritte.

Sehr verdrossen legte ich das Projekt beiseite.

Später zog ich dann von zu hause aus und verlor damit auch noch meine „Bastel-Kemenate“ bei meinen Eltern im Keller, so dass es schien, als sei das Projekt gestorben.

(1989)
Ich ging aber eines Tages durch einen bekannten Baumarkt mit drei Buchstaben und schlenderte so an den Eisenwaren vorbei... ...da durchfuhr es mich plötzlich: Da lagen doch tatsächlich Schubladenauszüge im Regal, so richtig schön mit Kugellager und sogar spielfrei. Das müssten doch wohl die Motoren dann schaffen!

Ich habe also das ganze „Geraffel“ eingekauft, aber diesmal gleich für drei Achsen! So baute ich einen neuen Plotter mit je einer X-Y-und Z-Achse. Der ganze Bau des Gerätes musste ich auf dem Balkon machen, weil wir in unserer kleinen Mietwohnung keinen anderen Platz für so was hatten. Teilweise "schraubte" ich auch auf dem Küchentisch.


Dann kam auch die Stunde der Wahrheit:

Der Plotter fuhr ! Richtig schön schnell ! So schnell, dass ich Anfahr- und Bremsrampen programmieren musste, damit die Motoren keine Schritte verlieren !


Aber was war das, um Gottes Willen ?

Die Z-Achse bewegte sich keinen Millimeter ! Der Aufbau in senkrechter Richtung war einfach zu schwer für den Motor mit dem Zwirn-Antrieb. Ich überlegte hin- und her und kam auf den Gedanken, den Antrieb mit Gewindestangen als Spindelantrieb auszuführen. Die Umrüstung hat lange gedauert, da wir uns dann auch um die Planungen für unseren Hausbau kümmern mussten ...

(1994)
Im neuen Haus angekommen, hatte ich dann endlich wieder einen Bastelkeller (Fast ohne dicke Spinnen aaaaahhhh!!), und der war sogar beheizt ! Nun wollte ich den Plotter aus der Garage holen und:


Aaaaaahhhh, was war das ?

Der Plotter war von oben bis unten mit Zement und Farbe eingedreckt. Keine Achse bewegte sich mehr, die Platinen total vergammelt ! Au weia ! Also entschloss ich mich, auch den 2. Plotter zu entsorgen, schleppte ihn also schweren Herzens auf den Sperrmüll.

 

Dann gab´s irgendwann den ersten PC. Einen 386er mit "schönen 40 MHz".

An diesen schloss ich dann die bekannte Basic-Briefmarke an und probierte nun erstmal verschiedene Schrittmotor-Steuerungen aus, denn obwohl es eben noch so schien, als sei mein Projekt endgültig gestorben, machte ich nun den dritten Anlauf. Ich experimentierte jahrelang mit der Basic-Briefmarke, und einige Rechnergenerationen vergingen, jedoch die Basic-Briefmarke blieb immer die selbe, so dass ich „in Ruhe“ experimentieren konnte.


Basic "Briefmarke" BasicStamp 2SX
Ich fand dann auch im Internet ein tolles IC für die neuen bipolaren Schrittmotoren, die ich mir von Conrad holte. Das IC würde natürlich gleich auf eine Lochrasterplatine zusammen mit der Basic-Briefmarke gelötet. Jetzt hatte ich einen schönen, kleinen „Test-Computer“ mit dem ich dann weitere Versuche unternahm. Ich begann diesmal mit der X-Achse. Und hatte bald große Probleme, die Gewindestange schön zentriert auf die Motorwelle zu bekommen.

Per Zufall kam ich später mit einem Arbeitskollegen ins Gespräch, seines Zeichens Schlosser. Der drehte mir die drei Muffen für die Motorwellen. Jetzt montierte ich die X-Achse.

Und es lief !

(1997)
Es lief zwar auch recht langsam, das liegt aber daran, dass nun die Schrittmotoren 200 Schritte pro Umdrehung machten und ich M6 Gewindestangen benutzte. Die Auflösung ist dadurch aber recht enorm. M6 hat eine Steigung von 1mm, so dass sich eine Auflösung von 0.005 mm pro Schritt ergibt. Auch das Problem mit der Z-Achse ist damit gelöst, denn es wird natürlich auch die Kraft übersetzt, so dass der Z-Motor es nun schafft, den Schlitten zu bewegen.


Doch nun zu den ersten Fotos:


Hier einmal die Ansicht aus der Vogelperspektive. Man sieht sehr schön die Schubladenauszüge.


Hier können wir uns die Testplatine mit der Basicbriefmarke und dem Treiber IC anschauen. Auch die gedrehte Muffe ist schön zu sehen. Wer keine Drehbank hat und die Motorwelle auf die Gewindestange bekommen möchte, kann eine Kardankupplung verwenden:


Zu dem Kardangelenk gehört auch Einsatzstücke, die schon fertig z.B. mit einem M6 Gewinde ausgestattet sind. Hier braucht man nur noch an einem Ende den Motor einbauen und am anderen Ende die Gewindestange einschrauben. Für die Motorwelle stehen Maße bis 5 mm zur Verfügung.
Leider gibt es die Einsätze nur bis zu einem Bohrungsdurchmesser von 5mm. Deshalb sollte man vielleicht den Motor passend aussuchen. Alternativ müsste man das Einsatzstück aufbohren.

Nun aber weiter mit den Fotos:

 


Nun ist bereits die Z-Achse montiert. Darauf befindet sich auch der Fräsmotor.

Die Zeit verging erneut, denn ich wollte natürlich meinen neuen 1000-er Duron nicht in den Bastelkeller schleppen und dort zu einem Steuercomputer „verwursten”. Also kaufte ich mir im Internet (nein, nicht ersteigert !) einen immer noch recht flotten 400er Celeron, den ich mit einer In-Out-Karte von BMC ausstattete. Ebenfalls im Internet besorgte ich mir dann die tolle Programmiersprache „Profan", mit der ich dann die BMC-Karte programmierte.
 
Als Schrittmotor-Treiber kamen drei ICs zum Einsatz, die ihre Sache ganz gut machten. Bald musste ich aber feststellen, dass es schon ganz schön schwierig ist, ein CNC-Programm selber zu schreiben, wenn man nur so ein „Hobbykünstler” in dieser Disziplin ist. Auch haben sich in dieser Zeit die PCs schneller weiter entwickelt, als ich in der lage war, das alles ständig neu zu lernen. Schon bald passte meine BMC-Karte für den ISA-Port nicht mehr in den neuen PC, denn der hatte nur noch PCI-Schnittstellen. Es war zum haareraufen. Kaum hatte ich gemeint, den aktuellen Stand begriffen zu haben, kam bereits schon wieder eine neue Rechnergeneration heraus, die mit neuen Bussen und Steckplätzen "glänzte".

Inzwischen gehe ich dazu über (2005), nur noch den LPT-Port und den COM-Port zu benutzen und fuchse mich ein wenig in USB ein, um nicht ständig von neuen Steckplätzen "überrascht" zu werden, falls mal ein neuer PC nötig ist.

Wie gesagt, ich musste also einsehen, dass es wohl besser ist, ein fertiges Programm irgendwie zu besorgen.

Und da traf mich der nächste Schlag:

Solche Software ist ja ungemein teuer und kostenlos gibt es da so gut wie gar nichts !

Also vergingen weitere Monate.

(2000)
Eines Tages schenkte mir jemand dann eine Software aus „alten Beständen”, die ich dankbar annahm. Es war die Software „PCNC” von Burkhard Lewetz (www.lewetz.de). Diese Software läuft zwar nur unter DOS, aber man soll ja bekanntlich nicht so „zimperlich” sein. Später sollte sich zu meiner Freude erweisen, dass es gerade der DOS-Betrieb ist, der ungeahnte Dynamik hervorbringt. außerdem benutzt diese Software den Druckerport, der sich ja nicht so schnell ändern wird (hoffentlich), dennman kann ja nötigenfalls LPT-Karten für billig Geld kaufen.

Ich stellte fest, dass ich mit der PCNC-Software meine BMC-Karte nicht ansteuern konnte. Auch die Treiber-ICs hatten nicht die richtigen Voraussetzungen. Also überlegte ich, ob ich die passende Karte von Conrad nehmen, oder vielleicht selber noch einmal zum Lötkolben greifen sollte. Ich entschloss mich allerdings, die Software gegen eine Takt-Richtungs-Variante bei Herrn Lewetz umzutauschen und dann eine eigene neue Treiberkarte für die Motoren zu löten.

Das Löten geschah dann auch.

Ich benutzte diesmal die Treiberbausteine IMT 901 von Nanotec (www.nanotec.de) was ganz tolle Dinger sind, weil schon alles eingebaut ist, was man so brauchen könnte. Diese Bausteine gibt es auch auf Anfrage bei Herrn Lewetz. Leider sind sie allerdings im 1,27-mm-Raster, was einem ein wenig "Fummelei" beschert. "Aber egal", dachte ich mir.

Nach Montage der Platine sah es im „Maschinenraum” so aus:


Deutlich zu erkennen ist auch das alte PC-Netzteil, was für die Spannungsversorgung gute Dienste leistet. Die eine Platine ist alles, was benötigt wird, um den Plotter zum Laufen zu bringen. Später sah ich noch ganz interessante ICs bei www.motionstep.de die Teiles sind aber nur gut zu verwenden, wenn man sowieso eine Platine ätzen möchte. Mit lochrasterkarten wird man mit diesen ICs nicht weit kommen:



Das Rastermaß beträgt 1,27 mm und pass somit nicht in eine Lochrasterkarte.

Aber weiter:

 


Ich spendierte auch gleich noch   ein paar Endschalter , die später für die Referenzfahrten zuständig sind. Hier ist auch noch einmal die schöne Muffe zu sehen.


Nun konnte es endlich losgehen. Ich spannte also erstmal einen Edding ein und versuchte einfach mal, eine Probeplatine ohne Skalierung zu plotten. Das ging schon mal sehr gut.


Danach traute ich mich an meine erste selbst gefräste Probeplatine, so richtig mit Skalierung und eingestellter Frästiefe und so weiter. Auch das Ergebnis war schon sehr verblüffend, wenn man bedenkt, aus welch einfachem Material die Maschine hergestellt ist.


Dies ist keineswegs schon eine fertige Platine, sondern vielmehr das absolut erste Produkt einer mittlerweile langjährigen Bastelzeit. Eine tolle Belohnung, wie ich finde.

Aber es gab noch mehr Tricks herauszufinden. Hier sieht man, wie ich die Vorschubmuttern an den 3 Schlitten befestigt habe:


Ich habe eine M6 Messingmutter auf ein kleines Kupferblech gelötet und dieses Blech dann mit Zweikomponentenkleber an der Holzkonstruktion festgeklebt. Das funktioniert wunderbar und hält auch super fest.

Nun bin ich gespannt, auf die erste fertige und brauchbare Platine und auch darauf, ob es möglich ist, Holzkonstruktionsteile aus einer dünnen Sperrholzplatte auszufräsen, um dann daraus einen kleinen Roboter basteln zu können...


(2003)
Ich habe es nun doch mal wahr gemacht und ein Holzteil ausgefräst. Aus einer 6 mm Buchen-Leimholzplatte fräste ich ein Kingelschild für unsere Haustür aus:


Oben sieht man den Fräser bei der Arbeit.


Danach habe ich den Schriftzug mit ultrahellen roten LED´s von hinten beleuchtet und das Holz mit Acryllack überzogen. Mit Messingschrauben habe ich es dann befestigt.


Das Weiße, was man in dem Schriftzug sieht, leuchtet nachts sehr schön rot. So in etwa sieht´s dann in völliger Dunkelheit aus :-) .

Danach habe ich mich dann noch einmal an eine Platine gewagt. Ich hatte ja immer Probleme, den Stift zum Plotten so genau wie möglich in Z-Richtung zu fahren. Leider ist die Stiftspitze dabei ständig kaputt gegangen, weil die ja meist nicht federt. Ich habe dann einen Edding 730 ausprobiert, bei dem ja die Spitze federnd gelagert ist, aber dafür verschiebt sich die Spitze bei dem Stift seitlich, so dass kein vernünftiges Bild zustande kam.


Deshalb habe ich aus einer Igus-Lineareinheit einen kleinen zusätzlichen Schlitten gebaut, an dem dann der Stift befestigt ist. Nun wird der Stift nur noch durch sein Eigengewicht auf das Werkstück gedrückt und das funktioniert prima. Als Stift eignet sich nun jeder wasserfeste Stift, den man in jedem Einkaufszentrum oder Büroladen bekommt. Ich habe einen Lumocolor „S“ benutzt.

Damit habe ich dann schon beim ersten Anlauf eine zwar nicht brauchbare, aber dennoch ganz passable Platine erzeugt (die Parameter im Layoutprogramm waren noch nicht richtig eingestellt). Aber das macht nichts ! Denn im Gegensatz zum Belichten kann ich nun so oft plotten, bis das Ergebnis 100% in Ordnung ist, denn der Edding bzw. Lumicolor lässt sich prima mit Nitroverdünnung (im Baumarkt erhältlich) abwischen und dann kann man noch einmal plotten. Bei einer falschen Belichtung oder beim verkehrten Konturenfräsen wäre die Platine jedes mal Schrott.

Sören Hölsken (Göttingen) schrieb dazu:

  • Meiner Ansicht nach ist es sehr empfehlenswert, anstelle von Nitroverdünnung Isopropanol zu verwenden. Mit Hilfe Isopropanol kann man die Striche wasserfester Filzstifte hervorragend entfernen, es sollte in Apotheken oder Baumärkten erhältlich sein und ist, wie ein Blick auf das sogenannte Sicherheitsdatenblätt zeigt http://www.wuerth.at/files/pdf/service/sdb/1892000005.pdf deutlich weniger "bedenklich", da es "nur" leicht entzündlich ist wo hingegen Nitroverdünnung eine gesundheitsschädliche und umweltgefährdende Substanz darstellt (vgl.  Punkt 3: Mögliche Gefahren).


  Ich bedanke mich für den Beitrag.


Der Lumicolor „S“ macht dann auf der Platine einen etwa 0.6 mm breiten Strich. Jetzt muss ich nur noch die Parameter des PCNC anpassen und ein geschicktes Layout wählen, um ein brauchbares Ergebnis zu erhalten. Danach fällt dann das leidige Belichten weg, was meistens sowieso nicht richtig funktioniert, wenn man keine teuren Spezialgeräte bzw jahrelange Erfahrung hat. Die Platine ist übrigens einfach mit Teppichklebeband auf den X-Y-Tisch aufgeklebt. Dazu genügt ein Stückchen von etwa 2 X 1 cm einfach in der Mitte.

www.viking.de
(Banner anklicken, um geeignete Stifte zu suchen...)


Natürlich werde ich auch noch feinere Stifte ausprobieren, ich habe schon wasserfeste Stifte mit 0,3 mm Strichstärke gesehen. Die gibt es dann aber auch nur noch im Büroladen. Aber zum Probieren sind die Lumococlor einfach toll.


Dies ist nun das erste Layout, aus dem später dann auch eine geätzte Platine entstand. Wichtig ist noch, dass man die Platine vor dem Plotten gründlich mit Stahlwolle reinigt, denn sonst haftet der Stift nicht richtig und es gibt Unterätzungen.

Ich habe den Plot mit PCNC und einem Lumocolor 0,3 mm gemacht und dabei die Funktion „Nullpunkt in der Mitte“ benutzt, denn sonst bekommt man die Skalierung einfach nicht in den Griff und muss jedesmal mit dem Taschenrechner rechnen.


Mit dieser Konfiguration war es dann möglich, eine erste Platine zu erstellen, die dann auch wirklich in Benutzung gegangen ist. Mit dem Hubmagnet ist es möglich, eine schnellere Stift- anhebung und Stift- absenkung zu erreichen, so dass die Platine viel schneller fertig ist.

(Sommer 2005:)
Da ich nun alle PCs auf das doch sehr gute Windows XP umgestellt habe, war es mir nicht mehr möglich, das PCNC zu benutzen. Die Nutzung von Windows XP empfahl sich aber,  da ich inzwischen zahlreiche  Mess- und Analyseprogramme angehäuft habe, die unter Windows XP  am besten laufen.  Wer übrigens meint, dass  Windows XP auf alten, schwächeren Rechnern nicht läuft, der irrt sich. Man muss nur ein wenig Geduld haben, denn es ist alles viel langsamer. Aber auf meinem 400er Dell Notebook läuft Windows XP unermüdlich und ohne jeglichen Absturz. Das ist auch gut so, denn noch mehr Windowsabstürze hätte ich nicht hingenommen und hätte komplett auf Linux oder Zeta gewechselt. Aber da ja nun Windows XP doch extrem stabil läuft (wenn man auch brav alle Updates mitmacht), brauchte ich mich nicht auch noch in Linux oder Zeta einfuchsen.

Also suchte ich erneut nach einer Software, mit der ich meinen Plotter antreiben konnte. Und ich wurde fündig.

--- NC - FRS Technik Fräsen ---


Dieses Programm ist sogar Freeware und in seiner aktuellen Version nun auch unter XP ausführbar. Es läuft zwar noch nicht ganz stabil, aber man kann ohne Probleme damit plotten und fräsen. Übrigens kann man die Pinbelegung des LPT-Steckers original von PCNC übernehmen. Mit diesem Programm machte ich dann weitere Versuche. Die Konturen im HPGL-Format xxxx.plt erstellte ich mit Sprint-Layout von www.abacom-online.de. Diese beiden Programme ergänzen sich erstaunlich gut, als wären sie füreinander gemacht und können ohne großatrige Einstellungen sofort miteinander benutzt werden.

Inzwischen schreiben wir das Jahr 2006 und mein Fräsplotter steht hier relativ unbenutzt auf einem Basteltisch.

Nun aber zu den am meisten gestellten Fragen zu dem Fräsplotter (FAQ):

Hast Du Baupläne für den Plotter ?

---> Nein, alles entstand wirklich als Bastelei, völlig ohne Pläne, "einfach drauf los..."

Hast Du den Schaltplan für die Schrittmotortreiber ?

---> Ja, ich habe viel später ( Frühjahr 2007 ) eine Schrittmotorsteuerung entworfen, die einfach zu bauen ist und relativ günstige Teile benutzt.

Die in dieser Steuerung benutzten ICs L297 und L298 passen dann auch in eine Lochrasterkarte, wenn man nicht ätzen möchte.

Wir schreiben nun September 2007 und ich habe mich entschlossen, einen neuen Plotter zu bauen. Daher wird dieses "Tagebuch" hier nun beendet, und ich danke für die Aufmerksamkeit.

Langsam entsteht nun ein komplettes System, das du baukastenartig zusammenstellen kannst. Ich nutze meine eigenen Basteleien selber zur Unterstützung größerer Projekte.


Ich hoffe, du hattest viel Freude an diesem Beitrag,


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