Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Guten Tag die Herren (und Damen, falls auch anwesend!?)
Wie schon einmal angekündigt, habe ich mich im Zuge meines Masterstudiums in einer Projektarbeit der Untersuchung der Shapeoko2 gewidmet und möchte nun, nach Abgabe der Arbeit auch hier meine Ergebnisse veröffentlichen.
Zunächst zu der Maschine, die ich getestet habe: Es ist ein Kit aus dem Shop hier mit den Abmessungen 300x500mm. Verbaut sind die normalen NEMA17 Motoren.
Ich habe neben einer kleinen FEM-Analyse, um die Verformungen in der Konstruktion abzuschätzen, mich hauptsächlich auf die Vermessung der Arbeitsgenauigkeit konzentriert. Dabei habe ich die Positionierungs- und Wiederholpräzision erfasst, einen Kreisformtest durchgeführt und ein Prüfwerkstück (ja, leider nur eins) vermessen.
Anbei die komplette Arbeit, im Folgenden möchte ich aber die wesentlichen Diagramme zeigen.
Re: Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Zur FEM-Analyse:
Ich wollte einfach mal sehen, ob irgendeine Komponente sich stark verformt. Ob die Endplatten dick genug sind, die Alu-Schienen murks sind. Ich habe dazu das original STEP-Modell benutzt und meine Frässpindel und -halterung hinzugefügt. An der Fräserspitze habe ich eine Kraft von 10N in X und 10N in Y-Richtung angegeben; Einspannung an den 20x20 Aluprofilen, die auf dem Boden aufliegen würden. Die V-Rollen habe ich nicht mitmodelliert sondern durch rigide Balkenelemente ersetzt.
Zunächst fällt auf: Hauptverformungen natürlich am Bohrer, der Spindel und ihrer Halterung. Die dann mal außen vor gelassen bleibt an der Fräse an sich eine Verformung bis 0,03mm an der Z-Mountplate und dem Gewindelager der Z-Achse aus PA. Wie in einem anderen Post zu sehen, habe ich meine Z-Achse nun etwas umgebaut. Die Spindel sitzt nun näher an der Achse und dadurch müsste das Moment das auf die Z-Mountplate wirkt, entstehend durch die Kraft am Bohrer, geringer sein. Das müsste ich nochmal überprüfen in einer Simulation.
Re: Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Positioniergenauigkeit:
Hier werden nach DIN 230-2 11 Haltepunkte (mit zufälligem Abstand) bei Hin- und Rückfahrt jeweils 5 mal angefahren. Gemessen wurde die X- und Y-Achse mit einem Linearmaßstab (nicht kraftlos!) und einem Laserinterferometer (Kanonen&Spatzen). Ermittelt werden (rechnerisch) dann Umkehrspanne, gemittelte Positionsabweichungm Wiederholpräzision und schließlich ein "vollfaktorieller" Wert für die Genauigkeit.
Zunächst die X-Achse mit dem Linearmaßstab: -man erkennt eine Tendenz in den Messpunkten. Mit jedem Durchlauf wird die Umkehrspanne größer. -die Schwankungen in der Abweichung sind annähernd parallel auf Hin- und Rückweg -die Umkehrspanne ist recht groß, bei der Lasermessung aber wesentlich kleiner -die Wiederholpräzision dagegen gut!
Re: Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Bei der Y-Achse ein etwas anderes Bild:
-Bei der Messung mit dem Linearmaßstab sehr gute Wiederholpräzision -bei der Messung mit dem Laserinterferometer "wandern" die Ergebnisse nach oben. Vermutlich: Schrittverlust in jedem Durchgang... -bei der Messung mit dem Laserinterferometer fiel auf, dass die Kurve stark abfällt (oranger Graph). Ursache eine schlechte Kalibrierung der Schrittweite, die zuvor mit dem Linearmaßstab auf einem wesentlich kürzeren Messweg erfolgte. Daher nachträgliche korrektur der Schrittweite. -trotzdem dann bei der Lasermessung bessere Genauigkeit! Grund kann nur die kraftfreie Messung sein. Die Ergebnisse der X-Achse bestätigen das.
Re: Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Z-Achse:
-enorm gute Wiederholpräzision -so gut wie keine Umkehrspanne
Schlussfolgerung: -Der Gewindeantrieb, so friemelig bei der Montage, bringt sehr viel mehr Genauigkeit rein und ist dafür für mich nicht das Hauptproblem dieser Fräse. -die "Spanne der gemittelten zweiseitigen Positionsabweichung M", im Diagramm durch die Differenz von größtem und kleinstem Wert der dicken schwarzen Linie in der Mitte abzulesen, ist bei allen Achsen etwa gleich. Daher führe ich diese Ungenauigkeit auf die Motoren zurück. -das Hauptproblem ist also die Umkehrspanne, die signifikant nur in X- und Y-Achse vorhanden ist und nur durch den Riemenantrieb kommen kann.
Re: Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Kreisformtest:
Hier wird ermittelt, wie weit ein Kreis von seiner idealen Sollbahn abweicht. Ermittelt wurde dieser in der X-Y-Ebene. Durchgeführt je zwei Messungen bei 100 mm/min und 1000 mm/min.
Die schlaue Software errechnet:
-Hauptprobleme sind das Umkehrspiel (wissen wir ja schon, s.o.), der Quadrantenübergang (durch Stillstand des Motors bei Bewegungsumkehr), Rechtwinkligkeitsfehler (Montage, aber 0,05°... nunja) und relativer Maßfehler (Eine Achse legt größeren Weg zurück als die andere)
Re: Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Schließlich noch ein indirektes Vermessen der Maschinengenauigkeit durch Anfertigen eines Prüfwerkstückes. Ich habe ein achsparalleles Quadrat in einem 45° verdrehten und 2 Kreise vermessen.
-die Parallelität ist, anders als erwartet, im achsparallelen Quadrat schlechter!! -die Rechtwinkligkeit ist im gedrehten auch sehr gut! im achsparallelen ok -die Rundheit des Kreises weicht etwas ab, aber 0,16mm finde ich absolut ok. die Soll-Ist-Differenz einmal supergenial, einmal lala.
Re: Studienarbeit über die Shapeoko: FEM, Positioniergenauigkeit, Kreisformtest
Und nun, lasset uns diskutieren
Meine Meinung, da auch hier im Forum viel über die neue Shapeoko3 diskutiert wird (Wann wird sie ENDLICH angeboten??):
Ich verstehe nicht, wieso (vorausgesetzt bei normalen Abmessungen) die Profile überarbeitet und derart aufgebohrt wurden, aber die Art der Antriebe über die Riemen geblieben ist. Ich denke, wir sollten hier ansetzen und, wenn die Genauigkeit erhöht werden soll, einen noch einigermaßen günstigen, aber einfachen Antrieb entwerfen, der hier ansetzt: weg vom Riemen! Die Z-Achse macht es vor. Die Genauigkeit ist viel besser, aber die Montage verlangt doch stabile Nerven. Eine ganz normale Gewindestange bringt also schon gute Ergebnisse, dürfte aber durch die kleine Steigung zu langsam sein für die großen Achsen X und Y. Und die Lagerung ist hier natürlich der Knackpunkt.
Möglichkeiten sehe ich durch Zahnstangen (kein Problem durch Lagerung einer Achse) und natürlich die Trapezgewindestangen.
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