CNC-Fräse

Transformator

Netzteil

Als Projektarbeit im Studium (4. Semester) wurde in einer Gruppenarbeit eine CNC-Fräse von Grund auf entworfen. Meine Aufgaben hierbei waren die Entwicklung eines Netzteils, eine Relaisplatine für Steuersignale sowie die Signalaufbereitung vom PC bis zur Schrittmotor-Endstufe.

Im Netzteil wurde als Trafo ein Ringkerntrafo der Tauscher Transformatoren GmbH verwendet, welcher uns dankenswerter Weise kostenlos zur Verfügung gestellt wurde.

Dieser Trafo war eine Sonderanfertigung für uns, da die benötigten Leistungsdaten (42V, 20A) eher selten sind. Die Primärseite ist trafointern abgesichert, die Sekundärseite mit je 2 Feinsicherungen pro Phase. Es können (je nach benötigter Leistung) bis zu 6 Gleichrichter eingebaut werden. In der aktuellen Konfiguration sind 2 verbaut.

Elko-"Batterie"

Auf der Netzteilplatine sind 2 Schaltnetzteilstufen mit einem L4960 verbaut. Die Spannung der beiden Stufen lässt sich mit einem Poti zwischen 5-42V einstellen. Eine Stufe ist über einen Jumper fest auf 5V eingestellt (für die Logik), die zweite Stufe liefert eine Spannung von 14V (für die Relais + Endstufe).

Ebenfalls auf der Netzteilplatine ist eine Ladeelektronik für die Elkobatterie, so dass diese beim Einschalten zuerst mit einem geringen Strom über einen Lastwiderstand geladen wird. Mit einer Z-Diode, einem Poti und einer Transistorschaltung wird die Spannung an den Elkos gemessen. Ab einer einstellbaren Spannung (z.B. 30V) wird der Widerstand mit einem Relais überbrückt und die Elkos direkt an die 42V gelegt.

Die Elkobatterie dient als Puffer. Die Dimensionierung ist für die aktuelle Konfiguration sicherlich mehr als grosszügig (Gesamtkapazität 56400 µF / 63V); jedoch wurden Reserven für grössere Motoren bzw. zusätzliche Achsen eingeplant. Voll geladen ist es jedoch nicht ratsam, die Kontakte des Puffers zu berühren; weder mit dem Finger, noch mit anderen Gegenständen wie Schraubenzieher etc.

Optokoppler

Relay-Karte

Die Signalübertragung vom PC zur Fräse musste potentialfrei entworfen werden (42V in einem 5V Logiksystem können "tödlich" für die Elektronik sein). Hierzu wurden die Signale über Optokoppler getrennt. Vom PC zur Fräse wurden 12 Kanäle (8 Datenleitungen + 4 Steuerleitungen), für den Rückweg 5 Kanäle entkoppelt. Der Signalweg aller Kanäle ist jedes mal der Gleiche: Das Signal wird über einen Optokoppler auf die "andere Seite" übertragen. Ein Inverter, versorgt durch die Stromversorgung der jeweils "anderen Seite" (beim PC über einen zusätzlichen USB-Anschluss), berichtigt den Pegel wieder, da die Optokoppler die Signale selbst invertieren.

Auf der Relaisplatine befinden sich 4 Relais, die den 3 von der Software zur Verfügung gestellten Schaltsignalen zugeordnet werden können. Die Auswahl wird hier mit Jumpern getroffen. So kann jedes Signal jedem Relais zugeordnet werden. Die Relais können auch mehrfach belegt werden. Dioden (1N4148) verhindern dabei eine gegenseitige Störung der Quellsignale. Als Treiber für die Relais wurde ein einfaches Darlington-Array (ULN2803) verwendet. LEDs geben jeweils den Zustand der Relais und Schaltsignale an.