my CNC 3018 Upgrades and Improvements

CNC 3018 Pro - Verbesserungen

Updates (Im Aufbau):

Verbinden mit dem PC:

Controller-Board vom Mainboard abstecken!
Im Geräte Manager nach der Port-Nummer suchen
und 115200 Baud, 8 Datenbits, 1 Stopbit
bei den Einstellungen des Ports eintragen.

Mit der CNC-Software diesen Port mit der angegebenen Baudrate öffnen.
Eine Auflistung geeigneter Software finden Sie unter diesem GitHub-Link

Sollte ein externes Controllerboard angeschlossen sein wird die
Kommunikation mit einem der beiden Geräte nicht funktionieren!

Das Controllerboard kann in meinem Fall auch keinen Homing-Cycle 
ausführen, was dazu führt dass GRBL alle Befehle ignoriert. 
(Gilt nur wenn Endstops und Homing aktiviert sind)

1. Neue Firmware:

Installieren der neuen Firmware über Hex-Datei / Arduino Studio.
Sollte dieses nicht funktionieren kann mit einem 2.Arduino ein Flasher
gebaut werden, der direkt mit den Flash-Pins auf dem Mainboard verbunden
sein muss. (Arduino as ISP, BusPirate).
Die genaue Anleitung wird erstellt, sobald ich diesen Schritt bei meinem
Mainboard ausgeführt habe.

2. Schleppleine:

die Schleppleine dient zum führen der Kabel zur Spindel.
die Verwendung einer Schleppleine verhindert dass die Kabel
an einer Stelle extrem belastet werden und verhindert somit Kabelbruch.
Achten Sie auf ausreichend Kabellänge, damit keine Kabel durch die Bewegungen
gespannt werden. (Es droht Kabelbrand!)

3. Endstops

X-Min und X-Max Signal-Pin gemeinsam an Mainboard X anstecken.
+5V und GND auf alle Endstops verteilen (Löten oder Steckerleiste).
Um die Endstops zu aktivieren muss Hard Limit auf True gesetzt werden ($20=1).
anschließend kann das Homing aktiviert werden, welches anschließend auch die
Soft-Limits zulässt.
Für die Soft-Limits muss das Gerät seine Maße exakt wissen. Tasten Sie sich je
Achse an die richtigen Maße heran. Beachten Sie dass die Fläche durch die Endstops
eingeschränkt ist.
Eine Verbesserung kann durch invertierte Endstops erreicht werden. Diese lösen dann
ebenso bei einem Kabelbruch aus. Sie müssen diese anstatt parallel in reihe anschließen.

$21=1 – enable hard limits
$22=1 – enable homing cycle
$23=3 – invert X and Y homing direction
Type $130=300 to set the maximal x dimension
Type $131=180 to set the maximal y dimension
Type $132=40 to set the maximal z dimension
Type $$ to verify the changes.

4. (X,Y) - Z-Probe

Mainboard-Pin: A5
Standardmäßig aktiviert in der Firmware.
um die Z-Probe zu aktivieren muss Pin 5 auf Ground gezogen werden.
Z-Probe bietet sich bei Platinen an, indem eine Krokodilklemme am Fräser
und die andere Krokodilklemme an der Platine befestigt wird.

5. Not-Aus

Mainboard Pin: A0
um das Not-Aus zu aktivieren muss Pin A0 auf Ground gezogen werden.
Der Not-Aus löst einen kompletten Geräte Reset aus und ist in der Firmware
Standardmäßig aktiviert.

6. Pause/Resume

Mainboard-Pins: A1(Pause) und A2 (Resume)
wird der entsprechende Pin auf GND gezogen, so wird die Ausführung
des GCodes unterbrochen/weitergeführt.

7. Lüftersteuerung

Mainboard-Pin: A3
um den Lüfter zu aktivieren muss Pin A3 auf Ground gezogen werden.

8. Gehäuse:


Das Gehäuse weist folgende Eigenschaften auf:

• Sichtschutz: 

Bei geschlossener Front tritt keine Laserstrahlung aus.
Der Lüfter und die Kabeldurchführungen sind an der Rückseite blickdicht ausgeführt.

• Schallschutz:

Durch das geschlossene Gehäuse wird der Schallpegel im laufenden Betrieb reduziert.
Die Wände können zusätzlich mit schalldämmenden Matten ausgelegt werden.

• Staubschutz:      

Der Fräs staub wird durch den Spindellüfter von dem Werkstück entfernt und
verbleibt im Gehäuseboden bis zur Absaugung.
Durch das Design kann die Fräse auch in Wohnräumen verwendet werden.

• Bedienbar:

Das Frontpanel kann als Videoanzeige und manuelle Steuerung verwendet werden.
Hierfür bietet sich der Raspberry Pi mit Touchscreen und Kamera mit einem geeigneten
Web-Interface an.

• Geschützt:    

Im Gehäuse befindet sich ein Sensor, der beim öffnen der Front einen Not-Aus auslösen
oder den Auftrag pausieren kann.

Bei Laserbetrieb wird eine Warnleuchte auf dem Gehäusedeckel und der
Rauchabzug an der Gehäuserückseite aktiviert.Zusätzlich kann die Front
mit einem Magnethub verschlossen werden.

Die exakten Maße des Gehäuses können aus der Blender-Datei entnommen und dem
Schreiner vorgelegt werden. https://www.thingiverse.com/thing:3845579

9. Abdeckungen:

Für die Kabelführung bieten sich die Schienen an. Eine Abdeckung kann hier
https://www.thingiverse.com/thing:2851452
gefunden werden.

10. Spindle-Lüfter:

Direkt auf der Spindel montierter 3D-gedruckter Lüfter, der den Staub durch
die eigene Drehung der Spindel entfernt.
https://www.thingiverse.com/thing:2853095

Informationen:
- 45 Grad Winkel der Lüftungsblätter sind ein neutrales Verhältnis von
  Luftmenge zu Druck.
- Die Anzahl der Lüfterblätter entscheidet sich durch den Winkel wenn
  Start = Ende vorheriges Lüfterblatt.
- Ein Außenring am Lüfter sorgt für mehr Stabilität
- Durch die hohe Drehzahl der Spindel wird eine Unwucht erzeugt.
- Die Lager der Spindel werden zusätzlich belastet.
- Die Spindel braucht zusätzliche Kraft.
- Der Lüfter kann sich lösen.
- Die Luft strömt nach außen. (nicht im Zentrum der Drehung)
- Verwirbelung der Luft im Gehäuse (Staub wird verstreut)

Eine Absaugung an der Spindel ist in jedem Fall von Vorteil.

11. Laser:

Schließen Sie den Strom des Lasers erst an, wenn Sie Schutzvorkehrungen getroffen haben!
Der Laser wird an den vorgesehenen Port auf dem Mainboard angeschlossen.
Beim anschließen muss auf die Ansteuerung des Lasers geachtet werden.
0 = ON oder 0 = OFF. In meinem Fall hat der Laser nach dem einstecken
100% Leistung (also 0 = ON).

WARNUNG: 
Laserstrahlung ist extrem gefährlich und kann zum erblinden führen. 
Arbeiten Sie NIEMALS mit dem Laser wenn Sie keine Schutzvorkehrungen
wie z.B.
- Laserschutzkappe
- Laserschutzbrille oder Laserschutzglas
- abgeschlossenes Gehäuse mit einer Justierungskamera (z.B. Handykamera)
und Not-Aus getroffen haben! 

Firmware: Laser aktivieren ($-Kommando)
Firmware: PWM-Modulation für Graustufen lasern.

12. Laser-Lüfter:

Der beim Lasern entstehende Rauch muss abgesaugt werden.
Auf dem Mainboard steht dafür ein Lüfter-Pin zur Verfügung, der mit
dem GCode G8 und G9 aktiviert und deaktiviert werden kann.
Die Absaugung sollte nach außen geschehen. achten Sie bei der Montage
darauf dass bei dem Lüfter keine Strahlung austreten kann.

13. Orientierungslaser:

Die Orientierungslaser sind schwache Linienlaser (~1mw) und  werden an
der Spindle angebracht. Die Laser müssen so ausgerichtet werden dass
das Linienkreuz sich genau im Zentrum der Spindle befindet.

Bitte ebenfalls Warnhinweise zu Lasern beachten!
5mW können bereits eine Gefahr für das Auge darstellen.

Link zur Quelle mit Druckteilen



14. TL-Smoother

TL-Smoother glätten das Ausgangssignal zu den Steppermotoren und können
somit das Fräsbild verfeinern. Diese werden einfach zwischen zwischen Stepper
und Anschlusskabel angebracht. Diverse Youtube Videos
zeigen das Schwingungsverhalten der Stepper mit und ohne TL-Smoother.
TL-Smoother haben in meinem Fall das Geräusch nicht reduziert.
Empfehlung geht klar an einen ordentlichen Treiber Baustein anstatt dem Smoother.
(Mit TMC2208/2209 keinen Smoother mehr verwenden!)

15. Motor-Treiber TMC2208

Die regulär montierten Motortreiber sind günstige A4988 Treiber, die maximal 1/16
Teilschritte unterstützen, was zu einer starken Geräuschentwicklung und einer
Ungenauigkeit beim positionieren führt.

Abhilfe schaffen die besseren (und teureren) TMC2208 Treiber, welche 256 Schritte unterstützen.
Diese Treiber werden auf dem Board einfach durch die A4988 Treiber getauscht.
Beim tauschen auf die Beschriftungen GND und DIR achten!

Die Spannung der X,Y und Z-Stepper sollte auf ca. 0.95 V eingestellt werden.
Dazu mit einem kleinen Schraubendreher die Stellschraube am Treiber einstellen,
bis ein verbundenes Messgerät zwischen dem Motortreiber und GND die gewünschte
Spannung anzeigt. Sollte sich das Druckbild verschlechtern muss die Spannung nachjustiert
werden. (Die Werte sind Mittelwerte aus div. Internetforen)

Möglicherweise fahren die Stepper beim ersten Test in die falsche Richtung,
Die neuen Treiber haben (meist) getauschte 1A, 1B und 2A und 2B Anschlüsse.
Um dieses Problem (falls existent) zu lösen bieten sich 3 Möglichkeiten an:

1. Die Steckerleisten auslöten und um 180° drehen
2. Die Pins auf den Motorensteckern drehen (außen und außen drehen, innen und innen drehen)
3. Per Konfiguration die Steppermotoren invertieren ($2 Kommando)
(https://github.com/gnea/grbl/wiki/Grbl-v1.1-Configuration#2--step-port-invert-mask)

Nach dem Umbau und anschließender Konfiguration sollte der CNC3018 beim verfahren
weniger Geräusche machen und das Ergebnis sollte genauer sein.

16. Gleitlager:

wem die Lautstärke immer noch zu hoch ist, der kann die Lager durch die Gleitlager RJ4JP
tauschen. Gleitlager erfordern für den Reibungslosen betrieb eine exakt gerade Stange. Prüfen

sie nach dem Einbau dass die Gleitlager an keiner Stelle klemmen und verwenden Sie Lagerbuchsen

um die Gleitlager zu Montieren.

17. Füße

Schwingungsdämpfende Füße sollten angebracht werden, um zu verhindern dass
die Schwingungen des Geräts auf umliegende Gegenstände übertragen werden.
Hierzu eignen sich am besten Korkplatten aus dem Baumarkt.

18. Elektronikgehäuse (Intern):

Gehäuse für das Mainboard und die Verkabelung. Durch die Staubverwirbelungen
im Gehäuse kann sich der (teils leitende) Staub auf der Platine absetzen und im
schlimmsten Fall einen Kurzschluss verursachen. Ein Elektronikgehäuse schützt
vor Staubansammlungen auf der Platine.

19. Halterungen:
https://www.thingiverse.com/thing:901649
+ T-Nut Mutter

3,. 500W Spindel:



21. Bluetooth:


22. Webinterface

Empfohlene Konfiguration:
cncjs            (Web-Interface auf NodeJS - RaspberryPi)
jscut             (Nur SVG zu GCode Converter, enthalten in GRBLWeb)
                    CNCJS integration muss noch überprüft werden.

grbljs
grblweb       (nicht empfohlen, mit jscut)
octoprint      (Nur geringer Support über Plugin)
Laserweb4

23. Serialport durchschleifen

Wird die CNC-Fräse über einem Raspberry-Pi bedient, so bietet es sich an den
Seriellen Port des Geräts im LAN zu veröffentlichen. Dazu wird auf dem Pi das
Softwarepaket Ser2Net installiert. Mittels BCNC / UGS kann dann eine Verbindung
z.B. über Wlan auf "Socket://Raspi-IP:2217" aufgebaut werden.

24. Kamera

BCNC unterstützt einen Kameramodus, der für das exakte Positionieren
enorm hilfreich sein kann. Zudem bietet sie Sicherheit und Überwachbarkeit
beim Lasergravieren.

25. Automatische Suche der Fräserlänge (Erkennung der Werkstückhöhe)
Via extra Touch-Platte. TODO

26. Drag-Knife               
um z.B. Vinyl oder Kartonagen zu schneiden.
Mein Tipp: Drag-Knifes kosten bei Amazon mit 15 Messern rund 10€: Amazon-Link

Der Nachbau mit Lagern und dem Material kostet mehr und funktioniert in der Regel schlechter.

Wer sich doch für eine Eigenentwicklung entscheidet, der kann das 3D-Modell
von hier als Vorlage verwenden: Thingiverse.
Bei der Verwendung von Drag-Knifes muss der GCode auf das Messer angepasst werden.
Die Software bcnc kann das "verschleifen" der Kanten berechnen.

27. Ritznadel                 
Gravur auf z.B. Glas/Stahl: (Tungsten-Carbide-Hartmetallschreiber): Amazon

28. Umbau zum Laserscanner
durch das abgedunkelte Gehäuse und die Linienlaser bietet sich die Möglichkeit
an Objekte in 3D einzuscannen. Plan ist ein Umbau der X-Achse zu einem
Rotationsbrett, auf welchem sich das Objekt befindet und durch den Linienlaser
bestrahlt wird. Die Kamera nimmt aus jeder Position die krümmung der Strahlen
auf und berechnet daraus ein 3D-Modell.

29. Wie geht es weiter / weitere Ideen

- LED-Beleuchtung      für Kamera betrieb bei geschlossenem Gehäuse.
- Manueller Antrieb      (Vorsicht nach Homing!)
- Dremel/Proxxon         Halterung
- Stift-Plotter                 für Testzwecke und Plots
- Falz-Plotter                 um z.B. den Falz für Kartonagen zu Prägen. (Youtube: Edgeremover)
- Mess-Plotter               für Testzwecke die Höhe der Z-Senkung auf 1/100mm genau bestimmen
- Platinen-Bestücker     Bauteile platzieren und verlöten
- Bit-Halterung
- 4. und 5. Achse nachrüsten
- Update Offline Controller Firmware (Kommunikation PC + Offline)
- Servomotoransteuerung für Stift anheben / senken (z.B. EggBot)

Links / Quellen:

http://www.bogdanberg.com/2018/09/07/cnc-upgrades-and-improvements/

https://www.instructables.com/id/Upgrade-Your-CNC/