Da der Arduino die CNC Fräse nicht direkt ansteuern kann, die für die NEMA Stappermotoren benötigte Strom und die Spannung sind zu hoch, wird eine zusätzliche Platiune benötigt die diesen zu Verfügung stellt. Nun könnte man sich mit drei zusätzlichen Motortreibern für Stepmotoren und einem eigenen Programm behelfen, aber es geht auch sehr viel bequemer.
Für die CNC Anwendung ist ein fertiges Arduino CNC Board, das sogenannte CNC Shield, zu bekommen, das sich perfekt eigent um eine kleine CNC Maschine damit zu steuern. Darauf befinden sich Steckplätze für bis zu vier A4988 Schrittmotor Treiber, die max drei Schrittmotoren getrennt voneinander ansteuern können, es können allerdings auch zwei Treiber (= Schrittmotoren) für eine Achse verwendet werden (clone). Beim Einstecken der A4988 Treiber ist unbedingt die Pinbelegung zu beachten, werden die Treiber verkehrt montiert können diese, umd im schlimmsten Fall der Arduino, irreparabelen Schaden nehmen. Der Enable Pin ist auf dem Treiber und dem Board (Shield) mit EN gekennzeichnet. Das Board und der Arduino UNO und werden mit der GRBL Open Source (G-Code Steuerung) Software betrieben.
Die Schrittmotoren können mit Microsteps betrieben werden. Hier sind Vollschritte, Halbschritte, 1/8 und 1/16 Schritte möglich. Die Schritte werden mit max. 3 Jumpern für jede Achse getrennt eingestellt.
Darüberhinaus befinden sich für jede Achse zwei Eingänge für die Endschalter, ein Ausgang für die Spindel EIN/AUS und Drehtrichtung sowie ein Ausgang für die Kühlung. Eingänge für Not-Aus, Unterbrechen des Fräsauftrages sowie Abbrechen des Fräsauftrages sind ebenfalls vorhanden.
Die Eingangsspannung für den CNC Shield beträgt 12 bis 36V=, anders als der Arduino der mit 9 bis 12V= betreiben wird. In jedem Fall ist vor dem ersten Einschalten die Polarität zu beachten und sicherzuustellen!
Die benötigten Bauteile bekommt man bereits in praktischen Set's fertig zusammengestellt bei Amazon . Hier sind verschiedene Sets zur Auswahl, nur CNC-Shield, mit Arduino, mit zusätzlichen Motortreibern, mit zusätzlichen Motoren oder Endschaltern, je nach dem was bereits vorhanden ist.
Die Montage der einzelnen Baugruppen ist denkbar einfach. Zuerst das CNC Shield auf den Arduino Uno stecken, dabei beachten das keiner der PIN verbogen wird.
Mit den Jumpern wird der Schrittmodus ausgewählt. Hierfür stehen drei Steckplätze zu Verfügung die 5 verschiedene Schrittmodi (mikroschritte) ermöglichen:
Diese werden mit den Jumpern nach folgenden Schema eingestellt:
Ich habe mein CNC Shield auf Achtelschritte eingestellt (im weissen Kreis).
Anschließend die drei Steppermotortreiber A4988 in das CNC Shield einstecken. Hierbei auf die richtige Einbaulage achten. Auf dem CNC Shield und den Treibern ist der Enabled PIN mit "EN" gekennzeichnet. Man kann die Treiber auch um 180° aufstecken, was wirklich keine gute Idee ist.
So stecken sie richtig herum. Auch auf die Kühlkörper sollte man auf keinen Fall verzichten, die Endstufen werden im Betrieb recht warm.
So ist der Arduino, das CNC Shield und die Treiber richtig montiert.
Die Treiber müssen nun noch auf den richtigen Strom eingestellt werden. Hierfür mißt man die Spannung zwischen jedem Poti der Treiber (Plus) und dem Minuspol der Spannungsquelle.
Die drei Steppermotortreiber A4988 müssen nun noch auf den erforderlichen Strom von 1A eingestellt werden. Die erfolgt an dem kleinen Poti. Der dazu nötige Kreuzschraubendreher wird mit der roten Plus Leitung eines Spanungsmessers verbunden, die schwarze Minus Leitung mit dem Minuspol der Spamnnungsversorgung. Das Poti wird nun solange gedreht bis der Spannungsmesser einen Spannung von 0,6V anzeigt. In meinem Fall waren alle drei Steppermotortreiber A4988 offenbar schon ab Werk eingestellt, so das es hier nicht allzuviel zu tun gab.
Der letzte Anschluß ist die Versorgungsspannung 12V bis 36V=. Auch hier ist die Polatität des Anschlusses sicherzustellen. Leiber einmal öfter prüfen als gar nicht. Als Versorgungsspannung habe ich ein stabilisiertes Netzteil mit 24V= verwendet, das sich auch noch in der Werkzeugskiste fand.
Der Arduino-UNO mit CNC Shield und Treibern A4988 ist nun bereit seine Tätigkeit aufzunehmen.
Die Steppermotor-Treiber auf dem CNC Shield werden im Betreib spürbar warm. Hier bietet es sich an eine konstante Kühlung in Form eines kleinen Lüfters vorzusehen. Dieser sollte mittig über den Teiberstufen und ihren Kühlkörpern platziert werden. Der Arduino Uno mit dem CNC Shield sollte auch später einfach per USB Kabel mit dem PC verbubden werden können. Da leigt es nahe ein kleines Gehäuse zu konstruieren das dies Funktionen übernimmmt, die Baugruppe schützt und den Einbau in ein geschirmtes Gehäuse erleichtert.
Der "Aruino-CNC-Halter" ist dreiteilig, der Boden (rot) stammt vom einem anderen Projekt, einer Gebäudebeluchtung. Der Deckel (grün) hat oben einen Aufnahme für einen 40mm Lüfter, der sich noch in der Bastelkiste fand. Die Front (gelb) wird später an der Außenseite des geschirmtes Gehäuses montiert und ist mit einer Beschriftung versehen.
Für die Montage des "Aruino-CNC-Halter" im geschirmten Gehäuse werden nur runde Löcher benötigt, die sich mit einem Schälbohrer leicht in das Blech des Gehäuses einbringen lassen.
Den Werdegang der Konstruktion, vermessen der Platine und umsetzten in einen Konstruktion will ich mir an dieser Stelle ersparen, wohl aber die STL Dateien zum Nachdrucken zu Verfügung stellen.