Tolocar/Maslow4 (Open Source CNC router)/de

▼Diese Seite ist Teil des Tolocar -Projekts der GIZ . Die Inhalte sind frei bearbeitbar , das heißt, wir ermutigen Sie, alle Materialien unter Beachtung der Lizenz zu bearbeiten und wiederzuverwenden .

Die Maslow4 ist eine kompakte CNC-Fräsmaschine für große Formate. Sie ist das neueste Modell der Maslow-CNC-Familie (Stand 2023) und stellt die nächste Generation sowie eine komplette Neuentwicklung der ursprünglichen Maslow dar.

Es handelt sich um eine vollständig quelloffene und kostengünstige Alternative zu großformatigen CNC-Fräsmaschinen, die auch für Privatpersonen zugänglich ist. Sie ist primär als Werkzeug gedacht, mit dem Bastler Designs wie OpenDesk zu Hause oder in der Garage umsetzen können. Sie benötigt wenig Platz, ist in wenigen Minuten aufgebaut und kann großformatige Objekte bis zu 2,4 x 1,2 Meter mit millimetergenauer Präzision bearbeiten.

Die Hauptmerkmale dieser Konstruktion sind ihre Kompaktheit und sogar ihre Portabilität (je nach Definition des Begriffs). Zudem kann sie in verschiedenen Winkeln eingesetzt werden – von vollständig horizontal bis nahezu vertikal (bis zu 75 Grad) – wodurch der Platzbedarf für eine großformatige CNC-Fräse drastisch reduziert wird.

Sämtliche Designdateien, Firmware und Software von Maslow4 werden unter der GNU(?)-Lizenz vertrieben.

Maslow4 wird vom Tolocar -Projekt unterstützt.

Allgemeine Informationen

Maslow 4 gehört zur Familie der Tensegrity-Roboter. Das bedeutet, dass er sich mithilfe von unter Spannung stehenden Elementen fortbewegt. Dadurch kann Maslow 4 präzise Bewegungen ausführen, ohne teure oder hochpräzise starre Bauteile zu benötigen. Vier stahlverstärkte Gurte fixieren Maslow 4 sicher auf der Schneidfläche.

Die speziell angefertigte Fünf-Achsen-Steuerplatine treibt vier leistungsstarke Gleichstrom-Servomotoren (Planetengetriebe mit magnetischen Encodern) und zwei Schrittmotoren (für die Z-Achse) an. Jede Servoachse wird unabhängig gesteuert und verfügt über eine Echtzeit-Stromrückmeldung, sodass Maslow die Spannung jedes Riemens „fühlen“ kann. Die Steuerung ist mit WLAN-, Bluetooth- und USB-C-Anschlüssen ausgestattet.

Maslow4 lässt sich von jedem Windows-, Linux-, Mac-, iOS- oder Android-Gerät mit WLAN-Verbindung steuern (kein App- oder Software-Download erforderlich). Verbinden Sie sich dazu entweder direkt mit dem von Maslow erstellten WLAN-Netzwerk oder, falls vorhanden, mit Ihrem Heimnetzwerk. Eine Internetverbindung ist nicht erforderlich. Bluetooth- und USB-C-Verbindungen sind ebenfalls möglich.

Maslow 4 kalibriert sich vollständig selbst. Es nutzt seine Servomotoren automatisch, um eine Reihe von Bewegungen und Messungen durchzuführen (indem es an den Riemen zieht, bis es erkennt, dass diese korrekt eingestellt sind) und die Ergebnisse aufzuzeichnen. Anschließend optimiert es die Kalibrierung mithilfe eines genetischen Algorithmus.

Die Ankerpunkte können beliebige vier starre Punkte sein. Sie müssen weder präzise angeordnet noch rechteckig sein.

Hintergrund

Vor sechs Jahren wurde die Open Source CNC-Fräse (Maslow) eingeführt.

Im Rahmen einer Kampagne wurden vielfältige Designs entwickelt und eine weltweite Gemeinschaft gebildet. Alle dabei gewonnenen Erkenntnisse flossen in den Bau von Maslow 4 ein.

Maslow 4 ist eine komplett überarbeitete Version des Originalmodells, jedoch verbessert.

Welche Vorteile bietet diese Lösung?

Die Vorteile von Maslow 4 sind:

• Es kann über WLAN mit jedem Modembrowser verbunden werden.
• Es lässt sich leicht zusammenbauen, Spezialwerkzeug wird nicht benötigt.
• Der Wi-Fi-Controller ist wesentlich schneller und selbstkalibrierend.

Mechanische Konstruktion

Maslow4 besteht aus vier „Armen“, die sich um den Fräskörper drehen und zwischen zwei ebenfalls um den Fräskörper befestigten „Klemmen“ fixiert sind. Die Fräse ist an vier Punkten auf dem „Schlitten“ montiert: Zwei dieser Punkte bilden die Wellen der Z-Achsen-Schrittmotoren, die anderen beiden gleiten mithilfe von vier Linearkugellagern auf den am Schlitten befestigten Stangen.

Der Fräskörper lässt sich mithilfe zweier Schrittmotoren der Z-Achse auf und ab bewegen. Die gesamte Maschine wird durch je einen Motor in jedem der Arme bewegt, der an den Riemen zieht oder sie freigibt und so die Position der Fräse auf der Fräsfläche verändert.

Die Arme können sich frei um den Körper drehen, sodass die Riemenspannung sie stets so ausrichtet, dass die Riemenenden immer im Zentrum der Fräse zusammentreffen. Dies vereinfacht die interne Programmberechnung erheblich und reduziert Fehler.

Anders als beim ursprünglichen Maslow sind beim Maslow4 alle Elektronikkomponenten auf dem Schlitten montiert. Dies bietet dem Benutzer maximale Flexibilität bei der Montage. Der Rahmen des Maslow4 kann aus vier beliebigen, starren Verankerungspunkten bestehen. Beispielsweise kann er aus Holz oder Aluminium gefertigt sein oder einfach mit im Boden oder einer Betonauffahrt gebohrten Ankern befestigt werden.

Maslow4 ermittelt seine Position ausschließlich durch Messung der Riemenlängen. Jeder Arm ist mit einer Encoderplatine ausgestattet, die mithilfe eines im Inneren der Rolle integrierten Magneten die absolute Position der Rolle misst, durch die der Riemen läuft.

Algorithmus

Allgemeine Mathematik der Positionierung

Maslow4 verwendet keine anderen Eingangsgrößen als die Bandlängen, um seine Position im Arbeitsbereich zu bestimmen.

Theoretisch bräuchte man, wenn man die Position der Ankerpunkte kennt, nur die Längen zweier Riemen, um die Position zu bestimmen. Die Position entspricht dem Schnittpunkt zweier Kreise, deren Radien den Riemenlängen entsprechen und die durch die Ankerpunkte zentriert sind. Normalerweise gibt es zwei Punkte, die dieser Gleichung entsprechen, wobei einer davon jedoch immer außerhalb des Arbeitsbereichs liegt und daher vernachlässigt werden kann.

Maslow4 verwendet 4 Bänder, um seine Position zu bestimmen.

Kalibrierungsprozess

Um ihre Position in der XY-Ebene zu bestimmen, benötigt die Maschine die Abstände zu den Ankerpunkten. Dies erfordert jedoch eine sehr genaue Kenntnis der Ankerpositionen. Das ist eine der Herausforderungen bei Maschinen dieser Art. Die Ermittlung der tatsächlichen Koordinaten der Ankerpunkte erwies sich für die meisten Aufbauten und Anwender als große Schwierigkeit.

Aus diesen Gründen verwendet Maslow4 ein neues Kalibrierungsverfahren, das die Koordinaten der Ankerpunkte bestimmt.

Maslow4 beginnt mit den Näherungswerten für die XY-Koordinaten der Ankerpunkte. Zuerst werden alle vier Riemen in die Nullposition zurückgezogen, um die Nullposition der Riemenlänge zu kalibrieren. Anschließend werden die Riemen ausgefahren und an den Punkten fixiert. Maslow fährt nun ein 10x10-Punkteraster ab, das über die Mitte des Arbeitsbereichs verteilt ist. An jedem Punkt zieht die Maschine zwei der unteren Riemen zurück, bis sie unter Spannung stehen. Die Spannung wird anhand der Stromrückmeldung der Motoren erfasst. Anschließend werden an jedem Punkt die Längen der gespannten Riemen gemessen. Auf diese Weise erhalten wir 100 Datensätze mit Riemenlängen.

Wenn die Koordinaten der Ankerpunkte stimmen, sollten diese Messungen alle an denselben Punkten übereinstimmen. Da wir mit einer Näherung der Koordinaten beginnen, verwenden wir den folgenden evolutionären Algorithmus, um die exakte Lösung zu finden.

1. Zunächst bestimmen wir durch Verschieben jedes Messsatzes entlang des Winkels des Gurtes gegenüber der Koordinatenebene den Satz von Winkeln, bei dem die Gurtenden jedes jeweiligen Satzes einander am nächsten liegen.
2. Dann bestimmen wir den Ankerpunkt, also das Bandende, das am weitesten von den anderen Bandenden entfernt ist.
3. Wir ermitteln die Richtung, in die wir die Position des Ankerpunkts verschieben müssen, um diese Differenz zu verringern.
4. Wir lenken den Punkt in die besagte Richtung.
5. Gehe zurück zu 1.

Wir führen diesen Zyklus so lange aus, bis wir das globale Minimum der Lösung erreichen – eine Lösung, bei der die durchschnittlichen Abstände zwischen den Bandenden minimal sind und sich durch Verschieben der Ankerpunkte in keine Richtung weiter verbessern lassen. Dies liefert uns die Lösung, die der realen Lösung am nächsten kommt.

Hardware

Die Maslow4-Steuerplatine ist eine speziell entwickelte Open-Source-Leiterplatte. Der Hauptcontroller ist ein ESP32-S3-Chip. Sie steuert über Motortreiberplatinen vier Gleichstrommotoren, vier magnetische Encoder, zwei Z-Achsen-Schrittmotoren, einen integrierten SD-Speicher und einen Lüfter.

Firmware

Maslow4 ist ein Zweig der Open-Source-CNC-Firmware FluidNC (ehemals Grbl_Esp32). Sie verwendet eine eigene Maslow-Konfigurationsdatei und dieselbe Weboberfläche, die auf dem Open-Source-Projekt ESP3D-UI basiert und nur geringfügig angepasst wurde. Die Weboberfläche ermöglicht die vollständige Steuerung der Maschine – von der Kalibrierung über die Statusmeldung bis hin zur Echtzeit-Überwachung des Bearbeitungsvorgangs. Sie unterstützt Standard-G-Code-Dateien, die über die Weboberfläche geladen werden können.

Die Weboberfläche ermöglicht die Steuerung von Maslow4 von jeder Plattform und jedem Browser aus, auch auf leistungsschwachen und älteren Rechnern.

Teile und Baugruppe

Maslow4 basiert auf der handgeführten CNC-Fräse DeWalt DWP611 (in Europa als DeWalt 26200 bekannt). Sie besteht aus vier „Armen“, die sich um den Fräskörper drehen und von zwei „Klemmen“ zusammengehalten werden. Diese Arme sind mit zwei Schrittmotoren und zwei Stützstangen am „Schlitten“ befestigt.

Der Fräser mit Armen kann dann relativ zum Schlitten auf und ab gleiten, angetrieben von zwei Z-Achsen-Schrittmotoren.

Die Steuereinheit ist auf einer Kunststoffbasis befestigt, die an der DeWalt-Oberfräse eingeklemmt wird. Sie verfügt über eine Abdeckung mit integriertem Lüfter. Die Luftkühlung der Oberfräse wird ebenfalls zur besseren Kühlung der Steuereinheit genutzt.

Der Schlitten verfügt über ein Staubabsaugsystem mit einem Staubschlauchanschluss, an den jeder Staubsauger zur Staubabsaugung angeschlossen werden kann.

Jeder der Arme besteht aus einem Kunststoffsockel mit einem daran befestigten Gleichstrommotor und einer Encoderplatine. Der Gleichstrommotor mit Getriebe ist über die Zahnräder mit dem Hauptzahnrad der Spule verbunden, um das der Riemen gewickelt ist. Der Riemen tritt zwischen zwei Rollen aus dem Arm aus, von denen eine einen eingebauten Magneten zur Messung der Riemendehnung enthält.

Auswirkung

Die Maslow4 ist als erschwingliche CNC-Fräse für große Formate konzipiert, die für die meisten Anwender kostengünstig ist. Ihre Spezifikationen sind für die meisten Projekte, wie die Anfertigung individueller Möbel und Einrichtungsgegenstände nach Open-Source-Designs, mehr als ausreichend. Dies ermöglicht eine dezentralere und demokratischere Möbelproduktion. Ein übergeordnetes Ziel ist die Senkung der Wohnkosten durch die Förderung des Open-Source-CNC-Ökosystems und die Schaffung von Anreizen für die Entwicklung offener Designs, die von Privatpersonen genutzt werden können. Häuser und Wohngebäude gehören zu diesen Designs und könnten den Hausbau potenziell deutlich günstiger als marktüblich machen.

Galerie

Referenzen

• https://www.maslowcnc.com/ - die offizielle Website des Maslow-Projekts.
• https://forums.maslowcnc.com/ - offizielles Maslow CNC-Forum