Digitale Positionsanzeige für Drehbank und Fräsmaschine


Beschreibung
Im nächsten Ausbauschritt soll meine Drehbank und zukünftig auch noch diese zu überarbeitende Fräse des Herstellers Kao Feng eine digitale Positionsanzeige erhalten. Das Arbeiten mit den Skalenringen ist zwar gut und funktioniert auch, aber mit einer digitalen Positionsanzeige ist es doch wesentlich einfacher, schneller und komfortabler.

Das Meßsystem muß also kompakt werden, sich schnell zwischen den Maschinen wechseln lassen und  sich automatisch auf den jeweilige Maschinentyp einrichten.

Da es bei den Positionsanzeigen ein riesiges Angebot an Ausstattung, Qualität und Preis gibt, habe ich mir erst einmal Gedanken über meine Anforderungen an eine solche digitale Anzeige gemacht, um so die in Frage kommenden Geräte eingrenzen zu können.
In der Linksammlung sind verschiedene Anbieterseiten aufgelistet.

Meine Anforderungen sind:
  • gut ablesbare LED 7 Segment Anzeige in rot oder grün
  • einfache Bedienung, große Bedienelemente
  • Anzeigen für bis zu 3 Achsen  X - Y - Z
  • einsetzbar an Drehbank Optimum D250
  • einsetzbar an Fräse Kao Feng
  • Schnellwechselhalterung für verschiedene Maschinentypen
  • schneller und einfacher elektrischer Anschluss über einen Zentralsteckverbinder
  • kompakte aber robuste Bauform der Anzeigeeinheit
Diese Anforderungen werden eigentlich von den meisten Fertiggeräten erfüllt, man muß allerding mit Anschaffungskosten von 500 - 800 Euro inkl. einem Satz  Wegmessgebern rechnen.
Bei den Selbstbauprojekten gibt es zwei Modelle, die mit Hilfe eines Interfaces die Meßwerte aus den digitalen Maßstäben auslesen und auf einem Windows, bzw. DOS Rechner darstellen. Dieses Prinzip ist sehr interessant, hat viele Zusatzfunktionen und gibt dem alten Laptop wieder eine Aufgabe, aber es macht das System auch etwas unflexibler. Daher habe ich mich für das Selbstbauprojekt von Rainer Radow, einer unabhängigen LED Anzeige, basierend auf einem programmierten µController  entschieden. Rainer Radow bietet die programmierten Controller für 9,50 Euro zzgl. Versand auf seiner Internetseite an.  [Stand: Januar 2011]
Damit lassen sich die meisten handelsüblichen digitalen Meßschieber mit seriellem Ausgang betreiben. Die Anschaffungskosten für dieses Selbstbauprojekt inkl. 2 Meßschieber (150mm und 500mm) belaufen sich auf etwa 200 - 250 Euro, je nach gewünschter Ausstattung.

Basierend auf dieser Schaltung habe ich nun die entgültigen und machbaren Anforderungen an eine digitale Positionsanzeige festlegen können:
  1. Gut ablesbare 7 Segmentanzeige in rot mit 20mm Ziffernhöhe
  2. Einfache Bedienung über 5 Tasten
  3. Anzeigen für bis zu 3 Achsen
  4. Die digitalen Maßstäbe bleiben fest an den Maschinen montiert
  5. Individuell einsetzbar an Drehbank oder Fräse
  6. Eine zentrale Steckverbindung zwischen Positionsanzeige und Maschine
  7. Automatische Anpassung an die jeweilige Maschine durch die Steckverbindung
  8. Abgesetzte Anzeigeplatine, somit an verschiedene 7 Segmentanzeigen anpassbar
  9. Abgesetztes Bedienteil, da nicht zwingend zum Betrieb erforderlich

    10.
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Elektronik

Rainer Radow hat die komplette Schaltung um einen µController vom Typ AT89C2051 aufgebaut, was den zusätzlich Bauteileaufwand doch erheblich minimiert.
Die Schaltung läßt sich in 4 Baugruppen unterteilen:
  1. Netzteil
  2.  Prozessorboard
  3.  Anzeigeeinheit
  4.  Bedienteil

Ich habe Netzteil und Prozessorboard zusammengefasst und die beiden anderen Teile separat gelassen, um verschiedene 7 Segmentanzeigen oder ein anderes Bedienteil leichter anpassen zu können. In den Anmerkungen unten sind die verschiedensten Aufbau- und Anschlussmöglichkeiten nochmal zusammengefasst. 
Im "Original" ist die Positionsanzeige mit SMD Teilen aufgebaut, da ich aber auf SMD verzichten wollte, habe ich entsprechend große 7 Segmentanzeigen verwendet, unter denen auch noch die Anzeigentreiber vom Typ CD4094 Platz finden. Auch habe ich mich wegen der paar Drahtbrücken (10 Stück)  nicht gleich für eine doppelseitige Platine entschieden.



Das Prozessorboard mit Netzteil.

Die Teile für die Spannungserzeugung  im grauen Kasten müssen bei der Kaskadierung mehrerer Module nur auf einem Modul bestückt werden.


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Das Anzeigeboard kann nahezu mit jeder 7-Segment Anzeige aufgebaut werden. Wichtig ist nur die gemeinsame Kathode. Ich habe mich für 20,3mm Ziffernhöhe entschieden, da diese die Anschlüsse seitlich haben und sich somit die Treiber IC noch darunter platzieren lassen.
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Das Bedienteil ist für die Funktion nicht zwingend notwendig. Sinnvoll ist es jedoch wenigstens den Resettaster   "00000" zwischen Pin 3 und 5 einzubauen. 
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Die Signale der digitalen Meßschieber, sowie die 9V Versorgungsspannung werden zum einfachen und schnellen Wechsel der Anzeigeeinheit auf verschiedene Maschinen komplett über eine 30 polige Siemens Messerleiste geführt. Auch findet die Codierung der Meßwertverdopplung oder Messwertinvertierung in dieser Steckverbindung statt, womit die Anzeige immer automatisch auf die jeweilige Maschine konfiguriert ist.
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Dazu sind einfach die beiden vom Mainboard kommenden Anschlüsse von Stecker ST6 auf der Maschinenseite der Messerleiste entsprechend auf GND zu schalten.
  • Vorzeichenumkehr, Brücke zwischen Pin 9a und 9b auf der Messerleiste
  • Meßwertverdoppelung, Brücke zwischen Pin 8a und 8b auf der Messerleiste

Über drei Jumper oder besser Lötbrücken kann das Netzteil in unterschiedliche Betriebsarten gesetzt werden.
  1. Ein Netzteil für mehrere Module
  2. Jedes Modul hat sein eigenes Netzteil
  3. Ein Anzeigemodul ohne eigenes Netzteil wird von einem anderen Modul oder einem externen Netzteil versorgt
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Das dreiteilige Layout einer kompletten Anzeige passt genau auf eine Europkarte mit 100 x 160 mm und wurde mit Target3001 erstellt.
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Die fertigen Platinen nach dem Fräsen ...


... und nach dem Bestücken.
Die 7-Segmentanzeigen sind noch nicht auf die Anzeigeplatine gesteckt.

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Mechanik
Zur Montage der 9 Einzelplatinen für 3 Anzeigemodule habe ich eine Trägerplatte gefräst, die später hinter der eigentlichen Frontplatte montiert werden kann. Um die unterschiedlichen Höhen und Abstände zwischen Anzeige und Bedienteil auszugleichen sitzen die Bedienteilplatinen komplett auf 10 mm hohen Kunststoffträgern. Diese verhindern zudem noch, daß sich die Bedienteilplatine bei einem Tastendruck durchbiegen kann, was auf die Dauer zu Wackelkontakten oder Leiterbahnunterbrechungen führen würde.

Das komplett montierte Modul von vorne ...

... von hinten ...


... und von der Seite.
Hier ist auch der schwarze, 10mm hohe Kunststoffträger unter dem Bedienteil gut zu erkennen. Das Platinenlayout ist so angelegt, daß die Platine auf der Rückseite den gleichen Haltelochabstand hat wie das Bedienteil und die Anzeigeplatine auf der Vorderseite.


Da sich für diese Konstruktion schwer ein passendes Gehäuse findet, bin ich aktuell dabei ein Gehäuse zu entwerfen und zu bauen. Fortsetzung folgt also ...
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Anmerkungen
Die Schaltung, wie auch das Platinenlayout sind universell ausgelegt und lassen sich an vielen Stellen individuell an die eigenen Anwendungen und Maschinen anpassen.
  • Ein Netzteil kann bis zu drei Module versorgen, dabei ist der Köhlkörper zwingend erforderlich. Versorgt ein Netzteil nur ein Modul, kann der Kühlkörper entfallen. Werden Module von einem anderen Modul mit +/-5V versorgt, oder ist ein externes Gleichspannungsnetzteil vorhanden können alle Teile im grauen Kasten entfallen.(Siehe Schaltbild Seite 1) Dabei sind die Jumper 1-3 wie im Schaltbild Seite 5 gezeigt zu setzen. Da ich nach dem ersten Board das Layout noch etwas verändert habe, sind u.a. drei Drahtbrücken auf der rechten Seite weggefallen.

  • Das Bedienteil ist für den Betrieb nicht zwingend erforderlich. Es kann ersatzlos entfallen, allerdings empfiehlt es sich wenigstens die Resettaste "00000" anzuschliessen. Für das komplette Bedienteil ist die 10polige Pfostenleiste einzusetzen. Wird nur die Rücksetztaste angeschlossen, dann genügt eine 2polige Steckverbindung an den Pins 3 und 5.  Im Bestückungsplan sind beide Varianten eingezeichnet.




 Version mit 10 poliger Pfostenleiste      Version mit 2 pol Stecker
  • Der Aufbau der 7-Segment- Anzeige bietet wohl den größten Spielraum. Hier lassen sich alle möglichen 7 Segmentanzeigen verbauen, solange sie über eine gemeinsame Kathode verfügen.
Die 7-Segmentanzeigen sind mit IC Sockelleisten hochgesetzt, damit sich dann die 16poligen DIL Anzeigentreiber direkt unter den Anzeigen platzieren lassen.

Wer kleinere Ziffern verwenden möchte, kann auf das Layout von Rainer Radow zurückgreifen und die Treiber IC´s CD4094 in SMD ausführen.
Da die linke Anzeige lediglich das Vorzeichen anzeigt , kann dieses Element auch durch zwei LED´s 2,5x5mm ersetzt werden. Mein Layout hat beide Möglichkeiten.
  • Der Controller bietet zusätzlich die Funktion zur Steuerung einer Vorschubautomatik, die ich allerdings in dieser Anzeige nicht nutze.  Man kann damit  z.B. die X-Achse einer Fräse zwischen zwei Punkten hin und herfahren um ein Werkstück Planfräsen zu lassen. Diese Achse muß dann natürlich über einen eigenen Antrieb verfügen. 
    • Pin 11 - Schaltausgang +5V zur Ansteuerung eines Relais
    • Pin 16 - Vorschubautomatik Ein/Aus
    • Pin 19 - Vorschubautomatik links/ rechts
Auch lassen sich einige Steckverbindungen einsparen ...
  • falls nur ein einzelnes Modul aufgebaut und betrieben wird, kann ST2 entfallen und ST9 kann kleiner ausgelegt werden oder ebenfalls entfallen
  • falls das Bedienteil nicht benötigt wird kann ST3 entfallen, bzw. nur zweipolig für die Resettaste ausgeführt sein 
  • falls die Vorzeichenumkehr und Meßwertverdoppelung nicht benötigt wird, oder schon direkt auf der Platine festgelegt wird, kann ST6 entfallen

03.04.2011