CNC, XYZ Werkzeuglängensensor, GND, Erde

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Hallo zusammen,

habe eine CNC-Fräse gebaut, die nun eine XYZ Tastplatte bekommen soll.

Prinzip
- Platine hat einen Eingang "+" (Pull up gegen 3V3) und "-" (GND)
- Eine Aluplatte wird auf das Werkstück gelegt. Diese wird mit "-" 
verbunden
- Eine "+" Krokoklemme wird am Fräser montiert
- Berührt der Fräser ("+") die Tastplatte ("-") aus X/Y/Z-Richtung, 
erhält der µC ein Signal und die X/Y/Z Kante kann berechnet werden, so 
daß ein Rohmaterialursprung da ist

Erste Tests
- funktioniert, aber viele positive Fehlalarme
- die treten meistens auf, wenn ich die Krokoklemme an den Fräse 
montiere

Meine Vermutung ist, daß der geerdete Fräser nun auch mit "-" verbunden 
ist und das Probleme verursacht.

Wenn es nur der Z Sensor wäre, würde ich sagen, ich gehe der Problematik 
durch einen Mikroschalter aus dem Weg. So hätte ich gar keinen 
elektrischen Bezug zum Fräser.

Da aber X, Y und Z vermessen werden sollen, möchte ich mal die Profis 
fragen, wie das zu lösen ist. Einen 100nF Kondensator habe ich testweise 
zwischen "+" und "-" eingebaut, das hat aber wenig gebracht. Es gibt 
weiterhin Fehlalarme.

Habt Ihr einen Tip für mich?

Grüße,
 MrWinterbottom

[sid (Gast)]

Du könntest den "tastmodus" erst aktivieren wenn die Klemme 
angeschlossen ist und sich das Potenzial aufgebaut hat,
dadurch ersparst Du Dir solche kleineren Probleme.

Da Du ja eh eine Taste drücken muss nachdem die Krokoklemme an- und das 
Alublech aufliegt sind das nur wenige Zeilen Code (eine max drei würd 
ich schätzen)

'sid

Ich persönlich würde die Polung tauschen wenn das Werkzeug eh schon 
negativ angeklemmt ist, dann fällt auch die KrokoKlemme weg ;)
Aber um ganz ehrlich zu sein halte ich schon nicht viel von der 
'aufgelegten' Aluplatte
Werkzeug taster elektrisch klar..
Aber Werkstück... neee da bin ich dann doch für mechanische Tastköpfe um 
ehrlich zu sein schon weil ja die Platte die Z Dimension ändert.
kommt dann ein unebenes Werkstück dazu hast Du ganz schnell ein sehr 
ungenaues Messergebniss für den Ursprung.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Mr W. schrieb:
> Erste Tests
> - funktioniert, aber viele positive Fehlalarme
Wie definierst du einen positiven Fehlalarm?

> Meine Vermutung ...
geht wahrscheinlich in die richtige Richtung und nennt sich in 
Fachbegriffen "EMV" und "Ableitstrom".

> - Platine hat einen Eingang "+" (Pull up gegen 3V3)
Welchen Wert hat dieser Pullup? Aus EMV-Sicht ist alles über 1k 
wirkungslos. Wenn da also z.B. ein 10k Pullup ist, dann ist das für 
Störungen wie ein offener CMOS-Eingang.

Oder noch besser: statt 3,3V werden 24V zum Tasten verwendet. Wenn auf 
24V Störungen mit 3Vss drauf sind, dann macht das eigetnlich nicht viel 
aus. Wenn aber auf 3,3V Störungen mit 3Vss drauf sind, dann... naja, du 
weißt ja aus eigener Erfahrung, was dann passiert.

> Einen 100nF Kondensator habe ich testweise zwischen "+" und "-" eingebaut
Du hast keine Problem mit der Versorgung, sondern eines mit einem 
Signal. Der Filterkondensator gehört also an den gestörten Eingang nach 
GND.

> Habt Ihr einen Tip für mich?
Hast du ein Oszi und kannst es auch anwenden?

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Habe ein Video erstellt zur besseren Veranschauung 
(https://youtu.be/YL64RxcGckQ).

Sid:
Die Nutzung dieser Tastplatte ist, für mich, viel besser als eine rein 
optische Ermittlung des Ursprungs. Ich nehme diesen frühen 
Erfahrungswert mit, vielleicht reicht´s ja für die Hozbearbeitung. Bei 
einem richtigen 3D-Kantentaster wäre die Problematik mit der EMV nach 
meinem Verständnis ebenfalls zu lösen.

Lothar:
Der positive Fehlalarm bedeutet, daß der µC den Logikpegel "low" bekommt 
(ein ESP32), obwohl sich "+" und "-" noch gar nicht berührt haben.

Im Anhang ein Oszi-Bild, zwischen "+" und "-", ohne Kondensator. 
Meintest Du so etwas? Ich bin wenig geübt mit dem Gerät, sag mir gerne, 
was ich wie messen soll.

Der PullUp ist momentan ein 10K Ohm Widerstand. Besser gegen 1K 
austauschen? Zwischen welchen der Pole "+", "-", Erde soll ich den 
einbauen? Die 3V3 sind erstmal gesetzt, mit denen muß ich klarkommen. 
Haben andere CNC-Bauer auch schon hinbekommen, daher bin ich mit Eurer 
Hilfe zuversichtlich.

[Wolfgang (Gast)]

Mr W. schrieb:
> SDS00001.png

Lothar M. schrieb:
> Hast du ein Oszi und kannst es auch anwenden?

Damit meinte Lothar vermutlich, dass du es auf eine Fehlauslösung 
triggerst, damit man sehen kann, was das Problem verursacht. Der ESP 
kann z.B. bei Auslösung einen deutlichen Puls auf einem GPIO raus 
schicken, den du am Oszi als Trigger verwendest.

[Wolfgang (Gast)]

Mr W. schrieb:
> Der PullUp ist momentan ein 10K Ohm Widerstand. Besser gegen 1K
> austauschen? Zwischen welchen der Pole "+", "-", Erde soll ich den
> einbauen?

Zeige mal ein Schaltbild. Pull-Up heißt, dass er den Eingang deines ESP 
z.B. an +3.3V zieht. Insbesondere solltest du klären, in welcher 
Potentialbeziehung Spindel/Fräser, Tastplatte und ESP-Gnd zueinander 
stehen. Vermutlich liegt dein Fräser auf PE?

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Hier schonmal das Schaltbild.

Fräsenteile inkl. Spindel und Fräser sind geerdet, ja.
Die Tastplatte liegt auf GND (des ESP32).
Die Krokoklemme ggü. GND auf 3V3.

Das angehängt Bild (DS00003.png) zeigt den Impuls, wenn ich die 
Krokoklemme auf die Aluplatte halte.

Bild (DS00004.png) zeigt, wenn ich die Krokoklemme an den Fräser halte.

Ich interpretiere es so, daß der low-Pegel sichtbar ist.

Tja, aber warum und wie vermeiden?

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Mr W. schrieb:
> Im Anhang ein Oszi-Bild, zwischen "+" und "-", ohne Kondensator.
> Meintest Du so etwas?
Sieht ja erst mal vogelwild aus. Aber wahrscheinlich sind das letzlich 
nur irgendwelche Messartefakte im mV- und MHz-Bereich.

Nimm das Ozibild doch erst mal so auf, dass die Nullinie im Bild ist, 
nicht so viele Zahlen eingeblendet sind (die verwirren doch nur und 
interesseiren bestenfalls viel später mal) und die Y-Skalierung bei 
1V/div sowie die Zeitskalierung bei 100ms/div. Denn du willst ja eine 
Versorgungsspanung von 3V messen. Dazu stellst du das Oszi so ein, dass 
du die 3V über längere Zeit auf dem Bildschirm siehst.
Dann suchst du mit dem Trigger irgendwelche "Spitzen" und drehst die 
Zeitbasis Schritt für Schritt in Richtung "höhere Frequenzen".

Was hier interessant ist, geht so: Masseklemme an die Masse dicht beim 
µC, Messpitze dicht an den Eingang beim µC (also hier offenbar der J11). 
Was siehst du?

Mr W. schrieb:
> Ich interpretiere es so, daß der low-Pegel sichtbar ist.
Warum ist das so ein gewaltiges Unterschwingen? Wo ist denn da die Masse 
angeklemmt?

BTW: siehst du auch diese kleinen Störpeaks auf der Leitung? Die könnten 
interessant werden.

[MaWin (Gast)]

Mr W. schrieb:
> - Platine hat einen Eingang "+" (Pull up gegen 3V3) und "-" (GND)

Wie hochohmig ist er denn ? Nutze 330 Ohm.

> - Eine Aluplatte wird auf das Werkstück gelegt. Diese wird mit "-"
> verbunden

Wenn das Werkstück nicht elektrisch leitend ist. Sonst muss die Alupatte 
auf ihre Unterseite isoliert sein, mit einer Folie oder so. Alu isoliert 
sich aber selber, durc Oxidation als Eloxalschicht, ist also als 
Kontaktmaterial immer mies. Nimm Nickel oder Gold.

> - Eine "+" Krokoklemme wird am Fräser montiert

Da dürfte der sich nicht drehen. Das bringt wenig, schliesslich ist so 
ein Fräser kein Rundstab. Und wenn er sich dreht, wie hält dann die 
Kroko-Klemme ? Die ganze Maschine ist elektrisch mit dem Fräser 
verbunden. Normalerweise legt man also die Maschine an Masse und dein 
Blech an plus mit pull up und lässt den Motor laufen der den Fräser 
dreht (und bekommt noch mehr Störungen).

Nützt aber wenig: So ein extra-Blech sagt ja nie, wo das Werkstück 
wirklich ist, sondern nur wo ds Blech ist. Wie man das auf die Lage des 
Werkstücks kalibrieren will, schleierhaft.

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Habe das Oszi direkt an den GND des µC und den Signaleingang geklemmt.

Die gelbe 1 links im Bild ist die 0V-Linie, habe mit 100ms angefangen 
und mit dann die Zeiteinheiten kleiner gedreht, bis ich die Schwingungen 
sehe.

Bild SDS00007.png zeigt den Trigger, wenn Krokoklemme auf Aluplatte 
kommt, die Teile liegen auf der Holzwerkbank.

Bild SDS00008.png zeigt, wie die Aluplatte auf der Holztisch der Fräse 
liegt und die Krokoklemme den Fräser berührt.

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Der PullUp hat momentan 406 Ohm. Erwartest Du, daß die Schwingungen dann 
weniger werden?

Die Werkstücke liegen auf einer MDF-Platte.
Habe z.B. einen 1/8" Fräser eingebaut (siehe Video), da hält die Klemme 
ganz gut. Drehen tut er sich nicht :-)

Da die Z-Dicke der Aluplatte und der Abstand in X/Y bekannt sind, habe 
ich einen G Code geschrieben, der den Offset berücksichtigt und einen 
Rohmaterialnullpunkt definiert.

Das mit dem drehenden Fräser irritiert mich in diesem Setup. Wenn die 
geerdete Fräse auch noch auf GND ist, ist das dann hilfreich? Ich weiß 
es wirklich nicht, stehe da auf dem Schlauch.

Korrektur: der Widerstand beträgt nicht 10K Ohm, sondern real 406 Ohm.

[MaWin (Gast)]

Mr W. schrieb:
> Bild SDS00007.png zeigt den Trigger, wenn Krokoklemme auf Aluplatte
> kommt, die Teile liegen auf der Holzwerkbank.
> Bild SDS00008.png zeigt, wie die Aluplatte auf der Holztisch der Fräse
> liegt und die Krokoklemme den Fräser berührt.

Sehr saubere Signale. Kaum Kontaktprellen. Wer da schon ein Problem mit 
der Auswertung hat...

Mr W. schrieb:
> nicht 10K, sondern real 406 Ohm.

Merkwürdiger Wert.

[W.S. (Gast)]

Mr W. schrieb:
> Prinzip
> - Platine hat einen Eingang "+" (Pull up gegen 3V3) und "-" (GND)
> - Eine Aluplatte wird auf das Werkstück gelegt. Diese wird mit "-"
>   verbunden
> - Eine "+" Krokoklemme wird am Fräser montiert
> - Berührt der Fräser ("+") die Tastplatte ("-") aus X/Y/Z-Richtung,
> erhält der µC ein Signal und die X/Y/Z Kante kann berechnet werden, so
> daß ein Rohmaterialursprung da ist

Also deine Aluplatte liegt auf GND und deine gesamte Fräse soll auf 3.3 
Volt via 10k Hochzieher gelegt werden. Finde ich abenteuerlich.

Warum läßt du die ganze Fräse nicht klassisch auf GND liegen und legst 
dein Antaststück an den Hochzieher?

Und mal abgesehen davon: Mir wäre es bange um den Fräser und um das 
Antaststück, wenn das ganz einfach nur eine Aluplatte wäre. Ich hätte 
mir da als Antaststück etwas anderes und härteres und chemisch edleres 
als Alu gegönnt - aber selbiges so gelagert, daß es nachgeben kann, so 
daß der Fräser dort nicht dran-schrammen kann.

Beispiel aus dem Hut: Loch in einem Stück Federblech, dort eine 
Stahlkugel hineingelegt, so daß sie etwa zu 3/4 oben herausguckt. 
Allenfalls von unten per Magnet ins Loch gezogen. Da kann der Fräser 
allseitig dranfahren, ohne daß etwas Schlimmes passiert: von oben federt 
das Blech, seitlich wird die Kugel aus dem Loch befördert. Obendrein 
sollte die Kugel auch relativ leicht im CNC-Programm berechenbar sein.

Und: so eine Kugel ist gehärteter Stahl und kriegt so leicht keine 
Schrammen. Und wenn du willst, kannst du die sogar chemisch vergolden 
lassen wegen der Kontaktgabe. Wäre weitaus besser als Alu, was im 
Fräsbetrieb wohl recht leicht so sehr oxidiert, daß die Kontaktgabe erst 
dann kommt, wenn der Fräser bereits mittendrin steckt.

W.S.

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Danke für den Hinweis, das Oszi war während der Widerstandsmessung noch 
angeklemmt, das Netzteil aber aus.

Habe zu den 10K (ohne Oszi stimmts auch) jetzt einen 300 Ohm Widerstand 
parallel gelötet, nun bin ich bei real 317 Ohm.

Bild SDS00009.png zeigt den Trigger, wenn Krokoklemme auf Aluplatte
kommt, die Teile liegen auf der Holzwerkbank.

Bild SDS00010.png zeigt, wie die Aluplatte auf der Holztisch der Fräse
liegt und die Krokoklemme den Fräser berührt. Hier sehe ich eine 
Veränderung, der Sensor ist nach Anklemmen dauerhaft auf low, egal, ob 
Berührung der Aluplatte oder nicht.

[Werner H. (werner45)]

Ein Fräser als Taststift?

Ein Fräser hat Schneiden mit Spanlücken dazwischen, der Umfang ist 
unrund!

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Klar, die Geometrie ist nur im Idealfall überall gleich zum Außenrand. 
Die Näherung ist aber schon ganz gut, denn hier  geht es ja um ein 
Rohmaterial, aus dem ein Modell geschnitten werden soll. Es geht nicht 
darum, ein bestehendes Teil perfekt abzutasten. Insofern ist es einfach, 
berechenbar und wenn diese Potentialgeschichte mit Eurer Hilfe bald im 
Griff ist, zuverlässig :-)

[Mr W. (mrwinterbottom)]

W.S. schrieb:
> Also deine Aluplatte liegt auf GND und deine gesamte Fräse soll auf 3.3
> Volt via 10k Hochzieher gelegt werden. Finde ich abenteuerlich.
>
> Warum läßt du die ganze Fräse nicht klassisch auf GND liegen und legst
> dein Antaststück an den Hochzieher?

Die Fräse mitsamt Spindel und Fräser ist geerdet, aber genau das ist ja 
das Rätsel, wie es mit GND und Erdung klappen soll. Was wäre denn 
weniger abenteuerlich, bin da offen?

Deinen hohen Anspruch, was die Mechanik angeht, schau ich mir im 
nächsten Schritt an. Erstmal soll die Elektronik laufen :-)

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Mr W. schrieb:
> Habe zu den 10K (ohne Oszi stimmts auch) jetzt einen 300 Ohm Widerstand
> parallel gelötet, nun bin ich bei real 317 Ohm.
Mit den 100 Ohm, die da zwischen J11 und diesem Pullup liegen, kommst du 
aber am µC-Pin bei einer Masseverbindung nur noch auf 0,8V runter. Naja, 
kann reichen, aber "richtig schön" geht anders...

Mr W. schrieb:
> Korrektur: der Widerstand beträgt nicht 10K Ohm, sondern real 406 Ohm.
Merke: du kannst Widerstände nicht zuverlässig im eingebauten Zustand 
messen.  Es kann immer irgendwelche anderen parallel liegenden Bauteile 
geben. Und wenn du den Widerstand in einer eingebauten Schaltung messen 
musst, dann miss in beide Richtungen, um irgendwelche 
parallelgeschalteten Kondensatoren (davon laufender Messwert) oder 
Dioden/Halbleiter (beide Richtungen unterschiedlicher Widerstand 
messbar) zu erfassen.

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Habe zu den existierenden 100 Ohm jetzt 50 Ohm in Reihe geschaltet, 
damit sagt das Oszi 40mV bei Low-Pegel und 3V3 bei High. Das dürfte 
deutlicher sein.

Habe auch den Tip umgesetzt, die Polung umzudrehen.

Ich verstehe bloß nicht, warum der µC nun dauernd von einem Signal 
ausgeht. Egal, was ich einstelle, verändere, was ich wo dranhalte. Muß 
da noch ein Strom fließen (dürfen), um einen Pegelwechsel zu erkennen?

Interessant: ersetze ich den PullUp von 50 Ohm wieder gegen 10K, geht 
wieder alles.

Effektiv hat sich bislang nur die Polarität von Aluplatte ("+") und 
Krokoklemme ("-") geändert. 5min versuchen hat erstmal keinen falschen 
Alarm produziert.

Bringe ich Krokoklemme und Erdung zusammen, scheint das besser zu sein?

[sid (Gast)]

sid schrieb:
> da bin ich dann doch für mechanische Tastköpfe um
> ehrlich zu sein

Mr W. schrieb:
> Sid:
> Die Nutzung dieser Tastplatte ist, für mich, viel besser als eine rein
> optische Ermittlung des Ursprungs.

wer reded denn von optisch? ich red von Rubinkugel auf Tastnadel

sid schrieb:
> Ich persönlich würde die Polung tauschen

Mr W. schrieb:
> Effektiv hat sich bislang nur die Polarität von Aluplatte ("+") und
> Krokoklemme ("-") geändert. 5min versuchen hat erstmal keinen falschen
> Alarm produziert.

Na wer hätte das geahnt ;)

'sid

[georg (Gast)]

Aluminium ist für den Gegenkontakt das ungeeignetste Material, weil es 
sich immer mit einer Oxidschicht überzieht und deshalb nur schlechten 
Kontakt gibt. Man müsste da schon mit sehr hohen Spannungen, z.B. 24V, 
arbeiten.

Ideal wäre ein Goldbarren...

Ich habe für die Autoindustrie Werkzeugvoreinstellgeräte gebaut, da 
tritt das Problem auf mit Anforderungen im µ-Bereich. Kontaktgabe mit 
dem Werkzeug wurde NIE verwendet.

Georg

[Mr W. (mrwinterbottom)]

Habe verglichen, wie sich das Signal mit und ohne 100nF Kondensator 
verhält zwischen "+" und "-".

Bild 11 mit Kondensator, Bild 12 ohne.

Ein Erklärungsversuch, warum es jetzt läuft:

a) zwischen "-" (GND) und Erde gibt es lt. Multimeter keinen 
Potentialunterschied
b) zwischen "+" und Erde gibt es 3V3 Potentialunterschied

Vielleicht gibt es deshalb keine Trigger mehr, denn im Fall jetzigen 
Fall a) muß auch kein Potential ausgeglichen werden. Das ergibt sich ja 
nach meinem Verständnis erst, wenn der Fräser (GND=Erde) die Tastplatte 
("+") berührt.