Analiza Unui Sistem C.n.c. Bazat pe Bucla Deschisa de Actionare

CUPRINS

.

PREFAȚĂ

În lucrarea de față este prezentată analiza unui sistem mecanic cu comandă numerică, structurat cu trei axe de translație, construit din sistemele de ghidare și acționare ale unui scanner, unei imprimante și unei unități de citire a compact-diskurilor, comandate de un controller logicprogramabil. Elementele de acționaresuntceletreimotoare pas cu pas (MPP);câte un motor pefiecareaxă de translație.Metoda de comandă a motoareloresterealizată în buclădeschisă de acționare,ceeaceînseamnăcă nu avem o buclă de reglare a poziției care să compare permanent pozițiaprogramată cu ceacurentă, furnizată de un senzor de poziție. Acest mod de comandăimpunefuncționareaînsincronism a motoarelor pas cu pas (MPP), adicănumărul de pașiefectuați de motor trebuiesăcoincidă,pe tot parcursulfuncționării, cu numărul de impulsuri de comandă transmise de unitatea de comandă.

Această analiză poate fi utilă oricărei persoane care dorește construirea unui CNC prin mijloace proprii, în vederea înțelegerii componenței și funcționalitățiiacestor tipuri de mașini cu comandă numerică.

CUVINTE DE MULȚUMIRE

Doresc pe această cale să mulțumesc tuturor cadrelor didactice din interiorulFacultății de Construcții de Mașini din cadrulUniversității Tehnice din Cluj-Napoca pentru contribuția adusă la formarea mea profesională, în special domnului Prof Dr. Ing. Pîslă Adrian pentru sprijinul acordat în elaborarea lucrării de față.

REZUMATUL LUCRĂRII DE LICENȚĂ

Vă rugăm să respectați indicațiile de mai jos. A nu se depăși două pagini pentru redactarea rezumatului.

Scopul temei de cercetare propuse

Motivul pentru care am ales tema de licență intitulată „Analiza unui sistem CNC bazat pe buclă deschisă de acționare” este dorința de a demonstra accesibilitatea construirii unei mașini cu comandă numerică în vederea exploatării sale.

Obiectivul general

Scopul primar este producerea – cu ajutorul unui mini CNC construit cu buget cât mai redus – a unei piese 3D din polistiren extrudat, reprezentând sigla Universității Tehnice din Cluj-Napoca.

Obiective specifice [Pe de direcții majore ați acționat în cadrul lucrăriipentru a atinge obiectivul general și de ce?]

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Metodologie/Abordare/Proiectare[Ce metode, ce instrumente, ce tehnologii, ce concepte, ce teorii etc. ați aplicat pentru a atinge obiectivele propuse în cadrul temei?]

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Rezultatele majore [La ce rezultate principale ați ajuns? Ce contribuții ați adus la diverse probleme legate de cunoaștere, inovare, dezvoltare tehnologică? La ce concluzii majore ați ajuns?]

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Limitări ale rezultatelor (dacă este aplicabil)

Din păcate, achiziția de software atât de necesar exploatării CNC-urilor poate fi foarte costisitoare, spre exemplu, o licență a software-ului Mastercampoate ajunge până la 11,000 de dolari. De asemenea, componentele presupun investiții destul de mari.

Implicații practice (dacă este aplicabil)

CNC-urile de dimensiuni mici sunt mai ieftine, așadar accesibile oricui dorește să creeze obiecte din materiale moi (aici polistiren extrudat) în activitatea sa.

Implicații de altă natură (ex. sociale, științifice: dacă este aplicabil) [Ce impact asupra mediului sau a unor aspecte de responsabilitate socială ar putea avea rezultatele temei? Cum ar putea afecta calitatea vieții?]

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Originalitatea/valoarea [Ce aduce nou în domeniu lucrarea dvs.? Care este valoarea rezultatelor și cine anume le-ar putea utiliza cu preponderență?]

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

SUMMARY OF THE BSc FINAL DEGREE PROJECT

This section is the English translation of the „Rezumatul lucrării de licență". Please keep the text în maximum two pages.

Project scope

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

General objective

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Specific objectives

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Methodology/Approach/Design

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Major results

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Limitations of the results (if it is applicable)

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Practical implications (if it is applicable)

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Other implications (e.g. social, scientific: if it is applicable)

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

Originality/value

[Introduceți textul aici, TNR 12; line spacing: single; aliniere: justify]

REZUMATUL CAPITOLELOR

Vă rugăm să descrieți pe scurt fiecare capitol al lucrării de licență. A nu se depăși două pagini pentru această secțiune.

[Introduceți textul aici; TNR 12, line spacing: single; aliniere: justify]

OBIECTIVUL GENERAL

Obiectivul general trebuie să exprime în termeni generali ce urmăriți să atingeți prin tema de proiect. Obiectivul general trebuie să fie legat de problema pe care doriți să o rezolvați (a se vedea secțiunea 2.1 din proiect). Formulați obiectivul general de așa natură încât să fie direcționat clar asupra problemei majore de rezolvat în cadrul proiectului, să fie măsurabil, să fie realist. Maximumo pagină pentru descrierea obiectivului general.

OBIECTIVELE SPECIFICE

Obiectivele specifice se adresează diverselor fațete ale problemei de rezolvat prin tema de proiect. Obiectivele specifice trebuie să specifice ce urmează să faceți în cadrul proiectului, unde și cu ce scop. Formulați obiectivele specifice de așa natură încât să fie măsurabile. Asociați minimum un indicator prin care se poate măsura gradul de rezolvare al fiecărui obiectiv specific. Maximum o pagină pentru descrierea obiectivelor specifice.

Obiectivul lucrarii de licenta este acela de a analiza toti parametrii

PARTEA I

Aspecte generale în contextul temei

1.INTRODUCERE

1.1. Generalități. MașinileCNC

Denumirea de CNC (abreviere pentruComputer Numerical Control, tradus – Control Numeric Computerizat),se referă la „modul de operare al unei mașini unelte”, adică la „metoda de control a mișcărilor sculei tăietoare” (freză,burghiu, plasmă, jet de apă, laser etc.).

Controlul numeric reprezintă procesul de transmitere a instrucțiunilor alfa-numericedinspre un calculator către un controller programabil, care ulterior transmite pulsuri de energie sau semnale către sistemul de acționareastfel încat să fie controlate mișcările maṣinii-unelte. Mișcările maṣinii trebuie săasigure un traseu stabilit al sculei tăietoare, cu o viteză precisă de rotație a sculei și cu o viteză precisă de înaintare a sculei. Cea mai importantă funcție a oricărei mașini CNC este „controlul precis și riguros al mișcării”. Toate mașinile CNC au două sau mai multe direcții de mișcare, numite axe și notate după coordonatele pe care se deplasează (x, y, z). Aceste axe pot fi mișcate și poziționate precis. Cele mai cunoscute tipuri de axe sunt axele liniare și de rotație (mișcare curbilinie). Spre deosebire de mașinile unelte clasice, care folosesc discuri și manivele pentru a produce aceste mișcări, mașinile CNCsunt acționate de servomotoare, sau, la fel ca și în cazul mini CNC-ului care urmează a fi prezentat în a doua parte a lucrării, motoare pas cu pas controlate prin computer și ghidate de un program memorat. „În general, tipul de mișcare (rapid, liniar, circular), axele care se mișcă, distanțele de mișcare și vitezele de mișcare sunt programabile la majoritatea mașinilor CNC”.

Principalele avantaje ale unui CNC față de o mașină unealtă clasică sunt: „vitezele mari, deplasare și productivitate ridicată, schimbarea facilă a programului de prelucrare, timp reduspentru pregătire/reglare, înlăturareaunoroperațiiprecumtrasareașimăsurarea, modificarearapidășiușoară, reducereanumărului de prinderi a piesei,posibilitatea de adaptare a programului la condițiile concrete princorecții, prelucrareacentralizatăprincentre de prelucrare, precizie, repetabilitate, calitateaprelucrării”. Așadar, „introducerea CN este o necesitate economicădemonstrată de avantajeleprezentate succinct și de faptulcăunelepiesecomplexe nu pot fi prelucratealtfel”.

Figura 1.1.Sistem CNC cu 3 axe (Randare model 3D Rhinoceros).

1.2. Scurtistoric

Controlul numeric este o noțiune destul de veche. Primul dispozitiv pe care îl putem asocia cu această noțiune a apărut însecolul al XVIII,anul 1720 și era o mașinărie de brodat care folosea cartele găurite de hârtie pentru brodajul unor modele simple pe țesăturile de pânză. Mai târziu în anii 1863, Henri Fourneaux a inventat pianina automată care utiliza o rolă de hârtie cu șiruri de găuri pentru a controlaacționareadiverselorclape. Însăceeaceputemnumi „prima mașină-unealtă cu comandă numerică” a fost construită în 1952 la Massachusetts Institute of Technology și avea capacitatea de a controla mișcarea unei freze pentru prelucrarea de suprafețe complexe. „La începutul secolului trecut, pentru prelucrarea metalelor s-au inventat mașinile-unelte care erau controlate de un operator ce realiza practic toate mișcările sculei pentru obținerea piesei finite. Printre operațiile tehnologice cele mai importante realizate de mașinile-unelte se enumeră: strunjire, alezare, filetare, frezare, găurire, finisare, șlefuire, debitare, etc”. Controlul numeric a apărut ca o necesitatea eficientizării, automatizării și optimizării producției. În prezent prelucrarea cu ajutorul mașinilor-unelte reprezintă „una din cele mai importante activități pentru susținerea și dezvoltarea industrială”.Prima generație de mașini CNC „foloseau lămpi electronice cu vacuum care produceau multă căldură și ocupau un spațiu destul de mare”. Aceste prime mașini nu au fost fiabile. La a douagenerațietuburileelectronice au fostînlocuite de tranzistori, ceea ce a condus la o încălzire mai micăși o fiabilitate mai mare a etajului de control.De asemeneacontroller-ulocupa un spațiu mai mic.

Prima și adouagenerație de mașini-unelte nu aveaumemorie de stocare a programelor. Instrucțiunileeraustocatepebandă de hârtieperforatășierau transmise mașinilorunacâteuna. Mașinaprimea o instrucțiune, o executa și apoicereaurmătoareainstrucțiune.

La a treia generație s-au folosit circuite integrate și modulare și s-a introdus memoria de stocare a programelor. Memoriile au fost la început magnetice, cu role de bandă magnetică, iar apoi electronice, cu circuite integrate.

Pe măsură ce tehnologia a evoluat s-au introdus și folosit plăci imprimate cu circuite electronice. Acestea erau proiectate pentru executarea unui program fix (pre-programate). Se foloseau la execuția anumitor acțiuni uzuale și comune: găurire, frezare, rectificare etc. Plăcile se introduceau în sloturi speciale și când nu mai era nevoie de ele se înlocuiau. Se mai numeau și canned cycles (programe la conservă).

În prezent putem spune ca avem de-a face cu a patra generație de mașini cu comandă numerică unde controller-ul maṣiniieste conceput prin tehnologia microprocesoarelor și a calculatoarelor actuale.

1.3. Avantajele și dezavantajele utilizării mașinilor CNC

Mașinile CNC au un impact important în procesul de producție, principalul beneficiu al acestora fiind „îmbunătățirea automatizării”. Majoritatea mașinilor CNC pot funcționa nesupravegheate pe tot parcursul ciclului de prelucrare, astfel “intervenția operatorului în producerea pieselor poate fi redusă sau chiar eliminată”. Acest aspect oferă utilizatorului mai multe beneficii cum ar fi: reducerea gradului de oboseală, reducerea greșelilor provocate din eroare umană, un timp de ciclu constant, deci o producție previzibilă. Deoarece mașina rulează un program de control, nivelul de cunoștințe necesar majorității operatorilor CNC (privind tehnologia de prelucrare a metalelor)este de asemenea redus în comparație cu cea a unui prelucrător prin așchiere (strungar) care lucrează pe mașini clasice.

Principalele avantaje și dezavantaje ale mașinilor CNC în comparație cu mașinile-unelte clasicesunt enumerate mai jos:

AVANTAJE:

Flexibilitatea

O mașină CNC poate fi folosită pentru producerea unei piese conform programului încărcat în memorie. Pentruproducerea unei alte piese este nevoie doar de o operație simplă de reîncărcare a noului program în memoria maṣinii.

Repetabilitatea

O mașină CNC este capabilă să producă o multitudine de piese identice, fără abateri, singurul factor negativ fiind uzura maṣinii și a sculei pe când o mașină unealta clasică cum ar fi un strung operat manual nu poate executa două piese exact la fel. Repetabilitatea ridicată face ca numărul de rebuturi să scadă foarte mult, tinzând spre 0.

Mașinile CNC pot executa operații complexe comparativ cu mașinile-unelte clasice

Una din operațiile importante care se pot realiza cu ajutorul unei mașini CNC este „conturarea în spațiu 3D(3dimensiuni)” a unei piese, acest lucru fiind imposibil de realizat cu o mașină unealtă clasică. Conturarea în spațiu permite inginerilor să proiecteze piese cu geometrii care erau prohibitive înainte datorită costurilor mari de fabricație.

Reducerea costurilor pentru scule speciale și a timpilor de pregătire a mașinii

Uneltele și dispozitivele cu care se fixează piesele pe mașinile-unealtă clasice sunt destul de complexe și fabricarea lor (pentru o piesă nouă) poate necesita un timp de lucru însemnat. De asemenea sunt dificil de modificat. Aceasta înseamnă mulți bani și mult timp pentru a

Reduce și elimina costurile aferente unei producții de stoc

Fabricantul unui automobil trebuie să asigure clienților săi piese de rezervă pentru o perioadă de mai mulți ani de zile, chiar dacă marca respectivă de automobil nu se mai fabrică. În trecut se realizau mai multe piese și se depozitau în stocuri de rezervă. Acest lucru este neeconomic deoarece ocupă spațiu, blochează bani și materiale. În prezent, cu mașina CNC, se poate realiza o piesă de rezervă imediat ce s-a primit comanda de la client. Se încarcă înmașină programul, se realizează una sau mai multe piese și se livrează în aceeași zi.

Reducerea costurilor pentru scule speciale și a timpilor de pregătire a mașinii

Uneltele și dispozitivele cu care se fixează piesele pe mașinile-unelte clasice sunt destul de complexe și fabricarea lor (pentru o piesă nouă) poate necesita un timp de lucru însemnat. De asemenea, sunt dificil de modificat. Aceasta înseamnă mulți bani și mult timp pentru a începe producția.

Mașinile CNC necesită foarte puțin(sau deloc) timp pentru fixarea pieselor. De obicei se folosesc dispozitive simple de prindere, de tip clește sau menghină. Din punct de vedere al sculei, nu este nevoie de fabricarea unor scule speciale, deoarece mașina poate folosi eficient câteva tipuri de unelte pentru mai multe operații. Capacitatea de mișcare a mașinilor CNC permite acestora să parcurgă cu precizie traiectorii de tip contur, nemaifiind nevoie de unelte speciale pentru poziționare și ghidarea sculei taietoare. O schimbare de ultimă oră a proiectării piesei nu necesită decât modificarea câtorva linii de program. Acesta înseamnă, pentru ingineri, posibilitatea de a îmbunătăți permenent calitatea produselor prin ajustări necostisitoare în proiectarea pieselor.

Reducerea timpului de calificare pentru operatori

Operatorii de pe maṣinile CNC nu controlează operațiile.Ei doar încarcă șidescarcă piesele din mașină, întrețin și schimbă sculele de lucru, apasă pe butoanele de pornire, oprire ṣi, poate, pe butonul de Oprire de Urgență dacă scula este foarte uzată sau s-a rupt în timpul ciclului. Aceste activități nu necesită mult timp de calificare. Dacă operatorul este motivat și inteligent, instruirea dureazӑ doar câteva săptămâni. Salariile operatorilor de mașini CNC sunt mai mici decât salariile cerute de muncitorii calificați în prelucrări prin așchiere, ce lucreaza pe mașini-unelte clasice.

Reducerea necesarului de fortă de muncă

O mașină CNC poate elimina mai mulți pași de procesare (treceri de la un proces tehnologic la altul). Acolo unde, de exemplu, o bucată de tablă trebuie să fie mutată de la un post la altul, utilizând o mașină CNC, se pot realiza mai multe faze tehnologice la același post de lucru; prin acestea se elimină timpul de demontare, transport și fixare a piesei de prelucrat între două posturi de lucru. Cu alte cuvinte, un singur operator pe o mașină CNC poate face munca mai multor oameni.

Pentru a lucra corect, mașinile CNC au nevoie de operatori calificați. Dar de îndată ce informația completă pentru lucru este înregistrată în fișiere, în format electronic, tehnica de prelucrare este înglobată în mașinӑ și nu mai depinde de factori umani. Instruirea noilor angajați are legatură mai mult cu modul de operare al mașinii CNC și cu așteptările companiei privind calitatea produselor finite. Nu toți operatorii trebuie să cunoască, în detaliu, tehnologiile de bază ale prelucrărilor metalice prin așchiere.

Creṣterea calitӑṭii produselor

Nici un om nu poate egala o maṣinӑ CNC în ceea ce priveṣte precizia miṣcӑrilor. Aceste maṣini lucreazӑ cu unitӑṭi de mӑsurӑ foarte mici. O masinӑ poate face o gaurӑ la capӑtul unei mese de lucru, dupӑ care se poate muta la celӑlalt capӑt al mesei și se întoarce la aceaṣi gaurӑ pentru continuarea prelucrӑrii cu o eroare de poziṭionare mai micӑ de 10 micrometri. În cuvinte simple, precizia unei maṣini CNC este comparabilӑ cu a zecea parte din grosimea unui fir de pӑr.

Creṣterea productivitӑṭii

O mașinӑ CNC poate fi programatӑ sӑ lucreze piese din lemn, cu scule speciale pentru prentru prelucrarea lemnului.Un operator uman nu se poate adapta uṣor la schimbӑri rapide de regimuri de lucru (ca de exemplu, trecerea de la un tip la altul) în mod repetat, pentru perioade lungi de timp. Maṣinile CNC pot lucra douӑ sau trei schimburi pe zi, farӑ oprire. Singurii factori care limiteazӑ producṭia cu maṣini CNC sunt: alimentarea cu material și uzura sculei.

De obicei, maṣinile CNC erau asociate cu producṭia de serie mare deoarece programarea maṣinii, mai ales pentru piese complexe, necesitӑ un timp mai îndelungat. În prezent, dezvoltarea tehnologiilor de construcṭie a computerelor și cea a programelor software permit programarea mai uṣoarӑ a maṣinilor CNC. În fapt, abilitatea unei maṣini CNC de a accepta informaṭii matematice precise, furnizate de un software specializat, pentru a crea un nou produs, reduce costurile de exploatare prin reducerea erorilor de programare.

Creṣterea siguranṭei în explotare

O maṣinӑ CNC nu necesitӑ poziṭionarea manualӑ a sculei ṣi, deci, nu necesitӑ prezenṭa operatorului lângӑ zona de prelucrat. Principala preocupare a operatorului este de a monitoriza activitatea maṣinii și de a realiza corecṭii. Majoritatea maṣinilor sunt prevӑzute cu un buton de Oprire de Urgenṭӑ pentru oprirea completӑ a maṣinii în cazul unei erori de funcṭionare.

DEZAVANTAJE:

Investiṭii mari

Preṭul unei maṣini CNC de dimensiuni mici este de 30-50 de mii de dolari și poate ajunge pȃnӑ la 500.000 USD pentru o maṣinӑ CNC complexӑ, de dimensiuni mari. Acest lucru înseamnӑ cӑ maṣina cumpӑratӑ trebuie sӑ lucreze cât mai mult timp, uneori în douӑ sau trei schimburi, pentru a merita banii investiṭi. Multe firme mici nu îṣi permit un asemenea cost, îndeosebi în timpuri când dobânzile bancare sunt mari.

Maṣinile CNC trebuie programate

Progamatorii sunt personal cu calificare înaltӑ, iar cei foarte buni sunt greu de gӑsit. Ei vor pretinde întotdeauna salarii mari. Problema costurilor cu programarea maṣinii poate fi partial rezolvatӑ prin utilizarea de software CAM (Computer Assisted Manufacturing), dar și aceste software-uri sunt destul de scumpe, de exemplu o licenṭӑ pentru o versiune recentӑ a programului Mastercam poate costa în jur de 11000 de dolari.

Costuri mari de întreṭinere

Maṣinile CNC pot fi foarte complexe. Ele trebuie menṭinute într-o stare fizicӑfoarte bunӑ pentru a putea beneficia de avantajele controlului numeric. Desi controller-ul este un dispozitiv electronic și are fiabilitate mare, ocazional se poate defecta. În acest caz reparaṭia trebuie sa fie realizatӑ cât mai repede deoarece, s-a vazut de ce, mașina CNC trebuie sa lucreze cât mai mult. Pentru reparaṭia maṣinilor CNC este nevoie de specialiṣti atât ȋn domeniul mecanic, cât și în domeniul electronic. Aceṣti specialiṣti vor pretinde, de asemenea, salarii mari.

Costuri mari de producṭie pentru serii mici

Dacӑ se executӑ doar una sau douӑ piese, atunci timpul și costurile cu realizarea programului pot fi mai mari decât cele obṭinute prin utilizarea unei maṣini-unelte clasice. Pe mӑsurӑ ce complexitatea geometriilor și numӑrul de piese creṣte,mașina CNC devine mai economicӑ.

2. STRUCTURA MAȘINILOR CNC

2.1. Pӑrțile componente ale unei mașini-unelte cu comandă numerică

O mașină CNCare în componența sa două „componente majore” și alte echipamente auxiliare. Prima componentă principală este mașina-unealtă propriu-zisă care poate fio freză, o mașină de: găurit, alezat, rabotat sau mortezat, tăiat cuplasmă, jet de apă sau laser, etc. A doua componentă principală este controllerul care „coordonează mișcările sculei maṣinii-unelte”. Echipamentele auxiliare pentru cele două componente pot fii de exemplu calculatoare sau console pentru introducerea datelor și realizarea programelor.

În construcția unei mașini-uneltecel mai importantfactor care ține de calitatea acesteia este rigiditatea sistemului tehnologic. Rigiditatea este un factor foarte important deoarece în timpul prelucrărilor apar anumite forțe legate de inerția sistemului sau intrarea sculei în materialul dur al piesei, forțe care produc „deplasarea sistemului tehnologic în raport cu poziția inițială, corespunzătoare stării de repaus”.Rigiditatea sistemului tehnologic poate fi definităca fiind „capacitatea acestuia de a rezista solicitărilor care tind să-l deformeze”.

Rigiditatea este dependentă de direcția solicitării; calculul rigidității se realizează prin raportul dintre mărimea forței de solicitare și mărimea deplasării produse sub acțiunea solicitării.

unde: R este rigiditatea , F este forta de solicitare , iar y mărimea deplasării.

Pentru ca precizia de prelucrare să fie cât mai mare,rigiditatea trebuie să fie cât mai ridicată, adică axele trebuie sa aibă o deviație minimă sub acțiunea sarcinilor. Pentru acționarea axelor se folosesc cel mai frecventmecanismele de tip șurub-piuliță cu bile recirculabile (Figura 2.1), fiind foarte practice și conferind o rigiditate ridicată sistemului mecanic. Șurubul reprezintă axa fixă iar piulița este partea mobilă, între cele două piese circulă bilele de oțel care sunt dimensionate foarte precis astfel încât să se potrivească perfect în canalele șurubului și sӑ asigure o frecare cât mai mică. O rotație completă a șurubului produce o mișcare liniară a piuliței egală cu distanța pasului filetului. Pot exista și variante constructive în care piulița este fixă iar șurubul este mobil.

Unele sisteme CNC universale au sisteme automate de schimbarea sculelor și pot să dețină o magazie de scule cu o multitudine de scule diferite. De obicei axul pe care este scula este vertical.Unele maṣini pot avea cȃte patru sau chiar cinci axe iar ultimele douӑ axe sunt axede rotație care permit mașinii să efectueze în piesӑ găuri și unghiuri diferite.

Figura 2.1.Mecanismtipșurub-piuliță cu bile recirculabile (modelare Rhinoceros).

Pentru miṣcarea de poziṭionare a axelor se folosesc trei tipuri de acṭionari:

electrice

hidraulice

pneumatic-hidraulice

La freze, pentru miṣcarea de rotaṭie a sculei se folosesc motoare asincrone sau de curent continuu, deseori însoṭite de angrenaje de tip,,cutie de viteze'' pentru schimbarea domeniului de viteze de rotaṭie.

Acṭionӑrile electrice folosesc motoare electrice:

pas-cu-pas

de curent continuu

servomotoare de curent alternativ

În orice miṣcare de poziṭionare, controller-ul trebuie sӑ cunoascӑ locaṭia precisӑ a sculei taietoare. Acest lucru sepoate realiza prin comandӑ (sistem în buclӑ deschisӑ) sau reglare(sistem înbuclӑ închisӑ).

Comandase foloseṣte în combinaṭie cu motoarele electrice pas-cu-pas. La motoarele pas-cu-pas, pe stator existӑ douӑ, patru sau cinci înfӑsurӑri(bobine) distincte. Rotorul este format din magneṭi permanenṭi. Alimentând cu curent o bobinӑ, rotorul se alinieazӑ în direcṭie perpendicularӑ pe aceea bobinӑ, polul nord al magnetului permanent fiind orientat cӑtre polul sud al electromagnetului (bobina parcursӑ de curent într-un anumit sens). La un impuls provenit de la controller se comutӑ curentul prin altӑ bobinӑ a statorului, determinând astfel deplasarea rotorului cu un pas. La unele motoare, o rotaṭie completӑ a rotorului se realizeazӑ în 500 de paṣi, adicӑ de impulsuri. Controller-ul este capabil sӑ genereze impulsuri cu frecvenṭe maxime de ordinul kilo-hertilor. Deoarece fiecare impuls este contorizat, controller-ul ṣtie în permanenṭӑ unde se aflӑ axa. Nu existӑposibilitatea de a verifica dacӑ motorul executӑ, într-adevar, un pas la fiecare impuls. În general, nu se,,pierd'' paṣi decât daca axa se blocheazӑ din cauze accidentale sau de avarie(coliziune). Precizia unui sistem cu motor pas-cu-pas și axa cu ṣurub poate atinge 0.01 mm-precizia unui pas. Cu reglare(sistem în buclӑ închisӑ) se poate obṭine cu o precizie cu un ordin de marime mai mare, 0.001 mm. Sistemele de poziṭionare cu motoare pas-cu-pas se folosesc îndeosebi la construcṭia maṣinilor CNC de mӑrime micӑ. Sunt simple și mai ieftin de întreṭinut.

Reglareaeste utilizatӑ în combinaṭie cu servomotoare de curent continuu(sau de curent alternativ) și un traductor de deplasare (sau de rotaṭie). Traductoarele de rotaṭie se numesc resolver-e și sunt montate pe axul motorului sau la celalalt capӑt al axei. Un resolver transformӑ poziṭia unghiularӑ într-un semnal electric, care este transmis la controller. Traductoarele de deplasare se monteazӑ paralel cu axa. Pe traductoare poate culisa un cursor care se fixeazӑ de sania mobilӑ a axei. Traductorul masoarӑ exact poziṭia sculei, și eliminӑ astfel erorile datorate jocului dintre ṣurub șisanie (piuliṭa) si, de asemenea, erorile datorate uzurii ṣurubului. Poziṭia cursorului este convertitӑ într-un semnal electric, transmis la controller. Primind informaṭii de la traductorul de poziṭie, controller-ul poate corecta imediat eroarea de poziṭionare prin comenzi cӑtre servomotoare.

Programatorul CNC trebuie sӑ cunoascӑ corespondenṭa între direcṭiile de miṣcare în spaṭiu real și nominalizarea celor trei axe în program CNC. Numele axelor pot varia de la o maṣinӑ-unelta la alta. De obicei, sunt notate cu literele: X, Y, Z, U, V, W, pentru miṣcӑri liniare, și A, B, C, pentru axele de rotaṭie.

Legӑtura dintre axele liniare și cele de rotaṭie este urmӑtoarea: dacӑ axa X se roteṣte, atunci se noteazӑ axa de rotaṭie cu A, lui Y îi corespunde B, iar lui X, axa C. Programatorul trebuie sӑ aibӑ confirmarea alocӑrii axelor și a direcṭiilor(plus și minus) înainte de a realiza orice program CNC. Aceste date se obṭin din manualul tehnic al maṣinii.

Pentru comanda unei miṣcӑri trebuie introdus numele axei și distanṭa de deplasare (exemplu: X540.5). În cazul axelor de rotaṭie trebuie introdus numele axei și o valoare exprimatӑ în grade unghiulare. De exemplu, comanda de poziṭionare absolute B30 înseamnӑ rotirea axei B la 30°faṭӑ de origine.

Punctul de origine pentru fiecare axă

Marea majoritate a maṣinilor CNC utilizeazӑ o anumitӑ poziṭie pentru fiecare axӑ pentru a o înregistra ca punct de referinṭӑ. Punctul de referinṭӑ poate coincide cu originea sistemului de coordonate, dar nu este obligatoriu.

Poziṭia de referinṭӑ trebuie sӑfie foarte precis determinatӑ și este necesarӑ maṣinilor CNC de fiecare datӑ când acestea sunt pornite. De obicei, atingerea punctului de referinṭӑ este semnalizatӑ intern cu ajutorul unui senzor de proximitate sau a unui limitator cu contact electric. Precizia acestui senzor determinӑ precizia de identificare a punctului de referinṭӑ.

La pornire, maṣinile executӑ o secvenṭӑ automatӑ de miṣcare a axelor pânӑ în poziṭia de referinṭӑ, dupӑ care se opresc și înregistreazӑ în memorie datele de la traductoarele de poziṭie. Dacӑ traductoarele sunt incrementale-adica transmit un anumit numӑr de impulsuri la unitatea de distanṭӑ de deplasare-atunci maṣina reseteazӑ la zero memoria în care se înregistreazӑ impulsurile. Odatӑ stabilitӑ referinṭa, controller-ul se va putea sincroniza cu poziṭia fizicӑ a maṣinii.

Punctul de referinṭӑ specific fiecӑrei axe este stabilit în mod diferit de la maṣinӑ la maṣinӑ, dar, în general, este atins la una din extremitӑṭile axei. Marea majoritate a constructorilor de maṣini-unelte fixeazӑ acest punct la extremitatea pozitivӑ a fiecӑrei axe.

Dacӑ pentru o axӑ traductorul de deplasare determinӑ poziṭia absolutӑ – adicӑ, pe o anumitӑ distanṭӑ, fiecare poziṭie este univoc determinatӑ-,atunci acea axӑ nu are nevoie de punctul de referinṭӑ. În memoria controller-ului se înregistreazӑ un offset cu ajutorul cӑruia se va stabili ulterior originea axei.

Pentru orice masinӑ realӑ trebuie consultatӑ cartea tehnicӑ, în scopul verificӑrii dacӑ axele au nevoie sau nu de miṣcare de referinṭӑ ṣi, daca este cazul, unde este situat punctul de referinṭӑ pe fiecare axӑ.

2.2 Accesoriile unei maṣini CNC

Pentru a oferi flexibilitate utilizatorilor, majoritatea producӑtorilor de maṣini CNC vând separat mai multe accesorii necesare maṣinilor-unelte. Unii utilizatori pot cumpara o maṣinӑ de la un producӑtor și echipamentele accesorii de la alt producӑtor. Cunoaṣterea accesoriilor disponibile pentru o maṣinӑ CNC este foarte important. Importanṭa anumitor accesorii este atât de mare, încât existenṭa sau lipsa acestora poate însemna diferenṭa dintre succes și eṣec al unei afaceri. În cataloagele firmelor sunt prezentate accesorii standard(incluse în fabricaṭie) și accesorii opṭionale(ce pot fi comandate contra cost la livrarea maṣinii sau dupӑ livrare).

Exemple de accesorii ale maṣinilor CNC:

sisteme de ungere, rӑcire, ventilare

suport port-sculӑ și mecanisme de prindere a pieselor pe masa de lucru

mandrine, dispozitive de prindere a pieselor ṣi freze

scule de mânӑ

lampa de lucru

diverse tipuri de scule

accesorii de siguranṭӑ(blocaj mecanic al uṣii, acoperire totalӑ a zonei delucru, viziera din material transparent rezistent la impact etc.)

Exemple de accesorii opṭionale ale maṣinilor CNC:

sisteme de verificare a dimensiunilor piesei cu senzori de contact

sisteme cu senzori de contact pentru determinarea automatӑ a lungimiiunei scule

sistem de încӑrcare/descӑrcare automatӑ a pieselor

evacuator de aschii

uṣi automate

scule speciale pentru materiale speciale

funcṭii speciale pentru programarea CNC, cum ar fi: interpolare încoordonate polare sau cilindrice, rotirea sistemului de coordonate, scalare, managementul durabilitӑṭii sculei etc

Capacitӑṭi mӑrite de stocare programe

Partea a II-a

Contribuții la tema proiectului

3. ANALIZA STRUCTURALĂ A AXELOR

3.1.Scurtăprezentare

În partea practică a acestei lucrări am încercat construirea unui mini-CNC, adică o mașină-unealtă cu comandă numerică în miniatură, capabilă să execute operații de frezare în polistiren extrudat (XPS), utilizând o freză deget sau operaṭii de desenare, în acest caz putȃndu-se monta un creion special prevӑzut cu un arc pentru a asigura o presiune constantӑ a acestuia pe hârtie. În construcția mini-CNC-ului am folosit pentru cele 3 axe de translație sistemele de ghidare și acționare ale unui scanner,uneiimprimante și unei unități de citire a compact disk-urilor.

Bucla deschisӑ vs bucla închisă

Unele aplicații funcționează în buclă deschisă, iar altele operează în buclă închisă. Într-un sistem cubuclă deschisă de acṭionare, operația poate deveni incontrolabilӑ; într-un sistem cu buclă închisă de acționare procesul de producție este controlat. Diferența constӑ în acest „feedback”.

Un sistem în buclă deschisă reprezintă un proces în care semnalul se deplaseazӑ de la controller pȃnӑ la motor. Un exemplu al unui sistem cu buclӑ deschisӑ este sistemul mini-CNC-ului construit de mine – unde totul functioneazӑ corespunzator atata timp cat motorul nu pierde paṣi. Totuși, dacă din anumite motive mecanismul se blocheazӑ și motorul nu se poate deplasa, sistemul nu este conștient de situație și va continua trimiterea de comenzi, care sunt, în esență ignorate, astfel încât piesa de prelucrat poate fi distrusă sau eronată.

Într -un sistem cu buclă închisă – semnalul călătorește de la controller la motor, ca și în cazul de mai sus, însă diferența constӑ ȋntr-un alt semnal, numit semnal de feedback, care revine la controller, informând astfel faptul cӑ operaṭiunea a fost realizată cu succes. În cazul în care feedback-ul informează controllerul că operațiunea nu a avut succes, atunci operatorul poate fii ȋnṣtiinṭat că procesul nu a fost finalizat corect.Ȋn cazul sistemelor cu buclă închisă feedback-ul este utilizat pentru informaṭii legate de viteza, poziție precum și controlarea procesului.

Există o varietate de dispozitive disponibile pe piețe, care sunt folosite pentru a obṭine informații legate de viteza aplicației și/sau a poziṭiei, astfel ȋncȃt procesul poate fi controlat și se poate garanta faptul ca acesta se desfӑṣoarӑ în mod corect. Acestea includ: turometre, senzori Hall, encodere și resolvere. În figura 3.1este prezentată schema bloc de diferențieredintre cele două tipuri de acṭionări:

Figura3.1.Diferența intre buclă deschisă și buclă închisă de acționare.

3.2. Analiza structurală a axei X

Pentru axa X care execută mișcarea față-spate am folosit ghidajul și sistemul de acționare al unui scanner, acestaavândceamai mare lungime, ceamailungăcursășirigiditateaceamairidicată (în comparație cu celelalte componente disponibile), condițiinecesareavând în vederefaptulcăcelelaltedouă axe și scula așchietoare se vorsprijini pe aceasta. Ghidajul pentru axa X este unul liniar cu lagăr de alunecare, sania elementului mobil alunecând pe un ghidaj cilindric, iar la celălalt capăt al elementului mobil fiind sprijinit pe o rolă după cum se poate vedea în figura3.2.

Componentele mecanice:

Ghidajul cilindric

Sania simplă cu doua lagӑre de alunecare

Batiul din plastic al axei

Rola de alunecare

Mecanism reductor de turaṭie format din pinion și douӑ roți dinṭate

Curea dinṭatӑ

Fulii dințate de curea

Lagӑre de strȃngere pentru ghidaj

Mecanism cu arc pentruȋntinderea curelei

MPP

Pentru o identificare mai ușoarӑ a acestor elemente amrealizat o randare a modelului 3D al axei X izolatӑ de celelalte axe, aceasta putând fi vizibilă în figura 3.2.

Figura 3.2.Structura axei X (randare dupa modelul 3D Rhinoceros)

Pentru a ȋntelege funcṭionarea acestei axe primul lucru care trebuie explicat este angrenajul format din roṭile dinṭate de plastic (Figura 3.3.) care transmitmiṣcarea de rotaṭie a motoruluispre cureaua dinṭatӑ care este fixatӑ de sania cu lagӑre de alunecare.Acest mecanism are în componenṭa sa un pinion și patruroṭi dinṭatecu dinṭi drepṭi dispuse ȋn pereche ṣi fabricate din material plastic.

Figura 3.3.Mecanismul cu roṭi dinṭate al axei X

Angrenajul are rolul de a reduce turaṭia motorului, sporind astfel precizia de poziṭionare.Raportul de transmitere de la pinion la roata conducӑtoare a fost calculat experimental și a rezultat o valoare aproximativӑ de 20,35, adicӑ la o rotație a roții mari pinionul face 20,35 de rotaṭii. Raportul de transmitere se poate calcula ṣtiind numӑrul de dinṭi ai roṭilor cu relaṭia:

,

unde,

Astfel, ȋntre pinion șiprima roatӑ dinṭatӑ(roata a 2-a mare) se poate obṭine un raport de transmitere u=80/16=5, adicӑ la orotaṭie completӑ a roṭii 2 pinionul se va ȋnvȃrti de 5 ori.Angrenajul ȋmpreunӑ cu cureaua dinṭatӑ transformӑ miṣcarea circularӑ în miṣcare liniarӑ.

Ȋn tabelul 3.1. sunt prezentate mӑsurӑtorile roṭilor din angrenajul axei X.

Tabelul 3.1.Valorile roților dințate ale reducției axei X

Se poate analiza din figura1.1.faptul cӑ reducṭia motorului constӑ ȋntr-un angrenaj de cinci roṭi dinṭate cu dinṭi drepṭi, pinionul, roata 2 compusӑ din două roți lipite cu numărul de dinți și diametre diferite, roata 3 compusӑ din roata dinṭatӑ ṣi roata de curea. Roata de curea are o pereche ȋn capӑtul opus al axei la o distanṭӑ de 360 mm care are ṣi un mecanism cu arc de ȋntindere (figura 3.3.).

Figura 3.4. Mecanismul de ȋntindere al curelei dințate (axa Y).

Ghidajul cilindric al axei X este fabricat din oțel inoxidabil, are o lungime de 450 mm ṣi diametrul de 10 cm. Pe ghidaj alunecӑ sania mobilӑ, care are douӑ lagӑre de alunecare lubrifiate cu vaselinӑ, dispuse la o distanṭӑ de 30 de mm una față de cealaltă. Cursa axei X este de 260 mm.

Figura3.5.Dimensionarea componentelor axei X (modelare 3D Rhinoceros)

Figura 3.6. Dimensionarea elementelor axei X (vedere din faṭӑ)

Figura 3.7. Dimensionarea elementelor axei X (vedere de sus).

3.3. Analiza structurală a axei Y

Axa Y asigurӑ mișcarea de la stȃnga la dreapta a sculei și este montatӑpe batiul de plastic al axei X. Această axăa fost construitӑ din sistemul de ghidare și acṭionare al unei imprimante, mai exact partea mobilӑ care realizeazӑ miṣcarea transversalӑ a cartuṣelor imprimantei.

Ghidajul pentru axa Y este unul liniarcu lagăr de alunecare, sania elementului mobil alunecând pe un ghidaj în profil dreptunghic.Se mai poate observa faptul cӑ la fel ca ṣiaxa x, cureaua este fixată de sania care este corp comun cu elementul mobil.

Componentele mecanice:

Ghidajul dublu în profil dreptunghic fabricat din aluminiu

Sania cu două canale de alunecare

Elementul mobil –corp comun cu sania

Rola de alunecare

Mecanism reductor de turaṭie format din pinion și douӑ roți dinṭate

Curea dinṭatӑ

Fulii dințate de curea

Mecanism cu arc pentru ȋntinderea curelei

MPP

Figura 3.8. Structura axei Y (randare dupa model 3D Rhinoceros).

Transmiterea mișcarii către axă este realizată cu ajutorul unui reductor asemănător cu cel al axei X . Angrenajul este format din roṭile dinṭate de plastic care transmit miṣcarea de rotaṭie a motorului spre cureaua dinṭatӑ.Acest mecanism are în componenṭa sa un pinion montat pe axul MPP și patruroṭi dinṭate cu dinṭi drepṭi dispuse ȋn pereche ṣi fabricate din material plastic.Angrenajul are rolul de a reduce turaṭia motorului, sporind astfel precizia de poziṭionare. Raportul de transmitere de la pinion la roata conducӑtoare a fost calculat experimental și a rezultat o valoare aproximativӑ de 10,35, adicӑ la o rotație a roții mari pinionul face 10,35 de rotaṭii. Raportul de transmitere se poate calcula ṣtiind numӑrul de dinṭi ai roṭilor, folosind relatia de mai jos:

,

unde, u este raportul de transmitere, z2 este numărul de dinți ai roții conduse și z1 este numărul de dinți ai roții conducătoare (pinion).

De exemplu, ȋntre pinion și prima roatӑ dinṭatӑ(roata a 2-a mare) se poate obṭine un raport de transmitere u=80/16=5, adicӑ la o rotaṭie completӑ a roṭii 2 pinionul se va ȋnvȃrti de 5 ori.

Figura 3.9.Mecanismul cu roṭi dinṭate al axei Y

Ȋn tabelul 3.2. sunt prezentate mӑsurӑtorile roṭilor din angrenajul axei X. Măsuratorile diametrelor roților au fost efectuate cu ajutorul unui șubler, iar numărarea dinților a fost făcută vizual. Experimental s-a determinat raportul de transformare a mișcării de rotație în deplasare liniară rezultând valoarea de 50 mm la fiecare 10 rotații, adică o rotație completă a axului MPP axa se deplasează 5 mm, de aici putându-se deduce si precizia axei.

Tabelul 3.2. Valorile roților dințate ale reducției axei Y.

Angrenajul ȋmpreunӑ cu cureaua dinṭatӑ transformӑ miṣcarea circularӑ în miṣcare liniarӑ.Se poate analiza din figura3.10.faptul cӑ reducṭia motorului constӑ ȋntr-un angrenaj de cinci roṭi dinṭate cu dinṭi drepṭi, pinionul, roata 2 compusӑ din două roți lipite cu numărul de dinți și diametre diferite, roata 3 compusӑ din roata dinṭatӑ ṣi roata de curea. Roata de curea are o pereche ȋn capӑtul opus al axei la o distanṭӑ de 358 mm care are ṣi un mecanism cu arc de ȋntindere (figura 3.10.).

Figura 3.10. Mecanismul de ȋntindere al curelei dințate (axa Y).

Ghidajul în profil dreptunghic al axei Y este fabricat din profil de aluminiu , are o lungime de 430 mm ṣi grosimea de 3 mm. Pe ghidaj alunecӑ sania mobilӑ, care are douӑ lagӑre de alunecare lubrifiate cu vaselinӑ. Cursa axei Y este de 235 mm.

Figura 3.11. Dimensionarea elementelor axei Y (modelare 3D Rhinoceros).

Figura 3.12. Dimensionarea elementelor axei Y (vedere din faṭӑ)

Figura 3.13. Dimensionarea elementelor axei Y (vedere din lateral).

3.4. Analiza structurală a axei Z

Axa Z asigurӑ mișcarea de la sus în jos a sculei de lucru și este montatӑpe elementul mobil (suportul de cartușe) al axei Y. Această axă fost construitӑ din sistemul de ghidare și acṭionare al unei unități de citire a Compact Diskurilor, mai exact partea mobilӑ care realizeazӑ miṣcarea senzorului de citire, de aici se poate deduce că sistemul are o precizie foarte ridicată.

Axa Zare în componența sa două ghidaje liniare cilindrice dispuse în părțile laterale ale saniei.Această axă, spre deosebire de celelalte două nu are în componența sa o curea, transmisia realizându-se cu un surub trapezoidalcu specificațiile din figura 3.14. pe ale cărui canale sunt ghidați doi pini denumiti „needle pin” (figura 3.15.).

Figura 3.14. Specificațiile șurubului trapezoidal (fișa tehnică a MPP PL15S-020).

Figura 3.15. Specificațiile șurubului trapezoidal (fișa tehnică a MPP PL15S-020).

Componentele mecanice:

Ghidajul cilindric linar dublu fabricat din otel

Săniile cu două canale de alunecare

Elementul mobil care unește cele două sănii

Șurubul trapezoidal montat direct pe axul motorului

Pinii ghidați de șurub

MPP

Figura 3.16.Structura axei Z (randare dupa model 3D Rhinoceros).

Figura 3.17. Dimensionarea elementelor axei Z (modelare 3D Rhinoceros).

Figura 3.18.Dimensionarea elementelor axei Y (vedere din faṭӑ)

Figura 3.19. Dimensionarea elementelor axei Y (vedere de sus)

4. MOTOARELESISTEMULUI CNC

4.1Motoarele Pas cu Pas (MPP).Generalități.

Motoarele electrice folosesc ca și principiu de funcṭionare „forțeleelectromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs decurent electricaflat în câmp magnetic”.„Există însă și motoare electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice”.

Motorul pas cu pas (MPP) face parte din clasa motoarelor electrice care se folosesc de forṭele electromagnetice; este definit ca „un dispozitiv electromecanic care convertește impulsurile electrice în mișcări mecanice discrete”. MPPeste un motor sincron care prezintӑ „poli aparenți pe ambele armături” numiti poli statorici. Axul motorului pas cu pas execută o „mișcare de rotație în pași incrementali discreți când este aplicată în secvența corectă o comandă electrică în pulsuri”. Rotația motorului este strâns legată de caracteristicile acestor impulsuri electrice. Astfel direcția de rotație a motorului este direct legată de secvența în care sunt aplicate pulsurile electrice, de asemenea și viteza de rotație este direct dependentă de frecvența impulsurilor electrice iar deplasarea unghiulară este direct dependentă de numărul de pulsuri electrice aplicate. În comparație cu alte tipuri de motoare (motoarele de curent continuu sau motoarele de curent alternativ asincrone și sincrone) motorul pas cu pas are o serie de avantaje:

Rotația unghiulară a motorului este proporțională cu pulsul electric aplicat

Motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate

Poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumulează de la un pas la altul

Răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație

Fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durata de funcționare depinde de rulment

O gamă foarte largă de viteze de rotație

Există însă și dezavantaje precum:

Poate apărea rezonanța în cazul unui control deficitar

Controlul greoi la viteze foarte mari

Metoda de funcționare a MPP

Fiecare revoluție a axului motorului este alcătuită dintr-o „serie de pași discreți”. Un pas este definit ca fiind „rotația unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă”. Fiecare impuls face ca axul să se rotească cu un anumit număr de grade caracteristic fiecărui tip de motor. Un pas unghiular reprezintă „rotația axului motorului la fiecare pas”, și se măsoară în grade. În funcție de acest pas unghiular se poate face o clasificare a motoarelor pas cu pas.

Figura 4.1. Schema electro-mecanică a motoruluipas cu pas unipolar(modelare 2D ArchiCAD)

Motoarele unipolare bifazate sunt conectate la circuitul de comandă prin 6 conductoare (A, B, C, D) și cele două puncte mediane. Uneori legătura dintre ele se execută în interiorul maṣinii și legătura exterioară mai necesită doar un fir la fel ca și în cazul motoarelor folosite în sistemul CNC prezentat. Să presupunem că punctul comun este legat la masă (0V). Dacă se codifică alimentarea conductoarelor A, B, C, D cu un bit (1 pentru +U și 0 pentru masă), se poate rezuma un ciclu complet de o rotație prin următoarea succesiune:

rotire la dreapta: ABCD:1000 ABCD:0100 ABCD:0010 ABCD:0001 ABCD:1000

rotire la stânga: ABCD:1000 ABCD:0001 ABCD:0010 ABCD:0100 ABCD:1000

Dar există și alte modalități de comandă a alimentării:

modul bifazat, în care rotorul se poziționează între pozițiile clasice descrise anterior: ABCD:1100 ABCD:0110 ABCD:0011 ABCD1001 ABCD1100

modul semi-pas care permite dublarea numărului de pași ai unui motor: ABCD:1000 ABCD:1100 ABCD:0100 ABCD:0110 ABCD:0010 ABCD:0011 ABCD:0001 ABCD:1001 ABCD:1000

alte modalități care „combină principiul motorului pas cu pas cu tehnica impulsurilor modulate în amplitudine”, și prin care bobinele primesc un semnal variabil iar poziția rotorului poate fi controlată la nivel de fracțiuni dintr-un pas.

De obicei motoarele pas cu pas au două faze, dar există și motoare cu trei sau cinci faze. Un motor bipolar cu două faze are o bobină/fază iar un motor unipolar are o bobină cu priză centrală/fază.

De multe ori motorul unipolar este catalogat ca fiind un motor cu patru faze deși el are numai două faze. Există și motoare care au două bobine separate/fază – acestea pot fi conduse fie ca un motor bipolar sau ca un motor unipolar.

Rezoluția unghiulară sau pasul unghiular al unui motor pas cu pas este dat de relația

dintre numărul de poli pe rotor și numărul de poli pe stator, și numărul de faze.

, unde:

NPh – numărul de poli echivalenți/fază= numărul de poli pe rotor,

Ph – numărul de faze,

N – numărul total de poli pentru toate fazele.

În cazul în care numărul de poli de pe rotor și stator nu este egal, această relație nu mai este valabilă.

În funcție de modul de alimentare a fazelor există mai multe tipuri de conducere a motoarelor pas cu pas.

Cele mai comune moduri sunt:

pas întreg

jumătate de pas

micropășire

Motoarele pas cu pas se impart în 3 mari categorii:

Motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă

Motoare pas cu pas cu magnet permanent

Motoare pas cu pas hibride

4.2 Motoarele pas cu pas unipolare

În această categorie intră atât motoarele pas cu pas cu magnet permanent cât și cele hibride cu 5 sau 6 fire. Ele au legăturile interne în general după cum se observă în figura 4.2., cu 6 fire, sau ca în figura 4.3., cu 5 fire.

Figura 4.2. Legăturile interne ale MPP (6 fire).

Figura 4.3. Legăturile interne ale MPP (5 fire).

4.3.MPP pentru axa X

Sistemul de acționare a axei X are în componența sa un motor modelul M35SP-7produs de compania japoneza Mitsumi Electric.Se poate observa din figura 4.4. că este un motor stepper de mici dimensiuni.

Figura 4.4.Motorul M35SP-7 Mitsumi Electricîmpreună cu angrenajul reductor de turație.

Figura4.5. Dimensiunile motorului (preluare fișă tehnică).

Acest motor este un motor unipolarfolosit în construcția imprimantelor, copiatoarelor, fax-urilor, multifuncționalelor etc. Motorul dezvoltă niște cupluri destul de mari comparativ cu dimensiunile acestuia (35 mm diametrul exterior), până la29.4 mN·m /220PPS (6V CC).

Principalele caracteristici ale acestui motor sunt dimensiunea compactă și cuplu de ieșire mare, zgomote de funcționare foarte mici, pas unghiular de 7.5°, timp de raspuns foarte bun.

Un motor sincron nu este capabil să pornească de la sine doar prin legarea lui la o sursă de curent continuu. Astfel, viteza motorulului trebuie să fie adusăîn apropierea turației nominale, înainte de a putea rula pe cont propriu. Acest lucru se poate face prin montarea unor altor motoare care aduc turația motorului în apropierea turației nominale sau prin inducerea unor cupluri numite „cupluri pull-in”.

Cuplu „pull-in”:

Este măsurarea cuplului produs la pornirea unui motor „stepper”care operează fară un starter extern. La viteze mici motorul pas cu pas se poate auto-sincroniza prin aplicarea unei frecvențe de pas, iar acest cuplu „pull-in” trebuie să depășească forțele de frecare și de inerție. Este de preferat ca sarcina motorului să fie mai degrabă una care să țină de frecare decât de inerție, inerțiile mari putând duce la pornirea grea sau chiar imposibilitatea pornirii motorului, frecarea ajutând și la reducerea oscilațiilor nedorite.

Cuplu „pull-out”:

Cuplul pull-out este practic cuplu maxim la care poate funcționa în parametrii normali și se măsoară accelerând motorul laviteza dorită și apoi crescând valoarea cuplului până când motorul începe să sară pașii șiiese din sincronism.

În figurile de mai jos sunt prezentate două grafice cu cele două cupluri pull-in șipull-out când motorul este conectat la o tensiune de 6 Volti CC și o rezistentă a bobineide 8 Ohmi (figura 4.6.) respectiv 24 Volti CC și rezistența bobinei de 50 de Ohmi (figura 4.7.).

Curba „pull-in” definește o zonă numită regiune de start/stop. În această regiune, motorul poate fi pornit/oprit instantaneu cu o sarcină aplicată și fără pierderi de sincronism.

Figura 4.6.Graficul cuplurilor la 6V, 8Ω (preluare din fișa tehnică a motorului).

Figura 4.7.Graficul cuplurilor la 24V, 50Ω (preluare din fișa tehnică a motorului).

Specificațiile motorului sunt prezentate în tabelul de mai jos:

Tabelul 4.1. Specificațiile motorului Mitsumi M35SP-7

4.4.MPP pentru axa Y

Sistemul de acționare a axei Y are în componența sa un motor pas cu pas modelul T4216Fprodus în Taiwan de companiaEpoch Electronics.Se poate observa din figura 4.8. că, la fel ca și motorul folosit pentru axa X, este un motor stepper de mici dimensiuni.Spre deosebire de motorul anterior prezentat, Epoch T4216F esteun motor bipolarfolosit în construcția imprimantelor, copiatoarelor, fax-urilor, multifuncționalelor etc. Motorul dezvoltă cupluri de până la58 mN·m/1600PPS (24V CC). Se poate observa că deși este mai mic decât motorul Mitsumi de pe axa X, motorul Epoch poate dezvolta un cuplu mai mare, însă se poate încălzi foarte repede, motiv pentru care am montat un radiator cu ventilator pentru evitarea supraîncălzirii care poate duce la arderea bobinajului motorului.Transmiterea eficientă a căldurii în radiator a fost asigurată prin aplicarea unei paste termo-conductoare între motor și radiator.

Figura4.8.Motorul Epoch T4216F cu radiator de răcire.

Figura.4.9.Dimensiunile motoruluiEpoch T4216F (preluare fișa tehnică).

Prezentate mai jos sunt caracteristicile motorului Epoch T4216F:

Figura4.10.Graficul cuplurilor la 24V, 8Ω (fisa tehnica Epoch T4216).

Tabelul4.2.Caracteristicile tehnice ale motorului (fisa tehnica Epoch T4216F)

4.5.MPP pentru axa Z :

Sistemul de acționare a axei Z are în componența sa un motor pas cu pas modelul PL15S+020 produs de companiaMinebea-Matsushita Motor Corporation.Motorul de pe această axă este cel mai mic motor din componența mini-CNC-ului.La fel ca și modelul anterior prezentat, motorul Minebea PL15S+20esteun motor bipolar.Este folosit în construcția unor unități de citire a Compact Discurilor și pentru unele modele de unități Floppy Disk. Motorul este construit cu o prelungire a axului care este transformat în șurub cu filet trapezoidal pe care se încalecă pinii elementului mobil al axei realizând astfel mișcarea pe axa Z.S-a observat că în urma montării sculei de lucru care are greutatea de 83 de grame, cuplu de menținere al motorului este prea mic și la unele variații ale sistemului motorul poate „scăpa” conducând la coborarea necontrolată a elementului mobil. S-a observat totodată șiîncălzirea excesivă a motoruluiși La fel ca și motorul axei Y poate dezvolta un cuplu mare, insa se poate incalzi foarte repede, motiv pentru care am montat un ventilator pentru evitarea supraincalzirii care poate duce la arderea bobinajului motorului.

Figura4.11.Dimensiunile motorului (preluare din fișa tehnică Minebea PL15S-020).

Figura 4.12.Graficul cuplurilor la 5V, 10Ω (fișa tehnicăMinebea PL15S-020).

Figura 4.13. Caracteristici de referință ale MPP (fisa tehnica Minebea PL15S-020)

Figura4.14.Secvența de comutare a MPP(fișa tehnicăMinebea PL15S-020).

4.6. Motorul sculei de lucru

Alegerea motorului

Pentru a alege motorul sculei de lucru am facut mai întai niște verificări ale rezistenței motorului de pe axa Z pentru a afla sarcina maximă la care poate să sustină o anumită greutate fără să scape din pași. Pentru asta am folosit un cântar electronic cu precizia de 0.01 grame cu care am cântărit diverse piese din metal cu diferite greutăți. Punând progresiv greutăti din ce în ce mai mai mari am ajuns la o valoare a greutății de 125 de grame moment în care motorul nu a mai putut să mențină greutatea și a început să scape piesa în jos. Am aflat astfel că motorul sculei de lucru împreuna cu scula de lucru trebuie sa aibă o greutate cât mai mică, sub această limită maximă.

Ca și soluție am găsit în comerț un tip de freză de dimensiuni mici (figura 4.16.) prețul de achiziție fiind unul mic și care s-a dovedit a fi o alegere bună, atât ca și greutate (83 de grame) cât și ca specificații tehnice.

Figura 4.15Specificațiile tehnice ale motorului sculei de lucru.

Figura4.16.Soluția aleasă pentru scula de lucru

Specificații tehnice

unitatea centrala este prevazută cu butoane de control pentruturație si sens de rotație

turația este reglabilă între 0~20.000 rotații/minut

freza are mecanism de prindere conic cu diametrul de 2.35mm cu fixare prin autoblocare.

Kitul achiziționat conține:

Unitatea de baza cu sursa de alimentare și butoanele de control

Freza care conține motorul

Suport din silicon pentru freză

5 capete de schimb diamantate

1 suport pentru inelele abrazive

5 inele abrazive

Figura 4.17. Dimensionarea motorului sculei de lucru (fișa tehnică).

5. PLACA DE ACṬIONARE. DRIVER STEPPER

5.1. Acționarea motoarelor

Comanda pașilor MPP se poate realiza în mai multe moduri:

Comandă în secvență simplă în care este alimentată câte o singură fază statorică AA’, BB’ respectiv CC’ (figura 5.1.);

Comandă în secvență dublă în care sunt alimentate simultan cate 2 faze: AA’+BB’; BB’+CC’ respectiv CC’+AA’ (figura 5.2.).

Figura 5.1.Comanda în secvență simplă. Figura 5.2. Comanda în secventă dublă.

Comanda în secvență mixtă presupune alimentarea, succesivă a unei faze, AA’, urmată de alimentarea a 2 faze, AA’+BB’, apoi a unei faze, BB’, urmată de alte 2 faze, BB’+CC’ etc. Comanda prin micropășire este o metodă specială de control al poziției MPP în poziții intermediare celor obținute prin primele trei metode. De exemplu, pot fi realizate poziționări la 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 din pasul motorului, prin utilizarea unor curenți de comandă a fazelor cu valori diferite de cea nominală, astfel încât suma curenților de comandă prin cele două faze alăturate, comandate simultan să fie constantă, egală cu valoarea nominală. Cu ajutorul acestei metode sunt asigurate atât poziționări fine, cât și operări line, fără șocuri, însă cuplul dezvoltat este mai mic decât în primele trei cazuri. Presupune un sistem de comandă mult mai complex, cu convertoare numeric-analogice, pentru a obține profilele de curenți în trepte. Dintr-un alt punct de vedere, respectiv cel al menținerii/inversării sensului, sunt două moduri de comandă distincte: Comandă unipolară, cu menținerea sensului curentului; Comandă bipolară, cu alternarea sensului curentului. Este important numărul de fire accesibil la ieșirea motorului, existând motoare cu 4, 5, 6 și 8 fire. Motoarele folosite în sistemul nostru sunt toate motoare cu cate 5 fire, schema de legare reprezentata în figura 5.3..

Figura 5.3. Motor cu 5 fire de ieșire

Acționarea motoarelor se realizează cu ajutorul unui driver de comandă a motoarelor pas cu pas denumit placă driver sau controller pentru motoare steppere.

Driverele sau controllerele (CNC) reprezintă interfața între software-calculator, în cazul nostru,programul Mach3 și mașina CNC.O problemă principală a driverelor pentru motoarele pas cu pas este limitarea curentului.Driverele pentru motoare pas cu pas au o capacitatea de a limita curentul, masura necesară pentru a oferi un curent constant motoarelor, indiferent de turatie.

Controlul se poate obține fie prin adăugarea de rezistențe de balast, se obține astfel o reglare liniară a curentului, fie prin control PWM (comutareaalimentării la frecvențe înalte) acesta fiind realizat de către microcontolere sau circuite specializate șioferă o eficiență mult mai bună în special din punct de vedere al disipatiei termice. Majoritatea driverelor oferăun control static al curentului, dar există și drivere care controlează dinamic curentul în funcție de turația motorul crescând curentul la turați ridicate pentru a evita pierderile de cuplu.

Tensiunea de alimentare este de asemena foarte importantă, în special la turați mari, unde datorităfrecvenței ridicate de comutare, motorul nu primește suficient curent.Pentru a compensa această problemătrebuie creat un „rezervor de energie”, adică driverele trebuie alimentate cu tensiuni de 10 pana la de 20 de ori valoarea nominală a motoarelor, de exemplu: un motor ce prin construcție este de 4V și 2A, driverul va trebui alimentat la o tensiune de 40 V și 2 A pentru a obține performațe optime.

O caracteristică importantă a driverelor este capacitatea de a controla motoarele în micropași.

Prin micropași se realizeazăun control mult mai precis a motorului. În funcție de capacitatea driveruluise pot obține un număr mult mai ridicat de pași, de exemplu un motor ce prin construcție oferă 200 pasi/rotație, în micropași de ½ se obțin 400 pași, ¼ se obțin 800 pași etc.

Un alt avantaj al folosirii driverelor cu micropași este reducerea vibrațiilor și a rezonaței.

Micropașii se obțin de către drivere prin controlul precis alcurentului ce actionează motorul.

Totuși folosirea unui nivel ridicat de micropași duce la pierdera considerabilă a cuplului în special daca driverul nu are capacitatea de a controla dinamic curentul, tot odată erorile de deplasare la fiecare pas cresc considerabil.

Modul cel mai des folosit este cel ½, acestea eliminând vibrațiile și rezonața motorului la un nivel acceptabil fără pierderi majore de cuplu.Dacă se dorește o precizie mai ridicatăeste indicată folosirea unui demultiplicator mecanic (reductor). Cea mai indicată variantă este cea cu fulii pentru curele sincrone deoarece se elimina totodată vibrațiile și necesitatea folosiri unor cuplaje elastice.

Controlul Unipolar

La fiecare impuls este acționată una dintre cele 4 bobine (înfăsurări). Controlul unipolar este folosit în general în majoritateaimprimatelor, faxuri, scanere, acolo unde estenecesar un nivel al zgomotului cât mai redus și un cuplul constant. Avantajul controlului unipolar este costul relativ scăzut fată de un controler bipolar, zgomotul și vibrațiile puțin mai reduse șiun cupluconstant indiferent de turație.

Un inconvenient este pierderea considerabilă a cuplului. La turații mici un driver unipolar oferă un cuplu cu până la 40% mai mic fată de varianta bipolara, dar se compensează la turații mai ridicate.

Un exemplu unde poate fi folosit cu succes un driver unipolar este mașinaCNC pentru decuparea polistirenuluideorece cuplul necesar acestui tip de mașină trebuie să fie constant.

Controlul Bipolar

Un driver bipolar este mult mai eficient decât de unul unipolar datorită cuplului ridicat pe care acesta îl oferă la turați mici. Driverul bipolar estealegera cea mai bună pentru construcția unui CNC de tip router folosit petru frezare/tăiere, deoarece în momentul prelucrării este nevoie de un cuplu ridicat la turați mici, iar deplasarea sculei în afara materialului se poate realiza la turați mai mari cu un cuplu scăzut. Un driver bipolar reușește să controleze mult mai eficient un MPP deoarece acționează la fiecare impuls 2 bobine din cele 4 a unui, crescând astfel cuplul considerabil. Totuși, datorită rezonanței magnetice ridicate în mod de funcționare cu pas intreg, cuplul scade considerabil la turati mari.Pentru o și mai bună eficiență, înfășurările motorului se pot conecta în paralel, atenție însa curentul absorbit de motoare se va dubla iar acest mod de conectare este posibil doar la motoarele cu 8 fire.

Pentru o mai bună întelegere a celor de mai sus am realizat o diagramă care reprezintă aproximativ diferențele între controlul bipolar și unipolar.În realitate pot apărea diferențe în funcție de tipul driverelor folosite, tensiunea de alimentare sau de modul de conectare al motoarelor.

Pentru acționarea pas cu pas a motoarelor sistemului CNC, am folosit o placă Driver modelul Toshiba TB6560AHQ. Am prezentat componența driverului și porturile aferente acestui tip de driver în figura 5.4.

Figura 5.4.Schema driverului (controllerului).

Legarea motoarelor se face respectând diagrama de conectare din fișa tehnicăa driverului.

Figura 5.5.Diagrama de conectare a motoarelor (preluare fișa tehnicăTB6560)

Caracteristici tehnice:

Putere mare – Curent maxim 3.5A

1…1/16 setare pentru micropășire. Precizie mai mare și funcționalitate mai lină decat standardul de pășire 1, 1/2

Setări reglabile ale curentului de acționare pe fiecare axa (25%, 50 %, 75 %, 100 % din curentul integral poate fi setat pentru diferite motoare pas cu pas)

Siguranța de protecție împotriva suprasarcinilor și temperaturilor ridicate – protecție completă pentru computer și periferice

Comutarea curentului on-board.Puterile transmise motoarelor pot fi stabilite și setate cu ajutorul comutatoarelor

Releu pentru interfața sculei de lucru. Ieșire: max. 36V, 7.5A pentru motoare specifice sculelor de lucru

4 canale pentru intrările interfețelor – pot fi folosite pentru limitarea axelor XYZ și oprire de urgență

Construcție profesională, procesarea semnalului se face în două etape utilizând și echipamente anti-bruiaj

Curent constant pentru tipul bipolar, control fin al motoarelor

Patru intrări de control împărțite în perechi, permit setarea limitelor și opririi de urgență

Arhitectura universală, suportă majoritatea software-urilortransmise prin portul paralel MACH3, KCAM4, EMC2 etc.

Setările comutatoarelor on-board:

Tabelul 5.1. Setările comutatoarelor on-board

Definirea pinilor interfeței paralele:

Configurarea porturilor și pin-ilorse realizează din interfața programului, la rubrica „Engine Configuration… Ports & Pins” după cum se poate vedea în figura 5.6..

Figura 5.6. Configurarea porturilor și PIN-ilor

6.INTERṬA CAD

6.1 Generalități

Termenul CAD – abreviere pentru Computer Aided Design, tradus proiectare asistată de calculator, se referă la aplicațiile,programele de calculator sau soft-urile menite să ușureze procesul de proiectare. Aceste programe au fost create pentru a înlocui planșeta de desenare;sunt niste „instrumente de desenare cu calculatorul” care cu timpul au devenit foarte importante în activitatea de proiectare făcândposibilă virtualizarea unor obiecte reale și vizualizarea spațială (3D) a pieselor și ansamblelor și totodată simularea mecanismelor și a mișcărilor unor anumite piese.În majoritatea ramurilor ingineriei, tehnologia CAD a devenit indispensabilă.Mai jos sunt enumerate domeniile importante în care se utilizează aceste programe:

Arhitectură

Construcții

Drumuri și poduri

Industria aeronautică

Industria de automobile

Electronică și electrotehnică

Design Industrial

Inginerie Mecanică

AutoCAD – Computer Aided Design (proiectare asistata de calculator) – este cel mai răspândit mediu de grafică și proiectare asistată de calculator.Prima versiune, denumită MicroCAD,a apărut în anul 1982, ajungând până la versiunea AutoCAD 2014. Mai jos este prezentată o listă cu câteva exemple de programe CAD uzuale :

ArchiCAD

AutoCAD

Autodesk Inventor

SolidWorks

CATIA

SolidEdge

Rhinoceros

3DS Max

6.2 Aplicatia Rhinoceros 3D:

Rhinoceros 3D,prescurtat Rhino sau Rhino3Deste o aplicație comercială de grafică 3D și de proiectarea asistată de calculator ( CAD ), dezvoltata de Robert McNeel & Associates, fondată în 1980.Rhino este folosit în procesele de proiectare asistată de calculator (CAD), în industria prelucrătoare asistată de calculator (CAM), prototipare rapidă, imprimare 3D, design industrial, design de produs și design grafic.

Rhinoceroseste dezvoltat pentru sistemul de operare Microsoft Windows și o versiune beta este disponibila și pentru OSX.

Probabil cea mai importantă caracteristică a acestui program este că se bazează pe NURBS ( Non-uniform rationalbasis spline ),modelul matematic, care se axează pe producerea și reprezentarea matematică precisă a curbelor și suprafețelorîn grafica pe calculator ( spre deosebire de alte aplicații care folosesc poligoanele sub formă de plase). Un exemplu cu o astfel de curbă este prezentat în fig. x.x,unde punctele verzi reprezintă puncte de control pentru creearea curbei de culoare albastră.În figura x.x sunt prezentate mai multe curbe cu punctele lor de control care formează o suprafață.

Fig.x.x Curbă NURBS Fig.x.x Suprafata din curbe NURBS

Ca și interfață CAD în realizarea proiectului am folosit aplicația Rhinoceros deoarece prezinta numeroase avantaje, precum:

Interfață intuitivă și ușor de folosit

Folosește NURBS (Non-uniform rationalbasis spline) adicăgrafica vectorială

Permite instalarea unor plug-inuri CAM care facilitează transformarea pieselor 3D în format CAM

Suportă peste 30 de formate CAD pentru import și export de fișiere

Suportă 2 tipuri de limbaje de programare Rhinoscript și Python care contribuie la rapiditatea construirii și proiectării prin introducerea comenzilor prestabilite

Are disponibile peste 6 tipuri de motoare de randare specializate, utile pentru vizualizarea cat mai realista a pieselor modelate

Pentru a putea prezenta mai usor și pe subansamble,ammodelat tot sistemul CNC în Rhino,iar în figura x.x este prezentat intregul sistem CNC.

Fig.x.x Ansamblul final mini-CNC (modelare 3D Rhino)

Randarea reprezintă „procesul de preluare a informațiilor digitale”(volume, texturi, lumini etc.) introduse intr-un mediu grafic de modelare 3D, programabil, și de „convertire a acestora în imagini finale” care tind sa imite realitatea, vizibile pe monitor sau pe hârtie.

În figura x.x este prezentată randarea ansamblului mini-CNC-ului cu ajutorul instrumentului V-Ray disponibil în pachetul freeware al programului Rhinoceros. Randarea este importantă pentru punerea în evidență a componentelor și este foarte utilă pentru prezentarea unor concepte.

Fig x.xRandarea ansambluluimini-CNC cu programul Rhinoceros

Modelarea piesei de prelucrat:

Cu ajutorul programului Rhino ammodelat piesacare mi-am propus să o execut cu ajutorul mini-CNC- ului. Primul pas a fost de a importa o imagine în format“jpeg” cu sigla Universității Tehnice din Cluj-Napocapeste care am trasat liniile care urmăresc conturul siglei, astfel încât reproducerea să fie cât mai fidelă (fig.x.x). Pentru producerea piesei 3D s-au folosit comenzi precum: line, extrude,patch, explode, extrude surface, etc. Dupa ce am obținut conturul siglei am ridicat suprafața generată cu o înălțime de 6 mmcu comanda extrude surface, generând astfel o piesa 3D. Pentru crearea curburii siglei s-au folosit punctele de control obtinând un arc de cerc care a tăiat în volumulpiesei rezultând modelul 3D final al piesei (fig.x.x).In figura x.xeste prezentat modul de generare al piesei, utilizând o imagine de model.

Fig x.xModelarea piesei 3D după o imagine. (Modelare 3D Rhinoceros)

Fig x.xModelarea piesei de executat (Modelare 3D Rhinoceros)

Fig x.xDimensiunile rezultate ale piesei de executat (Modelare 3D Rhinoceros)

7. Interfața de generare program sursa (CAM)

7.1. Generalități CAM

CAM, acronim pentru Computer-aided manufacturing, tradus fabricație asistată de calculator.

Cea mai comună definiție pentru fabricația asistată pe calculator ( CAM ) este „utilizarea software-ului pe calculator în vedereacontrolării maṣinii-unelte și a utilajelor conexe în procesul de fabricație a pieselor”. CAM se poate referi, de asemenea, la utilizarea unui calculator pentru a ajuta la toate operațiunile de producție, inclusiv de planificare, management, transport și depozitare, scopul său principal este de a crea un proces de producție mai rapid, componente și scule cu dimensiuni mai precise și consistență materială care, în unele cazuri, folosește numai cantitatea necesară de materie primă (minimizând astfel deșeurile), simultan cu reducerea consumului de energie.Este un proces de fabricație asistată pe calculator ca urmare a proiectării asistate pe calculator ( CAD ), uneori, de inginerie asistată de calculator ( CAE ).

Un model trebuie generat mai întai în CAD, verificat în CAE abia apoi poate fi introdus în software- CAM, pentru a controla mașina unealtă în vederea obținerii piesei dorite. În mod traditional, CAM este considerată comandă numerică (NC), instrument de programare, în cazul bidimensional (2-D) sau tridimensionale (3-D) modele de componente generate în software CAD sunt utilizate pentru a genera G-cod sau M-cod, etc. La sfârșitul programului software-ul va procesa un simplu fișier neoficial de tipul IGES, STEP sau STL care este comanda numerică a maṣinii (CNC). Unele utilaje au nevoie de o post-procesare, dar altele mai noi nu.Aceste fișiere conțin o combinație de litere și cifre.În Controleri moderni, CNC modele simple, cum ar fi cercuri sau contururi de bază nu necesită importareaunui fisier CAD pentru operațiuni de fabricare.

Primele aplicații comerciale de CAD au fost în companii mari în industria auto și aerospațială, de exemplu, Pierre Béziers în anii 1960 a pus aplicația CAD / CAM UNISURF în curs de dezvoltare pentru design-ul unui corp de mașină pentru Renault. Fișierele G-code/M-codes redate de software-ul utilizat trebuie trecute printr-un post procesor dar și editare manuală pentru ca programul să ruleze în mod corespunzător. Programul este transferat la un instrument de mașină, folosind o comandă directă numerică (DNC), sau în Controllere moderne, folosind un dispozitiv de stocare USB comun. Utilizatorii ar putea alege tipul de instrument, procesul de prelucrare și căile ce vor fi utilizate. Inginerul programator trebuie să aibă cunoștiinte de programare G – cod dar și un mecanic sau operator de mașina CNC trebuie să aibă competențele necesare apropiate de un programator sau inginer.

Zonele de interes:

Prelucrare de mare viteză, inclusiv rationalizarea de căi de scule

Multi-funcția de prelucrare

5 axe de prelucrare

Caracteristică de recunoaștere și de prelucrare

Automatizarea proceselor de prelucrare

Ușor de utilizat

Procesul de prelucrare

Procesul de prelucrare implică mai multe etape în funcție de piesele și materialul utilizat.Fiecare etapă variază de la strategiile de bază în functie de materialul și software-ul disponibil. Etapele principale în prelucrare sunt:

DEGROȘARE

SEMI-FINISARE

FINISARE

FREZARE CONTUR

CENTRUIRE

GĂURIRE

7.2 Transferul din CAD în CAM

Importul și exportul de fișiere CAD este o funcție fundamentală a software-uluiCAM. O bună înțelegere a acestui proces este importantă pentru oricine își achiziționează un program CAM.Traducerea fișierelor este un proces în care un format de date este convertit în altul. Traducătorii de fișiere sunt programațiîn mod independent de către fiecare companie producătoare de software CAD sau software CAM. Unele companiipot folosi mai multe tipuri diferite de pachete CAD pentru a comunica cu alte companii producătoaresau funcții specifice complet diferite. Un model 3Dde tipul CAD poate fi exportat și importat în mai multe pachete CAD înainte ca fișierul final să ajungăîn procesul de fabricație. Pentru acest lucru, în componența programelor CAM s-au implementatsistemele de tipul„translator de import”, care filtrează prin rezultatele translațiilor sau tranzițiilor între diferite formate anterioare.

Tipuri de traducători de fișiere:

Există numeroase formate de fișier pe piața din ziua de azi. Câteva dintre exemple sunt: IGES, CADL, DXF, ASCII, NCAL, PAR, PRT, SAT, SUP, STL, X_T, MODEL, precum și alte extensii de fișiere. De asemenea, producătorii de CAD / CAM software dezvoltă formate proprii pentru software-ul lor. Deci, un standard de conversie adevărat nu este încă posibil.

În prezent, există practic două tipuri de traducători de fișiere- neutrii și direcți. Traducătorii neutrii sunt folosiți pentru a converti dintr-un format CADsau CAM, într-unformat standard general, ales de comun acord. Acestea sunt documentate și disponibile pentru oricine doreste sa le utilizeze. Traducătorii neutrii principali de astăzi sunt IGES pentru date de suprafață și X_T sau SAT, care au fost dezvoltate pentruprelucrarea datelor pentrumodelarea solidă (3D).

7.3 Programul Mastercam

Programul Mastercam a fost produs de compania CNC Software, Incfondată în Massachusetts în 1983, care este una dintre cele mai vechi companii dezvoltatoare de softwarePC ( CAD / CAM. Ei sunt printre primii care au introdussoftware CAD / CAM conceput atât pentru operatori cat și ingineri. Mastercam, principalul produs al companiei, a început ca un sistem 2D CAM cu instrumente CAD de proiectare care permitea operatorului sa creeze piese virtuale pe un ecran de computer și, de asemenea, ghidarea sistemelor CNCmașini-unelte controlate în fabricarea de piese. De atunci, Mastercamadevenit cel mai frecvent utilizatpachet CAD / CAM din lume.

Importarea fișierelor în Mastercam :

Pentru importarea modelului 3D în Mastercam și pregătirea pentru următorul pas (definirea traiectoriilor) se folosesc următorii pași:

Conversia sau importarea fișierului real

Se selectează din meniu butonul File –> Converters -> Parasld ->Read File

Se schimbă formatul fișierului în *.sldprt

Se selectează fișierul și se apasă butonul Open

Verificarea geometriei și a dimensiunilor

Se comută la vizualizarea izometrică folosind tastele rapide Gview -izometric

Scalarea geometriei (daca este nevoie)

Pentru definirea traiectoriilor se deschide Toolpath și se selectează tipul de traiectorie.

8. Interfața de operare.

8.1. Programul Mach3.

Mach 3 este un program software care face legătura între controller și computer, fiind practic interfața de lucru a controllerului. Acesta poate fi definit ca fiind programul de gestionare al maṣinii-unelte și are rolul de a transforma comenzile aflate în fișierul Gcod într-o serie de semnale electrice (pași, direcție, viteză) ce vor fi trimise către motoarele CNC-ului pas cu pas. Am ales să folosesc acest program deoarece este gratuit și are o varietate de funcții care oferă un vast portofoliu de comenzi și opțiuni, ideal pentru multe tipuri de mașini CNC. Mach 3 funcționează pe majoritatea sistemelor de operare Windows, rolul acestuia este de a controla mișcarea motoarelor stepper sau servo prin prelucrarea G-codurilor generate de programul CAM. Este un Program foarte intuitiv și personalizabil.

Caracteristici de bază și funcții oferite de programul Mach3 :

Transforma un computer personal intr-un controller CNC cu pana la 6 axe

Permite importul direct de DXF, BMP, JPG, și fisiere HPGL prin LazyCam

Afiseaza liniile G-code ale programului în timp real

Poate genera G-codeprin LazyCam sau Wizards

Interfata Personalizabila

Posibilitatea de customizare a M-codes

Controlul vitezei axelor

Controlul multiplelor relee

Generarea manuala a pulsurilor

Afisajul video a maṣinii-unelte

Eligibilitate buna a ecranului

Interfața Mach 3 este prezentată în fig 8.1, primul pas este configurarea porturilor și a pinurilor din meniul Config Function CFG’s. Se selectează și se aleg porturile care fac legătura cu driverul prin portul paralel.

Figx.x interfata Mach 3 –Configurare porturi și pin-uri

8.2. Programarea. Codurile G.

Pentru programul de generare a piesei de test se încarcăîn Mach3 programul construit în Mastercam, care are în componența sa linii de cod (G-code). Cele mai utilizate coduri folosite în programarea CNC-urilor sunt codurile G, care sunt funcții preparatoare și codurile M -funcții diverse. De asemenea mai există și coduri F, S, D și T care sunt folosite pentru funcții ale maṣinii precum viteză, încărcare, diametru de tăiere, numărul sculei, etc. Codurile G mai sunt numite și coduri ciclu deoarece se referă la niște acțiuni care au loc pe axele XY Z ale CNC-ului. Codurile G sunt grupate în categorii numite Grupuri, cum ar fi:

Grupul 01 – contine codurile G00 G01 G02 G03 care produc mișcări ale mesei sau capului CNC-ului

Grupul 03-include programarea incrementală sau absolută

Grupul 09 – pentru ciclurile închise

Codul G00 poziționează rapid scula de lucru în timp ce traversează pe deasupra piesei de prelucrat și se miscă dintr-un punct în altul fără a îndepărta material. În timpul traversării, și axa X și axa Y pot fi mișcate individual sau simultan. Rata de mișcare rapidă a sculei de lucru poate varia între 5 și 20 de m/min, această viteză depinzând de sistemul de acționare al CNC-ului.

Codurile G01, G02 și G03 sunt responsabile de mișcarea de avans controlată a axelor astfel:

G01 –mișcare în linie dreaptă (interpolare liniară)

G02-(în sensul acelor de ceasornic) și G03-(invers acelor de ceasornic) – folosite pentru arce și cercuri (interpolare circulară). În tabelul x.x sunt prezentate cele mai utilizate coduri G folosite în programarea mașinilor unelte.

Tab x.x Funcțiile principalelor coduri G

Interpolarea:

Reprezintă metoda prin care mașinile unelte de conturare trec de la un punct programat la altul. Există 5 metode de interpolare: liniară, circulară, elicoidală, barabolice și cubice. Toate comenzile de conturare folosesc interpolarea liniară iar cele mai multe tipuri de controale pot să le facă pe ambele, liniară și circulară. Interpolările elicoidale parabolice și cubice sunt folosite de către companiile care produc componente cu forme complexe, frecvent întâlnite în industria auto și aerospațială.

Blocurile de informație :

Informația CNC este în general programată în blocuri de cate cinci cuvinte. Fiecare cuvânt face parte din standardul EIA (Electronic Industry Alliance) și sunt scrise pe o linie orizontală. Dacă unul din cele cinci cuvinte nu este inclus în acest bloc….

Fig x.x Fragment cu liniile de cod din programul sursă al piesei de prelucrat

9. Generarea piesei test.

9.1. Încărcarea și rularea programului sursă .

Generarea programului NC s-a realizat cu “Postprocessor”-ul programului Mastercam . Fișierele NC conțin instrucțiuni pentru a controla mașina în timpul manipulării unui instrument de tăiere .

Aceasta a avut ca rezultat deschiderea unei ferestre “NC-program sursa” , din această fereastră selectându-se tipul echipamentului și numele fișierului în care s-a dorit salvarea programului NC generat. Codul NC a fost afișat într-o fereastră și de asemenea salvat într-un fișier cu extensie specifică fiecărui tip de echipament.

După terminarea generării programului sursă in Mastercam și verificarea liniilor de cod cu aplicația NCXCHECK disponibilă în pachetul Mastercam se incarcă programul sursă in memoria programului Mach3 , după care se apasă butonul de reset și se face un test de funcționare apăsând săgețile tastaturii pentru a verifica dacă porturile au fost setate corect și sistemul răspunde comenzilor . După aceasta verificare urmeaza setarea punctului de origine care va fi in cazul piesei colțul din dreapta sus a piesei semifabricatului , figura 9.x .

Secvența din fișierul programului sursă :

%

O0000 (T)

(MASTERCAM – V17.)

(MC9 FILE – C:\USERS\Calinux\DESKTOP\CALIN\CALIN\CALIN.MCX-8)

(POST – )

(MATERIAL – )

(PROGRAM – T.NC)

(DATE – SEP-02-15)

(TIME – 17:29)

(POST DEV – NovaLab)

(NWDTOOL N"2MM FLAT" T1 D2. F22. L48. CD50. CL25. SD50. C0)

(NWDSTOCK X85.849 Y81.622 Z30. OTC OX-42.925 OY-40.811 OZ0.)

N10 G00 G17 G21 G40 G49 G80 G90

N20 T1 M06 (2MM FLAT)

N30 (MAX – Z1.5)

N40 (MIN – Z-14.583)

N50 (TOOLPATH – ROUGHPOCK)

N60 (STOCK LEFT ON DRIVE SURFS = .2)

N70 G00 Z1.5

N80 G00 X92.299 Y-6.45 S2000 M03

N90 G01 Z-.141 F250.

N100 X-6.45 F350.

N110 Y-5.455

N120 X92.299

N130 Y-4.46

N140 X-6.45

N150 Y-3.465

N160 X92.299

N170 Y-2.47

N180 X-6.45

N190 Y-1.475

N200 X92.299

N210 Y-.48

N220 X-6.45

N230 Y.515N240 X92.299

N250 Y1.51

N260 X-6.45

N270 Y2.505

N280 X92.299

N290 Y3.5

N300 X-6.45

N310 Y4.495

N320 X92.299

N330 Y5.49

N340 X-6.45

N350 Y6.485

N360 X92.299

N370 Y7.48

N380 X-6.45

N390 Y8.475

N400 X92.299

N410 Y9.47

N420 X-6.45

N430 Y10.464

Fig 9.x Piesa semifabricat (stânga) și piesa finală dupa finisare (dreapta)

Materialul de prelucrat:

Materialul semifabricatului este un polistiren extrudat spongios (XPS) care este un material rigid utilizat pentru izolarea termica . Principalele caracteristici ale materialului sunt : absorbție foarte scăzută a apei , rezistentă mare la compresiune valoare mica a conductivitatii termice . Am ales acest tip de material pentru piesa pentru ca este un material usor de prelucrat si prezinta o rezistenta mecanica ridicata la incarcari de scurta durata cat si de lunga durata . Polistirenul extrudat este printre materialele spongioase cu rezistenta cea mai mare la compresiune , densitatea minima a acestui material este de 32 kg/mc .

Specificații ale sculei de lucru

Scula de lucru echipată cu burghiu elicoidal cu diametrul de 2 mmdin oțel rapid deînaltă performanță conform DIN 338, cu filet dreapta tip N , înclinația vârfului burghiului 118° , toleranță diametru h 8. Canal elicoidal vălțuit cu role, cu muchie teșită, permeabil pentru aburi. Tija burghiului corespunde diametrului acestuia, culoarea burghiului:neagră . Doua tăișuri, cilindric, două spirale *strtoupper("Indicatie:")

9.2. Calculul volumului de material îndepărtat .

Interfața CAD pune la dispozitie o serie de analize printre care si o analiză a volumului . Pentru determinarea volumului de material îndepărtat se creeaza un bloc separat cu dimensiunile exterioare ale paralelipipedului care urmează a fi rezultat în urma prelucrării . Paralelipipedul rezultat s-a tăiat apoi cu piesa finală , rezultând o cavitate (un negativ al piesei ) cu forme și dimensiuni identice cu cele ale piesei figura 9.2.1.

Figura 9.2.1 Generarea unui bloc cu negativul piesei pentru calculul volumului (modelare CAD)

Blocul cu negativul piesei urmeaza a fi selectat iar cu optiunea “Analyze” – “Mass Properties” – “Volume” figura 9.2.1.

Figura 9.2.1Calculul volumului de material îndepărtat din material(Rhinoceros 3D)

A rezultat un volum de material îndepărtat de 147901.458 (+/- 0.0022) mm3 , sau147.9015 cm3.

SINTEZA PRIMELOR TREI PROVOCĂRI MAJORE DIN PROIECT

Se prezintă trei dintre cele mai complexe probleme tehnice, științifice sau de altă natură pe care a trebuit să le rezolvați în cadrul proiectului în vederea atingerii obiectivelor propuse. Practic, aici vi se cere să extrageți unele informații din partea a II-a a proiectului și să le prezentați într-o formă cât mai condensată pentru a pune în evidență mai bine (pentru a face mai vizibile) aspectele de originalitate, inovare, complexitate ale proiectului. Cu alte cuvinte, trebuie să prezentați acele elemente care „vând” cel mai bine proiectul (notă: Unique Selling Points). Se alocă maximum trei pagini pentru acest capitol.

Prima provocare majoră

[Introduceți textul aici; TNR 12, line spacing: single; aliniere: justify]

A doua provocare majoră

[Introduceți textul aici; TNR 12, line spacing: single; aliniere: justify]

A treia provocare majoră

[Introduceți textul aici; TNR 12, line spacing: single; aliniere: justify]

CONCLUZII

Sedescriu rezultatele obținute, se discută rezultatele, se prezintă limitările (limitele) rezultatelor, se prezintă unde urmează a fi integraterezultatele, ce intenții de viitor există în direcția dezvoltării temei de proiect. Concluziile trebuie să rezume întreaga lucrare și să pună în evidență punctele care susțin calitatea muncii și a rezultatelor obținute. Concluziile trebuie să-i demonstreze cititorului de ce este importantă lucrarea de față. Concluziile trebuie să dea sentimentul de completitudine (obiectivele au fost atinse). Concluziile reprezintă o sinteză, nu un rezumat a ce ați făcut în lucrare. Se alocă maximum două pagini pentru acest capitol.

BIBLIOGRAFIE

Respectați formatul de redactare a referințelor bibliografice.

Acur, N., Englyst, L. (2006), Assessment of Strategy Formulation: How to Ensure Quality în Process and Outcome, International Journal of Operations & Production Management, vol. 26, nr. 5, pg. 69-91.

Alexis, J. (2008), Metoda Taguchi în Practica Industrială. Planuri de Experiențe, Ed. Tehnică, București.

Allegra, M., Fulantelli, G. (2007), ICT for SMEs: Some Key Elements to Improve Competitiveness, Proceeding of the 2nd International Conference on the Management of Technological Changes, Ed. Economică, București, pg. 377-388.

Heylighen, F., Pop, I, Mann, T. (2010), Building a Science of Complexity, www.pespmc1. vub.ac.be/papers/BuildingComplexity.html, descărcat de pe internet la 30.03.2010.

*** (2009), SR EN ISO 9001. Sisteme de Management al Calității. Cerințe, ASRO.

*** (2011a), Concept to Customer. A Roadmap for the Integrating Leading DFSS Methods, www.c2c-solutions.com, descărcat de pe internet la23.05.2011.

Mai sus aveți exemple de redactare a referințelor bibliografice pentru diverse situații. Vă rugăm să respectați cu rigurozitate aceste cerințe. Referințele se trec în ordine alfabetică după numele primului autor, apoi după anul apariției dacă sunt mai multe lucrări ale aceluiași autor. Referințele fără autor (***) se trec cel mai la urmă în listă.

https://ro.wikipedia.org/wiki/AutoCAD

https://en.wikipedia.org/wiki/Rhinoceros_3D

biblio Liviu Stoica– Desenul digital în arhitectură, Bucuresti 2011

https://ro.wikipedia.org/wiki/AutoCAD