Lect. Univ. Dr. Ing. ADRIAN COSTESCU [302790]

UNIVERSITATEA HYPERION

FACULTATEA DE ȘTIINȚE EXACTE ȘI INGINEREȘTI

Program de studii: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

PROIECT DE LICENȚĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Lect. Univ. Dr. Ing. ADRIAN COSTESCU

ABSOLVENT: [anonimizat] – 2019

UNIVERSITATEA HYPERION din BUCUREȘTI

FACULTATEA de ȘTIINȚE EXACTE și INGINEREȘTI

Program de studii: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

DISPOZITIV CNC PENTRU GRAVURI CU FASCICUL LASER COMANDAT PRIN MICROCONTROLLER AVR

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Lect. Univ. Dr. Ing. ADRIAN COSTESCU

ABSOLVENT: [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

Dispozitivul CNC de gravat cu fascicul laser va avea următoarele specificații:

să fie capabil să se reconfigureze în functie de aplicațiile la care va fi supus(prin schimbarea suportului de pe axa Z in funcție de nevoile și cerințele problemei: [anonimizat], [anonimizat] 3D);

să poată utiliza diferite limbaje de programare la nivel cât mai înalt în programarea microcontrolerului;

să aibă o precizie asupra lucrării la un nivel cât mai ridicat;

să ducă treaba la bun sfârșit fără a avea greșeli în funcționare;

să poate fi utilizat de orice persoană indiferent de vârstă;

să ofere o aranjare fizică a [anonimizat].

INTRODUCERE

În ziua de astăzi lumea este în plină expansiune tehnologică dar și științifică datorită cercetărilor în domeniul sistemelor de tip CNC (computer numerical control). Sistemele CNC au fost utilizate pentru prima dată la sfârșitul anilor ’50. Aceste dipozitive oferă posibilitatea de comandare a mașinilor unelte prin mecanisme electronice., [anonimizat]-ul.

Figura 1.1, Primul CNC [6].

[anonimizat] 3D cu ajutorul unui computer. O mașină cu control numeric computerizat modifică o [anonimizat] a [anonimizat][1].

Sistemele CNC au fost utilizate pentru prima dată la sfârșitul anilor ’50. Aceste dipozitive oferă posibilitatea de comandare a mașinilor unelte prin mecanisme electronice. Dipozitivele, [anonimizat] a avioanelor, industria medicală și chiar industria militară eficientizând acțiunile de producție cu grad de precizie ridicat[2].

Figura 1.2, CNC pentru gravare industrială [5].

În primul capitol al acestei lucrări voi expune progresul în decursul timpului a automatizărilor industriale pe plan global. [anonimizat], fasciculul laser dar și a driverele pentru funcționarea în parametrii a motoarelor folosite la realizarea lucrării. Acest capitol prezintă o scurtă istorie atât a automatizării proceselor tehnologice în decursul anilor cât și a microcontrolerelor cu care un dispozitiv este controlat, dar mai specific a mașinilor de tip CNC, dispozitive care facilitează și ușurează munca omenirii.

În cel de-al doilea capitol al lucrării voi prezenta dezvoltarea sistemului din punct de vedere hardware prin asamblarea pieselor printate 3D pentru a forma cadrul și structura CNC-ului, prin conectarea motoarelor, a plăcii Arduino si a plăcii CNC plus driverele motoarelor pentru a forma un întreg, dar și a din punct de vedere software. Capitolul acesta descrie fiecare etapă în parte a realizării dispozitivului pentru gravat dar și aplicarea lui în diferite activități ce țin de o precizie foarte mare pe care factorul uman nu o poate realiza.

În această lucrare este vizată înțelegerea și învățarea considerentelor teoretice și aplicarea lor în practică, prin testarea și crearea de aplicații ce țin de mașinile cu comandă numerică computerizat.

CAPITOLUL I Considerente generale

I.1 Principalele tipuri de dispozitive CNC și aplicații

Dispozitivele CNC sunt utilizate pentru producția în masa. Cele mai des întânlite tipuri de mașini cu comandă numerică computerizată sunt frezele și strungurile. Acestea sunt folosite pentru procesele care necesită o serie vastă de pași de execuție. Automatizarea oricăror procese reduce în mod evident timpul de execuție și ajută la o mai bună evoluție a producției[3].

La începuturile acestor dispozitive erau utilizate cartele perforate pentru a da o anumita comandă, dar odată cu apariția microcontroller-elor și a calculatoarelor situația s-a schimbat.Dezvoltarea acestor mașini s-a demonstrat prin rezultatele lor, atât ca timp de prelucrare dar și ca eficiență și randament.

Un dispozitiv CNC execută deplasări stabilite dinainte în raport cu axe specifice fiecăreia, de care programul ține cont. Aici a fost introdus termenul de axă ca fiind o mișcare liniară sau rotație executată de părțile care se deplasează ale mașinii unealtă.Cele mai des întânlite și utilizate CNC-uri sunt: strungurile, mașinile de rectificat, mașinile de gravat, mașini de frezat, mașini de găurit și așa mai departe.

În practică majoritatea CNC-urilor au 2 sau 3 axe, iar realizarea mișcărilor se face fie prin mișcarea uneltei de prelucrare, fie prin mișcarea piesei pe care se execută comanda[7].

Controlarea mașinilor de tip CNC cu ajutorul calculatorului a oferit capacitatea producerii unei game vaste și o multitudine de astfel de dispozitive CNC. Cele mai importante componente ale unui dipozitiv CNC sunt:

Un calculator sau laptop.

Programe care permit proiectarea.

Programe care transformă proiectul într-un set de instrucțiuni.

Programe care analizează instrucțiunile și dau comanda dispozitivului[4].

La începuturile dispozitivelor CNC a fost o tehnologie adaptată pentru nevoile, cerințele și mașinile existente, dar astăzi tehnologia CNC este mult evoluată pentru diferite mașini-unelte, existând insă și mașini care sunt concepute doar pentru a fi mașini CNC.

Spre exemplu mașinile pentru frezat sunt ehipate cu tehnologie CNC. Acest proces are drept consecință eliminarea angrenajelor construite în mașină pentru a ușura munca operatorului uman.

Figura 1.3, CNC pentru frezat [13]

De asemenea și strungurile au avut parte de aceeași modernizare cu tehnologia CNC facilitând munca omului, micșorând timpul de execuție și îmbunătățind calitatea diferitelor piese, componente și mecanisme[13].

Figura 1.4, Strung ciclic pentru metal cu tehnologie CNC [14]

Dispozitivele care sunt personalizate pentru operații CNC se numesc router. Acest tip de CNC este construit exclusiv pentru a putea fi controlate și operate de tehonologia CNC și nu au operator uman decât prin intermediul computerului.

Acest tip de CNC este destinat producției de piese și mecanisme de mărimi foarte mari adesea folosite la prelucrarea lemnului, prelucrarea materialelor plastice și a tablei. Router-ele au în cele mai frecvente cazuri configurație de coordonate carteziene cu 3 axe(X,Y și Z). Acest set de 3 axe permite și prelucrarea 3D în diferite situații, acesta to de CNC fiind folosit și pentru imprimantele 3D[13].

Figura 1.5, Router CNC pentru prelucrarea lemnului [15]

CNC-ul cu tăiere laser folosește un laser puternic pentru tăierea diferitelor materiale, de la lemn, plastic și chiar metal. Fiecare tip de material are nevoie de o anumită putere a laserului în funcție de material, de duritatea acestuia și de grosimea piesei. La fel sunt și CNC-urile de debitat cu plasmă, acestea fiind realizate pentru tăierea în special a tablei și a fierului în forma dorită.

Figura 1.6, CNC pentru tăiere cu laser [16]

Tehnologia CNC este prezentă și la imprimantele 3D, dar spre deosebire de CNC-urile de mai sus acest tip de dispozitiv CNC lucrează astfel: nu se mai pleacă de la o bucată solidă de material și se îndepărtează bucăți din material pentru a ajunge la piesa dorita, imprimanta 3D o contruiește de la 0 strat cu strat. Imprimanta face acest lucru posibil folosind un extruder care încălzește, la o anumită temperatură, și împinge un material, de obicei plastic sau derivate ale acestuia, printr-o duză din capul extruder-ului[13].

Figura 1.7, Imprimantă 3D cu tehnologie CNC [17]

I.2 Comandarea CNC-ului prin intermediul unui microcontroller AVR

CNC shield sau scutul CNC facilitează, alături de placa Arduino și driver-ele de motor, punerea în funcțiune a proiectelor pe care le doriți să le realizați [33]. CNC shield v3.0 poate fi folosit ca panou de expansiune pentru diferite proiecte de tip CNC [34].

Figura 1.8, Scutul CNC alături de placa Arduino și driver-ele de motor A4899, [34]

Utilizat pe Arduino, scutul CNC, poate controla 4 motoare pas cu pas. Cu acest scut alături de un microcontroller AVR se pot construi diferite proiecte de la mașini care gravează sau taie cu laser, la mașini care ridică și mută obiecte, până la imprimante 3D sau orice mașini de tipul acesta [35].

Scutul CNC suportă surse de alimentare de până la 36V, dar driver-ele A4899 nu sunt proiectate să suporte 36 de volți, iar acestea se vor arde dacă nu este folosită tensiunea corepunzătoare cerințelor acestor drivere[36].

Scutul este proiectat pentru a acționa motoarele pas cu pas bipolare în toate modurile acestuia, având o capacitate de ieșire de până la 35V și ± 2A [37].

Figura 1.10, Schema bloc de conctare a motoarelor la scutul CNC, [33]

Arduino este o platformă electronică atât hardware cât și software ușor de utilizat. Aceste plăci pot citi date de intrare și le pot transforma în date de ieșire activând diferite LED-uri motoare sau multe altele.

Prima placă Arduino a fost lansată în anul 2005, având ca scop să asigure o soluție ieftină dar și simplă pentru utilizatorii de diferite niveluri, spre a creea diferite gadget-uri competente să interacționeze cu lumea înconjurătoare. Arduino a început ca un simplu proiect al unui student italian de la Institutul de Interacțiune a Designului din Ivrea. Atunci studenții foloseau o placa de dezvoltare BASIC Stamp care costa 100$, ceea ce era considerat un lucru mult prea scump pentru studenți. Numele Arduino vine de la numele unui bar unde dezvoltatorii și fondatorii obișnuiau să se întânlească.

Figura 1.29, Una dintre primele plăci Arduino [46]

În decursul anilor plăcile Arduino au stat la baza multor proiecte, fie că vorbim de obiecte de zi cu zi și uneori chiar instrumente mult mai complexe. Software-ul Arduino este ușor de utilizat indifferent de pregătirea personai care îl utilizează, fie că vorbim de utilizatori începători sau avansați.

Există multe microcontrolere și platforme de acest gen, dar Arduino simplifică procesul de utilizare și de lucru cu microcontrolerele oferind și avantaje pentru elevi, studenți care sunt interesați de lucrul cu aceste platforme.

Software-ul Arduino este un software open-source disponibil tuturor. Utilizatori experimentați îl pot folosi drept extensie, doarece limbajul poate fi extins la C++ prin diferite biblioteci[45].

O placă Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de8,16 sau 32 de biți, având diverse componente auxiliare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite. Aceste plăci dispun de conectori standard, fapt care permite utilizatorului să conecteze placa la diferite module shield-uri interschimbabile[47].

Figura 1.30, Placă Arduino UNO R3[46]

Arduino UNO Rev3 vine preprogramat cu un bootloader care îi permite utilizatorului să încarce un cod nou fără a utiliza un programator hardware extern. Aceasta comunică utilizând protocolul STK500[46].

Alimentarea plăcii se face fie prin conexiune USB fie printr-o sursă externă. Această putere dintr-o sursă externă poate să provină de la sursă AC-DC. Acet tip de placă poate funcționa pe o sursă externă între 6 și 20 de volți.

Memoria acestei plăci este de 32 de KB unde bootloader-ul ocupă 0,5KB, SRM are 2KB și EEPROM 1KB.Maparea pinilor între Arduino și Atmega328P. Cartografia pentru Atmega8, 168 și 328 este aceeași:

Figura 1.33, Maparea pinilor pentru ATmega168 [49]

Acet tip de placă are 14 pini care pot fi utilizați ca intrare/ ieșire, accesându-i prin funcțiile pinMode(), digitalWrite() și digitalRead(). Acești pini funcționează o tensiune de 5V. Fiecare pin poate să transmită sau sa primească 20mA ca și condiție de funcționare, iar valoarea maximă este de 40mA orice valoare peste aceasta va duce la deteriorarea permanentă a microcontrolerului[46].

Placa Arduino UNO Rev3 are următoarea schemă electrică:

Figura 2.34, Schema electrică Arduino UNO Rev3 [50]

I.3 Motoare de tip pas cu pas

Un motor de tip pas cu pas este un motor brushless, sincron care schimbă impulsurile de comandă in mișcare de rotație. Acest tip de motor poate împărți o rotație completă de 360° într-un numar de pași. Este caracterizat prin faptul că puterea consumată este constantă fapt care îl diferențiază de motorul normal de curent continuu. Puterea acestor motoare este egală cu produsul dintre viteza unghiulară și cuplu, de aceea dacă se dorește cuplu mare viteza trebuie să scadă iar la viteze mari cuplu ascetuia scade[8].Poziția motorului de acest fel poate fi comandată să se miște și să se pastreze la unul din acești pași fără ajutorul unui senzor de poziție[11].

Motoarele pas cu pas, ca și celelalte motoare au un stator și un rotor, dar spre deosebire de celelalte motoare, statorul constă în seturi individuale de bobine. Printr-un motor pas cu pas se înțelege că rotorul constă în poli de metal și fiecare pol va fi atras de un set de bobine din stator.

Figura 1.11, Schema motoarelor pas cu pas [9]

Bobinele de pe stator sunt aranjate în perechi de bobine, cum ar fi A și A’ sau B și B’ și așa mai departe. Fiecare pereche de bobine formează un electromagnet și pot fi alimentate individual folosin un circuit de comandă. Când o bobină devine energizată, acționează ca un magnet și polul rotorului se aliniază cu el, când rotorul se rotește pentru a se ajusta să se alinieze cu statorul, acesta se numește pas.

Există în principal trei tipuri de motoare pas cu pas bazate pe construcții:

Motor pas cu pas cu reluctanță variabilă: Acest tip de motor are un rotor cu miez de fier care e atras spre stâlpii statorului și asigură mișcarea prin reluarea minimă între stator și rotor;

Motor pas cu pas cu magnet permanent: Acest tip de motor are rotor cu magnet permanent și sunt respinse sau atrase spre stator în funcție de impulsurile aplicate;

Motor pas cu pas cu sincron: sunt combinații de motoare cu reluctanță variabilă și motoare pas cu pas cu magnet permanent

Motoarele pas cu pas pot fi clasificate ca și motoare unipolare si bipolare pe baza tipului de înfașurare a statorului.

Motoarele pas cu pas bipolare. La acest tip de motoare bobinele statorului nu au fir comun. Conducerea acestui tip de motor este diferită și complexă

Figura 1.12, Schema motorului pas cu pas bipolar [8]

Motoarele pas cu pas unipolare. În acest tip de motor putem lua turația centrală a ambelor bobinări de fază pentru un curent comun sau o putere comună. Acest lucru face ca motorul să fie uțor de antrnat, exitând multe tipuri de motor pas cu pas unipolar[9].

Un motor pas cu pas este un motor acționat de impulsuri de curent continuu. Un impuls unic în faza corespunzatoare va deplasa și va ține rotorul în unghiul fix al motorului și astfel poate fi acționat și poate fi mișcat de un controler cu buclă deschisă.

Figura 1.13, Schema motorului pas cu pas unipolar[9]

Funcționarea unui astfel de motor este asemănăoare cu cea a unui motor DC fără perii, doar că într-un motor pas cu pas câmpurile magnetice sunt aliniate după mișcare pentru a produce un cuplu foarte mare. Motoarele pas cu pas sunt definite de cuplul lor în mișcare și de forța lor de cuplare.

Motoarele de tip pas cu pas sunt folosite la scară largă în domeniul roboticii datorită cuplului lor de pornire foarte mare, a controlului simplu prin circuite digitale și a posibilităților de control cu buclă deschisă.

Acest tip de motoare produce o rotație prin unghiuri egale, pași, pentru fiecare impuls digital dat la intrarea acestuia. Dacă un impuls de intrare produce 1,8° atunci 20 de impulsuri vor genera o rotație de 36°, iar 200 de impulsuri vor genera 360°, adică o rotație completă a motorului. Acesta poate fi astfel utilizat pentruo poziționare angulară exactă.

Pentru a putea fi conduse motoarele pas cu pas astfel încât să procedeze progresiv pentru a sigura mișcarea de rotație, fiecare grup de bobine statorice trebuie să fie pornită și oprită în secvența necesară atunci când intrarea este o secvență de impulsuri.Acestea se rotesc defiecare data când impulsul de declanșare trece de la un nivel scăzut la un nivel ridicat. Motoarele de tip pas cu pas merg în sensul acelor de ceasornic atunci cand impulsul de rotație este scăzut si în sens contrat acelor de ceasornic atunci când impulsul este ridicat[10].

Transmisiile pas cu pas fac lumea electromagnetică să meargă rotund și uniform la un cuplu foarte mare, spre deosebire de motoarele clasice de curent continuu, controlul unui motor pas cu pas are nevoie de mai mult decât un curent pe două fire[12].

I.4 Driver-ele de motor necesare funcționării in parametrii a motoarelor de tip pas cu pas

Driver-ele pentru motoarele pas cu pas sunt circuite utilizate pentru a conduce sau pentru a comanda un motor pas cu pas. Driver-ul pentru acest tip de motoare este de multe ori un controller, un “conducător” și o conexiune cu motorul. În momentul de față pe piață se găsesc foarte multe astfel de drivere. Cele mai multe dintre aceste drivere sunt ușor de folosit și pot fi conectate la motorul pas cu pas iar motorul va porni imediat. Aceste circuite vin într-o varietate în ceea ce privește curentul și tensiunea. Aceste drivere trebuie selectate în funcție de tipul de motorul utilizat.

În zilele de astăzi tot mai multe persoane aleg circuitele compacte și integrate în defavoarea driver-elor discrete cum ar fi tranzistoarele[26].

Figura 1.14, Diagrama de funționare a unui driver A4988{27]

Driver-ul Allegro 4988 sau A4988 are o capacitate de ieșire de pana la 35 volți și ±2 amperi, care permite cotrolarea motorelor pas cu pas bipolare la curent de ieșire de până la 2A pe bobină cum ar fi motorul pas cu pas NEMA 17.

Aceste drivere au un traducător built-in pentru o operare cât mai ușoară. Acesta, A4988, reduce numărul de pini de control la doar 2, unul pentru controlul pașilor și altul pentru controlul direcției de rotire.

În centrul modulului este un driver de microstepping de la Allegro – A4988. Are dimensiuni reduse (0,8 "× 0,6")[28].

Figura 1.15, Driver A4988[28]

A4988 are 16 pini care au contact cu lumea exterioară. Pini sun următorii:

Figura 1.16, Exemplificarea pinilor driver-ului A4988 [28]

Acest tip de driver are 2 conexiuni de alimentare după cum urmează:

Figura 1.17, Pini de alimentare ai driver-ului [28]

VDD și GND sunt folosite pentru a conduce circuitele logice interne caer sunt alimentate de la 3V la 5.5V, iar VMOT și GND durnizează puterea motoarelor cuprinsă între 8V și 35V.

A4988 are trei trepte selectoare, MS1, MS2 și MS3. Prin setarea anumitor niveluri logice corepunzătoare acestor pini se pot seta motoarele la una dintre cele cinci rezoluții ale pasului

Tabelul 1.1, Selecția pinilor prin niveluri logice și rezoluția de mișcare sau pasul motorului, [28]

Driver-ul A4988 are două intrări de comandă STEP și DIR, exemplificați în figura 1.16. Intrarea STEP controlează mișcările de rortație a motorului. Cu cât impulsurile sunt mai rapide, cu atât motorul se va roti mai repede. DIR adică direcția de intrare controlează direcția de rotiree a motorului, trăgând motorul in poziția HIGH motorul se rotește în sensul acelor de ceasornic, iar trăgându-l în pozitia LOW motorul se rotește în sens invers acelor de ceasornic.

Figura 1.18, Intrările de comandă [28]

A4988 are trei intrări diferite pentru a controla stările de putere: EN, RST și SLP.

Figura 1.19, Intrările de control al puterii {28]

EN reprezintă intrarea redusă activă, atunci când se află în LOW driver-ul A4988 este activat. Acest pin este mereu în LOW, deci implicit driver-ul este activat întodeauna, excepție cazul în care acesta este pus în HIGH.

RST este pinul de intrare activă scăzute. Când se află în LOW, toate intrările STEP sunt ignorate. Starea inițială este, de obicei, poziția inițială de la pornirea motorului și este diferită în funcție de mișcarea de pas a motorului.

SLP este de asemenea tot pin de intrare activă scăzută. Punând driver-ul în LOW acesta intră în repaus, minimizând consumul de energie. Acest lucru se face atunci când motorul nu este utilizat pentru a economisi energie.

Canalele de ieșire ale driver-ului sunt 2B, 2A, 1A și 1B.

Figura 1.20, Canalele de ieșire ale driver-ului [28]

Înainte de utilizarea motorului, există o mică ajustare pe care trebuie făcută. Trebuie limitată cantitatea maximă de curent care trece prin bobinele motorului împiedicând depășirea curentului nominal al motorului. Există un mic potențiometru pe driver-ul A4988 care poate fi folosit pentru a seta limita de curent[28].

I.5 Fascicul laser pentru gravat

Tehnologia laser a început cu Albert Einstein pe la începul secolului al XX-lea. Tehnologia a evoluat mult în anii ’60 atunci când a fost contruit primul laser.

Primul laser cu CO2, dezvoltat în anul 1964 avea o putere de doar 1 miliwatt. În anul 1967 laserele cu emisii de CO2 au avut o putere mai mare de 1000 de wați [33].

Primul dispzitiv de gravare cu fascicul laser a fost creat de C. Kumar N. Patel în anul 1964. Așa arată primul astfel de dispozitiv din lume:

Figura 1.21, Prima mașină de gravat cu fascicul laser [31]

Gravura laser este practica utilizată pentru a grava un obiect sau o suprafață. Gravura cu laser are o vastă categorie de metode pentru a marca diferite suprafețe și obiecte. Termenul de gravare cu laser este folosit ca termen generic care acoperă o gamă largă de tehnici de acoperire cum ar fi imprimarea, marcare fierbinte și lipire cu laser.

O mașină de gravat cu laser este compusă din trei părți principale:

Controlerul;

Laserul;

Suprafața pentru gravat.

Laserul este un fascicul emis de către un modul special, care este controlat de către un controler să urmărească diferite tipare pe o anumită suprafață. Suprafața pe care se gravează trebuie aleasă în funcție de puterea și capacitatea pe care o are modulul laser.

Laserul este un fascicul îngust de fotoni emis de diode laser speciale. Dioda laser este similară cu un LED, dar această diodă generează o rază de lumină foarte puternică[40].

Figura 1.22, Diodă laser [40]

Există trei tipuri de mașini pentru gravat, cea mai des întânlită este cea care funcționează pe axele XY unde suprafața de gravat este staționară iar modulul laser se mișcă pe axele de coordonate X și Y, dar suprafața de gravat poate să se miște iar laserul să fie staționar, iar în unele cazuri piesa se deplasează pe axa Y iar laserul pe axa X.

Un al doilea tip de mașină este pentru piesele cilindrice, unde laserul traversează o helixă fină și pulsarea laserului produce imaginea dorită.

În al treilea mod atât suprafața cât și laserul sunt fixe iar glavo-oglinzile deplasează fasciculul laser peste suprafața piesei de prelucrat.

Punctul în care laserul atinge suprafața trebuie să se afle pe planul focal al sistemului optic al laserului. Acest punct este de obicei mic având mai puțin de o fracțiune de milimetru[29].

Gravarea laser este reflectarea luminii prin oglinzi, această lumină este concentrată în căldură. Adâncimea gravării variază și poate fi reglată de intensitatea fasciculului. În urma gravării zonele atinse de laser pot devenii negre, iar pentru a avea o altă culoare se folosesc materiale cu mai multe starturi.

În scoputi de fabricație, gravarea cu laser este utilizată pentru a adăuga numere de serie, de identificare, siglele companiei, imagini dar și alte personalizări[30].

Cuvântul LASER este defapt un acronim care înseamnă Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Bazele teoretice dar și cele practice pentru această realizare au fost oferite de către rușii Alexander Prokhorov și Nikolay Basov și de americanul Charles Townes, câștingând și împărțind toți trei premiul Nobel pentru fizică în anul 1964.

Cel mai interesat lucru despre laser este faptul că acesta nu este un amplificator de lumină, așa cum este precizat în nume, ci un generator de lumină. Laserul este un dispozitiv care generează lumină prin emisie stimulată de radiație[38].

Radiația spontană și radiația stimulată sunt cele două tipuri de radiații existente. În cazul radiației spontane aceasta se produce fără cauze externe exact ca și în cazul becurilor LED, iar radiația stimulată se produce atunci când un foton extern lovește un electron excitat. Interacționarea fotonukui extern cu electronul excitat include o tranziție și o radiație de foton nou, în acest caz emisia indusă este stimulată de fotonul extern, de aceea această radiație se numește radiție stimulată[38].

Figura 1.23, Modul laser pentru gravare de 5W alături de modulul TTL [39]

I.6 Microcontroller AVR

Un microcontroller este un mic calculator pe un singur circuit integrat[19]. Este o structură elctronică a cărei manieră de funcționare poate fi schimbat prin programarea cu ajutorul unui software decicat acestui scop[20].

Figura 1.24 , Microcontroller pe 8 biți ATmeg48 [ 18]

Primul microcontroller AVR a fost dezvolatat în anul 1996 de compania Atmel. Aceasta arhitectură a fost inventată la Institutul Norvegian de Tehnologie de către Alf-Egil Bogen și Vegard Wollan. Acronimul AVR, după cum susține compatia Atmel, nu reprezintă nimic, creatorii acestuia nu vor să dea un răspuns cu privire la termenul AVR. Deși este aprobat în mod normal că AVR reprezintă un procesor RISC a lui Alf și Vegard[21].

Microcontrolerul AVR sunt destul de rapide executând majoritatea comenzilor în ciclul de execuție unică. Aceste microcontrolerele sunt de 4 ori mai rapide decât PIC-urile, consumă puțină energie și pot să fie operate în moduri de economisire a enegiei[22].

Microcontrolerul AVR pe 8 biți aparține familiei calculatorului cu seturi de instrucțiuni reduse, RISC. În această arhitectură RISC, setul de instrucțiuni nu este mic în număr, dar este și mai simplă si mult mai rapidă în funcționare. Microcontrolerul pe 8 biți este competent să transmită și să primească date pe 8 biți, regiștrii de intrare sau ieșire sunt disponibili pe 8 biți.

Aceste microcontrolere din familia AVR au o arhitectură bazată ăe regiștri, adică asta inseamnă că operanzii pentru o secventă de instrucțiuni sunt stocați intr-un registu, iar rezultatul instrucțiunii este stocat și acesta tot într-un registru.

Arhitectura AVR se bazează pe formatul Harvard ARhitecture, unde procesorul este dotat cu memorii separate. Datorită faptului că microcontrolerul AVR poate să execute doar un singur ciclu de execuție, asta înseamnă că poate executa 1 milion de instrucțiuni pe secundă dacă frecvența ciclului este de 1MHz[22].

Memoria acestor microcontrolere este formata din 8KB (kilobiți) de memorie flash, 1KB de SRAM și 512 biți de EEPROM. Aceasta este împărțită în doua: partea inferioară folosită pentru scvența de boot și partea superioară folosită ca secțiune de flash a aplicației. SRAM-ul conține 1 KB și 1120 de biți pentru regiștrii generali și regiștrii de intrare și ieșire[23]. SRAM este memoria pentru stocare temporară, dar care este de fapt „memoria” principală a unui MCU[24].

Diagrama bloc a arhitecturii AVR este urmăoarea:

Figura 1.25, Diagrama bloc a microcontrolerului AVR [24]

Cea mai usoară cale să vezi de ce sunt capabile aceste mircocontrolere este compari un microcontroler AVR cu un PC, care are o placă de bază. Pe această placă de bază se află un microprocesor care oferă memorii inteligente, memorii RAM și EEPROM dar și interfețe pentru restul sistemului, porturi seriale, driver-ele și interfețele de afișare.Un microcontroler are toate caracteristicile înglobate într-un singur chip, neavând nevoie de placă de bază și alte multe componente.

Pe lângă faptul că are o memorie de cod programabilă, microcontrolerul AVR are și o memorie numită EEPROM unde se stochează date de utilizator, spre exemplu numere de serie, date de calivrare dar și alte informații ce trebuie păstrate. Acestă memorie poate fi accesată de instrucțiunile din programul implementat de către utilizator.

Aceste microcontrolere au și spații de intrare și ieșire, utilizate pentru a controla hardware-ul microcontrolerului și pentru a stoca date temporare folosite de programul implementat de utilizator. Hardware-ul include porturi ADC, SPI și UART, dar și cronomete, dispozitive de supraveghere care pot fi recuperate în urma unor eventuale accidente ale sistemului. Toate perifericele menționate mai sus sunt controlate de programul utilizatorului folosind instrucțiuni adecvate și speciale[25].

Figura 1.26, Microcontrolere AVR [25]

I.7 Surse de alimentare. Alimentarea CNC-ului

Curentul este caracterizat ca fiind deplasarea sarcinilor electrice. Exista două mărimi fizice care definesc curentul electric: intensitatea curentului electric și densitatea curentului electric. Intensitatea curentului electric este măsurată în amperi.Intensitatea caracterizează curentul măsurând volumul de sarcină electrică ce trece printr-o secțiune într-un interval de timp. Densitatea curentului electric reprezintă o mărime vectorială destinată fiecărui punct, intensitatea fiind intergrală pe toată secțiunea conductorului din densitatea de curent. Aceasta se măsoară în amperi/metru pătrat[51].

Intensitatea curentului electric are următoare formulă:

unde dq reprezintă sarcina electrică, iar dt reprezintă intervalul de timp[52].

Densitatea de curent electric are formula următoare:

, unde reprezintă densitatea de curent, iar reprezintă diferența vectorului de secțiune transversală.

O sursă de alimentare reprezintă un dispozitiv electric care furnizează energie electrică unei sarcini electrice. Funcția de bază a unei surse de alimentare este aceea de a transforma curentul de la o sursă în tensiunea, curentul si frecvența potrivtă diferitelor dispozitive. Prin urmare sursele de alimentare sunt numite deseori transformatoare electrice.

Toate sursele de alimentare au o intrare de energie, prin care primește energie sub formă de curent electric de la o sursă și una sau mai multe ieșiri de energie care livrează curent la anumite dispozitive [41].

Figura 1.27, Schema de alimentare de bază AC-DC[40]

Sursele de alimentare se calsifică în mai multe moduri, inclusiv prin caracteristici de functionare. Spre exemplu, o sursă de alimentare reglată este o sursă care menține tensiunea de ieșire sau curentul constant, chiar dacă exită variații în centrul de sarcină sau tensiunea de intrare. Pe de altă parte ieșirea unei surse neregulate se poate modifica semnificativ atunci când tensiunea de intrare sau curentul de sarcină se modifică[40].

Figura 1.28, Sursă de tensiune reglabilă în trepte {42]

În ceea ce privește curentul, trebuie să se asigure că sursa de alimentare este capabilă să asigure nivelul util de curent și chiar să aibă un grad de marjă peste cerințele minime. Specificațiile principale ale alimentării cu energie sunt parametrii de ieșire de tensiune și curent[43].

Sursele normale transformă curentul alternativ de 110V sau 220V în curent continuu de diferite valori de la 3,3V, 5V și 12V. Principala atribuție a surselor este aceea de a asigura energia funcțională a componentelor hardware ale diferitelor dispozitive[44].

Sursele de alimentare sunt împărțite în 2 tipuri: liniare și de comutare. Conductoarele de putere liniare procesează direct tensiunea de intrare, iar la cele de comutare tensiunea de intrare este transformată în curent alternatic sau impulsuri de curent continuu înainte de prelucrare, prin componente care funcționează în moduri neliniare. Puterea este pierdută atunci când componentele funcționează liniar și de aceea convertizoarele de comutare sunt mai eficiente decat convertizoarele liniare[41].

//În acest capitol voi descrie cum am realizat CNC-ul, cum am montat motoarele, ce se poate face cu un astfel de dispozitiv și cum am programat placa Arduino UNO R3.

CAPITOLUL II Construirea dispozitivului CNC pentru gravuri cu fascicul laser comandat prin microcontroller AVR

II.1 Asamblarea cadrului si structurii CNC-ului

Cadrul CNC-ului este alcătuit din 20 de piese printate 3D, 6 tije nefiletate pentru deplasarea pe cele 3 axe, 8 tije filetate pentru fixare și pentru mișcare celor 3 axe și 2 plăci de plexiglas puse pe 2 niveluri având dimensiunile următoare:

Nivelul 1:

Lungime: 60 cm

Lățime: 40 cm

Grosime: 1 cm

Nivelul 2:

Lungime: 52 cm

Lățime: 35 cm

Grosime: 0.8 cm

Figura II.1, Montarea nivelurilor din plexiglas

Construirea cadrului a necesitat o gamă variată de șuruburi pentru fixarea pieselor printate 3D dar și pentru fixarea celorlate componente ale mașinii-unealtă. Pentru realizarea acestui CNC s-au folosit diferite șuruburi de diferite lungimi și grosimi cu diferite capete de înșurubare. S-au folosit șuruburi de la metric 3 până la metric 9, atât cu cap hexagonal, cât și cu capete pentru șurubelniță plată sau stea.

Figura II.2,O parte din șuruburile folosite la realiazarea lucrării

Folosirea diferitelor dimensiuni de șuruburi, exact cum am specificat mai sus de la M3 la M9, a dus la o complexitate destul de ridicată din punct de vedere al uneltelor folosite la asamblare dar și la o rezistență structurală mai ridicată decât dacă se folosea un adeziv pentru lipit sau orice altă metodă.

În continuare voi adăuga câteva imagini cu piesele printate 3D, care alcătuiesc cadrul dispozitivului CNC:

Figura II.3, Suportul axei Z printat 3D

Figura II.4, Distanțier pentru motorul pas cu pas alături de support lateral pentru rulmenți liniari

Aceste piese au fost printate pentru a reduce costurile de producție dar și pentru a reduce greutatea dispozitivului. Piesele sunt dintr-un material numit PLA sau acid polilactic iar printarea lor a durat undeva la 28-30 ore. În funcție de mărimea și complexitatea fiecărie piese.

Suportul din Figura 2.3 este un suport pentru diferite obiecte de scris acesta fiind atașat axei Z atunci când este nevoie de un desen, o schema sau orice altceva ce decide utilizatorul.

Figura II.5, Suport pix, creion etc.

Pentru a susține cel de-al doilea nivel al dispozitivului am folosti următoarele “piciorușe” (Figura 2.4) care se fixează de primul nivel prin șuruburi. Astfel nivelul unde se așează suprafața de gravat este fix și nu se va mișca în timpul prelucrării.

Figura II.6, Suport de susținere a nivelului al doilea

Asamblarea tuturor pieselor a durat în jur de 4 ore, deoarece am întâmpinat și unele probleme la anumite piese și au avut nevoie de o prelucrare pentru a se potrivi și a se îmbina perfect. Spre exemplu tija din Figura 2.5 are diametrul de 10 mm iar suporturile laterale ale CNC-ului au dimensiunea găurii de 9.5 mm, iar pentru a se potrivi am prelucrat tija astfel încât să intre în găurile pereților laterali, făcându-i un filet M9 și piulițe tot cu filet M9.

Figura II.7, Tija pentru susținerea pereților laterali ai CNC-ului

Aceste CNC se deplasează pe toate cele trei axe de coordinate, X, Y, Z. Pentru a se deplasa pe aceste axe am ales să folosesc motoare pas cu pas.

Figura II.8, Axele CNC-ului

Prin schimbarea suporturilor de pe axa Z, a CNC-ului, acesta poate face mai mult decât să graveze cu laser. Acesta poate să scrie cu un creion, marker, pix etc, dar și să devină o mașină-unealtă de frezat, o mașină-unealtă de găurit, o mașină unealtă de rectificat sau chiar o imprimantă 3D dar și alte atfel de mașini-unealtă.

Figura II.9, Suporturile interschimbabile pentru axa Z

Pentru a se mișca CNC-ul, pe cele 3 axe, am folosit rulmenți liniari LM8UU. Părțile mobile ale dispozitivului se deplasează pe tije filetate, învârtite de motoarele pas cu pas, care glisează cu ajutorul rulmenților (LM8UU) liniari pe tije nefiletate din inox cu diametrul de 8 mm.

Figura II.10, Rulmenții liniari LM8UU

Amplasarea rulmenților în locașurile special destinate lor s-a făcut cu ajutorul unei prese speciale de introdus rulmenți, pentru ca aceștia să fie introduși corect și drept în locașuri.

Figura II.11, Rulmenții liniari LM8UU și rulmenți 608ZZ montați în suporturile lor

Acești rulmenți circulari, 608ZZ, au fost utilizați atât pentru susține tija în capătul opus al fiecărui motor cât și pentru a ușura învârtirea tijei filetate.

Figura II.12, Rulment circular montant în partea opusă motorului

II.2 Montarea motoarelor de tip pas cu pas

Pentru acestă lucrare am ales motoare de tip pas cu pas brushless (fără perii) fiecare având un unghi de pas de 1.8ș, o tensiune nominală 4.2V, un curent de 1.5A, o viteză cuprinsă între 1-1000 RPM și un cuplu de 0.4Nm.

Figura II.13, Motor pas cu pas NEMA 17

Amplasarea motoarelor se face destul de ușor, acestea fiind prinse în doar 4 șuruburi excepție făcând motorul pas cu pas de pe de pe axa X care este prin de un support cu 4 șuruburi iar cu alte 4 șuruburi este prins de nivelul 1 al CNC-ului.

Figura II.14, Montarea motorului pas cu pas pe axa Z

Dispozitivul CNC este alimentat la o sursă model SM126DF3 care are la intrare curentul de 220-240V, frecvența de 50/60 Hz și tensiunea de 1A, iar ieșirea acestuia are o tensiune nominală de 12V și un curent de 5A.

Figura II.15, Sursa de alimentare a motoarelor pas cu pas

Alimentarea motoarelor pas cu pas ale dispozitivului se face prin shield-ul CNC. Aceste motoare au nevoie fiecare de câte 1.5 A tensiune și o tensiune de 12V.

Figura II.16, Alimentarea motoarelor prin shield-ul CNC de la o sursă de tensiune

II.3 Programarea controller-ului AVR si a plăcii CNC

II.4 Utilizarea unui dispozitiv CNC pentru gravură cu fascicul laser

CONCLUZII

BIBILOGRAFIE

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_control

[2] https://www.meproutilaje.ro/blog/despre-mepro-utilaje/

[3] https://teach-ing.ro/utilajele-cnc/

[4] http://anale-informatica.tibiscus.ro/download/lucrari/3-1-13-Streian.pdf

[5] http://www.pge.ro/masini-pentru-gravat

[6] https://eastbaymfg.com/evolution-of-cnc-machining/

[7]http://www.ziare.com/internet-si-tehnologie circuitdigest.com/tutorial/what /tehnologie/p-totul-despre-masinile-unelte-cu-comanda-numerica-cnc-1416625

[8] http://www.qreferat.com/referate/mecanica/Motorul-pas-cu-pas939.php

[9] https:// -is-stepper-motor-and-how-it-works

[10] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/stepper-motor

[11] Stepper motor, https://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor

[12] https://www.instructables.com/id/Intro-to-Stepper-Motors/

[13] http://www.cnc4everyone.com/cnc-machines/the-different-types-of-cnc-machines/

[14] https://www.ebernardo.ro/crl-1640-410-x-890.html

[15] https://www.zenbotcnc.com/4896-4×8-CNC-Router_p_34.html

[16] http://www.mapason.ro/laser.html

[17] https://www.emag.ro/imprimanta-3d-prusa-mk3s-asamblata-prusamk3s/pd/D0KW2JBBM/

[18]https://ro.rsdelivers.com/product/microchip-technology/atmega48v-10au/microchip-technology-atmega48v-10au-8bit-avr/1310310

[19] Microcontroller, https://en.wikipedia.org/wiki/Microcontroller

[20] Ce este un microcontroller?, https://hobbytronica.ro/ce-este-un-microcontroller/

[21] AVR Microcontroller, https://en.wikipedia.org/wiki/AVR_microcontrollers

[22] AVR Microcontroller: All you need to know, https://www.engineersgarage.com/articles/avr-microcontroller

[23]Types of AVR Microcontroller- Atmega32 & ATmega8, https://www.elprocus.com/types-of-avr-microcontroller-atmega32-and-atmega8/

[24]Atmel “AVR” Arhitecture- Part I, https://technicodes.weebly.com/avrarch.html#

[25] What is AVR Microcontroller?, https://www.kanda.com/blog/microcontrollers/avr-microcontrollers/avr-microcontroller/

[26] https://www.electrical4u.com/stepper-motor-drive/

[27] https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how-to-control-stepper-motor-with-a4988-driver-and-arduino/

[28] Interface A4988 Stepper Motor Driver Module with Arduino, https://lastminuteengineers.com/a4988-stepper-motor-driver-arduino-tutorial/

[29] Gravarea cu laser https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_engraving

[30] https://www.dobot.cc/resource/ultimate-laser-engraver-guide-for-beginner.html

[31]History of the Laser Engraver https://www.dobot.cc/resource/ultimate-laser-engraver-guide-for-beginner.html

[32] LEARN The Fundamentals of Laser Technology https://www.ulsinc.com/learn/history-of-lasers

[33] 3-Axis CNC/Stepper Motor Shiel for Arduino https://www.handsontec.com/dataspecs/cnc-3axis-shield.pdf

[34] http://osoyoo.com/2017/04/arduino-uno-cnc-shield-v3-0-a4988/

[35] https://www.reprap.me/arduino-cnc-shield.html

[36] https://blog.protoneer.co.nz/arduino-cnc-shield-v3-00-assembly-guide/

[37] https://www.mepits.com/product/2327/arduino/arduino-cnc-shield-v3-engraving-machine-3d-printer-a4988-driver-grbl-compatible

[38] Dioda LASER http://rf-opto.etc.tuiasi.ro/docs/files/LASER.pdf

[39] https://www.banggood.com/450nm-5W-Laser-Engraving-Module-Blue-Light-With-TTL-Modulation-p-1337358.html?rmmds=buy&cur_warehouse=CN

[40] https://www.electroschematics.com/4906/laser-diode-how-it-works/

[41] Power supply https://en.wikipedia.org/wiki/Power_supply

[42] https://www.alfavega.ro/ro/produse/detalii/2667-Sursa_de_tensiune_reglabila_in_trepte

[43] https://www.electronics-notes.com/articles/analogue_circuits/power-supply-electronics/specifications-specs.php

[44] Sursă de alimentare https://ro.wikipedia.org/wiki/Surs%C4%83_de_alimentare

[45] What is Arduino? https://www.arduino.cc/en/guide/introduction

[46] https://store.arduino.cc/arduino-uno-rev3

[47] Arduino https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino

[48] https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino#/media/File:Arduino316.jpg

[49] https://www.arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168

[50] https://content.arduino.cc/assets/UNO-TH_Rev3e_sch.pdf

[51] Curentul Electric, Doboș Adina, https://www.slideshare.net/AdinaDobos/referat-curentul-electric

[52] Intensitatea curentului electric, https://ro.wikipedia.org/wiki/Intensitatea_curentului_electric