SPE CIALIZAREA:ELECTRONI CĂ APLICATĂ LUCRARE DE LICENȚĂ CNC MACHINE – ARDUINO BASED Îndrumător: Absolvent Conf.dr.ing. Adrian Brezulianu Ștefan… [629406]

UNIVERSITATEA TEHNIC Ă GH.ASACHI DIN IAȘI
FACULTATEA DE ELECTR ONICĂ,TELECOMUNICAȚI I ȘI
TEHNOLOGIA INFORMAȚI EI
SPE CIALIZAREA:ELECTRONI CĂ APLICATĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

CNC MACHINE – ARDUINO BASED

Îndrumător: Absolvent: [anonimizat].dr.ing. Adrian Brezulianu Ștefan -Ionuț Avram

Iași, 2017

Cuprins
1. Mașini industriale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 2
1.1 Istoria mașinilor industriale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 2
1.2 Caracteristicil e mașinilor -unelte și a uneltelor de tăiere ………………………….. ………………………….. 3
1.3 Clasificarea mașinilor -unelte ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 5
1.4 Mașini -unelte CNC(Computer Numerical Control) ………………………….. ………………………….. ……. 9
2. Crearea unei mașini CNC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 13
2.1. Ce este o mașină -unealtă CNC? ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 13
2.2. Componentele principale ale unei mașini CNC ………………………….. ………………………….. ……………. 13
2.3. Funcționarea mașinii CNC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 15
2.4. Componentele CNC -ului personal ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….15
2.4.1 Arduino UNO ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 16
2.4.1.1 Alimentarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 17
2.4.1.2 Pinii de intrare și ieșire ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 17
2.4.1.3 Comunicarea cu calculatorul ………………………….. ………………………….. ………………………….. 18
2.4.1.4 Protecția USB -ului la supracurent ………………………….. ………………………….. …………………… 19
2.4.1.5 Caracteristici fizice ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 19
2.4.2 Shield de motoare L293D ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 19
2.4.2.1 L293D ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ..20
2.4.2.2 74HC595 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 21
2.4.3 Motoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 21
2.4.3.1 Motoare Stepper(Pas cu pas) ………………………….. ………………………….. ………………………….. 23
2.4.3.2 Servomotor 9g ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 24
2.4.4 Componente Software ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 25
2.4.4.1 Arduino IDE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 25
2.4.4.2 Biblioteca Adafruit ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 26
2.4.4.3 GCTRL ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .26
2.4.4.4 InkScape ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 27
3. Implementarea solutiei ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 28
3.1. Implementarea structuri i fizice și electronice ………………………….. ………………………….. ………….. 28
3.2 Implementarea structurii software ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……34
3.2.1 Fluxul aplicatiei ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 34
Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 36
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 37

Introducere

Lucrarea de față a fost concepută pentru a fi predată în cadrul Facultății de Electronica,
Telecomunicatii si Tehnologia Informatiei, Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi”, Iași în
cadrul sesiunii de predare licențe iulie 2017. Scopul acestei licen țe este obținerea unei masini CNC
la o rezolu ție mai mic ă și a-i studia modalitatea de construc ție, avantajele, dezavantajele și eventual
aduce îmbunătățiri.
Unul dintre motivele pentru care am ales cre area unei ma șini CNC ca și proiect de licență
este acela că mi-am dorit s ă pun în aplicare cuno ștințele de electronic ă învățate în facultate, și să
le integrez cu cele de programare, învățate în particular. Eu sunt mul țumit pentru moment de
rezultatul final al acestui proiect și îmi doresc ca pe viitor s ă îl îmbun ătățesc.
Această lucrare este structurată în trei capitole după cum urmează:
Primul capitol prezint ă un scurt istoric al ma șinilor industriale, necesitatea apari ției acestora
și problemele cu care s -au confruntat primii inventatori atunci c ând încercau să industrializeze
aceste ma șini. În acest capitol sunt trecute în revist ă, câteva dintre cele mai importante și mai
folosite ma șini-unelte, îmbun ătățirile aduse acestor masini și cateva elemente de cultur ă general ă
ți curiozităț i despre acestea. Tot aici va fi prezentat pentru prima data în această l ucrare mașină
CNC cu func ționalit ățile ei, c âteva avantaje și dezavantaje și un scurt istoric.
Capitolul 2 prezint ă mai multe informa ții despre ma șinile CNC. Putem spune c ă acest
capitol reprezint ă baza pentru cin eva care dore ște să își construiasc ă singu r o astfel de mașină .
Subcapitolul 2.2 prezintă elementele de baz ă pentru o func ționalitate corect ă a CNC -ului. Orice
CNC trebuie sa aib ă dispozitive de intrare pentru introducerea programului de rulat în mașină , o
unitate de control, care re prezintă cea mai importan tă componet ă în construc ția ma șinii, mașina –
unealt ă, cea care face practic prelucrarea materialului și sistemul de control reprezentat de
motoarele care ajută la mi șcarea pe axe. Pe l ângă acestea, op țional, putem avea un sistem de
feedback și unul de afi șare. Subcapitolul 2.3 prezintă efectiv, pa șii care trebuie urma ți pentru a
putea utiliza o astfel de mașină .
Subcapitolul 2.4 este din pu nctul meu de vedere, cel mai important al acestei lucr ări. Acesta
prezintă toate componentele care au fost necesare la crearea lucr ării de fa ță. De la pl ăcuța, Arduino,
shield -ul de control al motoarelor, motoarele pas cu pas si celelalte componente necesare. La
fiecare dintre acestea am scris c âteva detalii despre func ționarea lor, parametrii in care ar trebui s ă
funcționeze și în anexe am ata șat datasheet -urile lor.
În ultimul capitol, capitolul 3 sunt prezenta ți toți pașii care au dus la creearea p roiectului de
față. Problemele pe care le -am întâmpinat în timpul preg ătirii, solu țiile g ăsite la aceste probleme și
explica țiile detaliate ale tuturor pa șilor împreun ă cu poze din timpul realiz ării lor. Sunt prezentate
și câteva func ții mai importante din cod precum și explica țiile acestora. În finalul acestui capitol
sunt prezentate îmbun ătățirile pe care doresc sa le aduc în viitor la acest proiect
În incheierea luc rării de fa ță am introdus separat, c âteva concluzii. Aici ve ți găsi informa ții
cu privire la ceea ce a rezultat în final, probleme rezolvate, probleme nerezolvate și direcții de
viitor.

Tot procesul de concepere, construc ție, implementare, testare etc. al acestei lucr ări s-a
desfășurat pe o durat ă de jumatate de an, proi ectul fiind unul de durat ă. Precizez ca acest sistem
este încă în lucru, lista de idei de imbun ătățire și optimi zări este într-o continu ă completare.

Contribu ții

Contribuțiile personale în realizarea proiectului. Având în vederea că licența mea este
o lucrare aplicativă, lucrurile sunt puțin simplificate:
Ce nu am facut eu:
-Nu am inventat ideea de mașină CNC .
-Nu am creeat functiile necesare ale func ționprii ma șinii CNC.
Ce am facut eu:
-Am combinat partea electronic ă, mecanic ă și software -ul necesar pentru buna func ționare
a acestui proiect .
-Am creat un modul functional care demonstreaz ă funcționalitatea unei ma șini CNC .
-Am adaptat codul Open Source, pentru func ționarea corect ă în concordan ță cu părțile
hardware ale acestui proiect .

2
1. Mașini industriale

1.1 Istoria mașinilor industriale

Mașinile industriale sau mașinile -unelte (tools machine) sunt concepute pentru modelarea
sau prelucrarea metalelor și materialelor rigide, de obicei prin tăiere, găurire, șlefuire, forfecare sau
alte forme de deformare. Aceste mașini, folosesc o unelte speciale care fac tăierea sau modelarea.
Obiectul care trebuie prelucrat este prin s de
mașină, astfel încât mișcarea axelor mașinii
și a obiectului să fie controlată în întregim e
de mașină. Toate mașinile -unelte sunt
mașini concepute să ajute omul sa creeze
noi obiecte.
Înainte de revoluția industrială1 din
secolul al XVIII -lea, uneltele manuale erau
folosite pentru tăierea și modelarea
materialelor rigide, pentru producția de
bunuri cum ar fi: ustensile de gătit,
mobilier, vapoare și alte produse. Odată cu
apariția motorului cu aburi, aceste lucruri au început sa fie create cu ajutorul mașinilor -unelte.
Acestea erau capabile să produc ă cantități mari de produse într -un timp scurt, dar și obiecte de
dimensiuni mari. Însă, aceste prime
mașini, nu erau foarte precise, lucru care
ducea de multe ori la cre area eronată a
unor obiecte. Timp de 50 de ani, aceste
mașini au fost îmbunătățite, și au fost
create primele mașini -unelte de bază. O
mare invenție pentru acea perioada, a fost
strungul cu motor, creat de Henry
Maudslay2 în anul 1797 prezentat în
figura 1 . Trăsătura remarcabilă a
strungului lui Maudslay a fost un șurub
de plumb pentru deplasarea încărcăturii.
Conectat la axul str ungului, șurubul
deplasează unealta cu o viteză constantă

1 Revoluția industrială, care a început la sfârșitul secolului al XVIII -lea în Marea Britanie, a schimbat nu numai
modalitățile de producție, ci și structura socială și traiul britanicilor. Într -un timp relativ scurt, revoluția s -a extins și în
restul lumii civilizate, având aceleași efecte.
2[ https://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Maudslay ] – Henry Maudslay, inventatorul primului strung cu motor
Figură 1 Strungul cu motor creat de He nry Maudslay
Figură 2 – Ciocanul cu aburi inventat de James Nasmyth

3
și o precizie foarte mare a filetului. Până în 1800, Maudslay
și-a echipat strungul cu 28 de trepte de schimbare care au tăiat
fire de diferite materiale, controlând raportul dintre viteza
șurubulu i de pliere și viteza axului.
Prima mașină de modelare(shaper3) a fost inventată de James
Nasmyth. În aceast mașină o piesă de prelucrat era fixată
orizontal pe o masă și prelucrată de o freză cu ajutorul unei
mișcări rectilinii pentru a modela suprafețe mici, a tăia
șuruburi sau a prelucra alte suprafețe drepte. Câțiva ani mai
târziu, în 1839 Nasmyth a inventat ciocanul cu aburi prezentat
în figura 2 , pentru forjarea pieselor grele. O invenție notabilă
pentru acea perioadă a fost ma șina de frezat, inve ntată de
americanul Eli Whitney4 în 1818 și a fost folosită pentru
crearea de arme. Prima mașină de frezat universală a fost
construită în 1862 de J.R. Brown și a fost folosită pentru
crearea flau telor elicoidale din burghie (figura 3) .
Producerea de abrazivi artificiali la sfârșitul secolului al 19 -lea a deschis un nou domeniu
pentru mașinile -unelte, acela al mașinilor de finisare. C.H. Norton din Massachusetts, a ilustrat
potențialul mașinii de finisare cre ând arborele cotit5 de la un automobil în 15 minute, proces care
anterior avea nevoie de cinci ore.
Până la sfârșitul secolului al XIX -lea a avut loc o revoluție completă în prelucrarea și
modelarea metalelor care au creat baza pentru producț ia de masă și pentru o societate
industrializată. În secolul XX a u apărut numeroase rafinări ale mașinilor -unelte, cum ar fi mașinile
de frezat cu puncte multiple, dezvoltarea operațiilor automate conduse de sistemele electronice și
de control al fluidelor și tehnicile neconvenționale, cum ar fi prelucrarea electrochimică și cu
ultrasunete. Cu toate acestea, chiar și astăzi, mașinile -unelte de bază rămân în mare parte
moșten irea secolului al XIX -lea.

1.2 Caracteristicile mașinilor -unelte și a uneltelor de tăiere

Toate mașinile -unelte trebuie să furnizeze dispozit ive și mijloace de susținere a
instrumentelor de tăi ere dar și a obiectelor care sunt prelucrate, pentru controlul precis al adâncimii
tăieturii. Mișcarea relativă dintre muchia tăietoare a sculei și obiectul prelucrat se numește viteza
de tăiere. Viteza în care materialul netăiat este adus în contact cu unealta de tăiere este numită
mișcare de alimentare. Deoarece o unealtă supraîncălzită își poate pierde capacitatea de tăiere,

3 Mașină -unealtă care folosește mișcarea liniară relativă dintre piesa care trebuie modificată și unealta de tăiere
4 [https://en.wikipedia.org/wiki/Eli_Whitney] – Inventatorul primei mașini de frezat
5 Transformă mișcarea rectilinie a pistonului, prin intermediul bolțului piston și pendularea bielei, în mișcarea de
rotație. Alternativ, arborele cotit transmite mișcarea de rotație la bielă Figură 3 – Prima masina de frezat

4
trebuie controlate temperaturile. Cantitatea de căldură generată depinde de forța de tăiere și viteza
de tăiere. Deoarece forța de tăiere variază în funcție de materialul tăiat și materialul uneltei variază
are toleranța variată la temperaturi ridicate , viteza optimă de tăiere depinde atât de materialul tăiat,
cât și de materialul uneltei de tăiere. De asemenea, este influențată de rigiditatea mașinii, de forma
piesei de lucru și de adâncimea tăierii.
Uneltele pentru tăierea metalului sunt clasificate în:
• Unelte cu punct unic de tăiere(single point)
• Unelte cu puncte multiple de tăiere(multiple point)
Un instrument de tăiere cu un singur punct de tăiere poate fi folosit pentru a mări
dimensiunile gaurilor sau adancimea. Strunjirea și forarea se efectuează pe strunguri și pe mașini
de găurit. Instrumentele de tăiere cu puncte multiple au două sau mai multe tăișuri și includ freze,
burghie și broșe.
Exist ă două tipuri de operațiuni: fi e unealta se deplasează pe o cale dreaptă față de piesa de
lucru care este sta ționară, fie piesa se deplasează împotriva uneltei de tăiere staționare. Trebuie
prevăzute unghiuri de alunecare sau de degajare pentru a preveni frecarea suprafeței uneltei de
tăiere de piesa de prelucrat. Unghiurile de coliziune sunt aplicate uneltelor d e tăiere pentru a
provoca o acțiune de înclinare în formarea așchiilor și p entru a reduce forța de frecare și căldur ă.

Tipuri de materiale pentru uneltele de tăiere

• Aliaj oțel -carbon – oțelul cu un conținut de carbon cuprins între 1 și 1,2% a fost cel mai
vechi material utilizat în mașini -unelte. Uneltele realizate din aceast aliaj sunt relativ ieftine,
dar au tendința de a pierde capacitatea de tăiere la temperaturi de aproximativ 20 5 ° C.

• Oțel rezistent la viteze ridicate – în 1900, introducerea oțelului rezistent la viteză ridicată
a permis exploatarea instrumentelor la o viteză de două ori sau chiar trei ori mai mare decât
viteza permisă de aliajul oțel -carbon, dublând sau triplân d astfel capacitățile magazinelor
de unelte din lume. Unul dintre cele mai comune tipuri de oțel rezistente la viteză ridicată
conține 18% wolfram , 4% crom, 1% vanadiu și doar 0,5% – 0,8% carbon.

• Aliaje turnate – au fost dezvoltate un număr de unelte de t ăiere din diferite aliaje turnate.
Aceste aliaje neferoase conțin cobalt, crom și wolfram și sun t deosebit de eficiente pentru
penetrarea fontei și pentru a -și menține capacitatea de tăiere chiar și atunci când este
fierbinte.

• Cărbune de wolfram6 cimentat – acest material a fost folosit pentru tăierea metalelor în
Germania în 1926. Principalul său ingredient este carbura de wolfram fină divizată, ținută

6 Wolframul este un metal cu luciu alb -argintiu, foarte dur, nu este casant ci devine ductil în stare pură păstrându -și
în acelalași timp rezistența

5
într-un liant de cobalt. Duritatea lui se apropie de cea a unui diamant. Uneltele de tăiere din
carbură de wolfram pot fi utilizate la viteze de tăiere mult mai mari decât cele din oțel.

• Oxizii – uneltele din ceramică sau din oxid sunt unele din cele mai recente descoperiri ale
materialelor pentru unelte. Ele constau în principal din granule fine de oxid de aluminiu,
care sunt lipite împreună.

• Diamantele – au fost folosite mulți ani pentru finisarea roților de șlefuire, în matrițe de
despicare a firelor și ca instrumente de tăiere. Ca și unealtă de tăiere, acestea sunt folosite
în mare măsură pentru a efectua tăieturi de finisare ușoară la viteze mari pe materiale dure
sau abrazive.

Lichide de t ăiere

În multe operații ale mașinilor -unelte, lichidele de tăiere sau lichidele de răcire sunt folosite
pentru a modifica efectele dăunătoare ale frecării și ale temperaturilor ridicate. În general, funcțiile
majore ale unui lichid de răcire sunt de lubrifiere și răcire. La tăierea unui filet, fie pe un strung,
fie cu un robinet, funcția de lubrifiere este cea mai importantă. Apa este un mediu excelent de
răcire, dar corodează materiale le feroase. Uleiul de mazăre are calități excelente de lubrifiere, dar
tinde să devină rânced. Uleiul mineral sulfurat este unul dintre cele mai populare produse de răcire.
Sulful are tendința de a împiedica așchii le de la prel ucrarea obiectului să se lipească de vârful
uneltei. Pentru operațiile de tăiere și măcinare, se utilizează în mod obișnuit uleiul solubil.

1.3 Clasificarea mașinilor -unelte

Multe tipuri de mașini -unelte, variind de la mașini mici, montate pe banci de lucru la mașini
uriașe de producție, cântărind câteva sute de tone, sunt folosite în industria modernă. Ele păstrează
caracteristicile de bază ale strămoșilor din secolul al XIX -lea și începutul secolului al XX -lea și
sunt încă clasifica te ca fiind:
• Mașini de strunjit;
• Masini de frezat;
• Mașini de găurit;
• Mașini de finisat și modelat;
• Mașini de mărunțit;
• Ferăstraie electrice;
• Prese.

6
Modif icarea mașinilor -unelte clasice

Anumite mașini -unelte au fost proiectate pentru a accelera producția. Deși aceste instrum ente
includ caracteristicile mașinilor -unelte de bază și efectuează aceleași operații, ele includ și
modificări de proiectare care le permit să efectueze mai rapid secvențe operaționale complexe sau
repetitive. Mai mult, după ce mașină de producție a fost instalată de un lucrător sau un mecanic
calificat, un operator mai puțin calificat poate, de asemenea, produce piesele cu acuratețe și
rapiditate. Următoarele sunt exemple de mașini -unelte de producție care sunt modificări ale
mașinilo r-unelte de bază:
• strunguri cu tambur;
• mașini cu mai multe stații;
• burghie multiple;
• mașini de frezat.

Strungul

Strungurile orizontale , ca
cel din figura 4 au două
caracteristici care le disting de
strungurile cu motor. Primul este o
turelă principală. O varietate de
unelte de găurire, frezare și tăiere
pot fi fixate la turela principală,
care poate fi rotită intermitent în
jurul axei sale verticale fie cu o
roată de mână fie cu o alimenta tă cu
energie.
Cea de -a doua
caracteristică distinctivă a
strungului cu turelă este turletul pătrat montat pe dispozitiv. Această turelă poate fi de asemenea
rotită în jurul axei sale verticale și permite utilizarea unei varietăți de unelte de strunjire.
Diapozitivul transversal poate fi acționat fie manual, fie cu putere.

Mașini cu mai multe stații

Au fost dezvoltate mai multe tipuri de strunguri verticale cu mai multe stații. Aceste mașini
sunt, în esență folosite pentru prelucrarea pieselor cilindrice filetate. Mașina are 12 axe, fiecare
echipată cu un mandrină. Direct deasupra fiecărui arbore, cu excepția unuia, sculele sunt montate
pe un pinten. Părțile sunt montate în fiecare mandrină și sunt indexate pentru până la 11 operații de
prelucrare. Partea terminată este eliminată la cea de -a 12-a stație.

Figură 4 – Strung orizontal

7
Burghie multiple

O mașină de găurire constă din mai multe coloane individuale, capete de găurire și axe
montate pe o singură bază și care utilizează o masă comună. Se pot folosi diferite numere de axe,
dar patru sau șase sunt comune. Aceste mașini sunt concepute pentru prelucrarea pieselor care
necesită mai multe operații de găurire. Piesa de prelucrat este mutată de la un arbore de foraj la
altul, în care operațiile de prelucrare secvențială sunt efectu ate de unul sau mai mulți operatori.

Mașini de frezat

Mașinile de frezat ca cea din
figura 5, utilizate pentru operațiile
repetitive de frezat sunt, în general,
clasificate ca „mașini de frezat de tip
pat”, datorită designului lor. Masa
culisantă este montată direct pe patul
masiv al mașinii și nu poate fi ridicată
sau deplasată transversal. Depla sarea
mesei este doar longitudinală. Capul
arborelui poate fi reglat vertical pentru a
stabili adâncimea de tăiere. Unele mașini
sunt echipate cu comenzi automate care
necesită doar un operator instruit pentru
a încărca componentele în dispozitivele
de fix are la fiecare capăt al mesei și a
porni mașina. O parte poate fi descărcată
și înlocuită, în timp ce cealaltă parte este
prelucrată.

Până acum am vorbit despre mașini -unelte, care au nevoie de intervenție umană pentru a
realiza diferite operații pe aces te mașini. În continuare vom discuta despre mașini automate care
sunt capabile să producă diferite operații, fară intervenția unor operatori umani care să pornească
mașina , să încarce obiectele și să le descarce după terminare. În practică totuși, unele ma șini făcute
să fie automate, sunt de fapt semi -automate datorită faptului că este nevoie de cineva care să
pornească mașină și să încarce și descarce piesele.

Printre aceste mașini automate ( sau mai bine zis, semi -automate) se numară mașinile cu
control numeric7 (Numerical Control – Figura 6 ).

7 Echipament complex dotat cu sisteme de comandă și control numeric a deplasărilor. Mașinile -unelte cu control
numeric sunt dotate cu o memorie care permite păstrarea programului .
Figură 5 – Mașină de frezat

8
Multe tipuri de mașini -unelte și
alte procese industriale sunt echipate
pentru control numeric, numită în mod
obișnuit CN. Cele mai vechi forme de CN
s-au dezvoltat în anii 1950, când
mișcăril or axelor mașinilor -unelte au fost
atribuite valori numerice pentru a facilita
înlocuirea roților manuale și a cadrelor
prin controlul logic al mișcărilor. CN
necesită valori exacte de proiectare a
produsului. Sist emele vechi era u limitate
de lipsa unor analize detaliate pentru
desenele geometrice ale componentelor
care urmează a fi fabricate. În timp
această problemă a fost depășită atunci
când s -au dezvoltat computerele care ar
putea descrie mișcările geometrice a le
sculelor ca și funcții ale limbajului de
programare parțială. Unul dintre cele mai
cunoscute limbaje de programare pentru
astfel de instrumente este APT 8(Tools
Automatically Programmed).
Un dispozitiv CN este cel care controlează acțiunile unei mașin i sau a unui proces prin
introducerea directă a datelor numerice la un moment dat. Sistemul trebuie, de asemenea, să
interpreteze în mod automat aceste date. Diferitele tipuri de sisteme numerice de control utilizează
date codificate sub formă de numere, l itere, simboluri, cuvinte sau o combinație a acestora.

Sistemele cu CN ale mașinilor -unelte pot fi clasificate în două tipuri de bază:
• punct -la-punct
• cale continuă.

Sistemele punct -la-punct sunt utilizate în mod obișnuit la mașinile care execută prelu crări
cu găuri și operații de frezare drepte, sunt relativ simple de programat și nu necesită ajutorul
calculatorului. Cele cu traiectorie continuă sunt utilizate în mod obișnuit la mașinile care efectuează
operații de contur, cum ar fi mașini de frezat, s trunguri și mașini de desenat. Pregătirea programului
pentru mașinile cu traseu continuu este mai complexă și necesită, de obicei, ajutorul calculatorului.

8 Limbaj avansat de programare, folosit pentru a genera instrucțiuni necesare mașinilor CN
Figură 6 – Mașină control numeri c

9
1.4 Mașini -unelte CNC(Computer Numerical Control)

Modificarea procedurilor de operare ale sistemelor cu CN timpurii a necesitat schimbarea
hardware a mașinilor -unelte. În anii 1970, sistemele CNC, controlate de mini sau
microcomputere dedicate, au fos t dezvoltate pentru a permite mașinilor -unelte să se adapteze
rapid la diferite lucrări prin modificarea programului de control sau a software -ului. În
consecință, mașinile -unelte CNC sunt mai ușor de operat și mai versatile decât omologii lor NC,
iar prog ramarea lor este mai simplă și poate fi testată rapid. Deoarece au mai puțin hardware de
control, acestea sunt mai ieftine pentru menținere și sunt în general mai exacte. Sistemele CNC ,
ca cel prezentat în figura 7 pot fi utilizate cu o gamă largă de mașini -unelte, cum ar fi mașini de
frezat și strunguri. Multe dintre acestea sunt echipate cu afișaje grafice care prezintă formele
componentelor prelucrate. Unele simulează mișcările uneltelor, în timp ce altele produc vederi
tridimensionale ale componentelor.
Persoanele care controlează mașină CNC se numesc "operatori CNC", în timp ce cei care
scriu programele pentru automatizarea producției sunt "programatori CNC". Mașinile CNC
execută ceea ce se numește " Part Program9" care este scrisă într-un limbaj special numit "G-

9 Set de instrucțiuni trimis către o mașină CNC, pentru a controla operațiile acesteia
Figură 7 – Mașina CNC modernă

10
Code10". Acest G -Code poate fi scris direct sau poate fi gen erat automat dintr -un desen CAD11 cu
ajutorul unui software special. Pentru o lungă perioadă de timp, mașinile CNC erau folosite doar
în scop indu strial, deoarece erau foarte scumpe si aveau dimensiuni mari. În zilele noastre esti
posibil să îți construiești singur o astfel de mașină.

Funcționarea mașinii CNC

Acest proces este un ul destul de direct și simplu ș i urmărește următorii pași:
1. Folosirea unui soft special, CAD(Computer -Aided Design), pentru a crea un model 2D ca
cel din figura 8 sau 3D pent ru piesa pe care dorim să o creă m. Acest software te lasă să îți
alegi dimensiunile specifice pentru piesa ta.

Figură 8 – Exemplu de piesa 2D creată in CAD
2. Folosirea unui soft CAM (Computer –
Aided Manufacturing) pentru a converti
modelul CAD, în G -Code. G -Code este
limbajul folosit pentru a programa o
mașină CNC
3. Următorul pas este configurarea
mașinii: f ixarea piese i brute, setarea
uneltelor necesare pentru tăiere,
încărcarea G -Code -ului în mașină. În
această etapă, operatorul va specifica
mașinii unde este punctul 0 de începere
a programului.
4. Ultimul pas reprezintă crearea piesei
specificate, de către mașină CNC. In
figura 9 avem prezentat un model 3D
din care s -a creat piesa identică.

10 Limbaj de programare pentru a functiona o mașina CNC
11 Computer Aided Design – Proiectare asistată de calculator
Figură 9 – Model 3D si piesa creată cu ajutorul mașinii
CNC din aceasta

11
O scurtă istorie a mașinii CNC

Primele mașini comerciale CN au fost construite în anii 1950. În timp ce conceptul a
demonstrat imediat că ar putea economisi costuri, a fost atât de diferit încât a durat mult timp pentru
ca producătorii să î l accepte . Pentru a îi impulsiona pe produc ători s ă adopte mai rapid aceste
mașini , armata americană a cumpărat 120 de mașini CN și le-a împrumutat diferiților producători,
astfel încât aceștia să se poată familiariza cu ideea. Până la sfârșitul anilor 50, CN începuse să
prindă, deși mai existau mai multe probleme. De exemplu, G-Code -ul, limbajul aproape universal
al CNC -urilor pe care îl avem astăzi, nu a existat. Fiecare producător își propunea propriul limbaj
pentru definirea programelor parțiale (programele pe care uneltele de mași ni le-ar execut a pentru
a crea un obiect ).
O serie de îmbunătățiri ale mașinilor CNC au fost aduse în anii 60. Printre acestea ar fi:
• Limbajul G -Code standard pentru program. Acest cod a fost elaborat la MIT
(Massachusetts Institute of Technology) în jurul anului 1958. Acesta era un limbaj folosit
în servomecanismele din laboratoarele de la MIT. G -Code -ul a fost standardizat de
Electronic Industry Alliance la începutul anilor ‘60.
• Sistemele CAD au început rapid să înlocuiască desenele pe hârtie în timpul anilor ’60. Pân ă
în 1970, industria sistemelor CAD era destul de mare și cuprindea “jucători” precum
Intergraph și Computervision.
• Minicomputerele, cum ar fi DEC PDP -8 și Data General Nova, au ap ărut în anii 60 și au
făcut ca mașinile CNC să fie mai ieftine și mai puternice.

Figură 10 – Una dintre primele mașini CNC

12
Până în 1970, economiile majorității țărilor occidentale au scăzut, iar costurile de angajare
au crescut. Începând cu anii '60, după ce a oferit fundația tehnică fermă nece sară, CNC a “decolat”
și a început să înlocuiască în mod constant tehnologii mai vechi, precum trasoare hidraulice și
mașini de prelucrare manuală.
Companiile americane au lansat în mare măsură revoluția CNC, dar au fost concentrate prea
mult asupra scopul ui final. Germanii au fost primii care au văzut oportunitatea de a reduce prețurile
la CNC, iar în 1979 germanii vindeau mai multe CNC -uri decât companiile americane. Japonezii
au repetat aceeași formulă într -un grad mai reușit și au p reluat conducerea pe această pi ață,
depășindu -i de departe pe germani. În 1971, cele mai mari 10 companii care foloseau CNC erau
toate companii americane. Însă până în 1987, numai Cincinnati Milacron 12a mai rămas in top fiind
pe locul 8.
Recent, microprocesoarele au făcut ca mașinile CNC să fie chiar și mai ieftine, culminând
cu disponibilitatea CNC -urilor pentru hobby -uri și proiecte personal e. Proiectul Enhan ced Machine
Controller sau EMC213 a fost un proiect de implementare a unui controler CNC Open Source care
a fost iniția t de NIST, Institutul Național de Standarde și Tehnologie, ca demonstrație. În 2000,
proiectul a fost dezvăluit publicului și în Open Source, iar EMC2 a apărut puțin mai târziu în 2003.
Mach3 a fost dezvoltat de Artfin, fondatorul Art Fenerty , ca o versiune a versiunilor EMC
mai vechi, care rulează pe Windows în loc de Linux, făcând -o chiar mai accesibilă pe piața
personală CNC. Compania, ArtSoft, a fost înființată în 2001. Atât programele software EMC2, cât
și Mach3 sunt în viață și înflorito are și astăzi, la fe l ca alte multe tehnologii CNC.

12 Firma americană care construia mașini -unelte
13 [https://en.wikipedia.org/wiki/LinuxCNC]

13
2. Crearea unei mașini CNC

2.1. Ce este o mașină -unealtă CNC?

După cum am precizat și in primul capitol, o mașină -unealtă CNC este o mașină, a le cărei
mișcări sunt date și controlate de c ătre un calculator. Cu alte cuvinte, calculatorul este cel care îi
dictează mașinii ce mișcări să facă și ce mișcări urmează.
Diagrama bloc a unei mașini CNC este reprezentată in figura 11.

2.2. Componentele principale ale unei mașini CNC

Dispozitivele de intrare

Acestea sunt dispozitivele care sunt utilizate pentru introducerea programului principal(Program
part) în mașină CNC. Există trei dispozitive de intrare utilizate în mod obișnuit: cititoare de bandă
de perforare, cititoare cu bandă magnetică și com puter prin comunicație RS -232-C

Figură 11 – Diagrama bloc a unei mașini CNC

14
Unitatea de control a mașinii

Unitatea de control este cea mai importantă componentă a mașinilor NC și CNC. Unitatea
de control este formată din componente electronice. Aceasta citește și interpretează programul de
instrucțiuni și le transformă în acțiunile mecanice ale mașinii -unelte. Astfel, unitatea de control
formează o legătură importantă între program și mașină -unealtă. Unitatea de control operează
mașinile conform setului de instrucțiuni care le sunt furnizate. Unitatea tipică de control cuprinde
cititor de bandă, tampon de date, canale de ieșire a semnalului către mașinile -unelte, canal de
reacție de la unelte și comandă de secvență pentru a coordona operația generală de prelucrare.
Inițial, setul de instrucțiuni de pe banda perforată este citit de cititorul de bandă, care este
un fel de proiectare electromecanică. Datele de pe bandă sunt stocate în tamponul de date sub formă
de blocuri logice de instrucțiuni, fiecare bloc având ca rezultat o anumită secvență de operații.
Contro ler-ul trimite instrucțiunile către mașină prin inter mediul canalelor de ieșire a
semnalului care sunt conectate la servomotoare și alte comenzi ale mașinilor. Canalele de feedback
asigură că instrucțiunile au fost executate corect de aparat. Partea de comandă a secvenței a unității
de controler se asigură c ă toate operațiile sunt executate în ordinea corectă.
Un lucru important pe care trebuie să -l observați aici este că toate mașinile CNC moderne sunt
echipate cu un microcomputer care acționează ca unitate de control. Programul este introdus direct
în compu ter și computerul controlează funcționarea mașinii -unelte.

Mașina -unealtă

Este mașina care efectuează operațiile efective de prelucrare. Mașină -unealtă poate fi orice
mașină, cum ar fi strung, mașină de găurit, mașină de frezat etc. Mașina -unealtă este partea
controlată a sistemului NC. În cazul maș inilor CNC, microcontro ler-ul operează mașina conform
setului de instrucțiuni sau programului.
Mașină CNC are, de asemenea, panoul de control care conține butoanele și comutatoarele
prin care operatorul controlează mașina CNC. Există, de asemenea, ecrane pentru afișarea
informațiilor către utilizator.

Sistemul de control

Sistemul de control al unei mași ni CNC constă în circ uite de amplificare, motoare și un
șurub cu plumb. MCU alimentează semnalele (adică poziția și viteza) fiecărei axe către circuitele
amplificatorului. Semnale le de comandă sunt mai mari decât este necesar (augmentate) pentru a
acționa motoarele de comandă. Motoarele rotesc șurubul cu plumb pentru a poziționa masa mașinii.

Sistemul de feedback

Acest sistem este compus din traductoare care acționează ca senzori. Este numit și sistem
de măsurare. Conține traductoare de poziție și viteză care monitorizează continuu poziția și viteza

15
dispozitivului de tăiere, în orice moment. MCU primește semnalele de la aceste traductoare și
utilizează diferența dintre semnalele de referință și semnalele de feedback pentru a genera
semnalele de comandă pentru corectarea erorilor de poziție și viteză.

Sistemul de afișare

Este folosit un display pentru a afișa progr amul curent care rulează, comenzile si alte date
utile mașinii CNC.

2.3. Funcționarea mașinii CNC

• Mai întâi, programul de rulare(Program Part ) este introdus în microcontrole r-ul CNC -ului.
• În MCU14 au loc toate procesele de date și, conform programului pregătit, pregătește toate
comenzile de mișc are și le trimite sistemului de conducere .
• Sistemul de conducere funcționează pe măsură ce comenzile de mișcare sunt trimise de
MCU. Sistemul de conducere coma ndă mișcarea și viteza mașinii -unelte.
• Sistemul de feedback, înregistrează poziția și viteza mașinii și trimite un semnal de
feedback către MCU.
• În MCU, semnalele de feedback sunt comparate cu semnalele de referință, iar în cazul în
care există erori, le c orectează și trimit semnale noi mașinii -unelte pentru ca operația
corectă să se întâmple.
• O unitate de afișare este utilizată pentru a vedea toate comenzile, prog ramele și alte date
importante.

2.4. Componentele CNC -ului personal

În paragrafele de mai sus avem descrise componentele principale ale unei mașini CNC
industriale. Pentru lucrarea mea de licență am folosit în mare parte toate aceste componente. În
urmatoarea parte a acestei lucrări voi descrie fiecare component ă în parte folosită în această l ucrare
de licență.

14 Microcontroller

16

2.4.1 Arduino UNO

Creierul acestei mașini CNC il reprezintă plăcuța de dezvoltare Arduino UNO ( figura 12) .
Arduino 15este o platformă electronică open -source, ce oferă posibilitatea de a comunica extrem de
facil cu mediul extern prin intermediul senzorilor, un avantaj major față de calculatorul / PC -ul
propriu. Arduino poate fi folosit pentru a dezvolta proiecte interactive, utilizând intrări variat e, gen
butoane, senzori, ecrane senzitive și poate controla diverse elemente electronice, de exemplu:
leduri, motoare, LCD -uri, etc. Aceste proiecte pot fi independente (adică nu necesită un pc extern)
sau pot comunica prin intermediul interfeței seriale c u software ce rulează pe un computer
(exemplu Processing16). Arduino -ul se comercializează preasamblat, iar software -ul pentru a crea
codul embedded poate fi descărcat gratuit de pe site -ul oficial al microcontroller -ului (momentan
este la versiunea 1.8.3 ).
void setup () {
// se rulează doar o dată
}
void loop () {
// buclă infinită
}
Mai sus avem pre zentat o parte de cod pentru cr earea unei aplicatii în mediul de dezvoltare
Arduino IDE.
Arduino Uno este un microcontroler bazat pe ATmega328. Are 14 intrări/ieșiri digitale
(dintre care 6 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator de cristal de 16 MHz,
o conexiune USB, o mufă de alimentare, un antet ICSP și un buton d e resetare. Conține tot ceea ce

15 [https://www.arduino.cc/] – Site-ul oficial Arduino
16 [https://processing.org/] – Site-ul oficial Processing
Figură 12 – Arduino UNO

17
este necesar pentru a susține microcontrolerul. Pentru a putea începe să folosim această plăcuță
este necesară doar conectarea cu un cablu USB la un calculator sa u să îl alimentam cu o baterie.
"Uno" înseamnă unu în italiană și este numit pentru a marca lansarea viitoare a Arduino
1.0. Uno -ul și versiunea 1.0 vor fi versiunile de referință ale lui Arduino, de acum înainte. Uno este
ultima dintr -o serie de plăci USB Arduino și modelul de referință pentru platforma Arduino.

2.4.1.1 Alimentarea

Arduino Uno poate fi alimentat prin conexiunea USB sau cu o sursă externă de alimentare.
Sursa de alimentare este selectată automat.
Alimentarea externă (non -USB) poate proveni fie de la un adaptor AC -to-DC, fie de la o
baterie. Adaptorul poate fi conectat prin conectarea unui conector pozitiv central de 2,1 mm în
mufa de alimentare a plăcii. Conductorii de la o baterie pot fi inserați în pinii Gnd și Vin ale
conectorului POWER.
Placa poate funcționa pe o sursă externă de la 6 până la 20 de volți. Dacă este alimentată cu
mai puțin de 7V, pinul de 5V poate furniza mai puțin de cei 5 volți necesari, iar placa poate fi
instabilă. Dacă se utilizează mai mult de 12 V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și poate
deteriora placa. Intervalul recomandat este de la 7V la 12V. Pinii de alimentare sunt următorii:
• VIN. Tensiunea de intrare a plăcii Arduino atunci când se utilizează o sursă externă de
alimentare ( diferită de cei 5 volți de la conexiunea USB sau de la altă sursă de alimentare
reglată). Puteți furniza tensiune prin acest pin sau, dacă furnizați tensiune prin mufa de
alimentare, o putem accesa prin acest pin.
• 5V, 3.3 V.Acești pini transmit o tensiune de 5V respectiv 3.3V de la regulator pe placă.
Placa poate fi alimentată de la mufa de alimentare DC (7 – 12V), conectorul USB (5V) sau
pinul VIN al plăcii (7 -12V). Nu este recomandat să alimentăm placa prin acești pini
deoarece aceaste tensiuni, nu trec prin regulatorul de tensiune, ceea ce poate duce la
deteriorare a plăcii.
• GNG. Pinul de împământare
• IOREF. Acest pin asigură tensiunea de referință necesară pentru funcționarea oricărui
microcontrol er. Un shield configurat corespunzător poate citi pinul IOREF și selecta surs a
de alimentare corespunzătoare .

2.4.1.2 Pinii de intrare și ieșire

Fiecare dintre cei 14 pini digitali de pe Arduino Uno poate fi utilizat ca intrare sau ieși re,
utilizând funcțiile pinMode(), digitalWrite () și digitalRead (). Acestea funcționează la 5 volți.
Fiecare pin poate furniza sau primi un maxim 40 mA și are un rezistor intern de pull -up (deconectat
în mod implicit) de 20 -50 kOhms. În figura 13 sunt prezentați toți pinii pl ăcuței . În plus, unii pini
au funcții speciale:
• Serial: 0 (RX) și 1 (TX). Folosit pentru a primi (RX) și a transmite (TX) date. Aceștia sunt
conectați la pinii cor espunzători ai cipului ATmega .

18
• Întreruperi externe: 2 și 3. Acești pini pot fi configurați pentru a declanșa o întrerup ere la o
valoare scăzută, o creștere sau o scădere abruptă sau o schimbare a valorii.
• PWM: 3, 5, 6, 9, 10 și 11. Asigură ieșirea PWM pe 8 biți cu funcția analogWrite ().
• SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Acești pini acceptă comunicarea SPI17
utilizând biblioteca SPI.
• LED -ul: 13. Există un LED încorporat conectat la pinul digital 13. Când pinul este HIGH,
LED -ul este aprins, când pinul este LOW, este oprit. Plăcuța are 6 intrări analogice, numite
A0 până la A5, fiecare dintre acestea oferind 10 b iți de rezoluție (adică 1024 valori diferite).
În mod prestabilit, se măsoară de la masă la 5 volți .
• TWI: pinul A4 sau S DA și pinul A5 sau SCL. Suportă comunicarea TWI utilizând
biblioteca Wire.
• AREF. Tensiunea de referință pentru intrările analogice. Fol osit cu analogReference ().
• Reset. Acest pin resetează microcontro ler-ul.

2.4.1.3 Comunicarea cu calculatorul

Arduino Uno are o serie de facilități pentru comunicarea cu un computer, un alt Arduino
sau cu alte microcontrolere. Microcontroler -ul ATmega328 oferă comunicație serială UART TTL
(5V), disponibilă pe pinii digitali 0 (RX) și 1 (TX). Firmware -ul microcontr oler-ului utilizează
driverele standard USB COM și nu are nevoie de un driver extern. Cu toate acestea, în Windows,

17 Interfața sincronă standard de mare viteză, ce operează în mod full duplex
Figură 13 – Funcțiile pinilor

19
este necesar un fișier cu extensia .inf. Software -ul Arduino include un monitor serial care permite
transmiterea de date textuale simple către și de la placu ța Arduino. LED -urile RX și TX de pe placă
vor clipi când datele sunt transmise printr -o conexiune USB la computer (dar nu și pentru
comunicația serială pe pinii 0 și 1).
O bibliotecă SoftwareSerial permite comunicarea serială pe oricare dintre pinii digitali ai
plăcuței Arduino UNO . ATmega328 suportă, de asemenea, comunicarea I2C (TWI) și SPI.
Software -ul Arduino include o bibliotecă Wire pentru simplificarea utilizării magistralei I2C;
Pentru comunicarea SPI, este necesar ă folosirea bibliotecii SPI.

2.4.1.4 Protec ția USB -ului la su pracurent

Arduino UNO are o siguranță resetabilă care protejează porturile USB ale computerului de
scurtcircuit și de supracurent. Deși majoritatea calculatoarelor oferă protecție proprie internă,
această siguranță oferă o protecție în plus. Dacă pe portul USB este aplicată o valoare mai mare de
500 mA, siguranța va întrerupe automat conexiunea până când scurtcircuitul sau suprasarcina vor
fi eliminate.

2.4.1. 5 Caracteristici fizice

Lungimea și lățimea maximă a plăcii PCB ale Arduino Uno sunt de 6. 8cm și respectiv
5,3cm, iar conectorul USB și mufa de alimentare se extind dincolo de aceste dimensiuni. Patru
găuri pentru șuruburi permit pl ăcii să fie atașată de o suprafață sau o carcasă.

2.4.2 Shield de motoare L293D

Acest shield din figura 14 conține două drivere pentru motoare L293D și un registru de
deplasare 74HC595. Registrul de deplasare extinde 3 pini de la plăcuța Arduino la 8 pini ai shield –
ului pentru a controla direcția motoarelor conectate. Ieșirea L293D este conectată direct la ieș irile
PWM ale lui Arduino.
Pentru a crește curentul maxim, L293D permite jetoane suplimentare cu "piggyback".
Piggyback lipește unul, două sau trei drivere suplimentare L293D în partea superioară a driverelor
L293D de pe placă pentru a crește curentul maxi m. L293D permite funcționarea în paralel.
Acest shield de motoare este capabil să controleze 2 servomotoare și are 8 ieșiri împărțite
în 2 zone. Astfel poate controla 2 motoare pas cu pas sau 4 motoare DC.
Servomotoarele folosesc intrarea de 5 V a pl ăcii Ar duino. Regulatorul de tensiune de pe
placa Arduino se poate încălzi. Pentru a evita acest lu cru, cele mai noi shield -uri de motoare au
puncte de conect are separate pentru intrarea de 5V p entru servomotoare.

20

2.4.2 .1 L293D

Driver -ul L293D (figura 15) conține 4 semi –
punți H cu frecvență înaltă. Aceste dispozitive sunt
concepute pentru a conduce o gamă largă de sarcini
inductive, cum ar fi releele, solenoizii, motoarele cu
pas cilindric și bipolare, precum și alte sarcini de
înalt curent și de înaltă tensiune. Toate intrările sunt
compatibile TTL și tolerante până la 7 V.
Fiecare ieșire este un circuit de acționare
complet, cu u n tranzistor Darlington și o sursă
pseudo -Darlington. Driverele sunt activate în
perechi, cu driverele 1 și 2 activate de 1,2EN și
driverele 3 și 4 a ctivate de 3,4EN. Atunci când
intrare a de activare este ridicată, driverele asociate
sunt activate, iar ieșirile lor sunt active și în fază cu
intrările lor. Când intrarea de activare este scăzută,
Figură 14- Shield de motoare L293D
Figură 15 – Pini L293D

21
drivere -le respective sunt dezactivate și ieșirile lor sunt oprite în starea de înaltă impedanță . Cu
intrările de date adecvate, fiecare pereche de dr ivere formează o punte -H complet ă potrivită pentru
aplicații solenoid sau motor.
L293D, are integrate diode pentru a reduce complexitatea sistemului și dimensiunea
generală a sistemului. Un terminal VCC 1, separat de VCC2, este prevăzut pentru intrările logice
pentru a minimiza disiparea puterii dispozitivului. L293D es te caracterizat pentru funcționare de la
0°C la 70 °C. In Anexa 1 este ata șat datasheet -ul acestui microcontro ler.

2.4.2.2 74HC595

La un moment dat mai avem nevoie de
pini pe plăcuța Arduino Uno. Pentru aceasta
putem extinde pinii actuali, folosind un registru
de deplasare, 74HC595 , cel din figura 16 . Acesta
este un registru de deplasare serială pe 8 biți.
Astfel, putem folosi în acel ași timp cele 8 ieșiri
ale acestui registru, folosind doar 3 pini ai
microcontroler -ului. Există posibilitatea de a lega
mai mulți astfel de regiștrii, pentru a extinde chiar
și mai mult ieșirile.
Toate acestea funcționează folosind
"comunicare sincronă în serie", adică puteți
impulsiona un pin în sus și în jos, comunicând
astfel un octet către registru, bit cu bit. Se face
prin pulsarea celui de -al doilea bit către pinul de
clock pe c are îl accesăm între biți. Acest lucru
este în contrast cu utilizarea "comunicației seriale
asincrone" a funcției Serial.begin () care se bazează pe faptul că expeditorul și receptorul trebuie
să fie setați independent la o anumită rata de transmisie. Odat ă ce întregul octet este transmis către
registru, informațiile HIGH sau LOW deținute în fiecare bit sunt împărțite la fiecare pin de ieșire
individual. Aceasta este partea "ieșire paralelă", care pune toți pinii să faca ceea ce noi dorim sa
facă. Mai multe informații despre acest registru puteti găsi în datasheet -ul acestuia, la Anexa 2.

2.4.3 Motoare

Un motor electric este o mașinărie electrică, care convertește energia electrică în energie
mecanică. Reversul acestui proces, se realizează cu ajutorul unui generator electric. În general cele
mai multe motoare electrice operează prin interacțiunea dintre câmpul magnetic al motorului
electric si curenții de infășurare pentru a genera forța în interiorul motorului. În anumite aplicații,
cum ar fi în industria de transport cu motoare de tracțiune, motoarele electrice pot funcționa atât în
Figură 16 – Asignarea pinilor p entru 74HC595

22
modurile de generar e cât și în cele de frânare,
pentru a produce energie electrică din energia
mecanică.
Indiferent de tipul motorului, acesta este
construit din două părți componente: stator și
rotor. Statorul este partea fixă a unui motor, în
general exterior, care includ e carcasa, bornele de
alimentare, armătura feromagnetică statorică și
înfășurarea statorică. Rotorul este partea mobilă
a motorului, plasată de obicei în interior. Este
format dintr -un ax și o rotorică de armătură care
susține rotorica înfășurării. Între s tator și rotor
există o porțiune de aer numită întrefier care
permite mișcarea rotorului față de stator.
Grosimea aerului este un indicator important al
performanțelor motorului.
Motoarele electrice (figura 17) pot fi
clasificate după tipul curentului electric ce le
parcurge : motoare de curent continuu și motoare
de curent alternativ. În funcție de numărul fazelor curentului cu care funcționează, motoarele
electrice pot fi motoare monofaza te sau motoare polifazate (cu mai multe faze) .

Figură 17 – Tipuri de motoare electrice
Figură 18 – Clasificarea motoarelor

23
2.4.3.1 Motoare Stepper(Pas cu pas)

Motoarele stepper (Figura 19) sunt motoare de curent continuu care împarte o rotație
completă într -un număr de pași egali. Poziția motorului poate fi apoi comandată să se deplaseze și
să se mențină la unul din acești pași fără senzor de reacție (un regulator cu buclă deschisă), atâta
timp cât motorul este dimensionat cu grijă în funcție de aplicația în care este folosit, luând în calcul
cuplul și viteza

Avantaje:
• Poziționarea – Deoarece
motoarele se deplasează în pași
preci și repetabili. Aceștia
excelează în aplicații care
necesită o poziționare precisă,
cum ar fi imprimante 3D, CNC,
platforme pentru camere. Unele
unități de disc utilizează, de
asemenea, motoare pas cu pas
pentru p oziționarea capului de
citire/ scriere.
• Controlul vitezei – Creșterea
precisă a mișcării permite, de
asemenea, un control excelent
al vitezei de rotație pentru
automatizarea proceselor și
pentru robotică.
• Moment de torsiune redus – Motoarele DC normale nu au cuplu foarte mare la viteze reduse.
Un motor s tepper are un cuplu maxim la viteze reduse, astfel încât acestea sunt o alegere
bună pentru aplicațiile care necesită viteză redusă și precizie ridicată.
Dezavantaje:
• Eficiență redusă – Spre deosebire de motoarele de curent continuu, consumul de curent al
motorului pas cu pas este independent de sarcină. Aceștia consuma cel mai mult curent
atunci când nu lucrează deloc. Din acest motiv, au tendința să se încălzească.
• Viteza maxim ă de torsiune limitat ă – În general, motoarele pas cu pas au un cupl u mai mic
la viteze mari decât la viteze reduse. Unele motoare stepper sunt optimizate pentru o
performanță mai bună de mare viteză, dar trebuie să fie asociate cu un driver adecvat pentru
a obține acea performanță.
• Fără feedback – Spre deosebire de motoar ele servo, majoritatea motoarelor stepper nu au
un feedback integral pentru poziție. Totu și poate fi obținută o precizie mare în funcționarea
în "buclă deschisă".

Figură 19 – Motor pas cu pas de la DV D

24
2.4.3.2 Servomotor 9g

Acest servomotor este foarte mic și
ușor dar are o tensiune de ieșire mare.
Structura acestuia este prezentata in figura
20. Se poate roti 180 de grade. Are o pozitie
neutră și se învârte 90 de grade în fiecare
direcție .
Servomotorul este acționat cu
ajutorul unui semnal PWM ca cel din figura
21, care ne permite să controlăm
tensiunea aplicata pe el. Având o perioada
de 20 ms, semnalul PWM este în starea
activ ă o perioad ă 1-2ms. Această
perioadă se numește duty cycle.
În funcție de durata duty
cycleului, brațul servomotorului
va fi în diferite poziții. Pentru un
duty cycle de 1.5 ms, bra țul
servomotorului va fi la 0 grade
(pozi ție neutră),pentru 2 ms va fi
la 90 de grade i ar pentru 1 ms
brațul va fi la -90 de grade.

Figură 20 – Structura servomotorului 9g
Figură 21 – Semnalul PWM al servomotorului

25
2.4.4 Componente Software

2.4.4.1 Arduino IDE

Mediul de dezvoltare integrat Arduino – sau Arduino Software (IDE) 18- conține un editor
de text pentru scrierea de coduri, o zonă de mesaje, o consolă de text, o bară de instrumente cu
butoane pentru funcții comune și o serie de meniuri. Se conectează la hardware -ul Arduino și
Genuino pentru a încărca programe și a comunic a cu ele. Mai jos, in figura 22 avem prezentată o
imagine cu interfața acestui software. În acest moment , softwa re-ul a ajuns la versiunea 1.8.2 .
Programele scrise folosind software -ul Arduino (IDE) se numesc schițe. Aceste schițe sunt
scrise în editorul de text și sunt salvate cu extensia .ino. Editorul are caracteristici pentru tăiere /
lipire (Copy/Paste) și pentru căutarea / înlocuirea (Find/Rep lace) textului. Zona de mesaje oferă

18 [https://www.arduino.cc/en/Main/Software] – Site-ul official pentru a downloada software -ul
Figură 22 – Arduino IDE

26
feedback în timp ce salvează sau exporta și, de asemenea, afișează erori. Consola afișează textul
de ieșire primit de la software -ul Arduino (IDE), inclusiv mesaje de eroare complete și alte
informații. Colțul din dreap ta jos al ferestrei afișează placa și portul serial configurat. Butoanele
barei de instrumente vă permit să verificați și să încărcați programe, să creați, să deschideți și să
salvați schițe și să deschideți monitorul serial.
Bibliotecile oferă funcționali tăți suplimentare pentru a fi utilizate în schițe. Pentru a utiliza
o bibliotecă într -o schiță, aceasta trebuie importată. Aceasta va introduce una sau mai multe
instrucțiuni #include în partea superioară a schiței și va compila biblioteca cu schița. Deoar ece
bibliotecile sunt încărcate în bord cu schița dvs., acestea sporesc spațiul necesar. Dacă o schiță nu
mai are nevoie de o bibliotecă, ștergeți pur și simplu instrucțiunile #include din partea de sus a
codului.
Există o listă de biblioteci în referință. Unele biblioteci sunt incluse în software -ul Arduino.
Altele pot fi descărcate dintr -o varietate de surse sau prin managerul Bibliotecii.

2.4.4.2 Biblioteca Adafruit
Biblioteca Adafruit Motorshield este o bibliotecă dezvoltată de cei de la Adafruit, care aste
folosită pentru a controla shield -ul de mot oare L293D. Această bibliotecă vine preinstalată cu
diferite exemple pentru testarea funcționalității unor diferite tipuri de motoare: Stepper, Motor DC,
Servomotor. Am folosit această bibliotecă, pentru a controla mai ușor servomotorul și cele 2
motoare pas cu pas.

2.4.4.3 GCTRL
Gctrl este
un program GUI
(Graphical User
Interface) de
folosit impreuna
cu GRBL. Gctrl
este un cod care
este destinat
trimită un anumit
fișier de tip gcode
către Arduino

Figură 23 – Adafruit logo
Figură 24 – Interfata grafica a GCTRL

27
2.4.4.4 InkScape

Inkscape este un editor grafic gratuit și Open Source. Acesta poate fi folosit pentru a crea
sau edita grafice vectoriale, cum ar fi ilustrații, diagrame , logo -uri și tablouri complexe. Formatul
grafic principal vectorial al Inkscape este SVG19 (Scalable Ve ctor Graphics ), cu toate acestea multe
alte formate po t fi importate și exportate.
În Inkscape se pot crea forme vectoriale primitive (de exemplu, dreptunghiuri, elipse,
poligoane, arcuri, spirale, stele și casete 3D) și text. Aceste obiecte pot fi umplute cu culori, modele,
gradiente radiale sau liniare colorate, iar marginea acestora poate fi netezit ă. Se acceptă
încorporarea și trasarea opțională a graficelor raster20, permițând editorului să creeze grafice
vectoriale din fotografii. Formele create pot fi manipulate în continuare cu transformări, cum ar fi
mișcarea, rotirea, scalarea și înclinarea.

19 Limbaj pentru descrierea de imagini 2D folosind XML
20 Bitmap – matrice de puncte colorate

28
3. Implementarea solutiei

Scopul acestei licențe, este de a fi o lucrare practică eficientă și de a demonstra
capabilitățile unei ma șini de tip CNC. În acest sens am încercat, pe cât posibil, implementarea
cât mai eficientă (materiale de calitate, atenție sporită la detalii, măsurători, decupări) a acestui
proiect, în limitele bugetului.
Toate elementele au fost create în regim propriu, adică totu l de la servomotoare, montaj,
electronică, design, implementare, măsurat, decupat, lipit, găurit și alte zeci de operații care nu sar
în ochi, dar au fost și ele consumatoare de timp.
Nu știu încă dacă toți acești pași vor fi apreciați, voi încerca să nu a glomerez
documentația proiectului cu aceste detalii, însă un lucru e clar: fară acest efort, proiectul nu ar
fi putut dus la sfârșit.
În restul acestui capitol voi detalia efectiv pașii care au dus la completitudinea propriei mele
masini CNC.

3.1. Imple mentare a structurii fizice și electronice

Tot ceea ce am avut de realizat la partea fizică a acestei lucrări a reprezentat o provocare
pentru mine. Crearea montajului pentru a susține toate componentele și măsurarea exactă a
distanțelor dintre piese mi -au consumat o bună bucată de timp pentru real izarea finală a proiectului.
Figură 25 – Poza montaj final

29
Primul pas în realizarea proiectului a fost adunarea tuturor componentelor necesare.
Servomotoarele am reușit să le recuperez din 2 DVD -writere de la niște calculatoare mai vechi.
Motivul pentru care am ales sa folosesc servo motoarele dintr -un DVD, a fost acela că îmi oferă
motorașul, suportul de fixare și pista de mișcare a axelor înainte și înapoi, ideale pentru o mașină
CNC. A fost nevoie să lucrez cu atenție deoarece riscam ca dintr -o greșeala să stric suportul lor și
să nu am mai am ce face cu el. Dupa ce am scos ambele servomotoare a fost nevoie să le testez,
pentru a mă convinge că ele încă funcționează, și că îmi vor fi de ajutor în realizarea proiectului.
Pentru a extinde pinii de pe motorașe a fost nevoie să lipesc niște fire care să ajungă până la shield –
ul de motoare. Am conectat motoarele la plăcuța Arduino și am testat dacă funcționează bine. Am
folosit codul deja existent în biblioteca Adafruit.
// Adafruit Motor shield library
// copyright Adafruit Industries LLC, 2009
// this code is public domain, enjoy!

#include <AFMotor.h >

// Connect a stepper motor with 48 steps per revolution (7.5 degree)
// to motor port #2 (M3 and M4)
AF_Stepper motor( 48, 2);

void setup() {
Serial. begin(9600); // set up Serial library at 9600 bps
Serial.println( "Stepper test!" );

motor.setSpeed( 10); // 10 rpm
}

void loop() {
Serial.println( "Single coil steps" );
motor.step( 100, FORWARD, SINGLE);
motor.step( 100, BACKWARD , SINGLE);

Serial.println( "Double coil steps" );
motor.step( 100, FORWARD, DOUBLE);
motor.step( 100, BACKWARD , DOUBLE);

Serial.println( "Interleave coil steps" );
motor.step( 100, FORWARD, INTERLEAVE );
motor.step( 100, BACKWARD , INTERLEAVE );

Serial.println( "Micrsostep steps" );
motor.step( 100, FORWARD, MICROSTEP );
motor.step( 100, BACKWARD , MICROSTEP );
}

30
Acum , că aveam motoarele pas cu pas, aveam nevoie de un suport de bază pe care să le
montez. Montajul l -am relizat din plăci de plexiglas, tăiate la dimensiuni care să ofere un aspect
plăcut al lucrării finale. Am ales plexiglas penru(pentru) montaj, deoarece es te rezistent și fiind
Figură 26 – Bucatile de plexiglas
Figură 27 – Structura fizica

31
transparent oferă o imagina frumoasă asupra
motajului. După ce am măsurat distanțele dintre
punctele de fixare ale suportului motoarelor pas cu
pas am dat găurile necesare în bucățile de plexigas.

Următorul pas, a fost montarea
servomotarelor pe suport. Cele două motoare
reprezintă axa X și axa Y a mașinii CNC. Axa X este
pe placa mare de plexiglas și fixată în cele 4 colțuri.
Acest servomotor are rolul de a se mișca înainte și
înapoi. Pe această axă va fi montat și suportul pentru
hârtiile care vor fi desenate. Axa Y este montată pe
cei doi „stâlpi”, perpendicular cu axa X. Mai jos
avem o imagine cu cele doua servomotare montate
pe suport.
Figură 28 – Motoarele impreuna cu suportul
Figură 2929 – Motoarele montate pe suport

32
După ce am montat servomotoarele a fost necesar să fac câte un test pentru fiecare axă,
pentru a verifica funcționalitatea și mișcarea corectă a servomotoarelor. Mai jos sunt prezentate
secvențele de cod pentru această testare.

Pentru axa X:

Pentru axa Y

#include <AFMotor.h>

const int stepsPerRevolution = 48;
//conexiunea la prima poarta a shield -ului
AF_Stepper myStepperX (stepsPerRevolution, 1);

void setup() {
myStepperX.setSpeed( 100);
myStepperX.step( 160);
delay(100);
}
void loop() {
}
#include <AFMotor.h>

const int stepsPerRevolution = 48;
//conexiunea la a doua poarta a shield -ului
AF_Stepper myStepperX (stepsPerRevolution, 2);

void setup() {
myStepperX.setSpeed( 100);
myStepperX.step( 160);
delay(100);
}
void loop() {
}

33
Montarea axei Z a fost putin mai dificilă
decât axele precedente. A fost nevoie să montez un
suport pe axa Y pentru a putea monta servomotorul
și suportul pentru pix. Aveam nevoie de un dispozitiv
care să permită pixului să se miște în sus și în jos cu
ajutorul servomotorului. Mai jos este prezentată o
imagine cu soluția găsită.

În acest moment montajul era gata, reușind să
finalize z partea de „construcție”. La alimentarea
montajului însă a apărut o problemă. Doarece plăcuța
de Arduino nu putea furniza destul curent pentru
funcționarea corectă a montajului, a fost necesară
folosirea unei surse externe. Pentru asta am folosit un
încăr cător de la un telefon mai vechi. Astfel, plăcuța
de Arduino era alimentată tot la 5V dar am reușit să
dublez curentul pe care îl primește. În final am reușit să obțin un montaj care funcționează și este
alimentat corect.

Figură 30 – Axa Z
Figură 31 – Motoarele conectate la placuta Arduino

34
3.2 Implementarea structurii software

Din punct de vedere al software -ului, pentru acest proiect se remarcă două mari
subdiviziuni: o parte de module de testare și calibrare și partea efectivă de cod final. În figura 32
sunt specificați pașii pe care i -am urmat, cronologic vorbind pentru a put ea ajunge la un proiect
final.
Pentru buna funcționalitatea a tuturor componentelor și pentru a înțelege mai bine
modul în care acestea funcționează, am creat câteva module de testare, ce și -au găsit utilitatea
în mai multe etape ale proiectului. După cu m am prezentat la subcapitolul 3.1, am testat
funcționalitatea separată a servomotoarelor dar și a ansamblului complet.

3.2.1 Fluxul aplicatiei

Primul pas pentru funcționarea proiectului este flashuirea codului pe plăcuța de Arduino.
Acest cod este prezentat în Anexa 3. După acest momenta, plăcuța de Arduino așteaptă să
primească un fișier cu extensia *.gcode. Pentru a trimite acest fișier către p lăcuța de dezvoltare, se
folosește un software special numit GCTRL. Practic, acest soft trimite către axele X, Y, Z ale
montajului coordonatele necesare de mișcare. Arduino nu poate să interpreteze foarte ușor aceste
coordonate, de aceea se folosește acest software special.

Functii utile21

• void setup()
Utilizare : în această funcție se fac setările principale pentru conectarea perifericelor la
Arduino. Se seteaza pinul pentru servomotor(pinul 9). Se conectează motoarele stepper la
porțile 1 respectiv 2 ale shield -ului și se setează viteza acestora.

• void loop()
Utilizare : funcția principală a programului, care se comportă ca o buclă. Această funciție
așteaptă să primească de la GCTRL, fișierul cu coordonatele pentru imagine. Parcurge și

21 Anexa 3 – Codul sursă al programului.
Figură 32 – Planul de dezvoltare a proiectului

35
interp retează dat ele din acest fișier și verifică sa nu aibă greșeli pentru a putea fi interpretat
mai departe de celelalte functii.

• Void processIncomingLine(char* line, int charNB)
Utilizare : Parcurge fișierul primit de la GCTRL. Această funcție dictează poziția
servomot orului și motoarelor stepper. În funcție de coordonatele din fișier trimite motoarele
stepper la poziția respectivă.

• void drawLine(float x1, float y1)
Utilizare : această funcție convertește coordonatele primite în pași pentru a putea să îi
transmita motor ului stepper, pașii exacți care trebuie sa îi parcurgă pentru a ajunge la
coordonatele exacte.

• void penUp() si void penDown ()
Utilizare : Controlul servomotorului. Dicteaza pozitia servomotorului pentru a ridica și
așeza pixul pe foaia de scris. Practic, trimite servomotorului pozitia in care trebuie sa se
afle bratul acestuia.

36
Concluzii

După ce la începutul acestei lucr ări, am prezentat istoria ma șinilor -unelte, importan ța lor în
industrie și câteva aspecte de cultur ă general ă despre astfel de ma șini, am continuat cu prezentarea
efectiv ă a ma șinii CNC. De la acest punct p ână la final, toat ă lucrearea a fost bazat ă doar pe
mașinile CNC. Am prezentat o scurt ă istorie a acestora, am vorbit despre principiile de func ționare
și comp onentele principale ale acesteia. Capitolul 2 al acest ei lucr ări cuprinde prezentarea
componentelor necesare pentru cre area luc rării de față .
Ultimul capitol cuprinde contribuț ia proprie la aceasta lucrar e precum și paș ii care au fo st
urmați pentru crearea acestei a, împreun ă cu câteva poze și explicații mai amănunț ite.
Scopul final al acestei lucr ări aplicative, a fost acela de a avea propria mea mașină CNC.
Proiectul nu este nici pe departe incheiat și inten ționez ca în viitor s ă îi aduc îmbun ătățiri, at ât pe
parte a de soft, unde algoritmii las ă tot timpul loc de îmbun ătățiri, dar și pe parte a de hardware a
acestuia. Inten ționez să îi montez un motor BLDC, î n loc de pix, pentru a putea să gravez diferite
lucruri. Îmi doresc s ă măresc și dimensiunea acestui proiect pentru a nu fi limitat doar la c âțiva
centimetrii și să pot lucra cu acesta la o scara mai mare. Pentru a realiza însă acest lucru, proiectul
de fa ță îmi va fi folositor doar pentru a avea ideea de baz ă a acestei mașini deoa rece va fi nevoie
să schimb arhitectura și componentele pentru a avea putere de prelucrare mai mare și raspuns mai
bun al motoarelor pas cu pas.

37
Bibliografie

Istoria mașinilor industriale
https://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/1435 -Evolucion -tecnica -de-la-maquina –
herramienta -Resena -historica.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Machine_tool#History
https://www.britannica.com/technology/machine -tool
CNC Ma chine
http://www.cnccookbook.com/CCCNCMachine.htm
http://www.mechanicalbooster.com/2017/01/what -is-cnc-machine.htm l
http://www.brighthubengineering.com/manufacturing -technology/55676 -components -of-the-nc-
system/
Arduino, Adafruit, Shield -ul de motoare.
http://www.arduino.org/products/boards/arduino -uno
https://playground.arduino.cc/Main/AdafruitMotorShield
https://cdn -learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruit -motor -shield.pdf
https://www.arduino.cc/docume nts/datasheets/H -bridge_motor_driver.PDF
https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ShiftOut
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC7 4HC595 -D.PDF
Motoare: Servomotor si Motorul pas cu pas.
https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric
https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_motor
https://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor
https://learn.a dafruit.com/all -about -stepper -motors/what -is-a-stepper -motor
https://en.wikipedia.org/wiki/Servomotor
https://www.robofun.ro/mecani ce/servo/servomotor_9g
Software
https://learn.adafruit.com/adafruit -motor -shield -v2-for-arduino/install -software
https://en.wikipedia.org/wiki/Inkscape
https://www.arduino.cc/en/Guide/Environment bibliografie
https://www.arduino. cc/en/Main/Software

Bibliografie poze
Figura 1: https://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/1435 -Evolucion -tecnica -de-la-
maquina -herramienta -Resena -historica.html
Figura 2: http://www.gracesguide.co.uk/images/f/f 2/Im19390506PP -Nasmyth.jpg
Figura 3: https://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/1435 -Evolucion -tecnica -de-la-
maquina -herramienta -Resena -historica.html
Figura 4 http://www.proma.ro/strung -pentru -metal -spa-500p -400.html
Figura 5: https://www.ebernardo.ro/blog/masini -de-frezat -generalitati/

38
Figura 6: http://www.cs.cmu.edu/~rapidproto/students.03/dwm3/project2/
Figura 7: https://www.google.ro/search?q=CNC -Machining -Gantry -Type -CNC –
Machine&s ource=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwir7fnLttnUAhWI8RQKHcrhBo4Q_A
UICigB&biw=1366&bih=599#imgrc=b8kmXOTxvVcRMM:
Figura 8: https://en.wikipedia.org/wi ki/Computer –
aided_design#/media/File:Schneckengetriebe.png
Figura 9: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer –
aided_manufacturing# /media/File:CAD_model_and_CNC_machined_part.PNG
Figura 10: http://www.cmsna.com/a -brief -history -on-cnc-machining -c-56_68.html
Figura 11: http://www.mechanicalbooster.com/2017/01/what -is-cnc-machine.html
Figura12: http://www .robotistan.com/arduino -uno-r3-clone -with-usb-cable -usb-chip-ch340
Figura 13: https://arduino.stackexchange.com/questions/14407/use -all-pins-as-digital -i-o
Figura 14: https://ardushop.ro/ro/electronice/133 -shield -controlor -motoare -l293d.html
Figura 15: https://www.engineersgarage.com/electronic -components/l293d -motor -driver -ic
Figura 17: https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electricp
Figura18:
https://creately.com/diagram/example/gp4ffadd1/CLASIFICAREA%20MOTOARELOR%20EL
ECTRICE
Figura 19: http://www.edaboard.com/thre ad217270.html
Figura 21: http://www.edaboard.com/thread217270.html
Figura 23: http://swling.com/blog/2015/10/adafruit -industries -an-amazing -resource -for-
electronics -experimenters/