Capitolul 1. analiza critică a stadiului sistemelor Cnc 7 1.1 Noțiuni introductive 7 1.1.1 Prelucrarea materialelor în istorie 7 1.1.2 Evoluția… [310049]

Cuprins

Cuprins 4

Introducere 6

Capitolul 1. analiza critică a stadiului sistemelor Cnc 7

1.1 Noțiuni introductive 7

1.1.1 Prelucrarea materialelor în istorie 7

1.1.2 Evoluția mașinilor cu comandă numerică 11

1.1.3 De la NC la CNC 11

1.2 Comanda numerică (NC) 12

1.3 Comanda numerică computerizată (CNC) 13

1.4 Tendințe curente în tehnologia CNC 14

Capitolul 2. proiectarea sistemului automat CNC 17

2.1 Tipuri de mașini CNC 17

2.2 Alegerea tipului de sistem CNC 18

2.2.1 Numărul de axe 18

2.2.2 Modul de construcție al axelor 19

2.2.3 Alegerea modului de acționare 21

2.3 Proiectarea mașinii de frezat CNC 23

2.3.1 Definiții 23

2.3.2 Proiectarea structurii principale 24

2.3.3 Realizarea structurii 24

2.4 Automatizarea procesului 25

2.4.1 Alegerea motoarelor pas cu pas 27

2.4.2 Alegerea driverelor pentru motoarele pas cu pas 29

2.4.3 Alegerea microcontrolerului 30

2.4.4 Calculatorul 30

2.4.5 Grbl 30

2.5 Sistemul de siguranță 30

2.6 Buclă de reglare a poziției 31

Capitolul 3. funcționarea și testarea automatului CNC 34

3.1 Inițializarea automatului CNC 34

3.2 Verificarea preciziei deplasărilor pe axe 36

3.2.1 Verificarea experimentală a preciziei 36

3.2.2 Precizia motoarelor pas cu pas 37

3.2.3 Precizia sistemului de transmisie a mișcărilor 38

3.2.4 Rigiditatea materialelor folosite 38

3.3 Piese realizate cu ajutorul automatului CNC 38

Concluzii și direcții viitoare de cercetare 41

Direcții viitoare de cercetare 41

Bibliografie 43

Anexe 45

sumary 52

Introducere

Mașinile unelte au reprezentat întotdeauna o cale de acces a [anonimizat], [anonimizat]. Pentru mult timp atelierele specializate și întreprinderile mari au fost singurele care au avut acces la aceste mașini.

[anonimizat] – [anonimizat], un avantaj al întreprinderilor mari.

[anonimizat] s-[anonimizat].

Unul din scopurile lucrării de față este să arate ușurința cu care poate fi „creată” o mașină care combină mișcările unui robot industrial cu posibilitatea de prelucrare a materialelor pe care o oferă mișinile unelte.

Unul din motivele pentru care am ales această temă este opinia conform căreia automatizarea unui proces de prelucrare reprezintă motivul pentru care a luat naștere specializarea Automatică și Informatică aplicată. Un alt motiv pentru care am ales această temă este pasiunea pentru mecanismele în mișcare și pentru inteligența care se ascunde în spatele acestora.

Primul capitol al lucrării vorbește despre prelucrarea materialelor în istorie și despre evoluția acestora. Tot aici este surprinsă trecerea de la comandă manuală la comandă numerică (NC – Numeric Control) și mai apoi la comandă numerică computerizată (CNC – Computer Numeric Control), proces care a revoluționat industria și continuă să o facă prin noi metode de prelucrare a materialelor.

În capitolul al doilea sunt prezentate tipuri de mașini CNC și alegerea unui tip de sistem CNC pentru a fi proiectat și construit. Tot în acest capitol se regăsește proiectarea automatului CNC și realizarea acestuia cu tot ce cuprind aceste două faze: [anonimizat]D (Computer Aided Design – proiectare asistată de calculator), realizarea structurii, automatizarea mașinii cu alegerea componentelor necesare acestei etape și proiectarea unei bucle de reglare a poziției pe o axă.

Capitolul al treilea prezintă funcționarea automatului CNC cu inițializarea acestuia și verificarea preciziei pe fiecare axă a mașinii. De asemenea, capitolul acesta prezintă și posibilitățile de prelucrare pe care le oferă mașina la momentul de față.

analiza critică a stadiului sistemelor Cnc

Noțiuni introductive

Prelucrarea materialelor în istorie

Încă de la începutul istoriei, omul a căutat metode de a prelucra diverse materiale. Omul preistoric a învățat să facă unelte și unelte cu care să creeze alte unelte.

Prelucrarea materialului brut de atunci și până în zilele noastre s-a făcut prin așchiere, șlefuire, tăiere, găurire, turnare etc. Uneltele folosite inițial au fost din piatră (Fig. 1.1). De abia mai târziu, după apariția bronzului, a început să fie folosită turnarea (inițial pentru metale apoi și pentru sticlă). Astfel, primele unelte turnate din bronz (descoperite) au o vechime de aproximativ 6500 ani, iar primele obiecte de sticlă cu o vechime de aproximativ 5000 ani.

Primele „mașini unelte” de prelucrat materiale au o vechime mai mare de 3000 de ani când a apărut primul „strung” pentru lemn (1300 î.H. în Egipt, vezi Fig. 1.2). În prima fază a lui acesta este găsit cu numele de „strung pentru două persoane” deoarece era operat de doua persoane: una rotea piesa de lemn cu ajutorul unei frânghii, iar a doua forma piesa cu o unealtă ascuțită. La acel moment însă, singurul material ce putea fi prelucrat în acest fel era lemnul. Nu putem vorbi încă de prelucrarea metalelor prin așchiere. Cam la 100 de ani după apariția strungului, a apărut pila de bronz, evident, tot pentru prelucrarea lemnului. Strungul pentru lemn a continuat să fie folosit și a evoluat în timp fiind preluat de romani (Fig. 1.3) și apoi folosit în toate atelierele de tâmplărie pe parcursul Evului Mediu (Fig. 1.4).

Revoluția industrială (secolele XVIII-XIX) este cea care determină o schimbare în prelucrarea materialelor prin așchiere. Astfel, strungul migrează de la prelucrarea lemnului și acționare manuală, la acționare mecanizată ca mori de apă, aburi (Fig. 1.5), iar mai târziu motoare electrice și se extinde la prelucrarea metalelor. Această evoluție a facilitat rotirea piesei cu viteze mai mari, ceea ce a făcut prelucrarea mai ușoară. Dacă vorbim despre prelucrarea metalului, primul strung pentru metal acționat de moara de apă este menționat în anul 1701, iar în 1818 avem deja mașina de frezat (Fig. 1.6) și mașina de rectificat suprafețe metalice. Tot atunci (1820) apare strungul copiator capabil să reproducă forma unei piese. Alte surse spun că părintele strungului pentru prelucrat metal este Henry Maudsley, invenția acestuia datând din 1800. Strungul inventat de el este „fundația” pe care s-au construit următoarele modele care au început să fie dotate cu cadrane gradate pe manivele pentru o precizie mai bună. Mașina de frezat inventată la 1818 avea la bază aceleași principii ca strungul lui Maudsley, cu deosebirea că mișcarea rotativă era efectuată de scula așchietoare, nu de piesa de prelucrat.

Potrivit unor date, anii 1930 marchează începutul tehnologiei tăierii cu jet de apă. Tehnologia tăierii cu laser apare în 1965, urmând ca în 1984 să fie patentată stereolitografia, după care apare tehnologia FDM (Fused Deposition Modeling), iar în anul 1993 MIT patentează imprimarea 3D.

Evoluția mașinilor cu comandă numerică

Mașinile unelte folosite în prezent, CNC (computer numerical control – comandă numerică computerizată) au la bază un set de protocoale bazate pe sistemele mai vechi de comandă numerică (NC – numeric control).

Cartelele perforate au fost folosite prima dată în secolul XVIII pentru războaie de țesut mecanizate. Cu toate acestea, sistemul acesta nu a fost folosit în prelucrarea metalelor până aproape de mijlocul secolului XX, moment la care au fost dezvoltate mașini cu comandă numerică. Primul strung cu comandă numerică cu bandă perforată a fost produs în 1949, dar nu a avut foarte mare succes în rândul manufacturierilor.

Considerat „părintele comenzii numerice”, în 1952 John T. Parsons reușește cu succes să facă o demonstrație cu o mașină de frezat pe trei axe controlată numeric în fața unui public format din membri ai armatei, ai industriei aerospațiale și ai industriei de prelucrare (machining industry), moment la care a participat și presa. Demonstrația aceasta a fost suficientă pentru a propulsa ideea lui Parsons, astfel că până în 1964 funcționau deja peste 35000 de mașini cu comandă numerică doar în Statele Unite ale Americii.

De la NC la CNC

La început, cartelele sau benzile perforate erau create cu ajutorul unei mașini asemănătoare mașinii de scris numită „flexowriter” (Fig. 1.7). Cartelele sau benzile perforate erau introduse în unități de control foarte mari, adiacente mașinăriei și imprimate cu o secvență de program numită G-Code, numit astfel după compania care a dezvoltat acest limbaj de programare, Gerber-Scientific Instruments. Acesta a fost standardul până spre finalul anilor 1960, când au fost introduse primele mașini cu comandă numerică computerizată – CNC.

Tehnologia CNC a urmat aceleași principii trasate de sistemul original al mașinilor cu comandă numerică, dar a înlocuit metoda cartelei perforate cu programe software de calculator mult mai avansate. Această tehnică de programare a înlocuit destul de repede prelucrarea cu mașini controlate numeric.

Conceptul CNC a fost de asemenea fundamentul pentru alte două procese care se înscriu în aceeași ramură a procesării materialelor. Astfel apare conceptul de CAD (computer-aided design – proiectare asistată de calculator) și CAM (computer-aided manufacturing – manufacturare asistată de calculator). Deși aceste procese sunt conceptual asemănătoare cu sistemul perforării cardurilor pentru mașinile controlate numeric, CAD/CAM oferă companiilor din zona manufacturărilor mult mai multă flexibilitate în operațiunile pe care le execută.

Comanda numerică (NC)

Potrivit definiției date de Valery Marinov, autoare a volumelor Manufacturing Process Design și Manufacturing Processes for Metal Products, Deși cele mai populare aplicații ale prelucrărilor cu ajutorul comenzii numerice sunt în domeniul prelucrărilor prin așchiere/șlefuire/găurire etc, comanda numerică este folosită în foarte multe operații”.

Cu mașina „automată” inventată, Parsons a reușit să producă primele piese care nu aveau nevoie de revizuire manuală. Acesta a fost un mare plus față de mașinile existente la momentul respectiv. Mașinile cu comandă numerică însă aveau un dezavantaj destul de mare prin aceea că era nevoie de un timp foarte mare pentru a muta comenzile mașinii (prima mașină cu comandă numerică presupunea ca un operator să mute comenzile mașinii după indicațiile celui care citea codul din programul înscris pe cartelele perforate). Mai târziu a fost dezvoltată „consola” care putea să citească aceste cartele sau benzi perforate, ceea ce a scos din calcul factorul uman în citirea și implementarea comenzilor.

Un alt dezavantaj al primelor mașini cu comandă numerică era acela că aceste mașini tăiau materialul în anumite puncte. Această problemă a fost însă rezolvată de o echipă din cadrul MIT (Massachusetts Institute of Technology – Institutul Tehnologic din Massachusetts). Sistemul de comandă inventat de MIT este unul superior avansat față de conceptul lui Parsons. Acesta folosea benzi perforate cu 7 linii, trei dintre acestea fiind folosite pentru a controla cele trei axe (X, Y, Z), iar celelalte 4 conțineau alte informații de comandă. Sistemul de citire a benzii perforate dispunea de regiștri hardware pe bază de relee care înregistrau punctul de start și punctul de final al fiecărei comenzi pe fiecare axă. Banda perforată fiind citită continuu, în momentul în care mașina ajungea la punctul final al unei comenzi, acesta devenea punct de start pentru comanda următoare. Pentru acest sistem cu regiștri, au fost implementați senzori incrementali atașați motoarelor care produceau mișcările de avans. Prin alegerea distanței dintre puncte putea fi crescută viteza de avans (distanță mai mare între puncte) sau putea fi scăzută viteza de tăiere (distanță mai mică între puncte). Sistemul dezvoltat de MIT a reprezentat un succes extraordinar, fiind capabil să producă tăieturi complexe cu o acuratețe care nu putea fi realizată manual. Dezavantajul acestui sistem era complexitatea ridicată, acesta dispunând de 250 de tuburi vidate, 175 de relee și foarte multe componente care se mișcau, rezultând într-o fiabilitate scăzută într-un mediu de producție.

Comanda numerică computerizată (CNC)

Odată cu dezvoltarea mașinilor de calcul – dezvoltare foarte rapidă după anii 1950 (acest aspect presupunând reducerea dimensiunilor calculatoarelor) – a apărut și ideea de a folosi mașinile de calcul pentru a controla mașinile de prelucrat materiale (strunguri, mașini de frezat etc.).

În anul 1959 a fost prezentată prima mașină cu sistem automat de schimbare a sculei așchietoare – Milwaukee-Matic-II (Fig 1.8). Mașina dezvoltată de inginerii de la MIT, despre care am amintit mai sus, folosea deja o mașină de calcul cu relee și tuburi vidate. Totuși, potrivit unor opinii, nu putem vorbi încă despre o generalizare a fenomenului CNC decât după anul 1980 când fenomenul integrării circuitelor a început să dicteze domeniul tehnicii de calcul rezultând în restrângerea dimensiunilor acestora și deci posibilitatea de a fi integrate mult mai ușor în mașinile de prelucrat materiale. Automatizarea și integrarea calculatoarelor în manufacturare nu s-a rezumat doar la prelucrările prin așchiere, ci s-a extins în timp la cea mai mare parte a operațiilor de procesare a materialelor. Această revoluționare a industriei este efectul dezvoltării calculatorului de birou (desktop computer). Astfel că în momentul de față majoritatea proceselor de producție pot beneficia de comandă computerizată rezultatul fiind o creștere însemnată a producției, o calitate superioară a produselor și un cost mult mai redus pe produs finit.

Dar, deși tehnica de calcul a fost introdusă în toate ariile de manufacturare și procesare, termenul tehnic CNC (comandă numerică computerizată) a fost consacrat pentru un anumit tip de manufacturare. La modul general vorbind, când se vorbește despre un automat CNC, se vorbește despre o mașină care poate să adauge (imprimare 3D sau procedee asemănătoare) sau să îndepărteze material (frezare, găurire, șlefuire, etc.) pentru a crea o piesă. Deși, așa cum fost deja specificat, CNC nu se referă la o modalitate de prelucrare a materialelor (acest termen indicând modul de a comanda mișcările efectuate de mașină pentru a prelucra o anumită piesă), termenul CNC în momentul de față, de obicei, face referire la mașina capabilă să prelucreze o piesă prin îndepărtare sau adăugare de material conform unui program software.

Tendințe curente în tehnologia CNC

Reducerea dimensiunilor calculatoarelor a determinat aceeași reducere a dimensiunilor pentru calculatoarele de comandă ale mașinilor de prelucrare. Acest fapt s-a tradus și în prețul de achiziție al unei mașini de prelucrat (freză, strung, mașină de găurit, mașini pentru tăiat materiale metalice sau nemetalice etc). Ieftinirea mașinilor CNC a făcut posibilă achiziționarea acestora de către companiile medii și mici care lucrează în domeniul manufacturării, iar în ultimii ani prețul relativ mic al acestor mașini a făcut posibil ca ele să intre și în posesia celor pasionați de tehnologie și prelucrare a materialelor (hobbyists). Mai mult, dezvoltarea microcontrolerelor și a metodelor de acționare prin motoare ușor de controlat cu ajutorul calculatorului a făcut ca tot mai mulți pasionați să își construiască singuri propriile mașini CNC (Fig. 1.9) pentru a prelucra diverse materiale: de la materiale lemnoase, mase plastice, metale moi și chiar metale dure.

Pe lângă extinderea acestei tehnologii de la aria profesională a prelucrării materialelor la domeniul artizanal, asistăm de asemenea la o creștere a „vitezei și a eficienței mașinilor cu abilități de tăiere”. Această creștere a vitezei și eficienței se datorează în mare măsură modulelor de comandă cu procesoare din ce în ce mai rapide. Dezvoltarea modulelor de comandă necesită și o dezvoltare în consecință a componentelor fizice ale mașinilor CNC. Performanțele acestor mașini sunt date și de sistemele de răspuns pe care sistemul de comandă le recepționează de la senzorii cu care este dotată mașina CNC. Aceștia determină dacă piesa prelucrată se încadrează în norma de prelucrare prestabilită și ajustează comenzile în consecință.

Un alt trend în prelucrările cu mașini CNC este multifuncționalitatea mașinilor de ultimă generație. Acestea sunt capabile să prelucreze piese foarte complexe, fără a fi nevoie de repoziționarea acestora, având avantajul de a lucra nu doar pe 3 axe (cazul mașinilor clasice), ci având capabilități de 4, 5 sau chiar 6 axe (în Fig. 1.10 se poate observa o piesă foarte complexă sculptată în detaliu cu ajutorul unei mașini CNC pe 5 axe). Această tehnologie s-a extins și ea chiar și la atelierele și mașinile CNC artizanale.

Pe lângă capabilitățile de a lucra pe 5 axe, asistăm la dezvoltarea mașinilor CNC capabile de prelucrări combinate de strunjire și frezare. Aceste mașini includ avantaje ca prelucrări complexe care presupun control simultan al celor 5 axe, acuratețe ridicată cauzată de lipsa repoziționării piesei de prelucrat. „Pentru a face față cererii, cercetătorii și inginerii din acest domeniu trebuie să dezvolte partea hardware care ajută la realizarea funcțiilor sofisticate, precum și partea software (CAM) pentru a permite tehnici de comandă avansate și aplicarea tehnologiei.”

proiectarea sistemului automat CNC

Tipuri de mașini CNC

În funcție de prelucrările pe care le execută, mașinile CNC pot fi:

Strunguri;

Mașini de găurit;

Mașini de frezat;

Mașini de rectificat;

Mașini de ștanțat;

Mașini de electroeroziune cu fir;

Mașini de tăiat și gravat cu laser;

Mașini de tăiat cu plasmă;

Mașini de tăiat cu jet de apă;

Imprimante 3D;

Mașini de tip „pick and place” (prinde și așază) – folosite pentru a aranja componente electrice de dimensiuni foarte mici pe o placă de bază

etc.

În funcție de numărul de axe mașinile CNC se pot clasifica în:

mașini cu 2 axe (mișcări de translație);

mașini cu 3 axe (mișcări de translație);

mașini cu 4 axe (3 axe de translație și o axă de rotație);

mașini cu 5 axe (3 axe de translație și 2 axe de rotație);

mașini cu 6 sau mai multe axe (3 axe de translație și restul de rotație).

Mașinile unelte cu comandă numerică computerizată mai pot fi clasificate în funcție de construcția acestora:

mașini clasice cu comandă manuală la care este adaptat sistem de comandă computerizată;

mașini echipate cu sistem de comandă numerică computerizată din fabrică

mașini construite la comandă pentru anumite tipuri de operații de manufacturare, acestea fiind dedicate în mod special pieselor de dimensiuni mari.

Alegerea tipului de sistem CNC

Prelucrările posibile executate de o mașină CNC sunt multe și variate. Pentru acest prototip am ales ca tip de prelucrare frezarea pentru că reprezintă poate cel mai comun tip de prelucrare efectuată de o mașină CNC, dar și pentru costul relativ scăzut al uneltei electrice de frezat.

Pentru proiectarea și realizarea prototipului aferent acestei lucrări, au fost luate în considerare următoarele aspecte:

Numărul de axe și de grade de libertate ale mașinii;

Modul de construcție al axelor;

Modul de acționare (transformare a mișcării de rotație a motoarelor în mișcare de translație).

Numărul de axe

Așa cum am specificat în subcapitolul anterior există mai multe tipuri de construcții ale mașinilor CNC din punct de vedere al numărului de axe. Pentru proiectul de față am ales o construcție pe 3 axe cu mișcări de translație pe fiecare axă, ceea ce rezultă în 3 grade de libertate.

Unul din motivele pentru care a fost ales acest sistem este că asigură minimul de mișcări pentru a prelucra anumite piese fără a fi nevoie de intervenție umană. O astfel de mașină poate să prelucreze piese complexe dar care nu implică nevoia altor axe de prelucrare. Operațiile posibile de realizat cu o astfel de mașină sunt: frezare, găurire, gravare, sculptură în relief (artistică sau utilitară), etc. Pentru a realiza obiecte tridimensionale aceasta trebuie să lucreze întâi o suprafață a materialului de lucru, apoi piesa este întoarsă și se lucrează suprafața opusă. Pe lângă acest aspect, un alt dezavantaj este acela că nu poate prelucra piese a căror realizare presupune înclinarea capului de tăiere.

Modul de construcție al axelor

Modul de dispunere al axelor unei freze CNC diferă în funcție de prelucrările executate de mașină. Astfel, cele mai populare construcții de CNC pe 3 axe sunt:

Prima variantă de construcție (Fig. 2.1) presupune ca freza să se deplaseze pe axa Z iar masa port-piesă să se deplaseze pe axele X și Y. Mașinile clasice (cu comandă manuală) au fost construite în acest mod și cea mai mare parte pot fi dotate cu sistem de comandă computerizată. O astfel de construcție necesită o masă port-piesă foarte solidă pentru a putea fi stabilă pe cele două axe orizontale.

Varianta a doua de construcție (Fig. 2.2) presupune ca freza să se deplaseze pe axele Z și X, iar masa port piesă să se deplaseze pe axa Y. O astfel de construcție se pretează la mașini de frezat de dimensiuni mici, construite pentru a prelucra piese de mărimi reduse.

Cea mai populară construcție este însă cea din Fig. 2.3, având o mulțime de variante, baza fiind aceeași: masa port-piesă este fixă, iar freza execută toate mișcările pe cele trei axe. Avantajul pe care îl are acest fel de construcție este faptul că poate să prelucreze piese de dimensiuni mari chiar foarte mari, în funcție de dimensiunile mașinii. Pentru o astfel de construcție însă este nevoie ca sania principală să fie construită foarte solid și sistemul de ghidare pentru această sanie trebuie să fie unul foarte precis pentru ca mașina să nu se decalibreze.

Acestea nu sunt singurele variante de construcție a axelor unui CNC, însă așa cum a fost deja specificat, acestea sunt cele mai întâlnite, cel puțin pentru prelucrările prin frezare și tăiere a mașinilor cu comandă numerică computerizată.

Pentru studiul de față a fost aleasă varianta a treia de construcție.

Alegerea modului de acționare

Pentru transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație de asemenea sunt folosite mai multe tipuri de construcție a mașinilor CNC. Cele mai întâlnite metode de transformare a mișcării de rotație în deplasare liniară sunt următoarele:

Șurub trapezoidal (Fig. 2.4) – acesta prezintă o eficiență bună a transferului de putere, viteză destul de mare (în mod special pentru șuruburile cu start multiplu) și sunt destul de ieftine, dar prezintă frecare și uzură la piulițe iar pentru lungimi mari acesta se poate arcui, producând vibrații.

Șurub cu bile (Fig. 2.5) – asemănător cu șurubul trapezoidal în sensul că are aspectul de bară filetată, acesta excelează prin frecare neglijabilă, viteză foarte bună și precizie de neegalat, dar are nevoie de mentenanță mai atentă și este foarte scump, iar ansamblurile verticale sau înclinate mai grele au nevoie de contragreutate din cauza lipsei frecării. Există și aici posibilitatea arcuirii șurubului pe lungimi foarte mari, dar se poate rezolva cu un șurub mai gros.

Sistem cu roată dințată și bară dințată (rack and pinion – Fig. 2.6) – are ca avantaje o viteză foarte mare de deplasare și, prin urmare productivitate crescută, mentenanță destul de ușoară, dar nu este atât de solid precum șurubul cu bile.

Curea de transmisie (Fig. 2.7) – acest sistem are toate avantajele sistemului cu roată dințată și aceleași dezavantaje. Viteza de deplasare a axelor este foarte mare, dar se pierde capacitatea de transmitere a puterii, cureaua fiind foarte flexibilă.

Pe lângă aceste sisteme, mai poate fi întâlnit un sistem asemănător celui cu curea, dar aceasta fiind înlocuită de un lanț de transmisie. Mașinile CNC pot fi echipate pe toate cele trei axe cu un tip de transmisie, sau cu o combinație a acestora. Acestea sunt toate sisteme, s-ar putea spune clasice de transformare a mișcării de rotație în mișcare de translație.

Cele mai noi sisteme de transmisie liniară elimină cu totul mișcarea de rotație folosind un sistem numit în engleză Direct Drive Linear (cu motor liniar – Fig. 2.8) acesta fiind practic un motor rotativ desfăcut și așezat pe orizontală, cuplat direct la sarcină. Eliminând elementele de transmisie mecanică, se obține o „performanță excepțională cu accelerații și viteze foarte mari, acuratețe foarte ridicată a poziției, ansamblu mecanic compact, operare foarte silențioasă, mentenanță nenecesară și mișcare fără erori”.

Pentru studiul de față a fost aleasă prima variantă, șurubul trapezoidal cu următoarele caracteristici:

Pas: 2 mm

Diametru: 8 mm

Distanța parcursă/revoluție completă: 8mm

Material piuliță: aliaj de cupru și zinc (alamă).

Proiectarea mașinii de frezat CNC

Definiții

După cum spune și titlul, scopul acestei lucrări este proiectarea și realizarea unui automat de tip CNC, unde automat este o formă prescurtată a expresiei sistem automat. Pentru a putea merge mai departe cu studiul acestei lucrări este necesar să aducem în atenție niște definiții pentru termenii folosiți.

Un sistem este „un ansamblu de entități (elemente) ce interacționează între ele și cu exteriorul, în vederea atingerii unei finalități (sens, obiectiv, scop)”.

Un sistem automat este un sistem tehnic „de supraveghere, comandă și control al proceselor și instalațiilor tehnologice, fără intervenția directă a omului”. Sistemele automate sunt alcătuite din două părți principale: procesul de automatizat (P) și dispozitivul de automatizare (DA).

Proiectarea structurii principale

După stabilirea aspectelor anterioare, am procedat la realizarea unui model de proiect pentru mașina care urma să fie construită. După consultarea mai multor surse și a mai multor modele de CNC și după mai multe încercări în programul SOLIDWORKS am ajuns la forma finală care poate fi observată în figura 2.8.

Această structură a fost aleasă pentru posibilitatea realizării ei cu ajutorul uneltelor la care am avut acces acasă: polizor unghiular, bormașină de mână, aparat de sudură cu arc, fierăstrău pendular, freza cu care ulterior a fost echipată mașina CNC și alte unelte manuale.

Realizarea structurii

După proiectarea structurii în SOLIDWORKS, au fost procurate materialele necesare:

țeavă rectangulară de 15×15 mm cu perete de 1.5 mm (oțel și aluminiu);

șuruburi și piulițe M3, M4, M5 și M6 diferite lungimi;

bară filetată M5 și M8;

rulmenți 625ZZ;

plăci de parchet laminat;

șuruburi trapezoidale;

limitatori de cursă, etc.

Componentele de fier au fost tăiate și sudate pentru a forma platforma principală și structura pentru sania axei X. Piesele următoare au fost prinse cu șuruburi. În Fig. 2.9 pot fi observate diverse stadii ale proiectului.

vini

Automatizarea procesului

Așa cum a fost deja precizat, un sistem automat este format din procesul (instalația) de automatizat și dispozitivul de automatizare. Sistemele automate pot fi cu structuri deschise, sau cu structuri închise. În Fig. 2.9, sistemele cu structurile a) și b) sunt sisteme deschise, iar structura c) aparține unui sistem închis.

Aceeași imagine (Fig. 2.9) prezintă trei tipuri de sisteme automate:

Sistem de supraveghere automată (prin măsurare și semnalizare);

Sistem de comandă automată (după un program prestabilit);

Sistem de reglare automată a procesului P.

Pentru acest proiect, procesul de automatizat este prelucrarea prin frezare a materialelor. Motivul pentru care acest proces este automatizat e precizia de lucru a mașinii cu comandă numerică computerizată luată în comparație cu precizia de lucru a factorului uman.

Pentru lucrarea de față, DA (dispozitivul de automatizare – Fig. 2.10) este format din următoarele elemente:

Motoare pas cu pas;

Drivere motoare;

Microcontroler;

Calculator;

Diagrame de conexiuni mai detaliate vor fi prezente în secțiunea Anexe.

Următoarea etapă în construcția mașinii CNC este alegerea componentelor pentru DA.

Alegerea motoarelor pas cu pas

Pentru alegerea motoarelor pas cu pas (Fig. 2.11) este necesar să fie calculate niște mărimi fizice pentru a avea o idee a dimensiunilor și tipului de motor necesar pentru aplicația acestui proiect.

Primul lucru pe care trebuie să îl aflăm este cuplul (M) necesar deplasării săniilor pe axe. Inițial, acest calcul va fi făcut pentru sania principală, aceasta având masa cea mai mare (aproximativ 6 kg). Motorul trebuie să determine această componentă să se deplaseze, accelerând în primă fază, apoi menținând viteza de deplasare. Pentru aceasta, motorul trebuie să compenseze frecarea inițială și apoi să mențină efortul împotriva tuturor forțelor de frecare a componentelor în mișcare și a forțelor de tăiere. Minimizarea acestor forțe este deci de o importanță deosebită. Pentru rulmenții radiali și rulmenții liniari (folosiți în construcția modelului de față), forța de frecare inițială este foarte mică, dar pentru alte modele de ghidaje, acestea trebuie calculate minuțios.

Al doilea aspect care trebuie luat în considerare este inerția. Chiar dacă forțele de frecare ar fi nule, aceasta este totuși prezentă.

Motorul generează mișcare liniară cu ajutorul șurubului trapezoidal, ceea ce generează din nou forță de frecare. Aceasta este exprimată ca eficiența șurubului. În cazul de față, șurubul trapezoidal selectat are o eficiență de aproximativ 68%.

Msarcină – cuplul necesar pentru a deplasa sarcina [Nm];

F – forța care trebuie învinsă [N];

PB – distanța parcursă la o rotire completă a șurubului [m];

– eficiența șurubului [%];

Pentru cazul de față, avem șurubul THSL-500-8D cu diametrul de 0.008m și p = 0.008m, cu piuliță de alamă ceea ce oferă eficiența amintită mai sus, e = 68%.

FA – forța externă [N] (forța de tăiere în cazul de față, o generalizare pentru lemn este aproximativ 5 [N] );

m – masa ansamblului (pentru axa X, masa totală este aproximativ 6 [kg]);

g – accelerația gravitațională;

– unghiul traiectoriei forței față de orizontală;

µ – coeficientul de frecare.

Pentru cazul de față, coeficientul de frecare poate fi considerat ca fiind µ = 0.01 (pentru rulmenți radiali pe canale/șine de aluminiu). Astfel,

Următorul calcul este cel al inerției sistemului.

Jtot – inerția totală a saniei;

Jsarcină – inerția saniei;

Următorul aspect este viteza cu care vrem să se deplaseze sania. Pentru o freză de lemn orice viteză între 0.01-0.02 [m/s] este potrivită. Pentru șurubul trapezoidal prezentat, și un motor de 200 [pași/rotație], cu aproximativ 1000 de pași/secundă pentru a nu pierde foarte mult din cuplul motorului (cu cât crește numărul de pași/secundă, cu atât scade cuplul motorului pas cu pas), viteza este:

Deci, potrivit acestor rezultate, șurubul trapezoidal folosit se poate folosi și pentru prelucrarea unor materiale care necesită viteze mai mari decât cele necesare tăierii lemnului.

Un router (mașină de frezat) tipic, la viteza de aproximativ 0.02 [m/s] are nevoie de o accelerație de aproximativ 2300 [rad/s2] . Prin urmare, cuplul necesar pentru a atinge această accelerație este:

Având în vedere faptul că pentru sania principală sunt folosite 2 motoare, iar sania a doua este mult mai ușoară, am optat pentru Neema17, model 17HS4401, cotat la aproximativ 0.04 [Nm] .

Alegerea driverelor pentru motoarele pas cu pas

Driverele motoarelor pas cu pas sunt niște amplificatoare de curent a căror funcție este să preia semnalele de intensitate joasă și să le transforme în semnale de intensitate mare pentru ca motorul să poată fi acționat.

Pentru această aplicație, am ales să folosesc modelul TB 6560 (Fig. 2.12) cu o intensitate maximă a curentului la ieșire de 3 [A]. Motivul alegerii acestui model de driver este că oferă o gamă destul de largă a intensității curentului cu selecție precisă a acestuia prin intermediul unor butoane. Un alt motiv pentru care a fost ales acest model este compatibilitatea cu majoritatea plăcilor de comandă care pot comanda un automat CNC.

Alegerea microcontrolerului

Microcontrolerul ales este bazat pe platforma de dezvoltare UNO R3 cu procesor ATmega328P. Alegerea acestuia a fost în mare măsură datorată faptului că dețineam deja un exemplar al acestui model de microcontroler și pentru posibilitatea de a lucra cu baza de librării a platformei gratuite Grbl.

Calculatorul

Calculatorul folosit este cel personal, programele necesare inițierii microcontrolerului și programul de comandă al automatului CNC fiind instalate în memoria acestuia.

Grbl

Conform paginii oficiale a platformei, „Grbl este un program deschis gratuit (free, open source) de performanță ridicată pentru controlul mișcării mașinilor care se mișcă, produc lucruri sau determină mișcarea unor obiecte și rulează direct pe Arduino. Dacă producerea mișcării ar fi o industrie, Grbl ar fi standardul acestei industrii.”

Adus la existență în 2009, Grbl poate fi adaptat și folosit într-o mulțime de proiecte care includ mașini de tăiat sau gravat cu laser, mașini automate de găurit, imprimante 3D, mașini de frezat CNC și altele.

Grbl este gândit și pregătit pentru prelucrări ușoare și este pentru mașini cu 3 axe (X, Y și Z) fără axe de rotație. Acesta poate fi folosit cu interfețe grafice disponibile pentru a transmite comenzile G-code. Procesorul Atmega328p este capabil să transmită și să mențină o frecvență mai mare de 30Khz a pașilor. Interpretorul pentru G-code suportă mișcări liniare, circulare și elicoidale, poate să comande pornirea și oprirea unui motor de frezare și chiar viteza acestuia prin procedeul PWM (Pulse Width Modulation – modularea distanței dintre pulsuri) sau să comande lichidul de răcire la tăiere. Toate comenzile G-code suportate de Grbl pot fi urmărite în Anexa 4.

Sistemul de siguranță

Pe lângă componentele prezentate mai sus, au fost adăugați limitatori de cursă pentru fiecare axă. Aceștia sunt simple întrerupătoare bipoziționale cu conexiuni NC/NO (normal închis/normal deschis). Limitatorii de cursă formează un sistem automat de siguranță adițional celui de comandă a cărui schemă bloc poate fi observată în Fig. 2.13. Când unul din limitatorii de cursă este declanșat, Grbl emite o alertă prin intermediul interfeței grafice.

Pe lângă funcția de siguranță, limitatorii de cursă pot fi folosiți de Grbl pentru a ghida automatul CNC la punctul cel mai îndepărtat pe fiecare dintre cele trei axe (homing cycle). Cunoscând aceste puncte și lungimile curselor fiecărei axe, sistemul „știe” în ce poziție este. Această procedură este recomandată chiar de către Grbl prin intermediul interfeței grafice după ce a fost atins unul din limitatorii de cursă.

Buclă de reglare a poziției

Pentru ca precizia sistemului să fie cât mai bună, și pentru a avea certitudinea că motoarele nu pierd pași (aspect întâlnit uneori la motoarele pas cu pas dacă forțele pe care motorul trebuie să le învingă sunt mai mari decât forțele maxime dezvoltate de motor sau dacă intensitatea curentului nu este cea cerută de motor), o parte din mașinile automate de poziționare (prelucrare sau manipulare) folosesc o buclă închisă de reglare a poziției.

În cazul de față, deoarece platforma Grbl nu este prevăzută cu posibilitatea de a avea echipamente de lucru cu buclă de reglare a poziției – informație obținută de la dezvoltatorii acestei platforme – am ales o implementare a buclei de reglare care folosește un al doilea microcontroler pentru citirea poziției și pentru corectarea acesteia (Fig. 2.14).

Microcontrolerul 1 primește de la calculator comanda pentru deplasarea motoarelor în format G-code și transmite mai departe spre driver direcția (1/0 logic) și numărul de impulsuri necesar pentru a deplasa motorul pe distanța comandată de calculator. Driverul preia direcția și impulsurile de la Microcontroler 1 și transformă în două trenuri de impulsuri pentru fiecare fază a MPP (motor pas cu pas), care la rândul lui execută mișcarea de rotație. Encoderul rotativ transmite spre Microcontrolerul 2 un număr de impulsuri potrivit cu mișcarea de rotație executată de MPP (direcție și mișcare unghiulară). Microcontrolerul 2 preia impulsurile transmise de encoder, dar și cele transmise de Microcontrolerul 1 spre Driver. Cele două intrări sunt introduse într-un algoritm de reglare, iar dacă Microcontrolerul 2 constată că numărul de pași transmis de Microcontrolerul 1 spre Driver nu corespunde cu numărul de pași efectuați de motor transmite o corecție spre Driver (direcție și un număr de pași).

Pentru reglarea poziției se pot folosi fie un senzor de poziție liniar (digital sau analogic), fie un senzor de poziție rotativ (analogic sau digital).

Pentru lucrarea de față, am ales un encoder rotativ KY-040 (Fig. 2.15) cu 20 de pulsuri/rotație completă și tensiune de lucru de 5 V. Figura, de asemenea, prezintă și modul în care senzorul funcționează. Motivul alegerii acestui senzor este compatibilitatea cu microcontrolerul.

Pentru a mări puțin precizia senzorului am ales ca metodă de transmitere a mișcării de rotație a șurubului trapezoidal la encoder o configurație de roți dințate cu un raport de 2.5 (la o rotație completă a șurubului, encoderul execută 2.5 rotații). Luând în calcul și distanța parcursă de capul de frezare la o rotație completă a șurubului trapezoidal (8 mm), avem o rezoluție a senzorului de 6.25 pulsuri/mm.

Legăturile electrice ale sistemului de reglare a poziției pot fi observate în Anexa 7.

funcționarea și testarea automatului CNC

Inițializarea automatului CNC

După realizarea legăturilor electrice pentru sistemul de comandă și siguranță și după ce sunt alese configurațiile motoarelor pas cu pas la nivel de driver (curent, micropășire, curentul de stop), se compilează programul Grbl (disponibil pe discul optic atașat lucrării) și se încarcă în memoria microcontrolerului.

Următorul pas care trebuie făcut constă în reglarea setărilor Grbl pentru mașina în cauză. Modificările necesare pot fi efectuate cu ajutorul interfeței grafice alese pentru a rula platforma Grbl (în cazul de față aceasta este UGS – Universal G-code Sender – Fig. 3.1).

În interfața grafică se alege portul COM corespunzător care comunică prin USB cu microcontrolerul, apoi se apasă butonul Open. Dacă portul ales este cel corect, la inițializarea comunicării cu microcontrolerul vor fi făcute disponibile toate butoanele din partea dreapta a ferestrei și în partea de jos, la secțiunea Console vor apărea setările inițiale ale Grbl (la prima conectare) sau setările modificate (la următoarele conectări)

Pentru modificarea setărilor se folosesc secvențe de G-code destinate special pentru aceste proceduri. Acestea sunt identificabile cu coduri de 1, 2 sau 3 cifre și pot fi făcute disponibile utilizatorului prin transmisia secvenței de G-code <<$$>> în interfața UGS. Această secvență de cod extrage din microcontroler și afișează setările actuale ale Grbl. Pentru modificarea unei setări, se alege configurația dorită, și se transmite comanda tot prin secvență G-code precedată de caracterul „$”. Un exemplu de astfel de cod este modificarea numărului de pași pe axa X, identificată cu numărul „100” în lista de setări:

$100=25

La fel se procedează și pentru celelalte setări. Pentru mașina de față, setările necesare sunt următoarele:

20 – „Soft limits enable” – permite limite (ale deplasării) software;

21 – „Hard limits enable” – permite limitarea deplasării pe axe prin intermediul senzorilor bipoziționali;

22 – „Homing cycle enable” – permite secvența de ”homing”; această setare necesită prezența limitatorilor de cursă pentru toate axele;

24 – “Homing locate feed rate” – viteza de avans la declanșarea limitatorilor pentru o localizare cât mai precisă [mm/min];

25 – “Homing search seek rate” – viteza pentru a găsi cu rapiditate limitatorii de cursă [mm/min];

27 – “Homing switch pull-off distance” – distanța de retragere după ce au fost atinși prima dată limitatorii la secvența de homing [mm];

100, 101, 102 – rezoluția deplasării pe axe X, Y, Z [pași/mm];

110, 111, 112 – viteza maximă de avans pe axe X, Y, Z [mm/min]; aceasta este viteza mișcărilor rapide, când mașina nu este în sarcină;

120, 121, 122 – accelerația motoarelor [mm/s2]; folosită pentru a planifica mișcare în așa fel încât motoarele să nu piardă pași;

130, 131, 132 – deplasarea maximă pe fiecare axă [mm]; folosită pentru a determina un spațiu valid al mașinii pentru limitele software și pentru căutarea punctului de ”homing”.

Pentru determinarea numărului de pași pe fiecare axă se folosește formula:

După introducerea setării prin interfața UGS, trebuie verificată corectitudinea setărilor pașilor/mm experimental aplicând următoarea metodă: se comandă deplasarea unei axe pe o distanță aleasă de utilizator și se măsoară distanța parcursă de motor pe axa respectivă. În cazul în care distanța comandată nu corespunde distanței comandate, se corectează rezoluția pașilor pentru axa respectivă cu formula:

Rez1 – rezoluția inițială;

D1 – distanța comandată;

D2 – distanța parcursă.

După modificarea setărilor, sistemul automat de tip CNC este gata de funcționare. Pentru a deplasa capul de tăiere, utilizatorul poate folosi butoanele oferite de interfața grafică sau butoanele tastaturii calculatorului. Pentru a prelucra anumite piese este nevoie de un program care să creeze fișierul G-code compatibil cu platforma Grbl. Fișierul este apoi încărcat în interfața grafică Grbl apăsând butonul Browse.

Verificarea preciziei deplasărilor pe axe

Verificarea experimentală a preciziei

Pentru verificarea preciziei pe axe, am folosit hârtie milimetrică – pentru axele X (Fig. 3.2) și Y (Fig. 3.3) – și o riglă gradată – pentru axa Z (Fig. 3.4). Am montat în suportul frezei o freză cu vârf ascuțit și am dat comenzi repetate de deplasare pe o anumită lungime.

Pentru axa X a fost folosită o deplasare de 200 mm și la comenzi repetate (cel puțin 10 comenzi în fiecare sens de deplasare) nu au existat variații ale distanței parcurse de vârful frezei. Procedura a fost repetată pentru axa Y cu o deplasare de 190 mm iar pentru axa Z cu o deplasare de 100 mm. La fel ca în cazul axei X, nici la deplasările repetate pe celelalte 2 axe (Y și Z) nu au existat variații ale distanței parcurse de vârful frezei.

Sunt totuși câteva aspecte care trebuie luate în considerare în ceea ce privește precizia sistemului. Acestea vor fi prezentate în subpunctele următoare.

Precizia motoarelor pas cu pas

Motoarele pas cu pas alese sunt cotate ca având o precizie a pașilor de ±5%. Dacă luăm în considerare acest aspect, orice piesă a cărei precizie depășește 0.1 mm poate să pună probleme.

Precizia sistemului de transmisie a mișcărilor

Conectorii dintre axul motorului și șuruburile trapezoidale sunt confecționați din furtun de cauciuc, flexibilitatea acestora putând crea probleme la forțele foarte mari care apar la tăierea unor materiale mai dure.

Șuruburile trapezoidale nu sunt dotate cu piulițe pretensionate care să elimine posibilele mișcări ale acestora (chiar dacă foarte mici) pe șurub la schimbarea sensului de deplasare a capului de frezare.

De asemenea, pentru axa Z a fost folosit o bară filetată M8 și o piuliță M8 cu lungimea de 20 mm. Precizia acestor elemente nu se cunoaște. Cert este că un astfel de ansamblu nu a fost conceput pentru a fi folosit la transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație.

Rigiditatea materialelor folosite

Un alt aspect care poate pune probleme la prelucrarea unor piese cu precizie foarte mare este dat de materialele folosite în construcția mașinii. Acestea nu prezintă o rigiditate foarte ridicată, fiind posibilă încovoierea unor elemente la exercitarea unor forțe ridicate la vârful de tăiere al frezei.

Piese realizate cu ajutorul automatului CNC

Următoarele figuri prezintă piese prelucrate cu ajutorul acestei mașini. Unele din ele au fost create chiar pentru mașina aceasta, altele pentru proiectele de diplomă ale altor colegi sau pentru a demonstra posibilitățile de prelucrare pe care le oferă sistemul automat de tip CNC.

Chiar dacă aceasta nu este o mașină extrem de precisă, totuși precizia cu care poate prelucra diferite piese nu poate fi egalată de realizarea manuală acestor piese.

Concluzii și direcții viitoare de cercetare

Nu am ales la întâmplare această temă pentru examenul de diplomă. Lucrarea de față surprinde tendințele existente pe piața mașinilor de prelucrat prin așchiere sau adăugare de material (imprimare 3D). Tot mai mult, aceste mașini sunt achiziționate pentru prelucrări în masă sau pentru a da curs unui hobby pe care cineva îl are. Realitatea este că, pentru cei pasionați, funcționarea unei astfel de mașini prezintă o fascinație deosebită. Mișcările elegante executate de piesele în mișcare creează impresia de dans, iar acest lucru este valabil pentru toate mașinile care se mișcă pe un număr de axe diversificat (mașini de prelucrat cu 3-6 axe, roboți de manipulare cu mișcări de rotație și/sau translație.

Proiectarea acestui automat a prezentat câteva provocări datorate într-o măsură destul de mare faptului că am dorit ca acest proiect să fie realizat cât se poate de mult cu piese și unelte pe care le-am avut la dispoziție. Numărul modelelor de automate CNC este foarte mare și există posibilitatea de a crea propria mașină unealtă folosind proiectele lor. Mașina de față nu este un astfel de proiect. Prin îmbinarea deprinderilor și cunoștințelor cu cercetarea acestui domeniu, am reușit să creez o mașină de prelucrare prin frezare pe 3 axe care oferă posibilitatea de a realiza mai multe operațiuni. Deja au fost exemplificate obiecte „tăiate” cu ajutorul acestei mașini. Folosind freze adecvate și programe în G-code pot fi realizate circuite electrice pe plăcuțe cu folie de cupru sau gravuri în materiale lemnoase sau plastice sau chiar sculpturi în relief, iar dacă în locul frezei se folosește un instrument de scris, mașina poate trasa linii, desena sau chiar scrie.

Direcții viitoare de cercetare

Mașina de față are și unele neajunsuri. Unul din ele este lipsa buclei închise pentru comanda motoarelor pas cu pas. Acest lucru împiedică mașina să „știe” în fiecare moment unde se află capul de frezare, sau mai bine spus dacă motorul a efectuat numărul de pași comandat de microcontroler. Acest aspect poate fi rezolvat prin folosirea unor senzori de poziție sau senzori de rotație (encoder rotativ), dar la momentul de față platforma Grbl nu suportă buclă închisă. O altă metodă de rezolvare a acestei probleme este folosirea unei bucle semideschise cu motoare pas cu pas hibride care pot fi de două feluri: a) motoare cu drivere și encoder încorporate, b) motoare cu encoder și rezoluție foarte mare încorporat și driver cu posibilitatea de a conecta și un encoder. În timp ce prima variantă este destul de greu de realizat din cauza complexității platformei Grbl și a faptului că aceasta ocupă aproape toată memoria internă a microcontrolerului UNO R3, varianta a doua este destul de ușor de implementat dar vine cu dezavantajul unui cost de achiziție destul de mare.

Un alt aspect care merită luat în considerare pentru viitor este adaptarea la acest automat a unui laser care ar face posibilă gravarea cu laser sau de ce nu, tăierea cu laser. O altă posibilă modificare este adaptarea unui cap de imprimare 3D care ar face posibilă prelucrarea prin adăugare de material.

Înlocuind microcontrolerul UNO R3 cu unul dedicat CNC se poate extinde capacitatea de prelucrare a acestuia la 4, 5 sau 6 axe, deci la producerea unor piese mult mai complexe.

Prin urmare, proiectul acesta rămâne unul deschis, posibilitățile de modificare fiind limitate doar de resursele aflate la dispoziția dezvoltatorului sau a utilizatorului.

Chiar dacă este un prototip, automatul în discuție poate să prezinte startul unei activități comerciale, chiar dacă pentru început cu un spectru destul de redus de piese posibile, însă posibilitatea de dezvoltare a automatului oferă și posibilitatea dezvoltării spectrului de produse și tipuri de procesare.

Bibliografie

1. Infographic: History of Bronze Timeline, http://www.makin-metals.com/about/history-of-bronze-infographic/.

2. Glass Timeline – Important Dates and Facts in Glass History, 2018, http://www.historyofglass.com/glass-history/glass-timeline/.

3. History of Lathe from Beginning of Machine Tool Invention, 10 mai 2013, https://www.yashmachine.com/blog/history-of-lathe-from-beginning-of-machine-tool-invention/.

4. The Evolution of Machining and the CNC Machine Shop, 22 decembrie 2014, http://www.cam-machine.com/evolution-machining-cnc-machine-shop/.

5. Omar Fink, Timeline of Metalworking, 6 martie 2013, http://www.hackingtheuniverse.com/science/history-of-science-and-technology/genarticles/timeline-of-metalworking.

6. NC Machining Evolving to CNC Machining, https://www.thomasnet.com/articles/custom-manufacturing-fabricating/cnc-evolution.

7. John T. Parsons, http://history.computer.org/pioneers/parsons.html

8. Marinov Valery, Manufacturing Processes for Metal Products, Kendall Hunt Pub Co. Dubuque, Iowa, United States, 2010.

9. History of numerical control, 20 martie 2018, https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_numerical_control.

10. Dr. MORIWAKI Toshimichi, Trends in Recent Machine Tool Technologies, NTN TECHNICAL REVIEW No.74, 2006.

11. Prof. dr. ing. Vasile Cîrtoaje, Curs de Teoria Sistemelor.

12. ACME Lead Screw Efficiency Estimator, http://www.cncroutersource.com/lead-screw-efficiency.html.

13. Technical reference, Oriental Motors General Catalogue 2012/2013.

14. A Tutorial on motor torque calculations, 2010, http://www.mycncuk.com/threads/1524-What-size-stepper-motor-do-I-need.

15. https://www.aliexpress.com/item/5-PCS-lot-4-lead-Nema-17-Stepper-Motor-42-motor-42BYGH-1-7A-CE-ROSH/862561610.html.

16. Grbl, https://github.com/grbl/grbl/wiki.

Conținutul CD-ului atașat lucrării:

Documentația proiectului în format PDF;

Codul sursă al platformei Grbl;

Programul interfeței UGS;

Prezentarea Power Point a lucrării.

Anexe

Anexa 1. Motor pas cu pas Nema17 HS4401

Anexa 2. Fișa de date Uno R3

Anexa 3. Driver TB 6560

Anexa 4

Supported G-Codes in v0.9i

G38.3, G38.4, G38.5: Probing

G40: Cutter Radius Compensation Modes

G61: Path Control Modes

G91.1: Arc IJK Distance Modes

Supported G-Codes in v0.9h

G38.2: Probing

G43.1, G49: Dynamic Tool Length Offsets

Supported G-Codes in v0.8 (and v0.9)

G0, G1: Linear Motions

G2, G3: Arc and Helical Motions

G4: Dwell

G10 L2, G10 L20: Set Work Coordinate Offsets

G17, G18, G19: Plane Selection

G20, G21: Units

G28, G30: Go to Pre-Defined Position

G28.1, G30.1: Set Pre-Defined Position

G53: Move in Absolute Coordinates

G54, G55, G56, G57, G58, G59: Work Coordinate Systems

G80: Motion Mode Cancel

G90, G91: Distance Modes

G92: Coordinate Offset

G92.1: Clear Coordinate System Offsets

G93, G94: Feedrate Modes

M0, M2, M30: Program Pause and End

M3, M4, M5: Spindle Control

M8, M9: Coolant Control

Anexa 5. Setarea pinilor în Grbl pentru UNO R3

Anexa 6. Legăturile electrice pentru Driver TB 6560

Anexa 7. Legăturile electrice pentru bucla de reglare

sumary

Since before the history started to record the acts of humans, they wanted to be able to manufacture things. This translated in a continuous effort to make tools and use them more and more efficiently. Machining was the one thing that made possible the coming to existence of a lot of things and I think that, like the discovery of the wheel, this is one of the major breakthroughs of the history. Machining things and especially metal machining made the industry revolution not only possible, but it made possible the rapid advance of it.

But the machining industry had its own revolution when people started the search for a way to control the cutting, milling, drilling and other processes automatically via numeric control (NC). In this way the NC machines were a breakthrough in the manufacturing process and they were used since their first debut around early 1950’s till 1970. In the meantime, the computer science was also in a rapid development and the idea of introducing these thinking machines in the manufacturing process became a reality. And so, the era of the Computer Numeric Control began.

If 30 years ago the NC and the CNC machines were found only in the big factories and in specialized shops, nowadays these machines – specially the CNC ones – can be found in almost every small manufacturing or craftsman shop and even in the private garage of the hobbyists that want to experiment with this kind of machines.

Designing and building a CNC machine is a challenge that puts to trial anybody’s engineering knowledge and skills even though there are a lot of sources of inspiration and information. But when you want to do everything by yourself and you don’t have access to specialized tools, the challenge is even greater, and I took that challenge head on.

I designed the CNC machine in SOLIDWORKS starting with the structure. I made the main structure from steel square pipe (15×15 mm) cutting and welding parts together. The rails were made from aluminum square pipe. The rail guides were designed from radial bearings (625) in different configurations. I also made the X gantry from steel square pipe welded and then attached the aluminum rails for thee Y axis. The Y gantry was made from MDF. On the Y gantry I attached the rails for the Z axis (8 mm steel round rods extracted from some old ink printers) and used 4 linear bearings as rail guides. Then I made the support for the small router I bought for the CNC (too small I think now) and with the tip of a router bit I leveled the bed of the machine, so it was at all four corners at the same height. I then attached the stepper motors and the lead screws. After all the mechanics were done I connected the motors to the drivers and the drivers to the microcontroller and the power source. After everything was connected I uploaded the Grbl code to the microcontroller, powered up the drivers and started testing the machine.

After playing with the machine for quite some time – back and forward movements on all axes and I decided that it was in working condition and started designing some parts for it and cut them on the CNC machine. I designed a new Y gantry, a new Z gantry, a new router motor support and supports for the limit switches. I also designed and cut on the CNC machine the panels for the electrical box. After cutting the components mentioned above I mounted them on the machine and again tested it with the limit switches on and verified if they were working as they should.

I also tried having a closed loop for the position control, but due to some incompatibilities between the two microcontrollers I used, this was not possible. This an upgrade that can be looked at in the future. The possible upgrades to be looked at for the future are: adding a laser engraver/cutting unit or a 3D printing extruder to extend the area of possible manufacturing areas of the machine.

Even if it is only a prototype, this machine can be the starting point of a small manufacturing business. For the beginning, the possible jobs on it is limited to the machine capabilities, but the possibility of upgrading it also comes with the possibility of extending the types of products and processes that can be made on this machine.