CUPRINS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 4 INTRODUCERE… [631432]

CUPRINS
CUPRINS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 4
INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. …………………………. 6
CAPITOLUL 1. ANALIZA CRITICĂ A ST ADIULUI SISTEMELOR C NC ……. 7
1.1 NOȚIUNI INTRODUCTIVE ………………………….. ………………………….. …….. 7
1.1.1 PRELUCRAREA MATERIALE LOR 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 COM PUTERIZATĂ (CNC) …………………………. 13
1.4 TENDINȚE CURENTE ÎN TEHNOLOGIA CNC ………………………….. ……. 14
CAPIT OLUL 2. PROIECTAREA SISTEMUL UI 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 MODULU I DE ACȚIONARE ………………………….. ……………………….. 21
2.3 PROIECTAREA MAȘINII DE FREZAT CNC ………………………….. ……….. 23
2.3.1 DEFINIȚII ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 23
2.3.2 PROIECTAREA STRUCTURI I PRINCIPALE ………………………….. …………………… 24
2.3.3 REALIZAREA STRUCTURII ………………………….. ………………………….. …………. 24
2.4 AUTOMATIZAREA PROCES ULUI ………………………….. …………………….. 25
2.4.1 ALEGEREA MOTOARELOR P AS CU PAS ………………………….. …………………….. 27
2.4.2 ALEGEREA DRIVERELOR P ENTRU MOTOARELE PAS CU PAS ………………………. 29
2.4.3 ALEGEREA MICROCONTROL ERULUI ………………………….. ………………………… 30
2.4.4 CALCULATORUL ………………………….. ………………………….. …………………….. 30
2.4.5 GRBL ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 30
2.5 SISTEMUL DE SIGURANȚ Ă ………………………….. ………………………….. … 30
2.6 BUCLĂ DE REGLARE A P OZIȚIEI ………………………….. ……………………. 31
CAPITOLUL 3. FUNCȚIONAREA ȘI TEST AREA AUTOMATULUI CNC … 34
3.1 INIȚIALIZAREA AUTOMA TULUI CNC ………………………….. ……………….. 34
3.2 VERIFICAREA PRECIZIE I DEPLASĂRILOR PE AX E ………………………. 36

3.2.1 VERIFICAREA EXPERIMEN TALĂ A PRECIZIEI ………………………….. ………………. 36
3.2.2 PRECIZIA MOTOARELOR P AS CU PAS ………………………….. ………………………. 37
3.2.3 PRECIZIA SISTEMULUI D E TRANSMIS IE A MIȘCĂRILOR ………………………….. ….. 38
3.2.4 RIGIDITATEA MATERIALE LOR FOLOSITE ………………………….. ……………………. 38
3.3 PIESE REALIZATE CU A JUTORUL AUTOMATULUI CNC ……………….. 38
CONCLUZII ȘI DIRECȚI I VIITOARE DE CERCET ARE ………………………….. 41
DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE ………………………….. …………………….. 41
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………… 43
ANEXE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 45
SUMARY ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 52

6
INTRODUCERE
Mașinile unelte au reprezentat întotdeauna o cale de acces a întreprinderilor la
manufacturarea obiectelor complexe, obiecte pe care, în lipsa acestor mașini, ar fi trebuit să le
achiziționeze de la ateliere specializate. Pentru mult timp atelierele specializate și
întreprinderile mari au fost singurele car e au avut acces la aceste mașini.
Roboții industriali – indiferent de natura lor – au fost și ei, la fel ca mașinile unelte, un
avantaj al întreprinderilor mari .
În prezent , aceste avantaje pe care le aveau cu ceva timp în urmă doar întreprinderile
mari și atelierele specializate s -au extins și ele au devenit accesibile nu doar atelierelor mici de
manufacturare, ci chiar și utilizatorilor casnici.
Unul din scopurile lucrării de față este să arate ușurința cu care poate fi „creată” o
mașină care combină mișc ările 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 regăseșt e proiectarea automatului
CNC și realizarea acestuia cu tot ce cuprind aceste două faze : proiectarea structurii într -un
program CAD ( Computer Aided Design – proiectare asistată de calculator), realizarea structurii,
automatizarea mașinii cu alegerea compo nentelor 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.

7
CAPITOLUL 1. ANALIZA CRITICĂ A
STADIULUI SISTEMELOR CNC
1.1 Noțiuni introductive
1.1.1 Prelucrarea materialelor în istorie
Încă de la începutul istoriei, omul a căutat metode de a prelucra d iverse 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 iniția l au fost din piatră (Fig. 1.1) . De abia
mai târziu, după apariția bronzului , a început să fie folosită turnarea (inițial pentru metale apoi
Fig. 1.1 Secure din epoca de piatră
http://www.bbc.co.uk/staticarchive/ 47db3ec512e9e3a3e00e4e28afa414e50246d1cc

8
și pentru sticlă). Astfel, primele unelte turnate din bronz (descoperite) au o vechime de
aproximativ 6500 ani1, iar primele obiecte de sticlă cu o vechime de aproximativ 5000 ani2.
Primele „mașini unelte” de prelucrat materiale au o vechime mai mare de 3000 de ani
când a apărut prim ul „strung” pentru lemn (1300 î.H. în Egipt , vezi Fig. 1.2 ). În prima fază a
lui aces ta este găsit cu numele de „strung pentru două persoane”3 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

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 , 2013,
https://www.yashmachine.com/blog/history -of-lathe -from -beginning -of-machine -tool-invention/
Fig. 1.2 Strung egiptean
https://www.historicgames.com/lathes/Eqyptian.gif
Fig. 1. 3 Strung cu arc din epoca romană
https://www.historicgames.com/lathes/romanbow.gif

9
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 î n 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. Astfe l, 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 m ai mari, ceea ce a făcut prelucrarea mai ușoară. Dacă vorbim despre prelucrarea
metalului, primul strung pentru metal acționat de moar a de apă este menționat în anul 1701, iar
în 1818 avem deja mașin a de frezat (Fig. 1.6) și mașin a de rectificat suprafețe metalice. Tot
atunci (1820) apare strungul copiator capabil să reproducă forma unei piese4. Alte surse spun
că părintele strungului pentru prelucrat metal este Henry Maudsley, invenția acestuia datând
din 18005. Strungul inventat de el este „fundația” pe c are s -au construit următoarele modele
care au început să fie dotate cu cadrane gradate pe manivele pentru o precizie mai bună. Mașina

4 Omar Fink, Timeline of Metalworking , 2013, http://www.hackingtheuniverse.com/science/history -of-science –
and-technology/genarticles/timeline -of-metalworking
5 The Evolution of Machining and the CNC Ma chine Shop , 2014, http://www.cam -machine.com/evolution –
machining -cnc-machine -shop/
Fig. 1.4 Strung cu arc „pole lathe”
http://charleswoodies.fr/wp -content/uploads/2016/05/lat he.gif

10
de frezat inventată la 1818 avea la bază aceleași principii ca strungul lui Maudsley, cu
deosebirea că mișcarea rotativă e ra 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,
Fig. 1.5 Strung adaptat pentru a fi acționat de un motor cu aburi (1892)
https://www.practicalmachinis t.com/vb/attachments/f19/154783d1448045683 –
evolution -engine -lathe -hypothesis -1892 -engine -lathe.jpg
Fig. 1. 6 Mașină de frezat (1818)
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/com
mons/thumb/c/c3/Eli_Whitney_milling_mac
hine_1818 –001.png/220px –
Eli_Whitney_milling_machine_1818 –
001.png

11
după care apare tehnologia FDM (Fused Deposition Modeling ), iar în anul 1993 MIT patentează
imprimarea 3D6.
1.1.2 Evoluția mașinilor cu comandă numerică
Mașinile unelte folosite în prezent, CNC ( computer numerical control – comandă
numerică computerizată ) au la bază un se t 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 prelucrar ea 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 manufacturierilor7.
Considerat „ părintele comenzii numerice ”8, 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 aerospațial e și ai industriei de prelucr are ( 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 Americii9.
1.1.3 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 ma șinăriei și
imprimate cu o secvență de program numită
G-Code, numit astfel după compania care a

6 Omar Fink, Timeline of Metalworking , 2013, http://www.hackingtheuniverse.com/science/history -of-science –
and-technology/genarticles/timeline -of-metalworking
7 NC Machining Evolving to CNC Machining , https://www.thomasnet.com/articles/custom -manufacturing –
fabricating/cnc -evolution
8 John T. Parsons , http://hi story.computer.org/pioneers/parsons.html
9 NC Machining Evolving to CNC Machining , https://www.thomasnet.com/articles/custom -manufacturing –
fabricating/cnc -evolution
Fig. 1. 7 Flexowriter – mașină de imprimat
benzi perforate
https://i.ytimg.com/vi/0WpVQidHfag/maxres
default.jpg

12
dezvoltat acest limbaj de programare, Gerber -Scientific Instruments . Acesta a fost standardul
până spre finalul anilor 1960 , când au fost introduse primele mași ni 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 tehn ică 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 ( comput er-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/CA M oferă companiilor
din zona manufacturărilor mult mai multă flexibilitate în operațiunile pe care le execută.
1.2 Comanda numerică (NC)
Potrivit definiției date de Valery Marinov , autoare a volumelor Manufacturing Process
Design și Manufacturing Processes for Metal Products , „Comanda numerică se referă la
metoda de controlare a operațiilor de manufacturare prin directă inserare a instrucțiunilor codate
numeric în mașina unealtă. Este important de conștientizat faptul că această comandă numerică
nu este o metod ă de prelucrare ci mai degrabă un concept de control al mașinii unealtă. 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 f oarte multe
operații ”10.
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 ave au un dezavantaj destul de mare
prin aceea că era nevoie de un timp foarte mare pentru a muta co menzile mașinii (prima mașină
cu comandă numerică presupunea ca un operator să mute comenzile mașinii după indicațiile
celui care citea codul din programul înscris pe cartelel e 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.

10 Marinov Valery, Manufacturing Processes for Metal Products , Kendall Hunt Pub Co. Dubuque, Iowa, United
States, 2010, pag. 163.

13
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 come nzi, 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
realiz ată 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 producție11.
1.3 Comanda numerică compute rizată (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 m ateriale (strunguri, mașini de frezat
etc.).

11 History of numerical control , 20 martie 2018, https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_numerical_control
Fig. 1. 8 Milwaukee -Matic -II (1959)
https://www .cmsna.com/blog/wp –
content/uploads/2013/01/old -cnc-
machine.png

14

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
rezultâ nd 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 extin s 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 benefic ia 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,
termen ul 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 asemănătoar e) 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 maș ină pentru a prelucra o anumită piesă ),
termenul CNC în momentul de fa ță, de obicei , face referire la mașina capabilă să prelucreze o
piesă prin îndepărtare de material conform unui program software.
1.4 Tendințe curente în tehnologia CNC
Reducerea dimensiunil or 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 a l 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 c a 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

15
calculatorului a făcut ca tot mai mulți pas ionați 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 prelucră rii materialelor
la domeniul artizanal , asistăm de asemenea la o creștere a „vitezei și a eficienței mașinilor cu
abilități de tăiere”12. Această creștere a vitezei și eficienței se datorează în mare măsură
modulelor de comandă cu procesoare din ce în ce ma i 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 car e este dotată mașina CNC. Acești a determină dacă piesa

12 Dr. Toshimichi MORIWAKI, Trends in Recent Machine Tool Technologies, NTN TECHNICAL REVIEW
No.74 , 2006, pag. 3 .
Fig. 1.9 Freză CNC artizanală
https://www.cnccookbook.com/wp –
content/uploads/2017/08/joes -cnc-
router-5.jpg
Fig. 1. 10 Prelucrare CNC pe 5 axe
https://res.cloudinary.com/engineering -com/image/upload/w_640,h_640,c_limit/5 –
Axis_David_wuupn o.jpg

16
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. Ac estea 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 p iesă 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
capabi le 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, cer cetătorii 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.”13

13 Ibidem, pag. 4.

17
CAPITOLUL 2. PROIECTAREA
SISTEMULUI AUTOMAT CNC
2.1 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 mașin ile 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 a xe (3 axe de translație și restul de rotație).
Mașinile unelte cu comandă numerică computerizată mai pot fi clasificate în funcție de
construcția acestora:

18
– mașini clasice cu comandă manuală la care este adaptat sistem de comandă
computerizată;
– mașini echip ate 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.
2.2 Alegerea tipului de sistem CNC
Prelucrările posi bile 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 mișc ării de rotație a motoarelor în mișcare de
translație).
2.2.1 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
const rucție pe 3 axe cu mișcări de translație pe fiecare axă, ceea ce rezultă în 3 grade de libertate.
Unul din m otivele pentru care a fost ales acest sistem este că asigură minimul de mișcări
pentru a pre lucra anumite piese fără a fi nevoie de intervenție uman ă. 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.

19
2.2.2 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 con strucție (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 computerizat ă.
O astfel de construcție necesită o masă port -piesă foarte solidă pentru a putea fi stabilă pe cele
două axe orizontale.
Fig. 2.2 Varianta a doua de construcție a axelor
www.grabcad.com
Z
Y
X
Fig. 2.1 Prima variantă de construcție a axelor
www.grabcad.com
Z
X
Y

20
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
constru cție 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 C NC, 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.
Fig. 2.3 Varianta a treia de construcție a axelor
www.grabcad.com
X
Z

Y

21
2.2.3 Alegerea mod ului 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 următoa rele:
– 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 lungim i mari
acesta se poate arcui , producând vibrații.
– Șurub cu bile (Fig. 2.5) – asemănăto r cu șurubu l trapezoidal în sensul că a re
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 șuru b 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.
Fig. 2.4 Șurub trapezoidal
www.amazon.com
Fig. 2.5 Șurub cu bi le
www.amazon.com

22
– 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 lân gă 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 to ate sisteme, s -ar
putea spune clasice de transformare a mișcării de rotație în mișcare de translație.
Fig. 2.6 Rack and pinion
http://www.cnc4everyone.com/hard
ware/linear -drives/
Fig. 2. 7 Sisteme de transmisie cu curea
http://www.motionco.co.uk/timing -belts -open -length -belting -c-25_38_4 9.html
Fig. 2. 7 Motor liniar
https://www.jmag –
international.com/catalog/134_Permane
ntMagnetLinearMotor_SpeedControl_R
T_Simulink.html

23
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”14.
Pentru studiul de față a fost aleasă prima variantă, șurubul trapezoidal cu următoarele
caracteristici:
– Pas: 2 mm
– Diametru: 8 mm
– Distanța parc ursă/revoluție completă: 8mm
– Material piuliță: aliaj de cupru și zinc (alamă).
2.3 Proiectarea mașinii de frezat CNC
2.3.1 Definiții
După cum spune și titlul, scopul acestei lucrări este proiectarea și realizarea unui
automat de tip CNC, unde automat este o formă p rescurtată 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 ș i cu
exteriorul, în vederea atingerii unei finalități (sens, obiectiv, scop) ”15.
Un sistem automat este un sistem tehnic „de supraveghere, comandă și control al
proceselor și instalațiilor tehnologice, fără intervenția directă a omului”16. Sistemele automat e
sunt alcătuite din două părți principale: procesul de automatizat (P) și dispozitivul de
automatizare (DA) .

14 Direct Drive Linear , https://www.jmag –
international.com/catalog/134_PermanentMagnetLinearMotor_SpeedControl_RT_Simulink.html
15 Prof. dr. ing. Vasile Cîrtoaje , Curs de Teoria Sistemelor , Cap. 1 , pag. 2.
16 Idem.

24
2.3.2 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 re alizării 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.
2.3.3 Realizarea structurii
După proiect area 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;
Fig. 2.8 Captură din SOLIDWORKS a structurii automatului CNC
X
Z

Y

25
– 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 diver se stadii ale proiectului.
vini

2.4 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 struct uri 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:
a) Sistem de supraveghere automată (prin măsurare și semnaliz are);
b) Sistem de comandă automată (după un program prestabilit);
Fig. 2.9 Diverse faze ale construcției

26
c) 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 pr ecizia 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;
– Micro controler;
– Calculator;

Diagrame de conexiuni mai detaliate vor fi prezente în secțiunea Anexe.
Următoarea etapă în construcția mașinii CNC este alegerea componentelor pentru DA.
Fig. 2.9 Structuri ale unui sistem automat
Prof. dr. ing. Vasile Cîrtoaje , Curs de Teoria Sistemelor, Cap. 1, Pag. 13.
Fig. 2.10 Schema bloc a DA

27
2.4.1 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 deplasa re. 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 rulmenți i radiali și rulmenț ii 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%17.
𝑀𝑠𝑎𝑟𝑐𝑖𝑛 ă=𝐹𝑃𝐵
2𝜋𝜂 [𝑁𝑚]18
– Msarcină – cuplul necesar pentru a deplasa sarcina [Nm] ;
– F – forța care trebuie învinsă [N];
– PB – distanța parcursă la o rotire completă a șurubului [m];
– η – eficiența șur ubului [%];

17 ACME Lead Screw Efficiency Estimator , http://www.cncroutersource.com/lead -screw -efficiency.html
18 Technical reference , Oriental Motors General Catalogue 2012/201 3, Pag. 3.
Fig. 2.11 Motor pas cu pas
www.y outube.com

28
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%.
𝐹=𝐹𝐴+𝑚𝑔(𝑠𝑖𝑛𝜃 +𝜇𝑐𝑜𝑠𝜃 ) [𝑁]19
– FA – forța externă [N] (forța de tăiere în cazul de față, o generalizare pentru lemn
este aproximativ 5 [N] 20);
– m – masa ansamblului (pentru axa X, masa totală este aproximativ 6 [kg]);
– g – accelerația gravitațională;
– 𝜃 – 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 aluminiu21). Astfel,
𝐹=5+6∗9.81(𝑠𝑖𝑛0+0.01∗𝑐𝑜𝑠0)=5.5886 [𝑁]
𝑀𝑠𝑎𝑟𝑐𝑖𝑛 ă=5.59∗0.008
2𝜋∗0.68=0.0104 [𝑁𝑚]
Următo rul calcul este cel al inerției sistemului.
𝐽𝑡𝑜𝑡=𝐽𝑠𝑎𝑟𝑐𝑖𝑛 ă+𝐽𝑟𝑜𝑡 [𝑘𝑔𝑚2]
– Jtot – inerția totală a saniei;
– Jsarcină – inerția saniei;
𝐽ș𝑢𝑟𝑢𝑏 =𝑚ș𝑢𝑟𝑢𝑏
2𝑟2=0.2
20.0042=1.6∗10−6 [𝑘𝑔𝑚2] 22
𝐽𝑠𝑎𝑟𝑐𝑖𝑛 ă=𝑚∗𝑃𝐵2
(2𝜋)2=6∗0.0082
(2𝜋)2=9.7∗10−6[𝑘𝑔𝑚2] 23
𝐽𝑡𝑜𝑡=(1.6+9.7)10−6=11.3∗10−6 [𝑘𝑔𝑚2]
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 potrivită24. Pentru șurubul trapezoidal prezentat, și un
motor de 200 [pași/rotație ], cu aproximativ 1000 de pași/secundă pentru a nu pierde foarte mult

19 Ibidem, Pag 3.
20 A Tutorial on motor torque calculations , 2010, http://www.mycncuk.com/threads/1524 -What -size-stepper –
motor -do-I-need
21 Ibidem.
22 Ibidem.
23 Ibidem.
24 Ibidem.

29
din cuplul motorului (cu cât crește numărul de pași/secundă, cu atât scade cuplul motorului pas
cu pas), viteza este:
𝑣=𝑓𝑟𝑒𝑐𝑣 _𝑝𝑎ș𝑖
𝑝𝑎ș𝑖/𝑟𝑜𝑡∗𝑃𝐵=1000
200∗0.008 =0.04 [𝑚𝑠⁄]
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 vit eza de aproximativ 0.02 [m/s] are nevoie de o
accelerație de aproximativ 2300 [rad/s2] 25. Prin urmare, cuplul necesar pentru a atinge această
accelerație este:
𝑀𝐴=𝐽𝑡𝑜𝑡∗𝐴=11.3∗10−6∗2300 =0.025 [𝑁𝑚]
𝑀𝑡𝑜𝑡=𝑀𝑠𝑎𝑟𝑐𝑖𝑛 ă+𝑀𝐴=0.01+0.025 =0.035 [𝑁𝑚]
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] 26.
2.4.2 Alegerea driverelor pentru motoarele pas cu pa s
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. 2.1 2) 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 intermedi ul 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.

25 Ibidem.
26 https://www.aliexpress.com/item/5 -PCS-lot-4-lead-Nema -17-Stepper -Motor -42-motor -42BYGH -1-7A-CE-
ROSH/862561610.html
Fig. 2.12 Driver TB 6560

30
2.4.3 Alegerea microcontrolerului
Microcontrolerul ales este bazat pe platforma de dezvoltare UNO R3 cu pr ocesor
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 G rbl.
2.4.4 Calculatorul
Calculatorul folosi t este cel personal, programele necesare inițierii microcontrolerului
și programul de comandă al automatului CNC fiind instalate în memoria acestuia.
2.4.5 Grbl
Conform paginii oficiale a platformei, „Grbl este un program deschis gratuit ( free, open
source ) de p erformanță 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.”27
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 p entru 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. Int erpretorul 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 l ichidul de răcire la tăiere . Toate c omenzile G -code suportate de Grbl pot fi urmărite
în Anexa 4 .
2.5 Sistemul de siguranță
Pe lângă componentele prezentate mai sus, au fost adăugați limitatori de cursă pentru
fiecare axă. Aceștia sunt simple întrerupătoare bi poziționale cu conexiuni NC/NO (normal

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

31
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. 2.1 3. Când unul din limitatorii
de cursă este declanșat, G rbl 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 ax e, 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.
2.6 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 da că
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
Fig. 2.13 Schema bloc a sistemului de siguranță

32
acestei platforme – am ales o implementare a buclei de reglare care folosește un al doilea
microcontroler pentru citirea poziției și pentru corectarea ac esteia (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 Microcon trolerul 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 i ntroduse 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 sa u analogic),
fie un senzor de poziție rotativ (analogic sau digital) .
Fig. 2.15 Encoder rotativ KY -040

Home

Fig. 2.14 Schema bloc a buclei de reglare a poziției

33
Pentru lucrarea de față, am ales un encoder rotativ KY -040 (Fig. 2.1 5) 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.

34
CAPITOLUL 3. FUNCȚIONAREA ȘI
TESTAREA AUTOMATULUI CNC
3.1 Inițializarea automatului CNC
După realizarea legături lor 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 înca rcă
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 aceas ta 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 microcontro lerul 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)
Fig. 3.1 Universal Gcode Sender

35
Pentru modificarea setări lor 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 secvenț ă 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 modifica rea 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 distan ce” – 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 mișcăr ilor 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
determin a 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:
𝑅𝑒𝑧𝑜𝑙𝑢 ț𝑖𝑎[𝑝𝑎ș𝑖𝑚𝑚 ] ⁄ =𝑃𝑎ș𝑖 𝑎𝑖 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑢𝑙𝑢𝑖 𝑝𝑒 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢 ț𝑖𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡 ă∗𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑝𝑎 ș𝑖𝑙𝑜𝑟
𝑑𝑒𝑝𝑙𝑎𝑠𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑙𝑖𝑛𝑖𝑎𝑟 ă 𝑙𝑎 𝑜 𝑟𝑜𝑡𝑎 ț𝑖𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡 ă 𝑎 ș𝑢𝑟𝑢𝑏𝑢𝑙𝑢𝑖

36
După introducerea setării prin interfața UGS, trebuie verificată corectitudinea setărilor
pașilor/mm exper imental 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:
𝑅𝑒𝑧2 [𝑝𝑎ș𝑖/𝑚𝑚 ]=𝐷2∗𝑅𝑒𝑧1
𝐷1
– 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. Fiș ierul este apoi încărcat
în interfața grafică Grbl apăsând butonul Browse .
3.2 Verificarea preciziei deplasărilor pe axe
3.2.1 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.
Fig. 3.2 Verific area preciziei pe axa X

37
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 de plasările 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 ur mătoare.
3.2.2 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.
Fig. 3.3 Verificarea preciziei pe axa Y
Fig. 3.4 Verificarea preciziei pe axa Z

38
3.2.3 Precizia sistemului de transmi sie 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.
3.2.4 Rigiditatea materialelor folosite
Un alt aspect care p oate 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.
3.3 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.

Fig. 3.5 Panou al cutiei electrice cu suport și fante pentru ventilator

39

Fig. 3.6 Panoul frontal al cutie i electrice
Fig. 3.7 a) suport pentru limitator de cursă; b) suport pentru freză; c) sania
axei Y cu șinele de ghidaj, rulmenții liniari și sania axei Z
a) b) c)
Fig. 3.8 Piese pentru proiectul de diplomă al unui coleg

40
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 ac estor piese.

41
CONCLUZII ȘI DIRECȚI I 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 (imprimar e 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 el egante
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 CN C 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 pre lucrare 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 c u 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 ar e 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 prim a variantă este destul de greu de realizat din cauza

42
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 co st 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 a ctivități
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.

43
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.h tml
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 Es timator , 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 .

44
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 .

45
ANEXE
Anexa 1. Motor pas cu pas Nema17 HS4401

46
Anexa 2. Fișa de date Uno R3
Microcontroller ATmega328P
Operating Voltage 5V
Input Voltage (recommended) 7-12V
Input Voltage (limit) 6-20V
Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output)
PWM Digital I/O Pins 6
Analog Input Pins 6
DC Current per I/O Pin 20 mA
DC Current for 3.3V Pin 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328P) of w hich 0.5 KB
used by bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328P)
EEPROM 1 KB (ATmega328P)
Clock Speed 16 MHz
LED_BUILTIN 13
Length 68.6 mm
Width 53.4 mm
Weight 25 g

47
Anexa 3. Driver TB 6560

48
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 Helic al 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

49
Anexa 5. Setarea pinilor în Grbl pentru UNO R3

50
Anexa 6. Legăturile electrice pentru Driver TB 6560

51
Anexa 7. Legăturile electrice pentru bucla de reglare

52
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, thi s 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 aroun d 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 st eel 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 sup port 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 th e 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

53
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 swit ches 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 th e 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.