MAȘINĂ CU COMANDĂ NUMERICĂ SI CONTROL CU LASER Propusă de Departamentul Electronică, Telecomunicații și Inginerie Energetică ca Lucrare de Licență la… [304321]

[anonimizat], [anonimizat] 2020

SUPERVIZATĂ DE

dr.ing. conf. HENRI – GEORGE COANDĂ

Cruceru Vasile Marian

AUTOR LUCRARE / AUTHOR OF THESIS

Inginer (B.Sc.)

GRAD / DEGREE

Inginerie Electronică și Telecomunicații

DOMENIU / DOMAINE

MAȘINĂ CU COMANDĂ NUMERICĂ SI CONTROL

CU LASER

TITLUL LUCRĂRII / TITLE OF THESIS

Dan Puchianu

COORDONATOR LUCRARE / THESIS SUPERVISOR

EXAMINATORI LUCRARE / [anonimizat] – George COANDĂ

DECAN FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ / DEAN OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY

Reproducerea se poate face doar cu permisiune din partea autorului

MAȘINĂ CU COMANDĂ NUMERICĂ SI CONTROL

CU LASER

Abstract

În proiectul meu de licență este vorba despre o mașină cu comandă numerică și control care gravează pe anumite materiale cu ajutorul laserului implementat pe acesta. Mi-am ales acestă temă pentru ca dețin o [anonimizat] a învăța etapele de contruire și programarea utilajului. În construcția sa am ales componentele cu mare atenție pentru a avea un utilaj cu o rezisteță forate bună și precizie. În prima fază am realizat toți suporții pentru axele X, Y , S, motoare și laser cu ajutorul unei imprimante 3D. În a doua fază am realizat utilajul fără codaje liniare și am constatat că nu stă bine la capitolul rezistență și precizie astfel încât am trecut la a treia fază să implementez godaje liniare pe toate axele mașinii pentru a [anonimizat].

[anonimizat] G-code către o unitate de control microcrontrollere( Arduino Uno) pentru fiecare obiect pe care vrem să-l executăm.

Cuvinte cheie: CNC, [anonimizat] 328P, MicroChip, Imprimantă 3 D

MAȘINĂ CU COMANDĂ NUMERICĂ SI CONTROL

CU LASER

Introducere

Subiectul acestei lucrări se bazează pe construirea unei mașini CNC. Este o [anonimizat]-[anonimizat]. CNC-[anonimizat], tăiere, etc. Pentru ele se va scrie un program personalizat pentru fiecare obiect pe care intenționăm să-l creăm, [anonimizat] G-code, care va fi stocat și executat de o unitate de control (microcontroller) conectat la mașină. Instrumentele pe care mulți utilizatori preferă să le folosească sunt: freze, strunguri, [anonimizat], etc. [anonimizat]. [anonimizat] o putere de 1600mW de culoare albastră și o lungime de undă de 450 NM. Înainte de întregul proces, o [anonimizat], Inkscape, pentru a [anonimizat]. Aceste programe sunt mai des folosite de arhitecți, ingineri, proiectanți, artiști, deoarece folosesc aceste programe pentru a crea diferite lucrări, desene tehnici precise, modele, etc. Pentru funcționarea mașinii, programul trebuie încărcat în uinitatea de control a mașinii și apoi operatorul poate testa fără materialul vizat. Această etapă este foarte impornantă pentru prelucrarea materialelor, pentru a găsi poziția corectă, deoarece viteza sau poziția greșită pot afecta negativ materialul sau mașina. În comparație cu versiunea manuală, mașinile-unelte CNC sunt cunoscute pentru exactitatea, complexitatea și repetabilitatea lor.

Capitolul 1

Studiu bibliografic

Istoria frezei CNC poate fi urmărită încă din secolul XX-lea. Putem observa că primele mașini cu comandă numerică sunt aproape la fel de coplexe și în zilele noastre în atelierele moderne de mașinii CNC. Prima tehnologie de mașină cu comandă numerică a apărut imediat după al Doilea Razboi Mondial, folosit inițial pentru fabricarea pieselor aerospațiale.

Când automatizarea mașinii-unelte a combinat primele concepte de logică abstractă programabilă de control numeric a computerului (CNC), a început să utilizeze controlul numeric (NC).

Prima mașină-unelte CNC a fost fabricată în anii 1940-1950. S-a bazat pe modificarea instrumentelor existente. Aceste instrumente au fost modificate de motoare speciale, astfel încât dispozitivul de control să poată urmării punctele sistemului de introducere pe banda perforată. Aceste mecanisme servo-motoare au fost controlate rapid de calculatoare analogice și digitale, creând mașinii-unelte moderne CNC și schimbând complet procesul de prelucrare.

Nașterea NC este de obicei atribuita lui John T. Parsons și Frank L.Stulen. Pentru aceasta, au câștigat Medalia Națională Tehnică în anul 1985 cu titlul ” Inovații producția de autoturisme și avioane cu tehnologia CNC”. Această dezvoltare i-a determinat pe Parsons să ia în considerare utilizarea sigiliilor metalice în loc de lemn. Acestea nu vor fi doar mai puternice, ci și mai ușor de implementat, deoarece pot elimina straturile complicate și probleme de lipire și înșurubare a lemnului. Copierea acestuia în cursa metalică va necesita înlocuirea dispozitivului de tăiere din oțel. Având în vedere contururile complexe, acest dispozitiv nu va fi ușor de implementat. Când a căutat idei, Parsons a vizitat Wright Field pentru a-l întalni pe Frank L. Stulen, șeful rotorului de laborator al elicei. În conversație cu Stulen a concluzionat că Parsons nu știa cu adevărat despre ce vorbea. Parsons a subliniat că Stulen a ajuns la această concluzie și l-a angajat la fața locului.

Pionier în istoria frezării CNC este într-adevăr o mașină-unelte CNC, care a fost dezvoltată de John Parsons. Lucrând în fabrica tatălui său, el a dezvoltat pentru prima dată șablon cu lame rotor pentru elicoptere. După prima operație NC, datele pot fi perforate pe card. Persons a continuat să lucreze la multe proiecte ale Forțelor Aeriene și a început să lucreze cu MIT în 1949. Aici a fost construit primul utilaj CNC. Această mașină experimentală este un moment de cotitură în istoria frezării CNC și s-au făcut multe modificări la prima freză cu profil vertical de 28 de inchi. Se vor adăuga trei trepte și acționări hidraulice, urmate de un sistem de feedback. Prototipul real al CNC a fost dezvoltat și în Massachusetts în 1953. Aceste mașini de bază dezvoltate de Parsons au multe în comun cu cele mai moderne mașini CNC. Mașinile moderne sunt conduse de orice tip de interfață digitală. Sistemul de mișcare a unei mașini moderne poate include frâne, ambreaj, cilindri, supape, etc.

Fig 1.

Capitolul 2

Noțiuni generale

Mașinile de comandă numerică și control sunt dispozitive electro-mecanice menite să manipuleze și să controleze diferite scule folosind programarea microcontroler-ului. CNC este compus din echipamente de comandă numerică și control, capul de prelucrare și ansamblul mecanic.

Mașinile-unelte CNC, prescurtate ca ” Computer CNC”, sunt produse prin furnizarea continuă de microcontrolere programabile. Acestea fac parte din structura mașinii. Sunt programate cu un set de comenzi compuse din litere si numere, astfel încât capul de procesare să efectueze mișcarea pe o anumită cale, o viteză specifică sau o intensitate a laserului în cazul meu.

Denumirea” control digital computer” reprezintă modul de operare unic al mașinii, adică mișcarea de bază independentă de tipul mașinii cum ar fi: freză, strung, laser sau orice alt instrument. Mașinile CNC folosesc matematica și diferite sisteme de coordonate pentru a percepe informațiile primite, mutând astfel conținutul, cantitatea și viteza necesară.

2.1 Tehnologia mașinii cu comandă numerică și control

Una dintre cele mai importante funcții ale mașinii este controlul foarte precis și strict. Toate mașinile unelte CNC au cel puțin două axe, direcție și mișcare. Aceste axe sunt controlate și sunt poziționate foarte precis de-a lungul planului de lucru în timpul execuției. Cele mai cunoscute și comune tipuri de axe sunt axele de translație si rotație. În mașinile de tăiat, aceste mișcări pot apărea numai dacă utilizatorul operează manual manivela și discul.

Mașina de control numeric înlocuiește aceste acțiuni efectuate de utilizator prin operarea unui servo-motor conectat la un computer și controlat de un program memorat. Axa de mișcare, motorul și viteza pot fi programate pe toate mașinile unelte CNC. Majoritatea mașinilor CNC se pot deplasa în trei direcții în același timp. Aceste direcții se numesc axe ale mașinii și, în funcție de sistemul de coordonate, fiecare axă are un nume. X, Y, Z. Axa X este întodeauna axa pe care este construită o parte a mașinii de-a lungul lungimii spațiului de lucru.

De exemplu, axa X este o axă care se mișcă înainte și înapoi, axa Y este o axă care se mișcă la stănga și la dreapta, iar axa Z este o axă care se mișcă în sus și în jos și este de obicei o axă pe care este montată o uneltă de procesare, de exemplu, în proiectul meu am atașat un laser.

Pentru ca mașina CNC să funcționeze corect și să poată rula, aceasta trebuie să comunice cu ea însăși. Unitatea centrală cu funcții de calculator, comandă și control numeric trimite comenzi motorului și se deplasează cu o anumită distanță la o anumită viteză. Senzorii instalați pe arborele mașinii au funcția de a comunica cu uinitatea centrală. Dacă mișcarea este corectă și în concordanță cu comanda transmisă motorului, atunci capacitatea mașinii de a muta capul de lucru în trei direcții diferite în același timp face posibilă urmărirea si realizarea oricărei traectorii în spațiul de lucru. Acținunile și comenzile pe care le execută sunt mult mai precise și mai rapide decât acțiunile efectuate pe mașini care efectuează operații manuale de către un operator uman.

2.2 Avantajele mașinii CNC

Unul dintre avantajele oferite de toate tipurile de mașini-unelte CNC este gradul crescut de automatizare, ceea ce reduce sau chiar elimină contribuția operatorului la procesarea și producerea pieselor.

Mașinile CNC pot fi rulate pe parcursul întregii sarcini fără supraveghere, ceea ce aduce oportunități și beneficii pentru operator. Deoarece utilizatorul nu participă la procesul de prelucrare iar erorile cauzate de operatorul uman vor fi mult reduse.

Un alt avantaj al tehnologiei CNC este că poate echilibra viteza și precizia pentru a fabrica obiecte și piese. După verificarea, testarea și corectarea procedurilor, multe obiecte sau piese pot fi create cu aceeași viteză, precizie și timp.

Mașinile clasice au diverse sisteme pentru a găzduii materialele procesate deoarece sunt complicate și necesită multă muncă pentru fabricare, ele devenind dificil de modificat, ceea ce înseamnă că multe resurse trebuie pierdute înainte de începerea producției. Mașinile-unelte CNC nu necesită mult timp pentru fixarea materialelor, mai ales în cazul în care vorbim despre mașini-unelte cu laser, care, de regulă, nu necesită nicio fixare de material și dacă există, sunt foarte simple.

Creșterea siguranței în producție.

2.3 Dezavantajele mașini CNC

Costuri crescute de întreținere, de exemplu în cele mai multe cazuri, mașinile CNC sunt foarte complicate, pentru a le face să funcționeze sub parametri normali, chiar dacă controlerul are o fiabilitate ridicată din diverse motive, acesta poate eșua, iar, în acest caz, mașina de asemenea, trebuie păstrată în condiții fizice bune, deoarece va înlocui toate activitățile operatorilor umani, iar producția va rămâne intactă, de aceea ea trebuie reparată foarte repede.

Mașinile trebuie programate: Programatorii care pot lucra la astfel de utilaje sunt oameni bine pregătiți, cei mai buni dintre ei fiind greu de găsit și cer salarii mari. Dacă achiziționați un software, puteți rezolva parțial această problemă de programare, dar pe lângă faptul că este destul de scump, mai aveți nevoie de personal profesional pentru a le utiliza.

Investiții mari: Prețul mașinilor-unelte CNC mari, pot ajunge și la 400.000 de dolari, acestă mașina-unealtă poate funcționa chiar și în trei schimburi pe zi, de aceea foarte multe companii nu își pot permite o astfel de investiție.

Capitolul 3

Construirea mașini CNC cu laser

Mașina CNC cu laser și comandă numerică face parte din tehnologia folosită în fabricile specializate și recunoscute pentru tăierea cu laser. Ușor, ușor mașinile-unelte au început să se extindă și în școli, în intreprinderi ale pasionaților de tehnologie, dar nu în ultimul rând acestă tehnologie se foloșeste cu mult succes în fabricile ce se ocupă cu confecționarea metalelor. Principiul de lucru al tăierii sau gravării cu laser este că, de cele mai multe ori, laserul cu putere relativ mare, focalizată prin lentila optică. Laserul funcționează cu ansamblul sculei pentru a emite un fascicul de lumină pentru tăierea materialului sau gravarea confor codului din limbajul G-code, de exemplu: desene, schițe, desene tehnice, etc.

3.1 În proiectul meu am realizat toți suporții de pe utilaj cu ajutorul unei imprimante 3 D:

Fig 3.1.1. Imprimanta 3D

Capătul axei X

Fig 3.1.2. Capătul axei x

Capătul axei Y

Fig 3.1.3. Capătul axei y

Suport laser

Fig 3.1.4. Suport laser

Suport motor pentru axa S

Fig 3.1.5. Suport motor axa s

Suport motor pas cu pas

Fig 3.1.6. Suport motor

3.2 Construcția

Pentru a-mi construi mașina, am avut nevoie de:

Profil V-slot – 4 bucați

Fig 3.2.1

Colțar de 90 grade din oțel – 4 bucăți

Fig 3.2.2

Șurub trapezoidal pas 8 mm – 2 bucăți

Fig 3.2.3

Piuliță anti backlasch – 2 bucăți

Fig 3.2.4

Tijă ghidaj liniar de 8 mm – 4 bucăți

Fig 3.2.5

Rulment liniar 8 mm – 7 bucăți

Fig 3.2.6

Motor pas cu pas nema 17 – 3 bucăți

Fig 3.2.7

Rulment 5 mm – 1 bucată

Fig 3.2.8

Roată dințată curea GT2 – 1 bucată

Fig 3.2.9

Curea GT2- 1,5 m

Fig 3.2.10

Arduino uno – 1 bucată

Fig 3.2.11

Cnc shiled pentru Arduino uno – 1 bucată

Fig 3.2.12

Driver stepper – 2 bucăți

Fig 3.2.13

Sursa server supermicro – 1 bucată

Fig 3.2.14

Doză plastic – 1 bucată

Fig 3.2.15

Endstop switch – 1 bucată

Fig 3.2.16

Laser 1.6W albastru – 1 bucată

Fig 3.2.17

Controller laser 1.6 W – 1 bucată

Șurub+piuliță de 3 mm – 50 de bucăți

3.3 Etapa 1

În etapa 1 am construit fără să folosesc axe liniare, dar din câteva motive, am abandonat rapid, de exemplu:

Foarte șubred

Rezistență slabă

Viteză și direcție scăzută

Fig 3.3.1. Etapa I

3.4 Etapa 2

Ca să elimin problemele din prima etapă, m-am gândit să întăresc utilajul meu cu godaje liniare pe toate axele liniare astefel încât să am într-un final o rezistență si prcise așa cum îmi doresc să arate.

Fig 3.4.2. Etapa II

Dându-mi seama că pentru a realiza o muncă precisă și calitativă, trebuie sa aleg piese destul de puternice, ele să poată fi bine fixate, așa că am încercat să folosesc piese rigide pentru a le face în cele din urmă rezistente, pentru a face față la schimbări bruște de viteză și direcție.

La contruirea mașinii CNC, am folosit un sistem pe două axe pentru poziționarea si procesarea instrumentului, în cazul meu este laser-ul. Principalul obiectiv pe care mi l-am stabilit este fabricarea unei mașini CNC cu costuri reduse, dar să fie capabilă să efectueze lucrări de înaltă calitate și precizie, manipulând corect laserul pe două axe. G-code acționează asupra laserului schimbând intesitatea în intervalul său de lucru. Piesele pe care le-am ales să le folosesc pentru fabricarea CNC-ului, nu sunt cele mai ieftine de pe piață, pentru că trebuie să iau în considerare scopul pe care mi l-am setat, adica utilajul final să fie nu numai ieftin, ci și precis. Din perspectiva calitații.

3.5 Laserul

Am decis în realizarea proiectului meu să folosesc dioda laser cu o putere 1600mW de culoare albastră și o lungime de undă de 450 NM, compactă în carcasă, radiator de aluminiu cu racire suplimentară cu ventilator și placă de control cu comandă TTL PWM.

Fig 3.5.1. laser implementare

Fig 3.5.2

Laserul este un fascicul de lumină, iar lumina din el provine doar de la o singură lungime de undă, Intesitatea fasciculului laser este în general mai mare decât cea al LED-urilor convenționale. Laserul albastru are o lungime de undă mai scurtă decât alte modele și sunt cele mai exploatate de către utilizatori. Cu cât este mai luminos fasciculul, cu atât lungimea de undă este mai scurtă. Pentru a genera lumină laser pot fi utilizate diverse diode de exemplu: indiu, galiu sau laser, toate producând lumină albastră. Laserele albastre au o capacitate de stocare mai mare și sunt utilizate pe scară largă în tehnologiile de telecomunicații și de stocare de date și imprimare.

Atomii și lumina

Când unii electroni care se deplasează în jurul nucleului eliberează energie sub formă de fotoni, lumina este sub formă de radiații electromagnetice. Atomii trebuie să-și schimbe echilibrul energetic inițial. Fenomenul acesta presupune trecerea electronilor la o orbită superioară. Acest fenomen apare atunci când substanța este încălzită, adică primește energie sub formă de căldură. Când este traversat de un câmp electric sau bombardat de un curent de electroni liberi.

Principiul de lucru al laserului

Componentele laserului sunt de obicei compuse din două oglinzi, un mediu activ și un dispozitiv pe pompare a energiei pentru mediul activ. Mediul activ poate fi un solid de exemplu: cristal, rubin sau un gaz ( un amestec de heliu și neon ) sau un material semiconductor. Laserul cu cristale de rubin este format dintr-un cristal rubin cilindric cu două oglinzi plasate în paralel în argint sau aur și un tub de descărcare în spirală umplut cu gaz rar conectat la un condesator cu capacitate mare.

Lumina laserului

Laserul este monocromatic și consecvent. Lumina albă este de fapt un amestec de unde cu lungimi de undă diferite, specifice culorilor primare care formează spectrul vizibil. Monocromaticitatea și coerența laserului fac ca aceste dispozitive să fie foarte potrivite pentru înregistrarea informațiilor pe suporturi optice și pot fi de asemenea utilizate ca sursă de lumină pentru comunicarea datelor prin fibre optice.

Fig 3.5.3

Emisiile spontane și stimulate

Lumina este o formă de radiație electromagnetică emisă atunci când unii electroni se mișcă în jurul nucleului, eliberând o anumită energie sub furmă de fotoni.

Emisia spontană, adică radiațiile apar fără cauza mediului extern. Electronii care sunt excitați de la banda de conducție la banda de valență fără niciun stimul extern, generând radiații spontane.

Fig 3.5.4

3.6 Motoarele pas cu pas nema 17

În proiectul meu sunt responsabil cu funționarea mașinii CNC, de aceea am ales să folosesc motorul pas cu pas nema 17 ( stepper ). Termenul de acționare electrică, mă refer la unul sau mai multe motoare care urmează un semnal de control, de exemplu: tensiune sau curent, care este transformat într-un semnal mecanic iar deplasarea liniară are rolul pentru a obține eficiență energetică.

Fig 3.6.1. Motor pas cu pas

Descrierea motorului nema 17

Motorul Stepper Nema 17, se folosește cel mai des în construirea utilajelor mici de exemplu mașini cu comandă numerică sau imprimantă 3D, cele mai utilizate drivere sunt A4988 și DRV8825. Poate funcționa la o tensiune de 12V. Modelul pe care l-am ales în proiect este un 42SHDC3025-24B.

Specificațiile motorului

Unghi: 1,8°

Acuratețe unghiulară: 5 %

Voltaj: 3,96 V

Curent/ fază :0,9 A

Număr faze: 2

Rezistență: 4,4 ohm +- 10%

Temperatura maximă: 80 K

Temperaturi de operare: -20°C/ 50°C

Umiditate maximă: 90 %

Rezistență izolație: 100M ohm Min 500 VDC

Clasa izolației: B

Forța de menținere: 0,4 N/m

Greutate: 280 g

Fig 3.6.2

Avantajele motorului

Ameliorează precizia

Disponibilitate mare de energie

Bună fiabilitate

Compatibilitate cu tehnologia de calcul

Dezavantajele

Distanța unghiulară a motorului are o valoare fixă

Capacitatea de încărcare scăzută

Elementele de execuție sunt simulate

Randament scăzut

Fig 3.6.3

Pentru a controla motoarele pas cu pas, avem nevoie de un driver. Driverele cele mai utilizate și populare sunt A4988 și drv8825, în proiectul meu am folosit driver-ul A4988, care este implementat pe placa Shield V3 pentru Arduino.

3.7 Arduino

Arduino este o companie open source care fabrică tablouri de dezvoltare bazate pe microcontrolere cât și pe componente software pentru funcționarea și programarea sa. În plus, include o comunitate mare care se ocupă de crearea și distribuția de proiectare, de exemplu : echipamente care pot detecta și controla diverse activitați sau procese din lumea reală.

Primul Arduino a fost apărut în anul 2005 pentru a putea oferi un serviciu începătorilor și profesioniștilor, este o soluție cu un buget minim, și simplu. El este utilizat pentru diferiți senzori și sisteme de acționare pentru a crea dispozitive care pot interacționa direct cu mediul înconjurător. Cele mai frecvente exemple sunt dispozitivele orientate către începători, cum ar fi roboți simpli, termostate, detectoare de mișcare, etc. Ele sunt de mai multe feluri, de exemplu: Arduino Uno, Arduino Leonard, Arduino Genuino, Arduino MKR, Arduino Due, etc.

3.8 Arduino UNO

Arduino UNO are la bază un open-source și microcontroler bazat pe Microchip-ul Atmega328P. Placa este pregătită cu seturi de pini de intrare și ieșire analogice și digitale care pot fi interfațați cu diferite scuturi și alte circuite. Arduino UNO este prima placa din seria Arduino bazată pe USB și care comunică folosind protocolul STK500 original. Este o placă diferită de toate placile precedente pentru că nu folosește cipul de driver FTD-USB-serial.

Specificații tehnice

Are un microcontroler numit Atmega 328P

Tensiunea de funcționare este de 5 volți

Pini I/O digitali sunt de 14 din care 6 pot furniza ieșiri PWM

Conține un UART

I2C- 1

SPPI-1

Pini analogice de intrare-6

Curent continuu per pin I/O-20 mA

Curent continuu pentru pin 3,3 V- 50 mA

Memorie flash de 32 KB din care 0,5 KB sunt utilizați de bootloander

SRAM- 2 KB

EEPROM-1KB

Viteza ceasului de 16 MHz

Lungimea-68,6mm

Lațimea-53,4 mm

Greutatea- 25 g

Fig 3.8.1. Arduino Uno

Funcții generale de pin

Led, sunt incorporate de pinul 13.

VIN- Tensiunea de intrare la placa Arduino

5V- Regulator de 5V

3V3- Alimentare de 3,3 V generată de regulator de bord

GND-Pini la sol.

IOREF- Acest pin furnizează referința de tensiune cu care funcționează micricintrolerul

Resetare- Utilizat pentru a reseta un scut care blochează pe placă

Funcții speciale de pic

Serial/UART- pinii 0 și 1

Întrerupere externă- pinii 2și3

PWM- pinii 3,5,6,9,10 și 11

SPI-pinii 10,11,12 și 13

TWI- pini SDA si SCL

AREF- Tensiunea de referință analogice

3.9 Shield V3 pentru Arduino

Shield V3 este folosit ca un scut de conducere pentru mașini de gravat, complet compatibil cu Arduino Uno. Deci trebuie doar să-l stivez pe placa de control UNO atunci când îl utilizăm. Are 4 sloturi pentru conducerea modulelor de acționare a motoarelor pas cu pas. Fiecare motor pas cu pas are nevoie doar de două porturi pentru a gestiona 4 motoare pas cu pas și este ușor de utilizat.

Mod de acționare

Modul de acționare de pe axa X, Y, Z, este conectat în mod implicit, modulul trebuie să fie conectat pe Shield atunci când este utilizat. Pentru a rezolva cu ușurință modul de funcționare al mașinii pentru motoarele pas cu pas, implementăm cele două tipuri de driver A4988 în sloturile de sub fiecare locaș.

Detalii tehnice

Lungime- 54mm

Lațime- 69 mm

Grosime- 15 mm

Fig 3.9.1.Shield V3

3.10 Driver Stepper A4988

A4988 este un driver complet cu un microstepping cu motor translator încorporat pentru o operare ușoară. Este proiectat să funcționeze cu ajutorul lui motoarele pas cu pas bipolare în plin, jumătate, sfert, opt și în șaisprezecea etape. Cu o capacitate de pâna la 35 V și +- 2 A. A4988 include un curent de repaus fix regulator care are capacitatea de a funcționa în lent sau în anumite moduri de degradare.

Traducătorul este cheia implementării ușoare a driverului A4988. Pur și simplu introduceți un impuls pe unitațile de intrare STEP alimentând motorul cu un microstep. Nu există la momentul actual un tabel de secvențe de înaltă frecvență sau control interfețe complexe. Interfața A4988 este potrivirea ideală pentru aplicațiile în care microprocesoarele complexe nu sunt disponibile sau sunt supraîncărcate. În timpul operației de pas, controlul de stocare A4988 selectează automat modul de decădere curentă, lent sau mixt.

Fig 3.10.1. Stepper A4988

Driverul A988 sunt folosite pentru motoarele pas cu pas și ajută la construirea imprimantei 3D, sau pentru CNC. Și un modul potețiometru oferă o limită curentă. Pentru a utiliza la o capacitate maximă.

Specificații

Tensiunea motorului-8V la 35V

Tensiunea circuitului-3V până la 5,5V

5 Moduri de pași –complet,1/2,1/4,1/8,1/16

Lungimea -16 mm

Lățimea-21 mm

Fig 3.10.2

3.11 Endstop Switch

Întrerupătoarele mecanice sunt mai puțin complicate de implementat și mai ieftine decât dispozitivele optice, deoarece nu necesită o placă de circuit și se folosește doar două fire pentru conectarea comutatorului. Putem utiliza întrerupătorul de contact și comutatoare mecanice chiar și fără contact, pentru că de regulă ele acționează magnetic. Întrerupătoarele magnetice fără contact se numesc comutatoare cu reed.

Câteva motive pentru a utiliza un întrerupător mecanic

Nu necesită un buget mare pentru achiziționare

Nu este nevoie de opto PCB

Comutatoarele simple pot fi utilizate pe axa X și Y

Poți chiar să-ți faci propriul schimbător de contact din câteva piese de metal

Fig 3.11.1. Endstop Switch

Partea mecanică, rulmenții și cureua de transmisie

3.12 Rulmenți

Un rulment este un dispozitiv care permite mișcarea relativă forțată între două componente, de obicei mișcări rotative sau liniare, deoarece reduc dificultatea de frecare.

Structura rulmenților

Rulmentul este compus din două inele cu trasee integrale, inel interior și rulmenți radiali exteriori/șaiburi, ax și lagăre axiale de carcasă. Introducerea inelului exterior și inelul interior în elementele de rulare sunt ținute la intervale egale de colivie, asigurând o rulare liniară.

3.13 Clasificarea rulmenților

Diversitatea construcțiilor portante necesită selectarea unor standarde adecvate de clasificare:

Rulmentul are forma unui element de rulare

Direcția sarcinii de aplicare

Modul de prelucrare a înclinării

Numărul de rânduri de corpuri rulante

Formele si materialele de construcție ale coliviei

Rulmenții se împart în două clase principale:

Rulmenții cu bile

Rulmenții cu role

În construirea utilajului meu am avut nevoie de 7 rulmenții liniari cu bile recirculabile de dimensiune 8mm pentru tijele de ghidaj și un rulment de 5 mm cu bile pe un singur rând .

Fig 3.13.1. Rulment 5mm

Rulment cu dimensiunea de 5 mm.

Fig 3.13.1. Rulment 8mm

Rulment cu dimensiunea de 8 mm.

3.14 Curea de transmisie

Transmisia prin curea este utilizată din motive funcționale, de exemplu când arborele motor nu poate fi conectat direct la arborele condus din motive funcționale atunci structura sau operațiunea trebuie utilizată cu o curea de transmisie. Prin curea se înțelege elementul intermediar flexibil care se înfășoară pe cele două roți.

3.15 Tipuri de transmisii pe curea

Transmisie pe curea cu axe paralele cu ramuri deschise

Fig 3.15.1. Curea de transmisie

Transmisie pe curea cu axe paralele cu ramuri încrucișate

Fig 3.15.2

Transmisie pe curea cu axe încrucisate fără role de ghidaj

Avantajele curelei de transmisie

Transmite energie de la distanță și poziție convenabilă

Funcționează silențios

Amortizează șocurile și vibrațiile

Buget redus pentru achiziționare comparativ cu cele pe lanțuri

Dezavantajele

Gabarit mare, comparativ cu roțile dințate

Precizie slabă

Durabilitate limitată

Produc încărcări electronice

Fig 3.15.3

Capitolul 4

Programarea și controlarea CNC

4.1 Laser GRBL

Pentru a controla și programa utilajul, folosesc un software special numit GRBL Laser, care are ca și funcție de a converti fișierul încărcat într-un cod pe care utilajul îl va executa.

Deci cum este făcuta mașina să se deplaseze și să se obțina un efect ?! Acest lucru este făcut prin rularea unui program. Un program CNC este încărcat în computerul de control, prin intermediul unui software comunicâtnd cu utlizatorul printr-o o interfață grafică, în cazul meu folosesc laser GRBL, care apoi este executat determinând mașina să efectueze mișcările programate.

Numele limbajului de programare pe care îl folosesc pentru mașină se numește G-code. În general mașinile unelte CNC pot înțelege și converti instrucțiunile din G-code setat în mișcare reală și fizică. Rolul computerului de control este să citească codul, linie după linie și comandă CNC să efectueze mișcarea.

Exemplu de G-code:

G17 G20 G90 G94 G54
G0 Z0.25
X-0.5 Y0.
Z0.1
G01 Z0. F5.
G02 X0. Y0.5 I0.5 J0. F2.5
X0.5 Y0. I0. J-0.5
X0. Y-0.5 I-0.5 J0.
X-0.5 Y0. I0. J0.5G01 Z0.1 F5.
G00 X0. Y0. Z0.25

Exeplul este foarte simplu el deseneză un cerc cu un diamentru de 1 cm de la origine.

4.2 Detalii despre Laser GRBL

Laserul GRBL este firmware-ul placii Arduino Uno în cazul meu pentru că el se mai poate realiza și pe alte plăci de exemplu pe Arduino Nano, Duemillanove. El este utilizat pentru a controla motorarele și axa/ laserul. GRBL foloșeste coduri ca semnale de intrare și ieșire prin Arduino.

Laserul GRBL este un program software de înaltă precizie, open-source, care controlează mișcarea mai multor tipurii de mașini care au rolul de a crea/fabrica obiecte și pot rula pe arduino.

Fig 4.2.1. Laser GRBL

În ceea ce privește aspectul și interfața, Laser GRBL este un software foarte ușor de utilizat și economic, deoarece este gratuit și poate interpreta și converti G-code pentru placa de dezvoltare Arduino pentru a controla treptat motorul.

După cum a spus un constructor de software-ului, modul în care este creat programul este cât se poate de ușor de utilizat și pot confirma acest lucru. Laserul GRBL este de fapt extinderea unui program GRBL, care este utilizat pentru a opera utililajul pe un instrument cu două sau mai multe axe. Nu este cel mai complet program, dar este un instrument foarte util pentru persoanele care construiesc asemenea mașinării cu 2 sau 3 axe.

Funțiile GRBL sunt setate în principal prin portul serie Arduino și trebuie să trimită continuu comenzi de G-code printr-un computer sau alte mijloace. GRBL acceptă și prelucrează blocul de cod unic, apoi returnează returul transmisiei ignorând comentariile G-codurilor și ștergând caracterele.

Când blocul este procesat și gata pentru mai multe informații, acesta va returna un mesaj sau o eroare. Biblioteca de coduri oferă scripturi scrise într-un limbaj de programare simplu pentru a oferi un G-code pentru referință.

Pentru a înțelege modul în care GRBL funcționează intern, în esență, două programe rulează simultan pe GRBL. Programul principal citește portul serial al comenzii G-code, îl analizează, apoi îl transmite planificatorului accelerat și, în final, pune evenimentul în bufferul de apeluri, Arduino 168 poate reține până la 5 blocuri iar Arduino 328p poate să rețină până la 16 blocuri. Al doilea program este întrerupt și funționează în fundal. Acesta controlează motorul pas cu pas și transmite impulsuri către motoarele de pas și biți de direcție către pinii stepper-ului și procesează secvențial evenimentele bufferului de apel în mod FIFO până când este gol.

În majoritatea cazurilor, atâta timp cât există spațiu tampon, programul principal va continua să accepte noi blocuri de coduri de bare cât mai curând posibil. Dacă bufferul este plin, grbl nu va trimite un raspuns până când programul nu încheie evenimentul și îl elimină din buffer. Pentru a reîncărca un program nou, interfața utilizatorului trebuie să afișeze întodeauna un răspuns ok sau o eroare de la grbl înainte de a trimite un nou bloc de G-code. În plus, fluxul de date trebuie să fie păstrat constant și neîntrerupt pentru a-l minimiza pe mașină. Nu există date clare în ceea ce privește determinarea întreruperii în mod neașteptat a mișcării CNC.

Pentru o interfață externă, doar mișcarea axei XYZ este extrem de ridicată. Alte funcții precum: pauză, declarație variabilă pentru inspecție, ciclu gazdă, vizualizare în timp real sau interfață manuală, etc. Trebuie menționat că unele dintre aceste caracteristici sunt hotărâte de către utilizator să adauge, în principal pentru a menține simplitatea și portabilitatea.

Fig 4.2.2. GRBL Configurațion

Fig 4.2.3.

4.3 Modul de funcționare al laserului GRBL

Principala operație a GRBL implică și modul laser de a controla mișcarea axei sau ieșirea laser implicită. De fiecare dată când schimbați axele sau vitezele axei, ele se vor opri, permițând înlocuirea axei sau axelor. Are nevoie de timp pentru a schimba angrenajele. Cu toate acestea, dacă laserul este pornit și oprit, astfel, de fiecare dată când axa se schimbă, va rezulta gravarea necorespunzătoare! Noul mod laser Grbl previne timpul de inactivitate inutilă și adaugă un nou mod de operare dinamic cu laser care mărește automat puterea pe baza vitezei actuale legată de viteza programată. Prin urmare, chiar și la utilajele cu accelerație scăzută, putem să obținem rezultate super clare .

Grbl este compatibil cu toate plăcile Arduino bazate pe controlerul Atmega328, ceea ce înseamnă că pot utiliza Arduino Uno pentru realizarea utilajului meu.

Fig 4.3.1. Laser material Database

Utilizarea software-ului pentru CNC

După instalarea utilajului și conectarea plăcii de dezvoltare Arduino la computer printr-un cablu USB, conexiunea la Grbl este foarte simplă. Am folosit Arduino IDE în sine pentru a mă conecta la Grbl. Alte programe de port seriale mai pot fi CoolTerm sau PuTTY, funcționează bine.

Câteva schițe din programul utilajului:

/*

config.h – compile time configuration

Part of Grbl

Copyright (c) 2012-2016 Sungeun K. Jeon for Gnea Research LLC

Copyright (c) 2009-2011 Simen Svale Skogsrud

Grbl is free software: you can redistribute it and/or modify

it under the terms of the GNU General Public License as published by

the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

(at your option) any later version.

Grbl is distributed in the hope that it will be useful,

but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

GNU General Public License for more details.

You should have received a copy of the GNU General Public License

along with Grbl. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.

*/

// This file contains compile-time configurations for Grbl's internal system. For the most part,

// users will not need to directly modify these, but they are here for specific needs, i.e.

// performance tuning or adjusting to non-typical machines.

// IMPORTANT: Any changes here requires a full re-compiling of the source code to propagate them.

#ifndef config_h

#define config_h

#include "grbl.h" // For Arduino IDE compatibility.

// Define CPU pin map and default settings.

// NOTE: OEMs can avoid the need to maintain/update the defaults.h and cpu_map.h files and use only

// one configuration file by placing their specific defaults and pin map at the bottom of this file.

// If doing so, simply comment out these two defines and see instructions below.

#define DEFAULTS_GENERIC

#define CPU_MAP_ATMEGA328P // Arduino Uno CPU

// Serial baud rate

// #define BAUD_RATE 230400

#define BAUD_RATE 115200

// Define realtime command special characters. These characters are 'picked-off' directly from the

// serial read data stream and are not passed to the grbl line execution parser. Select characters

// that do not and must not exist in the streamed g-code program. ASCII control characters may be

// used, if they are available per user setup. Also, extended ASCII codes (>127), which are never in

// g-code programs, maybe selected for interface programs.

// NOTE: If changed, manually update help message in report.c.

#define CMD_RESET 0x18 // ctrl-x.

#define CMD_STATUS_REPORT '?'

#define CMD_CYCLE_START '~'

#define CMD_FEED_HOLD '!'

// NOTE: All override realtime commands must be in the extended ASCII character set, starting

// at character value 128 (0x80) and up to 255 (0xFF). If the normal set of realtime commands,

// such as status reports, feed hold, reset, and cycle start, are moved to the extended set

// space, serial.c's RX ISR will need to be modified to accomodate the change.

// #define CMD_RESET 0x80

// #define CMD_STATUS_REPORT 0x81

// #define CMD_CYCLE_START 0x82

// #define CMD_FEED_HOLD 0x83

#define CMD_SAFETY_DOOR 0x84

#define CMD_JOG_CANCEL 0x85

#define CMD_DEBUG_REPORT 0x86 // Only when DEBUG enabled, sends debug report in '{}' braces.

#define CMD_FEED_OVR_RESET 0x90 // Restores feed override value to 100%.

#define CMD_FEED_OVR_COARSE_PLUS 0x91

#define CMD_FEED_OVR_COARSE_MINUS 0x92

#define CMD_FEED_OVR_FINE_PLUS 0x93

#define CMD_FEED_OVR_FINE_MINUS 0x94

#define CMD_RAPID_OVR_RESET 0x95 // Restores rapid override value to 100%.

#define CMD_RAPID_OVR_MEDIUM 0x96

#define CMD_RAPID_OVR_LOW 0x97

// #define CMD_RAPID_OVR_EXTRA_LOW 0x98 // *NOT SUPPORTED*

#define CMD_SPINDLE_OVR_RESET 0x99 // Restores spindle override value to 100%.

#define CMD_SPINDLE_OVR_COARSE_PLUS 0x9A

#define CMD_SPINDLE_OVR_COARSE_MINUS 0x9B

#define CMD_SPINDLE_OVR_FINE_PLUS 0x9C

#define CMD_SPINDLE_OVR_FINE_MINUS 0x9D

#define CMD_SPINDLE_OVR_STOP 0x9E

#define CMD_COOLANT_FLOOD_OVR_TOGGLE 0xA0

#define CMD_COOLANT_MIST_OVR_TOGGLE 0xA1

Fig 4.4.1. Prelucrare

Fig 4.4.2

Concluzii

În conluzie am făcut pași mari pentru a dezvoltarea și implementarea componentele necesare pentru utilajul de gravare cu un buget redus, dar să pot grava cu el diferite obiecte. Pentru a putea să fac mai multe operaținunii cu el, de exemplu: taiere, fasonare, etc. El are nevoie de înbunătățirii, cum ar fi: diode laser să aibă o capacitate mai mare, motoarele să aibă o viteză mai mare, parametrii și execuția să fie mai precisă, etc.

Dacă partea mecanică a utilajuluie ar fi îmbunătățită și parametrii laserului optimizați pentru a furniza o putere de ardere adecvată de către laser, CNC ar funcționa probabil ca prototipării ca metodă de planificare a aspectului mai bun decât gravarea reală.

Alte utilizări pentru deiodele laser sunt acelea bine poziționate și care are nevoie doar de niște creatori cu o bună creativitate . Folosind componentele explicate în acestă lucrare am constatat că mai multe mecanisme pot fi utilizate pentru proiectarea/gravare folosind laserul și un sistem de poziționare cu un buget redus.

Bibliografie

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

Alan Overby: CNC Machining Handbook:Building, Programming, and Implementation, 2010

Liviu Morar:Programarea echipamentelor cnc.Editura U.T.PRESS, 2015

https://ardushop.ro/ro/printare-3d/103-motor-pas-cu-pas-nema17-18-grade-18a.html

https://www.teknistore.com/en/blue-laser-pointer/4955-jlm45160za-o1y5-450nm-12v-2a-high-power-blue-lightlaser.html?mobile theme ok

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

DIY CNC Controller: How to Setup Your Arduino & gShield

https://www.instructables.com/id/How-to-Installuse-GRBL-With-Your-Cnc-Machine/