Programul de studii: SISTEME MECATRONICE [600700]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 1
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

CUPRINS
Cuprins ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 1
Rezumatul Lucrării ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 3
Abstract ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 5
Lista simbolurilor și a abrevierilor folosite ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 7
1. Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 9
1.1 Sisteme mecatronice utilizate în prelucrări mecanice ………………………….. ………………………….. ……. 9
1.2 Tehnologia LASER ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 10
1.2.1 Dioda LASER ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 11
2. Analiza critică a soluțiilor existente și justificarea soluției alese ………………………….. …………………… 13
2.1 Structura sistemelor mecatronice comandate numeric ………………………….. ………………………….. .. 13
2.2 Programarea și comanda numerică ………………………….. ………………………….. ……………………… 14
2.2.1 Structura generală a unui program în cod G ………………………….. ………………………….. …… 14
2.3 Analiza critică a soluțiilor existente ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 16
2.3.1 Clasificarea sistemelor mecatr onice comandate numeric în funcție de procedeul de prelucrare
la care sunt folosite ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 16
2.3.2 analiza soluțiilor existente în domeniul prelucrăriilor cu LASER ………………………….. ………………. 19
2.3.2.1 Variante constructive ale sistemelor mecatronice pentru gravare cu LASER …………………… 20
2.4 Justificarea soluției alese ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 22
2.5 Obiectivele și ipotezele cercetării ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 24
3. Considerații teoretice privind componentele alese pentru real izarea sistemului de gravare cu laser . 25
3.1 Subsistemul mecanic ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 25
3.1.1 Motorul pas cu pas ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 25
3.1.2 Transmisia ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 27
3.1.3 Tipuri de rulmenți utilizați în cadrul lucrării ………………………….. ………………………….. ………….. 29
3.1.4 Axe de ghidare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 31
3.1.5 Suporți pentru fixarea axelor de ghidare ………………………….. ………………………….. ……………… 32
3.2 Subsistemul electronic ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 33
3.2.1 Sursa de alimentare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 33
3.2.2 Circuitul pentru comandarea motoarelor ………………………….. ………………………….. …………….. 35
3.2.3 Platforma cu microcontroller ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 37
3.2.4 Modulul LASER ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 39

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 2
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

3.2.5 Circuitul pentru limitarea curentului prin dioda LASER ………………………….. ………………………. 40
4. Proiectarea mecanică și modelarea 3d a ansamblului ………………………….. ………………………….. ……….. 41
4.1 Modelarea componentelor mecanice și realizarea ansamblului 3D. ………………………….. …………… 41
5. Implementarea s ubsistemului software ………………………….. ………………………….. ………………………….. 46
5.1 Programul utilizat de platforma Arduino ………………………….. ………………………….. ……………………. 46
5.1.1 Definirea obiectivului ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 46
5.1.2 Realizarea setărilor principale din program ………………………….. ………………………….. ………….. 46
5.1.3 Rularea programului principal ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 48
5.2 Programul ce realizează transferul datelor către Arduino ………………………….. …………………………. 49
6. Realizarea practică a sistemului mecatronic pentru gravare cu LASER ………………………….. …………….. 52
7. Măsuri de protecția m uncii, Tehnica securității și Prevenirea și stingerea incendiilor …………………….. 56
9. Concluzii finale, contribuții și perspective de dezvoltare ………………………….. ………………………….. ……. 57
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 59
Anexa nr. 1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 61

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 3
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

REZUMATUL L UCRĂRII
Prezenta lucrare de disertație a avut ca obiectiv proiectarea și realizarea u nui sistem
mecatronic pentru gravare cu LASER , în vederea utilizării și valorificării sale.
Pentru realizarea acestei lucrări a fost necesară parcurgerea mai multor etape, dintre care
cele mai importante au fost :
1. Etapa de documentare și analizare a soluțiilor existe nte;
În cadrul acestei etape au fost studiate diferite sisteme mecatronice comandate numeric și
s-au analizat diferențele dintre acestea. Cu ajutorul acestei analize s -a făcut o clasificare a
sistemelor de acest tip și s -a identificat zona de interes pentr u prezentul proiect. În momentul
identificării zonei de interes, s -a realizat o compararație între sistemele existente pe piață în
prezent, a domeniului de utilizare al acestora și în final s -a ales o soluție care să îndeplinească
cerințele lucrării.
2. Etapa de proiectare a subsistemului mecanic și de realizare a modelului CAD
Realizarea modelului CAD este un pas important în orice proiect ingineresc deoarece
oferă proiectantului o viziune de ansamblu asupra produsului. În cadrul acestei etape au fost
modelate toate componentele mecanice ale sistemului și apoi au fost asamblate în vederea
verificării și corectării evetualelor erori în calcularea dimensiunilor fiecărei componente, a
diametrelor găurilor și a distanțelor dintre acestea, necesare la asamblarea tu turor eleme ntelor.
3. Etapa de alegere a soluției electronice.
În această parte a proiectului s -au evaluat soluțiile existente din punct de vedere
electronic pentru tipul de sistem ales în cadrul primei etape. Au fost analizate avantajele și
dezavantajele ut ilizării diferitelor sisteme de comandă și control, s -a analizat consumul de
energie al motoarelor pentru alegerea circuitelor de tip driver -e de motoare. Totodată s -a luat în
considerare domeniul de utilizare al sistemului pentru alegerea modulului LASER potrivit.
4. Etapa de implementare a subsistemului software.
Având în vedere că s -a optat pentru utilizarea plăcii de dezvoltare cu microcontroller
Arduino MEGA 2560 și a faptului că aceasta nu dispune de memoria necesară pentru stocarea
programelor de tip NC , subsistemul s oftware este împărțit în 2 zone :
o Programul stocat în memoria plăcii Arduino, care are rolul de a „ înțelege” codul
de tip NC și a transmite comenzile către motoare, astfel încât sistemul să se
deplaseze corect în coordonatele solicitate. Datorită existenței a numeroase
programe care realizează acest lucru, s -a optat pentru modificarea unui program
„Open -source” deja existent, astfel încât sistemul să poată funcționa corect.
Datorită acestei decizii s -au economisit resurse, ce au fost îndrepta te spre alte
zone ale lucrării.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 4
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

o Un program care să realizeze transferul fraza cu fraza a fișierului ce conține codul
NC. Deși există numeroase soluții deja existente în format „Open -source”, s -a
optat pentru realizarea acestui program în software -ul LabVIEW, astfel s -a
asigurat compatibilitatea 100% cu programul scris în memoria Arduino și de
asemenea s -a asigurat flexibilitatea programului, pe lângă rolul de transfer de
date, s -a realizat și o parte care controlează sistemul în modul manual și o
extensie care realizează simularea prelucrării pentru a evita eventuale erori.
5. Etapa de realizare practică a sistemului
În acest punct au fost adunate toate datele necesare realizării practice a sistemului
mecatronic pentru gravare cu LASER. S -a pornit de la a chiziționarea elementelor ce nu puteau,
sau nu era avantajos a fi realizate personal, s -a achiziționat materia primă pentru executarea
structurii mecanice și pe baza desenelor de execuție realizate în cadrul etapei cu numărul 2 s -au
efectuat prelucrările n ecesare.
Odată realizate și asamblate componentele subsistemului mecanic, a fost realizat
subsistemul electronic. Au fost achiziționate co mponentele necesare acționării părții mecanice, a
fost achiziționat modulul LASER și s -a construit un circuit pentru limitarea curentului absorbit
de către diodă.
Pe baza rezultatelor din cadrul etapei cu numărul 4, s -au implementat soluțiile software
alese și s -a testat funcționarea produsului final. Pe parcursul etapei de testare s -au observat
diverse disfuncționalităț i care au fost corectate și au condus la rezultatul final transpus în
prezenta lucrare.
După finalizarea etapei cu numărul 5, s -au formulat concluzii desprinse pe parcursul
realizării lucrări i și s-au stabilit eventualele direcții de dezvoltare pentru îmbu nătățirea
performanțelor obținute.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 5
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

ABSTRACT
Numerical control machines are mechatronic systems used to model the shape and size of
metallic or non -metallic bodies through cutting. By using these machine tools, parts can be
reproduced with the highest precision, thus allowing mass production.
The hereby degree thesis has as purpose the design and production of a numeric control
machine to be used in the milling of printed circuit boards.
The introductory part of the thesis provides general infor mation related to numeric
control machines, their history and the scale they are used worldwide. In addition, the same
section presents general concepts regarding printed circuit boards, their use as well as the various
methods of manufacturing them. The n ext step in the development of the project consisted in the
analysis of the worldwide currently employed solutions and the selection of the optimum
alternative in view of designing and producing. Following, it was necessary to illustrate the
mechanical and electronic components used in the construction of the numeric control machines
along with the software alternatives for the command of the entire aggregate and the auxiliary
programs with the help of which printed circuit board are created.
The designing of the mechanical system and its tridimensional modelling in Catia
program were achieved as a result of the conclusions drawn while covering the previous steps.
The simulation of the virtual prototype in LMS Virtual Lab, subsequent to the 3D modelling,
generated graphics of f orces and torques which were further used to determine the characteristics
required in the choosing of stepper motors . Consequently, the type of motor driver appropriate
for the project was decided on along with the necessary components , which allowed the
electronic system to be designed and realized.
Starting from the 3D model of the mechanical system, its manufacturing was started.
Wood was the material used for the case, polyamide for the guiding system and screw nuts and
steel for the threaded rods and guiding axes. Screws and flanges were used in order to assemble
and secure the mechanical components, the engines were attached to the threaded rods with
thimbles and, at opposite ends, bearings were used to reduce friction. The compl etion of the
electronic system involved the calculation and selection of the appropriate power source as well
as the creation of the stepper engine command/control circuit. It was made on a prototyping
board, later being transferred on a printed circuit bo ard. The manufacturing of the mechanical
and electronic systems made possible the implementation of the software algorithm on the
Arduino board and its adjusting to the project requirements.
The aggregate’s performance was tested after all the steps presen ted above had been
covered and final conclusions were drawn.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 6
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 7
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

LISTA SIMBOLURILOR Ș I A ABREVIERILOR FOL OSITE
CAD = acronim din limba engleză „Computer Aided Design” și se poate traduce ca : Proiectare
asistată de C alculator.
CAM = acronim din limba en gleză „Computer Aided Manufacturing” și se poate traduce ca:
Producție asistată de c alculator .
CNC = acronim din limba engleză „Computer Numerical Control” și se poate traduce ca sistem
comandat numeric.
G-code Interpreter = din limba engleză și se traduce Interpretor al codului G. Are rolul de a
comanda motoarele făcându -le să se deplaseze în direcția și în modul corespunzătoare frazei din
fișierul NC.
GRBL = este un program pentru Arduino UNO utilizat în mod uzual în controlul sistemelor
comandate numeric destinate uzului personal.
LASER = este un acronim din limba engleză „Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation” și în limba română se poate traduce ca: Amplificare luminii prin stimularea emisiei
de radiații.
LED = din engleză „Light Emitting Diode” înseamnă diodă electroluminiscentă. Reprezintă o
modalitate foarte bună de iluminare, fiind caracterizată de un consum redus de energie.
MASER = este un acronim din limba engleză „Microwave Amplification by Stimulated
Emission of Radiation ” și se traduce în limba română ca: Amplificarea microundelor prin
stimularea emisiei de radiații.
MDF = acronim din engleză „Medium Density Fiberboard” și este un material lemnos format din
bucăți din lemn mărunțite fin, care sunt presate între ele, obțin ându -se astfel un material cu o
duritate bună și cu un cost mai scăzut decât cel al lemnului masiv.
MIT = acronim din engleză „Masschussets Institute of Technology”, este o universitate renumită
din Statele Unite ale Americii, recunoscută pentru cercetăril e din domeniul tehnologiei.
MUCN = abreviere în limba română pentru: Mașină unealtă comandată numeric.
MPP = abreviere în limba română pentru: motor pas cu pas.
NC = din engleză „Numerical Control”, acestă abreviere se referă în general la tipul fișierelor
folosite pentru mașinile comandate numeric.
NEMA = din engleză „ National Electrical Manufacturers Association ”, standar utilizat pentru
clasificarea motoarelor pas cu pas în funcție de diametrul măștii sau a dimensiunilor L X l ale acesteia.
Ra = Reprezin tă un tip de rugozitate, definită ca: „abaterea medie aritmetică a profilului evaluat
și reprezintă media aritmetică a valorilor absolute ale ordonatelor profilului, în limitele unei

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 8
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

lungimi de bază” (cf. standard SR EN ISO 4287:2003., Specificații geometr ice pentru
produse.Starea suprafeței. Metoda profilului).

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 9
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

1. INTRODUCERE
Prezenta lucrare de disertație își propune proiectarea și realizarea u nui sistem mecatronic
pentru gravare cu LASER , în vederea însușirii cunoștințelor necesare pentru proiectarea
mecanică și electronică, prelucrarea componentelor, asamblarea, programarea și utilizarea unui
astfel de sistem.
1.1 SISTEME MECATRON ICE UTILIZATE ÎN PRE LUCRĂRI
MECANICE
Sistemele mecatronice sunt sistem e care înglobează tehnologia din domeniile mecanic,
electronic și informatic , în vederea realizării unor produse complexe într -un mod complet
automat . Datorită modului de lucru, se elimină eroarea umană din procesul de realizare al
produsului, timpul de lu cru este considerabil redus și nu în ultimul rând, în comparație cu o ființă
umană, poate funcționa fără oprire.
În general aceste sisteme sunt utilizate pentru realizarea unor sarcini repetitive și care
necesită un grad ridicat de complexitate . Pentru î ndeplinirea acestor sarcini, aceste a au nevoie de
o structură mecanică care să asigure mobilitatea , un subsistem electronic care să realizeze
acționarea componentelor mecanice și un subsistem software care realizează comanda și
controlul celorlalte două su bsisteme.
Un exemplu de sisteme mecatronice utilizate la scară largă în industrie, este cel al
mașinilor comandate numeric . Comanda numerică reprezintă un procedeu de comandă automată
ce permite poziționarea sau ghidarea unui organ mobil în orice moment al mișcării, după o
traiectorie impusă . [1]
Acestea au rolul de a modifica forma și dimensiunile unor materiale metalice sau
nemet alice, prin eliminare de material . Îndepărtarea materialului se poate face prin așchiere
(strunjire, frezare, rectificare, etc. ) sau prin utilizarea unor tehnologii de prelucrare
neconvenționale. Datorită acestor unelte se pot prelucra materiale sub forme foarte complexe la
viteze ridicate, pe rmițând astfel producția în serie mare a pieselor. [1]
Prima mașină comandată numeric, a fost realizată în anul 1951, în Statele Unite ale
Americii la MIT. Prima generație de mașini comandate n umeric folosea lămpi electronice, din
această cauză funcționau cu o disipare de căldură imensă și aveau un gabarit foa rte mare .
Acestea, deși au reprezentat un salt destul de mare în evoluția tehnologică încă nu erau foarte
fiabile, dar acest lucru avea să se schimbe o dată cu apariția celei de -a două generații de astfel de
mașinării. Evoluția acestora a constat din înloc uirea lămpilor electronice cu tranzistor i. Utilizarea
tranzistorilor a făcut ca s pațiul ocupat și căldura produsă să fie mai mici față de generația
anterioară, crescând astfel și fiabilitatea lor.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 10
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Aceste două generații de mașini -unelte nu dispuneau de mem orie, astfel că instrucțiunile
erau stocate pe benzi de hârtie perforată fiind transmise pe rând către mașină. Primele memorii
de stocare au fost memoriile cu role de bandă magnetică. Acestea au apărut odată cu
introducerea în exploatare a circuitelor inte grate.
Odată cu apariția microprocesoarelor și a implementării tehnologiei lor a apărut și
generația mașinilor comandate numeric utilizate în prezent. Acestea au avantajul de a putea
utiliza modelul tridimensional, realizat cu ajutorul tehnologiei CAD și d e a-l transforma în
coordonate prin intermediul programelor de tip CAM . [2]
1.2 TEHNOLOGIA LASER
Radiația laser este o radiație electromagnetică, care acoperă domeniul optic din spectrul
infraroșu până la spectrul vizibil și spectrul ultraviolet, caracteri zate printr -o radiație coerentă,
monocromatică și intensă.
Primele cercetări legate de utilizarea radiației stimulate pentru a genera microunde, au
fost făcute de către Prohorov și Basov în începând cu anul 1954. Dispozitivele dezvoltate de cei
doi au fos t denumite MASERI. Ulterior, cercetările teoretice efectuate de Schalow și Townes în
1958 au condus la realizarea, în 1960 de către Meinmen, a primului MASER optic, denumit și
LASER.
Principiul de funcționare al dispozitivelor de tip LASER este legat de le gea de emisie a
radiației electromagnetice a unui sistem atomic. Tranziția electronilor de pe un nivel superior pe
unul inferior poate fi spontană, indusă ori stimulată, de o radiație care are aceeași frecvență cu
cea corespunzătoare tranziției considerate .
În cadrul procesului de absorbție stimulată, un electron din banda de valență primește
energia de la un foton incident și trece în banda de conducție. Energia pe care electronul o
câștigă este egală cu energia fotonului: [3]
(1.1)
Fig. 1.1 . Schema de principiu a unui LASER [3]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 11
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Proprietățile radiației LASER:
1. Coerență spațială. Această proprietate are două consecințe ce au fost observate în mod
experimental: Directivitatea fasciculului LASER și focalizarea cvasipunctuală.
2. Coerență temporală.
3. Monocromaticitatea radiației LASER.
4. Intensitatea radiației.
5. Impulsuri ultrascurte.
Tipuri de LASER:
1. LASER cu mediul acti v solid dielectric.
2. LASER cu gaz.
o gaz atomic;
o gaz ionic;
o gaz molecular.
3. LASER cu mediul activ lichid.
4. LASER cu semiconductori. Spre deosebire de alte tipuri de LASER, în cazul LASER –
ului cu semiconductori emisia stimulată se obține într -un mod dif erit, atât din punct de vedere al
performanțelor cât și ca metodă de pompaj (excitație). [3]
1.2.1 Dioda LASER
Pentru ca purtătorii de sarcină majoritari să poată trece cu ușurință în regiunile adiacente
și astfel să devină purtători de sarcină minoritari de neechilibru, este necesară micșorarea barierei
de potențial din regiunea de sarcină spațială. Acestă micșorare apare datorită fenomenului de
injecție și recombinare a purtătorilor de sarcină din jo ncțiunea p -n polarizată direct.

Fig. 1.2. Structura unei diode LASER[3]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 12
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

În figura 1.2 se poate observa că în vecinătatea planului de separere a regiunilor p și n ale
joncțiunii polarizate direct se formează o regiune activă care are grosimea „d”. În acest loc
concentrațiile purtătorilor de sarcină de neechilibru sunt mari și aici predomină procesele de
recombinare radiantă. Grosimea „d” este dată de ordinul lungimii de difuzie pe care îl au
purtătorii de sarcină și în acest loc se se creează condițile inversiei de populație, necesare pentru
obținer ea emisiei stimulate nete. [3]
Deoarece o diodă LASER are același comportament ca orice alt tip de diodă, pentru a o
putea folosi în parametri optimi, este necasară limitarea absorbției de curent electric. Cel mai
simplu mod de a limita curentul printr -o diodă, este prin utilizarea unei rezistențe. Valoarea
acesteia se calculează c u formula:

(1.2)
Unde: = Tensiunea de alimentare;
= Căderea de tensiunea pe diodă;
= Curentul de alimentare al diodei;
= Rezistența necesară pentru limitarea curentului.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 13
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

2. ANALIZA CRITICĂ A SO LUȚIILOR EXISTENTE Ș I
JUSTIFICAREA SOLUȚIE I ALESE
2.1 STRUCTURA SISTEMELOR MECATRONI CE COMANDATE
NUMERIC
Din punct de vedere funcțional, pentru un sistem comandat numeric sunt importante
următoarele caracteristici: [4]
o Numărul de axe pe care se poate deplasa;
o Purtătorul de program;
o Memoria pentru înmagazi narea programelor;
o Modul de introducere a programelor;
o Posibilitatea de adaptare pentru legătura cu o memorie externă;
o Precizia obținută.
În sistemul tradițional de coordonate (tridimensional) un corp poate executa mișcări de -a
lungul a 3 axe de translație (X,Y,Z) și în jurul a 3 axe de rotație. În acest caz se consideră că acel
corp are 6 grade de libertate . Similar se procedează și pentru a analiza pe câte axe se poate
deplasa un sistem comandat numeric, astfel în mod convențional putem vorbi de sisteme CNC
care au două, trei, patru, cinci sau maxim șase grade de libertate, dar î n cazul în care tot
ansamblul este montat pe un suport care poate executa diferite mișcări, se poate discuta de
mașini cu 7, 8 sau chiar 9 grade de libertate .[4]
Cei mai cunoscuți producători de sisteme mecatronice comandate numeric sunt :
o Siemens, Germania;
o FANUC, Japonia;
o Alcatel, Franța;
o Haas, SUA;
o Mikromat, Germania;
o Heidenhein, Germania.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 14
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

2.2 PROGRAMAREA ȘI COMAN DA NUMERICĂ
Toate mișcările executate de MUCN se raportează la un sistem de referință, în general
acest sistem de referință corespunde cu originea sistemului de coordonate. Punctul de origine al
sistemului de coordonate, este punctul în care toate coordonatele axelor au valoarea 0. Acesta
trebuie să fie un punct fix ș i bine stabilit în spațiu, deoarece poziționarea pieselor de prelucrat se
face față de acest punct. Pe lângă sistemul de coordonate fix al mașinii, se alege și un sistem de
referință relativ. Acesta se alege de către programator și reprezintă punctul de un de începe
prelucrarea piesei. Sistemul absolut de coordonate al MUCN și sistemul relativ de referință sunt
legate între ele printr -un vector de poziție. Această operațiune se numește ”poziționarea piesei”
și are ca efect transformarea coordonatelor relativ e în coordonate absolute , prin efectuarea, de
către mașina comandată numeric, a unei translații automate. [4]
În programarea mașinilor comandate numeric se deosebesc 5 etape: [1]
o Se strâng informații de desen și tehnologie în planul de operații;
o Sunt calcu late și transformate informațiile de poziție și coordona te ale mașinii
unelte, în infor mații codificate;
o Se scrie programul sursă;
o Înainte ca programul să fie implementat în mașina unealtă, acesta se probează
pe un simulator. Proba are ca scop depistarea d e greșeli în programare sau
optimizarea programului conceput;
o Ultima etapă este cea de transferare a programului către mașină, în vederea
realizării prelucrării.
2.2.1 Structura generală a unui program în cod G
Un program realizat pentru comandarea mașinilor -unelte este alcătuit din fraze și cuvinte.
Fiecare frază reprezintă un pas al prelucrării , instrucțiunile fiind scrise în interiorul frazelor sub
formă de cuvinte. Cuvintele reprezintă un caracater alfabetic, urmat de o cirfră sau un număr.
Toate programele s crise în limbajul de programare al mașinilor unelte comandate numeric sunt
formate dintr -o parte de început, în care instrucțiunile pregătesc mașina pentru începerea
prelucrării, partea de mijloc, în cadrul căreia instrucțiunile vizează în mod direct reali zarea
prelucrării și ultima parte este cea a căror instrucțiuni vizează finalizarea prelucr ării și care
îndepărtează scula așchietoare de piesă, opresc motorul ce antrenează scula etc. [1]
Programele realizate pentru comandarea numerică a mașinilor unelte poartă denumirea
generică de programe în cod G. Denumirea aceasta vine tocmai din cauză că principalele funcții
ale acestui limbaj de programare încep cu litera G.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 15
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

În tabelul 2.1 sunt prezentate pe scurt cele mai uzuale funcții ale acest ui limbaj de
programare.
Tabel 2.1 Funcții specifice ale limbajului de programare [1]
Funcția Specificul funcției
% Marchează începutul programului;
N Număr frază;
L Număr subprogram;
G00 Poziționare rapidă;
G01 Interpolare liniară;
G02 Interpolare circulară în sens orar;
G03 Interpolare circulară în sens trigonometric;
G04 Temporizare în număr de rotații ale arborelui principal (AP);
G26 Programare rază după axa X;
G27 Programare diametru după X;
G28 Autoprogramare pentru strunjire plană (frontală);
G29 Autoprogramare pentru strunjire longitudinală;
G32 Deplasare la poziția de schimbare a sculei;
G33 Filetare cu pas constant;
G36 Deplasare la punctul de început al programului;
G38 Autoprogramare START;
G39 Autoprogramare STOP;
G40 Sfârșit de echidistanță;
G41 Echidistanță stânga în sensul de prelucrare;
G42 Echidistanță dreapta în sensul de prelucrare;
G44 Completare prin unghi;
G45 Completare prin cerc;
G54 Deplasare punct nul;
G60 Oprire exactă (poziționare precisă);
G63 Tarodare cu mandrină de compensare;
G64 Regim de conturare fără compensare erori de poziție;
G90 Introducerea dimensiunilor absolute;
X Informație de traiectorie după axa X în [mm] ;
Y Informație de traiectorie după axa Y în [mm] ;
Z Informație de traiectorie după axa Z în [mm] ;
I Parametru de interpolare pentru axa X în [mm]
Pasul filetului paralel cu axa X în [mm/rot];
J Param etru de interpolare pentru axa Y în [mm]
Pasul filetului paralel cu axa Y în [mm/rot];
K Parametrul de interpolare pentru axa Z în [mm] (G90/G91)

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 16
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Pasul filetului paralel cu axa Z în [mm/rot];
F Avansul în [mm/rot];
S Turația arborelui principal [rot/min];
T Număr sculă;
M00 Oprire programată necondiționată;
M02 Sfârșit de program cu revenire la prima fază;
M3 Sens de rotație a arborelui principal spre dreapta;
M4 Sens de rotație a arborelui principal spre stânga;
M5 Oprire arbore principal;
M8 Pornire răcire;
M9 Oprire agent de răcire;
M10 Oprirea arborelui principal ;
M11 Pornire transportor șpan;
M12 Oprire transportor șpan;
M22 Revenire din subprogram.
M60 Schimbare sculă;
R Valoarea adâncimii de așchiere.

2.3 ANALIZA CRITICĂ A SOLUȚIILOR EXISTEN TE
În prezent sunt existente pe piață numeroase tipuri de sisteme mecatronice comandate
numeric, dar nu toate pot îndeplini funcționalitatea necesară prezentei lucrări. P entru
identificarea cu ușurință a domeniul ui de interes , este necesară o clasificare a acestor sisteme în
funcție de procedeul de prelucrare la care sunt folosite .
2.3.1 Cla sificarea sistemelor mecatronice comandate numeric în funcție de
procedeul de prelucrare la care sunt folosite
2.3.1.1 Strungul
Procedeul de strunjire definește modul în care se îndepărtează material de pe o suprafață
plană sau profilată a unui corp de revoluție.

Fig. 2.3. Procedeul de strunjire [5]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 17
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Așa cum se poate observa din figura 2.3., caracteristicile principale ale procedeului de
strunjire sunt date de mișcarea de așchiere (realizată de semifabricat) și mișcarea de avans
(realizată de sculă). Cu Va s -a notat viteza de așchiere și cu Vs s -a notat viteza de avans. [5]
2.3.1.2 Frez a
Operația de frezare constă în prelucrarea unor suprafețe cu ajutorul unor scule numite
freze. Freza este formată dintr -un butuc pe care sunt montate cuțite de strung la periferie.

Fig.2.4. Structura unei freze [5]
În figura 2.4. s -a notat cu 1 butucul frezei, cu 2 s -a notat cuțitul de strung și cu 3 s -a notat
unghiul α .
Procedeul de frezare este caracterizat de următoarele particularități:
o Mișcarea principal ă de așchiere este realizată de sculă;
o Mișcarea de avans este efectuată în general de către semifabricat;
o În timpul prelucrării se găsește în așchie cel puțin un dinte al frezei.

Fig.2.5. Cele două tipuri mișcări utilizate la prelucrarea prin frezare [5]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 18
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

În figura 2.5. în partea din stânga este notat cu a) tipul de prelucrare în care sensul vitezei
de așchiere este opus sensului de mișcare al avansului „mișcare în contra avansului”.
Caracteristic acestui tip de mișcare este faptul că dintele așchietor intră în material în punctul A,
pornind de la valoarea 0 a cantității de material îndepărtat și iese prin punctul B, unde se află
valoarea maximă de material îndepărtat.
În cadrul aceleiași figuri cu litera b) este notat tipul de prelucrare în care viteza de
așchiere și viteza de avans se află în concordanță. Acest tip de mișcare se numește „în sensul
avansului”. Diferența majoră față de primul caz prezentat este că în acest caz din tele intră în
așchiere de pe suprafața semifabricatului având valoarea maximă și ajunge la valoarea 0 a
stratului așchiat.
În ambele cazuri se dezvoltă o forță de așchiere, alături de componentele sale și ,
dar așa cum se poate observa în figura d e mai sus forțele acționează în direcții diferite. [5]
2.3.1.3 Mașina de rectificat
Operația de rectificare este o operație de finisare a materialelor dure. Această prelucrare
se efectuează cu ajutorul unor corpuri abrazive sau benzi abrazive. Capacitatea acestora de
așchiere se datorează durității superioare în raport cu materialul de prelucrat. [5]
Fiind o operație de finisare, prin rectificare se obțin rugozități bune și foarte bune: Ra≤0.8

Fig.2.6. Schema de principiu a operației de rectificare [5]
Adâncimea de așchiere este determinată de acțiunea granulelor abrazive existente în
corpul abraziv. Granulele au muchii așchietoare ce au unghiuri de degajare γ negative. [5]
2.3.1.4 Sisteme mecatronice ce utilizează procedee de prelucrare neconvențională
Aceste tipuri de prelucrări sunt în continuă dezvoltare și în prezent reprezintă vârful
tehnologiei. Sistemele ce utilizează procedee de prelucrare neconvențională au apărut ca un
răspuns la cerințele tot mai exigente în privința creșterii preciziei de prel ucrare, reducerii
timpului de lucru și implicit a costurilor de prelucrare a materialelor.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 19
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Deși există numeroase tehnologii de prelucrare neconvențională , cele mai utilizate î n
prezent sunt:
o Prelucrarea prin electroeroziune;
o Prelucrarea electrochimică;
o Prelucrarea cu plasmă;
o Prelucrarea cu jet de apă;
o Prelucrarea cu ultrasunete;
o Prelucrarea cu LASER.
2.3.2 ANALIZA SOLUȚI ILOR EXISTENTE ÎN DO MENIUL
PRELUCRĂRIILOR CU LA SER
Prelucrarea materialelor utilizând tehnologia LASER face parte, așa cum a fost arătat î n
pasul anteriror, din categoria tehnologiilo r de prelucrare neconvențională și poate fi utilizată în
diferite domenii, cum ar fi:
o Marcare: Se pot marca diferite tipuri de materiale, fie ele metalice sau nemetalice
din toate domeniile.
o Debitare: Această te hnologie se utilizează pentru deibitarea a numeroase
materiale, avantajul principal fiind acela că tăierea se realizează fără bavuri.
o Gravare bidimensională și tridimensională: Se executa atât lucrări de gravare a
suprafețelor, cât și lucrări de modelare tridimensională a suprafeței prelucrate.
Analog procedeelor anterioare și în cazul gravării, aceasta se execu tă pe suprafețe
diverse, metalice sau nemetalice.
Un sistem mecatronic ce utilizează tehnologia LASER pentru prelucrarea materialelor,
este compus în principal din următoarele componente:
o Structură rigidă de fixare pe care se asamblează elementele mecanice ;
o Subsistemul mecanic, format din: motoare, sistem de transmitere a mișcării, axe
de ghidare;
o Subsistemul electronic, format din: Unitate de comand ă și control, circuite de tip
driver -e de motoare, modul LASER;
o Subsistemul software, care cuprinde toate programele necesare pentru preluarea,
transmiterea, decodificarea codului din fișierul NC și acționarea componentelor
mecanice conform instrucțiunilor primite.
Deoarece scopul lucrării îl reprezintă proiectarea și realizarea unui sistem mecatronic
pentru gravare cu LASER destinat uzului personal, î n cadrul următoarei părți a acesteia se vor
prezenta diferite tipuri constructive de sisteme ce se încadre ază în această categorie.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 20
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

2.3.2.1 Variante constructive ale sisteme lor mecatronice pentru gravare cu
LASER
2.3.2.1.1 Sistem mecatronic pentru gravare cu LASER disponibil sub formă de kit.
Un prim exemplu de sistem mecatronic ce utilizează tehnologia LASER este prezentat în
figura 2.7 . În general a cest tip sistem se utilizează pentru gravarea a diferite materiale și este
caracterizat de dimensiunile de gabarit reduse și precizia de prelucrare bună. Mișcarea este
realizată cu ajutorul a două motoare pas cu pa s și se execută doar pe 2 axe ( X și Y ). Pentru ca
mișcarea de rotație dată de motoare să fie transformată în mișcare de translație, se montează pe
fiecare motor în parte o fulie pe care se așează o curea dințată, iar la capătul opus fiecărui motor
se montează o a două fulie care are rolul de a întinde cure aua și de a asig ura recircularea
acesteia . Structura rigidă a sistemului este realizată din profile de aluminiu, acestea având
avantajul de a asigura îmbinarea corectă între profile, asamblarea este simplă și rapidă.
Din punct de vedere electronic acest tip de sistem utilizează placa de dezvoltare cu
microcontroller Arduino Nano , circuite de tip driver de motor A4988 produse de Pololu sau
circuitele DRV8825 ale producătorului Texas Instruments. Modulul LA SER include dioda
LASER, ventilator pentru răcire și circuit pentru limitarea curentului prin diodă.
Având în vedere că se utilizează ca sistem de comandă placa de dezvoltare Arduino, este
avantajos faptul că există numeroase programe ce pot fi implementat e, fără a fi necesară
achiziționarea unor licențe costisitoare, deoarece toate programele sunt de tip „Open Source”. Pe
de altă parte există și un dezavantaj, acela că fișierul ce conține codul NC nu poate fi stocat în
memoria microcontroller -ului și astfe l apare necesitatea conexiunii cu un PC care să aibă instalat
un alt program care să realizeze transferul frază cu frază al fișierului.

Fig.2.7 Imagine de ansamblu a unui sistem pentru g ravat cu LASER de tip kit [6]
În prezent există foarte multe sisteme asemănătoare ce pot fi achiziționate sub formă de
kit sau chiar gata asamblate și pregătite pentru utilizare. Prețul de achiziție se ridică la
aporximativ 1000 lei și asigură cerințele necesare utilizării în scopuri personale.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 21
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

2.3.2.1.2 Sistem meca tronic pentru gravare cu LASER „Smart Laser Mini”
Sistemul mecatronic „Smart Laser Mini” este pus la dispoziție sub licență „Open Source”
și este realizat în mare măsură din material plastic și profile de aluminiu. Pentru gravare, acesta
folosște un modul ce conține o diodă LASER de 1.6 W și poate debita materiale nemetalice cu
grosimea de până la 2mm.
Unitatea de comandă și control utilizează placa Arduino Mega 2560, iar programul care
decodifică instrucțiunile din fișierul NC se bazează pe GRBL. Pentru co ntrolul motoarelor acest
sistem utilizează circuitele A4988.
Ghidarea deplasării pe cele două axe se face cu ajutorul unor axe și a unor rulmenți
liniari, iar transmiterea mișcării de la motoare se face cu ajutorul curelelor dințate și a fuliilor. [7]

Fig.2.8 Imagine de ansamblu a unui sistem pentru gravat cu LASER „Smart Laser Mini” [7]
Acest tip de sistem mecatronic are avantajul de a fi sub licență „Open Source” și există
toate instrucțiunile necesare realizării unei replici de către cei interesați. Cu toate acestea,
realizarea unui astfel de sistem poate fi destul de costisitoare.
2.3.2.1.3 Sistem mecatronic pentru gravare cu LASER realizat din material lemnos
În figura 2.9 este prezentat un al treilea sistem utilizat la gravarea cu LASER . Pentru
realizarea acestuia, autorul a utilizat două motoarea pas cu pas de tip NEMA 17, două circuite de
tip driver de motor TB6560, rulmenți liniari și axe de ghidare de 12 mm, diodă LASER de 1.8
W, circuit pentru limitarea curentului prin diodă. Unitat ea de comandă și control este constituită
dintr -un Arduino UNO, transmiterea mișcării se face prin intermediul unui sistem șurub -piuliță,
iar partea rigdă este realizată din plăci de MDF cu grosimea de 12 mm, respectiv de 18 mm.
Alimentarea se face de la o sursă de 12 V și sistemul este dotat cu un buton de urgență pentru

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 22
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

întreruperea curentului din circuit. Autorul tutorialului a realizat și o estimare a costurilor pe care
le-a avut, acestea ridicându -se la aproximativ 210 euro. [8]

Fig.2. 9 Imagine de an samblu a unui sistem pentru gravat cu LASER din MDF [8]
Referitor la subsistemul software, controlul sistemului se face utilizând un program bazat
pe GRBL, la fel ca în cazul exemplului prezentat anterior.
2.4 JUSTIFICAREA SOLUȚIE I ALESE
Deși în cadrul p asului anterior nu au fost prezentate decât o mică parte din sistemele
disponibile în prezent, totuși analiza s -a efectuat luând în calcul un număr mult mai mare de
astfel de sisteme. Având în vedere că în esență toate sistemele studiate sunt similare, s -a
considerat că numărul de exemple prezentate sunt suficiente pentru a susține concluziile
desprinse în urma acestei analize . Concluzii formulate pe scurt se pot citi în rândurile care
urmează:
1. Este necesară mobilitatea sistemului pe minim două axe de trans lație ( X și Y ).
2. Pentru realizarea structurii rigide ce susține subsistemul mecanic se pot utiliza diverse
materiale, dar c ele mai utilizate sunt profilele de aluminiu , materialele lemn oase și
materialele plastice.
3. Pentru transmiterea mișcării se utilizea ză, în general transmisii cu fulii și curele
dințate.
4. Se utilizează în mod special plăcuțele cu microcontroller Arduino, datorită
comunității foarte mari de utilizatori și a numeroaselor programe disponibile .
5. Există două tipuri de circuite de tip dirver d e motor ce se utilizează cel mai frecvent,
și anume: A4988 Pololu și DRV8825 Texas Instruments.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 23
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

6. Se pot achiziționa fie module LASER care au încorporate toate elementele necesare
funcționării, fie se poate achiziționa o diodă LASER și separat să se realizez e
circuitul pentru limitarea curentului.
7. Ca elemente de acționare se utilizează motoare pas cu pas, deoarece oferă precizie și
asigură cunoașterea poziției în orice moment.
8. Opțional se pot instala senzori de capăt de cursă
În urma analizei asupra proiectel or existente din domeniul ales pentru realizarea lucrării
de disertație, dar și luând în considerare cerințele pe care sistemul mecatronic pentru gravare cu
LASER trebuie să le îndeplinească pentru a fis capabil să ofere o anumită flexibilitate
utilizatoru lui s-a decis ca cercetarea să continue bazându -se pe următoarele caracteristici:
o Sistemul trebuie să se poată deplasa pe cele trei axe de translație. Acest lucru
asigură posibilitatea utilizatorului de a putea transforma sistemul cu foarte puțin
efort înt r-un sistem mecatronic ce poate grava cu ajutorul unei unelte așchietoare,
fie cu ajutorul unei unelte de pirogravare, sau poate utiliza un simplu instrument
de scris pentru demonstrații.
o Se vor utiliza trei motoare pas cu pas a căror alimentare se va face la 12 V, iar
curentul maxim consumat de fiecare dintre motoare să nu depășească 1 A. Un
motor cu aceste caracteristici fiind capabil să asigure puterea necesară deplasărilor
pe cele trei axe chiar și în sarcini de așchiere.
o Transmiterea mișcării se va face cu ajutorul unor sisteme șurub -piuliță. Această
opțiune reduce costul de realizare al sistemului, deoarece s -a optat pentru
utilizarea unor tije filetate și a unor piulițe ce se găsesc în comerț.
o De asemenea, pentru asigurarea unei deplasări line și c u frecări reduse, se vor
achiziționa tije rectificate și rulmenți liniari.
o S-a optat pentru achiziționarea unei diode LASER și nu a achiziționării unui
modul complet, urmând ca circuitul pentru limitarea curentului să fie realizat
ulterior. S -a luat aceas tă decizie tot din cauza diferenței mari de costuri, deoarece
această lucrare își propune realizarea unui sistem cât mai performant, dar cu un
preț de realizare redus.
o Unitatea de comandă și control va fi constituită dintr -un Arduino Mega 2560,
deoarece aș a cum s -a menționat anterior se dorește asigurarea posibilității
utilizării și a altor unelte pentru gravare, cât și prin această decizie se vor putea
aduce și alte modificări pe parcurs.
o În privința controlului motoarelor s -au ales pentru utilizare trei circuite de tip
A4988, acestea fiind capabile să controleze motoare a căror alimentare este
cuprinsă între 8 și 35 V, iar curentul maxim este de 2 A.
o De asemenea, s -a optat și pentru achiziționarea unui „shield Ramps 1.4” care este
conceput special pentru utilizarea alături de Arduino Mega și pe care se pot monta

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 24
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

cu ușurință 5 circuite de tip A4988. S -a luat această decizie, deoarece prin
utilizarea acestui shield se economisește timpul alocat proiectării și realizării
cablajului electronic și în plus se ev ită eventuale posibile erori de proiectare.
o Structura rigidă se va construi din material lemnos, de preferat MDF de 16 mm.
o Alte materiale ce se vor achiziționa și care vor asigura funcționarea sistemului cât
mai corect sunt: Suporți pe care se vor sprijini axele de ghidare, acestea au
avantajul de a asigura planeitatea și liniaritatea sistemului pe cele trei axe. Între
fiecare motor și tijele filetate se vor utiliza cuplaje elastice, iar în capătul opus
fiecare tijă filetată va fi sprijinită de un rulment c are să ușureze mișcarea de
rotație a acesteia.
2.5 OBIECTIVELE ȘI I POTEZELE CERCETĂRII
În vederea realizării acestei lucrări au fost fixate următoarele obiective:
o Proiectarea și r ealizarea subsistemului mecanic ce asigură deplasarea pe axele
X,Y,Z .
o Realiza rea subsistemului electroni c prin analizarea și implementarea soluțiilor
corespunzătoare cerințelor prezentei lucrări .
o Realizarea subsistemului software prin analizarea și implementarea soluției
corespunzătoare funcționării optime a sistemului.
o Realizarea unui program care să realizeze transferul datelor către unitatea de
comandă și control și care să permită controlul sistemului în modul manual.
o Realizarea unui program care să efectueze simularea programului NC, pentru a
putea fi evitate eventuale erori în timpul prelucrării.
o Utilizarea și valorificarea sistemului.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 25
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

3. CONSIDERAȚII TEOR ETICE PRIVIND COMPON ENTELE
ALESE PENTRU REALIZAREA SISTEMUL UI DE GRAVARE
CU LASER
Așa cum a fost arătat pe parcursul capitolelor anterioare, toate sistemele mecatronice
comandate numeric, indiferent de destinația lor, sunt formate din 3 subsisteme principale
interconectate, dependente unul față de celălalt. Fiecare din cele trei subsisteme este format la
rândul său din anumite componente.
În continuare urme ază o descriere de taliată a fiecărei componente ce va fi utilizată pentru
realizarea sistemului de gravare cu LASER.
3.1 SUBS ISTEMUL MECANIC
Subs istemul mecanic are rolul de a asigura mobilitatea ansamblului și intergritatea
structurală. Acesta se proiectează în funcție de modul de utilizare al fiecărui sistem în parte . În
rândurile care urmează se vor prezenta componente le mecanice necesare realizării acestei părți.
3.1.1 Motorul pas cu pas
Motorul reprezintă componenta mecani că esențială în construirea unui sistem comandat
numeric . Acesta are rolul de a transforma energia electrică în energie mecanică și este o
componentă esențială în astfel de proiecte .
Motorul pas cu pas (MPP) rep rezintă un motor sincron , în cazul căruia s emnalul electric
este primit sub formă de impulsur i, ce sunt aplicate asupra fazelor motorului. Se obțin astfel
mișcări incrementale de aceeași mărime. Una din caracteristicile importante ale motorul ui pas cu
pas este unghiul de pas. Acesta se determină în funcție de numărul de faze al motorului. [9]
Unghiul de pas ( ) al motorului determină câți pași trebuie executați pentru ca rotorul să
efetcueze o rotație completă . Se deduce a stfel că în cazul în care unghiul de pas este mai mic,
numărul de pași necesari efectuării unei rotații complete este mai mar e, obținându -se o precizie
mai ridicată .
Numărul de pași necesari efectuăr ii unei rotații complete se calculează cu formula :

; ( 3.3)
În figura 3.10 este ilustrată reprezentarea schematică a unui motor pas cu pas. Pentru
reprezentarea din această imagine unghiul de pas se poate calcula în funcție de numărul de faze
ale motorului și de numărul de poli ai săi.

(3.4)

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 26
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Fig.3.1 0. Structura și modul de funcționare a unui MPP [10]
În funcție de modul de conectare al înfășurărilor se deosebesc două tipuri de motoa re pas
cu pas și anume, MPP bipolare și MPP unipolare. Diferența principală între cele două tipuri de
motoare este dată de numărul de firelor de conectare.
MPP bipolare sunt comandate prin schimbarea sensului curentului prin una din cele două
bobine, pe r ând. Acestea au în general 4 fire de conectare.
MPP unipolare sunt comandate prin alimentarea, cu aceeași polaritate, a fiecăreia din cele
4 bobine, pe rând. Ele au, în general 5 sau 6 fire de conectare.
Diferite modalități de conectare a motoarealor pas cu pas, fie ele unipolare sau bipolare,
se pot observa în figura 3.11 . Așa cum se poate observa există o varietate destul de mare de
conectare a acestora, dar cele mai uzuale sunt cele notate cu „Bipolar 4 fire” și „Unipolar 6 fire”.

Fig.3.11 . Modalități de conectare a motoarelor pas cu pas [11]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 27
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Clasificarea motoarele pas cu pas se face după standardul „NEMA”, care se referă fie la
dimensiunile lungime x lățime, fie la diametrul măștii motorului. Standardul NEMA cuprinde următoarele
dimensiuni 8, 11, 1 4, 17, 23, 34, 42.
Pentru realizarea sistemului propus în cadrul acestei lucrări s -a ales motorul pas cu pas de
tip bipolar 39BYGH405B. Acesta corespunde standardului NEMA 14 și are următoarele
caracteristici:
o Unghiul de pas 1.8 , ceea ce înseamnă că pen tru realizarea unei rotații complete
sunt necesari 200 de pași.
o Tensiunea de alimentare este de 12 V și curentul consumat în sarcină este 0.4 A.
o Cuplul motorului în sarcină este de 0.21 Nm.
o Masa motorului este de 0.24 kg.

Fig. 3.12. Dimensiunile motorului de tip 39BYGH405B [12]
Dimensiunile de gabarit ale motorului pot fi observate în figura 3.12. Acestea se vor
utiliza în realizarea modelului 3D în următorului capitol.
S-a ales acest motor deoarece asigură performanțe bune raportat la cerințele acestei
lucrări, iar prețul de achiziție este relativ redus ăn comparație cu alte tipuri de motoare. Un alt
avantaj îl reprezintă dimensiunile reduse, reducându -se astfel și dimen siunile totale de gabarit.
3.1.2 Transmisia
Datorită faptului că mișcarea efectuată de motor este de rotație, este necesară transmiterea
mișcării către un alt element care să transforme mișcarea de rotație în mișcare de translație.
Pentru a realiza acest lucru este necesară utilizarea unui cuplaj elastic.
Deoarece diametrul arborelului motor este de 5 mm, iar tija filetată este de metric 8, se va
utiliza un cuplaj care să aibă o gaură de 5 mm diametru la un capăt, iar la celălalt capăt o gaură
de de 8 mm î n diametru. Modelul de cuplaj ales pentru utilizare este reprezentat în figura 3.13.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 28
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Fig. 3.13. Cuplaj elastic [13]
Odată rezolvată problema transmiterii de sarcină de la motor către tija filetată, se trece la
pasul următor, și anume transformarea mișcă rii de rotație în mișcare de translație. Acest lucru se
face utilizând alături de tija filetată o piuliță.
Transmisiile șurub -piuliță
Aceste transmisii transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație , iar odată cu
mișcarea se transmite și sarcina. Cupla elicoidală reprezintă elementul cel mai important al
acestor transmisii, prin intermediul acesteia, mișcarea de rotație este converti tă în mișcare de
translație. [14 ]
În cazul sistemelor mecatronice comandate numeric , transformarea mișcării de rotați e se
face menținând piulița fixă pe elementul ce se dorește a fi deplasat, în timp ce tija filetată
efectuează mișcarea de rotație. O rotație completă efectuată de motor reprezintă o deplasare
corespunzătoare cu pasul filetului .
În funcție de tipul de fre care, deosebim cuple elicodale cu alunecare și cuple elicoidale cu
rostogolire ( cuple elicoidale cu bile ). [14 ]
Pentru realizarea sistemului mecatronic propus s -a optat pentru utilizarea unor cuple
elicoidale cu alunecare, chiar dacă prin intermediul ace stei metode nu se obține un randament la
fel de bun ca în cazul cuplei elicoidale cu rostogolire. S -a ales această soluție deoarece raportat la
cerințele sistemului nu se justifica diferența mare de preț între cele două soluții.

Fig.3. 14 Transmisie șurub-piuliță (cu plă elicoidală cu alunecare) [15 ]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 29
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Transmisia clasică șurub -piuliță, prezintă și o serie de avantaje, raportat la alte tipuri de
transmisii, o parte dintre acestea regăsindu -se în rândurile de mai jos:
o Transmiterea de sarcini mari;
o Siguranța în exploatare;
o Funcționează cu zgomot redus.
Dezavantajul principal al acestui tip de transmisie îl reprezintă randamentul scăzut, în
comparație cu o transmisie realizată cu o cuplă elicoidală de rostogolire.
3.1.3 Tipuri de rulmenți utilizați în cadrul lucrării
Lagărele reprezintă orgrane de mașini cu rolul de susținere a arborilor sau a pieselor cu
mișcare de rotație, fiind utilizate pentru preluarea sarcinilor ce acționează a supra lor. În funcție
de frecarea din interiorul lagărului, se deosebe sc, lagăre cu rostogolire și lagăre cu alunecare.
Elementul principal al lagărului cu rostogolire este rulmentul. Acesta este format din: inel
exterior, inel interior, corpuri de rostogolire și colivie (împiedică contactul dintre corpurile de
rostogolire). [16]
Avantajele cele mai importante ale utilizării rulmenților sunt: [16]
o Randamentul mare;
o Gabarit axial redus, ceea ce înseamnă o capacitate de încărcare mare pe unitatea de
lungime;
o Consum scăzut de lubrifiant;
o Întreținere ușoară;
o Grad mare de standard izare internațională.
Printre dezavantajele acestor organe de mașini se pot aminti, următoarele:
o Sensibilitatea la șocuri, vibrații și funcționare cu viteze foarte mari;
o Gabaritul radial relativ mare;
Pentru realizarea sistemului mecatronic propus, este ne cesară utilizarea a două tipuri de
rulmenți, pe de o parte fiind nevoie de rulmenți radial i cu bile care să asigurare rotația și
sprijinirea t ijelor filetate, iar pe de altă parte este nevoie de rulmenți liniar i care să reducă
frecarea rezultată din deplas area unui element de -a lungul ax elelor de ghidare .
Rulmenți radiali cu bile
În cazul rulmenților radiali cu bile s -a optat pentru utilizarea unor rulmenți gata încastrați
într-o carcasă. Montarea acestora se face prin fixarea de partea rigidă a sistemului în două
șuruburi de metric 5. Figura 3.15 ilustrează imaginea de ansamblu a unui rulment de acest tip,
dar și toate dimensiunile necesare. Deoarece este necesar să se poată fixa tija filetată în interiorul
rulmentului, diametrul interior al acestuia este d e 8 mm, iar fixarea se face cu ajutorul a două
șuruburi cu cap imbus.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 30
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Fig.3.15 Rulment radial cu bile în carcasă [17]
Pentru asigurarea funcționalității pe toate cele trei axe de translație este nevoie de trei astfel de
rulmenți.
Rulmenți liniari
Soluția aleasă pentru deplasarea cu frecare redusă a sistemului pe toate cele trei axe, o
reprezintă rulmenții liniari de tip LM8UU. Acesta este un rulment cu un cost redus ce are
diametrul interior de 8 mm, protecții antipraf la ambele capete și sistem de bile r ecirculabile care
asigură o deplasare lină.

Fig. 3.16 Rulment LM8UU [18]
Așa cum se poate observa din figura 3.16 acest tip de rulment prezintă dezavantajul lipsei
unui sistem de prindere, fiind necesar un element auxiliar de prindere.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 31
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Pentru că pe fiec are direcție de deplasare se vor utiliza câte două axe de ghidare, este
nevoie de minim 6 rulmenți de acest fel.
3.1.4 Axe de ghidare
Aceste organe de mașini sunt utilizate în cadrul mașinilor comandate numeric pentru a
muta o sarcină de -a lungul unui tras eu drept, cu o rezistență pe direcția de mișcare cât mai mică.
Un sistem de ghidare liniară este compus dintr -un rulment liniar și din axe sau șine de ghidare.
[19] Deoarece despre tipurile de rulmenți s -a discutat într -un capitol anterior, în acest capito l se
va face referire doar la axele de ghidare .
În figura 3. 17 sunt reprezentate trei tipuri de axe de ghidare, cu diametre diferite. Axele de
ghidare sunt în general sub formă de bări metalice, cu un anumit diametru. Diametrul trebuie ales
astfel încât să corespundă diametrului interior al rulmentului liniar. Folosirea sistemelor de
ghidare ce utilizează aceste tipuri de axe are câteva avantaje importante, dintre care se pot aminti
următoarele:
o Mișcarea se efectuează lin și precis;
o Au un randament ridicat;
o Frecarea fiind foarte mică, forța necesară deplasării sarcinii scade considerabil.

Fig.3. 17 Axe de ghidare [20]
Având în vedere că rulmenții liniari aleși pentru utilizare au diametrul interior de 8 mm,
este necesar ca și cele șase axe de ghidare necesar e să aibă diametrul de 8 mm. Pentru asigurarea
unei frecări minime s -a optat pentru achiziționarea unor axe de ghidare rectificate.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 32
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

3.1.5 Suporți pentru fixarea axelor de ghidare
Componentele de acest tip au rolul de a fixa și sprijini axele de ghidare. Avantajul
utilizării lor îl constituie faptul că axele se află mereu în același plan, deoarece suporții sunt
realizați conform unui standard și au dimensiuni aproximativ egale.
Pentru realizarea practică a sistemului sunt necesare do uă tipuri de astfel de suporți,
acești a pot fi observ ați în figura 3.18 respectiv în figura 3.19.

Fig.3.18 Suport de tip SK8 [21]
Prima varianta constructivă (Fig.3.18) ce va fi utilizată este un suport de tip SK8 ce este
caracterizat de următoarele valori dimensionale: [21]
o E = 21 mm;
o W = 42 mm;
o B = 32 mm;
o G= 6 mm;
o F = 32.8 mm;
o h = 20 mm;
o L = 14 mm.
Fixarea acestui suport se face în poziție verticală și cu ajutorul a două găuri de trecere cu
diame trul de 5.5 mm.

Fig.3.19 Suport de tip SH8 [22]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 33
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

În privința celui de al doilea tip de suport (Fig.3.19) fixarea se face în poziție orizontală
cu ajutorul a două găuri de trecere cu diametrul de 5.5 mm.
Suporții de tipul SH8 se vor utiliza la fixarea axel or de ghidare corespunzătoare axei de
translație Y. Caracteriticile dimensionale pentru suportul SH cu diametrul interior de 8 mm
sunt: [22]
o W = 43 mm;
o B = 32 mm;
o L = 10 mm;
o T = 5 mm;
o F = 24 mm;
o G = 20mm.
3.2 SUBS ISTEMUL ELECTRONIC
Sistemul electronic are rolul de a pune în mișcare componentele mobile ale subsistemului
mecanic . Prin intermediul acestui subsistem motoarele sunt comandate să efectueze mișcări pe
rând sau concomitent, ce respectă un anumit algoritm.
Componentele electro nice necesare realizării practice a sistemului de gravare cu LASER
sunt următoarele :
1. Sursă de alimentare;
2. Circuit electronic pentru comandarea motoarelor;
3. Platforma cu microcontroller;
4. Modul LASER;
5. Circuit pentru limitarea curentului prin diodă.
3.2.1 Surs a de alimentare
Orice sistem care conține și o parte electronică are nevoie de o sursă de alimentare.
Curentul de alimentare pentru sistemul electronic poate fi alternativ ( furnizat de rețeaua electrică
locală ) sau continuu ( este necesară transformarea, redresarea și filtrarea curentului alternativ
furnizat de la rețea ).
În cadrul acestei lucrări este necesară alimentarea componentelor la o sursă de curent
continuu. Tensiunea de alimentare a motoarelor pas cu pas (principalii consumatori) este de 12
V, ceea ce înseamnă că se va alege o sursă care să fie capabilă să furnizeze o tensiune de 12 V,
urmând ca pentru consumatorii ce necesită alimentare la numai 5 V să se utilizeze circuite pentru
reducerea tensiunii.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 34
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Conform specificațiilor oferite de producă tor, fiecare motor în parte va consuma în
sarcină un curent de 0.4 A, ceea ce înseamnă că vom avea un curent maxim consumat de
motoare ce se calculează cu formula:
(3.5)
unde: este curentul consumat de cele trei motoare în sarcină și ,
reprezintă curentul consumat de fiecare motor în parte.

Fig.3.20 Sursă de alimentare [23]
Având în vedere că principalii consumatori de energie sunt motoarele pas cu pas, iar
curentul consumat de celelalte componente este mult mai mic, pentru alimentarea sistemului
mecatronic ar fi necesară o sursă care să dezvolte 12 V curent continuu și să furnizeze un curent
maxim de 2 A.
Totuși, pentru fi evitate anumite neplăceri, s -a ales ut ilizarea sursei din figura 3.20, care
are următoarele caracteristici: [23]
o Tensiune la ieșire: 12V;
o Curent la ieșire: 3A;
o Sursă în comutație, greutate redusă, fiabilitate crescută;
o Protecție la scurt circuit;
o Protecție la supratensiune;
o Protecție la suprasarcină.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 35
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

3.2.2 Circuitul pentru comandarea motoarelor
Având în vedere că un microntroller poate furniza un curent foarte mic (aprox. 50 mA) la
o tensiune logică de 5 V, apare necesară utilizarea unor circuite suplimentare, care să asigure
controlul mi crocontroller -ului asupra motoarelor, dar care să garanteze în același timp
alimentarea la tensiunea și curentul necesar funcționării motoarelor.
Tipul acesta de circuite poartă denumirea generică de driver pentru motor/motoare. În
prezent există numeroas e variante constructive, care pot fi utilizate în funcție de domeniul de
interes. De obicei un astfel de driver poate comanda două motoare clasice de curent continuu sau
un singur motor pas cu pas.
În general un driver pentru motor/motoare este constituit din tranzistori care în funcție de
semnalele primite de la microcontroller, închid sau deschid canalele de ieșire pentru a obține
mișcarea dorită a motorului.
Pentru realizarea practică a acestei lucrări este necesară folosirea a trei astfel de circuite,
deoarece se utilizează trei motoare pas cu pas. În continuare se vor parcurge principalele
caracteristici ale modulului ales pentru utilizare .
Modul d river de m otor de tip A4988 produs de firma Pololu
Circuit ul A4988 este un driver de motor cu micropășire și este proiectat pentru
comandarea motoarelor pas cu pas bipolare. Tensiunea maximă de alimentare este 35 V , iar
curentul maxim este d e 2 A pe fiecare canal. Î n plus, unitatea logică poate fi alimentată atât la 5
V cât și la 3.3 V. [24]
Conexiunea cu microcontroller -ul se face prin intermediul a doi pini, denumiți STEP și
DIR. Aceștia comandă efectuarea unui anumit număr de pași (STEP) în direcția de deplasare
stabilită (DIR). În figura 3.21 este reprezentat modulul ce conține driver -ul de motoare A4988.

Fig.3.21 Modul driver de motoare A4988. [25]
Datorită construcției de tip modular, se asigură flexibiliate în exploatare, fiind ușor de
înlocuit în cazul în c eare apare o defecțiune. Montarea se realizează ușor, fiind nevoie doar de un
soclu care să asigure conexiunea intrărilor cu microcontroller -ul, alimentarea și conectarea
ieșirilor din modul la motor. Modul de conectare la aceste este prezentat în figura 3 .22.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 36
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Fig.3.22 Schema pentru conectarea modulului [25]
După cum a fost specificat mai sus, acest driver are posibilitatea micropășirii. Avantajul
unei astfel de posibilități îl reprezintă creșterea preciziei în deplasare. Desigur odată cu creșterea
preciziei cuplul furnizat va scădea. Pentru driver -ul A4988 se poate crește numărul de pași de
maxim 16 ori. Spre exemplu, în cazul motorului utilizat pentru realizarea acestei lucrări numărul
de pași necesari efectuării unei rotații complete, dacă se alege micr opășirea va crește de la 200 de
pași la 3200 pași.
Datorită avantajelor enumerate mai sus, această variantă este cea mai utilizată în
construcția sistemelor mecatronice similare , fiind soluția cea mai simplă de utilizat și care
necesită un nivel de cunoștiințe minim în domeniul electronicii.
Circuitul pe care se montează modulele A4988 și care face legătura acestora cu
microcontroller -ul.
Așa cum a fost specificat în capitolul de alegere și justificare a soluției alese, s -a optat
pentru utilizarea unui „shield” pentru Arduino MEGA de tip Ramps 1.4 pe care se vor monta
modulele de tip driver de motoare.

Fig.3.23 Shiled -ul Ramps 1.4 [26]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 37
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Acest circuit a fost conceput inițial pentru utilizarea sa în comanda și controlul unei
imprimante 3D. De aceea circuitul este mult mai complex decât este necesar prezentei lucrări. Pe
suprafața sa se pot monta până la 5 module A4988, care pot controla 5 mot oare pas cu pas, de
asemenea se pot conecta ventilatoare, senzori de capăt de cursă, 4 servomotoare și multe alte
componente necesare unei imprimante 3D. [27]
Cu toate că destinația sa inițială a fost alta, în prezent acest shield se utilizează și printre
pasionații de sisteme comandate numeric.
Avantajele utilizării sale sunt date de modul de conectare între componente, astfel se
asigură un sistem compact, se evită eventuale erori de proiectare sau de realizare a cablajului
imprimat și se economisește tim p.
Dezavantajul major al său îl reprezintă costul de achiziție mai mare în comparație cu
proiectarea și realizarea unui circuit pe care să se monteze modulele.
3.2.3 Platforma cu microcontroller
Noțiunea de microcontrller face referire la un circuit care e ste compus din: Unitate
centrală de prelucrare (UCP), controller de întreruperi, generator de tact, memorie ROM,
memorie RAM, intrări/ieșiri și dispozitive periferice. Pe scurt, acesta poate fi considerat un
calculator pe un singur chip. [28]

Fig.3.2 3 Schema bloc a unui microcontroller [28]
Figura 3.23 ilustrează schema bloc de funcționare a unui microcontroller. Pentru a
funcționa, acesta are nevoie de un program pe care să îl ruleze în memoria sa. În funcție de ceea
ce trebuie să execute, se urmăresc semnalele venite pe canalele de intrare și când este necesar se
acționează una sau mai multe ieșiri pentru îndepli nirea sarcinilor programate. Responsabilitatea

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 38
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

pentru luarea deciziilor, pe baza programului rulat, revine unitatății centrale de prelucrare, î n
timp ce rolul generatorului de tact este de a stabili frecvența de execuție a instrucțiunilor.
Placa de dezvolt are Arduino MEGA 2560
De departe producătorii celor mai populare sisteme de dezvoltare cu microcontrller sunt
cei de la Arduino. Aceștia au reușit să creeze un mediu de programare ușor de utilizat, un limbaj
de programare asemănător cu limbajul „C” și au d ezvoltat un sistem hardware foarte simplu de
folosit. Datorită popularității sale, au fost dezvoltate foarte multe module compatibile și circuite
de tip shield pentru o utilizare și mai ușoară.
Pe internet există numeroase exemple de utilizare a plăcuțelor Arduino, de la exemple
banale de aprindere a unui LED, până la realizarea de roboți mobili sau chiar sisteme comandate
numeric.

Fig.3.21 Arduino MEGA 2560[29 ]
În cadrul acestui proiect, placa Arduino MEGA (fig.3.21) are rolul de a primi și
decodifica in strucțiunile din fișierul NC, de a acționa motoarele în sensul de deplasare specificat
în frazele programului și de a activa și dezactiva modulul LASER atunci când este nevoie.
Caracteristicile principale ale sistemului de dezvoltare Arduino MEGA 2560 sunt
următoarele: [29]
o Microcontroler: ATmega2560
o Tensiune de lucru: 5V
o Tensiune de intrare (recomandat) : 7-12V
o Tensiune de intrare (limite) : 6-20V
o Pini digitali: 54 (14 au ieșire PWM )

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 39
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

o Pini analogici : 16
o Curent de iesire: 40 mA
o Curent de iesire 3.3V Pin : 50 mA
o Capacitate Memorie Flash : 256 KB , 8 KB pentru bootloader
o Capacitate Memorie SRAM: 8 KB
o Capacitate Memorie EEPROM : 4 KB
o Frecvența de ceas: 16 MHz
Deși aceste caracteristici depășesc nevoile lucrării acesteia și s -ar fi putut opta cu ușurință
pentru o plac ă Arduino UNO sau NANO, s -a ales utilizarea acesteia deoarece se dorește
posibilitatea transformării cu ușurință a sistemului și utilizarea sa pentru alte tipuri de prelucrări.
3.2.4 Modulul LASER
Pentru gravarea unor obiecte din materiale plastice sau din lemn este nevoie de o diodă
LASER suficient de puternică. O diodă poate fi utilizată pentru gravare doar dacă are minim 250
mW, dar cu cât puterea este mai mică cu atât procesul durează o perioadă mai lungă . De aceea
luând în considerare nevoia de perform anță mare cu un preț minim, s -a optat pentru
achiziționarea unui modul cu o putere de 1000 mW.
Pe lângă puterea dezvoltată, o altă caracteristică este lungimea de undă. În funcție de
lungimea de undă există diode LASER a căror radiație este de culoare roș ie ( 605 nm ), albastră
( 445 nm ), violet ( 405 nm ) sau verde ( 532 nm ).

Fig.3.22 Modul LASER [30]
Modulul LASER ales ( fig.3.22 ) a fost achizționat din China și funcționează alimentat la
5 V, cu un consum de curent cuprins între 0.45 A – 2 A. Lungimea de undă este de 405 nm, deci
culoarea radiației este violet, temperatura maximă de funcționare este de 50 C, de aceea a fost
nevoie de achiziționarea unui radiator care să asigure răcirea modulului. Producătorul garantează
funcționarea produsulu i pentru cel puțin 8000 de ore.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 40
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

De asemenea este specificat de către producător că nu se poate utiliza la gravarea
metalelor, dar funcționează bine pe lemn, plastic, cauciuc, piele sau hârtie. [30]
3.2.5 Circuitul pentru limitarea curentului prin dioda LAS ER
Una din caracteristicile principale ale diodelor o reprezintă aceea că sunt capabile să
consume curent din ce în ce mai mult până în momentul în care se supraalimentează. Din această
cauză este nevoie de realizarea unui circuit care să limiteze curentul absorbit de aceasta.
Deoarece tensiunea de alimentare este de 12 V mai este nevoie și de un circuit care să reducă
tensiunea la 5 V pentru ca modulul să fie alimentat fără riscuri.

Fig 3.23 Schema circuitului de limitare a curentului
Schema din figura 3.23 asigură funcționarea diodei LASER la tensiunea de 5 V cu
limitarea curentului ce trece prin aceasta, iar activarea și dezactivarea se face la comanda
microcontroller -ului prin intermediul tranzistorului NPN.

Fig. 3.24 Traseele și amplasarea componen telor în vedere imprimării
Odată schema verificată, se poate realiza cablajul imprimat pentru acest circuit.
Amplasarea componentelor și traseele care conectează elementele se pot observa în figura 3.24.
Prin rezistența R3 se va realiza conxiunea dintre mi crocontroller și tranzistor, din această cauză o
parte a sa rămâne deconectată.
Pentru realizare schemei electronice și a traseelor cablajului în vederea imprimării s-a
utilizat programul EAGLE 6.5.0 Light ( Varianta gratis ).

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 41
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

4. PROIECTAREA MECANICĂ ȘI MODELAREA 3D A
ANSAMBLULUI
Prin noțiunea de proiectare asistată de calculator se înțele ge utilizarea de către ingineri a
acelor unelte, aplicații software sau programe de calculator , în vederea conceperii, modelării și
realizării unei piese. [31]
Pentru a p utea începe proiectarea mecanică s -au avut în vedere concluziile desprinse în
capitolul doi și s -au utilizat informațiile legate de o parte din elementele identificate ca fiind
necesare în cadrul capitolului 3.
Realizarea modelului CAD al ansamblului și mo delarea 3D a fiecărei componente în
parte s -a realizat în programul CATIA, produs de compania Dassault Systemes.
4.1 MODELARE A COMPONENTELOR MECANICE ȘI REALIZAR EA
ANSAMBLULUI 3D .
Pentru a putea realiza sistemul propus sunt necesare și alte componente în a fara celor
prezentate la capitolul 3. În prima fază s -a identificat necesitatea realizării unei plăci pentru
fixare. Aceasta este prezentată în figura 4.25 și este de formă dreptunghiulară cu laturile de
600 mm X 532mm.

Fig.4.25 Placa de fixare
Pe suprafața aceste ia s-au dat găurile necesare fixării elementelor componente realizate în
pasul următor. Aceste componente sunt, suporții pentru axele de ghidare și cele 4 plăci laterale .
Cei patru suporți au fost modelați conform caracteristicilor preze ntate în capitolul anterior, iar
plăcile laterale sunt de formă dreptunghiulară 500 mm X 60 mm. Două dintre aceste plăci sun t
identice, având fiecare 4 găuri de trecere, a treia placă are două găuri de trecere pentru fixarea

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 42
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

rulmentului și cea de -a patra placă are 4 găuri de trecere pentru fixarea motorului și o gaură de
trecere cu diametrul de 22 mm pentru se putea conecta cuplajul elastic la arborele motorului.

Fig.4.26 Asamblarea axei X
În plus față de cele menționate mai sus, s-au montat axele de ghidare și tija filetată, iar
rezultatul până la acest punct se poate observa în figura 4.26. Pentru a finaliza în totalitate axa X
a mai fost nevoie de modelarea rulmenților, a piuliței și a unei mese care să se deplaseze odată cu
acestea.
Deoarece rulmenții au secțiune cilindrică a fost nevoie să se realizeze canale de fixare pe
suprafața inferioară a mesei de deplasare. Modul în care s -a realizat asamblarea dintre
componentele menționate anterior se poate vedea în figura 4.27

Fig.4.27 Mod fixare rulmenți și piuliță pe masă
De asemenea în această figură se pot observa mai multe găuri de trecere de o parte și de
cealaltă a mesei, utilizate pentru fixarea materialului prelucrat prin intermediul unor bride și a
unor șuruburi cu piulițe .

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 43
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

S-a ales utilizarea a trei rulmenți pentru acest component deoarece suprafața care trebuie
deplasată este destul de mare și astfel se asigură o stabilitate mai bună.
Odată finalizată modelarea 3D a plăcii de fixare și a componentelor necesare deplasării
pe axa X, s -a trecut la modelarea componentelor corespunzătoare axei Y. Pentru realizarea
deplasării pe această axă a fost nevoie de modelarea a două brațe laterale (200 mm X 60 mm) ,
care se vor fixa pe plăcile laterale de la pasul anterior. Pe unul dintre brațe se montează motorul
și cele două suporturi pentru axele de ghidare, iar pe cel de -al doilea braț se montează rulmentul
încastrat și celelalte două suporturi. Se finalizează modelare 3D pentru axa Y în momentul în
care au fost montate axele de ghidar e și tija filetată. Rezultatul acestui pas, se poate vedea în
figura 4.28

Fig.4. 28. Ansamblul format din elementele necesare axei Y
Pentru a exista o deplasare de -a lungul axei Y, este nevoie de asemenea de realizarea unui
suport pe care se fixează rulmenții liniari și piulița. La fel ca în cazul mesei se vor executa canale
pentru ușurarea fixării rulmenților. În figura 4.29 este reprezentat acest suport alături de rulmenți
și piuliță.

Fig.4.29 Suport pentru deplasare pe axa Y

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 44
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Cu toate că deplasare a în cele două axe de translație ar fi fost suficientă pentru realizarea
unui sistem de gravare cu LASER, așa cum a fost motivat la finalul capitolului doi al lucrării, s -a
optat pentru adăugarea și celei de -a treia axe de deplasare.
Modelarea componentel or necesare deplasării pe axa Z includ 2 elemente pe care se vor
fixa motorul, axele de ghidare și rulmentul necesar rotirii tijei filetate, un suport port sculă, și un
dispozitiv intermediar pe care se fixează rulmenții și piulița.

Fig.4 .30 Modelarea 3D a axei Z
O parte a componentelor necesare deplasării pe axe Z sunt prezentate în figura 4.30, tot
aici se poate observa lipsa suporturilor pentru axele de ghidare și a rulmentului încastrat (s -a
utilizat un rulment clasic, ce a fost fixat în partea inferi oară așa cum se poate vedea în figură). S –
a luat decizia de a nu mai folosi aceste elemente auxiliare deoarece pe această axă deplasarea se
face pe o distanță mult mai scurtă decât pe celelalte axe și utilizarea sa este opțională, în funcție
de metoda de p relucrare aleasă.

Fig.4.31 Asamblarea suportului port -sculă cu rulmenții și piulița

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 45
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Elementul de care se va fixa modulul LASER, dispozitivul auxiliar și rulmenții care
asigură deplasarea cu frecări reduse, cât și piulița ce realizează deplasarea se pot v edea în figura
4.31. Fixarea modului LASER de suport se face cu ajutorul găurilor de trecere din acesta, prin
asamblarea cu șurub și piuliță.
La finalul acestui capitol, după ce au fost modelate toate elementele necesării
ansamblului mecanic, s -a realizat modelul 3D al întregii structuri. Rezultatul final se poate vedea
în figura 4.32. Există două elemente despre care nu s -a amintit în pașii anteriori. Acestea sunt
bridele de fixare a materialului de prelucrat.

Fig.4.32 Ansamblul mecanic al sistemului de gravare cu LASER
Suprafața de lucru atunci când nu se utilizează bridele este de 250 mm X 400 mm,
modulul LASER sau oricare altă unealtă , fiind capabilă să ajungă în orice punct de pe suprafața
mesei de lucru. În cazul în care este nevoie de fixarea cu bri de suprafața de lucru scade la
aproximativ 220 mm X 350 mm.
Cu toate că soluția aceasta nu este cea mai avantajoasă din punct de vedere al raportului
dimensiune ansamblu / suprafață de lucru, s -a optat pentru această soluție deoarece astfel
distribuția sar cinii pe motoare este mai uniformă.
Pe baza modelelor 3D ale componentelor prezentate anterior, s -au realizat desene de
execuție și astfel a materialul utilizat a fost prelucrat la cotele specificate în desene. În acest mod
s-a asigurat corespundența dintr e modelul CAD și structura mecanică realizată în realitate.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 46
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

5. IMPLEMENTAREA SUB SISTEMULUI SOFTWARE
Subsistemul software are rolul de a lua decizii, urmând un algoritm bine definit.
Algoritmul care se utilizează poartă denumire generică de program. Pro gramele sunt alcătuite din
bucle (se rulează de un număr limitat de ori, sau rulează până când apare o întrerupere în
program), funcții, variabile ș.a.
Ținând cont că platforma cu microcontroller utilizată este Arduino MEGA și nu dispune
de o memorie sufic ient de mare pentru a putea fi încărcat fișerul NC, care conține instrucțiunile
de deplasare, a fost necesar ca subsistemul software să fie împărțit în două părți.
5.1 PROGRAMUL UTILIZ AT DE PLATFORMA ARDU INO
Pentru realizarea sistemului mecatronic de grav are cu LASER, este necesară încărcarea în
memorie a unui program, denumit „G -code Interpreter”. În ciuda faptului că există numeroase
exemple de programe care fac acest lucru, majoritatea acestora sunt bazate pe aceeași structură.
5.1.1 Definirea obiectivu lui
În primul rând pentru a realiza un astfel de interpretor, este nevoie să existe clar definite
în minte obiectivele dorite a fi atinse.
În mediul de programare Arduino este nevoie de minim două bucle:
o Bucla în care se realizează setările principale din program, în cazul de față se pornește
comunicația serială, se fac setările pentru motoarele pas cu pas, se stabilesc intrările și
ieșirile din microcontroller. Aceast a se numește void setup ( ) și se rulează o singură
dată.
o Cea de -a doua buclă este bucla ce poartă denumirea void loop ( ) . Ea se rulează la
nesfârșit, iar în cazul de față așteaptă primirea unei instrucțiuni, o citește și o decodifică,
acționează conform instrucțiunii și transmite către computer că a fost efectu ată
instrucțiunea și poate pri mi noi mesaje.
Odată cunoscut modul în care trebuie să se comporte interpretorul se poate trece la
următoarea etapă și anume, realizarea buclei void setup ( )
5.1.2 Realizarea setărilor principale din program
În cazul de față se utilizează un program ceva mai complex, în care ințializările se fac în
mai multe ferestre, dar totul se întâmplă în interiroul bucle i de setare. Pentru a susține lucrurile
enumerate mai sus, s -au realizat capturi de ecran pentru rularea acestei bucle.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 47
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

În prima figură ( 5.33 ) se poate observa primul pas este de stabilire a ratei de transfer a
datelor între Arduino și computer, apoi se transmite un mesaj către PC, informându -l că p oate
începe transmisia datelor și se apelează alte două bucle care realizează restul setărilor n ecesare.

Fig. 5.33 Inițializarea programului
Într-una dintre bucle se definesc pinii de control ai motoarelo r, iar în cazul în care se
dorește, există posibilitatea de a stabili și porturile pentru utilizarea senzoriilor de capăt de cursă.
Deoarece pen tru realizarea acestui sistem nu se intenționează utilizarea unor asemenea senzori,
părțile care conțineau porturile pentru senzori au fost comentate.

Fig, 5.34 Continuarea inițializărilor

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 48
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Inițializările au continuat prin definirea numărului de pași nec esari deplasării pe distanța
de 1 mm, respectiv pe distanța de un țol. Calculele acestea au utilizat numărul de pași necesari
pentru efectuarea de către motor a unei rotații, respectiv pasul filetului utilizat pentru deplasarea
pe cele 3 axe.Formulele cu c are s-au efectuat calculele sunt prezentate mai jos.

(5.6)

(5.7)
unde: reprezintă numărul de pași pe care motorul trebuie să îi efectueze pentru o deplasare
de 1 mm , reprezintă numărul de pași pe care motorul trebuie să îi efectueze pentru o
deplasare de 1 inch, semnifică numărul de pași necesari efectuării unei rotații complete
și p reprezintă pasul filetului.
Se mai definesc vitezele maxime de deplasare pentru cele 3 motoare și modul în care se
realizează arcele de cerc.
Ultima buclă care se rulează, prezentată de asemenea în figura 5.35, realizează
inițializare a motoarelor pas cu pas . Primul punct de menționat este acela că în cazul în care nu se
realizează transferul de date, motoarele sunt dezactivate.
Ulterior sunt definiți pinii celor trei motoare ca „ieșiri”, iar dacă s -ar fi utilizat senzori de
capăt de cursă, aceștia ar fi fost definiți ca intrări.
Pentru fiecare motor în parte este valabil că prin acționarea pinului definit ca „STEP” se
va determina număr ul de pași ce trebuie executați. Cu privire la pinul definit ca „DIR”,
acționarea sa va determina direcția de deplasare, iar pinul definit ca „ENABLE” determină dacă
motorul este activ at sau dezactivat.
În mod normal pentru ca motorul să fie activ este nev oie ca pinul să fie trecut în mod
„HIGH”, dar prin realizarea testelor uti lizând shield -ul Ramps 1.4 și a modulelor A4988 s -a
constatat că activarea motoarelor se face atunci când pinii sunt trecuți în mod „LOW”.
5.1.3 Rularea programului principal
Această etapă cuprinde mai multe zone de interes. În primă fază se verifică dacă există
instrucțiuni ce trebuie decodificate, apoi în cazul în care există o instrucșiune care așteaptă să fie
procesată, se apelează bucla de procesare a comenzilor, iar dacă nu există nicio comandă se
dezactivează motoarele.
În figura 5.35 se poate vedea modul în care sunt aplicate zonele explicate mai sus. Așa
cum a fost amintit mai sus bucla în care se rulează această parte a programului poartă denumirea
de void loop ( ) și rulează până când apare o întrerupere în program.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 49
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Fig. 5.35 Bucla principală a programului
În interiorul buclei process_string ( ) se realizează decodificarea instrucțiunilor primite
prin portul serial. Programul utilizat recunoaște o parte din funcți ile G și o parte din funcțiile M
caracteristice limbajului mașinilor unelte.
Deși nu se pot utiliza toate funcțiile specifice acestui limbaj de programare, cele
recunoscute în program sunt suficiente pentru a înțelege instrucțiunile referitoare la interpol are
liniară cu avans de lucru sau avans rapid, arce de cerc în sens trigonometric sau în sens orar,
unitatea de măsură aleasă (milimetri sau țoli) și dacă deplasarea se face raportat la coordonate
absolute sau relative.
Odată decodificată instrucțiunea est e necesară acționarea motoarelor conform
instrucțiunii primite . În această fază se calculează numărul de pași necesari pentru deplasare, se
stabilește sensul în care se va realiza deplasarea, iar în cazul în care este necesară deplasarea pe
axa X și pe axa Y simultan, atunci motoarele trebuie să fie sincronizate astfel încât deplasarea să
fie finalizată în același timp indiferent dacă distanța de deplasare de o axă este mai mare decât pe
cealaltă.
Deoarece programul care rulează în memoria microcontroller -ului este foarte stufos, s -a
ales să se realizeze capturi de ecran doar pentru cele două bucle principale, iar programul
integral să fie inclus în Anexa nr.1.
5.2 PROGRAMUL CE REA LIZEAZĂ TRANSFERUL D ATELOR CĂTRE
ARDUINO
Așa cum a fost menționat la început ul capitolului este necesar un program care să
realizeze transferul frază cu frază a instrucțiunilor din fișierul NC. Pentru a realiza acest lucru s -a
optat pentru construirea unui program utilizând mediul de programare LabVIEW.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 50
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Având în vedere că programu l a fost construit de la început, s -au luat în considerare și
alte funcții care ar putea ușura utilizarea sistemului de gravare cu LASER. De aceea pe lângă
funcția principală de transfer al datelor către Arduino, programul poate realiza simul area
prelucrării și se poate realiza controlul în modul manual al sistemului.

Fig.5. 36 Interfața cu utilizatorul a programului
În figura 5.36 este prezentată interfața cu utilizatorul a programului realizat în LabVIEW.
Primul pas pentru a putea realiza conexiunea cu placa Arduino este alegerea portului de
comunicație, apoi se selectează fișierul ce se dorește a fi transferat. Poziția butonului „Auto”
determină modul în care se acționează sistemul. Pentru a realiza transferul datelor se trece
butonul pe poziția din dre apta, dacă se dorește controlul manual butonul rămâne în poziția din
stânga. Înaintea începerii prelucrării se poate efectua simularea programului prin menținerea
butonului „Auto” în poziția din stânga și apăsarea butonului din stânga sus ce indică o săgea tă.
Dacă simularea este în regulă, atunci se poate trece butonul în modul automat și prelucrarea
începe.
În continuare se vor prezenta câteva câteva capturi de ecran pentru a se înțelege mai ușor
modul de funționare al programului.

Fig.5.37 Modul ul de transfer al datelor

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 51
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

În figura 5.37 este prezentat modul de lucru automat. Pentru a se putea realiza transferul
datelor, este necesar ca rata de transfer să fie aceeași ca și cea setată pentru Arduino, apoi fișierul
ales pentru a fi transferat este împărțit în rânduri, care vor fi transmise unul câte unul de fiecare
dată când se primește confirmarea că s -a finalizat pasul anterior.

Fig.5.38 Controlul manual al sistemului
Pentru a controla în modul manual sistemul, este necesar să se aleagă axa pe care se
dorește a se efectua deplasarea, apoi să se selecteze sensul ( pozitiv sau negativ ) al deplasării.
În figura 5.38 este prezentată logica din spatele controlului manual al sistemului. În prima
fază se realizează citirea portului serial pentru a se verifica conexiunea cu placa Arduino, apoi se
introduce modul de deplasare și unitatea de măsură. A doua etapă o reprezintă realizarea
deplasării pe una dintre axe și într -unul din cele două sensuri. Programul nu permite continuarea
deplasării decât în mom entul în care s -a efectuat comanda precedentă.

Fig.5.39 Simularea programului NC
Algoritmul de simulare al programului NC poate fi observat în figura 5.39. Acesta se
bazează pe extragearea coordonatelor de deplasare din fiecare frază și afișarea lor pe u n grafic de
tip XY. Totodată se poate regla și viteza cu care simularea se realizează, astfel încât să poată fi
observat cu atenție modul realizării deplasării.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 52
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

6. REALIZAREA PRACTICĂ A SISTEMULUI MECATRO NIC
PENTRU GRAVARE CU LA SER
Realizarea practică a sistemului a pornit de la modelul CAD prezentat în capitolul 4 al
acestei lucrări. Materialul utilizat pentru prelucrarea componentelor fixe a fost achizișionat de la
un magazin local de bricolaj. S -a achiziționat o placă din care au fost debitate toate el ementele și
apoi au fost executate găurile pentru fixare.
De asemenea tijele filetate și axele de ghidare au fost debitate la lungimea de 500 mm
pentru ax ele X și Y, iar pentru axa Z, axele de ghidare au fost debitate la 134 mm, iar tija filetată
la 127 mm . S-a început asamblarea cu elementele componente ale axei Z, rezultatul primei faze
putând fi văzut în figura 6.40.

Fig.6.40 Componentele axei Z
Fixarea elementelor din MDF s -a făcut cu ajutorul holșuruburilor, rulmenții liniari și
piulița au fost fixa te de elementul intermediar cu ajutorul unor coliere de plastic. Această soluție
a fost aleasă deoarece distanța între rulem enți si piuliță este foarte mică și nu s -a putut
implementa alt sistem de prindere.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 53
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

După ce au fost asamblate componentele axei Z, s -a continuat cu asamblarea elementelor
necesare axei Y. Fixarea rulmenților și a suporturilor pentru axele de ghidare s -a făcut cu
ajutorul șuruburilor și a piulițelor cu autoblocare.
În figur a 6.41 se poate observa ansamblul elementelor c omponente pentru axa Z și axa Y.

Fig.6.41 Componentele axei Y
De acestă dată pentru fixarea rulmenților și a piuliței s -a utilizat bandă perforată de tablă,
aceasta asigurând o fixare mult mai rigidă.
În prealabil s -a construit și ansamblul care asigură deplasarea pe axa X. Acesta este
format din placa de fixare, placa pe care se fixează motorul, placa de care se fixează rulmentul,
cele două plăci laterale, masa de lucru, axele de ghidare și tija filetată.

Fig.6.42 Ansamblul elementelor axei X

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 54
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Figura 6.42 ilustrează rezultatul acestei etape de asamblare, în imagine putându -se
observa toate elementele enumerate mai sus. De asemenea și în acest caz pentru fixarea
rulmenților și a piuliței s -a utilizat bandă perforată din tablă.
Următorul pas a constat în finalizarea asa mblării componentelor mecanice, s -au fixat
brațele laterale ce susțin componentele axei Y de cele două plăci, iar apoi s -a verificat manual
modul în care se efectuează deplasările pe cele trei axe. Au fost corectate o parte din problemele
descoperite, iar rezultatul final este în figura 6.43.

Fig.6.43 Sistemul mecanic complet asamblat
S-a trecut apoi la asamblarea componentelor subsistemului electronic. Au fost montate
radiatoare pe modulele A4988 pentru a se evita supraîncălzirea li apoi au fost amplasat e în
soclurile corespunzătoare de pe shield -ul Ramps 1.4, care la rândul său a fost montat pe placa
Arduino. În figura 6.44 se pot vedea asamblate componentele electronice necesare funcționării
acestui sistem.

Fig.6.44 Subsistemul electronic

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 55
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Pentru a se verifica funcționalitatea sistemului s -a ales montarea unui instrument de scris
pe suportul port -sculă, urmând ca modulul LASER să fie montat după finalizarea etapei de
testare. În figura 6.45 se poate vedea rezultatul testului inițial alături de simulare a efectuată în
LabVIEW.

Fig.6.45 Comparație între test și simulare
Comparându -se rezultatul testului cu imaginea obținută în urma simulării se poate
concluziona că rezultatul obținut satisfăcător.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 56
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

7. MĂSURI DE PROTECȚI A MUNCII, TEHNICA SECURITĂȚII
ȘI PREVENIRE A ȘI STINGEREA INCENDII LOR
Acest tip de norme au ca scop prevenirea accidentelor și a bolilor profesionale. Normele
de protecție a muncii privind exploatarea sitemului mecatronic pentru gravare cu LASER sunt:
[58]
1. Se interzice accesul în spațiile de deplasare a port -sculei.
2. Este interzisă atingerea componentelor mașinii în timpul funcționării.
3. Este obligatorie utilizarea ochelarilor de protecție în timpul funcționării modulului
LASER.
4. Ungerea cu ulei a axelor de ghidare și a tijelor filetate se fac e doar cu mașina
oprită.
5. Reparațiile și reglajele se execută numai după deconectarea mașinii comandate
numeric de sub tensiune.
6. Înaintea începerii prelucrării se verifică starea generală a mașinii.
7. În momentul verificărilor se au în vedere eventuale zgomot e anormale, sau
vibrații care ies din parametri.
8. Înaintea fixării piesei pe masa de lucru, verifică starea mesei de lucru .
9. Piesele de prelucrat se vor fixa rigid pe masa mașinii, în menghină sau cu ajutorul
dispozitivelor de fixare.
10. Materialul prelucrat se îndepărtează doar după finalizarea prelucrării și în
momentul în care modulul LASER este oprit .
11. Avansul se pornește numai după pornirea activarea modulului LASER .
12. În timpul prelucrării nu este permis ca pe masă să se găsească alte lucruri în afara
materia lului de prelucrat .
13. Verificarea calității suprafeței prelucrate se face numai după oprirea mașinii.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 57
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

8. CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII ȘI PERSP ECTIVE DE
DEZVOLTARE
Lucrarea de față, intitulată Proiectarea și realizarea unei mașini comandate numeric
folosi tă la prelucrarea cablajelor imprimate , și-a propus realizarea unei mașini comandate
numeric capabilă să realizeze traseele electrice ale cablajelor imprimate, găurile de montare a
componentelor, găurile de fixare a plăcuței și decuparea plăcii la dimensiu nile cerute.
Din cauza unor probleme ce au apărut pe parcurs și au fost constatate în timpul
procesului de realizare a mașinii comandate numeric, obiectivele propuse nu au fost atinse în
totalitate, astfel că în rândurile de mai jos sunt prezentate conclu ziile desprinse în urma realizării
acestui proiect.
Pentru început, a vantajele mașinii comandate numeric , dezvoltate în cadrul proiectului de
diplomă sunt :
o Costul de producție redus în comparație cu celelalte soluții existente la nivel
intern și in ternaț ional;
o Sistemul electronic este simplu și performant, prin urmare este recomandată
utilizarea sa în cazul în care motoarele folosite nu consumă, atunci când sunt în
sarcină, mai mult de 600 mA .
o Integrarea plăcii de dezvoltare cu microcontroller Arduino în construcția mașinii,
pentru ca aceasta să poată fi comandată de la orice computer, ce dispune de port
USB.
o Utilizarea de programe cu licență Open Source , acest lucru contribuind la
reduce rea costul ui de producție;
o Consumul redus de curent electric;
o Realizarea circuitului pentru driver -ele de motoare în locul utilizării modulelor ce
încorporează driver -e de motoare , care deși au performanțe mai bune, au un cost
ridicat de achiziționare.
În urma parcurgerii proiectului se constată că există unele îmbunătățiri ce trebuie aduse
mașinii comandate numeric, pentru ca ace asta să poată fi utilizată în scopul în ca re a fost
proiectată si construită. S-au constatat probleme la partea mecanică, datorate în primul rând
tehnologiei de prelucrare a compon entelor , care prezintă un grad de complexitate ridicat și care
nu a putut fi realizată într -un mediu profesional. D in această cauză există jocuri destul de mari,
care reduc semnificativ precizia de prelucrare .
În concluzie, realizarea unei mașini comandate numeric ca re să poată fi utilizată la
prelucrarea cablajelor imprimate, este dificil de realizat fără o tehnologie corespunzătoare de
prelucrare a componentelor mecanice.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 58
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

Este necesară optimizarea sistemului software care prezintă mici probleme în
recunoașterea unor funcții ale limbajului de programare pentru mașini unelte, dar și unele erori la
nivelul executării comenzilor.
Contribuțiile personale aduse în cadrul acestui proiect, sunt:
o Realizarea unei analize a sistemelor similare la nivel intern și internațional;
o Modelarea tridimenisonală în Catia a mașinii comandate numeric;
o Proiectarea și realizarea circuitului pentru driver -ele de motoare;
o Simularea prototipului virtual în LMS Virtual Lab;
o Adaptarea algoritmului software pentru placa Arduino, astfel încât acest a să
corespundă cerințelor proiectului;
o Realizarea practică a unei mașini comandate numeric;
o Adaptarea acesteia pentru a putea fi utilizată la prelucrarea cablajelor imprimate.
Prezentul proiect de diplomă reprezintă un punct de plecare pentru dezvoltarea unei
mașini comandate numeric performante, iar ca perspective în această direcție, se pot considera
următoarele :
o Utilizarea rulmenților liniari pentru deplasarea de -a lungul axelor de ghidare;
o Utilizarea unor tehnologii profesionale de prelucrare a compone ntelor mecanice;
o Înlocuirea transmisiei șurub -piuliță clasică, cu o transmisie șurub -piuliță cu bile;
o Optimizarea algoritmului software;
o Comandarea și controlul wireless al mașinii comandate numeric;
o Realizarea circuitului electronic pe o placă ce conține traseele electronice
imprimate.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 59
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

BIBLIOGRAFIE
[1] I. Barbu, Gh. Bejinaru -Mihoc, Notițe de curs Mașini de lucru cu comandă numerică, 2013 –
2014 ;
[2] CNC Machine Overview and Computer Numerical Control History , Disponibil la:
http://www.cnccookbook.com/CCCNCMachine.htm [ Accesat 04.06.2017 ]
[3] Sorin Constantin Zamfira, Optoelectronică, Editura Universității „Transilvania” Brașov,2004
[4] Notiuni generale despre CAM si comanda numerica , Disponibil la:
http://catia.3x.ro/index_files/text/Notiuni.htm [Accesat 04.06.2017 ]
[5] Gh. Bejinaru -Mihoc, Notițe de curs Tehnologii de prelucrare, 2012 -2013;
[6] 500mW Desktop DIY Violet Laser Engraving Machine Picture CNC Printer , Disponibil la:
http://www.banggood.com/500mW -Desktop -DIY-Violet -Lase r-Engraving -Machine -Picture –
CNC -Printer -p-969324.html [Accesat 09 .06.2017 ]
[7] DIY Laser cutter and engraver , Disponibil la: https://www.thingiverse.com/thing:1026345
[Accesat 09.06.2017]
[8] ARDUINO LASER ENGRAVER WOOD DESIGN!, Disponibil la:
http://www.instructables.com/id/Arduino -Laser -Engraver -Wood -Design/ [Accesat 09.06.2017]
[9] L. Cristea, S. Zamfira , Notițe de C urs Bazele Sistemelor Mecatronice , 2012 -2013
[10] M. Luculescu , Notiț e de Curs Microcontrollere și Microprocesoare, 2013 -2014
[11] Comanda motorului pas cu pas , Disponibil la:
http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj –
Napoca/grupa7/Peter_Arpad/site/pascomanda.pdf [Accesat 10.06.201 7]
[12] Datasheet 39BYGH s eries, Disponibil la:
http://www.tme.eu/ro/details/39bygh405b/electromotoare/ [Accesat 10.06.2017]
[13] Cuplaj elastic 5mm – 8mm , Disponibil la:
http://nichelina -cnc.ro/product_info.php?cPath=58&products_id=359
[Accesat 10.06.2017 ]
[14] Gh. Moldovean, Notiț e de curs Organe de mașini , Capitolul 2 Asamblări filetate, 2012 –
2013.
[15] http://www.pge.ro/suruburi -conducatoare [Accesat 10.06.2015 ]
[16] Gh. Moldovean , Notiț e de curs Organe de mașini , Capitolul 2 Rulmenți și montaje cu
rulmenți, 2012 -2013.
[17] 8mm Inner Diameter Zinc Alloy Pillow Block Flange Bearing KFL08 ,
Disponibil la: https://www.banggood.com/8mm -Inner-Diameter -Zinc-Alloy -Pillow -Block –
Flange -Bearing -KFL08 -p-991444.html?rmmds=search&cur_warehouse=CN [Accesat
14.06.2017 ]
[18] Rulment liniar LM8UU , Disponibil la: http://nichelina –
cnc.ro/product_info.php?cPath=49_72&products_id=285 [Accesat 14.06.2017 ]
[19] CNC Linear Motion Systems , Disponibil la: http://www.cncroutersource.com/linear –
motion.html [Accesat 14.06.2017 ]
[20] Axa ghidaj , Disponibil la:
http://www.tekro.ro/index.php?route=product/product&product_id=163 [Accesat 14.06.2017 ]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 60
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

[21] Machifit SK8/10/12/16 Linear Rail Shaft Support XYZ Table CNC Router , Disponibil la:
https://www.banggood.com/SK8101216 -Linear -Rail-Shaft-Support -XYZ -Table -CNC -Router -p-
984131.html?rmmds=search&cur_warehouse=CN [Accesat 14.06.2017 ]
[22] Machifit SHF8/10/12/16/20 Horizontal Shaft Support Linear Shaft Support Rail Support
CNC Parts , Disponibil la: https://www.banggood.com/SHF810121620 -Horizontal -Shaft –
Support -Linear -Shaft -Support-Rail-Support -CNC -Parts -p-
984374.html?rmmds=search&cur_warehouse=CN [ Accesat 14.06.2017 ]
[23] Alimentator stabilizat 12V 3000mA, Disponibil la:
http://www.mivarom.ro/catalog/product_info.php/alimentator -stabilizat -12v-3000ma -p-
4742?osCsid=9ieocagkf1188nnndiufmho5n 2 [Accesat 18.06.201 7]
[24] Datasheet A4988, Disponibil la:
https://www.pololu.com/file/download/A4988.pdf?file_id=0J450 [Accesat 18.06.2017 ]
[25] A4988 Stepper Motor Driver Carrier, Black Edition , https://www.pololu.com/product/2986
[Accesat 18.06.2017 ]
[26] Shield Ramps, http://reprap.org/wiki/File:RAMPS1 -3_fin.J PG [Accesat 18.06.2017]
[27] Ramps 1.4, Disponibil la: http://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4 [Accesat 18.06.2017]
[28] P. Borza, C.Gerigan, P. Ogrutan și Gh. Toacș e, Microcontrol lere, Editura Tehnică , 2000 .
[29] Arduino MEGA 2560 , Disponibil la: http://www.robofun.ro/arduino/arduino_mega2560
[Accesat 19.06.2017 ]
[30] https://www.banggood.com/1000mw -Bluish -Violet -Laser -Head -Parts -405nm -For-
Engraver -DIY-Engravi ng-Machine -p-1092171.html?rmmds=search&cur_warehouse=CN
[Accesat 19.06.2017 ]
[31] I. Barbu, Proiectare asistată de calculator Notițe de curs, 2013 -2014
[32] A. Dumi triu, S. Zamfira ș i M. Luculescu, Mecatro nică, vol.2, Editura Universităț ii
Transilvania din Braș ov, 656 pagini, 2011, ISBN 978 -973-598-990-3.
[33] Gh. Bejinaru -Mihoc, S. La che, I Olaru, Tehnologia producț iei microsistemelor, 182
pagini,1997, ISBN 973 -96505 -7-0
[34] G. Williams, CNC Robotics, 320 pagini, 2003, ISBN 0 -07-141828 -8
[35] Norme specifice de securitate a muncii pent ru prelucrarea metalelor prin aș chiere ,
Disponibil la: http://www.iprotectiamuncii.ro/norme -protectia -muncii/nssm -1 ,
[Accesat 10.01.2018 ]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 61
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

ANEXA NR. 1
#include <HardwareSerial.h>

//our command string
#define COMMAND_SIZE 128
char palabra[COMMAND_SIZE];
byte serial_count;
int no_data = 0;

void setup()
{
Serial.begin(38400);
Serial.println("start");

init_process_string();
init_steppers();

}

void loop()
{
char c;

if (Serial.available() > 0)
{
c = Serial.read();
no_data = 0;

if (c != ' \n')
{
palabra[serial_count] = c;
serial_count++;
}
}
else
{
no_data++;
delayMicroseconds(100);
}

if (serial_count && (c == ' \n' || no_data > 100))
{

process_string(palabra, serial_count);

init_process_string();
}

if (no_data > 1000)
disable_steppers();
}

#define X_STEPS_PER_INCH 4064
#define X_STEPS_PER_MM 160
#define X_MOTOR_STEPS 200

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 62
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

#define Y_STEPS_PER_INCH 4064
#define Y_STEPS_PER_MM 160
#define Y_MOTOR_STEPS 200

#define Z_STEPS_PER_INCH 4064
#define Z_STEPS_PER_MM 160
#define Z_MOTOR_STEPS 200

#define FAST_XY_FEEDRATE 30
#define FAST_Z_FEEDRATE 30

#define CURVE_SECTION_INCHES 0.019685
#define CURVE_SECTION_MM 0.5

#define SENSORS_INVERTING 0
#define X_STEP_PIN 8
#define X_DIR_PIN 9
#define X_MIN_PIN 4
#define X_MAX_PIN 2
#define X_ENABLE_PIN 15

#define Y_STEP_PIN 11
#define Y_DIR_PIN 10
#define Y_MIN_PIN 3
#define Y_MAX_PIN 5
#define Y_ENABLE_PIN 15

#define Z_STEP_PIN 13
#define Z_DIR_PIN 12
#define Z_MIN_PIN 7
#define Z_MAX_PIN 6
#define Z_ENABLE_PIN 15

struct LongPoint {
long x;
long y;
long z;
};

struct FloatPoint {
float x;
float y;
float z;
};

FloatPoint current_units;
FloatPoint target_units;
FloatPoint delta_units;

FloatPoint current_steps;
FloatPoint target_steps;
FloatPoint delta_steps;

boolean abs_mode = false;

float x_units = X_STEPS_PER_INCH;
float y_units = Y_STEPS_PER_INCH;
float z_units = Z_STEPS_PER_INCH;
float curve_section = CURVE_SECTION_INCHES;

byte x_direction = 1;
byte y_direction = 1;
byte z_direction = 1;

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 63
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

void init_process_string()
{

for (byte i=0; i< COMMAND_SIZE; i++)
palabra[i] = 0;
serial_count = 0;
}

float feedrate = 0.0;
long feedrate_micros = 0;

void process_string(char instruction[], int size)
{

if (instruction[0] == '/')
{
Serial.println("ok");
return;
}

FloatPoint fp;
fp.x = 0.0;
fp.y = 0.0;
fp.z = 0.0;

byte code = 0;;

if (
has_command('G', instruction, size) ||
has_command('X', instruction, size) ||
has_command('Y', instruction, size) ||
has_command('Z', instruction, size)
)
{

code = (int)search_string('G', instruction, size);

switch (code)
{
case 0:
case 1:
case 2:
case 3:
if(abs_mode)
{

if (has_command('X', instruction, size))
fp.x = search_string('X', instruction, size);
else
fp.x = current_units.x;

if (has_command('Y', instruction, size))
fp.y = search_string('Y', instruction, size);
else
fp.y = current_units.y;

if (has_command('Z', instruction, size))
fp.z = search_string('Z', instruction, size);
else

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 64
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

fp.z = current_units.z;
}
else
{
fp.x = search_string('X', instruction, size) +
current_units.x;
fp.y = search_string('Y', instruction, size) +
current_units.y;
fp.z = search_string('Z', instru ction, size) +
current_units.z;
}
break;
}

switch (code)
{
case 0:
case 1:

set_target(fp.x, fp.y, fp.z);

if (has_command('G', instruction, size))
{

if (code == 1)
{

feedrate = search_string('F', instruction, size);
if (feedrate > 0)
feedrate_micros =
calculate_feedrate_delay(feedrate);

else
feedrate_micros = getMaxSpeed();
}

else
feedrate_micros = getMaxSpeed();
}

else
{

if (feedrate > 0)
feedrate_micros = calculate_feedrate_delay(feedrate);

else
feedrate_micros = getMaxSpeed();
}

dda_move(feedrate_micros);
break;

//Clockwise arc
case 2:
//Counterclockwise arc
case 3:
FloatPoint cent;

// Centre coordinates are al lways relative
cent.x = search_string('I', instruction, size) + current_units.x;
cent.y = search_string('J', instruction, size) + current_units.y;
float ang leA, angleB, angle, radius, length, aX, aY, bX, bY;

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 65
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

aX = (current_units.x – cent.x);
aY = (current_units.y – cent.y);
bX = (fp.x – cent.x);
bY = (fp.y – cent.y);

if (code == 2) { // Clockwise
angleA = atan2(bY, bX);
angleB = atan2(aY, aX);
} else { // Counterclockwise
angleA = atan2(aY, aX);
angleB = atan2(bY, bX);
}

if (angleB <= angleA) angleB += 2 * M_PI;
angle = angleB – angleA;

radius = sqrt(aX * aX + aY * aY);
length = radius * angle;
int steps, s, step;
steps = (int) ceil(length / curve_section);

FloatPoint newPoint;
for (s = 1; s <= steps; s++) {
step = (code == 3) ? s : steps – s; // Work backwards for CW
newPoint.x = cent.x + radius * cos(angleA + a ngle * ((float)
step / steps));
newPoint.y = cent.y + radius * sin(angleA + angle * ((float)
step / steps));
set_target(newPoint.x, newPoint.y, fp.z);

if (feedrate > 0)
feedrate_micros = calculate_feedrate_delay(feedrate);
else
feedrate_micros = getMaxSpeed();

dda_move(feedrate_micros);
}

break;

case 4:
delay((int)search_string('P', instruction, size));
break;

//Inch for Unit
case 20:
x_units = X_STEPS_PER_INCH;
y_units = Y_STEPS_PER_INCH;
z_units = Z_STEPS_PER_INCH;
curve_section = CURVE_SECTION_INCHES;

calculate_deltas();
break;

//mm for Unit
case 21:
x_units = X_STEPS_PER_MM;
y_units = Y_STEPS_PER_MM;
z_units = Z_STEPS_PER _MM;
curve_section = CURVE_SECTION_MM;

calculate_deltas();

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 66
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

break;

//go home.
case 28:
set_target(0.0, 0.0, 0.0);
dda_move(getMaxSpeed());
break;

//go home via an intermediate point.
case 30:
fp.x = search_string('X', instruction, size);
fp.y = search_string('Y', instruction, size);
fp.z = search_string('Z', instruction, size);

//set our target.
if(abs_mode)
{
if (!has_command('X', instruction, size))
fp.x = current_uni ts.x;
if (!has_command('Y', instruction, size))
fp.y = current_units.y;
if (!has_command('Z', instruction, size))
fp.z = current_units.z;

set_target(fp.x, fp.y, fp.z);
}
else
set_target(current_units.x + fp.x, current_units.y + fp.y,
current_units.z + fp.z);

//go there.
dda_move(getMaxSpeed());

//go home.
set_target(0.0, 0.0, 0.0);
dda_move(getMaxSpeed());
break;

//Absolute Position
case 90:
abs_mode = true;
break;

//Incremental Position
case 91:
abs_mode = false;
break;

//Set home
case 92:
set_position(0.0, 0.0, 0.0);
break;

default:
Serial.print("huh? G");
Serial.println(code,DEC);
}
}

if (has_command('M', instruction, size))
{
code = search_string('M', instruction, size);
switch (code)
{

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 67
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

case 0:
true;
break;

default:
Serial.print("Huh? M");
Serial.println(code);
}
}

Serial.println("ok");

}

double search_string(char key, char instruction[], int string_size)
{
char temp[10] = "";

for (byte i=0; i<string_size; i++)
{
if (instruction[i] == key)
{
i++;
int k = 0;
while (i < string_size && k < 10)
{
if (instruction[i] == 0 || instruction[i] == ' ')
break;

temp[k] = instruction[i];
i++;
k++;
}
return strtod(temp, NULL);
}
}

return 0;
}
bool has_command(char key, char instruction[], int string_size)
{
for (byte i=0; i<string_size; i++)
{
if (instruction[i] == k ey)
return true;
}

return false;
}

long max_delta;
long x_counter;
long y_counter;
long z_counter;
bool x_can_step;
bool y_can_step;
bool z_can_step;
int milli_delay;

void init_steppers()
{

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 68
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

disable_steppers();

current_units.x = 0.0;
current_units.y = 0.0;
current_units.z = 0.0;
target_units.x = 0.0;
target_units.y = 0.0;
target_units.z = 0.0;

pinMode(X_STEP_PIN, OUTPUT);
pinMode(X_DIR_PIN, OUTPUT);
pinMode(X_ENABLE_PIN, OUTPUT);
pinMode(X_MIN_PIN, INPUT);
pinMode(X_MAX_PIN, INPUT);

pinMode(Y_STEP_PIN, OUTPUT);
pinMode(Y_DIR_PIN, OUTPUT);
pinMode(Y_ENABLE_PIN, OUTPUT);
pinMode(Y_MIN_PIN, INPUT);
pinMode(Y_MAX_PIN, INPUT);

pinMode(Z_STEP_PIN, OUTPUT);
pinMode(Z_DIR_PIN, OUTPUT);
pinMode(Z_ENABLE_PIN, OUTPUT);
pinMode(Z_MIN_PIN, INPUT);
pinMode(Z_MAX_PIN, INPUT);

calculate_deltas();
}

void dda_move(long micro_delay)
{
digitalWrite(X_ENABLE_PIN, HIGH);
digitalWrite(Y_ENABLE_PIN, HIGH);
digitalWrite(Z_ENABLE_PIN, HIGH);

max_delta = max(delta_steps.x, del ta_steps.y);
max_delta = max(delta_steps.z, max_delta);

long x_counter = -max_delta/2;
long y_counter = -max_delta/2;
long z_counter = -max_delta/2;

bool x_can_step = 0;
bool y_can_step = 0;
bool z_can_step = 0;

if (micro_delay >= 16383)
milli_delay = micro_delay / 1000;
else
milli_delay = 0;

do
{
x_can_step = can_step(X_MIN_PIN, X_MAX_PIN, current_steps.x, target_steps.x,
x_direction);
y_can_step = can_step(Y_MIN_PIN, Y_MAX_PIN, current_steps.y, target_steps.y,
y_direction);
z_can_step = can_step(Z_MIN_PIN, Z_MAX_PIN, current_steps.z, target_steps.z,
z_direction);

if (x_can_step)
{
x_counter += delta_steps.x;

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 69
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

if (x_counter > 0)
{
do_step(X_STEP_PIN, X_DIR_PIN, x_direction);
x_counter -= max_delta;

if (x_direction)
current_steps.x++;
else
current_steps.x –;
}
}

if (y_can_step)
{
y_counter += delta_steps.y;

if (y_counter > 0)
{
do_step(Y_STEP_PIN, Y_DIR_PIN, y_direction);
y_counter -= max_delta;

if (y_direction)
current_steps.y++;
else
current_steps.y –;
}
}

if (z_can_step)
{
z_counter += delta_steps.z;

if (z_counter > 0)
{
do_step(Z_STEP_PIN, Z_DIR_PIN, z_direction);
z_counter -= max_delta;

if (z_direction)
current_steps.z++;
else
current_steps.z –;
}
}

if (milli_delay > 0)
delay(milli_delay);
else
delayMicroseconds(micro_delay);
}
while (x_can_step || y_can_step || z_can_step);

current_units. x = target_units.x;
current_units.y = target_units.y;
current_units.z = target_units.z;
calculate_deltas();
}

bool can_step(byte min_pin, byte max_pin, long current, long target, byte direction)
{
if (target == current)
return false;
else if (read_ switch(min_pin) && !direction)
return false;

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 70
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

else if (read_switch(max_pin) && direction)
return false;

return true;
}

void do_step(byte pinA, byte pinB, byte dir)
{
switch (dir << 2 | digitalRead(pinA) << 1 | digitalRead(pinB)) {
case 0: /* 0 00 -> 10 */
case 5: /* 1 01 -> 11 */
digitalWrite(pinA, HIGH);
break;
case 1: /* 0 01 -> 00 */
case 7: /* 1 11 -> 10 */
digitalWrite(pinB, LOW);
break;
case 2: /* 0 10 -> 11 */
case 4: /* 1 00 -> 01 */
digitalWrite(pinB, HIGH);
break;
case 3: /* 0 11 -> 01 */
case 6: /* 1 10 -> 00 */
digitalWrite(pinA, LOW);
break;
}
delayMicroseconds(5);
}

bool read_switch(byte pin)
{

if ( SENSORS_INVERTING )
return !digitalRead(pin) && !digitalRead(pin);
else
return digitalRead(pin) && digitalRead(pin);
}

long to_steps(float steps_per_unit, float units)
{
return steps_per_unit * units;
}

void set_target(float x, float y, float z)
{
target_units.x = x;
target_units.y = y;
target_units.z = z;

calculate_deltas();
}

void set_position(float x, float y, float z)
{
current_units.x = x;
current_units.y = y;
current_units.z = z;

calculate_deltas();
}

void calculate_deltas()
{

delta_units.x = abs(target_units.x – current_units.x);

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 71
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

delta_units.y = abs(target_units.y – current_units.y);
delta_units.z = abs(target_units.z – current_units.z);

current_steps.x = to_steps(x_units, current_units.x);
current_steps.y = to_steps(y_units, current_units.y);
current_steps.z = to_steps(z_units, current_units.z);

target_steps.x = to_steps(x_units, target_u nits.x);
target_steps.y = to_steps(y_units, target_units.y);
target_steps.z = to_steps(z_units, target_units.z);

delta_steps.x = abs(target_steps.x – current_steps.x);
delta_steps.y = abs(target_steps.y – current_steps.y);
delta_steps.z = abs(target_ steps.z – current_steps.z);

//what the direction
x_direction = (target_units.x >= current_units.x);
y_direction = (target_units.y >= current_units.y);
z_direction = (target_units.z >= current_units.z);

//set the direction pins
digitalWrite(X_DIR_PIN, x_direction);
digitalWrite(Y_DIR_PIN, y_direction);
digitalWrite(Z_DIR_PIN, z_direction);
}

long calculate_feedrate_delay(float feedrate)
{

float distance = sqrt(delta_units.x*delta_units.x + delta_units.y*delta_units.y +
delta_units.z*delta_units.z);
long master_steps = 0;

if (delta_steps.x > delta_steps.y)
{
if (delta_steps.z > delta_steps.x)
master_steps = delta_steps.z;
else
master_steps = delta_steps.x;
}
else
{
if (delta_steps.z > delta_steps.y)
master_steps = delta_steps.z;
else
master_steps = delta_steps.y;
}

return ((distance * 600000000.0) / feedrate) / master_steps;
}

long getMaxSpeed()
{
if (delta_steps.z > 0)
return calculate_feedrate_delay(FAST_Z_FEEDRATE);
else
return cal culate_feedrate_delay(FAST_XY_FEEDRATE);
}

void disable_steppers()
{
//enable steppers

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea Design de Produs și Mediu LUCRARE DE DISERTA ȚIE Pag. 72
Programul de studii: SISTEME MECATRONICE
PENTRU INDUSTRIE ȘI MEDICINĂ

digitalWrite(X_ENABLE_PIN, LOW);
digitalWrite(Y_ENABLE_PIN, LOW);
digitalWrite(Z_ENABLE_PIN, LOW);
}