ra čunalniško voden 3-osni rezkalni stroj · siemens sinumerik 802s base line siemensov sinumerik...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Primož Jeran

Računalniško voden 3-osni rezkalni stroj

Diplomska naloga

Maribor, maj 2008

I

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17

Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa


Študent: Primož Jeran Študijski program: univerzitetni, Telekomunikacije Mentor: doc. dr. Iztok KRAMBERGER Komentor: doc. dr. Mitja SOLAR Maribor, maj 2008

III

ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Iztoku Krambergerju za strokovno pomoč in vodenje pri opravljanju diplome. Prav tako se za pomoč zahvaljujem komentorju doc. dr Mitja Solarju. Posebna zahvala velja staršem za vso podporo v času študija.

IV


Ključne besede: krmilni sistem, koračni motorji, računalniško numerično krmiljenje,

rezkalni stroj.

UDK: 004.451.25:621.937(043.2)

Povzetek

V diplomski nalogi je opisana nadgradnja ročno vodenega tri-osnega rezkalnega stroja

z računalniško vodenim krmilnim sistemom. Nadgradnja vključuje izdelavo krmilne enote

in njeno povezavo s krmilnim programom za računalniško vodenje koordinatnih strojev.

Za krmilni program smo uporabili odprtokodni program EMC2, ki je nameščen na

osebnem računalniku in omogoča povezavo s krmilno enoto preko standardnih vzporednih

vrat.

V

Computer guided 3-axes milling machine

Key words: control system, stepping motors, computer numerical control, milling

machine.

UDK: 004.451.25:621.937(043.2)

Abstract

The presented work describes an upgrade of a hand guided three axes milling machine

with computer guided control system. The upgrade includes the construction of the control

unit and the connection with the control program for computer guidance of coordinate

machines. We have used EMC2 software, which is an open source project for a control

program. The software is installed on a personal computer and is connected to a control

unit over parallel port.

VI

KAZALO

1. UVOD .......................................................................................................................2

2. PREGLED STANJA ................................................................................................3

2.1. SIEMENS SINUMERIK 802S BASE LINE ....................................................................3

2.2. OPTI F 100 CNC .....................................................................................................4

2.3. ROČNI REZKALNI STROJ ............................................................................................5

2.4. KORAČNI MOTORJI ...................................................................................................7

Unipolarni koračni motorji ........................................................................................9

Bipolarni koračni motorji ...........................................................................................9

Tri- in pet-fazni koračni motorji ............................................................................... 11

2.5. NAČINI KORAKANJA ............................................................................................... 11

Valovni pogon .......................................................................................................... 11

Polni korak............................................................................................................... 12

Polovični korak ........................................................................................................ 14

Mikro korak ............................................................................................................. 15

3. KRMILNA ENOTA ............................................................................................... 16

3.1. KORAČNI MOTORJI ................................................................................................. 18

3.2. KRMILNI DEL .......................................................................................................... 19

Stikalni tokovni regulator ......................................................................................... 22

Pomen različnih položajev jumperjov na vezju: ........................................................ 26

Pomen led diod: ....................................................................................................... 26

3.3. NAPAJALNI DEL ...................................................................................................... 28

4. KRMILNI PROGRAM .......................................................................................... 29

Grafični vmesniki ..................................................................................................... 30

Kontrola premika ..................................................................................................... 32

Vhodno izhodna enota .............................................................................................. 32

Izvajalna enota ......................................................................................................... 33

Konfiguracija našega sistema ................................................................................... 33

Standard_pinout.hal ................................................................................................. 33

Stepper_mm.ini ........................................................................................................ 34

VII

RS274/NGC.............................................................................................................. 37

4.1. UPORABA EMC2 Z GRAFIČNIM UPORABNIKOM AXIS NA REZKALNEM STROJU

ROTWERK ..................................................................................................................... 39

Postopek poteka operacije s strojem ......................................................................... 41

Izhodiščne točke ....................................................................................................... 43

5. MERITVE IN REZULTATI ................................................................................. 45

Napetost in tok ......................................................................................................... 45

Zračnost na oseh X, Y, in Z ....................................................................................... 45

Hitrost pomika ......................................................................................................... 49

Merjenje signalov na izhodih X osi ........................................................................... 49

6. SKLEP .................................................................................................................... 53

7. VIRI, LITERATURA ............................................................................................ 55

8. PRILOGE ............................................................................................................... 56

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Krmilna plošča SIEMENS Sinumerik 802S base line .........................................3

Slika 2.2: Frezalni stroj OPTI F 100 CNC ..........................................................................4

Slika 2.3: Rotwerk EFM 200 DS ........................................................................................6

Slika 2.4: Zgradba koračnega motorja ................................................................................7

Slika 2.5: Navitja koračnega motorja..................................................................................8

Slika 2.6: Model unipolarnega koračnega motorja ..............................................................9

Slika 2.7: Model bipolarnega koračnega motorja .............................................................. 10

Slika 2.8: Razmerja navora med bipolarnim in unipolarnim koračnim motorjem .............. 11

Slika 2.9: Izhodna sekvenca in izhodni signali valovnega pogona .................................... 12

Slika 2.10: Valovni pogon ................................................................................................ 12

Slika 2.11: Izhodna sekvenca in izhodni signali polnega koraka ....................................... 13

Slika 2.12: Krmilni signali polnega koraka ....................................................................... 13

Slika 2.13: Polni korak ..................................................................................................... 13

Slika 2.14: Krmilni signali kompenziranega polovičnega koraka. ..................................... 14

Slika 2.15: Polovični korak .............................................................................................. 15

Slika 3.1: Koračni motor, nosilec, jermen in jermenica na X osi ....................................... 16

Slika 3.2: Koračni motor, nosilec, jermen in jermenica na Y osi ....................................... 17

Slika 3.3: Koračni motor, nosilec, jermen in jermenica na Z osi ....................................... 17

Slika 3.4: Blokovna shema računalniško vodenega stroja ................................................. 18

Slika 3.5: Priključni kabli koračnega motorja na navitju ................................................... 19

Slika 3.6: Shema priključitve motorja .............................................................................. 19

Slika 3.7: Blokovna shema integriranega vezja L297 ....................................................... 21

Slika 3.8: 8-koračna glavna sekvenca translatorja (polovični korak) ................................. 21

Slika 3.9: Sinhronizacija med L297. ................................................................................. 22

Slika 3.10: Notranja zgradba L297 s stikalnim tokovnim generatorjem ............................ 22

Slika 3.11: Potek signalov med regulacijskem procesom .................................................. 23

Slika 3.12: Prikaz parazitnih konic ................................................................................... 24

Slika 3.13: Različni fazni tokovi glede na operacijo, ki se izvaja ...................................... 24

Slika 3.14: Blokovna shema integriranega vezja L298N ................................................... 25

Slika 3.15: Shema vezja X osi .......................................................................................... 27

IX

Slika 3.16: Notranjost krmilne enote z napajalnim vezjem, toroidnim transformatorjem in

krmilnim vezjem .............................................................................................................. 28

Slika 3.17: Zunanji izgled krmilne enote .......................................................................... 28

Slika 4.1: AXIS grafični vmesnik ..................................................................................... 30

Slika 4.2: Keystick grafični vmesnik ................................................................................ 31

Slika 4.3: Mini grafični vmesnik ...................................................................................... 31

Slika 4.4: TkEmc grafični vmesnik .................................................................................. 32

Slika 4.5: Postopek poteka izdelave izdelka ..................................................................... 38

Slika 4.6: Grafični vmesnik AXIS .................................................................................... 39

Slika 4.7: Gumbi v orodni vrstici. .................................................................................... 40

Slika 4.8: Vmesnik za vnašanje vrstic kode ...................................................................... 42

Slika 4.9: Koordinatni sistem rezkalnega stroja ................................................................ 43

Slika 4.10: Ničelna točka orodja ....................................................................................... 44

Slika 5.1: Digitalno kljunasto merilo ................................................................................ 45

Slika 5.2: Izrezkan krog po prvi meritvi ........................................................................... 46

Slika 5.3: Izrezkan krog z vnešenimi popravki ................................................................. 46

Slika 5.4: Merjenje zračnosti na Y osi .............................................................................. 47

Slika 5.5: 200-kratna povečava X, Y in Z osi ................................................................... 48

Slika 5.6: Testni krog po izmerjeni zračnosti z mikroskopom ........................................... 48

Slika 5.7: Merjenje z Ballbar QC10 .................................................................................. 49

Slika 5.8: Laserskih meritev za določitev natančnosti linearnega pozicioniranja

obdelovalne mize ............................................................................................................. 49

Slika 5.9: Signali pri mirovanju, desno je povečava signalov............................................ 50

Slika 5.10: Signali pri počasnem premikanju s 3,9 mm/min in povečava signalov ............ 50

Slika 5.11: Signali pri pomiku s srednjo hitrostjo 62 mm/min in povečava signalov ......... 51

Slika 5.12: Signali pri pomikanju z veliko hitrostjo 138 mm/min in povečava signalov .... 51

Slika 5.13: Valovitost napajanja motorja pri mirovanju (žaga cca 40 mV) ........................ 52

Slika 5.14: Valovitost napajanja motorja pri poganjanju ................................................... 52

Slika 5.15: Napetost 5V in nihanje te napetosti 100 mV ................................................... 52

X

KAZALO TABEL

Tabela 2.1: Tehnični podatki frezalnega stroja OPTI F 100 CNC .......................................5

Tabela 2.2: Tehnični podatki stroja Rotwerk ......................................................................6

Tabela 3.1: Osnovne karakteristike motorja Sanyo Denki RTA 103-H7126-0740 ............ 18

Tabela 3.2: Položaj signalov na 25 pinskem D-SUB konektorju ....................................... 27

Tabela 4.1: Modalne skupine ........................................................................................... 37

Tabela 4.2: Tipke za ročno kontrolo stroja ....................................................................... 41

Krmilni sistem za 3-osni rezkalni stroj 2

1. UVOD

Prvi NC (Numerical control ali numerically controlled) stroji so se pojavili v začetku

petdesetih let v Združenih državah Amerike. NC – numerično krmiljenje pomeni številsko

upravljanje, obdelovalnemu stroju posredujemo vse podatke za obdelavo v numerični

obliki. Krmilje stroja te podatke procesira in jih prilagojene posreduje izvršilnim

elementom na stroju. Glavni razlogi, vodilo in cilji pri razvoju NC strojev so bili: povečati

produktivnost, izboljšati kvaliteto in natančnost izdelkov, zmanjšati proizvodne stroške ter

izdelava izdelkov, ki bi jih drugače zelo težko oz. bi jih bilo nemogoče izdelati.

NC stroji so bili predhodniki CNC – računalniško numerično krmiljenih strojev

(Computer Numerical Control). Te namesto preprostega krmilnega vezja nadzoruje

računalnik. Avtomatizacija je zmanjšala število napak na izdelkih in omogočila

operaterjem strojev več časa za dodatna opravila. Prvi NC stroji so dobili inštrukcije iz

preluknjanega papirnatega traku ali iz preluknjanih kartic. Danes CNC stroji pridobijo set

inštrukcij iz tekstovne datoteke g-kode, gerber datoteke. Zaradi potreb pa čim hitrejšem in

cenejšem postopku industrijske izdelave se robotizirajo praktično vsi stroji: stružnice,

rezkalniki, vrtalni stroji, laserski in vodni rezalniki, stroji za žično erozijo in mnogi drugi.

Ker so ti izdelki za industrijsko rabo, si jih povprečen hobi uporabnik ne more

privoščiti. Zato smo si zadali cilj, izdelati čim cenejši krmilni sistem, ki bi natančno vodil

3-osno koordinatno mizo poljubnega stroja, da bi bil cenovno dostopen hobi uporabnikom.

Za ta namen smo predelali majhen ročni rezkalni stroj, mu namestili koračne motorje in

jermenice ter izdelali elektroniko za krmiljenje koračnih motorjev. Za krmilni program pa

smo uporabili odprtokodni Linux-ov program EMC2, ki smo ga namestili na osebni

računalnik.


2. PREGLED STANJA

Na tržišču je veliko profesionalnih krmilnih sistemov, ki jih je možno kupiti in

implementirati na željen stroj. Ponavadi je cena odločilen faktor zaradi katere domači in

hobi uporabniki izberejo alternativne možnosti. Tudi v primeru okvare takšnega krmilnika

je popravljanje le tega prezahtevno in predrago za večino uporabnikov.

Profesionalne krmilne sisteme med drugim tudi izdelujejo podjetja Siemens, Fanuc

Robotics, Heidenhaim, Bosch in Mitsubishi. Ta podjetja ponujajo krmilnike za krmiljenje

enoosnih do pet ali več osnih strojev na različnih strojih kot so: stružnice, rezkalni stroji,

erodirne naprave, stroji za laserski in vodni razrez, krivljenje ter rezanje. Ti krmilniki so

največkrat opremljeni z zasloni na dotik in omogočajo izdelavo programov na samem

krmilniku.

2.1. SIEMENS Sinumerik 802S base line

Siemensov Sinumerik 802S base line je narejen za krmiljenje treh osi, gnanih z

koračnimi motorji in za eno analogno vreteno. Torej za stroje z enako konfiguracijo kot

naš rezkalnik. Ta krmilnik v osnovnem paketu stane od 2.730,00 € dalje.

Slika 2.1: Krmilna plošča SIEMENS Sinumerik 802S base line


Krmilnik ima 48 digitalnih vhodov in 16 digitalnih izhodov (0,5A). Omogoča nadzor

gibanja in pozicioniranja osi, nastavitve hitrosti osi, nadzor končnih stikal. Deluje lahko v

avtomatskem načinu, kjer uvozimo zunanjo datoteko in program samo še zaženemo ali v

ročnem načinu, kjer lahko vodimo stroj, kot navaden ročno gnan stroj. Poleg vseh funkcij

krmilnik omogoča risanje kontur in izdelovanje programov na samem krmilniku. Omogoča

enostavno programiranje po standardu DIN 66025, ciklično podporo kompleksnim

aplikacijam, 8-palični LCD zaslon.

2.2. OPTI F 100 CNC

Frezalni stroj nemškega podjetja Optimum Machinen OPTI F 100 CNC je primer cnc

frezalnega stroja, ki uporablja zgoraj omenjeni Siemensov krmilnik.

Slika 2.2: Frezalni stroj OPTI F 100 CNC

Omenjeni frezalni stroj je masivne izvedbe in ga poganja zmogljiv 4kW pogonski

motor z elektronsko brezstopenjsko nastavitvijo vrtljajev. Vsa vodila in zaščita le-teh so

izdelana iz nerjavečega jekla ter se samodejno mažejo. Ostali tehnično pomembnejši

podatki so navedeni v tabeli 2.1.


Tabela 2.1: Tehnični podatki frezalnega stroja OPTI F 100 CNC

Priključna moč 5,8 kW 400V ~50Hz

Velikost delovne mize 960 × 280 mm

Maksimalna obremenitev mize 300 kg

Hod delovne mize

- v X smeri

- v Y smeri

450 mm

300 mm

Hod v Z osi 400 mm

Hitri hodi1 po X in Y osi / navor 3000 mm/min / 9Nm

Hitri hodi po Z osi / navor 1500 mm/min / 12Nm

Točnost ponovitve2 0,006 mm

Točnost pozicioniranja3 0,009 mm

Število vrtljajev vretena 100 – 8000 min-1

Teža stroja 1100 kg

2.3. Ročni rezkalni stroj

Za predelavo smo izbrali majhen ročni rezkali stroj znamke Rotwerk EFM 200 DS, ki

je na sliki 2.3. Stroj je namenjen ročnemu vrtanju in rezkanju majhnih obdelovancev.

Tehnični podatki stroja so navedeni v spodnji tabeli 2.2.

1 Najhitrejši nedelavni pomik osi. 2 Mera, ki pove za koliko je lahko največje odstopanje od pozicije na kateri se je os stroja že nahajala. 3 Mera, ki pove za koliko je lahko največje odstopanje od nove pozicije osi stroja.


Slika 2.3: Rotwerk EFM 200 DS

Tabela 2.2: Tehnični podatki stroja Rotwerk

Napajanje 230 V ~ / 50Hz

Moč 350W

Velikost delovne mize 390 × 95 mm

Hod delovne mize

- v X smeri

- v Y smeri

220 mm

100 mm

Hod v Z osi 180 mm


Maksimalno spreminjanje kota Od -45° do + 45°

Število vrtljajev v prvi prestavi 150 – 1100 min-1

Število vrtljajev v drugi prestavi 300 – 2500 min-1

Teža 55 kg

2.4. Koračni motorji

Koračni motorji so električni motorji brez krtačk. Krtačke so pogost vir okvare pri

električnih motorjih, zato imajo motorji brez krtačk zagotovljeno bistveno daljše delovanje,

kot tisti, ki jih imajo. Zaradi tega je uporaba koračnih motorjev primerna tam, kjer se

zahteva nepretrgano delovanje in delovanje brez okvar. Ob predpostavki, da se koračni

motor zaradi prevelikih obremenitev pri delovanju ne zaustavi, oziroma, da ne spodrsava,

lahko pravilno nadzorujemo tako hitrost in smer vrtenja, kot tudi položaj rotorja, brez

uporabe povratne povratnega mehanizma ali senzorjev. To je pomembna lastnost, ker

takšni mehanizmi stanejo vsaj toliko, kot sam koračni motor. Zgradba koračnega motorja

je razvidna iz slike 2.4.

Slika 2.4: Zgradba koračnega motorja

1. Zgornji del ohišja,

2. jedro, ki služi kot ohišje,

3. spodnji del ohišja,

4. vijaki,

5. priključki za posamezna navitja,


6. zobnik na osi rotorja in

7. rotor.

Navitja koračnih motorje so običajno deklarirana za določeno enosmerno napetost in se

odzivajo kot tuljava pod napetostjo. Med običajnim delovanjem in tudi pri visokih

koračnih frekvencah naj ne bi nikoli dosegle največjega dovoljenega toka.

Elektromagnetno polje, ki ga povzročajo navitja, je neposredno povezano s količino

dovedenega toka: večje kot je, večji je navor. Največji navor zagotovimo, če ima vsako

navitje pri vseh korakih na voljo največji dovoljeni tok. Običajno so vsa navitja del

statorja, rotor pa je trajni magnet ali nazobčan blok iz mehkomagnetnega materiala, kot je

razvidno iz slike 2.5.

Slika 2.5: Navitja koračnega motorja

1. Priključki za navitja motorja,

2. feromagnetno jedro na katerem so navitja in

3. štiri navitja (bele številke), ki so razdeljena na pol in sta si polovici postavljeni

nasproti, kot med sosednjimi navitji je 45°.


Koračne motorje delimo na dve veji glede na izvedbo gonilnih tuljav, bipolarni in

unipolarni koračni motorji in nato še na število gonilnih faz: dvofazni, trofazni in petfazni

koračni motorji.

Unipolarni koračni motorji

Unipolarni koračni motorji so sestavljeni iz dveh ločenih tuljav za po eno fazo, s čimer

je omogočeno enostavnejše krmiljenje tuljev ene faze. Tako v načinu polnega ali

polovičnega koraka potrebujemo le dva tranzistorja. S tem je krmilna elektronika cenejša,

vendar pa imajo ti motorji v primerjavi z bipolarnimi motorji iste velikosti, manjši vrtilni

in držalni moment. Ta posledica izvira iz dejstva, da je naenkrat priključena le polovica

navitji, ki je na razpolago v motorju za eno fazo, to pomeni manjše magnetno polje. Če

navitji 1 in 2 ene faze vežemo zaporedno, lahko motor uporabimo kot bipolarni motor, a

ima takšen motor še vedno slabše lastnosti kot enak bipolarni motor. Slabše lastnosti so

posledica večje induktivnosti in upornosti skupnega navitja. Tako bo imel motor pri nizkih

vrtljajih podobne lastnosti kot bipolarni, vendar ga bomo morali krmiliti z večjo napetostjo,

navor pa bo zaradi povečane induktivnosti pri večjih vrtljajih strmo padel.

Slika 2.6: Model unipolarnega koračnega motorja

Bipolarni koračni motorji

Bipolarni koračni motorji imajo za razliko od unipolarnih koračnih motorjev za vsako

fazo po eno tuljavo. Zaradi česar je elektronika za njihovo krmiljenje malo bolj


kompleksna, zato potrebujemo za eno fazo pri enojnem napajanju štiri tranzistorje vezane

v mostično vezavo. Pri simetričnem napajanju ± pa dva tranzistorja vezana v polovično

mostično vezavo. Vendar pa to danes ni več tolikšna ovira, ker je na tržišču polno

integriranih vezij z integriranim tranzistorskim ali MOS-FET mostičem. Bipolarni motor

ima v primerjavi z unipolarnim motorjem več prednosti. Zaradi enega samega navitja na

fazo je ta žica lahko debelejša, tako da je upornost manjša, kar pomeni večje tokove in

manjše napetosti. Zaradi tuljave iz debelejše žice in malo ovojev je tudi induktivnost

takšne tuljeve dosti manjša od tuljave pri unipolarnih motorjih, kar pomeni večji navor pri

višjih vrtljajih. Ker ima žica pri bipolarnih motorjih dvakrat večji presek, lahko povečamo

tok skozi tuljavo za 1,4 krat, kar pomeni za 40% večji navor tudi pri nizkih vrtljajih.

Prednost bipolarnega motorja proti unipolarnem je tudi v tem, da ima le-ta dosti manjše

izgube zaradi manjše realne upornosti tuljave, ki s tokom, ki teče skozi njo le segreva

motor in ne povzroči nobenega prirastka k magnetnemu polju.

Slika 2.7: Model bipolarnega koračnega motorja


Slika 2.8: Razmerja navora med bipolarnim in unipolarnim koračnim motorjem

Tri- in pet-fazni koračni motorji

Unipolarni in bipolarni tri- in pet-fazni koračni motorji imajo popolnoma enake

lastnosti kot motorji dve-fazne izvedbe, z razliko, da se ti motorji uporabljajo predvsem

tam, kjer je potrebna velika natančnost. Predvsem pet-fazni motorji s katerimi je možno s

polovičnim korakom doseči zelo velike natančnosti premika. Pet-fazni motorji se

izdelujejo predvsem v bipolarni izvedbi, ker so unipolarne izvedbe zaradi velike količine

žice, v primerjavi z ekvivalentnim bipolarnim motorjem, dosti večje.

2.5. Načini korakanja

V grobem lahko razdelimo načine korakanja na štiri načine:

• valovni pogon (wave drive),

• polni korak (full stepp),

• polovični korak (half step) in

• mikro korak (micro stepp) – 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 polnega koraka.

Valovni pogon

Valovni pogon je najosnovnejši način vrtenja koračnega motorja, pri tem načinu je

samo eno navitje priključeno naenkrat, zato ima motor manjšo moč kot, če ga vrtimo s

polnim korakom. Motor, ki ga vrtimo z valovnim pogonom tudi povzroča vibracije, ker

rotor drži le ena faza. Zato so oscilacije rotorja ob prehodu v novi korak velike in takšen

koračni motor povzroča veliko hrupa.


Slika 2.9: Izhodna sekvenca in izhodni signali valovnega pogona

Slika 2.10: Valovni pogon

Polni korak

Polni korak je korak, ki ga motor naredi ob eni spremembi toka skozi navitje A in B.

Polni korak je tudi standard za podajanje natančnosti koračnega motorja in se podaja v

kotnih stopinjah. Na primer tipični dvofazni koračni motor ima polni korak v velikosti

1,8°, kar pomeni 200 polnih korakov na obrat. Pri polnem koraku ima motor tudi največjo

moč, uporablja se povsod kjer ni potrebna pretirana natančnost, temveč je prvega pomena

moč motorja. Razen majhne natančnosti pri polnem koraku je slabost tudi ta, da pri

povečevanju frekvence korakov do bližine meje padanja navora, pride motor v resonanco

in skoraj čisto izgubi moč. Isti pojav se zgodi še tik pred mejo padanja navora, vendar ta

padec ni več izrazit.


Slika 2.11: Izhodna sekvenca in izhodni signali polnega koraka

Slika 2.12: Krmilni signali polnega koraka

Slika 2.13: Polni korak


Polovični korak

Polovični korak (half step) kot že ime pove, je polovica celotnega koraka. Torej, če

imamo 1,8° motor, lahko njegovo natančnost povečamo na 0,9°. Težava tega načina

korakanja je v tem, da takrat, ko je ena faza izklopljena pade navor motorja za približno

40%. Ta pojemek navora moramo upoštevati tudi takrat, kadar mora motor v mirovanju

držati nekakšno silo. Da motor opravlja polovične korake, lahko dosežemo tudi tako, da

navitji krmilimo s sinusno napetostjo. S takšnim krmiljenjem razpolovimo natančnost

motorja brez izgube ali neenakomernosti navora pri vrtenju. Kompenziran polovični korak

ne povzroča vibracij, izognemo pa se tudi lastni resonanci motorja. Kompenziran polovični

korak dobimo tako, da pomnožimo fazne tokove z 1,4.

Slika 2.14: Krmilni signali kompenziranega polovičnega koraka.

Polkoračno krmiljenje zahteva dvakrat več urinih impulzov od polnokoračnega načina,

zato se frekvenca krmiljenja podvoji.


Slika 2.15: Polovični korak

Mikro korak

Eno četrtinski mikro korak predstavlja štiri krat večjo natančnost proti polnemu koraku

tako, da če nadaljujemo 1/8, 1/16, 1/32 se natančnost premosorazmerno povečuje.

Najnatančnejša profesionalna krmilja visokopreciznih obdelovalnih strojev zmorejo

natančnost tudi tja do 1/128 polnega koraka. Moramo pa paziti, da motor takšne

mikrokorake podpira, ker večinoma statorji motorjev niso narejeni dovolj natančno za tako

majhne korake. Eno četrtinski in natančnejši mikrokoračni načini imajo še boljše lastnosti

glede enakomernosti navora med vrtenjem kot kompenziran pol koračni način.


3. KRMILNA ENOTA

Na mesta kjer so bile ročke za premikanje osi smo namestili zobate jermenice in

posebej izdelane aluminijaste nosilce, na katere smo pritrdili koračne motorje. Da bi dobili

čim večji navor in večjo natančnost pomika, smo namestili zobate jermenice v razmerju

1:6 na X in Y osi ter 1:4 na Z osi, kot kažejo slike 3.1, 3.2 in 3.3. Ker ima koračni motor v

polnokoračnem načinu 200 korakov za en obrat, koordinatna miza pa se premakne za 1,5

mm pri obratu vretena za 360°, smo dobili teoretično natančnost pomika mize po enačbah

3.1 in 3.2. X in Y os se pomakneta za 0,00125 mm pri enem koraku motorja, Z pa za

0,001875 mm.

mmrazmerjekorakov

mmYinXpomik 00125,0

6200

5,1___ =

×

= (3.1)

mmrazmerjekorakov

mmZpomik 001875,0

4200

5,1_ =

×

= (3.2)

Slika 3.1: Koračni motor, nosilec, jermen in jermenica na X osi


Slika 3.2: Koračni motor, nosilec, jermen in jermenica na Y osi

Slika 3.3: Koračni motor, nosilec, jermen in jermenica na Z osi

Če spremenimo način delovanja motorja na polkoračni način, lahko zmanjšamo

osnovni pomik še za faktor 2. Torej bi lahko dobili natančnost pomika na X in Y osi

0,000625 milimetra na Z osi pa 0,0009375 milimetra. Takšna natančnost na našem stroju

ni smiselna, ker jo je že skoraj nemogoče izmeriti z instrumenti, ki jih imamo na voljo,

ovira pa nas tudi velika zračnost na oseh.


Slika 3.4: Blokovna shema računalniško vodenega stroja

3.1. Koračni motorji

Koračni motorji morajo imeti dovolj navora, da bodo lahko premikali osi tudi med

večjimi obremenitvami, hkrati pa morajo biti tudi cenovno ugodni. Zato smo izbrali

koračne motorje proizvajalca Sanyo Denki model RTA 103-H7126-0740. V tabeli 3.1 so

navedene osnovne karakteristike motorjev.

Tabela 3.1: Osnovne karakteristike motorja Sanyo Denki RTA 103-H7126-0740

Enota Količina

Osnovni korak (°) 1,8 ± 0,09

Bipolarni tok (Amp) 2,24

Unipolarni tok (Amp) 3

Upor (Ohm) 0,9

Induktivnost (mH) 2,2

Bipolarni navor (Ncm) 165

Unipolarni navor (Ncm) 130

Teoretični pospešek (rad × sec-2) 45800

Teža (Kg) 1

4 Velja za zaporedno bipolarno vezavo


Slika 3.5: Priključni kabli koračnega motorja na navitju

Uporabljeni motorji so unipolarni, ker imajo dve tuljavi s srednjim odcepom, torej

navzven šest žic. Motorje smo na krmilno enoto vezali z zaporedno bipolarno vezavo, kar

pomeni, da je na vsakem navitju sredinska žica nepovezana. Z zaporedno bipolarno

povezavo pridobimo manjšo porabo toka in večji navor, kar je razvidno iz tabele 3.1.

Slika 3.6: Shema priključitve motorja

3.2. Krmilni del

Za krmiljenje koračnih motorjev smo uporabili bipolarna vezja L297, ki so predvidena

za krmiljenje štiri-nivojskih bipolarnih motorjev. Vezja imajo tri vhode (CW/CCW – smer

vrtenja, reset – resetira števec, clock – hitrost pomika) ter štiri izhode (za vsako navitje

eden). Motorji so krmiljeni preko dodatne močnostne stopnje L298N.


L297 vsebuje vezje potrebno za krmiljenje unipolarnih predvsem pa bipolarnih

koračnih motorjev. L297, ki je uporabljen z močnostnim preklopnim vezjem, kakršno je

L298N dobimo kompleten krmilnik za bipolarne koračne motorje. Prednosti uporabe L297

in L298 je, da je uporabljenih zelo malo zunanjih komponent, zato lahko krmilnik zavzame

malo prostora.

Pomembnejši vhodi vezja L297:

• CW/CCW – določa smer vrtenja motorja,

• CLOCK – določa hitrost pomika (vsak impulz premakne motor za en korak),

• HALF/FULL – dolača način pomika (polkoračni ali polnokoračni način),

• RESET – resetira števec, stanje izhodov ABCD postavi na izhodiščno

kombinacijo 0101,

• ENABLE – postavi izhode iz končne stopnje A, B, C, D, INH1 In INH2 na

visoko impedanco.

Poleg teh vhodov ima vezje L297 še dva vhoda za merjenje toka (komparator), šest

krmilnih izhodov, izhod »HOME«, ki je na logični enki, ko je motor v položaju 0101, ter

en vhod/izhod namenjen sinhronizaciji.

Srce blokovne sheme integriranega vezja L297 s slike 3.7 je blok imenovan translator,

ki generira ustrezne fazne sekvence za izvajanje korakov motorja. Translator je kontroliran

z dvema vhodoma, ki narekujeta način generiranja: smer (CW/CCW) in korak ure

(HALF/FULL). Štiri izhode translatorja procesira izhodna logika, ki implementira inhibit

(prepoved) in sekalno (chopper) frekvenco. Translator vsebuje 3-bitni števec in

kombinacijsko logiko, ki generira osnovno osem koračno gray-evo kodno sekvenco, ki je

prikazana na sliki 3.8.


Slika 3.7: Blokovna shema integriranega vezja L297

Z mostički (jumperji), preko vhoda CONTROL na L297, lahko izbiramo ali naj

frekvenca razsekovanja (chopper) deluje na faznih linijah ABCD ali na inhibit linijah

(INH1 in INH2), za vsak koračni motor posebej. Slednja se uporablja za unipolarne

koračne motorje, pri bipolarnih koračnih motorjih se lahko uporabljata obe razsekovalni

frekvenci.

Slika 3.8: 8-koračna glavna sekvenca translatorja (polovični korak)

V primeru, ko krmilimo več koračnih motorjev in s tem uporabimo več vezij L297, jih

lahko med sabo sinhroniziramo. S tem se izognemo motnjam med posameznimi sklopi in

prihranimo nekaj elementov.


Slika 3.9: Sinhronizacija med L297.

Stikalni tokovni regulator

Osnovna funkcija stikalnega tokovnega vira je zagotavljanje dovolj velikega toka skozi

navitji tudi pri višjih frekvencah korakov. Funkcijski bloki stikalnega tokovnega

regulatorja se bistveno ne razlikujejo od blokov stikalnega napajalnika; flip-flopi,

komparatorji in oscilator so potrebni za njegovo izvedbo. Te bloke se da brez težav

integrirati v integrirano vezje, ki generira kontrolne signale, v našem primeru v L297.

Oscilator na nogici 16 resetira dva flip-flopa na začetku vsake periode. Izhoda flip-flopov

sta potem vezana na logiko, ki ustrezno obdela tudi ta dva signala. Ko oscilator aktivira

flip-flop, začne tok v navitju naraščati po ekspotencialni krivulji, dokler napetost na uporu

ni enaka referenčni napetosti na primerjalniku. Primerjalnik potem postavi flip-flop v

stanje 1, zaradi česar se postavita oba izhodna ojačevalnika na isto napetost in tako kratko

skleneta tuljavo. Mostič se postavi na staro stanje, ko signal iz oscilatorja spet resetira flip-

flop in cikel se ponovi.

Slika 3.10: Notranja zgradba L297 s stikalnim tokovnim generatorjem


Uporaba enega oscilatorja s krmiljenjem obeh stopenj zagotavlja enako stikalno

frekvenco za obe navitji in preprečuje, da bi med njima lahko prihajalo do motenj.

Frekvenco oscilatorja določajo kondenzator C16, upor R16 in potenciometer R35.

Frekvenco oscilatorja smo v našem primeru nastavili na 18kHz.

163516 *)(*69,0

11

CRRTfOSC

+

== (3.3)

Flip-flopa sta resetirana toliko časa, kot ga določa RC-člen na nogici 16. Zaradi tega

tokovne konice in motnje pri preklopih ne morejo prezgodaj setirati flip-flopa. Tako se

lahko tokovne konice ignorirajo in zato ne potrebujemo nobenega RC filtra med L297 in

L298N.

Slika 3.11: Potek signalov med regulacijskem procesom


Slika 3.12: Prikaz parazitnih konic

Stikalni način regulacije toka nam razkrije, da se fazni tok kontrolira z referenčno

napetostjo na vhodu primerjalnika in z velikostjo upornosti upora, na katerem primerjamo

napetost. S spremembo referenčne napetosti je enostavno nastavljati tok, večji fazni tok

pomeni večji navor, pa tudi večjo porabo energije. Če analiziramo porabo energije pri

nekem momentu ugotovimo, da imamo, ne glede na položaj motorja vedno enako porabo.

Več energije potrebujemo pri zagonu in ustavljanju motorja, medtem ko ta miruje

ponavadi ne potrebujemo tako velikega momenta. Ko motor stoji, teče tok neprekinjeno

skozi fazni navitji, vsa privedena energija se pretvori v toploto. To ima za posledico

segrevanje motorja, kar pomeni tudi nepotrebno porabo energije. Zato je smiselno tok

skozi motor regulirati glede na to, kaj se z motorjem dogaja, torej v katerem načinu

delovanja je. Krmiljenje toka izvajamo na že poprej opisan način na krmilni kartici.

Slika 3.13: Različni fazni tokovi glede na operacijo, ki se izvaja


L297N vsebuje dve mostični povezavi, ki sta vsaka kontrolirani preko dveh TTL

logičnih vhodov in TTL omogočitvena vhoda. Močnostna stopnja omogoča uporabo moči

do 160W (46V napajanje, 2A po mostični povezavi). Uporabljeno je ločeno 5V napajanje,

ki omogoča neposredno povezavo s L297.

Slika 3.14: Blokovna shema integriranega vezja L298N

Na krmilnem vezju nastavimo referenčne vrednosti napetosti za vsako os. Tok skozi

motorje se nastavlja s potenciometri R28, R29 in R30 za vsak motor posebej. Te

referenčne napetosti vplivajo na to s kakšnim tokom bo delal motor. Nastavimo jih v

normalnem načinu delovanja. Referenco določimo za vsak motor posebej, saj se lahko

zgodi, da bo ena os težja od druge in bomo zato potrebovali večjo silo. Ker so v našem

primeru vse obremenitve osi približno enake, smo nastavili vse referenčne napetosti na isti

potencial. Referenčno napetost merimo na uporih R3, R8 in R13 za vsako os posebej, na

strani obrnjeni proti potenciometrom v referenci z maso.

Enačba za izračun toka skozi navitje:

2*SENSE

REFmot

R

UI = (3.4)


Upor Rsens je upor na priključku sense L298N in je vrednosti 0,47Ω. Zaradi previdnosti,

da motor ne bi izgubljal korakov je priporočeno, da naj motor ima 25% rezerve.

Na krmilni kartici lahko določimo s pomočjo uporov (R17, R18 in R39 ter R19)

vrednosti signala za mirovanje (sleep), pospeševanje in zaviranje (boost) in normalni način

delovanja (normal). Ker v mirovanju koračni motorji ne potrebujejo velikega toka, samo

toliko, da držijo položaj. Zato je tok v mirovanju približno 25% nazivnega toka

normalnega načina delovanja. Pri pospeševanju in zaviranju pa lahko tok povečamo za

20% glede na delovanje v normalnem načinu.

Pomen različnih položajev jumperjov na vezju:

e-STOP: "uporabljeno" zasilno stikalo je priključeno, "neuporabljeno" zasilno stikalo

ni uporabljeno.

BOOST: boost funkcija dvigne tok na 120% ciljanega toka med pospeševanjem in

zaviranjem.

SLEEP: omogoča zmanjšanje toka na približno 25% željenega toka.

MODE: zgornji mostiček vpliva kako je tok kontroliran (phase chopping) ali (enable

chopping).

S spodnjim mostičkom izberemo polni korak ali polovični korak

Pomen led diod:

ENDX, ENDY, ENDZ, ENDC: svetleče (LED) diode so prižgane in ugasnejo le, če se je

aktiviralo končno stikalo.

SLEEP: signalizira, da je vključeno zmanjšanje toka.

NORMAL: motorji so napajani z nominalnim tokom.

BOOST: tok na motorjih je zvišan na 120%.

NOTAUS: signalizira, da je aktivirano zasilno stikalo.

Krmilni del je povezan z osebnim računalnikom preko standardnih paralelnih vrat.

Nožice so povezane po tabeli 3.2.


Tabela 3.2: Položaj signalov na 25 pinskem D-SUB konektorju

PIN SIGNAL

1 vklop/izklop vrtalnika 2 smer X 3 ura X 4 smer Y 5 ura Y 6 smer Z 7 ura Z 8 in 9 nista uporabljena 10 končno stikalo Z 11 Enable 12 končno stikalo Y 13 končno stikalo X 14 in 15 nista uporabljena 16 Boost 17 Sleep 18 - 25 GND

Vklop in izklop vrtalnika smo povezali preko optičnega povezovalnika in ga krmilimo

na nožici 1 z npn tranzistorjem.

Slika 3.15: Shema vezja X osi


3.3. Napajalni del

Vhod v napajalni del vezja je 30V izmenična napetost, ki jo dobimo iz 2×15V / 7,5A

toroidnega transformatorja. Na izhodu dobimo enosmerno napetost 42V za koračna

motorje in 5V napajalno napetost za krmilno vezje.

Slika 3.16: Notranjost krmilne enote z napajalnim vezjem, toroidnim transformatorjem in

krmilnim vezjem

Slika 3.17: Zunanji izgled krmilne enote


4. KRMILNI PROGRAM

Za krmilni program smo uporabili odprto-kodni Linux-ov EMC2 (Enhanced Machine

Control), ki teče na operacijskem sistemu Ubuntu 6.06 LTS. EMC je odprto-kodno

programsko okolje za računalniško vodenje strojev (rezkalnikov, stružnic, robotov in

drugih avtomatiziranih strojev).

Priporočena strojna oprema za nemoteno delovanje programa je vsaj 265 MB spomina,

čeprav je zaželjeno vsaj 512 MB. Procesor naj bo vsaj Pentium II ali III z 400 MHz ali več.

Potreba po kapaciteti diska je manjša, saj je potrebno samo 4 GB.

EMC vsebuje in zagotavlja:

• več grafičnih vmesnikov med katerimi lahko izbiramo,

• interpreter g-kode,

• delovanje v realnem času,

• simultano lahko vodi do 6 pogonskih osi,

• sistem kontrole premika MC (motion control) podpira zaprto-zančni način s

povratno informacijo (servo) ter odprto-zančni način s koračnimi motorji in

• enostavno prilagoditev na konfiguracijo željenega stroja.

EMC2 ima tri načine delovanja: ročni, avtomatski in polavtomatski. Sprememba

izbranega načina delovanja v drugi način pomeni veliko razliko v delovanju programa.

Obstajajo določene stvari, ki jih v enem načinu lahko naredimo, medtem ko jih v drugem

ne moremo. V ročnem načinu lahko postavimo osi v izhodišče, medtem ko v avtomatskem

in v polavtomatskem to ni možno. Po drugi strani lahko v avtomatskem načinu delovanja

izvedemo celotno datoteko g-kode, a je v ročnem in v polavtomatskem načinu ne moremo.

V polavtomatskem načinu lahko vnesemo blok kode in ukažemo našemu stroju naj jo

izvede.

EMC2 program sestavljajo štiri glavne komponente: EMCMOT - kontrola premika

(MC motion controller), EMCIO - vhodno izhodni krmilnik, EMCTASK - izvajalec

opravila (task executor) in GUI - grafični vmesnik. Dodatna plast EMC-ja je še HAL

pregledni nivo strojne opreme (Hardware Abstraction Layer), ki omogoča enostavno

rekonfiguracijo EMC-ja.


Grafični vmesniki

EMC2 ima več različnih grafičnih vmesnikov, med katerimi lahko izbiramo:

• emcpanel je interaktivna komandna vrstica,

• keystick je tekstovni program na sliki 4.2,

• xemc in yemc sta X Windows vmesnika,

• emcgui je vmesnik baziran na javi,

• vmesnika na bazi Tcl/Tk (tkemc in mini) na sliki 4.4 in 4.3 ter

• moderni grafični vmesnik AXIS slika 4.1.

Slika 4.1: AXIS grafični vmesnik


Slika 4.2: Keystick grafični vmesnik

Slika 4.3: Mini grafični vmesnik


Slika 4.4: TkEmc grafični vmesnik

Kontrola premika

Kontrola premika (MC) opravlja vzorčenje dejanskih pozicij pogonskih osi, generiranje

trajektorije za posamezne vrste gibov, interpolacijo med točkami trajektorije in

izračunavanje izhoda motorjem. Za servo sisteme je izhod izračunan s PID

kompenzacijskim algoritmom. Za koračne motorje se izračunavanje izhodne vrednosti vrši

na osnovi odprte zanke in so impulzi poslani koračnim motorjem glede na to, ali je sedanji

položaj več kot impulz stran od ukazanega. Kontrola premika vsebuje tudi programske

omejitve (limite) in vmesnik za strojne omejitve ter končna stikala.

Vhodno izhodna enota

Za programiranje strukture sistema vodenja, kar vključuje vhodno-izhodno obnašanje,

uporablja HAL - pregledni nivo strojne opreme (hardware abstraction layer). HAL vsebuje

osnovne gradnike v obliki blokov, ki jih med seboj povežemo ter tako zgradimo krmilno

strukturo, ki ustreza konfiguraciji naše strojne opreme. Vsebuje tudi programski PLC

modul, ki omogoča programiranje zahtevnejših opravil (menjava orodij, izbira scenarijev).

Tako sami zgradimo sistem gonilnikov in regulacijsko strukturo naprave.


Na ta način lahko prilagodimo EMC2 sistem na različne sestave in konfiguracije

orodnih strojev, obenem pa lahko v procesu strojne obdelave avtomatiziramo opravila na

običajen način (s PLC krmiljem).

Izvajalna enota

Izvajalna enota je odgovorna za interpretiranje g-kode. G-koda je izdelana tako, da

izvaja program tako, kot bi operater delal ročno na stroju.

Konfiguracija našega sistema

EMC2 smo morali konfigurirati za naš sistem s koračnimi motorji. Za premikanje

koračnih motorjev mora krmilno vezje sprejeti od krmilnega programa signala za korak in

smer gibanja koračnega motorja. Ker motorji delujejo v odprti zanki, krmilni program ne

dobi povratne informacije, zato mora biti sistem pravilno nastavljen, da motorji ne

izgubljajo korakov in ne zastanejo.

Obstaja pet vrst konfiguracijskih datotek: INI, NML, TBL, VAR in HAL datoteke.

Vsaka od teh datotek vsebuje določeno informacijo o našem CNC stroju:

• stepper_mm.ini vsebuje vse parametre našega stroja kot na primer enote, podatke o

oseh, hitrosti, čase ciklov,

• emc.nml vsebuje komunikacijske nastavitve za skupni spomin in omrežna vrata,

• stepper.tbl vsebuje informacije o orodjih, njihovo dolžino in premer svedra ali

rezkalnika,

• rs274ngc.var vsebuje spremenljivke specifične za RS-274-NGC narečje NC kode.

Standard_pinout.hal

Datoteka vsebuje ukaze, v kateri so določeni vhodno/izhodne nožice in signali na teh

nožicah na vzporednih vratih.

loadrt hal_parport cfg="0xe000" – je ukaz, s katerim določimo naslov vzporednih vrat , ki

jih uporabljamo.


Z naslednjimi ukazi določimo fizično povezavo med pini in signali.

linksp Xstep => parport.0.pin-03-out

linksp Xdir => parport.0.pin-08-out

linksp Ystep => parport.0.pin-05-out

linksp Ydir => parport.0.pin-04-out

linksp Zstep => parport.0.pin-07-out

linksp Zdir => parport.0.pin-06-out

Ustvarimo signal za nujno zaustavitev sistema,

linkpp iocontrol.0.user-enable-out iocontrol.0.emc-enable-in

ter signal za prižiganje in ugašanje vrtalnega stroja

newsig spindle-on bit

linkps motion.spindle-on => spindle-on

linksp spindle-on => parport.0.pin-01-out

Ker imamu na našem CNC stroju tudi končna stikala, moremo za ta ustvariti signale in jih

povezati na ustrezni pin.

newsig Xhome bit

linkps parport.0.pin-13-in => Xhome

linksp Xhome => axis.0.home-sw-in

newsig Yhome bit

linkps parport.0.pin-15-in => Yhome

linksp Yhome => axis.1.home-sw-in

newsig Zhome bit

linkps parport.0.pin-10-in => Zhome

linksp Zhome => axis.2.home-sw-in

Pri tem moremo paziti, da ne določimo enemu pinu dva različna signala.

Stepper_mm.ini

Ta dokument prekrije privzete nastavitve z našimi in zagotavlja podatke, ki jih bere

HAL. S to vrstico nastavimo ime, ki se prikaže na zaslonu:

MACHINE = ROTWERK


Ker imamo na voljo več grafičnih vmesnikov izberemo željenega z:

DISPLAY = axis

Osnovna perioda v nanosekundah je najhitrejša nit na stroju. Vrednost te periode naj bo

majhna, če imamo hiter računalnik in velika, če je računalnik počasen. Ta vrednost nam

poda maksimalno število korakov, ki jih lahko dobimo iz računalnika.

periodbaseonds

stepsratestep

_*2

10

sec_max_

9

=

(4.1)

BASE_PERIOD = 50000

#- Servo task period, in nanosecs - will be rounded to an int multiple of BASE_PERIOD

SERVO_PERIOD = 1000000

#- Trajectory Planner task period, in nanosecs - will be rounded to an

# integer multiple of SERVO_PERIOD

TRAJ_PERIOD = 10000000

V tem delu dokumenta so opisani splošni parametri za načrtovanje trajektorije v

EMCMOT. Določimo koliko osi ima naš stroj, kako se imenujejo, v kateri koordinati je

začetni položaj - »dom« in katere enote uporabljamo.

AXES = 3

COORDINATES = X Y Z

HOME = 0 0 0

LINEAR_UNITS = mm

Privzeta hitrost osi ali koordiniranega gibanja osi v enoti na sekundo.

DEFAULT_VELOCITY = 1.16

Maksimalna hitrost osi ali koordiniranega gibanja osi v enoti na sekundo. V našem primeru

pomeni, da je maksimalna hitrost 1,38 metra na minuto.

MAX_VELOCITY = 2.3

Začetni pospešek na oseh v mm/s2

DEFAULT_ACCELERATION = 100.0


Maksimalni pospešek za osi v enoti na sekundo.

MAX_ACCELERATION = 100.0

Za vsako os posebej moremo določiti tip osi, kje je njeno izhodišče ter maksimalno hitrost

in pospešek pri koordiniranem gibanju z drugimi osmi. Ker ima modul za generiranje

impulzov svoje omejitve pri pospeševanju in hitrosti, sta dodana parametra

(STEPGEN_MAXVEL in STEPGEN_MAXACCEL), ki ju nastavimo na za nekaj

odstotkov večjo vrednost kot maksimalno hitrost in pospešek.

TYPE = LINEAR

HOME = 0.000

MAX_VELOCITY = 5.0

MAX_ACCELERATION = 50.0

STEPGEN_MAXVEL = 5.2

STEPGEN_MAXACCEL = 51.0

Backlash uporabimo za kompenziranje zračnosti mehanskih delov na oseh, to vrednost

vnesemo v milimetrih.

BACKLASH = 0.6

Input scale je vrednost, ki pove koliko impulzov je potrebno, da se os premakne za eno

enoto, torej za en milimeter.

INPUT_SCALE = 800

S naslednjimi spremenljivkami določimo meje vrednosti za osi, če je ta vrednost presežena

se premikanje osi prekliče.

MIN_LIMIT = -150.0

MAX_LIMIT = 150.0

FERROR = 1.270

MIN_FERROR = 0.254

HOME_OFFSET = 50.0

HOME_SEARCH_VEL = 0.8

HOME_LATCH_VEL = 0.5

HOME_USE_INDEX = NO

HOME_IGNORE_LIMITS = NO

Program omogoča pretvorbo .png, . gif, in.jpg formatov v g-kodo. Pri tem določimo koliko

enot predstavlja ena točka v sliki, kako velik rezkar bomo uporabili ter globino slike. Za to

potrebujemo še naslednji del kode:

PROGRAM_EXTENSION = .png,.gif,.jpg Grayscale Depth Image


png = image-to-gcode

gif = image-to-gcode

jpg = image-to-gcode

RS274/NGC

RS274/NGC jezik, ki ga razume uporabljen krmilni program, je baziran na vrsticah

kode. Vsaka vrstica, tudi poimenovana blok, vsebuje navodila stroju in pove kaj mora stroj

narediti. Tipična vrstica kode lahko vsebuje številko vrstice na začetku, za katero sledi ena

ali več "besed". Beseda je sestavljena iz črke in številke. Črka lahko pomeni ukaz ali pa

lahko posreduje argument za ukaz.

Na primer, "G1 X3" je vrstica kode z dvema besedama. "G1" je ukaz, ki pomeni:

"premakni se v ravni liniji z določeno hitrostjo", "X3" pa poda argument vrednosti: "na

koncu premika mora biti vrednost koordinatne osi X enaka 3". Večina RS274/NGC ukazov

se začne z G ali M črko (G-koda ali M-koda).

Ukazi so razdeljeni v sete imenovani modalne skupine, ki so naštete v tabeli 4.1. Samo

en član iz modalne skupine je lahko uporabljen v eni vrstici kode, ker se med seboj

logično izključujejo.

Tabela 4.1: Modalne skupine

Pomen modalne skupine Besede

Pomik (“skupina 1”) G0 G1 G2 G3 G33 G38.2 G80 G81 G82 G83 G84 G85 G86 G87 G88 G89

Izbira ravnine G17 G18 G19 Način premikanja G90 G91 Hitrost premikanja G93, G94 Enote G20, G21 Kompenzacija premera orodja G40, G41, G42 Kompenzacija dolžine orodja G43, G49 Strojni cikli G98, G99 Izbira koordinatnega sistema G54, G55, G56, G57, G58, G59, G59.1, G59.2, G59.3 Stop M0, M1, M2, M30, M60 Zamenjava orodja M6 Vklop vretena M3, M4, M5 Hlajenje M7, M8, M9. Posebni primer: M7 in M8 sta lahko

aktivna naenkrat Razveljevljanje kontrol M48, M49 Podrutine O


Nemodalne kode (“skupina 0”) G4, G10, G28, G30, G53, G92, G92.1, G92.2, G92.3, M100 to M199

Slika 4.5: Postopek poteka izdelave izdelka


4.1. Uporaba EMC2 z grafičnim uporabnikom AXIS na rezkalnem stroju Rotwerk

Za upravljanje EMC2 krmilnega programa uporabljamo AXIS grafični vmesnik

predstavljen na sliki 4.6, ker je zelo pregleden in prijazen do uporabnika.

Slika 4.6: Grafični vmesnik AXIS

Elementi AXIS okna

• grafično okno, na katerem je predogled naložene datoteke in trenutni položaj

koordinatne mize. Kasneje se tukaj tudi prikazuje pot, ki jo je stroj opravil,

• menijska in orodna vrstica,

• ročna kontrola (manual control) , ki omogoča ročno opravljanje z strojem,

• v polavtomatski kontroli (MDI) lahko vpisujemo G-kodo ročno po vrsticah,

• Feed Override omogoča povečanje ali zmanjšanje hitrosti, s katero EMC2 izvaja

izbrani program,

• z jog speed določimo hitrost ročnega pomika osi ter

• tekstovni del okna, ki prikazuje G-kodo naložene datoteko ter med izvajanjem te

kode tudi označi katero vrstico program trenutno izvaja.


Gumbi v orodni vrstici

1. ESTOP zasilno stikalo, 2. vklop/izklop stroja, 3. odpri datoteko, 4. ponovno naloži odprto datoteko, 5. zaženi naložen program, 6. zaženi naslednjo vrstico v programu, 7. pavza, 8. ustavi izvajanje programa, 9. povečaj pogled, 10. zmanjšaj pogled, 11. pogled "Z", 12. rotiran pogled "Z", 13. pogled "X", 14. pogled "Y", 15. pogled "P" in 16. počisti predogled.

Slika 4.7: Gumbi v orodni vrstici.

Grafično okno

V zgornjem levem kotu je koordinatni prikaz, kjer prikazuje položaj osi. Na levi strani

osi imena se prikaže simbol , če je bila os pravilno postavljena v izhodišče. Na desni

strani osi imena se pokaže limitni simbol , če je os dosegla končno stikalo.

Izbiramo lahko med štirimi prikazi koordinat: absulutnim, ki prikazuje koordinate

stroja, ali relativnim, ki prikazuje razlike premikov koordinatnih osi. Če imamo izbrano

pozicijo ukazanih koordinat (comanded), potem imamo prikazane iste koordinate, kot so

napisane v programu. V primeru, da imamo izbran dejanski prikaz koordinat (actual), se

prikažejo koordinate, na katere se je stroj premaknil. Do razlike med dejanskimi in

ukazanimi koordinatami pride zaradi velikosti koraka. Na primer, če ukažemo premik X za

0,0033 mm, velikost našega koraka na X osi pa je 0,00125 mm, bo ukazani položaj kazal

0,0033; dejanski položaj pa 0,0025 (2 koraka) ali 0,00375 (3 koraki).


Preview Plot

Ko naložimo datoteko, se prikaže predogled programa. Hitri premiki (ki jih ustvari

naprimer G0 ukaz) so prikazani kot črtaste zelene linije. Delovni premiki (npr G1 ukaz) so

prikazani kot polne bele linije. Vrtanje (naprimer G4 ukaz) pa je označen s simbolom "x".

Ročna kontrola

Dokler je stroj vklopljen in ne izvaja programa lahko izvajamo ročno kontrolo stroja.

Če je stroj izklopljen ali se izvaja program je ročna kontrola onemogočena.

Tabela 4.2: Tipke za ročno kontrolo stroja

Tipke Ukaz F1 ESTOP F2 Vklop/izklop ¸ ,1, ..., 9,0 Nastavitev izvajanja hitrosti od 0% do 100% X, ¸ Aktiviranje X osi Y, 1 Aktiviranje Y osi Z, 2 Aktiviranje Z osi I Povečaj hitrost premikanja osi (jog increment) C Neprekinjen premik osi (continuous jog) Ctrl + Home Postavi osi v izhodišče End Touch off (offset za aktivno os) Leva in desna smerna tipka

Premikanje X osi

Gor in dol smerna tipka Premikanje Y osi Pg Up, Pg Dn Premikanje Z osi O Odpri datoteko Ctrl + O Ponovno naloži datoteko R Poženi program P Pavza S Nadaljuj s programom ESC Ustavi program Ctrl + K Počisti grafični prikaz V Izbiraj med pogledi

Postopek poteka operacije s strojem

1. Zaženi EMC2.

2. Pritisni najprej na gumb ESTOP in nato ON gumb.

3. Pomakni osi v izhodišče z gumbom HOME ALL.


4. Naloži program za rezkanje.

5. Na predogledu plotanja preveri program.

6. Pritrdi obdelovanca na mizo.

7. Nastavi mizo na izhodiščno točko obdelovanca s pomočjo ročnega pomika in

uporabo TOUCH OFF gumba.

8. Prižgi gumb za vreteno na rezkalniku

9. Zaženi program.

10. Za rezkanje iste datoteke se vrni na korak 6, za rezkanje druge datoteke se vrni na

korak 4, če si z obdelavo končal ugasni gumb za vreteno in zapri EMC2 program.

Slika 4.8: Vmesnik za vnašanje vrstic kode


Izhodiščne točke

Vsak koordinatni sistem mora imeti svoje izhodišče, če se želimo v njem nekako

orientirati in o trenutnem položaju izmenjati podatke z drugimi sistemi. V ta namen

uporabljamo takoimenovane ničelne točke. Najpomembnejše točke so:

• ničelna točka obdelovanca ,

• ničelna točka stroja ,

• referenčna točka in

• ničelna točka orodja .

Ničelno točko obdelovanca določi programer, ko izdeluje program, torej je ta točka

dejansko izhodišče koordinatnega sistema programa. Pri njeni izbiri mora poskrbeti le za

to, da bo to točko na surovo mogoče natančno obtipati in tako določiti njeno lego v

koordinatnem sistemu stroja.

Ničelna točka stroja je dejansko izhodišče koordinatnega sistema stroja. Določi jo

proizvajalec stroja in je ni mogoče spreminjati. Ničelno točko obdelovanca moramo pred

začetkom obdelave natančno orientirati glede na ničelno točko stroja.

Slika 4.9: Koordinatni sistem rezkalnega stroja


Ob vklopu stroja z inkrementalnim merilnim sistemom, se morajo vodila premakniti v

ničelno točko stroja in tako določiti položaj koordinatnega izhodišča: X=0, Y=0 in Z=0. Pri

mnogih numerično krmiljenih strojih ničelne točke stroja z vodili ni mogoče doseči, zato je

določena referenčna točka , katere odmik od ničelne točke stroja je znan. Vodila se

potem pomaknejo v to nadomestno točko, namesto v ničelno točko stroja.

Ničelna točka orodja je točka, za katero so v računalniškem programu izračunane

poti orodja. Z njo je določeno izhodišče koordinatnega sistema orodja. Predstavljamo si jo

lahko kot točko, ki se bo pomikala po poteh določenih z računalniškim programom. Njen

pomen je večstranski, saj lahko z njeno pomočjo orodja tudi merimo in nastavljamo. Na to

točko se nanašajo podatki o korekciji orodja, s katerimi pred obdelavo korigiramo

računalniški program in tako zagotovimo geometrijsko natančnost izdelka. Tako krmilju

sporočimo, naj po izračunanih potezah ne vodi ničelne točke orodja, temveč točko konice

orodja, ki je od ničelne točke orodja odmaknjena za velikost korelacijskih faktorjev.

Slika 4.10: Ničelna točka orodja


5. MERITVE IN REZULTATI

Napetost in tok

Referenčne napetosti za koračne motorje smo nastavili na 1.0V.

Zračnost na oseh X, Y, in Z

Zračnost je pojav, ki nastopi pri spremembi smeri na osi. Če premikamo os v pozitivno

ali negativno smer, nato pa smer premika spremenimo, se zaradi netočnosti mehanskih

delov os ne začne premikati takoj, česar krmilni program ne zazna. Zato lahko pride do

razlike med dejanskim položajem osi in položajem osi na krmilniku. Izmerjeno zračnost

smo vnesli v krmilni program, da dejanski položaj osi ne odstopa od položaja na krmilniku.

Ker nimamo na voljo specializiranih merilnih laserskih naprav, smo najprej za merjenje

razlike uporabili digitalno kljunasto merilo, ki ima možnost merjenja na dve decimalki

milimetra natančno. Pri merjenju smo najprej merjeno os pomaknili v eno smer, nato pa

smo v umetno maso izrezkali utor. Razlika med napisano dolžino utora v programu in

dolžino izrezkanega utora nam poda zračnost na osi.

Slika 5.1: Digitalno kljunasto merilo


Za zračnosti smo dobili naslednje rezultate:

X os - 0,25mm

Y os - 0,32mm

Z os - 1,4mm

Po izmerjeni zračnosti in kalibraciji smo izrezkali krog s premerom 30mm v umetno

maso, da bi preverili, če smo bili pri merjenju uspešni. Na fotografiji 5.2 je fotografija

izrezkanega kroga, z rdečo krožnico pa je označen kakšen naj bi krog bil. Odstopanja smo

izmerili s kljunastim merilom in popravili nastavitve v programu. Nato smo ponovno

zagnali program za rezkanja krogov. Vidno izboljšani rezultat je prikazan na sliki 5.3.

Slika 5.2: Izrezkan krog po prvi meritvi

Slika 5.3: Izrezkan krog z vnešenimi popravki


Ker smo pri nadaljni uporabi stroja ugotovili, da izmerjena zračnost ni dovolj natančna,

smo na os pritrdili digitalni mikroskop z 200 kratno povečavo. To pomeni, da je na primer

korak na X osi, ki se pomakne za 0,00125 mm, pod 200 kratno povečavo viden kot pomik

za 0,25 mm, kar se tudi lepo vidi na monitorju. Os smo najprej pomaknili v eno smer nato

pa po korakih v drugo smer. Ko smo na monitorju preko mikroskopa videli, da se je os

premaknila smo prešteli korake in jih preračunali v milimetre.

Slika 5.4: Merjenje zračnosti na Y osi

Primer programa za merjenje zračnosti na X osi:

F70 (hitrost pomika)

G21 (izbira enote-mm)

#1 = 0 (definicija spremenljivke)

O101 while [#1 lt 100] (while zanka)

G91 X0.00125 (relativni pomik X osi)

#1 = [#1+1] (povečanje spremenljivke)

O100 endwhile (konec zanke)

M2 (konec programa)

Dobili smo naslednje rezultate zračnosti na oseh:

X= 193 korakov (0,00125 mm/korak) = 0,24125 mm

Y= 480 korakov (0,00125 mm/korak) = 0,6 mm

Z= 663 korakov (0,001875 mm/korak)= 1,243125 mm


Slika 5.5: 200-kratna povečava X, Y in Z osi

Po merjenju zračnosti z elektronskim mikroskopom smo testirali naše rezultate še

enkrat in izrezkali naš testni krog. Tokrat smo naredili skoraj popolen krog, kar je razvidno

iz slike 5.6.

Slika 5.6: Testni krog po izmerjeni zračnosti z mikroskopom

Ker je v industriji natančnost in ponovljivost stroja vse bolj pomembna, so zahteve

sodobne industrije po vse ožjih tolerancah ter visoki kakovosti izdelkov pripeljale do

točke, ko postajajo karakteristike obdelovalnih strojev, vse bolj pomembne. Kakovost

obdelave na računalniško krmiljenem stroju je močno odvisna od geometrične natančnosti

le-tega. Geometrično natančnost se zato na profesionalni ravni meri z laserskimi merilnimi

sistemi, kot naprimer Ballbar QC10, ki omogoča hitro merjenje, ali z drugimi laserskimi

sistemi, ki omogočajo natančne meritve do v rangu nano ali piko metra.


Slika 5.7: Merjenje z Ballbar QC10

Slika 5.8: Laserskih meritev za določitev natančnosti linearnega pozicioniranja

obdelovalne mize

Hitrost pomika

Pri višjih hitrostih pomika ima koračni motor manj navora. Zato smo omejili

maksimalno hitrost tako, da ne izgublja korakov. Tako je najvišja hitrost 138 mm/min.

Merjenje signalov na izhodih X osi

Z osciloskopom smo izmerili signale na priključkih koračnega motorja za X os pri

mirovanju, počasnem premikanju, srednje hitrem premikanju in hitrem premikanju.


Iz meritev pri mirovanju (slika 5.9), počasnem (slika 5.10) in srednje hitrem pomiku

(slika 5.11) je jasno razviden učinek sekalne frekvence, ki izboljšuje faktor izkoristka

moči, ki bi bil v primeru mirovanja in počasnega premikanja motorja zelo slab.

Slika 5.9: Signali pri mirovanju, desno je povečava signalov

Slika 5.10: Signali pri počasnem premikanju s 3,9 mm/min in povečava signalov


Slika 5.11: Signali pri pomiku s srednjo hitrostjo 62 mm/min in povečava signalov

Zaradi hitrejšega spreminjanja toka v tuljavi koračnega motorja pri večjih obratih

oziroma hitrostih se sekalna frekvenca ne opazi.

Slika 5.12: Signali pri pomikanju z veliko hitrostjo 138 mm/min in povečava signalov

Izmerili smo še valovitost napajanja koračnih motorjev pri mirovanju in poganjanju

(sliki 5.13 in 5.14) ter napajalno napetost.


Slika 5.13: Valovitost napajanja motorja pri mirovanju (žaga cca 40 mV)

Slika 5.14: Valovitost napajanja motorja pri poganjanju

Slika 5.15: Napetost 5V in nihanje te napetosti 100 mV


6. SKLEP

V okviru diplomske naloge smo želeli izdelati računalniško vodeno krmilno enoto za

vodenje koordinatnih strojev, ki bo omogočala nadgradnjo ročno vodenega tri-osnega

rezkalnega stroja in bo vključevala povezavo z odprtokodnim krmilnim programom EMC2

preko standardnih vzporednih vrat osebnega računalnika.

Uspešno smo nadgradili ročno voden rezkalni stoj z izdelanim krmilnim sistemom ter

ga tudi preizkusili. Izdelani računalniško krmiljen rezkalni stroj deluje in zadovolji naše

potrebe po izdelovanju manjših izdelkov. Primeren je za neprofesionalno rabo in za

obdelovanje mehkejših materialov, ni pa primeren za visokoserijsko proizvodnjo.

Prav tako je odlično orodje za učenje izdelave g-kode in programov za računalniško

vodene stroje ter strojniške obdelave.

Pomanjkljivost našega sistema je, da od koračnih motorjev ne dobimo nobene povratne

informacije ali se je os premaknila na željeno pozicijo ali ne. Torej, če izgubimo nekaj

korakov med premikom koračnega motorja, se bo celoten naš program od te točke dalje

izvedel napačno, ker krmilni program izgubljenih korakov ne zazna. To bi lahko rešili z

dodatno vgradnjo senzorjev na vsako os, ki bi nam sporočali trenutni položaj vsake osi. V

primeru izgubljanja korakov bi te korake lahko nadomestili, ali v primeru hujše napake

ustavili izvajanje programa. Druga rešitev tega problema bi bila, da bi namesto koračnih

motorjev uporabili servo motorje z enkoderji. Ti delujejo na principu zaprte zanke in zato

krmilni program dobi povratno informacijo za koliko se je motor obrnil oziroma za koliko

se je premaknila koordinatna os stroja. Za to rešitev bi morali uporabiti drugačno krmilno

enoto, prilagojeno servo motorjem.

Na rezkalni stroj bi lahko namestili tudi kamero, preko katere bi lahko določili

referenčno točko obdelovanca in na to točko preko dobljene slike premaknili koordinatno

mizo. S tem bi prihranili čas in izločili bi tudi morebitno nenatančnost premika, ko

moramo na referenčno točko premakniti koordinatno mizo, preden zaženemo program.

Krmilni sistem bi lahko še izboljšali tako, da bi mu dodali možnost nastavitve hitrosti

vrtenja vretena. Ker z našim sistemom lahko samo prižgemo ali ugasnemo vreteno, hitrost

vrtenja pa moramo nastaviti ročno na stroju.

K večji natančnosti stroja bi pripomogla tudi boljša mehanska konstrukcija rezkalnega

stroja, saj je na oseh zračnost. Tudi zobati jermen in jermenice dodatno pripomorejo k tej


zračnosti. Te prenose bi lahko nadomestili s planetarnimi reduktorji, vendar so ti primerno

kvaliteti tudi dražji. Za boljšo obdelavo in manjšo obrabo orodij, svedrov ter rezkarjev, bi

lahko namestili manjši mazalni sistem, ki bi obdelovanca hladil z oljem ali s hladilno

tekočino.


7. VIRI, LITERATURA

[1] http://www.linuxcnc.org

[2] http://www.nc-step.de

[3] http://www.elektronik.si

[4] http://www.strojnistvo.com

[5] http://hercules.uni-mb.si/SP/CNC/Index.htm

[6] http://193.2.252.81/arhiv/cncpro/

[7] http://www.devilmaster.org/sections.php?op=viewarticle&artid=40

[8] http://www2.arnes.si/%7Esspslavr/micro.html

[9] http://timeguy.com/cradek/

[10] http://www.fs.uni-lj.si/labod/

[11] http://www.edgecam.com

[12] http://www.mastercam.com/

[13] http://linuxcnc.org/docs/2.1/html/gcode.html

[14] http://www.s-sc.ce.edus.si/kuzman/Projekti/skladisce/Avtomatizacija.htm

[15] http://maja.uni-mb.si/slo/seminarske/NC-stroji/Dodatno/CNC01.htm


8. PRILOGE

Seznam prilog: A. Vsebina priložene zgoščenke. B. Shema vezja. C. Naslov študenta. D. Kratek življenjepis.


B.


C. Naslov Študenta

Primož Jeran Zvodno 24 3000 Celje Tel: +386 31 618 352 E-pošta: [email protected]


D. Kratek življenjepis Rojen 24.11.1982 Celje

Šolanje: 1989 – 1997 Osnovna šola Frana Kranjca

1997 – 2001 Gimnazija Celje-Center

ra čunalniško voden 3-osni rezkalni stroj · siemens sinumerik 802s base line siemensov sinumerik...

Documents