UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Matjaž DROBNIČ IZDELAVA REZKARJA CNC ZA MANJŠE LESENE IZDELKE Maribor, avgust 2015
IZDELAVA REZKARJA CNC ZA MANJŠE LESENE IZDELKE MANUFACTURING CNC MILLING MACHINE FOR SMALLER WOOD PRODUCTS Študent(ka): Matjaž Drobnič Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Mehatronika Smer: Mehatronika Mentor FERI: Mentor FS: Lektorica: izr. prof. dr. Aleš HACE Izr. prof. dr. Darko LOVREC Andrejka Horvat, prof. slovenščine Maribor, avgust 2015 II
I Z J A V A Podpisani Matjaž DROBNIČ izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr. Aleša HACETA in mentorstvom izr. prof. dr. Darka LOVRECA; predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, 24.8.2015 Podpis:
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Alešu HACETU in mentorju izr. prof. dr. Darku LOVRECU za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela, ki sta me s svojo strokovnostjo in zavzetostjo usmerjala k uspešno doseženemu cilju. Posebna zahvala velja staršem in partnerki, ki so mi omogočili študij in me spodbujali med šolanjem ter nastajanjem diplomskega dela. Hkrati se zahvaljujem tudi lektorici Andrejki HORVAT. III
IZDELAVA REZKARJA CNC ZA MANJŠE LESENE DELE UDK: 629.5.061.16(043.2) Ključne besede: CNC stroj, rezkanje, krmiljenje stroja POVZETEK Pri izdelavi in vodenju CNC rezkalnega stroja za manjše lesene izdelke je v ospredju krmiljenje stroja. Krmilni del poskrbi za vodenje procesov, medtem ko mehanski del zajema vodila, vretena in celotno aluminijasto konstrukcijo. Pri izdelavi rezkarja smo določili gibanje celotnega mostu. Gibanje celotnega mostu po x-osi zahteva debelejša vodila in močnejšo konstrukcijo. Krmilni del je moral biti zasnovan tako, da sta operater in stroj v celoti zavarovana. V krmilni omari so nameščene vse potrebne komponente, ki so potrebne za delovanje CNC stroja. Z pomočjo programskega paketa SolidWorks izrišemo željen model in ga kasneje tudi z pomočjo LazyCAM in Mach3 tudi izrezkamo. IV
MANUFACTURING CNC MILLING MACHINE FOR SMALLER WOOD PRODUCTS UDK: 629.5.061.16(043.2) Key words: CNC machine, milling, controlled machine ABSTRACT At the manufactre and guidence of a CNC milling machine for smaller wooden products is in the front of guidance machine the control panel witch ensures the guidence of proceses meanwhile the machanical part includes the guidance lead, spindles and entire aluminum construction. At manufactures of a milling machine we decided that the moving of an entire bridge. The moving of an entire bridge at the x-axis demands thicker spindles and stronger construction. Guidance part has to be designed in the way that the user and the machine are entirely secured. In the Guidance box all of the reguired componentes are already setup witch are reguiered for opeating of a CNC machine. With a help of a program Solid Works we are plotting wanted model and then with a help of LazyCAM option and Mach3 option we milled the prodcut. V
KAZALO 1. UVOD... - 1-1.1 OPREDELITEV OZ. OPIS PROBLEMA...- 1-1.2 CILJI IN TEZE DELA DIPLOMSKEGA DELA...- 2-1.3 PREDPOSTAVKE IN OMEJITVE DELA DIPLOMSKEGA DELA...- 3-1.4 PREDVIDENE METODE DELA DIPLOMSKEGA DELA...- 3-2. PREDSTAVITEV CNC STROJEV... - 4-3. ANALIZA IN RAZVOJ KONSTRUKCIJE... - 6-3.1 MEHANSKA KONSTRUKCIJA CNC REZKALNEGA STROJA...- 7-3.2 VRSTE VODIL...- 8-3.3 VRSTE NAVOJNIH VRETEN... - 11-3.4 PROSTORSKI KOORDINATNI SISTEM...- 13-3.5 TEHNIČNI PODATKI STROJA...- 14-4. POGONSKE KOMPONENTE... - 17-4.1 VRSTE KORAČNIH MOTORJEV...- 18-5. ANALIZA IN IZBIRA KRMILNIKA MOTORJEV... - 21-5.1 DELOVANJE IN ZGRADBA...- 23-5.2 NAČRT VEZAVE ELEKTRONIKE...- 24-6. KRMILNIK CNC... - 25-6.1 ZGRADBA PROGRAMSKEGA PAKETA...- 25-6.2 NAČIN KRMILJENJA...- 27-6.3 KREIRANJE PROGRAMA...- 29-7. OD NAČRTOVANJA DO KONČNEGA IZDELKA... - 31-8. SKLEP... - 38-9. SEZNAM LITERATURE... - 39 - VI
KAZALO SLIK Slika 3.1: Linearna puša in okroglo vreteno [9]... - 9 - Slika 3.2: Tirna vodila in vozički [10]... - 10 - Slika 3.3: Trapezno navojno vreteno [3]... - 11 - Slika 3.4: Prostorski koordinatni sistem [14]... - 13 - Slika 3.5: Smeri gibanja [7]... - 14 - Slika 3.6: Podstavek stroja [14]... - 15 - Slika 3.7: Povezava ležajev in aluminijastih plošč [14]... - 16 - Slika 4.1: Bipolarni koračni motor [11]... - 18 - Slika 4.2: Unipolarni koračni motor [11]... - 18 - Slika 4.3: Navor koračnega motorja [11]... - 19 - Slika 4.4: Koračni motor nameščen na nosilec [14]... - 20 - Slika 5.1: Krmilnik [14]... - 21 - Slika 5.2: Vezava elektronike [14]... - 24 - Slika 6.1: Krmilnik CNC [5]... - 25 - Slika 6.2: Prikaz programskega okolja Mach3 [14]... - 26 - Slika 6.3: Krmiljenje od točke do točke... - 27 - Slika 6.4: Krmiljenje po ravnih linijah... - 27 - Slika 6.5: Izboljšano krmiljenje po ravnih linijah... - 28 - Slika 6.6: Krmiljenje po poljubni poti [6]... - 28 - Slika 6.7: Kreiranje modela 1 [14]... - 29 - Slika 6.8: Kreiranje modela 2 [14]... - 29 - Slika 7.1: Orodna vrstica programskega okolja SolidWorks [14]... - 31 - Slika 7.2: Narisana črka C [14]... - 31 - Slika 7.3: Postopek pretvorbe [14]... - 32 - VII
Slika 7.4: Pretvorba iz Dxf v G-kodo [14]... - 33 - Slika 7.5: Programsko okolje Mach3 [14]... - 34 - Slika 7.6: Nadzor, rezkanje in končni izdelek [14]... - 35 - Slika 7.7: Celotna konstrukcija CNC stroja [14]... - 36 - Slika 7.8: Vezava elektro omare [14]... - 37 - VIII
KAZALO TABEL: Tabela 3.1: Analiza in izdelava konstrukcije [14]...- 6 - Tabela 3.2: Tabela trapezno navojnih vreten [4]...- 12 - Tabela 3.3: Tehnični podatki stroja [14]...- 14 - Tabela 4.1: Lastnosti koračnega motorja [14]...- 20 - Tabela 5.1:. Zgradba krmilnika [14]...- 22 - Tabela 5.2: Delovanje in zgradba krmilnika [14]...- 23 - Tabela 5.3: Nastavitev DIP stikala v krmilni enoti [14]...- 23 - Tabela 6.1: Ukazi programskega jezika [14]...- 30 - Tabela 6.2: Kode programskega jezika [14]...- 30 - IX
UPORABLJENI SIMBOLI W watt A amper V volt Kg kilogram Nm navor Ω - Ohm UPORABLJENE KRATICE NC Numerical Control CNC Computer Numerically Controlled DXF Data exchange File G-koda geometrijsko programiranje AC Alternating Current DC Direct Current LPT Parallel port USB Universal Serial Bus PC Personal Computer PWM Pulse-width modulation X
XI
1. UVOD Podjetja danes delujejo v okolju stalne konkurenčnosti, intenzivnega informacijskega in tehnološkega okolja. Podjetje se takšnim spremembam lahko prilagodi samo tako, da se neprestano trudi za ohranjanje, potrjevanje in izboljševanje položaja na trgu, zato je sprejemanje različnih odločitev zelo pomembna naloga, saj lahko napačne odločitve vodijo v krizo podjetja. Neprestane spremembe in prilagajanje tem spremembam, ohranjanje konkurenčnosti na trgu, uvajanje zanesljivejše, cenovno ugodnejše, fleksibilne opreme, predstavlja realno delovanje v poslovnem svetu. Že sedaj tehnološko zahtevni in visoko avtomatizirani sodobni stroji se bodo morali v prihodnosti še bolj prilagoditi proizvodnji izdelkov po meri. Zato bodo najuspešnejša samo tista podjetja, ki bodo sprejemala pravilne in pravočasne odločitve. Pred začetkom poslovanja si mora podjetje postaviti temelje usmerjenega načrtovanja celotnega procesa proizvodnje in prodaje svojih izdelkov in storitev. Enako velja tudi pri izdelavi CNC strojev. Cilji, poti in smernice, po katerih naj bi se podjetje gibalo, morajo biti zelo natančno opredeljeni, saj le tako lahko pridemo do želenega končnega uspeha. 1.1 Opredelitev oz. opis problema V družini se ukvarjamo z izdelovanjem diatoničnih harmonik, pri čemer je izdelava trenutno pretežno ročna, potreba po natančnosti izdelkov pa vedno večja. Vse luknje in utori se sedaj vrtajo in rezkajo ročno, kar ni najbolj natančno, zato se pojavljajo prevelika odstopanja med izdelki. Ostale lesene komplekse oblike harmonike pa mora obdelati nekdo, ki ima CNC rezkalni stroj. Zaradi omenjenih problemov, bomo v okviru diplomskega dela preučilo in pristopilo k izdelavi namenskega CNC rezkalnega stroja, namenjenega predvsem obdelavi lesa. Izdelati ga bomo poskušali s sredstvi, ki so nam na voljo, hkrati pa doseči čim bolj natančno izdelavo. - 1 -
Trg sicer ponuja veliko namenskih, tudi tovrstnih CNC rezkalnih strojev, različnih velikosti in cenovnih razredov, a jih je večina glede za uporabo pri omenjeni aplikaciji izdelovanja harmonik veliko predragih oz. cenovno nedostopnih. 1.2 Cilji in teze dela diplomskega dela Navkljub dejstvu, da se pri izdelavi diatoničnih harmonik (skoraj) vse obdeluje ročno je cilj diplomskega dela izdelati CNC stroj, s katerim bomo lahko les obdelali z večjo natančnostjo kot jo dosegamo do sedaj. Gre predvsem za tiste dele harmonike, ki so enaki in imajo zahtevo po enakih izmerah in kvaliteti geometrije. Z uporabo takšnega stroja, ki bo izdelan namensko, na podlagi dosedanje dolgoletne prakse pri izdelavi harmonik, ne bo potrebe plačevati nekoga tretjega, ki bi obdelal les. Investicija je pričakovano na začetku dokaj velika, vendar se bi s pomočjo izdelanega stroja na dolgi rok stroški izdelave stroja vsekakor povrnili. S temi izhodišči bosta preučena tako teoretični kot praktični vidik izdelave stroja, ki se bo namensko uporabljal za rezkanje lesenih delov diatoničnih harmonik. Teza oz. trditev diplomskega dela: Končni izdelek bo na koncu uporaben za obdelovanje lesa. Prav tako bo veliko bolj natančen, kot je natančnost izdelkov, ki se obdelajo ročno. Teza bo preverjena tako, da bo omenjeni CNC rezkalni izdelek izdelal v celoti sam, pri čemer bo izdelek, izdelan s tem strojem, omogočal večjo natančnost, kot je bila do sedanja. - 2 -
1.3 Predpostavke in omejitve dela diplomskega dela Pri pisanju diplomskega dela predpostavljam, da bo na razpolago ustrezna literatura oz. dostopne ostale potrebne informacije.. Prav tako predpostavljamo, da bo na koncu stroj uporaben za vse namene, ki jih potrebujemo za izdelavo izdelkov iz lesa. Omejitve se bodo pojavile predvsem pri sami konstrukciji stroja, saj so najbolj kvalitetna vodila in navojna vretena cenovno dokaj visoka. Pri izdelavi stroja bomo uporabili srednji rang kvalitete vodil in navojnih vreten, ki so cenovno dostopnejša. 1.4 Predvidene metode dela diplomskega dela Pri izdelavi diplomskega dela bosta uporabljena dva pristopa k raziskovanju in zbiranju podatkov: praktični izdelava stroja in vse ostalo v celoti; teoretično raziskovanje (pregled literature, statističnih virov in publikacij ter znanstvene literature), s katerimi bom pridobil predvsem sekundarne podatke, hkrati pa bo uporabljenega največ lastnega vira. - 3 -
2. PREDSTAVITEV CNC STROJEV Kratici NC in CNC izhajata iz angleščine in pomenita Numerical Control (numerično krmiljenje) in Computer Numerically Controlled (računalniško numerično krmiljenje). NC je predhodnik CNC krmiljenja. Prvi NC stroji so se pojavili v začetku petdesetih let v Združenih državah Amerike. Glavni razlogi, vodila in cilji pri razvoju CNC strojev so bili naslednji: povečati produktivnost, izboljšati kvaliteto in natančnost izdelkov, zmanjšati proizvodne stroške, izdelava zahtevnih izdelkov, ki jih na drugačen način ne moremo izdelati. Z razvojem elektrotehnike in še posebej elektronike so se krmilja fizično manjšala, in hkrati ponudila večje možnosti krmiljenja. Z uvajanjem visoko avtomatiziranih CNC strojev se je krajšal čas izdelave izdelkov in zmanjšali proizvodni stroški, tako v maloserijski in srednje serijski proizvodnji kot tudi v primeru posamične proizvodnje. Velik razvojni preskok je bil narejen s tem, ko so klasična NC krmilja zamenjali s CNC krmilji, ki vsebujejo tudi računalnik oz. mikroprocesorski krmilnik. CNC krmilje v bistvu opravlja podobno nalogo kot NC krmilje, vendar lahko vgrajeni računalnik prevzame vrsto posebnih nalog: višje vrste interpolacije, korekcijo radija rezalnega roba, tehnika dela s podprogrami, programsko povezavo krmilja s strojem, itd. - 4 -
Nekaj osnovnih prednosti CNC obdelovalnih strojev pred klasičnimi stroji so: program vnesemo v stroj in ga shranimo, enostavno spreminjanje že shranjenega programa, večja produktivnost strojev, velika kvaliteta in natančnost izdelave izdelka, večja izkoriščenost stroja, visoka prilagodljivost pri obdelavi [1]. CNC stroj je sestavljen iz dveh glavnih delov: stroja, na katerem se izvaja obdelava delov in CNC krmilnika, ki to obdelavo krmili. CNC program, ki vsebuje natančen opis poteka obdelave na stroju, predstavlja vhodne informacije, ki jih CNC krmilnik potrebuje za krmiljenje obdelave. CNC stroj je neke vrste avtomat, ki ga lahko prosto programiramo. Njegova glavna značilnost je fleksibilnost, to je možnost hitre preureditve stroja z ene na drugo obdelavo, in sicer z zamenjavo programa in eventualno z manjšimi hitrimi preureditvami stroja. Zato je še posebej primeren za avtomatizacijo maloserijske in srednje serijske proizvodnje. Računalniško vodeni obdelovalni stroji so torej sestavljeni iz mehanskega dela, ki se po izgledu bistveno ne razlikuje od klasičnega, ter iz krmilnega dela, v katerem je vgrajen računalnik, ki vodi in krmili ves proces obdelave izdelkov [13]. - 5 -
3. ANALIZA IN RAZVOJ KONSTRUKCIJE Konstrukcija CNC rezkalnega stroja je zasnovana tako, da se giblje celotni most (nepremična x-os). V tem primeru je potrebno za most uporabiti dvojna vodila, saj bi nasprotno pri obremenitvi prišlo do povečanega upora. Konstrukcijo sestavljajo aluminijasti profili velikosti 100 x 10 mm različnih dolžin. Na stroju je prisotnih tudi več ostalih različnih mehanskih sklopov: nepremična x-os, nepremična y-os, nepremična z-os, premične vse tri osi. Tabela 3.1: Analiza in izdelava konstrukcije [14] Premer elementa (mm) Linearno kroglično vreteno (mm) Trapezno vreteno (mm) 12 x-os 800 x-os 820 12 x-os 800 12 y-os 490 y-os 510 12 y-os 490 12 z-os 390 z-os 410 12 z-os 390 16 x-os 1000 16 x-os 1000-6 -
3.1 Mehanska konstrukcija CNC rezkalnega stroja Pojem mehanska konstrukcija predstavlja, dve različni metodi gradnje konstrukcije. To sta varjena konstrukcija, ki ima zahtevo po varjenju in končni obdelavi, ter lahka gradnja, pri kateri komponente vijačimo in sestavimo v celoto. Varjena kovinska konstrukcija: večja teža stroja, zahteva po debelejših vodilih in vretenih, zahteva po močnejših motorjih, varjenje povzroča toplotno deformacijo materiala, ni možnosti demontiranja, zahteva po končni obdelavi. Mehanski del stroja konstrukcija stroja je izdelana po principu lahke gradnje, ki ponuja številne prednosti: lažja konstrukcija, sorazmerna debelina vodil in vreten glede na težo, možnost demontiranja pri uporabi vijakov, sorazmerna moč motorjev, ni toplotne obdelave materiala. fleksibilnost izvedbe, primerna cena, ni potrebe po končni obdelavi, enostavna dograditev elementov za nošenje ter gibanje delov. Pomikanje osi je potrebno določiti glede na želeno doseganje točnosti večnamenskega stroja. Načeloma lahko pretvorbo vrtilnega gibanja motorja v linearno gibanje oz. vzdolžno pomikanje osi po posamezni koordinati izvršimo na različne načine. - 7 -
Pozicioniranje stroja je odvisno od kvalitete komponent (linearna vodila), ki imajo najmanjše možno trenje in zračnost. Ohlapnost in trenje lahko zmanjšamo s kvalitetnimi vodili. Za pretvorbo rotacijskega gibanja motorja v podajalno gibanje, uporabimo navojna vretena. Na trgu je sicer na voljo zelo veliko različnih krogličnih vreten s kroglično matico, vendar so ta v primerjavi s trapeznim navojnim vretenom bistveno dražja. Zaradi cenovnega vidika je uporabljeno trapezno vreteno, premera 12 x 4mm. 3.2 Vrste vodil LINEARNA VODILA IN OKROGLA VODILA Prednosti krogličnih linearnih puš so dobro poznane. Odlikujejo jih velika preciznost, nizek koeficient trenja, kompaktnost izvedbe in ugodna cena. Na voljo so tudi najrazličnejši tipi puš: od standardnih puš, puš s prirobnico, podaljšanih puš, do puš z aluminijastim ohišjem itd. S tem je omogočena enostavna izbira primerne puše za vsako aplikacijo. Prednosti linearnih puš in okroglih vodil so sledeče: gladki linearni pomiki, povečane nosilnosti zmanjšujejo potrebo po večjem številu enot, precizno obdelane referenčne površine za natančno vgradnjo, priključki za namestitev na centralni mazalni sistem, enostavnost vgraditve, puše iz nerjavečega materiala [2]. Načelni izgled linearne puše in okroglega vodila prikazuje slike 3.1. - 8 -
Slika 3.1: Linearna puša in okroglo vreteno [9] TIRNA VODILA IN VOZIČKI Tirna vodila predstavljajo optimalno kombinacijo nosilnosti, togosti, preciznost in cene. Zasnovana so na osnovi štirivrstične postavitve kroglic, ki prenašajo obremenitve v vseh smereh. Koncept omogoča kompaktno obliko, velike nosilnosti in natančno linearno vodenje. Zaradi tega se tirna vodila pojavljajo kot standardni element linearnega vodenja v precizni in splošni strojegradnji. Primer tirnega vodila prikazuje slika 3.2. Prednosti tirnih vodil in vozičkov: že vgrajeni posnemalniki in tesnila, kot dodatek so na voljo oljni rezervoarji za podaljšanje servisnega intervala, tiho delovanje, velika izbira različnih kakovostnih razredov in prednapetij, vodila, odrezana na mero. - 9 -
Slika 3.2: Tirna vodila in vozički [10] - 10 -
3.3 Vrste navojnih vreten Pri krogelnih maticah in navojnih vretenih se med navojnim vretenom in krogelno matico kotalijo kroglice, ki omogočajo gibanje z visokim izkoristkom. V primerjavi s trapeznim vretenom je potreben za 2/3 manjši pogonski moment. Poleg pretvorbe rotacijskega gibanja v linearno to omogoča tudi pretvorbo linearnega gibanja v rotacijsko [3]. Slika 3.3: Trapezno navojno vreteno [3] Osnovni podatki trapeznih navojnih vreten so zbrani in prikazani v tabeli 3.2. V njej so podane dimenzije posameznih trapeznih vreten ter prikazane različne dimenzije navojev za levi in desni navoj. - 11 -
Tabela 3.2: Tabela trapezno navojnih vreten [4] - 12 -
3.4 Prostorski koordinatni sistem Prostorski koordinatni sistem opisuje smeri gibanja orodja in obliko obdelovanca na vrtalno - frezalnih strojih, obdelovalnih celicah oz. centrih. Vsaka os ima dve možni smeri gibanja: + (plus) in - (minus). Predznak določa smer gibanja orodja oz. mize. Slika 3.4: Prostorski koordinatni sistem [14] Vsi stroji se gibljejo po eni oz. po več oseh: x naprej, nazaj, y levo, desno z gor, dol. S črkami u, v, w običajno označujemo dodatne osi. Pomembno opozorilo: Smeri gibanja si najlažje zapomnimo s pomočjo pravila desne roke, ki kaže: [3] - 13 -
Slika 3.5: Smeri gibanja [7] 3.5 Tehnični podatki stroja Velikost delovne ploskve je površina, ki jo lahko koristimo za obdelavo. Napajalna napetost in napajanje krmilnika in ostalih komponent so zbrana in prikazana v tabeli 3.3. Tabela 3.3: Tehnični podatki stroja [14] Dolžina vseh osi: Delovna površina: x 1000 mm x 670 mm y 490 mm y 390 mm z 390 mm z 290 mm Specifikacije: Napajalna napetost Usmernik Napajanje krmilnika Izhodni tok krmilnika Moć rezkalnega stroja Enota: 220 V AC 220 V AC v 12 do 36 V DC 24 V DC 3 A 630 W - 14 -
Podstavek stroja je izdelan iz aluminijastih profilov z utorom, ki so z vijaki na obeh straneh povezani v celoto tako, da dobimo ravno površino kot to prikazuje slika 3.6. Linearna vodila služijo za vodenje in tako so vpeta z pomočjo nosilca na aluminijasto ploščo širine 100 mm in debeline 10 mm. Ležaji imajo štiri luknje z navojem M5 in so priviti na drugo aluminijasto ploščo. Povezava ležajev in aluminijastih plošč je prikazana na sliki 3.7. Slika 3.6: Podstavek stroja [14] - 15 -
Slika 3.7: Povezava ležajev in aluminijastih plošč [14] - 16 -
4. POGONSKE KOMPONENTE Pogonska tehnika pri CNC strojih skrbi, da se vrtilni moment pogonskega elektromotorja pretvarja v linearno gibanje podajalne osi. Pri servo motorjih je navor večji in zato potrebujemo zahtevnejša vezja, medtem ko so koračni motorji za stroje, kakršen je tudi obravnavan CNC rezkalni stroj, karakteristično zadovoljivi in cenejši. Zaradi tega, so tudi uporabljeni za pogon osi CNC rezkalnika. Krmiljenje koračnih motorjev so zelo poenostavila namenska integrirana vezja. Načrtovalci naprav potrebujejo zaradi tega relativno malo specifičnega znanja o tehniki krmiljenja koračnih motorjev, vendar razumevanje osnov pomaga pri iskanju optimalne rešitve. S stališča projektanta elektronske naprave lahko razdelimo koračne motorje na dve osnovni skupini: unipolarni in bipolarni koračni motorji. Koračni motor naredi en korak, ko se smer toka v tuljavi (ali tuljavah) zamenja, zato se spremeni tudi magnetno polje na statorskih polih. Razlika med unipolarnimi in bipolarnimi motorji je v tem, kako spremembo magnetnega polja dosežemo. - 17 -
4.1 Vrste koračnih motorjev Bipolarni koračni motor ima eno navitje na en polov par, krmili pa se z dvema preklopnima stikaloma, ki izmenično preklapljata napajalno napetost. Model bipolarnega koračnega motorja je prikazan na sliki 4.1. Slika 4.1: Bipolarni koračni motor [11] Unipolarni koračni motor ima dve navitji na en polov par in se krmili z enim preklopnim stikalom. Model unipolarnega koračnega motorja je prikazan na sliki 4.2. Slika 4.2: Unipolarni koračni motor [11] - 18 -
Prednost vezja z bipolarnim motorjem je v tem, da ima samo eno navitje, ki je zaradi tega lahko navito z debelejšo žico in ima zato nižjo upornost, glavna pomanjkljivost pa sta dve preklopni stikali, zaradi česar potrebujemo več polprevodnikov. Unipolarno vezje potrebuje le eno preklopno stikalo. Njegova velika slabost pa je, da potrebuje dvojno, bipolarno navitje. To pomeni, da mora biti zaradi prostorske stiske žica tanjša in je zato njena upornost veliko večja, o čemer pa bomo še spregovorili v nadaljevanju. BIPOLARNI MOTOR IMA VEČJI NAVOR Navor koračnega motorja je premo sorazmeren z gostoto magnetnega pretoka v statorski tuljavi. Povečamo ga lahko z večanjem števila ovojev ali s povečevanjem toka skozi navitje. Naravna meja, kjer povečevanje toka ne zadostuje več, je magnetno zasičenje jedra, čeprav to pri delovanju motorja ni ključnega pomena. Mnogo nevarnejši je dvig temperature motorja zaradi izgub v navitjih. Tukaj se pokaže prednost bipolarnega motorja, ki ima v primerjavi z unipolarnim le polovico njegove upornosti, ker je lahko presek žice dvakrat večji. Tok skozi navitja lahko zato povečamo za faktor in s tem dosežemo sorazmerno večji navor. Pri njihovi mejni vrednosti izgubne moči ima zato bipolarni motor okoli 40% večji navor kot unipolarni zgrajen na isti osnovi. Slika 4.3: Navor koračnega motorja [11] - 19 -
Vrsta bipolarnega koračnega motorja in njegove karakteristike so prikazane v tabeli 4.1. Tabela 4.1: Lastnosti koračnega motorja [14] Serijska številka Vrsta motorja 23HS30-2804S Bipolarni koračni motor Korak 1.8 Navor Tok Upornost Napetost Teža 1.9 Nm 2.8 A 1.13 ohms 3.2 V 1.1 kg Koračni motor je na stroj nameščen skupaj z nosilcem, kot to prikazuje slika 4.4. Slika 4.4: Koračni motor nameščen na nosilec [14] - 20 -
5. ANALIZA IN IZBIRA KRMILNIKA MOTORJEV Za obravnavano aplikacijo je bilo potrebno uporabiti tri osni krmilnik. Tri osni krmilnik TB6560 ima dobro funkcionalnost glede na izbor in želje, ki ga zahteva CNC rezkalni stroj. Ima možnost nastavljanja koraka motorja in priključitev končnih stikal. Povezava z osebnim računalnikom se izvaja preko LPT-konektorja, katera je v današnjem času zastarela, kajti novejši krmilniki ponujajo povezavo preko USB-konektorja. Zgradba krmilnika je prikazana na sliki 5.1. Slika 5.1: Krmilnik [14] - 21 -
Tabela 5.1: Zgradba krmilnika [14] Zaporedna št. Pomen 1 Rele 2 Delovni tok (možnost nastavljanja) 3 Štirje izhodi za končna stikala in tipko za izklop v sili (skupni minus) 4 PC LPT port 5 12 V regulator napetosti 6 5 V regulator napetosti 7 Vhodna napetost (možnost nastavljanja 12 V do 36 V DC) 8 Štiri pinski izhodi za koračni motor (x-os) 9 Štiri pinski izhodi za koračni motor (y-os) 10 Štiri pinski izhodi za koračni motor (z-os) 11 Delovne diode (tri osi) - 22 -
5.1 Delovanje in zgradba Integrirano vezje TB6560 se sproži s pomočjo PWM regulatorja. S pomočjo H-mostiča spreminjamo smer in tok skozi navitja. Signali skozi vrata in seštevalnik potujejo tako, da so nekatere dvosmerne povezave zasedene. Na razpolago je tudi pet vhodov za uporabo končnih stikal in tipko za izklop v sili. Krmilnik komunicira s PC-jem preko LPT-porta. Lastnosti krmilne kartice so prikazana v tabeli 5.2. Tabela 5.2: Delovanje in zgradba krmilnika [14] Vhodna napetost Izhodni tok Priklop motorjev Dimenzije 12 do 30 V DC 0.5 A do 3 A 2 ali 4 žice, 4,6 ali 8 žic 180 x 140 x 40 mm Za doseganje signalov moramo nastaviti DIP stikala, na prilagojeni krmilni enoti. V tabeli 5.3 so opisane različne kombinacije nastavitev. Tabela 5.3: Nastavitev DIP stikala v krmilni enoti [14] Tokovne 1 2 PŠM-pulzno 3 4 Nastavitev 5 6 nastavitve širinski modulator mikrokoraka 100% ON ON HITRO ON ON 1 ON ON 75% ON OFF 25% ON OFF 1/2 ON OFF 50% OFF ON 50% OFF ON 1/8 OFF ON 25% OFF OFF POČASI OFF OFF 1/16 OFF OFF - 23 -
5.2 Načrt vezave elektronike Krmilnik z osebnim računalnikom komunicira preko LPT-konektorja. Vhodna izmenična napetost napajalnika znaša 230 V, ta pa jo spremeni v 24 V enosmerne napetosti. Vezava krmilja je prikazana na sliki 5.2. Slika 5.2: Vezava elektronike [14] Načrt vezave elektro omare je prikazan v prilogi 1. - 24 -
6. KRMILNIK CNC Krmilnik izbiramo na osnovi želene funkcionalnosti, ki jo stroj opravlja. Krmilje vsebuje več funkcij: tehnološke funkcije, kot so vrtanje, rezanje, varjenje in graviranje, so namenjene stroju, pomožne funkcije so namenjene nadzoru delovanja stroja, varnosti opreme in ljudi. Krmilniki so opremljeni z operacijskim panelom, ki je priključen na programabilni logični krmilnik (Programmable Logic Controller - PLC), ki izvaja algoritme vodenja stroja. Slika 6.1: Krmilnik CNC [5] 6.1 Zgradba programskega paketa Krmilnik TB6560 podpira programsko orodje Mach3 in EMC2. Programsko orodje Mach3 ima možnost nastavitve vhodov in izhodov za motorje, končna stikala, tipke v sili, začetno pozicija in nastavitev hitrost vreten. Programsko orodje Mach3 je prikazano na sliki 6.2. - 25 -
Slika 6.2: Prikaz programskega okolja Mach3 [14] - 26 -
6.2 Način krmiljenja Obdelovalne CNC stoje krmilimo na različne načine: krmiljenje od točke do točke Od začetne točke A se lahko gibljemo po poljubni poti do končne točke B. Med premikanjem orodje ne obdeluje. Takšna vrsta tipa krmiljenja se uporablja za vrtanje. Slika 6.3: Krmiljenje od točke do točke Krmiljenje po ravnih linijah Med gibanjem od začetne do končne točke orodje obdeluje material. Pomikanje orodja je zapisano v programu in se giblje v zaporedju točk. Slika 6.4: Krmiljenje po ravnih linijah - 27 -
Izboljšano krmiljenje po ravnih linijah: Razlika od krmiljenja po ravnih linijah je v tem, da lahko pod poljubnim kotom izvedemo gibanje orodja. Slika 6.5: Izboljšano krmiljenje po ravnih linijah Krmiljenje po poljubni poti Ta vrsta krmiljenja predstavlja gibanje orodja po dveh ali treh oseh po poljubni poti. S tovrstnim krmiljenjem lahko obdelujemo različne oblike. Slika 6.6: Krmiljenje po poljubni poti [6] - 28 -
6.3 Kreiranje programa SolidWorks 3D CAD paket se uporablja v procesnih razvojih in projektiranju izdelkov, konstrukcij, orodja in tehnologije. Iz 3D modela izdelka lahko hitro pridemo, do enostavnih delavniških in montažnih risb. SolidWorks lahko uspešno uporabljamo za pripravo tehniških specifikacij, kot navodila za namestitev, vzdrževanje in uporabo izdelka. Najprej si je potrebno v SolidWorks-u izrisali model in ga spremeniti v DXF format, ki je kompatibilen z uporabljenim krmilnikom in njegovim programskim okoljem LazyCAM. Slika 6.7: Kreiranje modela 1 [14] Slika 6.8: Kreiranje modela 2 [14] - 29 -
Izrisani model v SolidWorks-u shranimo v DXF format in ga kasneje uporabimo v drugem programskem okolju. LazyCAM prikaže narisani model in označi pot rezkarja. G-koda (geometrijsko programiranje) je programski jezik, ki se uporablja za numerično krmiljenje strojev. Nekaj ukazov in kod je prikazanih na tabelah 6.1 in 6.2. Tabela 6.1: Ukazi programskega jezika [14] UKAZI PROGRAMSKEGA JEZIKA G N F S T ukaz geometrije številu vrstic v programskem okolju hitrost pomikanja osi hitrost vretena rezkarja Določitev orodja M Različni ukazi stroju Tabela 6.2: Kode programskega jezika [14] KODA POMEN KODA POMEN G0 Hitrost premika M0 Ustavitev programa G1 Linearna interpolacija M1 Ustavitev podprograma G2 Krožna interpolacija (v smeri ure) M3 Zagon vretena v smeri ure G4 Krožna interpolacija (v nasprotni M4 Zagon vretena v nasprotni smeri smeri ure) ure G36 Prični program M5 Ustavitev vretena G37 Končaj program M7 Vklop mazanja G70 Nastavitev milimetrov M30 Zaključi program in vrnitev v izhodiščno točko - 30 -
7. OD NAČRTOVANJA DO KONČNEGA IZDELKA Programsko okolje SolidWorks ponuja risanje 3D modelov. Želimo narisati črko C, to storimo tako, da v programskem okolju odpremo nov projekt. Ko smo to storili, izberemo načrtovanje 3D modela. Odpre se nam okolje kjer lahko rišemo ravne črte, krivuje, krožnice in črke. Slika 7.1: Orodna vrstica programskega okolja SolidWorks [14] Slika 7.2: Narisana črka C [14] - 31 -
Potrebno je pretvoriti narisano črko v DXF format. DXF (Data exchange File) je standarden format (razvit v firmi Autodesk) za vektorski prenos 3D slik med različnimi programskimi paketi. Sestavljen je iz različnih sekcij, ki definirajo podatke o modelu. Za primer zapisa vrtenine zadostuje enostaven popis entitet, ki jih predstavlajo posamezne črte definirane med dvema točkama v prostoru. Postopek pretvorbe narisane črke v DXF je prikazan na sliki 7.3. Slika 7.3: Postopek pretvorbe [14] V orodni vrstici pritisnemo File in nato ikono Save As. Odpre se nam novo okno v katerem moramo pod vrsto datoteke označiti Dxf(*.dxf). V programskem okolju SolidWorks se nam odpre okno v katerem z zeleno kljukico potrdimo izbrano datoteko. Na namizju se nam pojavi ikona Črka C, katero bomo v naslednjih korakih uporabili za pretvorbo v G-kodo. - 32 -
LazyCam je programsko okolje, kjer iz narisanega modela pretvorimo Dxf format v G-kodo. Postopek pretvorbe je prikazan na sliki 7.4. Slika 7.4: Pretvorba iz Dxf v G-kodo [14] V programskem okolju izberemo polje File in označimo Open Vector file. Na namizju poiščemo shranjen Dxf format in izberemo. Odpre se nam okolje z črko C. Sledi korak, kjer moramo izbrati tipko Post Code in OK. Nato se nam na namizju pojavi dokument s končnico.tap. - 33 -
V programskem okolju Mach3 izberemo polje File in Load Code. Označimo dokument Črka C.tap in pojavijo se nam koordinate potovanja rezkarja. Programsko okolje Mach3 je prikazano na sliki 7.5. Slika 7.5: Programsko okolje Mach3 [14] - 34 -
Slika 7.6 prikazuje potek, nadzor in končni izdelek. Slika 7.6: Nadzor, rezkanje in končni izdelek [14] - 35 -
Slika 7.7: Celotna konstrukcija CNC stroja [14] - 36 -
Slika 7.8: Vezava elektro omare [14] - 37 -
8. SKLEP V diplomski nalogi sem si zadal nalogo, da sam izdelam namenski CNC rezkalni stroj. Z možnostjo odkrivanja samega sebe in svojih sposobnosti sem se lotil izdelave tega stroja, da bi služil kot pomoč očetu pri izdelavi diatoničnih harmonik. Stroj je večnamenski, zato bo njegov izkoristek maksimalen, stroški izdelave pa bodo v kratkem povrnjeni. Začetni postopki izdelave so bili premišljeno. V začetni fazi smo nabavili ves potreben material za izdelavo stroja, nato smo delo razdelili na dve fazi in sicer, pričeli smo z mehansko izdelavo, zaključevali pa z elektro-krmilno fazo. Nato smo izvedli kratek test, in sicer s pomočjo računalniških programov, s katerimi smo predvidevali, če zadeva deluje brezhibno in ali so potrebni še kakšni dodatki oz. spremembe. Za ta test smo uporabili programsko okolje Mach3. Dokončno izdelano in zvezano krmilno omaro smo priključili na vse pogonske elemente, nato smo še jo povezal z računalnikom. Glavne funkcije delovanja stroja smo preverili z računalniškim programom, in tako ugotovili, če so vsi elementi krmilja pravilno zvezani. - 38 -
9. SEZNAM LITERATURE [1] Osnove CNC tehnologije. Dostopno na: http://www2.sts.si/arhiv/cncpro/osnovecnc.htm [14.7.2015]. [2] Linearna tehnika. Dostopno na: http://tuli.si/si/prodajni-program/linearnatehnika/linearne-puse-okrogla-vodila/ [13.7.2015]. [3] Krogelne matice in navojna vretena. Dostopno na: https://www.hennlich.si/proizvodi/linearni-pomiki-in-rotacija-krogelne-matice-innavojna-vretena-28.html[14.7.2015]. [4] Trapezno vreteno-enostopenjsko. Dostopno na: http://www.idealvelenje.si/pdf,cdr/strojni_elementi/trap_vreteno.pdf [13.7.2015]. [5] Napredni mehatronski pristop k načrtovanju odprtega krmilja strojev. Dostopno na: http://www.ro.feri.unimb.si/~ales/mehatronsko_nacrtovanje_krmilja/mehatronsko_nacrtovanje_krmilja.htm [12.7.2015]. [6] Načini krmiljenja. Dostopno na: http://www2.sts.si/arhiv/cncpro/krmilj.htm [13.7.2015]. [7] Programiranje CNC strojev. Dostopno na: http://www.visjalesmb.org/download/programiranje_cnc_strojev.pdf [13.7.2015]. [8] Koračni motor krmilnik. Dostopno na: http://www.ebay.de/itm/new-3-axis-cnc-3-5a-router-tb6560-stepper-motor-driver-board-controller- /390632011696?pt=LH_DefaultDomain_77&hash=item5af37b77b0 [13.7.2015]. [9] Linearna tehnika. Dostopno na: http://en.mm-intercom.si/sr/ponudba/linearna-tehnika [31.7.2015]. [10] Linearna sistem. Dostopno na: http://www.minitec.si/linearna-tehnika.html [31.7.2015]. [11] Vreteno trapezno. Dostopno na: http://hypex.si/sl/index/product/id/9091 [31.7.2015]. [12] Krmiljenje koračnih motorjev v teoriji in praksi. Dostopno na: http://www2.arnes.si/~sspslavr/k_motor/k_motor.html [31.7.2015]. - 39 -
[13] CNC stroji. Dostopno na: http://www2.sts.si/arhiv/cncpro/cncstr.htm [7.8.2015]. [14] Lasten vir - 40 -
PRILOGE Priloga A: Vezava elektro omare - 41 -
- 42 -
- 43 -
- 44 -
- 45 -
Priloga B: TB6560 shema - 46 -
- 47 -
- 48 -
- 49 -
- 50 -