I

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Primož Lugarič

NAČRTOVANJE IN IZVEDBA TRIOSNEGA

REZKALNEGA STROJA CNC S KRMILNIKOM

TB6560 ZA KORAČNE MOTORJE

Diplomsko delo

Maribor, junij 2016

II

NAČRTOVANJE IN IZVEDBA TRIOSNEGA

REZKALNEGA STROJA CNC S KRMILNIKOM

TB6560 ZA KORAČNE MOTORJE Diplomsko delo

Študent: Primož Lugarič

Študijski program: Visokošolski strokovni

Elektrotehnika

Smer: Avtomatika in robotika

Mentor: izr. prof. dr. Aleš HACE, univ. dipl. inž. el.

Lektorica: Mateja Ban, prof. slo. in univ. dipl. liter. komparativistka

III

IV

NAČRTOVANJE IN IZVEDBA TRIOSNEGA

REZKALNEGA STROJA CNC S KRMILNIKOM

TB6560 ZA KORAČNE MOTORJE

Ključne besede: TB6560, načrtovanje CNC stroja, CNC stroj, koračni motorji, Mach3,

gradnja CNC stroja, programiranje CNC stroja, CAD, CAM, rezkalni stroj.

UDK: 681.616.86(043.2)

POVZETEK

Diplomsko delo opisuje postopek načrtovanja in gradnje CNC-rezkalnega stroja ter

pripadajoče periferije. Za krmilno elektroniko je bila izbrana kontrolna plošča TB6560, ki

omogoča priključitev in vodenje do treh koračnih motorjev.

Na začetku diplomske naloge je podan opis izdelave in uporabljene mehanike na stroju ter

začetna ideja stroja v 3D-oblikovnem programu 3ds Max. V jedru so opisane lastnosti

krmilne elektronike in njeno delovanje na podlagi meritev in preizkuševanja. Sledi

nastavljanje programske opreme Mach3 za pravilno delovanje krmilne elektronike in vse

potrebne nastavitve za prvi zagon. Diplomsko delo v zaključku prikazuje končni izdelek,

ki je oblikovan v 3ds Max in nato uvožen v CAD-program, s katerim se generira G-koda

za vodenje stroja.

V

DESIGNING AND BUILDING OF A 3-AXIS CNC

MILL WITH THE TB6560 STEPPER MOTOR

CONTROL BOARD

Key words: TB6560, designing of a CNC mill, CNC Mill, stepper motors, Mach3,

building of a CNC mill, programing a CNC mill, CAD, CAM, end milling.

UDK: 681.616.86(043.2)

ABSTRACT

The thesis describes the process of planning and building a CNC milling station. I

described the used peripherals and the way in which they are used. For the control board I

used the TB6560 control board which can control up to three stepper motors.

I began by describing the mechanical and 3D design of the mill using the 3ds Max CAD

software in which I designed the mill beforehand. I showed how the circuit board controls

the motors using my own measurements and experiments. In this part I also showed how

the board is connected to the Mach3 software and the required settings for the first trial run

of the mill.

I concluded this thesis with a finished product that I designed with Freemill and then

imported into a CAD program, that generates the required G-code for the mill.

VI

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

1.1 Namen naloge ............................................................................................................. 1

1.2 Opredelitev problemov ............................................................................................... 1

1.3 Cilj naloge .................................................................................................................. 2

2 PREGLED OPERACIJE REZKANJA ............................................................................. 3

2.1 Rezkanje ...................................................................................................................... 3

2.2 Tipi rezkarjev ............................................................................................................... 4

2.3 Metode rezkanja .......................................................................................................... 5

3 OSNOVE CNC-STROJEV ............................................................................................... 6

3.1 Opis CNC-obdelovalnih centrov ................................................................................. 7

3.2 Glavni principi CNC-obdelovalnih centrov ................................................................ 8

3.3 Preciznost v CNC-obdelovanju ................................................................................. 11

3.4 Načini gibanja ............................................................................................................ 12

3.5 Struktura in ukazi G-kode.......................................................................................... 14

4 NAČRTOVANJE ............................................................................................................ 15

4.1 Dimenzije in oblika stroja......................................................................................... 15

4.2 Prenos vrtilnega momenta ........................................................................................ 17

4.3 Dimenzioniranje pogonov ......................................................................................... 18

5 KRMILNIK TB6560 ZA KORAČNE MOTORJE ......................................................... 25

5.1 Krmiljenje koračnih motorjev ................................................................................... 28

5.2 Krmiljenje vretena ..................................................................................................... 30

5.3 Senzorji ...................................................................................................................... 32

6 PROGRAMSKI PAKET MACH3 ZA CNC-KRMILJE ................................................ 33

6.1 Definiranje delovne površine..................................................................................... 33

6.2 Definiranje končnih stikal ........................................................................................ 34

6.3 Nastavitev in umerjanje motorjev.............................................................................. 36

6.4 Povezava vretena ...................................................................................................... 38

7 RAČUNALNIŠKO PODPRTO MODELIRANJE (CAM) .............................................. 41

7.1 Izbira ustreznega CAM-programa ............................................................................. 41

7.1.2 Freemill .............................................................................................................. 41

7.1.3 PyCAM ............................................................................................................... 42

7.2 Generiranje orodnih poti ........................................................................................... 42

VII

7.3 Prvi zagon in preverjanje točnosti ............................................................................. 45

8 SKLEP .............................................................................................................................. 49

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ................................................................................ 51

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Primer protismernega (levo) in istosmernega (desno) rezkanja. ........................... 3

Slika 2.2: Primeri operacij rezkanja ...................................................................................... 4

Slika 2.3: Nekaj tipov rezkarjev za stransko obdelovanje [10] ............................................. 4

Slika 2.4: Plana metoda [9].................................................................................................... 5

Slika 2.5: Stranska in utorna metoda ( je količina odvzema) [9] ...................................... 5

Slika 3.1: Industrijska računalniška mreža ............................................................................ 6

Slika 3.2: Splošna krmilna shema [11]. ................................................................................. 7

Slika 3.3: Informacijski tok pri CNC-krmilju [13]. ............................................................... 7

Slika 3.4: Pot orodja med dvema luknjama v Point-to-Point sistemu [13] ........................... 9

Slika 3.5: a) Neprekinjena pot obdelovanja b) Pogrešek pri pozicioniranju zaradi

hitrostnega pogreška [13] .............................................................................................. 9

Slika 3.6: Odprtozančni sistem ............................................................................................ 10

Slika 3.7: Zaprtozančni sistem ............................................................................................ 10

Slika 3.8: Optični encoder a) Naprava, b) Serija oddanih pulzov [13] ............................... 11

Slika 3.9: a) Majhna natančnost, majhna ponovljivost b) Majhna natančnost, velika

ponovljivost c) Velika natančnost, velika ponovljivost [13] ....................................... 11

Slika 3.10: Gibanje od točke do točke [13] ......................................................................... 12

Slika 3.11: Gibanje po ravni liniji [13] ................................................................................ 12

Slika 3.12: Izboljšano linearno gibanje [13] ........................................................................ 13

Slika 3.13: Gibanje po konturi [13] ..................................................................................... 13

Slika 4.1: Dimenzije stroja v [cm] ....................................................................................... 15

Slika 4.2: Postavitev osi ...................................................................................................... 16

Slika 4.3: Predvideno delavno območje v [mm] ................................................................. 16

Slika 4.4: Kuglasti ležaji v vijačni osi. ................................................................................ 17

Slika 4.5: Zračna reža med zobniki ..................................................................................... 17

Slika 4.6: Vozički, ki se pomikajo po vodilih [7] ................................................................ 18

Slika 4.7: Trapezni profil pomika ........................................................................................ 19

Slika 4.8: Izvožena dokumentacija za določanje pogonov .................................................. 24

Slika 5.1: Krmilno vezje TB6560 ........................................................................................ 25

Slika 5.2. Blokovna shema TB6560-integriranega vezja .................................................... 26

Slika 5.3: Sistemska shema ................................................................................................. 28

Slika 5.4: Shema koračnega motorja [8] ............................................................................. 28

Slika 5.5: Sekvenca pulzov za dvofazno vodenje motorja .................................................. 29

Slika 5.6: Posneta sekvenca »step« pulzov iz elektronike................................................... 29

Slika 5.7: Shema vezave releja [4] ...................................................................................... 30

Slika 5.8: Povezava za vklop/izklop vretena. ...................................................................... 30

IX

Slika 5.9: PWM-krmiljenje motorja .................................................................................... 31

Slika 5.10: Napajanje in ročno krmiljenje vretena .............................................................. 31

Slika 5.11: Povezava senzorjev za ničelno točko in omejitve. ............................................ 32

Slika 6.1: Pulzi za krmiljenje hitrosti koračnih motorjev .................................................... 33

Slika 6.2: Nastavitev delovne površine, hitrosti pozicioniranja in smeri umerjanja ........... 34

Slika 6.3: Okno za definiranje stikal in drugih vhodov/izhodov. ........................................ 35

Slika 6.4: Prikaz indikacijskih lučk v diagnostičnem oknu. ................................................ 35

Slika 6.5: Nastavitev pinov za motorje. ............................................................................... 36

Slika 6.6: Ročna nastavitev motorjev. ................................................................................. 37

Slika 6.7: Avtomatska kalibracija motorjev. ....................................................................... 37

Slika 6.8: Povezava vretena ................................................................................................. 38

Slika 6.9: Okno za nastavitev PWM-pulza za določanje hitrosti vretena. .......................... 39

Slika 6.10: Okno za določitev pina za PWM....................................................................... 40

Slika 6.11: Umerjanje vrtljajev s PWM-pulzom. ................................................................ 40

Slika 7.1: Razlika med 2.5D in 3D. ..................................................................................... 41

Slika 7.2: Program iz 2D-slike naredi 3D-profil. ................................................................ 42

Slika 7.3: Uvoz 3D-modela v CAM-program. .................................................................... 42

Slika 7.4: Generiranje orodnih poti in izbira orodja. ........................................................... 43

Slika 7.5: Generirane orodne poti. ....................................................................................... 43

Slika 7.6: Vizualizacija orodnih poti. .................................................................................. 44

Slika 7.7: Vrezni vzorec. ..................................................................................................... 44

Slika 7.8: Prikaz koordinat, pomerjanje v ničelno točko in tipka »Reset«. ......................... 45

Slika 7.9: Merjenje odmika dvižne osi (os Z). .................................................................... 45

Slika 7.10: Okno LazyCAM z besedilom. ........................................................................... 46

Slika 7.11: Nastavitev raznih višinskih parametrov. ........................................................... 46

Slika 7.12: Besedilo v delovnem območju stroja (table)..................................................... 47

Slika 7.13: Prva risba po zagonu stroja. .............................................................................. 47

Slika 7.14: Druga risba po zagonu. ..................................................................................... 48

Slika 8.1: Napaka po hitrem pomiku. .................................................................................. 49

Slika 8.2: Izdelava končnega izdelka .................................................................................. 50

X

KAZALO TABEL

Tabela 5.1: Možne nastavitve z DIP-stikali [4]....................................................................26

Tabela 5.2: Pomeni pinov.....................................................................................................27

XI

UPORABLJENE KRATICE

CNC (Computer Numeric Control) - Računalniško numerična kontrola

NC (Numeric Control) - Numerična kontrola

CAD (Computer Aided Design) - Računalniško podprto oblikovanje

CAM (Computer Aided Manufacturing) - Računalniško podprto izdelovanje

MDF (Medium Density Fiber Board) - Stisnjena plošča

DIP (Dual In-line Package) - Dipolno stikalo

PWM (Pulse Width Modulation) - Pulzno-širisnki modulator

SPI (Steps per Inch) - Korakov na inč

SPU (Steps per Unit) - Korakov na enoto

GND (Ground) - Ozemljenje

LPT (Line Print Terminal) - Paralelni terminal

DC (Direct Current) - Enosmerni tok

CH1 (Channel 1) - Kanal 1

RMS (Root Mean Square) - Povprečni kvadratni koren

BLU (Basic Length Unit) - Osnovna dolžinska enota

1

1 UVOD

1.1 Namen naloge

CNC-stroji so postali nepogrešljivo orodje v vsaki bolje založeni delavnici, saj je z

vpeljavo programske opreme postala njihova uporaba lažja, cenejša in natančnejša. Vsak

lahko sedaj na spletu kupi t. i. kit komplet, s katerim si naredi doma svoj 3D-rezkar ali 3D-

tiskalnik.

Namen diplomske naloge je prikazati postopek načrtovanja in izdelave CNC-stroja ter ga

nato povezati s programskim paketom Mach3. V diplomskem delu sem se poglobil v vsa

tri področja in prikazal, kako sem se lotil realizacije CNC-stroja. Najprej sem prikazal 3D-

model, s katerim sem si na grobo zamislil dimenzije konstrukcije, nato 2D-risbe, s katerimi

sem natančno določil ostale pozicije elementov. Jedro diplomskega dela zajema

vzpostavljanje komunikacije in umerjanje stroja s programom Mach3.

1.2 Opredelitev problemov

Pojem CNC-stroj zavzema velik spekter strojev, ki ga opredelimo s tem, kakšne operacije

so zmožni izvajati. Ti stroji so specifično grajeni za izvajanje teh operacij (npr. struženje,

rezkanje). Stroj, ki je namenjen rezanju tkanin po dolgi dolžini, ne potrebuje veliko navora,

vendar potrebuje hitrost in veliko delovno površino. Dimenzioniranje strojev glede na

točno določeno operacijo omogoči stroje, ki so izjemno hitri in učinkoviti za izvajanje

različnih nalog.

Stroj, ki bo grajen v okviru te naloge, bo namenjen večjemu spektru operacij, npr.

rezkanje, graviranje. Prav zaradi tega ne morem pričakovati, da bo zelo učinkovit pri vseh.

Pri rezkanju npr. lesa je pomembna konstrukcija stroja, ki mora biti toga, da ne prihaja do

deformacij. Trenje, ki ga ustvarja operacija rezkanja, povzoči silo v smeri rezkanja, kar

lahko povzroči dodatno deformacijo vrezne glave. Tudi če je ta vpliv minimalen, je lahko

opazen pri graviranju tiskanin, kjer so tolerance zelo majhne.

Poleg toge konstrukcije morajo biti pogoni osi zadostni, da zagotovijo navor za izvedbo že

prej navedenih operacij. Pomembno je, da je breme povezano na motor v obliki trenja in

ne vztrajnosti, ker tako preprečimo kakšne nezaželene oscilacije. Zaradi velike

konstrukcije stroja, ki bo izdelan v okviru te naloge, predvidevam, da bo togost

konstrukcije problematična in da bo prišlo do deformacij pri obdelavi trših materialov.

2

1.3 Cilj naloge

Cilj dela je prikazati postopek načrtovanja in izvedbe CNC-stroja za namen rezkanja ali

graviranja. Stroj je nato potrebno povezati z glavnim vezjem in nato vzpostaviti

komunikacijo s programom Mach3 preko LPT-porta. V Mach3 je nato potrebno definirati

delovno površino, senzorje, umeriti motorje in vreteno. V izbranem CAM-programu

(MeshCAM) bom nato naredil izdelek, za katerega se generirajo potrebne orodne poti. Te

poti se pretvorijo v G-kodo in naloži v Mach3. Stroj naj bi bil sposoben izvesti naloženo

G-kodo z razumno natančnostjo in hitrostjo.

3

2 PREGLED OPERACIJE REZKANJA

2.1 Rezkanje

Pred načrtovanjem se je dobro seznaniti z nekaterimi operacijami, ki jih bo stroj izvajal.

Stroj se prične načrtovati glede na potrebe za izvajanje teh operacij. V tem delu je stroj

grajen primarno za rezkanje.

Rezkanje je način obdelave, kjer z rotacijskim orodjem (rezkarjem) odstranjujemo manjše

količine materiala od površine obdelovanca. Ko rezkar stopi v kontakt z obdelovalcem,

pričnejo zobje (flutes) odvzemati majhne delce z vsakim obhodom. Za razliko od vrtanja,

kjer sveder lahko potuje samo po svoji rotacijski osi, lahko rezkar odstranjuje material po

vseh oseh in je ponavadi orientiran pravokotno glede na os gibanja, zaradi česar se

odvzemanje dogaja na premeru orodja. Pri rezklanju je dobro poznati razliko med

istosmernem in protismernem načinu rezkanja (slika 2.1).

Slika 2.1: Primer protismernega (levo) in istosmernega (desno) rezkanja.

Istosmerno rezkanje je bistveno ugodnejše s stališča življenjske dobe orodij kot tudi same

kvalitete obdelane površine. Razlog je v tvorbi odrezkov in silah, ki delujejo na samo

rezilno orodje. Frezalo pri tem načinu vrezuje na polno, odrezek pa se proti koncu reza

zmanjšuje. Istosmernega načina rezkanja se v večini primerov poslužujejo tudi pri

visokohitrostnem rezkanju [1].

Hitrost obdelovanja (Feed, Feed Rate) je odvisna od izbranega orodja in materiala,

geometrijskih parametrov obdelovalnih elementov in drugih komponent, načina rezkanja,

4

stanja površine obdelovanca itd., poda pa se v [

]. Približne hitrosti lahko poiščemo tudi

v tehniških priročnikih, kjer so navedene hitrosti za specifične materiale.

2.2 Tipi rezkarjev

Odvisno od zahtevnosti naloge se uporabljajo različni tipi rezkarjev. Stroj je lahko grajen

tudi tako, da orodje menjava sam in tako pospeši obdelavo, s čimer se izognemo ročni

menjavi. Rezkanje bi lahko razdelili na stransko, utorno, plano in kopirno rezkanje (slika

3.2).

Slika 2.2: Primeri operacij rezkanja (T-utorno, plano, izvrtavanje, potopno in kopirno) [9].

Za grobo obdelavo uporabimo rezkarje z velikim premerom, da odvzamemo čim več

materiala v čim krajšem času. Za takšne operacije se večinoma uporabljajo utorni ali

stranski rezkarji (slika 2.3).

Slika 2.3: Nekaj tipov rezkarjev za stransko obdelovanje [10].

Pri fini obdelavi uporabljajo rezkarje manjših premerov z zaobljenim obdelovalnim robom.

Uporabljajo tudi drugačne tehnike rezkanja, odvisno od tega, kakšno končno obdelavo si

želimo in koliko časa imamo na voljo, da se operacija zaključi. Nekatere tehnike lahko tudi

podvojijo čas izvajanja.

5

2.3 Metode rezkanja

Kot je že bilo omenjeno, obstaja več metod za opravljanje operacije rezkanja. Izbira je

odvisna od dimenzije obdelovanca, naloge, časa obdelave itd.

Pri plani metodi se operacija odvzemanja materiala opravlja primarno po robovih na glavi

rezkarja (slika 2.4). Ta metoda se uporablja za izravnavanje površine materiala ali podna

utora. Zobje na glavi rezkarja tako za sabo pustijo karakteristične krožne vzorce po

površini obdelovanca zaradi nepopolnega reza. Z dodatnim obhodom po površini z manjšo

hitrostjo so te lahko neopazne.

Slika 2.4: Plana metoda [9].

Pri stranski metodi se odvzemanje materiala opravlja na premeru rezkarja. Uporablja se

za rezanje globokih utorov, kjer večja površina rezkarja odstranjuje material (slika 2.5).

Tukaj bi lahko uvrstili tudi utorno metodo, kjer material odstranjuje večji del rezkarja. Ta

metoda za sabo pusti robove, ker rezkar periodično odvzema material. Višina in razdalja

med temi robovi sta odvisni od hitrosti podajanja.

Slika 2.5: Stranska in utorna metoda ( je količina odvzema) [9].

6

3 OSNOVE CNC-STROJEV

Zgodovina numerične kontrole (NC) se je začela z avtomatizacijo mehanskih orodij s prvo

inkorporacijo konceptov abstraktne programljive logike in se nadaljuje tudi danes z

evolucijo računalniške numeriške kontrole (CNC) tehnologije.

Leta 1952 je na MIT bil izdelan prvi numerično krmiljen obdelovalni stroj z imenom

Cincinnati Hydrotel z navpičnim vretenom. Krmilje so sestavljale elektronke, kar je

omogočalo premikanje po treh oseh hkrati. Krmilje je tako omogočalo 3D-linearno

interpolacijo, podatke pa je dobivalo preko dveh luknjatih trakov. S takim strojem je bilo

mogoče izdelati zelo zahtevne mehanske dele za potrebe v letalski industriji, ki jih je bilo

zelo težko narediti ročno [2].

Beseda NC tako izhaja iz ameriške terminologije in je okrajšava za »numerical control«.

Krmilje teh strojev deluje tako, da ukaze za avtomatsko delovanje stroja, ki jih dobi preko

ustreznih nosilcev informacij, dobi v obliki števil ali simbolov. Krmilnik te ukaze obdela,

oblikuje ustrezne krmilne signale in jih posreduje aktuatorju. Z uvedbo računalnika se je

lahko pospešila hitrost in olajšalo upravljanje stroja. Tako so se lahko izvajale zahtevnejše

operacije in implementacija teh strojev v industrijko-računalniške mreže (slika 3.1) [16].

Slika 3.1: Industrijska računalniška mreža.

7

Računalniško vodene obdelovalne stroje sestavljajo predvsem strojne in krmilne

komponente. Krmilne komponente so odgovorne za pravilno izvajanje funkcij, ki jih lahko

razdelimo na tehnološke funkcije, funkcije opravljanja in pomožne funkcije. Tehnološke so

tiste, ki so povezane z osnovno funkcijo stroja, kot je npr. vrtanje, rezkanje itd. Funkcije

opravljanja so namenjene operaterju. Te omogočijo komunikacijo človek-stroj z grafičnim

vmesnikom. Pomožne funkcije so predvsem namenjene varnosti, nadzoru delovanja stroja,

diagnostiki napak in odpravljanju motenj [11] (slika 3.2).

Slika 3.2: Splošna krmilna shema [11].

3.1 Opis CNC-obdelovalnih centrov

Z uvedno računalnika se je tako NC-krmilje spreminilo v CNC-krmilje. Informacijski tok

pri CNC-krmilju prikazuje Slika 3.3 [17].

Slika 3.3: Informacijski tok pri CNC-krmilju [13].

8

Obdelovalni center mora tako izpolnjevati naslednje pogoje:

zagotavljene morajo biti merska in oblikovna natančnost ter kvaliteta površin

obdalovanca v območju zahtevanih toleranc;

rezalna hitrost in učinek odrezovanja morata ustrezati stopnji razvitosti orodij in

materialov, da je zagotovljena velika storilnost; te karakteristike morajo biti

določene tako, da bodo ustrezale tudi v bližnji prihodnosti, da stroj prehitro ne

zastara;

glede na konkurenco, ki se pojavlja na tržišču, mora imeti obdelovalni stroj poleg

dobrega tehničnega tudi dober ekonomski izdelek.

Pomembne lastnosti stroja so:

Natančnost, ki je posledica medsebojnega položaja obdelovanca in orodja med obdelavo.

Storilnost, ki je predstavljena predvsem s hitrostjo obdelave in količino odrezkov v

časovni enoti.

Gospodarnost stroja, na katerega ima vpliv izkoristek ƞ.

Togost, kjer gre za razmerje med obremenitvijo (sila, moment), ki povzroča deformacijo,

in deformacijo v smeri obremenitve.

3.2 Glavni principi CNC-obdelovalnih centrov

Osnovna dolžinska enota (BLU) ponazarja pozicijsko resolucijo osi v gibanju. Npr.

1 BLU = 0.0001 [mm] pomeni, da se bo za vsak električni pulz, ki ga prejme motor, os

premaknila za 0.0001 [mm].

Pulz = BLU = Bit

Sistemi Point-to-Point

Sistemi Point-to-Point so tisti, ki premikajo orodje ali obdelovanca iz ene točke v drugo.

Ob zaključku pomika se požene orodje, ki opravi zahtevano operacijo. Ta se nato pomakne

v naslednjo pozicijo in cikel se ponovi. Najenostavnejši primer za takšen tip sistema je

vrtalni stroj, kjer se premika obdelovanec.

V takšnem sistemu hitrost obdelovanja in rezilno orodje nimata velikega vpliva na

obdelovalni proces. Natančnost pozicioniranja je predvsem odvisna od BLU-sistema, ki je

ponavadi med 0.001 in 0.0001 [mm] (slika 3.4).

9

Slika 3.4: Pot orodja med dvema luknjama v sistemu Point-to-Point [13].

Konturni sistemi

Ti sistemi nudijo neprekinjeno pot tako, da lahko orodje deluje kljub premikanju osi, kar

omogoča sistemu, da generira kotne površine in dvodimenzionalne krivulje ali

tridimenzionalne konture. Vsaka os se lahko pomika neprekinjeno in z različno hitrostjo.

Hitrostni pogrešek je velik faktor pri določanju pozicije orodja in se še bolj poudari pri

krožnem obdelovanju, kjer ena os sledi sinusni funkciji, druga pa cosinusni (slika 3.5).

a) b)

Slika 3.5: a) Neprekinjena pot obdelovanja b) Pogrešek pri pozicioniranju zaradi

hitrostnega pogreška [13].

Interpolator

Funkcija interpolatorja je, da poda hitrostne signale osema X in Y. Pri sistemih Point-to-

Point to imenujemo linearni interpolator. Poznamo pa tudi krožne in parabolične

interpolatorje.

10

Odprtozančni sistemi

Odprtozančno krmiljenje pomeni, da ni povratne vezave ter da so za pogon najverjetneje

uporabljeni koračni motorji. Koračni motor obratuje tako, da se njegova os zavrti za točno

določen kot za vsak prejeti pulz na vhodu (slika 3.6). Natančnost sistema je odvisna od

sposobnosti motorja, da sledi vhodnemu pulzu. Frekvenca koračnega motorja je odvisna od

bremenskega navora na njegovi osi. Višji kot je, manjša je frekvenca. Preveliki bremenski

navori lahko povzročijo (zaradi sil mehanskega obdelovanja) napako pri pozicioniranju,

zato se takšni sistemi uporabljajo predvsem pri brezkontaknem obdelovanju (npr. lasersko

rezanje).

Slika 3.6: Odprtozančni sistem.

Zaprtozančni sistemi

Zaprtozančni sistemi so ustrezni v primerih, pri katerih obstaja sila, ki nasprotuje gibanju

orodja/obdelovanca. Rezkanje je tipični primer. V takšnih sistemih imamo DC-

servomotorje in povratno vezavo (feedback), ki poskrbijo, da je dosežena določena

pozicija. Za povratno informacijo se ponavadi uporabi enkoder (slika 3.7). Ta vsebuje

svetlobni senzor, vir svetlobe in disk, v katerem so narejene serije rež (slika 3.8). Enkoder

je povezan s polžastim vodilom. S tem ko se to vodilo vrti, se vrtijo reže, ki prekinjajo vir

svetlobe. Svetlobni senzor zazna te prekinitve in jih pretvori v ekvivalentne električne

pulze, s katerimi se določita pozicija in hitrost osi.

Slika 3.7: Zaprtozančni sistem.

11

Slika 3.8: Optični enkoder: a) Naprava b) Serija oddanih pulzov [13].

3.3 Preciznost v CNC-obdelovanju

Preciznost določijo predvsem kombinacija treh karakteristik: resolucija, natančnost in

ponavljivost.

Kontrolna resolucija je najkrajša razdalja, ki ločuje dve točki. Elektromehanske

komponente, ki vplivajo na resolucijo, so polžasto vodilo, prestavno razmerje in koračni

kot (v primeru koračnega motorja) ali kota med režami (v primeru enkoderja). Programska

resolucija ne mora biti večja od kontrolne resolucije.

Natančnost CNC-sistema je odvisna od resolucije, računalniških algoritmov in strojne

nenatančnosti. Nenatančnost glede na resolucijo je povprečno

BLU. Napaka zaradi

algoritmov je prisotna zaradi zaokroževanja števil znotraj programa in je zanemarljiva.

Ponovljivost je statistični pojem in je povezan z natančnostjo. Ta se nanaša na sposobnost

pozicijskega sistema, da se ponovno vrne v sprogramirano točko. Večje kot je odstopanje

od želene točke, manjša je točnost sistema. Natančnost je tako stopnja ponovljivosti, kjer

se pojavi raztros vrednosti količin (slika 3.9).

Slika 3.9: a) Majhna natančnost, majhna ponovljivost b) Majhna natančnost, velika

ponovljivost c) Velika natančnost, velika ponovljivost [13].

12

3.4 Načini gibanja

Za programiranje NC-strojev se je okoli leta 1950 razvil programski jezik imenovan G-

code ali RS-274. G-code je programski jezik, ki pove stroju, kako naj pomika svoje orodje

po 3D-prostoru. Orodje v 3D-prostoru odvzema material obdelovanca, s čimer dobimo

končni izdelek. Tem potem pravimo tudi orodne poti (ang. toolpaths). Enak koncept velja

tudi za stroje, ki materiala ne odstranjujejo, ampak ga npr. dodajajo (3D-printerji) ali pa so

namenjeni opravljanju meritev.

Stroj ima tako na voljo več načinov gibanja, ki jih programiramo v G-kodi. Najpogosteje je

to gibanje od točke do točke, gibanje po ravni liniji, izboljšano gibanje po ravni liniji in

gibanje po konturi.

Gibanje od točke do točke je v G-kodi predstavljeno kot G0 ukaz, za katerim napišemo

koordinate, v katere želimo, da se stroj pomakne, npr. G0 X10Y20. To predstavlja gibanje

orodja po poljubni poti od točke A v točko B, kjer stroj ne obdeluje. To so hitra gibanja

nad obdelovalno površino (ang. Rapid movement) (slika 3.10). Interpolacija je izključena.

Slika 3.10: Gibanje od točke do točke [13].

Gibanje po ravnih linijah je gibanje vzporedno s koordinatno osjo ali pod kotom 45°

(slika 3.11). Interpolacije je izključena [13].

Slika 3.11: Gibanje po ravni liniji [13].

13

Izboljšano linearno gibanje omogoča pomik iz točke A v točko B v ravni liniji in ta je

lahko pod poljubnim kotom (slika 3.12). Vključena je linearna interpolacija [13].

Slika 3.12: Izboljšano linearno gibanje [13].

Gibanje po konturi omogoča poljubno gibanje. Tukaj orodje sledi konturam v 3D-

prostoru. Interpolacija je opravljena po enačbi 2. reda in lahko realiziramo poljubne 3D-

modele (slika 3.13) [13].

Slika 3.13: Gibanje po konturi [13].

14

3.5 Struktura in ukazi G-kode

Vsaka črka v G-kodi ponazarja besedo (word). Z vsako besedo je asociiran naslov

(address), ki je številka, ki pripada temu naslovu. Primer bi bil navajanje koordinat, kjer je

os beseda in njena vrednost številka, npr. v X0 je »X« beseda z »0« naslovom. Vsaki

vrstici kode pravimo tudi blok (block). Blok lahko vsebuje več operativnih delov, vendar

imajo nekateri prednost pri pisanju in izvajanju (ni nujno, da vedno z leve proti desni).

Struktura je predvsem razdeljena na dva dela, in sicer na glavo (header) in jedro (core). V

glavo se vpišejo podatki, ki na kratko opišejo program, npr. avtor, enote (inči ali mm),

izbrano orodje, verzija, zgodovina sprememb, delavne koordinate, ničelna točka

obdelovanca, opombe. Jedro sestavljajo predvsem vsi ukazi, ki jih stroj izvaja [6].

Primer enostavnega programa:

%

(-----------------------------------------------------------------------)

(Enostaven program, ki ne naredi nič --------------------)

(Primož Lugarič, junij 2016, Maribor ---------------------)

(-----------------------------------------------------------------------)

F600

G00 X0 Y0 Z0 (Hitri gib do ničelne točke obdelovanca)

G01 X10 Y10 Z0 (Izboljšano linearno gibanje v XYZ koordinate)

%

Začetek in konec programa se lahko označi z »%« znakom, vendar ni povsod potrebno.

Komentarji so napisani v oklepajih ali pa med »%« znakom, odvisno od programa. Spodaj

so navedeni tudi nekateri pomembnejši ukazi:

G00 Hitro pozicioniranje (Orodje potuje nad obdelovancem.).

G01 Izboljšana linearna interpolacija (Stroj obdeluje po ravni liniji od A do B.).

G01 F2000 Izvajanje linearne interpolacije s hitrostjo 2000

.

G02/G03 Podobno G01 gibu, samo da je želena oblika krog. Podanih je več tisoč

točk, ki tvorijo krog. Z R-naslovom lahko določimo radij kroga ali IJK-naslove za

komponentne vektorje. G02 nam da krožno interpolacijo v smeri urinega kazalca,

G03 pa obratno.

G04 Čakanje (dwell). Tipično v milisekundah. (G04 P1000 - čakanje 1 sekundo).

G05 Precizna kontura, ki omogoča boljše pospeševanje/zaviranje in s tem lepše

gibanje osi.

G10 Nastavitev izhodišča koordinatnega sistema.

G30 Vrnitev v začetno točko (home point).

15

4 NAČRTOVANJE

4.1 Dimenzije in oblika stroja

Stroj, ki bo grajen v sklopu te naloge, bo služil kot večnamensko orodje. Zaradi tega sem

se odločil za malo večje dimenzije (slika 4.1). Konstrukcija bo takšna, da bo delovna miza

stacionarna, okoli nje pa se bo pomikala armatura z rezalnim agregatom. Takšna oblika mi

ponuja večjo delovno površino in možnost obdelovanja po treh oseh.

Slika 4.1: Dimenzije stroja v [cm].

Osnovni okvir, na katerem je grajen celotni stroj, je iz aluminijastih profilov. Ti profili mi

omogočajo prilagajanje konstrukcije glede na želene dimenzije stroja, lahko montažo in

demontažo. Armatura je zgrajena okoli delovne plošče, da se lahko prosto pomika po vseh

oseh. Delovna plošča bo tako pokrila pogon za os X in ga zaščitila pred odrezki med

obdelovanjem. Ostale osi ne potrebujejo takšne zaščite, ker bodo nad obdelovancem.

16

Stroj bo imel na voljo tri osi, po katerih se bo pomikal (X, Y, Z), njihova postavitev pa bo

izgledala tako (slika 4.2). Ta se kasneje nastavi ali tudi spremeni v Mach3. Predvideno

delovno območje (slika 4.3) naj bi bilo 830x640x160 mm, ampak se bo natačneje določilo

ob namestitvi senzorjev in preverjanju pomikov pri prvem zagonu.

Slika 4.2: Postavitev osi.

Slika 4.3: Predvideno delovno območje v [mm].

Torej predvideni vzdolžni hod po osi X naj bi bil 830 [mm], prečni po osi Y 640 [mm] in

dvižni po Z 160 [mm].

17

4.2 Prenos vrtilnega momenta

Zaradi velikosti stroja je potrebno pazljivo izbrati metodo za prenos vrtilnega momenta.

Zobati jermen bi predstavljal problem, saj mora biti konstantno napet za natančno

pozicioniranje. Prav tako ne nudi velikega navora. Za prenos vrtilnega momenta je bila

zato izbrana metoda z vijačno osjo. Ta mi nudi več navora kot na primer izvedbe z zobatim

jermenom. Nudi tudi natančnost pozicioniranja zaradi visokokvalitetnih kroglastih ležajev,

ki se pomikajo po utorih vijačne osi (slika 4.4).

Slika 4.4: Kroglasti ležaji v vijačni osi.

Te osi so tudi t. i. »anti-backlash« sistemi. To je pojem, ki se v mehaniki uporablja za

izgubljeno gibanje med mehanskimi deli zaradi zračne reže med njimi. Primer bi bil zračna

reža med zobniki (slika 4.5). V sistemih, kjer se smer pomikanja spreminja, je ta pojav

neizogiben. Pri majhnih močeh se ta pojav izraža kot napaka v pozicioniranju, pri velikih

pa kot močan sunek, ki lahko poškoduje zobnike. Pojav se lahko kasneje tudi kompenzira v

programu Mach3 in je ponavadi podan v [µm].

Slika 4.5: Zračna reža med zobniki.

18

CNC-stroju moramo omogočiti, da se pri gibanju po vseh oseh pomika lahkotno in s čim

manj zatikanja. Za linearna vodila sem si izbral model SBR-L tipa SBR-16L podjetja

INTERCOM. Ta model sem izbral, ker je najmanjši, ki ga imajo, in nudi precizno in

lahkotno pomikanje po oseh.

Po vodilih se pomikajo vozički, ki vsebujejo kroglaste ležaje in objamejo vodilo (slika

4.6). Gibanje je tako nemoteno in tiho po celotni dolžini.

Slika 4.6: Vozički, ki se pomikajo po vodilih [7].

4.3 Dimenzioniranje pogonov

Pravilno dimenzioniranje pogonov ne bo le zagotovilo pravilnega delovanja sistema,

temveč tudi stroškovno učinkovitost. Da bi zagotovili najboljše delovanje za najnižjo ceno,

je potrebno najti najmanjši motor, ki bo zagotovil potrebe po momentu. Osnovna

predpostavka je, da majhen moment pomeni tudi manjše dimenzije, nižjo ceno in nižjo

porabo motorja. Postopek dimenzioniranja motorja temelji na izračunu momenta in

vztrajnostnega momenta mehanskega sistema ter hitrosti in pospeškov pri delovanju

sistema oziroma naprave. Izbran motor mora varno in zanesljivo premikati mehanske

komponente naprave, tako da zadošča zadosten moment in hitrost. Postopek

dimenzioniranja tako lahko razčlenimo na pet glavnih komponent:

določitev zahtev gibanja

izbira mehanskih komponent

določitev delovnega cikla obremenitve

izračun obremenitve

izbira motorja.

Ponavadi se ti pogoni predimenzionirajo, saj to ponuja določene prednosti, npr. mehanske

komponente so manj podvržene obrabi, omogoča nadgradnjo brez zamenjave motorja,

motor premosti nepričakovane večje obremenitve, lažje obratujejo v pogojih zmanjšane

napetosti. V splošnem je sprejemljivo, da so ti predimenzionirani za približno 20 %.

19

Pred začetkom izračuna je potrebno določiti, kakšen način gibanja bo motor izvajal. V tem

primeru bo trapezno (slika 4.7). To je gibanje, kjer pospešujemo do določene hitrosti,

držimo to hitrost določen čas in nato zaviramo do ustavitve. Takšen hitrostni profil je eden

najenostavnejših in zadostuje za izračun zahtevanih momentov za večino aplikacij.

Določen je z maksimalno hitrostjo, pospeškom, pojemkom, dolžino pomika in trajanjem.

Slika 4.7: Trapezni profil pomika.

IZRAČUN POGONA [14]:

Mehanski podatki vijačnega vretena:

Premer (R): 16 mm

Dolžina (L): 840 mm

Gostota navojev ( ) : 0.2

Učinkovitost (e): 90 %

Mehanski podatki:

Koeficient trenja ( ) : 0.05

Teža pomikanja ( )bremM : 30 kg

Smer pomikanja: horizontalna

Profil pomika:

Tip: trapezni

Dolžina (l): 10 mm

Čas pospeševanja, mirovanja, pojemanja (T): 0.1 s

20

1. Najprej izračunamo kot zasuka motorja θ (4.1), če je linearni pomik armature 10 mm.

2 2 10 0.2 12.45l P rad (4.1)

kjer so:

θ: kot zasuka motorja, če se ta pomakne za l

l: dolžina pomika

P: gostota navojev vijačne osi

.

Nato izračunamo najvišjo hitrost in pospešek, ki ju lahko pričakujemo, da jih bo motor

izvajal glede na izbrani profil. Z integriranjem najprej izračunamo pot (4.3) pod

grafom, nato izrazimo maksimalno hitrost (4.4).

max1

2 max

max3 max

3( ) 0

3

2( ) ( )

3 3

3 2( )

3

Tt t t

T

T Tt t t

Tt t t T

T

(4.2)

23 3

23 3

2

3 3

2

3 3

1 2 3

0 0

max maxmax max

0

maxmax

( ) ( ) ( ) ( )

3 3( ) ( ) ( )

2 12.45 1.5 1.5 1783

3 0.1 min

T T

T T

T T

T T

T T

T

t dt t dt t dt t dt

t dt dt t dtT T

T vrt

T

(4.3)

Z odvajanjem določimo maksimalen pospešek .

max1max 2 2 2

3 12.454.5 4.5 5602.5

0.1

d rad

dt T T s

(4.4)

kjer so:

ω: hitrost

: maksimalna hitrost

T: čas pomikanja

: maksimalen kotni pospešek

.

21

2. Izračun vztrajnostnega momenta vijačne osi. Uporabimo enačbo za izračun

vztrajnostnega momenta polnega cilindričnega telesa (4.6) po osi, ki leži vzdolž njegove

dolžine.

2V R L (4.5)

M V (4.6)

2 2 4

4 4 2

1 1 1

2 2 2

18050 0.016 0.84 6.96 10

2

vretJ M R V R R L

kg m

(4.7)

kjer so:

vretJ : vztrajnostni moment vretena

R: premer vijačne osi

L: dolžina vijačne osi

: gostota vijačne osi (železo)

M: masa polnega cilindra

V: volumen cilindra .

Preslikana masa bremena na motorsko stran se izraža z vztrajnostnim momentom:

2 2

5 20.0130 7.59 10

2 2brem brem

lJ M kg m

(4.8)

kjer so:

bremM : masa bremena

l : dolžina giba .

Vztrajnostni moment, ki se preslika na os motorja, je nato:

4 5 4 26.96 10 7.59 10 7.719 10 tot

brem vret bremJ J J kg m (4.9)

5 24.8 10 motJ kg m

kjer so:

tot

bremJ : skupni preslikan vztrajnostni moment bremena

motJ : vztrajnostni moment izbranega motorja .

22

3. Ko imamo izbrani motor, lahko izračunamo skupno vztrajnost sistema.

4 5 27.719 10 4.8 10 8.199 tot

tot brem motJ J J kg m (4.10)

4. Izračun navora, ki ga potrebujemo za pospeševanje, in navora, ki ga izgubimo s trenjem,

opravimo iz vrednosti za vztrajnostni moment.

max

50.696 7.590.48 10 5602.5 0.54Nm

0.9

vret bremmot

J JT J

e e

(4.11)

kjer so:

T : navor, potreben za pospeševanje

e : mehanska učinkovitost vijačnega vretena.

30 9.8 294Ng bremF M g (4.12)

294 0.05

0.0129Nm2 2 0.2 0.9 1000

g

g

FT

P e

(4.13)

kjer so:

gT : navor za premagovanje trenja

gF : sila zaradi gravitacije

bremM : masa bremena

P: gostota navojev v

µ: koeficient trenja linearnih vodil.

5. Skupni navor je vsota navorov, potrebnih za pospeševanje premagovanje trenja.

0.54 0.0129 0.5529skupna tT T T Nm (4.14)

23

Izbrani motor (NEMA 23HS8430) je koračni motor in ima pri maksimalnem toku 3 A,

približno 1.4 Nm navora [12]. Izbran je bil, ker mi omogoča lažjo kontrolo pozicije vseh

osi z odprtozančno metodo. Prav tako je cenovno ugodnejši od servo motorja z

inkrementalnim dajalnikom in nudi podobno območje navora. Izračun je bil opravljen za

os X, ki nosi največjo težo in tako zahteva največji navor za pogon. Sicer po izračunih

sodeč zadošča aplikaciji, ampak je vprašanje, če bo uspelo motorju natančno pozicionirati

breme (armaturo) pri izračunani hitrosti. Prav tako se niso upoštevale dodatne sile

obdelovanja, ki bodo delovale v nasprotni smeri pomika. Te je težko določiti, kajti naloga

stroja ni dobro definirana in je predvsem odvisna od hitrosti obdelovanja, potopa v

material, materiala, rezkarja, hitrosti vrtenja obdelovalne glave itd.

Točne nastavitve se bodo določile pri prvem zagonu, kjer se bo preverilo, ali lahko motor

opravlja izračunane hitrosti in pospeške.

Določitev pravilnih pogonov je pomemben del načrtovanja, saj pogoni predstavljajo kar

velik strošek pri projektu. Največji strošek sicer predstavlja poraba električne energije v

življenjski dobi stroja in ne nakup samega pogona. Ta strošek se pri predimenzioniranem

motorju nato zelo poveča, saj motor porabi več električne energije. Ponavadi se ti

predimenzionirajo za približno 20 %.

Za določanje parametrov pogona je na volju tudi veliko programov, kot je Siemens Sizer,

CT Size, Cymex. Ti omogočajo tudi izris krivulje zmogljivosti, mehanske konfiguracije,

izpis dokumentacije itd. S takšnim programom sem tudi preveril svoje izračune (slika 4.8)

in ugotovil, da se približno ujemajo. Potreben navor, ki ga prikaže izvožena

dokumentacija, je sicer 1.2 Nm, ker je v zaključen izračun vključen varnostni faktor (x2).

24

Slika 4.8: Izvožena dokumentacija za določanje pogonov.

25

5 KRMILNIK TB6560 ZA KORAČNE MOTORJE

Izbrano krmilno vezje (slika 5.1) več kot zadovoljuje potrebam za vodenje izračunanih

koračnih motorjev. TB6560 je krmilnik, grajen okoli Toshibinega integriranega vezja

TB6560 (slika 4.2). Ta vodi motorje s pomočjo dveh mostičev mosfet. Kontrolni signali so

povezani z 8-bitnim busom, prav tako so uporabljene nekatere dvosmerne signalne linije.

Štiri sem uporabil za stikala »Home/Limit«, ki pošljejo informacije nazaj računalniku. Te

so dosegljive preko PL2-konektorja in so konfiguraciji v »active low«. Vhodne linije so

zvezane na GND preko 6.8 MΩ uporov in služijo kot antistatična zaščita. Vse povezave v

paralelnem portu in iz njega so optično izolirane s kombinacijo 74HC14-inverterjev in

PC817-optoizolatorjev.

Ostale lastnosti vključujejo PL3-konektor, ki se lahko opremi z mostičem, da prisili pina

16 in 17 paralelnega porta na 0. Preko releja RL1, ki je povezan na tranzistor Q1, se lahko

uporabi izhod za kontrolo bremena (maksimalno 7.6 A, 36 V DC).

Slika 5.1: Krmilno vezje TB6560.

Na plošči so DIP-stikala, s katerimi lahko naslavljamo mikrokorake in tok za vodenje

motorjev (tabela 5.1). Tako se lahko plošča uporabi za motorje v 1.5˗3.5 A rangu na fazo.

Prav tako ima vgrajeno toplotno zaščito v primeru večjih obremenitev za kratek čas.

26

Tabela 5.1: Možne nastavitve z DIP-stikali [4].

Pomembnejše lastnosti krmilja:

možnost obračanja v eno ali drugo smer

selekcija mikrokoraka 1, 1/2, 1/8 in 1/16

toplotna zaščita

24 V operacija pri 2.5 A na fazo

možnost izbire velikosti izhodnega toka (navora): 25 %, 50 %, 75 % in 100 %

priložen napajalnik 230 V/50 Hz v 24 V/16.4 A.

Slika 5.2. Blokovna shema integriranega vezja TB6560.

Tok 1 2 Decay 3 4 Micro 5 6

100 % ON ON FAST 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 SLOW OFF OFF 1/16 OFF OFF

27

Tabela 5.2: Pomeni pinov.

Št. Pina I/O Simbol Opis delovanja

1 Vhod TQ2 Vhod zanastavitev navora (Toka)

2 Vhod TQ1 Vhod zanastavitev navora (Toka)

3 Vhod CLK Urni signal za mikrokorake

4 Vhod ENABLE High: Omogoči; Low: Vsi vhodi izključeni

5 Vhod RESET Low: Reset (Izhodi so postavljeni na začetno stanje.)

6 / SGND Signal za GND

7 / OSC Oscilator

8 Vhod Napajanje za motor (za B fazo)

9 Izhod OUT_BM OUT_B izhod

10 / PGNDB GND-napajanja

11 / Povezovalni pin za B-kanalni senzorski upor za tok

12 Izhod OUT_BP OUT_B izhod

13 Izhod OUT_AM OUT_A izhod

14 / Povezovalni pin za A-kanalni senzorski upor za tok

15 / PGNDA GND napajanja

16 Izhod OUT_AP OUT_A izhod

17 Izhod Pin za zaznavanje začetnega stanja (Pin je na začetku omogočen.)

18 Vhod Napajanje za motor (za A fazo)

19 Izhod Protect Termalna zaščita

20 Vhod Napajanje za kontrolni blok

21 Vhod CW/CCW Izbira smeri vrtenja - Low: V smeri urinega kazalca; High: Proti smeri urinega kazalca

22 Vhod M2 Izbira načina vzbujanja (vhod)

23 Vhod M1 Izbira načina vzbujanja (vhod)

24 Vhod DCY2 Vhod za nastavitev decay funkcije

25 Vhod DCY1 Vhod za nastavitev decay funkcije

Krmilnik tako sestavljajo glavna kontrolna plošča TB6560, na katero so zvezani koračni

motorji, limitni senzorji in PWM-vezje za kontrolo vretena (slika 5.3).

28

Slika 5.3: Sistemska shema.

5.1 Krmiljenje koračnih motorjev

Za pogone so bili izbrani dvofazni koračni motorji NEMA 23HS8430, kar pomeni, da ima

motor dve ločeni tuljavi in štiri napajalne žice (slika 5.4). Takšne motorje lahko vzbujamo

na vsaj tri načine, ki so:

enofazni (Vsako fazo prožimo posamezno eno za drugo: A > B > A* > B*. Tako

vodenje je energetsko učinkovitejše, ampak se dandanes redko uporablja.)

dvofazni (Vedno prožimo dve fazi naenkrat: A + B > B + A* > A* + B*. Tako

vodenje omogoča večji navor in je bilo uporabljeno pri tem stroju.)

eno-dvofazni (Pri takem vodenju menjavamo med eno- in dvofazno metodo.

Najprej prožimo samo eno fazo in nato dve: A + B > A* > A* + B* > A.).

Slika 5.4: Shema koračnega motorja [8].

29

Dvofazno vodenje koračnega motorja:

Slika spodaj (slika 5.5) prikazuje princip dvofaznega vodenja koračnega motorja s

proženjem dveh faz naenkrat.

Slika 5.5: Sekvenca pulzov za dvofazno vodenje motorja.

Če pogledamo shemo motorja, vidimo, da imamo štiri napajalne žice (črna, zelena, rdeča,

modra). Po zgornji sliki se prožijo v zaporedju črna + rdeča > zelena + modra. To

sekvenco sem tudi posnel z osciloskopom. Zgornji signal (CH1) je prvi v sekvenci (črna

žica) in je uporabljen kot referenca za ostale (CH2) (slika 5.6).

Slika 5.6: Posneta sekvenca pulzov »step« iz elektronike.

30

5.2 Krmiljenje vretena

Vreteno se krmili preko pina 9 na LPT-portu. Ta je povezan s Q1-tranzistorjem, ki nato

krmili rele RL1. Ta sklene kontakt med izhodom 15 in 17 na krmilju (slika 5.7). Na takšen

način ni mogoča kontrola hitrosti vretena, ampak samo vklop in izklop. Za vodenje hitrosti

preko računalnika je potrebna uporaba PWM-pulza. Tega lahko generiramo na pinu 9, ki

nato odpira in zapira tranzistor z nastavljeno frekvenco, delovnim ciklom pulza. Mach3

ima prav tako možnost PID-regulacije vrtljajev, moči priključene naprave, če mu

omogočimo povratno vezavo. Ker je bil za vreteno uporabljen enosmerni motor brez ščetk,

ta regulacija ni bila uporabljena (ni povratne vezave). Tako je bilo opravljeno samo

krmiljenje vklopa in izklopa (slika 5.8), ker se za večino aplikacij ne bo spreminjala hitrost

vretena znotraj G-kode. Ročno nastavljanje obratov se lahko po potrebi spremeni med

delovanjem vretena na PWM-vezju s potenciometrom. Kakršnokoli krmiljenje delovnega

orodja izberemo, v vsakem primeru je potrebno dodatno vezje za krmiljenje le-tega. Pulz,

ki ga dobimo od računalnika, je namreč v rangu od 0-5 V in ni zmožen neposredno voditi

orodja.

Slika 5.7: Shema vezave releja [4].

Slika 5.8: Povezava za vklop/izklop vretena.

31

Najpogosteje se enosmerni motorji krmilijo preko PWM-pulza. V večini primerov se

uporabljajo enosmerni motorji s stalnimi magneti. Ti imajo predvsem dva dela: stator

(stalni magneti) in rotor (armatura). Rotacijska hitrost je tako odvisna od interakcije med

elektromagnetnim poljem armature in stalnimi magneti statorja. Magnetno polje statorja je

stalno in se ne more spreminjati, lahko pa se spreminja jakost polja na rotorju. Z

manjšanjem napetosti na rotorskem navitju tako zmanjšamo interakcijo med

elektomagnetnimi polji in tako tudi zmanjšamo hitrost vrtenja motorja (slika 5.9).

Slika 5.9: PWM-krmiljenje motorja.

Slika 5.10: Napajanje in ročno krmiljenje vretena.

Na zgornji sliki je PWM-vezje, s katerim se krmili hitrost vretena (slika 5.10). Ročno

nastavljamo vrtljaje preko potenciometra, lahko pa mu tudi damo zunanji PWM-pulz na

označen vhod. V primeru zunanjega PWM-pulza je potrebno potenciometer izklopiti.

32

5.3 Senzorji

Senzorji se uporabljajo za pozicioniranje stroja v izbrano ničelno točko (home point) in pri

postavljanju omejitev stroja (limit). Na elektroniki imam na izbiro 5 pinov (konektor PL2)

za povezovo senzorjev, kar mi omogoča povezavo petih senzorjev ali več v vzporedni

vezavi (slika 5.11).

Slika 5.11: Povezava senzorjev za ničelno točko in omejitve.

Če so senzorji za ničelno točko vgrajeni, je potrebno razločiti, kateri je bil sprožen, saj ko

se stroj postavlja v ničelno točko, pomika vsako os posebej, dokler ni primeren senzor

sprožen. Pri limitnih senzorjih to ni potrebno, saj so tam zaradi varnosti in je vseeno, kateri

je bil sprožen, ker se mora stroj v vsakem primeru ustaviti.

Kontaktni senzorji imajo tri pine: GND, stalni kontakt in prekinjen kontakt. Stalni in

prekinjen kontakt se razlikujeta v tem, da je stalni sklenjen, dokler ni tipka pritisnjena.

Prekinjen kontakt pa se sklene, ko je tipka pritisnjena. Stikala na stroju so zvezana preko

stalnega kontakta tako, da v primeru prekinitve v žici sistem sproži alarm in se takoj ustavi.

33

6 PROGRAMSKI PAKET MACH3 ZA CNC-KRMILJE

Krmilna elektronika ima med drugim možnost komunikacije preko LPT-porta (slika 4.1)

z računalnikom. Zaradi starosti programa Mach3 je takšno komunikacijo možno

vzpostaviti le na 32-bitnem operacijskem sistemu. Ko je komunikacija vzpostavljena,

moramo določiti vse potrebne senzorje, limite in motorje stroja, s katerimi program

operira.

Mach3 v glavnem uporablja dva pulza za vodenje motorjev: »step« in »dir« pulz. En pulz

predstavlja prehod iz nizkega v visoko stanje in nazaj v nizko. »Step« pulz predstavlja

korake koračnega motorja, medtem ko »dir« določi smer vrtenja motorja in se začne

prožiti pred »step« pulzom. Z večanjem časa, ko je »step« pulz v pozitivnem stanju, se

veča hitrost motorja (slika 6.1) [3].

Slika 6.1: Pulzi za krmiljenje hitrosti koračnih motorjev.

6.1 Definiranje delovne površine

Pri CNC-strojih poznamo delovne in strojne koordinate. Delovne so tiste, ki jih potrebuje

operater, da stroj pozicionira na zaželen položaj v delovnem prostoru. Strojne koordinate

pa so pomembne za stroj, da z njimi prepreči, da se katera os ne pelje dlje, kot je to

fizično možno.

34

V zavihku »Config > Homing and Limits« najdemo okno, v katero vnesemo strojne limite

in nekatere druge nastavitve.

»Soft Max« in »Soft Min« so moje limite. Nastavimo jih za vsako os posebej. Točne

nastavitve so odvisne od vsakega stroja, v mojem primeru pa so naslednje (slika 6.2).

Slika 6.2: Nastavitev delovne površine, hitrosti pozicioniranja in smeri umerjanja.

Pri določanju limit pride za os Z do manjših sprememb, ker ponavadi, ko se os pomika

proti obdelovancu, gredo njene koordinate proti nič (+ Z smer), in ko se umerja, gre proti

‒300 (‒ Z smer).

Druge pomembne nastavitve v zavihku so:

»Home offset« (zamik ničelne točke za umerjanje)

»Auto Zero« (Os se lahko avtomatsko umeri s pritiskom na specifičen gumb v

programu.)

»Speed« [%] (S kakšno hitrostjo naj se pomika, ko se pomerja v ničelno točko.)

»G28 home location coordinates« (Nastavimo ničelno točko na poljubno lokacijo v

prostoru.).

6.2 Definiranje končnih stikal

Kot je že bilo omenjeno, ima elektronika na razpolago samo 5 pinov na LPT-portu, in sicer

so to pini 11‒15. V programu Mach3 torej ne moremo vnesti drugih pinov pri definiranju

stikal.

V zavihku »Config > Ports & Pins« najdemo okno, s katerim nastavimo pine (slika 6.3).

35

Slika 6.3: Okno za definiranje stikal in drugih vhodov/izhodov.

V oknu najdemo naslednje elemente:

»X Home«, »Y Home« in »Z Home« so stikala za ničelno točko (home), ki je

ponavadi v G-koordinatah X0Y0Z0.

»X--«, »Y--« in »Z--« so senzorji na meji delovne površine (v ‒ in + smer), kar je še

dodatna zaščita poleg že prej nastavljenih koordinat v prejšnjem poglavju.

Nastavitev »Active low« nam pove, v katerem načinu hočemo, da dela tipka

(»Active high/low«). Odkljukano pomeni, da je v načinu »Active high«.

»Emulated«: Tipko lahko simuliramo s tipko na tipkovnici, ki jo določimo nato s

nastavitvijo »HotKey«.

Če so bili senzorji prav nastavljeni, bi jih morali videti v oknu »Diagnostics«, kjer bi

morale biti aktivirane njihove lučke (slika 6.4). Lučke že gorijo, ker so povezane preko

stalnega kontakta. M1Home ponazarja os X, M2Home os Y in M3Home os Z. S

sklenitvijo teh kontaktov na stroju bi se morale te indikacijske lučke ugašati.

Slika 6.4: Prikaz indikacijskih lučk v diagnostičnem oknu.

36

6.3 Nastavitev in umerjanje motorjev

Umerjanje motorjev je odvisno od več faktorjev, kot so elektronika, izdelava stroja, način

prenosa navora itd., zato je umerjanje različno od stroja do stroja. Natančne nastavitve

določimo tako, da poskusimo različne nastavitve, dokler ne poskrbimo, da motorji ne

preskakujejo korakov in ne povzročajo prevelikega hrupa. Pri nastavitvi hitrosti moramo

paziti, da ima motor dovolj zadrževalnega momenta (holding torque), da v primeru okvare

v trenutku ustavi armaturo.

V zavihku »Config > Ports & Pins« najdemo tudi nastavitev pinov, na katerih so povezani

motorji (slika 6.5).

Slika 6.5: Nastavitev pinov za motorje.

Poleg nastavitve pinov za motorje moramo motorje še umeriti. Umerimo jih lahko na dva

načina, in sicer tako, da ročno vnesemo nastavitve v »Config > Motor Tunning« (Slika 6.6)

in da uporabimo avtomatsko funkcijo v meniju »Settings Alt6« pod »Axis Callibration«

(slika 6.7).

37

Slika 6.6: Ročna nastavitev motorjev.

Pomen nastavitev v oknu »Motor Tunning«:

»Steps per« (SPU): Število korakov na nastavljeno enoto (inč ali mm). Tu je

pomembno, da nastavimo pravilne enote v programu. Enote se nastavijo v »Config

> Select Native Units«.

»Velocity« [

]: Maksimalna hitrost pomikanja osi. Hitrost je najbolje nastaviti

tako, da poskusimo različne vrednosti in nastavimo takšno, pri kateri motorji niso

preglasni in nam še vedno omogočajo dobro preciznost.

»Acceleration« [

]: Velikost pospeška. Pospešek spet prilagodimo stroju s

preizkušanjem. Preveriti moramo, ali je motor sposoben izvesti takšen pospešek,

sploh, če je obremenjen.

»G's«: Pospešek v enotah gravitacijskega pospeška (1G = 9.83

).

»Step pulse« in »Dir pulse«: Step in dir pulz sicer lahko podaljšamo, vendar to

nastavimo pri posebnih primerih.

Za avtomatsko nastavitev nam je v pomoč čarovnik, v katerega samo vnesemo, za koliko

se želimo pomakniti po želeni osi, nato izmerimo njen pomik in vnesemo število v

čarovnik, on pa nato nastavi nastavitev »Steps per«.

Slika 6.7: Avtomatska kalibracija motorjev.

38

Izračun nastavitve »Steps per«:

Iz kataloga za vijačno os vidim, da je gostota navoja

, na elektroniki so

nastavljeni mikrokoraki na

. Enote imam nastavljene na mm in motor ima 200 korakov

na 360 °, torej:

Pretvorimo navoje/inč v navoje/mm in dobimo:

Izračunamo, koliko korakov potrebujemo, da se os pomakne za 1 mm:

6.4 Povezava vretena

Vreteno lahko vodim kar ročno s potenciometrom na vezju za vodenje vretena.

Potenciometer omogoča nastavitev delovnega območja 12‒48 V (omejeno do 60 V), kar

pomeni 6000‒12000

vretena. Njegova velikost naj bi bila med 5 k in 100 kΩ. Ko

pritisnemo gumb za zagon vretena ali vnesemo M3/M4-ukaz v G-kodo, se kontakt na

releju sklene in povzroči sklenitev med pinom 15 in 17.

Povezavo vzpostavimo v istem oknu ko pri motorjih (slika 5.8), samo da omogočimo

»Spindle« in ga postavimo na pin9. Step pin# ni potrebno nastaviti, kajti za to je potreben

dvopoložajni rele, ki ga na kontrolni plošči ni. Smer vrtenja se tako ne da spreminjati in bo

M3/M4 ukaz pomenil samo zagon.

Slika 6.8: Povezava vretena.

39

Za nekatere aplikacije moramo nastavljati hitrost/moč delovnemu orodju. Na primer pri

laserskem graviranju moramo nastaviti moč laserja glede na material obdelovanca in

želeno globino obdelovanja. Prav tako se stroj ne pomika s konstantno hitrostjo med

obdelavo. Pri laserskem graviranju lahko to povzroči zažig materiala.V primeru 3D-

tiskalnika, nastavljamo hitrost nanašanja topljene plastike na model. Program Mach3

omogoča nastavitev določene hitrosti in celo PID-regulacijo za zelo natančno in

konstantno določanje vrtljajev (moči), če seveda imamo informacijo o trenutnih vrtljajih.

V »Config > Ports & Pins > Spindle setup« najdemo okno za nastavitev PWM-signala za

določanje hitrosti vretena (slika 6.9) [5].

Slika 6.9: Okno za nastavitev PWM-pulza za določanje hitrosti vretena.

Najprej moramo omogočiti PWM-pulz v delu okna »Motor Control« in nastaviti frekvenco

pulza (priporočeno od 100‒500 Hz). Če je potrebna večja frekvenca za PWM, moramo

povečati jedrno (kernel) frekvenco v »Config > Ports & Pins > Port Setup and Axis

Selection«. Trenutno je ta nastavljena na 25 kHz in je zadostna za ta stroj. »Minimum

PWM« je nastavitev minimalnega delavnega cikla (duty cycle) in je nastavljena na 0 %

(vreteno čisto izklopljeno).

V zavihku »Motor outputs« nastavimo pin, na katerem bomo dobili PWM-pulz. Ta je v

tem primeru pin 17 (slika 6.10).

40

Slika 6.10: Okno za določitev pina za PWM.

Sedaj moramo vreteno samo še umeriti s čarovnikom, ki ga najdemo v »Config > Spindle

pulleys« (slika 6.11). Tukaj damo programu Mach3 vedeti, kolika sta maksimalna in

minimalna hitrost vretena in če uporabljamo kakršnakoli prestavna razmerja, kar je tipično

pri profesonalnih strojih. Dobro je, da maksimalno število vrtljajev izmerimo z digitalnim

tahometrom, da je ta številka čim bližja realnim vrtljajem.

Slika 6.11: Umerjanje vrtljajev s PWM-pulzom.

Ko je v G-kodi uporabljen na primer ukaz S5871 (S-ukaz je v vrt/min), bi se moralo

vreteno vrteti s približno takšnimi vrtljaji. Natančnost nastavljanja vrtljajev je odvisna od

frekvence PWM-pulza. Če želimo nastavljati vrtljaje po npr., 1-% inkrementih delovnega

cikla PWM-pulza, moramo nastaviti frekvenco na:

41

7 RAČUNALNIŠKO PODPRTO MODELIRANJE (CAM)

7.1 Izbira ustreznega CAM-programa

Uporaba CNC-strojev se hitro širi v naše vsakdanje življenje. Zaradi lahko dostopnih

strojev imamo lahko dostopne programe za generiranje G-kode. Nekateri so popolnoma

zadostni za domačo uporabo, vendar se moramo zavedati njihove omejitve pri izvedbi

rezkanja, struženja in graviranja.

Veliko teh programov ne izvaja prave 3D-operacije pri generiranju obdelovalnih poti

(toolpaths), ampak 2.5D (slika 7.1). Takšno izvajanje omogoči enostavnejše programe,

vendar ti niso zelo uporabni za zapletenejše modele. Pravi 3D-programi, ki so zmožni

generirati prave 3D-poti, so zapletenejši in zato tudi redkejši v brezplačniškem okolju.

Slika 7.1: Razlika med 2.5D in 3D.

7.1.2 Freemill

Freemill je eden izmed teh brezplačnih programov, s katerim lahko generiramo G-kodo.

Program je razvilo podjetje MecSoft in je brezplačna verzija njihovega CAM/CAD-

programa. Omogoča uvoz vseh popularnih datotek za vektorske slike in 3D-modele.

Ponuja samo eno strategijo rezkanja po osi X ali Y. Njegova glavna omejitev je, da ne

moramo določiti, koliko materiala naj odstrani z enim obhodom. Če delo zahteva globok

rez, bomo tako rezkar zlomili. Prav tako ne omogoča grobega in finega obdelovanja.

42

7.1.3 PyCAM

PyCAM je prav tako brezplačni program za generiranje G-kode, ki je še vedno v razvoju.

Tudi on omogoča uvoz vseh popularnih datotek, kot na primer DXF. Za razliko od

Freemill omogoča tudi postopno odstranjevanje materiala ob vsakem obhodu, zaradi česar

je uporabnejši, ter generiranje ločenih datotek za grobo in fino obdelovanje za menjavo

obdelovalnega orodja med programi.

7.2 Generiranje orodnih poti

Večina CAD-programov omogoča generiranje 3D-modelov iz 2D-risb v obliki GIF-, TIF-

ali JPG-formatov (slika 7.2). Tako lahko ustvarimo zapletene površine z veliko

podrobnosti v le nekah potezah. Višine se določijo glede na barvni gradient (gradient

mapping).

Slika 7.2: Program iz 2D-slike naredi 3D-profil.

Za zapletenejše operacije se uvozijo 3D-modeli naravnost iz CAD-programov, kot je na

primer AutoCAD (slika 7.3).

Slika 7.3: Uvoz 3D-modela v CAM-program.

Po uvozu 3D-modela ali 2D-slike moramo generirati orodne poti (toolpath), katerim sledi

stroj (slika 7.4). Kot sem že prej omenil, se tukaj najbolj pozna, kateri program za

generiranje teh poti izberemo. Za ta primer je bil uporabljen MeshCAM v5.

Model sem izdelal iz črno-bele gradientne mape, ki sem ji dodelil višino 0‒45 mm.

43

Slika 7.4: Generiranje orodnih poti in izbira orodja.

MeshCAM nudi vse nastavitve za uporabno generiranje orodnih poti (slika 7.5). Ima več

stategij za odvzem materiala ‒ odvzem po X, odvzem po Y, odvzem po X in Y. Orodje

lahko izberemo ali pa vnesemo mere uporabljenega rezkarja v inčih ali milimetrih.

Slika 7.5: Generirane orodne poti.

Poti se najprej vnesejo v aplikacijo OpenSCAM (slika 7.6), ki mi simulira potek rezkanja

in nudi priložnost, da odpravi kakšne nevšečnosti v MeshCAM.

44

Slika 7.6: Vizualizacija orodnih poti.

Plačniška verzija MeshCAM nudi poleg navedenih strategij za odvzem materiala tudi tako

imenovano »Z level roughing«. Ta odvzema material vzdolž izbrane osi (v tem primeru osi

X) z majhnimi pomiki po osi Y. Tako naredi nekakšeni pravokotni vzorec vreza v material

(slika 7.7). Ta strategije je bolj primerna za odvzemanje večje količine materiala, torej

grobo obdelavo.

Slika 7.7: Vrezni vzorec.

45

7.3 Prvi zagon in preverjanje točnosti

Pred prvim zagonom sem preveril delovanje vseh senzorjev v diagnostičnem oknu, saj so v

trenutku zagona edino fizično varovalo na tem stroju. Ko le-ti delujejo, se stroj umeri v

ničelno (home point, referance point) točko. To storimo tako, da pritisnemo »Reset« in

nato gumb »Ref all Home« (slika 7.8).

Slika 7.8: Prikaz koordinat, pomerjanje v ničelno točko in tipka »Reset«.

Tukaj se prvič srečamo s strojnimi (machine) in delovnimi (work) koordinatami. Delovne

koordinate lahko poljubno izničimo z gumbi »Zero X, Zero Y, Zero Z«. Strojne lahko

izničimo samo z gumbom »Ref all Home«. Med strojnimi in delovnimi koordinatami lahko

preklapljamo s pomočjo gumba »Machine Coord's«. Pred uporabo stroja se vedno izničijo

strojne koordinate.

Natančnost sem preveril z digitalnim merilnikom, in sicer tako, da sem vse osi pomaknil v

ničelno točko in nato pomaknil vsako os po 100-mm inkrementih ter meril njihov pomik z

merilnikom na vsakem inkrementu (slika 7.9).

Slika 7.9: Merjenje odmika dvižne osi (os Z).

46

Paket Mach3 vsebuje enostavni CAM-program, imenovan LazyCAM (slika 7.10), ki je

zadosten za uvajanje v G-kodo in začetek risanja. Ponavadi v CAM-program uvozimo

DXF-datoteke, ki so vektorske slike CAD-programov (npr. AutoCAD, CorelDraw). Ko te

datoteke uvozimo v CAM-program, jih ta razčleni na osnovne elemete, kot so črta, lok,

krog (line, arc, circle). Te nato pretvori v uporabno G-kodo.

Slika 7.10: Okno LazyCAM z besedilom.

LazyCAM potrebuje podatke o višinskih parametrih obdelovanca (v tem primeru papirja)

(Slika 7.11):

»Spindle speed« (hitrost vretena - ni uporabljeno)

»Plunge Feed« (hitrost pomikanja orodja v material)

»Feed Rate« F v

(hitrost izvajanja programa)

»Rapid Height« (varna višina za prosto gibanje stroja)

»Cut Start« (začetek obdelovanja – višina lege papirja)

»Cut Depth« (nastavitev globine vreza na 0).

Slika 7.11: Nastavitev raznih višinskih parametrov.

Ko so vsi parametri določeni, se lahko izvozi TAP-datoteka, ki se nato uvozi v program

Mach3 (slika 7.12).

47

Slika 7.12: Besedilo v delovnem območju stroja (table).

Običajno dela ne izvajamo iz ničelne točke, ampak ga pomaknemo nekje sredi delovne

mize in nato se delovne koordinate ročno izničijo.

Ko je stroj v poziciji, se pritisne gumba »Reset« in »Cycle Start«, da se začne izvajati G-

koda. Po prvem zagonu je nastala naslednja risba (slika 7.13).

Slika 7.13: Prva risba po zagonu stroja.

S prve risbe je razvidno, da je os X invertirana in da delovna površina ni čisto ravna po

celotni dolžini. Koti niso povsem pravi, ker pisalo ni bilo dobro pritrjeno. Os se enostavno

popravi v »Config > Ports & Pins« in se obkljuka »Reversed« za os X. Potrebna je tudi

premaknitev senzorja za »Xhome« na drugo stran mize, saj se bo sedaj v ničelno točko

postavljal tja. Po drugem zagonu je nastala naslednja risba (slika 7.14).

48

Slika 7.14: Druga risba po zagonu.

Ko sem odpravil vse napake, je nastala druga risba. Povečal sem tudi »Feed rate« iz F60

na F200, kar je risanje pospešilo.

49

8 SKLEP

Diplomska naloga opisuje izdelavo CNC-stroja s pomočjo krmilnika TB6560 za zasebno

uporabo. Prikazuje vse kompleksnosti nastavitev različnih parametrov v programski

opremi Mach3, preden sploh lahko naredimo prvi izdelek. Kljub temu da sem s končnim

izdelkom zadovoljen, stroj, ki je bil narejen v okviru te diplomske naloge, ni izpolnil vseh

mojih pričakovanj. Stroj namreč ni zmožen obdelovati lesa zaradi deformacije konstrukcije

ob rezkanju. Prav tako potrebuje veliko časa, da opravi tudi grobo obdelovanje skozi

stiropor zaradi mehanskega zdrsa med motorjem in vijačno osjo. Ta zdrs mi močno

omejuje hitrost stroja, kar je zlasti opazno pri hitrih pospeških (slika 8.1).

Slika 8.1: Napaka po hitrem pomiku.

Po prvem zagonu je potrebno preveriti natančnost pozicioniranja. V ta namen sem napisal

kratek program v G-kodi, ki riše razne oblike znane velikosti. Te se na koncu izmerijo in

primerjajo z načrtovanim. Takšna metoda vsekakor ni natančna, vendar na razpolago

nisem imel profesonalnih merilnih metod in orodja. CNC-stroji v industriji so merjeni s

posebnimi merilniki, ki zmerijo vsako os do µm natančnosti. Za generiranje delovnih poti

moramo imeti leta izkušenj in znanje tehnik obdelovanja, ki jih sam nisem imel dovolj. Od

modela do prve G-kode je trajalo nekaj dni, nato se je pričelo rezkanje. Tukaj sem opazil

zdrs motorja s spojem, saj je stroj vedno znova zgrešil želeno točko po hitrem gibu.

50

Napake nisem opazil med risanjem, ker sem stroj testiral samo do F200, ti gibi pa so bili

do 2-krat hitrejši (približno F400). Problem je predstavljal predvsem G0-ukaz v G-kodi, ki

ponazarja hitri gib (rapid movement) od točke do točke (Point to Point). To se lahko

odpravi v programu za generiranje orodnih poti, vendar MeshCAM ne nudi nastavitve za

hitrost G0-gibov. Po odpravi teh napak je nastal končni izdelek (slika 8.2). Zaradi časovne

stiske je bilo opravljeno samo grobo obdelovanje z enim orodjem, in že to je trajalo

približno 4 ure.

V nadaljnje bi rad stroj pripravil do te mere, da bo zmožen rezkati tudi trdi les in aluminij.

Tako bo lahko končno opravljal tisto, za kar je bil zgrajen.

Slika 8.2: Izdelava končnega izdelka.

51

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Graham Smith, CNC machining technology Volume 1, Springer-Veraly, London, 1993.

[2] Jenko Anton, Osnove CNC tehnologije, Ljubljana, marec 1987.

[3] Mach3 spletna stran in forum, 2016:

http://www.machsupport.com/ [25.6.2016]

[4] TB6560 shema in delovanje, 2015. Dostopno na:

http://drkfs.net/REVERSESTEPPER.htm [25.6.2016]

[5] Mach3, PWM nadgradnja in povezava, 2015. Dostopno na:

http://jtechphotonics.com/?page_id=1436 [25.6.2016]

[6] Jenke M., Learning Computer numerical control, Delmar publishers Inc., 1992.

[7] Podjetje INTERCOM, linearna vodila in pogoni, 2015. Dostopno na:

http://www.intercom.si/ [25.6.2016]

[8] Koračni motorji, 2015. Dostopno na:

http://www.longs-motor.com/ [25.6.2016]

[9] Rezkarji in metode rezkanja, 2015. Dostopno na:

http://www.secotools.com/CorpWeb/Service_Support/machining_navigator/SI/Milling_20

09_SI.pdf [25.6.2016]

[10] The CNC Handbook, 2015. Dostopno na:

http://www.hsmworks.com/docs/cncbook/en/#start [25.6.2016]

[11] Aleš Hace, Aleš Polič, Karel Jezernik. Napredni mehatronski pristop k načrtovanju

odprtega krmilja strojev, FERI:

http://www.ro.feri.uni-mb.si/predst/ales/mehatronsko_nacrtovanje_krmilja.htm

[25.6.2016]

52

[12] Texas Instruments. 23HS8430 stepper motor torque measurements, 2014:

http://www.ti.com/lit/ug/tidu437/tidu437.pdf [25.6.2016]

[13] Balić Jože, Pahole Ivo. Proizvodne tehnologije, Maribor, Fakulteta za strojništvo,

2008.

[14] Aerotech, Motor selection and sizing, 2015. Dostopno na:

https://www.aerotech.com [25.6.2016]