Uruchomienie napędów maszyny CNC

W poprzednim artykule opisałem niezbędne elementy służące do uruchomienia frezarki/ plotera CNC. Przyszedł czas aby „zagonić te elementy do roboty” 🙂 i sprawić by wykonywały zadania do których zostały zaprojektowane. Mówiąc już poważnie są one podstawą automatyki całej maszyny, a także odpowiedzialne za każdy jej ruch w dwóch lub większej ilości osiach. Pisząc pierwszy artykuł na temat budowy maszyny CNC sugerowałem się wykonaniem projektu frezarki nie mniej jednak postanowiłem zmienić plan i wykonać sobie ploter laserowy również cieszący się popularnością co frezarka CNC z wrzecionem. ze względu na prostsze rozwiązania koszt tego będzie znacznie mniejszy. Postaram się odnieść do obydwu tych maszyn swoją wiedzą oraz materiałem, który udało mi się zdobyć podczas etapu projektowania i budowy.

Krok 1 – zasilanie układu

Podstawowy element układanki napędowej każdej maszyny dostarczający niezbędna porcje energii zasilającej wszystkie moduły opisane w tym artykule. Serce całego układu, czyli sterownik BL USB MACH-V2.1 powinien być zasilany napięciem stałym w zakresie 12- 24 V według noty katalogowej producenta. Podobnie sterowniki silników krokowych akceptują prąd stały, lecz w szerszym zakresie potencjału od 9 do nawet 40 V.                                       Bardzo ważną kwestią jest to, że należy tylko te dwa odbiorniki: układ sterujący oraz sterowniki silników krokowych( trzy, dwa lub więcej w zależności od ilości osi napędowych w naszej maszynie) zasilić z jednego źródła. Elementy odpowiedzialne za obróbkę materiału takie jak wrzeciono lub laser powinny mieć własny osobny układ zasilania aby móc poprawnie pracować. To bardzo ważne, gdyż same silniki pracują na bardzo dużych częstotliwościach oraz sporym poborem prądu ze źródła zasilania. Nie trzeba się domyślać, że to idealne środowisko do zakłóceń układu powodując nieprawidłową pracę , a w konsekwencji długotrwałe szukanie dziury w całym, gdy coś nie gra . Warto zainwestować więcej pieniędzy na porządny markowy zasilacz o odpowiednim zapasie mocy niż kupować tani chiński sprzęt, który i tak podziała chwilkę, a na dodatek spowoduje wspomniane wcześniej problemy. W moim przypadku wykorzystałem zasilacz impulsowy S350-24V o natężeniu maksymalnie 15A  i zabezpieczeniem przeciw przeciążeniowym oraz wbudowanym chłodzeniem. Trzy silniki pobierają prąd 3*2.8A=ok. 9 A tak wiec spokojnie sobie poradzi z ich zasilaniem przy dłuższej pracy co ważne z zapasem mocy zasilania dla układu sterującego BL USB Mach 3 czy także innych układów dodatkowych np. oświetlenia taśmą LED maszyny, nadmuch. Budując ploter laserowy trzecia oś nie jest w większości potrzebna co powoduje odpadniecie jednego z silników krokowych, a wiec dla moich silników krokowych prąd będzie rzędu 5.6 A, dlatego więc wyposażyłem się w moduł firmy PULSAR 24V/7A. tak jak widać na schemacie zasili on, tylko silniki krokowe oraz oświetlenie LED maszyny oraz wentylator. Dodatkowo wyposażyłem się w zasilacz również tej samej firmy 12V/10A zasilający tylko i wyłącznie głowicę laserową plotera. Potencjały zostały wyprowadzone na złączki podwójne.Konieczne jest również dobranie odpowiednich bezpieczników danych obwodów zasilaczy by nie przekroczyło ich mocy znamionowej. 

Krok 2- połączenia sterownika BL USB Mach 3 z driverami silników krokowych  

 

Każdy silnik krokowy jak sama nazwa wskazuje pracuje( obraca się) w sposób krokowy. Obrót będzie możliwy wtedy tylko, gdy na cewki zostanie podana odpowiednia sekwencja impulsów. W znakomitej większości dominują silniki bipolarne, czyli dwufazowe posiadające dwie pary biegunów: para I A+ i A- oraz para II B+ i B-.  Jak wiemy maszyny CNC wykonują ruchy wektorowe w dwóch  kierunkach osi X, Y oraz Z tak więc silnik krokowy nie obraca się tylko w jedna stronę. Sekwencja impulsów A+B+ oraz A-B- obróci wałem silnika w jedną stronę natomiast konfiguracja A+B- oraz A-B+ już w przeciwna stronę. 200 impulsów takiej samej sekwencji da mi 1 pełny obrót, gdyż silnik który posiadam ma krok 1,8 ° ,czyli

                                                          1,8° *200= 360°

Jak widać na powyższych zdjęciach podpiętego doń sterownika silnika krokowego przewody : brązowy oraz biały wysyłają informację z układu sterującego BL-USB mach 3 do kontrolera silnika , brązowy (DIR-) to przewód odpowiedzialny za kierunek obrotu osi silnika oraz (PUL-) za impulsy, które po „wzmocnieniu” trafią na cewki silnika. Tajemniczy zacisk ENA- (Enable) odpowiada za odblokowanie silnika lub gdy zaktywowany silnik jest zahamowany i nie można go obrócić. Co ciekawe nie jest wymagane podpięcie tej końcówki do prawidłowej pracy napędu. Ważną kwestią jest to, że dany układ sterowania może sterować pracą silników sygnałem niskim ( wspólna anoda) lub wysokim (wspólna katoda). Ja mam sterownik ze wspólną anodą , w ten sposób wszystkie potencjały DIR+, PUL+, ENA+ są zmostkowane i doprowadzane do potencjału PC5V na płycie sterownika(czarne przewody połączone zworą-patrz zdjęcie). Do dolnych zacisków w driverze silnika są podpięte cztery przewody biegunów silnika : czarny-B-, zielony-B+, niebieski-A- oraz czerwony jako A+ dzięki którym silnik dostaje wymagane impulsy do pracy oczywiście o żądanej amplitudzie oraz natężeniu prądu. Warto te przewody podciągnąć do swojego silnika przewodem z ekranowaniem . Mamy wtedy pewne zabezpieczenie prawidłowej pracy napędu maszyny. Wystarczy, że przewód biegnie gdzieś  w okolicy umieszczonego falownika do wrzeciona frezarki, który jak wiadomo „sieje” jak oszalały maszyna może działać nieprawidłowo przez gubiące kroki silniki itp. Polecam również każdą parę sygnałową (DIR- DIR+) , (PUL- PUL+), (ENA- ENA+) połączyć przewodami skręconymi ze sobą, tak więc nie wykonywać żadnego mostkowania na driverze silnika lecz do każdej pary doprowadzić osobny potencjał PC5V.

Krok 3- Układ bezpieczeństwa na maszynie

Ważny temat, który nie ma bezpośrednio znaczenia z pracą osi plotera/frezarki jednak wpływa na pewien „komfort” użytkowania. Na każdą oś należy prawidłowo umieścić dwa wyłączniki krańcowe w strefie gdzie prowadnice/ śruby mają limity swojej pracy – jest to bezwzględne minimum. Jeśli tego nie zrobimy to: przykładowo mamy sytuację gdy grawerujemy długi napis w drewnie. Szanując swój czas uruchomiliśmy wszystko i postanowiliśmy zrobić coś innego przez ten okres zostawiając pracującą maszynę na pastwę losu. Jednak zaszła niefortunna sytuacja (uszkodzenie sterownika, zakłócenia itp)  i nasz ploter/ frezarka zaczęła świrować jadąc bez opamiętania w jednym kierunku. W zależności od konstrukcji skutki mogą opłakane od uszkodzonego silnika czy sterownika po bardzo drogie prowadnice lub śruby napędowe. Cały problem może rozwiązać podłączona pod wejście IN w sterowniku krańcówka warta parę złotych. Mój sterownik BL USB Mach3 posiada pięć takich wyprowadzeń (IN1-IN5). Niestety wszystkich krańcówek jest minimum 6 w przypadku frezarki z trzema osiami. Natomiast dwuosiowy ploter potrzebuje czterech: po dwie na każdą z osi. Ograniczona ilość portów nie jest problemem, gdyż krańcówki możemy połączyć szeregowo w pętli zwartej. Jeśli zostanie wyzwolona którakolwiek z nich to pętla zostanie rozłączona i sterownik to wykryje. W porównaniu do modułu wykorzystującego pełny port LPT nie mamy możliwości pełnej diagnostyki w programie Mach 3, gdzie nastąpiło awaryjne wyłączenie maszyny. Dodatkowo watro również podłączyć „grzyba bezpieczeństwa” Z pewnością się przyda przy pierwszych uruchomieniach maszyny oraz poprawi estetykę maszyny.

Krok 4 – komunikacja z komputerem

Aby cały proces odbywał się tak jak tego chcemy musimy „powiedzieć” maszynie co ma robić. Nie obejdzie się ta czynność bez komputera, który mówiąc najprościej zrobi to za nas i wyda polecenia frezarce lub ploterowi. Dzięki zastosowanemu modułowi BL-USB Mach 3 komputer może komunikować się ze sterownikiem po porcie USB. Jest to dobra alternatywa dla użytkowników posiadających stare komputery lub laptopy bez portu LPT. Wraz ze sterownikiem dołączony jest plik systemowy, który po wgraniu go do folderu Macha umożliwia wykrywanie sterownika w programie. Dalsze czynności sprowadzają się do konkretnych ustawień programu : zaprogramowanie wejść/wyjść, prędkości posuwu, kierunku obrotów, krańcówek itd. Niemniej jednak czynności te najlepiej wykonać na etapie końcowym maszyny.

Potencjalne elementy dodatkowe

Jako elektronik muszę zadbać aby całość była przede wszystkim bezpieczna elektrycznie. Dlatego zastosuję główne zabezpieczenie przed nadmiernym obciążeniem prądowym lub zwarciem. Oczywiście z racji tego, że ploter będzie wykonany z profili aluminiowych konieczne staje się uziemienie całej konstrukcji. Kolejnym wyposażeniem będzie oświetlenie zamontowane w postaci taśmy LED na ramie osi X. Na pewno poprawi to efekty pracy oraz obserwację wykonywanej czynności przez maszynę.

Wpadłem na pomysł aby stworzyć system „bezpieczeństwa operatora” mianowicie aplikacja ta czuwała by nad tym czy osoba operując maszyną ma założone okulary ochronne oraz jej ręce znajdują się po za obszarem roboczym. Moduł ten prawdopodobnie będzie opierał się na dwóch przyciskach : zielonego-potwierdzenie, że może być załączone napięcie, a użytkownik jest w sytuacji bezpiecznej. Czerwony natomiast wyłącza maszynę z pracy tj. silniki oraz głowicę laserową. System jest tylko i wyłącznie kontrolowany przez odpowiedzialnego użytkownika znającego skalę ryzyka i konsekwencji wypadku ,tak więc nie będzie on pomijał tego trybu. Ponadto będzie to dobrym rozwiązaniem podczas jakiejś krótkiej przerwy w pracy.  Jako główny wyłącznik zastosowałem wyłącznik kluczykowy aby maszyną nie mogły operować niepowołane osoby np dzieci.  Pracujący laser powoduje wypalanie materiału co wiąże się z powstawaniem  wokół obrabianego obszaru dymu, który prócz rozpraszania wiązki lasera z głowicy „zaśmieca” soczewkę głowicy. Aby zapobiec temu niepożądanemu zjawisku zastosowałem nadmuch z wentylatora wprost na materiał z analogowym regulatorem prędkości. 

Zapraszam na krótkie wideo przedstawiające odpalenie wszystkich trzech silników X,Y oraz Z za pomocą opisanych podzespołów oraz programem Mach3

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *