VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky Diplomová práce Návrh konstrukce stavebnicového CNC zařízení pro obrábění měkkých materiálů Design of Modular CNC Machine for Soft Material Machining BRNO, 2006 Petr Klein

Poděkování Na tomto místě bych velice rád poděkoval všem, kteří podpořili vznik této práce, zejména školiteli.

Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, na základě konzultací a s použitím uvedené literatury. V Brně dne 20. května 2006. Petr Klein

Abstrakt Tato práce popisuje vývoj a konstrukci stavebnicového CNC zařízení pro obrábění měkkých materiálů určeného k hobby aplikacím. Informace v ní obsažené nepředstavují jen souhrn teoretických znalostí, ale měly by posloužit také prakticky jako komplexní vodítko pro amatérskou stavbu podobných zařízení. Specifičnost pojetí spočívá ve skutečnosti, že popisovaná konstrukce je koncipována modulárně, takže některé významné součásti jednoho stroje se dají využít i na jiném stroji, což představuje nejen finanční úsporu, ale také menší pracnost a úsporu materiálu. Abstract This work describes the design and assembly of a modular CNC machine for the machining of soft materials intended for hobby applications. Apart from a sum of theoretical knowledge, the information contained in it should also serve in practice as a comprehensive guidance for those wishing to assemble a similar machine on an amateur basis. The approach is specific in the modularity of the assembly, as a result of which some components of a machine can be used in another, which represents not only financial savings, but also less work and economising on material.

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ...3 SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN A SYMBOLŮ...5 1. ÚVOD...6 2. LITERÁRNÍ PRŮZKUM...7 2.1. Současné trendy v konstrukci domácích CNC strojů...7 2.1.1. Konstrukce strojů...7 2.1.2. Motory a elektronika...11 2.2. Stav v oblasti řízení krokových motorů...13 2.2.1. Konstrukce krokových motorů...13 2.2.2. Řízení krokových motorů...16 2.3. Software...19 Software pro frézku...19 2.3.1. Software pro řezačku...21 3. NÁVRH MECHANICKÉ KONSTRUKCE...24 3.1. Formulace problému přístupu ke konstrukci zařízení...24 3.2. Požadavky na konstrukci...24 3.3. Předběžný návrh konstrukce...26 3.4. Konstrukce...27 3.4.1. Materiály konstrukce...27 3.4.2. Pevnostní výpočty...28 3.4.3. Výpočet kroutícího momentu pro dimenzování motorů...37 1

4. ELEKTRONIKA PRO ŘÍZENÍ KROKOVÝCH MOTORŮ...37 4.1. Návrh elektroniky...37 5. REALIZACE...42 5.1. Frézka...42 5.2. Řezačka...48 5.3. Realizace elektroniky...52 6. ZPROVOZNĚNÍ A LADĚNÍ...58 7. POZNATKY Z PROVOZU...59 8. ZÁVĚR...61 LITERATURA...62 PŘÍLOHY...63 2

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 2-1 Konstrukce pojezdů realizovaná pomocí bronzových pouzder...8 Obr. 2-2 Pojezdy s lineárními ložisky na vodicích lištách...8 Obr. 2-3 Pojezdy z kopírky na vodicích železných profilech...9 Obr. 2-4 Velmi levná konstrukce se silonovými pouzdry...9 Obr. 2-5 Jednoduchá konstrukce s použitím demontovaných dílů...10 Obr. 2-6 Prostorová konstrukce...10 Obr. 2-7 Profesionální stroj...11 Obr. 2-8 Motory Microcon SX34-6212 a SX23-2125...11 Obr. 2-9 Motory J69C05LT a Sanyo Denki CO. 103-770-4243...12 Obr. 2-10 Deska řízení motorů s obvodem L 297 a L 298...12 Obr. 2-11 Deska řízení motorů s procesorem...13 Obr. 2-12 princip krokového motoru...14 Obr. 2-13 Základní schéma řízení...16 Obr. 2-14 Ukázka grafického prostředí programu KCAM4...20 Obr. 2-15 Ukázka grafického prostředí programu V4LT...21 Obr. 2-16 Ukázka grafického prostředí programu GMFC-Pro...22 Obr. 2-17 Ukázka grafického prostředí programu GeNeCe-Pro...23 Obr. 3-1 Hrubý návrh konstrukce frézky...26 Obr. 3-2 Hrubý návrh jedné strany konstrukce řezačky...27 Obr. 3-3 Síly působící pojezd x....30 Obr. 3-4 Zobrazení posuvů vodicí tyče způsobené tíhovou silou...31 Obr. 3-5 Zobrazení posuvů vodicí tyče způsobených řeznou silou...31 Obr. 3-6 Síly působící na pojezd y....32 Obr. 3-7 Průhyb horní tyče způsobený silou F p1....33 Obr. 3-8 Průhyb spodní tyče způsobený silou F p2....33 Obr. 3-9 Celkový posuv frézy...34 3

Obr. 3-10 Síly působící na konstrukci řezačky...35 Obr. 3-11 Geometrie pojezdů řezačky...35 Obr. 3-12 Zobrazení posuvů v ose y...36 Obr. 4-1. Blokové schéma TA8435H/HQ...39 Obr. 4-2 Ukázka průběhu proudu....40 Obr. 4-3 Schéma oddělovací desky....41 Obr. 4-4 Schéma desky řízení motorů...41 Obr. 5-1 Konstrukce posuvů...43 Obr. 5-2 Konstrukce rámu z textitu....44 Obr. 5-3 Konstrukce rámu ze slitiny AlMgSi0,5...45 Obr. 5-4 Upevnění kostek na ložiska...45 Obr. 5-5 Konstrukce rámu osy y...46 Obr. 5-6 Pojezd osy z...46 Obr. 5-7 Celkové umístění osy z na stroji....47 Obr. 5-8 Celkový pohled na dokončený stroj...48 Obr. 5-9 Začátek stavby řezačky....49 Obr. 5-10 Použití trubek ke stabilizaci řezačky...49 Obr. 5-11 Základové desky s vedením osy x...50 Obr. 5-12 Provedení svislých pojezdů a stabilizačních ložisek...50 Obr. 5-13 Napínací zařízení...51 Obr. 5-14 Osazená deska oddělovače a plošný spoj...53 Obr. 5-15 Hotová deska řízení motorů a plošný spoj....54 Obr. 5-16 Grafy M = f(ω) pro motory firmy Microcon...55 Obr. 5-17 Momentová charakteristika motoru SX 16-0402LA...56 Obr. 5-18 Schéma zapojení zdrojů....57 Obr. 5-19 Hotový zdroj...58 Obr. 7-1 Výrobky zhotovené na jednotlivých strojích...60 4

SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN A SYMBOLŮ F f [N] síla způsobená zatížením F p [N] síla na ložisku F G [N] tíhová síla F p1 [N] síla na ložisku horní tyče F p2 [N] síla na ložisku dolní tyče F a [N] síla v podpěře F ax [N] axiální síla vzniklá součtem sil F f a F p C f [N/mm2] materiálová konstanta a p [mm] plocha třísky f min [mm/min] posuv za minutu f z [mm] posuv na zub N [1/min] otáčky vřetene x [1] exponent g [m/s2] tíhové zrychlení m i [kg] hmotnostní příspěvky w h [mm] posuv horní tyče frézky w d [mm] posuv spodní tyče frézky w c [mm] celkový posuv nástroje w v [mm] posuv horní části svislého pojezdu řezačky w n [mm] posuv pojezdu osy x frézky ve směru y M t [Nm] točivý moment η [1] účinnost převodu R [Ω] odpor U [V] napětí I [A] proud P [W] příkon 5

1. ÚVOD V českém prostředí má bohatou tradici domácí kutilství, při němž nacházejí uplatnění i složitější technologie, nástroje a zařízení. Do značné míry se jedná o jev specifický pro Českou republiku, s nímž se v zahraničí běžně nesetkáváme. S rozvojem a vzrůstající dostupností výpočetní techniky a s možností jejího využití při ovládání strojních zařízení se rozšiřuje pole působnosti hobby aplikací. V domácí dílně lze dnes svépomocí s přijatelnými finančními náklady sestavit zařízení, jehož pořízení na trhu by pro jednotlivce bylo finančně neúnosné. Jeho parametry přitom mohou být zcela dostačující pro občasné hobby použití. Domácí využití PC k hobby aplikacím se uplatňuje v mnoha oblastech. Z výše uvedeného vyplývá, že se dnes lze i v domácí dílně setkat se strojním zařízením, k jehož řízení slouží stolní PC opatřené příslušným programovým vybavením CNC aplikace. Jedním z příkladů využití takového zařízení může být CNC frézka a řezačka polystyrenu pro modelářské účely, které se uplatní při zpracování dílů z balsy a měkkých materiálů. CNC frézku lze využít také při gravírování, s řezačkou lze například vytvářet polystyrenové výřezy pro další použití. Cílem diplomové práce je navrhnout a realizovat stavebnicové CNC zařízení určené převážně pro hobby účely v cenových relacích, technologické náročnosti a s použitím materiálů, jež jsou dostupné amatérským stavitelům. 6

2. LITERÁRNÍ PRŮZKUM 2.1. Současné trendy v konstrukci domácích CNC strojů 2.1.1. Konstrukce strojů S rozvojem elektroniky a používáním domácího PC se spousta lidí začala zabývat myšlenkou zhotovit si domácí obráběcí stroj řízený počítačem. V současné době je na světě spousta stavitelů různých CNC strojů, a to zejména frézek a řezaček polystyrenu. Materiály používané na stavbu jsou převážně kovy a dřevoštěpové laminované desky. V konstrukci pojezdů frézek se nejčastěji objevují následující tři řešení: lineární ložiska na vodicích lištách, lineární kuličková ložiska na vodicích tyčích a kluzná ložiska na vodicích tyčích. Co se týká pohybujících se částí, jsou stavěny stroje s posuvným stolem i s posuvným nástrojem. Výhodou posuvného stolu je konstantní tuhost stroje při polohování nástroje, nevýhodou jsou ovšem větší nároky na zástavbový prostor stroje. Při použití koncepce s pojízdným nástrojem je třeba mít na paměti měnící se tuhost při obrábění, což se ale dá využít také při obrábění tužších součástí, kde lze použít polohu stroje s vyšší tuhostí. Jako vřeteno stroje se nejvíce používají levné ruční horní frézky určené pro kutily. Jsou ale i konstrukce používající jako obráběcí vřeteno různé gravírovací frézky, které jsou ale obecně dražší, zato mají malé rozměry. Otáčky u vřeten se pohybují v regulovatelném rozsahu 0-30 000 ot/min. Jsou i vřetena domácí výroby, která umožňují dosažení otáček až 50 000 ot/min. Tato se často vyrábějí z modelářských elektronicky komutovaných motorů s využitím regulátorů vyráběných k těmto motorům. K posuvu pohyblivých částí se používají šrouby, a to jak s metrickým závitem, tak hlavně pohybové šrouby se závitem lichoběžníkovým. Některé konstrukce používají i posuv ozubeným řemenem. To má výhodu v možnosti vyšších pojezdových rychlostí, ale za cenu zvětšení posuvu na krok a tudíž teoreticky ve snížení celkové přesnosti. V dalším textu jsou uvedena některá konstrukční řešení frézek. Konstrukci pojezdů lze realizovat pomocí bronzových pouzder jezdících na broušených tyčích. Pohybové šrouby jsou umístěny centrálně a spojeny s konstrukcí rámu stroje, pohybuje se obráběcí vřeteno, stůl je pevný. Jako vřeteno slouží modelářská gravírovací frézka (viz Obr. 2-1), zdroj lit. [26]. 7

Obr. 2-1 Konstrukce pojezdů realizovaná pomocí bronzových pouzder V dalším případě jsou pojezdy realizovány pomocí lineárních ložisek na vodicích lištách. Hlavní pojezdy mají pohon přes řemínky. Vřeteno sjíždí do řezu pomocí pohybového šroubu. Stůl je pevný. Jako vřeteno slouží gravírovací frézka (viz Obr. 2-2), zdroj lit. [26]. Obr. 2-2 Pojezdy s lineárními ložisky na vodicích lištách Dalším řešením jsou lineární pojezdy na vodicích železných profilech, které jsou demontovány z kopírky a použity na frézce. Není to řešení příliš tuhé ani přesné, ale konstruktérovi zřejmě postačující. Rám stroje z dřevoštěpových desek sešroubovaných stolařskými vruty. Jako pojezdové šrouby zde slouží obyčejné metrické šrouby, na šroubu je připevněna rukojeť pro ruční najetí na stanovenou pozici. Stůl je zde pohyblivý a vřeteno pevné. Je to jedna z nejlevnějších konstrukcí. Jako vřeteno slouží modelářská gravírovací frézka (viz Obr. 2-3), zdroj lit. [26]. 8

Obr. 2-3 Pojezdy z kopírky na vodicích železných profilech Následuje ukázka velmi levné konstrukce, kde jsou místo ložisek použita silonová pouzdra a jako vodicí tyče slouží kalibrované trubky. K pohonu pojezdů jsou opět použity obyčejné šrouby s metrickým závitem, na šroubu je připevněna rukojeť pro ruční najetí na stanovenou pozici. Stůl je pevný a pohybuje se obráběcí vřeteno. Jako vřeteno slouží modelářská gravírovací frézka (viz Obr. 2-4), zdroj lit. [25]. Obr. 2-4 Velmi levná konstrukce se silonovými pouzdry Při konstrukci řezaček polystyrenu se používá pevný prostorový rám stroje s vedením ukotveným na dolním i spodním rámu, zhotovený nejčastěji z ocelových profilů, nebo samostatné stranové pojezdy s letmo uloženým vertikálním vedením. Tyto pojezdy lze většinou přizpůsobit pro různou šířku řezaného materiálu. K posuvu pojezdů se zde v hojné míře využívá šroubů s metrickým závitem, někteří stavitelé ale mají použity i šrouby s pohybovým závitem, méně pak ozubené řemeny. Požadavky na tuhost konstrukce řezačky jsou malé, a proto se objevuje spousta originálních řešení od pojezdů uložených na kolejnicích modelové železnice až po lineární ložiska na vodicích profilech. Rovněž tak v 9

konstrukci rámu se používají různé materiály od různých plastů, přes dřevo až po kovové svařované konstrukce. Z následujících obrázků jsou zřejmá konstrukční provedení řezaček. Následují některá konstrukční řešení řezaček polystyrenu. Jedním z řešení je jednoduchá konstrukce s použitím pojezdů demontovaných z kopírky, závitových tyčí s metrickým závitem a rámem vyrobeným ze dřeva (viz Obr. 2-5), zdroj lit. [25]. Obr. 2-5 Jednoduchá konstrukce s použitím demontovaných dílů V dalším případě konstruktér použil prostorovou konstrukci s ocelovými profily horizontálních pojezdů na horní i spodní straně rámu; pojezdové šrouby jsou opět s metrickým závitem. Vedení pojezdů je lineární ložisko v ocelovém profilu (viz Obr. 2-6), zdroj lit. [26]. Obr. 2-6 Prostorová konstrukce Následuje ukázka profesionálního stroje složeného z hliníkových profilů se šrouby s pohybovým závitem a lineárním vedením (viz Obr. 2-7), zdroj lit. [25]. 10

Obr. 2-7 Profesionální stroj Stroj, který by byl stavebnicového charakteru a tudíž umožňoval vzájemnou přestavbu z frézky na řezačku s použitím některých univerzálních dílů, jsem nenašel ani jeden. 2.1.2. Motory a elektronika Motory jsou v amatérských konstrukcích používány jak starší, vymontované z různých zařízení typu kopírka, tiskárna apod., tak nové vybrané na základě provozních charakteristik, přičemž v zahraničí převažuje nákup nových a u nás naopak starší motory, což je ale dáno hlavně finančními možnostmi stavitelů. Nejčastěji používané jsou krokové motory s permanentními magnety rotoru 200 kroků na otáčku. Několik nejpoužívanějších motorů je na připojených obrázcích (viz Obr. 2-8 a Obr. 2-9), zdroj lit. [17]. Obr. 2-8 Motory Microcon SX34-6212 a SX23-2125 11

Obr. 2-9 Motory J69C05LT a Sanyo Denki CO. 103-770-4243 K ovládání krokových motorů domácí stavitelé používají speciální obvody přímo určené k řízení krokových motorů (např. Toshiba TA8435H nebo Nanotec IMT-901), nebo řešení s mikroprocesorem. Výhoda speciálních obvodů je v tom, že není potřeba programovat procesor, tudíž je toto řešení vhodné zejména pro stavitele, kteří nemají znalosti programování procesorů. Při řešení pomocí procesorů lze řídící program odladit dle vlastních požadavků. Řízení rozdělujeme na unipolární a bipolární. K přenosu dat z PC do řídícího obvodu se používá paralelní i sériový port. Při využití paralelního portu jsme omezeni poměrně malou rychlostí, s jakou můžeme posílat data na port. Tento problém se vyskytuje u operačních systémů Windows 2000 a vyšších. Při použití operačních systémů DOS, Windows 95, 98 tento problém není tak výrazný.velká výhoda paralelního portu je v tom, že na každý příkaz (step, dir) máme jeden pin, znamená to ale možnost ovládat pouze čtyři motory, protože máme omezený počet pinů. Při posílání dat přes sériový port problém s rychlostí nemáme. Nevýhoda je ale v nutnosti posílat data ve formě paketů, které musí umět řídící elektronika rozkódovat. Teoreticky není omezen počet ovládaných motorů. Na následujících obrázcích jsou dva konkrétní řídící obvody (viz Obr. 2-10 a Obr. 2-11), zdroj lit. [26]. Obr. 2-10 Deska řízení motorů s obvodem L 297 a L 298 12

Obr. 2-11 Deska řízení motorů s procesorem 2.2. Stav v oblasti řízení krokových motorů 2.2.1. Konstrukce krokových motorů Krokové motory jsou zvláštní formou synchronních motorů. Jsou řazeny mezi servomotory. To znamená, že jsou to převážně motory menších výkonů určené k polohování. Krokový motor se pohybuje nespojitě po jednotlivých úsecích. Krok je mechanická odezva rotoru krokového motoru na jeden puls napájecího obvodu. Frekvence napájecích pulsů určuje rychlost otáčení motoru. Pulsní řízení předurčuje použití krokových motorů především v číslicově řízených technologiích. Pohony s krokovými motory umožňují nejen přesné nastavování rychlosti, ale i polohování. Mohou pracovat jako polohová, případně rychlostní serva v otevřené smyčce. Veškerá vinutí krokového motoru jsou obvykle umístěna ve statoru a motor nemá žádné kluzné kontakty. Komutace nutná pro vznik točivého magnetického pole se provádí v elektronickém obvodu, bez něhož činnost krokového motoru není možná. Elektronický obvod není součástí motoru a prodává se buď jako samostatný pro jeden motor, nebo jako jednotka pro více motorů. Podle principu se rozlišují: reluktanční krokové motory krokové motory s permanentními magnety rotoru hybridní krokové motory Podle konstrukce rozlišujeme: rotační, lineární, tubulární a planární 13

Použití krokových motorů je široké. Používají se hojně v kancelářské praxi u kopírek a tiskáren, ale rovněž v obráběcích strojích, průmyslových robotech, zvedacích zařízeních a různých polohovacích a dopravních aplikacích. DRUHY KROKOVÝCH MOTORŮ Krokové motory jsou vyráběny buď jako dvou-, pěti-, nebo trojfázové. Jejich statory mohou být vícedílné a segmentované. Rotory mohou být konstrukčně různé. RELUKTANČNÍ KROKOVÉ MOTORY Jsou to motory s proměnnou reluktancí. Zákryt buzených pólů se zuby rotoru znamená minimální magnetický odpor. Při odpojení statoru od napájení nevykazují žádný přídržný moment. Základní krok obvykle závisí na počtu zubů rotoru. Stator i rotor tohoto typu kokového motoru jsou složeny z plechů. Mohou být tří- i vícefázové. Na následujícím obrázku (Obr. 2-12) je zjednodušený řez magnetickým obvodem čtyřpólového krokového motoru s proměnnou reluktancí. Na statoru je 8 vyniklých pólů s navinutými cívkami. Dvojice cívek na protilehlých pólech je spojena a tvoří vždy jednu fázi. Rotor je bez vinutí. Na povrchu rotoru i pólových nástavců jsou zuby pro dosažení jemného kroku. Obr. 2-12 princip krokového motoru Činnost krokového motoru je založena na změnách reluktance magnetického obvodu stroje při otáčení rotoru. Při zanedbání reluktance železa vůči vzduchu, rozptylu a zakřivení magnetických indukčních čar ve vzduchové mezeře je reluktance obvodu fáze statoru lineární funkcí překrytí zubů statoru a rotoru. Indukčnost cívky fáze je tedy 14

největší, jsou-li osy zubů rotoru a statoru proti sobě. Minimální indukčnost je v poloze posunuté o polovinu rozteče. Připojení napětí k fázové cívce B-B0 způsobí takový pohyb rotoru, při němž se snižuje reluktance obvodu, který je tvořen rotorem a těmi póly statoru, na nichž je cívka uložena. Při dosažení polohy, v níž je reluktance minimální, klesne urychlující moment na nulu. Vlivem setrvačných hmot se však rotor z této polohy vychýlí. Tím ovšem začne reluktance opět narůstat a opačně působící moment vrací rotor do stabilní polohy. Pokud po odpojení tohoto napětí přivedeme napětí na cívku C-C0, rotor se přestaví tak, aby reluktance nově vzniklého obvodu byla minimální. Motor se tak posune o jeden krok. Dalšího posuvu docílíme přivedením napětí na cívku D-D0. Při spínání cívek v opačném pořadí se bude motor otáčet na opačnou stranu. KROKOVÉ MOTORY S PERMANENTNÍMI MAGNETY Magnety jsou na rotoru buď nalepeny, nebo jsou zapuštěny do rotoru. Rotor se po přepnutí fází nastavuje tak, aby souhlasila polarita magnetů s tokem statoru. HYBRIDNÍ KROKOVÉ MOTORY Rotor motoru tvoří axiálně uspořádané permanentní magnety a dvě části z magneticky měkkého železa, přecházející na přesazené nástavce. Hybridní krokové motory mají malý základní krok, větší točivý moment a větší přídržný moment. Konvenční stroje mají na statoru symetricky rozmístěné 3-fázové vinutí, způsobující lichoběžníkové rozložení magnetické indukce ve vzduchové mezeře. NAPÁJENÍ STATORU KROKOVÉHO MOTORU Můžeme použít buď napájení unipolární, nebo bipolární. U unipolárního napájení má každý pól dvě vinutí, přičemž vede vždy pouze jediné vinutí. Ke spínání jsou zapotřebí pouze dva tranzistorové prvky, zdroj je předpokládán stejnosměrný. Bipolární napájení předpokládá pouze jediné vinutí fáze a čtyři spínače, tedy dvojnásobný počet spínačů. Motory s bipolárním vinutím dosahují obecně vyšších kroutících momentů VLASTNOSTI KROKOVÝCH MOTORŮ Vlastnosti těchto motorů jsou ovlivněny jednak jejich konstrukcí, jednak způsobem ovládání. Krokové motory s proměnnou reluktancí mají obvykle malý krok 1 až 5, výjimečně větší. Provozní momenty dosahují jednotek mn.m až jednotek N.m. Jejich 15

konstrukce je jednoduchá a levná. Krokové motory s aktivním rotorem mají složitější magnetický obvod a jsou tudíž dražší. Časová konstanta vlivem zařazení permanentního magnetu je kratší a tudíž rozsah otáček je vyšší. Motory s radiálně polarizovaným magnetem mají provozní momenty od jednotek mn.m do jednotek N.m. Velikost kroku je větší než 15, obyčejně 30, 45, 60. V současné době nejrozšířenější hybridní motory se konstruují s velikostí kroku od 0,36 do 5. Provozní momenty jsou od jednotek mn.m do desítek N.m. Tyto motory vykazují při daném objemu 2 až 2,5krát větší provozní moment než motory s proměnnou reluktancí. 2.2.2. Řízení krokových motorů TECHNOLOGIE OVLADAČŮ Ovladač krokového motoru přijímá slabé signály z řadiče nebo ovládacího systému a konvertuje je na elektrické (krokové) pulsy, které uvádějí motor do chodu. Ke každému kroku hřídele motoru je zapotřebí jednoho krokového pulsu. Při plném krokovém režimu u standardního 200krokového motoru je k uskutečnění jedné otáčky zapotřebí 200 krokových pulsů. Stejně tak u mikrokrokového režimu může být zapotřebí, aby ovladač vytvořil 50 000 i více krokových pulsů na otáčku. U standardních konstrukcí ovladačů je k tomu zapotřebí použít nákladné obvody. Obvyklé uspořádání prvků v soustavě vystihuje následující schéma (viz Obr. 2-13). Obr. 2-13 Základní schéma řízení TYPY OVLADAČŮ KROKOVÝCH MOTORŮ Pro průmyslové aplikace existují v zásadě tři typy technologií ovladačů. Všechny využívají převaděče ke konverzi krokových a směrových signálů z řadiče na elektrické pulsy do motoru. Zásadní rozdíl je ve způsobu, jakým nabudí vinutí motoru. Obvod, který plní tento úkol, se nazývá spínací pole. 16

UNIPOLÁRNÍ Název unipolární je odvozen ze skutečnosti, že přívod proudu je omezen na jeden směr. Vzhledem k tomu je spínací pole unipolárního ovladače poměrně jednoduché a levné. Nevýhodou využití unipolárního ovladače je však jeho omezená schopnost nabudit všechna vinutí současně. V důsledku toho se počet otáček (kroutící moment) snižuje o téměř 40% oproti ostatním technologiím ovladačů. Unipolární ovladače jsou výhodné pro aplikace, které pracují s poměrně nízkými otáčkami. R/L OMEZENÝ ODPOR R/L (Resistance/limited) - ovladače s omezeným odporem jsou z dnešního hlediska zastaralá technologie, ale u některých aplikací (s nízkým výkonem) se dosud používají, protože jsou jednoduché a levné. Nevýhodou použití ovladačů R/L je skutečnost, že využívají srážecí odpor k tomu, aby dosáhly téměř desetinásobku hodnoty proudu v motoru nezbytného k udržení užitečného zvýšení rychlosti. Tento proces také vytváří nadměrné teplo a musí používat napájecí zdroj se stejnosměrným proudem. BIPOLÁRNÍ MĚNIČ Ovladače s bipolárním měničem jsou zdaleka nejužívanějšími ovladači u průmyslových aplikací. Ačkoli jsou zpravidla dražší, nabízejí vysoký výkon a účinnost. Ovladače s bipolárním měničem mají navíc sadu spínacích tranzistorů, díky nimž není zapotřebí používat dva zdroje proudu. Kromě toho využívají most se čtyřmi tranzistory, recirkulačními diodami a snímacím rezistorem, který udržuje zpětné napětí úměrné proudu v motoru. Vinutí motoru se u ovladače s bipolárním měničem nabuzují na úroveň odpovídající přívodu proudu sepnutím jedné sady spínacích tranzistorů (horní a dolní). Snímací rezistor monitoruje lineární nárůst proudu, dokud není dosaženo požadované hodnoty. V tom okamžiku se otevře horní spínač a proud v cívce motoru udržuje spodní spínač a dioda. V průběhu času dochází k úbytku proudu, dokud není dosaženo požadované polohy a proces nezačne nanovo. Tento efekt změny přívodního proudu udržuje za všech okolností správnou hodnotu proudu do motoru. ŘADIČ Řadič dává krokové a směrové signály do ovladače. Většina aplikací vyžaduje, aby řadič zvládal také další řídicí funkce včetně zrychlení, zpomalení, kroků za vteřinu a vzdálenosti. Řadič také může být rozhraním a řízením pro řadu dalších externích signálů. 17

Mikroprocesorové řadiče nabízejí velkou flexibilitu v tom smyslu, že mohou fungovat buď samostatně, nebo v rozhraní na hostitelský počítač. Na následujícím obrázku jsou patrné prvky typického řadiče: Komunikace s řadičem probíhá buď přes sběrnici, nebo přes sériový port RS-232/RS- 422. Řadič v každém případě dokáže přijímat složené příkazy z hostitelského počítače a vytvářet nezbytné krokové a směrové pulsy pro ovladač. SAMOSTATNÝ PROVOZ V režimu samostatného provozu může řadič pracovat nezávisle na hostitelském počítači. Jakmile jsou programy pro pohyb zavedeny do energeticky nezávislé paměti, lze je spouštět z různých typů rozhraní obsluhy, jako je klávesnice nebo spínač, nebo prostřednictvím přídavných vstupů zapnuto/vypnuto. Ovládací systém krokového motoru pracujícího v režimu samostatného chodu je často dodáván s ovladačem a případně napájecím zdrojem a volitelnou zpětnou vazbou kódovacího zařízení pro aplikace v uzavřené smyčce, které vyžadují detekci zastavení a kompenzaci přesné polohy motoru. INTEGROVANÉ OVLÁDÁNÍ Integrované ovládání znamená, že je řadič součástí celého systému a přijímá příkazy z hostitelského počítače on-line během celého pohybu. Funkce komunikace, rozhraní obsluhy a zapnuto/vypnuto jsou koncipovány jako oddělené prvky systému. Ovládání a řízení pohybové sekvence uskutečňuje hostitelský počítač. V tomto případě řadič působí jako inteligentní periferní zařízení. K integrovanému ovládání jsou dobře uzpůsobeny aplikace CNC (computer numerical control), protože přísun dat je dynamický neboli se často mění. VÍCEOSÉ OVLÁDÁNÍ Mnohé aplikace pro pohyb musí ovládat více než jeden motor. V takových případech je k dispozici systém víceosého ovládání. Například na kartě ovladače krokového motoru připojené k počítačové sběrnici mohou být osazeny až čtyři řadiče a každý bude připojen k vlastnímu ovladači a motoru. V režimu sériové komunikace lze z jednoho komunikačního portu nebo kanálu zapnuto/vypnuto ovládat až 32 os. Některé aplikace vyžadují značnou synchronizaci, zejména při kruhové nebo lineární interpolaci. Zde může být nezbytné pohyb koordinovat s centrálním procesorem. Pro tyto typy provozů je na trhu řada ovladačů s jednou deskou nebo ovladačů modulárního typu. 18

U víceosých aplikací, které nevyžadují simultánní pohyb, kde je v jednom okamžiku v pohybu vždy pouze jeden motor, je možné krokový a směrový puls multiplikovat z jednoho řadiče do více ovladačů. 2.3. Software Pro efektivní funkci strojů je zapotřebí software, který umožňuje ovládat tato zařízení, tzn. je navržen přímo k tomuto účelu. Různé univerzální programy jsou k tomuto nepoužitelné, protože nenabízejí potřebné funkce, jako je podpora tzv. G kódu (G kód je speciální soubor příkazů vyvinutý pro ovládání NC strojů) a možnost importovat do programu formát dxf. Při výběru programů bylo nutno zohlednit požadavek na možnost tohoto programu ovládat elektroniku přes paralelní port. Dále bude stručně popsán vybraný software frézky a řezačky. Software pro frézku Výběr softwaru pro ovládání frézky vycházel z doporučení v modelářských a stavitelských diskusních fórech. Jelikož není žádný software, který by byl jednoznačně upřednostňován, bylo nutno otestovat demo verze nejpoužívanějších programů a zkoušet, jak bude který vyhovovat požadavkům na jednoduchost a efektivnost použití. Po prostudování diskusních fór byly vybrány následující dva programy: KCAM4 verze 4.0.11 společnosti Kellyware V4LT společnosti STEP-FOUR KCAM4 Jde o software určený pro řízení tříosých strojů. Je poskytován v demo verzi, která má časové omezení. Program lze instalovat pod operační systémy Windows 95/98, 2000 a XP. Koupit ho lze za cenu asi 3.000,- Kč. Tento program byl zkoušen jako první alternativa. Je to uživatelsky jednoduchý program, který umí základní příkazy G kódu, lze do něj importovat data v dxf formátu a jako výstupní lze zvolit paralelní port, na kterém jdou přiřadit výstupní signály různým pinům. Nelze v něm ale plně definovat dráhu nástroje a směr obrábění. První zkoušky ale byly provedeny s tímto programem. Při užívání tohoto software bylo zjištěno, že je třeba dávat pozor při startu obrábění, protože program neumí uspokojivě ošetřit polohu obráběcího nástroje a několikrát fréza zajela do podkladové desky. Po nabytých zkušenostech s tímto programem lze říct, že pro nenáročné 19

aplikace by postačoval. Na následujícím obrázku je ukázka grafického prostředí, které lze označit za přehledné a srozumitelné (viz Obr. 2-14). Obr. 2-14 Ukázka grafického prostředí programu KCAM4 V4LT Tento software je produktem firmy STEP-FOUR. Je určen pro řízení tříosých strojů. Program lze zakoupit asi za 7.500,- Kč i s hardwarovým klíčem, který je implementován do redukce k paralelnímu portu. Program je psán pro operační systém DOS. Je to kvůli lepšímu ovládání paralelního portu, na kterém pod operačními systémy Windows dosáhneme menší rychlosti toku dat, tudíž menších rychlostí pojezdů. Tento software je velice intuitivní a uživatelsky příjemný. Umožňuje kompletní nastavení dráhy frézovacího nástroje. Má implementovány materiálové a nástrojové knihovny, do kterých je samozřejmě možno doplňovat vlastní materiály a nástroje. Přiřazení pinů portu má tento program pevně dané a je třeba se tomu přizpůsobit při výrobě ovládací elektroniky motorů. Na následujícím obrázku je ukázka grafického prostředí, které lze označit za přehledné a srozumitelné (viz Obr. 2-15. 20

Obr. 2-15 Ukázka grafického prostředí programu V4LT 2.3.1. Software pro řezačku Při výběru softwaru pro ovládání řezačky bylo opět vycházeno z doporučení v modelářských a stavitelských diskusních fórech, kde se jako nejpoužívanější jeví následující dva programy: GMFC-Pro autorů G Mullera a F Bugneta CeNeCe-Pro autorů J Lopeze a D Saeze GMFC-Pro Jde o software určený pro řízení 2x2osých strojů. Jje poskytován v demo verzi, která má časové omezení. Program lze instalovat pod operační systémy Windows 95/98, 2000 a XP. Koupit ho lze za cenu asi 3.000,- Kč. Tento program byl zkoušen jako první alternativa. Je to uživatelsky přijatelný program, který umí základní příkazy, lze do něj importovat data v dxf formátu a jako výstupní lze zvolit paralelní port, na kterém jdou přiřadit výstupní signály různým pinům. Pro svůj chod vyžaduje externí časovač 21