Глава II. Реализация необходимых модулей управления станком ЧПУ

§2.1. Физическая модель аппаратной части

В первую очередь были проанализированы методы создания аппаратно-программного комплекса с ЧПУ. При конструировании механической части станка с ЧПУ были использованы детали, используемые в матричных принтерах. В частности это:

- направляющие с каретками;

- шаговые двигатели;

- силовые микросхемы управления ШД;

- соединительные  разъемы и шлейфы.

Направляющие с каретками были переоборудованы вместо бронзовых втулок на маятниковые подшипники, так как перемещение на бронзовых втулках с необходимыми нагрузками не представляется возможным из-за силы трения и малой мощности ШД. Подшипники обеспечивают свободное перемещение по координатам Х и У даже при значительных нагрузках (см. Рис.2.1.1).

Рис. 2.1.1. – применение маятниковых подшипников для кареток перемещения.

Все детали были надежно закреплены на листе ДСП. Для обеспечения перемещения шпинделя станка по оси Z были использованы детали из обыкновенного CD привода, в котором  применена червячная передача для перемещения лазера над диском (см. Рис.2.1.2.).

Рис.2.1.2. – применение деталей от CD привода для оси Z.

Все шлейфы ШД и двигателя шпинделя были проведены к соединительному разъему, который будет подключен к управляющей плате управления станком. Плата управления была собрана на базе микроконтроллера AT Mega 8 на монтажной плате с разъемом для программирования и необходимыми электронными элементами и микросхемами (см. Рис 2.1.3.).

Для тестирования аппаратной части станка была написана программа управления ШД для микроконтроллера. Алгоритм программы заключается в приведении в действие всех элементов станка без участия ПК, то есть, по заложенным в микроконтроллер командам. 


Рис 2.1.3. – общий вид аппаратного комплекса с монтажной платой.

Теперь есть аппаратно-программная часть, которая  управляет станком ЧПУ по трем координатам без использования ПК по предварительно «прошитым» в него алгоритмам и координатам.

§2.2. Анализ данных и структура файла сверления с расширением *.drl.

На первом шаге была разработана аппаратно-программная часть для сверления отверстий на плате для монтажа микросхем. Для этого был разработан алгоритм, который понимает определенный технический формат данных для сверления отверстий. Для осуществления поставленной задачи, был определен формат данных, с которым будет работать программный комплекс. Проанализировав информацию в Интернете о станках с ЧПУ, были сделаны следующие выводы: в основном все станки работают при помощи купленных драйверов управления ЧПУ и приложенных к ним программ “VriCNC”, которые разработаны за границей и стоят немалых денег. Но также из полученных демо-версий программ и “семплов” для ЧПУ было установлено, что в большинстве случаев для управления станками используется общепринятый формат “Gerber” работающий при помощи G- кодов.  Используя ресурсы [24] было получено:

G-code – это имя языка программирования для контроля над NC и CNC машинами. Был создан компанией Electronic Industries Alliance в начале 1960-х. Финальная доработка была одобрена в феврале 1980-о года как RS274D стандарт. В ходе разработки из-за огромной нехватки контроля над всеми многочисленными функциями и инструментами станков, несколько производителей CNC машин взяли G-code как стандарт. Дополнения и нововведения в G-code делалось самими фирмами производителями, поэтому каждый оператор обязан быть осведомлен в различиях между машинами разных производителей.

Содержание файла Gerber  

Ниже приведен простой файл Gerber, иллюстрирующий структуру и содержание формата:

G90 G70 G54D10 G01X0Y0D02 X450Y330D01 X455Y300D03 G54D11 Y250D03 Y200D03 Y150D03 X0Y0D02 M02

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Номера строк справа не являются частью файла, они были необходимы для изучения формата Gerber. Каждая строка представляет собой конкретную машинную команду, звездочка (*) – символ конца команды. Существуют разные типы команд и инструкций, начинаемые с G, D, M и данные координат X, Y.
Затем был осуществлен поиск приложений, работающий с подобным форматом. Внимание было остановлено на распространенной программе Sprint-Layout, предназначенной для разработчиков печатных плат. Данная программа имеет возможность экспортировать результаты в необходимом  нам формате Gerber. Теперь мы можем рисовать необходимые платы экспортировать результат для сверления отверстий в формате *.drl с G-кодами.

Далее был разработан метод анализа структуры данных в полученном файле и выбраны из него необходимые данные для сверления отверстий станком с ЧПУ. Первоначально было решено использовать для работы со станком несколько команд, которые будут указывать необходимые параметры, например, это могут быть однобайтовые команды, которые будут указывать, что:

- будет операция сверления;

- будут поступать данные о рабочих переменных;

- будет поступать блок координат;

- конец операции.

Также организован диалог ПК с МК. Который обеспечивает упорядоченную двустороннюю связь друг между другом  с возможностью отмены текущей операции.

Позиционирование станком осуществляться исходя из получаемых координат в формате “X123456Y123456Z123…”. То есть, первые три числа составляют целую часть числа, вторые три числа – дробную часть числа, а у координаты Z - только целую часть. Но в будущем, учитывая коэффициент расстояния на один шаг шагового двигателя на плоскости, будет отправляться только количество шагов для каждой координаты и необходимые команды.

Итак, о структуре данных в файле *.drl.  

В программе Sprint-Layout  был создан проект платы с тремя отверстиями. Внутренний диаметр отверстий установлен  1 мм. Размер платы не принципиален. Затем из меню Файл->Экспорт файла->"Формат Excellon" вызван мастер экспорта сверловки. Установлено Значение «сверлить со стороны печати» или со стороны монтажа (инвертируется горизонтально). Выбрана метрическая система измерения. В поле «Число после запятой» выбрано значение 3.3 и убрана галочка с удаления нулей, как показано на рис. 2.2.1.



Рис. 2.2.1. – Экспорт файлов на сверление.
Это  для того чтобы заранее подготовить файл для более удобного конвертирования в приложении для отправки на ЧПУ. Нажали ОК, указано имя файла и сохранено. Например, 123.drl. Затем, открывая полученный файл любым текстовым редактором имеем следующее:

M48 T1C001000 % G05 M71 T1 X008000Y009000 X019000Y008000 X030000Y004000 M30

В заголовке файла информация о версии языка, далее информация о том, что работаем с метрической системой и диаметр отверстия, в нашем случае это 001000 что означает диаметр сверла 1 мм. Затем команда G05 говорит о том, что будет осуществляться операция сверления. Затем начинается блок координат от команды T1, которая указывает на то, что сверлим с отверстия с диаметром 1 мм. И далее три строки данных с информацией о координатах. M30 означает конец программы. Из файла *.drl необходима только информация о координатах, а остальные параметры указываются непосредственно в приложении.

Для реализации данной задачи необходимо следующее:

·        Чтение данных из файла в массив построчно;

·        Анализ каждой считываемой строчки на содержание текста;

·        Если встречается код G05 (команда на сверление), то продолжаем анализ и считываем данные координат в формате 3.3 и заносим их в массив чисел для последующего формирования рисунка просмотра сверления.

·        Если встречается код M30 (конец программы), то завершаем анализ файла.

Вот пример реализации данной задачи на языке C++ в среде C++ Builder:

if (OpenDialog1->Execute())   {slist->LoadFromFile(OpenDialog1->FileName);   //загружает строки из файла (разделение по CR LF)     filedrl->Text=slist->Text;   // открываем файл для просмотра   } //это по нажатию кнопки «Загрузить»     //Затем анализ файла for(int i=0; i < s; i++ ) // s – количество строк     { str = slist->Strings[i]; // считываем из массива строку       if (str == "G05")       // и проверяем на наличие кода G05         { for (i=i+3;iесть код, читаем координаты           { str=slist->Strings[i]; //… и далее код программы

§2.3. Алгоритм чтения данных в микроконтроллере поступающих с ПК через
UART

Для управления станком с ЧПУ, используя микроконтроллер, была сформирована  совокупность команд и данных, которые будут «пониматься» контроллером, обеспечен диалог ПКßàМК. Это необходимо для того, чтобы обойти причину нехватки памяти на МК. Ведь передаваемый объем может быть намного больше объема ОЗУ на МК. Для этого было решено формировать буфер приема на МК в 255 байт (255 символов – это с запасом в 2 – 3 раза) и после передачи строки данных дожидаться подтверждения выполнения предыдущей команды и сигнал на разрешение передачи следующей строки. Проанализировав все необходимые условия, было решено разработать алгоритм приема данных на контроллере, так как на нем более ограничены возможности реализации различных методов.

Программирование контроллера изначально выполнялось в среде Code Visio AVR на языке C. Во избежание частого перепрограммирования МК, работа программы тестировалась в комплексе Proteus. Однако во время работы часто наблюдались различия выходных результатов в протеусе и  на самом деле, на «железе».

Для решения поставленной задачи, были анализированы функции и процедуры, имеющиеся в Code Visio AVR для работы с вводом/выводом через UART. Анализ велся исходя из поставленной задачи. Необходимо принять строку с ПК, отделить от другой строки, прочитать ее, анализировать на содержимое, если это команда -  то перейти далее к анализу данных о координатах. Здесь главное правильно выбрать формат принимаемых данных, чтобы он был наиболее удобен для использования имеющихся функций. Первое время не удавалось «правильно» читать строки данных поступающих на МК, так как необходимо точно определить последний символ строки. А также прием и передача в МК организована на прерывании. И данные хранятся в том самом буфере, которых два – один на прием, другой на передачу. В Интернете [18], [19] и в научных источниках [9], [11], [17] для решения поставленной задачи  были найдены функции, которые сканируют получаемые данные, автоматически выделяя строки. Например, такая функция, как scanf(), которая считывает из входного потока данные в формате определенном в первом параметре и сохраняет их в переменных, адреса которых переданы ей в качестве следующих параметров. Например:

Scanf
(“%
d
,%
d
/
n
”,&
x
&
y
);
- мы считываем два числа в десятичной форме, которые разделены запятой в переменные X, Y соответственно. Но, как говорилось ранее, есть проблема, касающаяся нахождения конца строк, и эта функция не совсем правильно работает с данными, которые поступают от ПК. Было решено создать «свою» процедуру, формирующую строки из поступающих данных. Приведем ниже реализацию алгоритма формирования строки:

su[ii]=getchar();      if (su[ii]=='\n')         {             sscanf(su,"G%d\n",&op);

 Опишем более подробно данный алгоритм. Мы не работаем напрямую с прерыванием по приему символа. Буфер формируется самостоятельно по прерываниям и не стоит загружать функцию формирования буфера лишними операциями. Мы, когда нам необходимо будет, спокойно считываем символы из буфера  (su
[
ii
]=
getchar
();)  в строку su, используя индексный массив, и одновременно проверяем  приходящий символ на наличие символа конца строки. При наличии такого, сканируем строку на всевозможно-необходимые для нас данные, которые могут быть в полученной строке. При помощи процедуры sscanf
(
su
,"
G
%
d
\
n
",&
op
);, которая в данном случае сканирует строку su на наличие символа ‘G’ и при наличии такого помещает в переменную op число, находящееся в строке после символа ‘G’.

Таким образом, удалось анализировать входящие данные на МК с ПК и выполнять различные действия исходя из полученных данных. В код программы для микроконтроллера было добавлено несколько процедур, обеспечивающих работу таких операций, как сверление, инициализация станка. Все операции управляются с ПК. В дальнейшем были реализованы операции выжигания, и режим ручного управления (Робот).

§2.4. Формирование файла сверления для отправки на микроконтроллер

Для ведения диалога ПКßàМК был организован алгоритм «общения» станка ЧПУ с ПК через интерфейс RS232 [1], [6]. Для этого организован диалог между МК и ПК, используя некоторый набор управляющих и информационных команд. Также, было учтено, что на МК размер буфера составляет 256 байт. То есть, при отправке большей информации, происходят потери данных и, вследствие этого, возникает ошибка работы, как станка ЧПУ, так и всей системы в целом. Для этого было решено отправлять данные на МК пакетами, размер которых не будет превышать 256 байт.

Но также нам необходимо знать, что отправлять. Был составлен список команд, которые будут использоваться для обеспечения диалога ПКßàМК. Например, отправленная на МК, команда G
05  означает, что начинается операция сверления, G
22 – операция выжигание.

§2.5. Операция сверления

Для сверлений отверстий необходимо знать координаты отверстия на плате и глубину опускания сверла. Для экономии времени и ресурсов, введем еще понятие начальной позиции сверла, то есть если рабочий ход сверла 100 мм, а толщина платы всего 3 мм, то нет необходимости полностью поднимать и опускать сверло над отверстием.  Функция перемещения по координатам на МК организована таким образом, что при выполнении в первую очередь перемещается ось Z, а затем ось X и Y. Поэтому алгоритм сверления отверстия на МК будет следующим:

1.     Получили команду G05 на сверление в основном цикле программы;

2.     Передаем управление процедуре сверления;

3.     Ожидаем строку с данными о начальной позиции сверла (ZN{значение}) и заносим его в переменную zn;

4.     Ожидаем строку с данными о максимальной позиции сверла (глубина опускания сверла  - ZH{значение}) и заносим его в переменную zh;

5.     Ожидаем строку с командой DRL1 (старт сверления) и передаем управление в цикл сверления;

6.     Ожидаем строку с командой DRL0 (конец сверления) и передаем управление в основной цикл программы, предварительно инициализировав станок ЧПУ, если нет такой строки, то выполняем далее;

7.     Ожидаем строку с координатами в формате “{значение_X},{значение_Y}” и заносим их в соответствующие переменные. Переводим сверло в указанную позицию, ось Z в позиции zn, затем включаем электродвигатель сверла, опускаем сверло до позиции zh,  и снова пункт 6;

При тестировании данного алгоритма не удалось добиться таких же результатов как в симуляторе на контроллере. После многих попыток изменения кода программы удалось добиться правильной работы на «реальном» устройстве, но пришлось пожертвовать правильными результатами в симуляторе. Это обусловлено несоответствием анализа конца строки симулятора и рабочего приложения с контроллером. В конечном результате удалось добиться успеха и произвести сверление пробных отверстий. При тестировании операции сверления было обнаружено, что точность станка не соответствует требуемой. После проведения серии тестирований, было установлено, что за один шаг шагового двигателя шпиндель станка ЧПУ проходит расстояние в 1,6 мм. Это значит, что невозможно будет сверлить отверстия для промышленных микросхем, так как не позволит существующая точность. Было решено увеличить точность позиционирования шпинделя станка. Для этого нужно увеличить передаточное число от ШД к кареткам. Для этого, были заменены существующие шестерни на соответствующие большего диаметра. Заменив шестерни быстрым монтажом сверху существующих и при помощи клея, а также удаления ШД от шестерни, как показано на рис. 2.5.1, были проведены еще несколько операций сверления.

Рис. 2.5.1. – увеличение передаточного числа от ШД к кареткам.

После модернизации станка вновь не удалось добиться желаемой точности. Теперь за один шаг ШД шпиндель станка ЧПУ перемещается на расстояние 0.8 мм. Это не то чего хотелось, но было решено оставить все так, как есть.

В программе рисования плат добавили объекты микросхем и некоторых компонентов, затем это все было импортировано через приложение и отправлено на станок для сверления отверстий на гетенаксе для приближения к поставленной задаче. Существующая погрешность станка частично компенсировалась программно, используя алгоритмы округления и учета коэффициента. После сверления отверстий, микросхема без усилий вошла в положенные отверстия. Этот факт еще раз убедил в необходимости увеличения точности станка.

При длительном тестировании было обнаружено, что иногда возникают ошибки сверления. Это обуславливается различными факторами, такими как помехозащищенность, отказ программных средств и различные неблагоприятные факторы. Для избегания данной проблемы было решено организовать систему контроля сверлимых отверстий и возможность контроля ошибочных операций с последующим исправлением ошибок.   Была написана процедура, организующая все необходимые функции контроля целостности операций, а также все необходимые доработки. Главные параметры для анализа целостности берутся из контроллера из данных, которые поступают на ПК после каждой завершенной операции перемещения каретки. В этих данных содержится информация о текущей позиции шпинделя станка ЧПУ. То есть в ответ мы должны получить ту же строку, которую отправили, и если строки различны, значит «ошибка», и добавляем данную строку в список ошибок для последующего исправления. Этим нам удалось добиться безошибочного сверления отверстий. Далее задумано развитие данного пункта. Но пока оставим это на будущее развитие.

§2.6. Ручной режим

Далее был создан модуль, который обеспечивает управление станком ЧПУ в режиме реального времени с набором различных команд. Команды управляют различными функциями станка ЧПУ. Среди них такие, как установка скорости, установка режима шага-полушага, включение-выключение двигателя сверла, перемещение каретки в трехмерном пространстве и другие. Все это было организовано использованием списка команд, взаимно понимаемых как контроллером, так и приложением, а также использованием уже имеющихся функций процедур на уровне, как микроконтроллера, так и на уровне ПК.

Описание используемых команд приведено ниже.

Команда	Описание
G02	Команда на вызов процедуры ручного управления
DRL1	Старт процедуры
X10	Позиция каретки по оси X
Y15	Позиция каретки по оси Y
Z32	Позиция каретки по оси Z
SLEEP5	Время задержки между импульсами фаз (глобальная скорость)
RM1	Выбор режима половинного шага – полного шагового
DRL0	Конец процедуры
DR1	Включение (1) выключение (0) двигателя сверла

Данные команды распознаются контроллером и выполняются необходимые операции в соответствии с командами. На уровне приложения отправки данных команд, решение задачи ручного управление было достигнуто следующим образом. Созданы необходимые визуальные элементы управления позицией шпинделя станка, включением выключением электродвигателей, смены режимов и т.д. При изменении значений любого из элементов, по включению обработчика данного события отправляется существующая команда на МК. В ответ ожидается информация о текущем состоянии станка. Только после успешного получения ответа, вновь возможна отправка пакета данных на МК.

После тестирования данного режима на реальном устройстве, было обнаружено, позиционирование станка не всегда выполняется в соответствии с управлением в приложении. Так как обработчик событий изменения параметров отправляет данные только при изменении данных на форме приложения. А отправка пакета данных происходит только после получения подтверждения предыдущей операции. На выполнение операции,  например перемещение каретки на определенное количество шагов, необходимо определенное время, и из-за этого пропускаются определенные пакеты данных. Для исправления данной ошибки было решено использовать либо очередь, что не совсем эффективно, либо организовать в C++ Builder  таймер, в котором будет проводиться проверка соответствия данных на ПК и текущей позицией станка ЧПУ.

§2.7. Выжигание

После выполнения ряда тестирований в режиме сверления и ручном  режиме, существующий станок ЧПУ был оборудован, вернее,  его  шпиндель, головкой для выжигания на материале. Используя возможности созданного станка, можно выполнить выжигание, используя как точечный метод, так и метод «рисования».

Под точечным методом понимается выполнение операции выжигания путем точечного опускания головки шпинделя с термическим инструментом в заданной точке, задержка его в точке соприкосновения с материалом на котором производится выжигание, затем поднимание головки шпинделя и перемещение в другую точку плоскости и повторение операции.

Под методом «рисование» понимается выполнение операции выжигания путем перемещения термического инструмента на поверхности материала по заданной траектории кривыми линиями, прямыми и т.д.

В качестве термического инструмента была сконструирована головка, состоящая из крепления и контактных разъемов для силовых проводов с одной стороны, куска нихромовой проволоки с другой стороны, изготовленной  в виде острого угла. Для питания «выжигателя» используется дополнительный адаптер питания от ручного «выжигателя» соединяющийся дополнительным проводом только во время выполнения операции выжигания.

Для выполнения данной операции был выбран точечный метод. Выбор зависит не только от собственного желания, но и как от технических причин, так и от программных.

Техническая причина обусловлена тем, что при движении выжигающего инструмента на поверхности материала из-за неровной поверхности и недостаточной жесткости инструмента, происходит сгибание инструмента и искаженность линий. Эта причина может быть устранена путем изготовления более точной и усовершенствованной механической части станка.

Программных причин, не позволяющих выполнять выжигание методом «рисования» на текущий момент всего   две, которые могут быть решены путем изменения программного кода, как на микроконтроллере, так и в программном продукте управления станком.

На уровне микроконтроллера решение данной проблемы заключается в усовершенствовании программного кода и добавления модуля, в котором необходимо реализовать метод рисования кривых линий и прямых.

В программном продукте управления станком ЧПУ необходимо реализовать модуль конвертирования векторных файлов (например *.dxf – стандартный формат данных, используемый во многих программных продуктах для создания векторных изображений в формате Gerber) в блок данных для отправки на микроконтроллер. Второй вариант – создание модуля непосредственного рисования кривых линий, прямых, окружностей и т.д. и подготовка  блока данных для отправки на микроконтроллер.

Программные причины небыли решены на текущий момент в основном из-за нехватки времени для реализации необходимых методом и создания модулей.

Для реализации точечного метода имеется почти готовый модуль сверления, который  был немного изменен для выполнения операции выжигания по точкам. Будем полагать, что координаты отверстий – это координаты точек, только вместо сверла, необходимо установить инструмент «выжигатель», и сверло включать нет необходимости, а питание на «выжигатель» подается постоянно от отдельного источника питания. Опишем алгоритм выжигания по точкам.

I –
На микроконтроллере:

1.     Ожидание команды на выжигание;

2.     Получение необходимых параметров для выполнения операции;

3.     Ожидание команды на начало получения блока данных о точках;

4.     Получение данных о координатах точки для выжигания;

5.     Перемещение «выжигателя» в указанную точку;

6.     Опускание выжигателя на указанную высоту для выжигания;

7.     Временная задержка на поверхности материала на выжигание;

8.     Поднимание выжигателя на начальную (указанную) высоту;

9.     Если не пришла команда конца блока данных, выполнение с 4 шага;

10.  Конец операции, инициализация станка.

II
– В программном комплексе на ПК.

1.     Загрузка изображения в поле обработки по нажатию кнопки;

2.     Сканирование изображения попиксельно и создание блока данных с координатами каждой точки, в зависимости от установленных параметров на форме, для отправки на микроконтроллер.

3.     Отправка блока данных с ПК на МК в режиме диалога по нажатию кнопки с визуализацией процесса и ведением статистики выполнения операции выжигания.

4.     Отмена выжигания по нажатию кнопки, а также возможность продолжения выжигания с указанной точки.

Алгоритм выжигания по точкам, реализованный программно на микроконтроллере особо рассматривать не будем, так как он практически аналогичен алгоритму сверления отверстий за исключением некоторых моментов:

- в качестве параметров на микроконтроллер передаются данные о начальной позиции «выжигателя», о высоте перемещения «выжигателя», о времени задержки «выжигателя» на поверхности материала.

- сверло в текущей операции не задействовано, следственно и двигатель сверла включать/выключать нет необходимости.

- для выжигания одной точки необходимо выполнить три команды в отличие двух при сверлении:

а) перемещение шпинделя станка в указанную точку координат;

б) опускание выжигателя на поверхность материала для выжигания;

в) поднимание выжигателя в начальную точку и ожидание данных о следующей точке.

Алгоритм и программную реализацию модуля выжигания по точкам на ПК рассмотрим более подробно.

В первую очередь, загружается изображение в поле TImage. Для этого  использован стандартный диалог загрузки изображений. Для работы необходим предварительно обработанный графический файл в формате *.bmp. Под предварительной обработкой следует понимать приведение изображения в оттенки серого либо черно-белого цвета, а также коррекция яркости, контраста, для создания более эффективного изображения. Эффективность изображения заключается в создании минимального числа точек для отображения нужного изображения. Это требование обусловлено тем, что для выполнения  выжигания необходимо определенное время, а также интенсивное выжигание в одной области приведет к сливанию выжженных точек в одно пятно, которое ухудшит визуальное восприятие готового продукта.

 После загрузки изображения, оно появится в поле приложения для визуального наблюдения. Далее необходимо анализировать информацию на изображении для формирования блока данных на отправку на МК. Для этого было решено программно исследовать каждый пиксель изображения на цветовую информацию. Практически это было реализовано при помощи функции ImageV->Canvas->Pixels[x][y], которая возвращает число и трех составляющих цветовой палитры. Чем меньше это число, тем темнее пиксель на изображении. Используя эту функцию, было решено отбирать только те точки, интенсивность  которых можно задавать непосредственно на форме приложения управления станком ЧПУ. Для этой цели был использован ползунок с ограничивающими параметрами в виде числовых констант под названием Интенсивность. Можно указать выбор пикселей, начиная от черных и заканчивая всеми пикселями, отличными от белых.

Сканируя изображение попиксельно, отбираются только точки, удовлетворяющие всем выбранным параметрам, записываем в блок данных координаты соответствующих пикселей для последующей отправки, одновременно отмечая на изображении зеленым цветом выбранные точки. Данная функциональность позволяет визуально анализировать полученные данные для выжигания. В случае неудовлетворения или других причин, можно изменить параметры и вновь произвести сканирование изображение с новыми параметрами отбора. Также есть возможность указать масштаб переносимого изображения, визуально это не отражается, но можно увидеть разницу в данных для отправки на МК. Для задания масштаба использован ползунок «Масштаб» с возможностью выбора от 10% до 400%.  Внешний вид модуля показан на рис. 2.7.1.

После формирования блока данных, в отведенное поле выводятся данные, которые практически готовы для отправки на МК. Далее по нажатию кнопки отправляется блок данных с командой на выжигание и с параметрами, необходимыми для выполнения операции. Командой на выжигание является текстовая строка "G22\n", за ней отправляются данные о начальной точке, точки достижения поверхности обрабатывания, временной задержки и отправка строки "DRL1\n", указывающая, что сейчас будет передача данных о координатах точек. И затем включается таймер ведения диалога между МП и ПК, каждая последующая строка будет отправляться   лишь после получения подтверждения о выполнении предыдущей команды в виде строки координат о положении шпинделя в координатной плоскости.
Рис. 2.7.1. – внешний вид модуля выжигания.

Остановка выполнения текущей операции может быть осуществлена при отправке строки "DRL0\n", пауза может быть осуществлена путем приостановления таймера ведения диалога. Для выполнения этих операций использована панель управления мультимедиа. Также добавлена опция продолжения с указанной точки. Предполагается ведение журнала для возможности автоматического продолжения выполнения операции при различных сбоях в работе, как станка, так и компьютера.

На первом этапе тестирования модуля выжигания, были обнаружены те же недостатки что и при сверлении. Речь идет о точности позиционирования станка, вернее о разрешающей способности. Как говорилось ранее – минимальное расстояние, на которое можно переместить шпиндель станка, равно 0.8 мм. То есть расстояние между пикселями на переносимом материале составляет около 0.8 мм в зависимости от диаметра выжигающего инструмента. Вопрос о совершенствовании станка и программных модулей для увеличения точности стал еще более актуальным.

§2.8. Модернизация комплекса ЧПУ

Ранее описывалась модернизация станка, заключающаяся в увеличении передаточного числа от ШД к лентам перемещения кареток в координатах X и Y. Теперь, проанализировав еще раз модуль управления ШД на микроконтроллере, было решено увеличить точность программно. В первую очередь был проанализирован предполагаемый результат данного мероприятия. Теоретически, была поставлена задача: сократить минимальное расстояние перемещения каретки станка с 0.8 мм до 0.2 мм, что  удовлетворило бы большинство потребностей при выполнении различных операций. То есть точность станка предполагается увеличить в 4 раза.

Разберем имеющийся алгоритм управления шаговым двигателем для перемещения на  определенный имеющийся на данный момент минимальный угол.

for(i=1;i<=ar;i++)               //импульсы шаг Ось X вперед {       PORTD.4 = 0;   PORTD.7 = 1;      //0001       delay_ms(sleep);   PORTD.5 = 0;   PORTD.4 = 1;      //0010       delay_ms(sleep);   PORTD.6 = 0;   PORTD.5 = 1;      //0100       delay_ms(sleep);   PORTD.7 = 0;   PORTD.6 = 1;      //1000       delay_ms(sleep); }

Данная подпрограмма вызывается при необходимости вращения шагового двигателя для перемещения каретки оси Х вперед на один шаг. Из цикла видно, что для этого необходимо отправить 4 импульса, как и описывалось в теории управления шаговым двигателем. Если подавать за один вызов управления ШД только один импульс, то в 4 раза сократится угол, на который провернется ШД, следовательно, и расстояние, проходимое шпинделем станка в координатной плоскости.

Остается только изменить данный модуль управления ШД. Для этого необходимо при подаче импульса запомнить позицию, чтобы при последующем вызове, подать «правильны» импульс во избежание нарушения схемы управления вращением ШД. Что и было сделано:

for(i=1;i<=ar;i++) {          //импульсы шаг Ось X вперед       switch (bx)  {   case 0 : PORTD.4 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.4 = 1; bx++; break;   // 0001   case 1 : PORTD.5 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.5 = 1; bx++; break;   // 0010   case 2 : PORTD.6 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.6 = 1; bx++; break;   // 0100   case 3 : PORTD.7 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.7 = 1; bx=0; break;   // 1000       default :;  } }

В подпрограмме была введена новая переменная bx  которая и выполняет функцию сохранения позиции. 4 импульса – 4 возможных значений в дополнительной переменной. При Подаче одного импульса – увеличивается значение bx на 1 и при следующем вызове подпрограммы будет подан «нужный» импульс. При достижении 4 импульса, переменная обнуляется, и цикл подачи импульсов будет продолжаться в соответствии с таблицей импульсов для управления ШД. Также была изменена подпрограмма перемещения каретки в противоположную сторону. Были изменены только подпрограммы управления ШД в режиме полного шага. В случае успешного тестирования будут изменены и подпрограммы управления ШД в режиме половинного шага.

Повторно был «прошит» микроконтроллер обновленной версией программного кода. При подаче питания успешно произошла инициализация станка. Загружено изображение для операции выжигания, просканировано, установлены параметры, нажата кнопка старт. После нескольких десятков строк обнаружено сильное искажение изображение на переносимом материале. Повторно проверены все параметры, изменено изображение, новь кнопка старт и вновь неправильная работа станка…

После нескольких тестирований, проанализировав ситуацию, было обнаружено, что причина в неправильном управлении ШД. Это обусловлено несоответствием подачи «нужных» импульсов при смене направления с прямого на противоположное. Это обусловлено неправильной организацией цикла управления ШД в обратном направлении. Теоретически был разработан алгоритм управления ШД в обратном направлении с любого момента управления в прямом направлении каретки. Соответственно были изменены необходимые участки подпрограммы. Вот пример перемещения каретки по оси Х в обратном направлении:

for(i=1;i<=ar;i++) {           //импульсы шаг Ось X       switch (bx)  {   case 0 : PORTD.7 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.7 = 1; bx=3; break;   // 1000   case 1 : PORTD.4 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.4 = 1; bx--; break;   // 0001   case 2 : PORTD.5 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.5 = 1; bx--; break;   // 0010   case 3 : PORTD.6 = 0; delay_ms(sleep); PORTD.6 = 1; bx--; break;   // 0100   default : ;  }  }

Сравнив с предыдущим фрагментов, видно, что переменная bx не увеличивается, а уменьшается, и порядок фаз подобран в соответствии с теоретическими расчетами.

Вновь был «прошит» микроконтроллер, инициализация, тестирование, и успешный результат. Цель была достигнута, теперь точность  позиционирования в 4 раза выше, а от первоначального результата в 8 раз, и за один шаг, шпиндель проходит расстояние 0.2 мм.

После еще нескольких тестирований станка, было вновь доказано что для некоторых операции, необходимо управление в режиме половинного шага, так как нужна большая мощность перемещения станка, в основном в оси Х, так как это наиболее нагруженная часть станка.

Теоретически, используя управление в режиме половинного шага, таким же путем можно увеличить точность еще в 2 раза, но тогда появляется необходимость постоянного удержания импульса на определенных фазах как указано в таблице управления ШД в режиме половинного шага, что приводит к перегреву, как обмоток двигателя, так и силовых драйверов управления им. Поэтому было решено управлять ШД в режиме половинного шага двойными импульсами, тем самым, освобождая фазы от нагрузок. При этом точность позиционирования сохраняется.

for(i=1;i<=ar;i++) {          //импульсы полушаг Ось X Вперед       switch (bx)  {   case 0 : PORTD.7 = 0; PORTD.4 = 0; delay_ms(sleep);   //1001       PORTD.7 = 1; delay_ms(sleep);                     //0001                              PORTD.4 = 1; bx++; break;   case 1 : PORTD.4 = 0; PORTD.5 = 0; delay_ms(sleep);   //0011       PORTD.4 = 1; delay_ms(sleep);                     //0010                              PORTD.5 = 1; bx++; break;   case 2 : PORTD.5 = 0; PORTD.6 = 0; delay_ms(sleep);   //0110       PORTD.5 = 1; delay_ms(sleep);                     //0100                              PORTD.6 = 1; bx++; break;   case 3 : PORTD.6 = 0; PORTD.7 = 0; delay_ms(sleep);   //1100       PORTD.6 = 1; delay_ms(sleep);                     //1000                              PORTD.7 = 1; bx=0; break;   default : ;  }               }

Таким образом, была достигнута достаточная точность, которая также очень расширит возможность модуля сверления отверстий в отношении точности. Практически рассчитав новый коэффициент количества «шагов» ШД от пройденного расстояния, были внесены изменения в константы программного продукта управления ШД с ПК.

Глава III. Анализ и тестирование комплекса

1. Реферат на тему Людина як суб єкт і об єкт політики
2. Курсовая Процесс ценообразования на предприятии
3. Диплом на тему Источник бесперебойного питания мощностью 600 Вт
4. Реферат на тему The Misanthrope By Moliere 1622 Essay Research
5. Диплом Анализ конкурентоспособности предприятия
6. Сочинение В том-то и признак настоящего искусства, что оно всегда современно, насущно, полезно
7. Реферат Борис Ельцин - первый президент Российской Федерации
8. Реферат Зубные отложения
9. Реферат Основные направления совершенствования учета основных средств
10. Реферат Американо-российские отношения в 2004 году