05:01:14 18/12/2017;
 Разработка станков MicroCNC и модернизация раннее выпущеных станков с ЧПУ


Пример модернизации 4-х координатного станка ВМ501

Механическая часть (станок, рутер).

Для модернизации и проверки работоспособности был выбран станок ВМ501. Это объясняется несколькими причинами:
  • Наличие некоторого количества этих станков (главное).
  • Малогабаритность.
  • Наличие поворотного стола (4-й координаты).
  • Возможность использовать его под решение требуемых задач.
    Начнем с последнего пункта. Требуется сделать станок с минимальными капитальными вложениями для изготовления лунки масленного канала в коленчатом вале. В настоящее время задача эта выполняется вручную, используется сверлильный станок 2Н125 с абразивным инструментом. Так как лунки необходимо делать строго по чертежу, то исполнителю требуется определенный навык. При некачественно исполнении лунки после операции шлифовки, лунку либо приходится делать заново, либо весь коленчатый вал уходит в брак. Недостаток ручной операции в том, что ее требуется выполнять на весу, с физической нагрузкой.

    Операционная система и система ЧПУ (CNC).

    В этом вопросе других мнений быть не могло. Только UNIX система. Остановились на ubuntu. Для UNIX есть хорошая система ЧПУ - linuxcnc. Ее и решили поставить. Скачали с LinuxCNC.org установочный диск с ubuntu-8.04 (hardy) и системой linuxcnc-2.33. Поставили. Сразу в Sinaptec Manager запретили обновлять ядро. Так как в дистрибутиве linuxcnc идет ядро специально для работы в системе реального времени. Конфигурация подробно описана в setup-emc2. Более подробно о конкретной конфигурации ВМ501 опишу дополнительно.

    Электрическая часть системы ЧПУ (CNC).

    Шаговые двигатели, драйверы шаговых двигателей и контроллеры с блоками питания выбрали от PureLogic. Оценка этой фирмы по 5ти бальной шкале - 5. Рассматривался еще и вариант питерской конторы StepMotor, но работать с ними получилось плохо. Вот их недостатки:
  • Тормоз с ответом.
  • Плохой сайт для клиента.
  • Недостоверная документация и несоответствие предложению и наличию.
  • Плохая логистика.
    С трудом получили у них 2 двигателя и на этом эксперимент с StepMotor закончили. Оценка по 5ти больной шкале для этой фирмы - 2.

    Что мы первоначально решили использовать от PureLogic? Так как планировалось использовать станок на обработке металла, то двигатели выбирались не менее 8-9Н/м. Для этих целей подходят и PL86 и PL110. Остановились на PL86H113. Для управления такими двигателями нужен отдельно драйвер и контроллер. С контроллером было все понятно - PLC4x. В чем его преимущество:
  • 4 оси (XYZA).
  • ШИМ преобразователь - для подключения частотника управлять шпинделем.
  • 3 силовых реле и 5 входов. Все входа с опторазвязкой.
    Драйверы выбрали PLD007. На тот момент других еще не было. Но при испытаниях выяснилось, что у этих драйверов нет защиты по обратной ЭДС и нет индикации сбоев. В последствии от этих драйверов пришлось отказаться. Окончательный выбор - PLD880.
    Блоки питания. Взяли один блок S-350-12 для питания слаботочных цепей и 4 блока S-350-70 для питания каждого драйвера+двигателя отдельно. С количеством слаботочных блоков мы ошиблись, надо брать 2 блока на 12В, так как для опторазвязки нужен отдельный источник питания. Его можно брать с компьютера, но если стыковать только посредством LPT порта и более не тянуть никаких проводов от системного блока до станка, нужно иметь 2 блока S-350-12. К этим блокам никакой претензии нет. Чего нельзя сказать о других, более мощных блоках. В процессе эксплуатации поняли, что допустили ошибку, купив малогабаритные импульсные блоки. Для домашних условий они подойдут, но для 16 часовой работы нет. Для последующих подобных разработок подойдет любой трансформатор дающий 60-80В во вторичной обмотке с током до 10-15 Ампер во вторичной цепи. Все драйверы+двигатели будем питать от нестабилизированного источника питания. Рабочее напряжение шагового двигателя не превышает 4-5В. А максимальный ток - 4-6А. Так как большое напряжение подается только при первоначальном пуске двигателя, что бы сдвинуть его, напряжение не столько критично, как ток. Поэтому трансформатор от 50-80В во вторичной обмотке с мощностью по 30Вт на ось решит проблему питания станка.
    Конечники оставили родные от станка ВМ501. Двигатель шпинделя тоже родной - обычный асинхронный двигатель на 2500 об/мин на 3 КВт. Управляется от частотника "Веспер" на 5 КВт. Кстати встроенный в PLC4x ШИМ показал себя не плохо, заработал почти сразу.

    Вот итоговая конфигурация электрической части ЧПУ:
  • Блок питания S-350-12 - 2 шт. (PureLogic).
  • Контроллер драйверов шаговых двигателей PLC4x - 1 шт. (PureLogic)
  • Драйвер шагового двигателя PLD880 - 4 шт. (PureLogic)
  • Шаговый двигатели PL86H113-4.2.4. - 4 шт. (PureLogic)
  • Трансформатор на 70В 20А от станка ВМ501 и простой мостовой выпрямитель с конденсатором на 1000 мкф 100В.

    Настройка LinuxCNC (Stepconfig Wizard).

    Ниже перечислены 12 шагов настройки программной части LinuxCNC. Конечно это очень усеченно, но для первичного ознакомления будет достаточно.
    Шаг 1
    Выбираем в меню редактирование существующей конфигурации.

    Шаг 2
    Выбираем имя конфигурации, которую будем настраивать.

    Шаг 3
    Жмем на "Далее".

    Шаг 4
    Перечислим основные параметры:
  • Machine Name - под этим именем вы впоследствие будете запускать станок
  • Axis configuration - число осей (для нашего случая 4 оси - XYZA)
  • Machine units - если вы не любите дюймы - то тогда миллиметры
  • Driver type - оставим Other, все равно другого ведь нет :)
  • First Parport Base Address - адрес порта, можно посмотреть в BIOS Setup
  • Base Period Maximum jitter - этот параметр свой для каждого компьютера. Как его настроить - описано хорошо здесь

  • Шаг 5
    В этом меню настраиваем паралельный порт. Некоторые сигналы нужно инвертировать для использования их с PLC4x. Здесь сразу задаются сигналы для конечников и для управления частотником шпинделя. Основные назначения сигналов:
  • Estop Out - аварийный останов
  • X,Y,Z,A Шаг - импульсы для вращения двигателя. Иногда их нужно инвертировать (как у нас). Но зависит от используемого компьютера.
  • X,Y,Z,A Направление - направление вращения двигателя. 0 - по часовой стрелке, 1 - против часовой стрелки. (можно наоборот).
  • Шпиндель PWM, CW, CCW - для управления частотником
  • Конечники. Используются сразу как конечные ограничители, так и переключатели при поиске HOME точек, в процессе настройки (привязки) станка.

  • Шаг 6
    Теперь настраиваем каждую ось отдельно. Рассмотри ось X
  • Motor step per revolution - число импульсов, поданных на шаговый двигатель, что бы последний выполнил один оборот.
  • Driver Microstepping - используется микрошаг или нет. В нашем случае используем микрошаг = 2.
  • Pulley teeth - передаточное отношение мотор - ШВП.
  • Leadscrew Pitch - шаг ШВП оси
  • Table travel - рабочая длина оси
  • Home Switch Location - место, где установлены конечники
  • Home Location - позиция, куда перейдет ШВП после того, как система найдет конечник (Home Switch Location)
  • Home Search velocity - скорость в секунду, на которой происходит поиск конечников (Home Switch Location). Не надо задавать очень большую. Как правило не менее чем в 2 раза меньше, чем Maximum Velocity
  • Home Latch direction - задает направление движения после того как находится конечный выключатель. В положении Same, обеспечивается более точное позиционирование.
  • Maximum Velocity - скорость перемещения по оси. Зависит от типа двигателя, шага ШВП
  • Maximum Acceleration - ускорение перемещения.

  • Шаг 7
    Аналогично настраивается ось Y.

    Шаг 8
    Аналогично настраивается ось Z.

    Шаг 9
    Ось A по умолчанию является поворотной, поэтому мы указываем Table travel от -9999 до 9999. Все остальное настраивается так же, как у трех предыдущих осей.

    Шаг 10
    Настариваем управление ШИМ для шпинделя. Что бы плавно регулировать шпиндель, задаем начальную и конечную скорости.

    Шаг 11
    Настариваем HAL и pyVCP интерфейс. Что бы лучше представлять, что тут выполняется, нужно прочитать Integration Manual.

    Шаг 12
    Ну и в конце концов записываем все изменения на диск.

    ИТОГИ.

    Подведеи итоги по модернизации СУЩЕСТВУЮЩЕГО (не изготавливаемого с нуля) станка.

    Итак:

  • Шаговые двигатели очень критичны к исполнению механники станка. Поэтому перед модернизацией необходимо очень тщательно отревизировать все ШВП. Это может быть очень дорого. Поэтому тут необходимо считать стоимость работ по ремонту всех ШВП и стоимости сервоприводов. Сервопривод стоит дороже на начальном этапе, но в процессе работы может отыграть на ремонте и точности. Стоимость шагового двигателя PL86H113-4.2.4 составляет 4900 руб., драйвер PLD007 3000 руб., контроллер PLC4x 2000 руб. (на 4 оси). Итого на 1 ось не более 8000 руб. Купить за такую цену сервопривод с координатным двигателем не реально. Но ремонт всех ШВП может стоить очень дорого, и это будет сопоставимо со стоимостью сервоприводов с двигателями.
  • Исходя из предыдущего пункта, применять шаговые двигатели вероятно более оправдано во ВНОВЬ СОБИРАЕМЫХ устройствах, а не при проведении модернизации уже существующих станков.
  • Монтаж соединения ШВП->ШД (Шаговый Двигатель). Как сказал бы В. И. Ленин - "Соосность, соосность и еще раз соосность". Так как при увеличении числа оборотов ШД его крутящий момент резко падает, то небольшое сопротивление в механнике приводит к потере импульсов и в итоге теряется повторяемость на N-ном количестве деталей.
  • Система LinuxCNC показала себя довольно устойчиво. Нормально сконфигурилась и встала. Учитывая то, что время по работе с этой системой еще мало, то конечные выводы о замечания последуют позже.

    В следующем разделе приведен краткий фотоотчет по проведению модернизации.

    Описание и фотографии станка (обрабатывающего центра) ВМ501.

    Станок до модернизации, в своем первозданном виде. Ход стола X/Y/Z 300х300х250. На фото видно какой большой двигатель используется для координаты A (поворотный стол). При этом мощность двигателя 7Нм при 1000 об/мин.

    Станок после того как с него снят барабан с инструментом, координатные двигатели, гидростанция, навеска.

    Общее фото станка с установленными шаговыми двигателями и конечными переключателями. Этот станок уже готов к работе. Но используется как отладочный стенд.

    Шаговый двигатель по оси X. Тип PL86H113-4.2.4.

    Шаговый двигатель по оси Y. Тип FL86STH156-4208A. Под ним расположен асинхронный двигатель шпинделя. Мощность двигателя 3 Квт.

    Шаговый двигатель по оси Z. Тип PL86H113-4.2.4. Слева видны провода, который идут к конечным выключателям.

    Щаговый двигатель по оси A (поворотная ось). Тип PL86H113-4.2.4. Под двигателем видны конечные выключатели по оси X.

    Общий вид электрошкафа с компьютером. Внизу виден трансформатор, который пришлось использовать с нестабилизируемым блоком питания, т.к. импульсный блок питания сгорел (видно одно пустое место в стойке блоков питания, над монитором). Справа от монитора частотный преобразователь на 5Квт от "Веспер". Используется для управления шпинделем.

    Контроллер PLC4x (на дальнем плане), четыре драйвера PLD007 (расположены попарно друг под другом) и три блока питания S-350-70. Вверху блок питания S-15-12 для питания низковольтной части. Один блок питания уже сгорел при быстрых перемещениях из-за обратной ЭДС, поэтому его заменили трансформатором с простейшим выпрямителем.

    Контроллер PLC4x четыре драйвера PLD007. Более детпльное фото. Фактически это вся электронная схема станка с ЧПУ. Раньше было 2 ящика...

    Модернизация ВМ501 с использованием драйверов PLD880.

    После изготовления первого станка мы учли недостатки выявленные при модернизации, и изготовили следующую модель. Изменения в основном коснулись электрошкафа и системы смазки.
    В новом электрошкафе разместили всю электрическую часть станка (кроме компьютера).

    В верхнем левом углу расположены автоматы и реле смазки станины, в верхнем правом углу блок питания на 12 вольт.

    Во втором ряду размещены драйверы шаговых двигателей. В связи с выходом новых типов драйверов мы пременили PLD880 вместо PLD007. Они имеют внутреннею защиту от превышения ЭДС и защиту по току.

    Рядом с драйверами ШД старый контроллер PLC4x.

    И в нижнем ряду слева трансформатор на 63В/630Вт, простой мостовой выпрямитель и дампер PLZ для предотвращения возникновения самоЭДС.

    В левом нижнем углу частотный преобразователь на 5КВт для управления шпинделем.

    Выключатели расположены на передней панели электрошкафа.


    На главную страницу
    Project by Alex V. Inozemcev & Alexandr V. Massja