Strona główna arrow Biuletyn arrow Biuletyn 28 arrow Nowoczesny sposób sterowania urządzeń precyzyjnych
Nowoczesny sposób sterowania urządzeń precyzyjnych
Artykuł młodego inżyniera

Nowoczesny sposób sterowania urządzeń precyzyjnych (narodziny inżyniera)
mgr inż. Mariusz Pysznik

Na pewno każdy z Nas spotkał się z różnego rodzaju sztuką. Piękno można dostrzec prawie we wszystkim. Weźmy pod uwagę na przykład płaskorzeźby - ile to niejednokrotnie artysta musi poświęcić czasu nad jej wykonaniem.

W dzisiejszych czasach zapotrzebowanie na tego rodzaju sztukę jest stosunkowo duże, więc co można by zrobić by zadowolić potencjalnego klienta, który zamawia kilka takich samych egzemplarzy? Tu z pomocą przychodzi wykorzystanie urządzeń mechanicznych sterowanych komputerowo, do których należy zaliczyć tokarki czy też frezarki. Można śmiało powiedzieć, że to dość nietypowe rozwiązanie, lecz proszę mi wierzyć, że jest ono coraz częściej spotykane. Takie maszyny można zastosować również między innymi przy produkcji prototypowych płytek drukowanych, które występują w każdym urządzeniu elektronicznym. W tym celu, w sposób mechaniczny za pomocą różnego rodzaju frezów, zdejmowana jest warstwa miedzi z laminatu - z obszarów pomiędzy połączeniami elementów elektronicznych zwanych ścieżkami. Jest to niesłychanie duże ułatwienie dla projektanta, który może na bieżąco zbudować swój projekt, a następnie go przetestować. Niestety dostęp do tego rodzaju maszyn w Polsce jest bardzo ograniczony - chociażby ze względów finansowych, dlatego też postanowiłem podjąć się własnego wykonania plotera frezująco-grawerującego.

Moje zainteresowanie samym sterowaniem urządzeń mechaniki precyzyjnej rozpoczęło się ponad dwa lata temu, gdy na jednych z zajęć laboratoryjnych dostrzegłem ploter do drukowania. Zadałem sobie wtedy pytanie: Czemu by nie zastosować sterowania w podobny sposób do urządzenia grawerującego? Moja dociekliwość w poszukiwaniu informacji na ten temat doprowadziła mnie do szeregu kolejnych pytań, niestety i tym razem sprawdziło się powiedzenie: "Im dalej w las, tym więcej drzew". Wtedy to pomocną dłoń podał mi dr inż. Jerzy Kołłątaj, który wyraził zgodę na zostanie promotorem mojej pracy magisterskiej. Temat nie był wtedy jeszcze sprecyzowany, jednak pewnym było, że będzie on ściśle związany z urządzeniem do grawerowania. Po głębszej analizie zgromadzonych wiadomości uznałem, że odpowiednim tematem mojej pracy będzie: "Wykorzystanie technologii sterowania numerycznego w modelu plotera frezująco-grawerującego".

Tak naprawdę już wtedy wiedziałem, że stoi przede mną nie lada wyzwanie, a mianowicie budowa własnej konstrukcji plotera. Powód tej decyzji był prosty - brak dostępu do tego rodzaju maszyn, które mógłbym wykorzystać w swojej pracy.

Wstępne przyjęte założenie to przemyślana i stabilna budowa urządzenia gotowego do eksploatacji, którego zadaniem, w pierwszej chwili projektowania, miała być praca w laminatach - produkcja obwodów drukowanych, jednak po krótkiej analizie, doszedłem do wniosku, że walory plotera mogę znacznie poprawić, przy niedużo większym nakładzie finansowym i rozbudowie konstrukcji "zespołu osi Z", co pozwoli mi na zastosowanie maszyny do szeregu innych zastosowań jak:
  • grawerowanie wizytówek;
  • frezowanie płaskorzeźb;
  • frezowanie wyrobów artystycznych
  • banery reklamowe;
  • wiercenie otworów;
  • rysowanie;
Decyzja budowy w pełni funkcjonalnego urządzenia, spotkała się w pierwszej chwili z dezaprobatą otoczenia - co może być zrozumiałe ze względu na określony czas wykonania maszyny, "podyktowany" przez terminy obrony prac dyplomowych. Taki stan rzeczy jednak mnie nie zraził, a wręcz przeciwnie - zmobilizował do sukcesywnego działania w dążeniu do celu, polegające na umiejętnym połączeniu ze sobą kilku dziedzin, a mianowicie: informatyki, elektroniki oraz mechaniki precyzyjnej. O ile z pierwszymi dwiema miałem ciągły kontakt - chociażby ze względu na obrany kierunek studiów, to z trzecią byłby pewien kłopot, gdyby nie nabyte umiejętności podczas pracy w zakładzie tokarskim. Wiedza tam zdobyta w połączeniu z ogólnie dostępnymi informacjami, pozwoliła na selekcję i tak trudnych do zdobycia podzespołów mechaniki precyzyjnej.

Pracę nad ploterem rozpocząłem od zgromadzenia wszelkich informacji do jego budowy, następnie za pomocą rysunków technicznych stworzyłem wstępny zarys konstrukcji. Aby wyeliminować podstawowe błędy wykonałem kartonową makietę plotera w skali 1:1, co dało podstawę do stworzenia dokładnej dokumentacji, a następnie wykonania części mechanicznej pracy.

Charakteryzując zaprojektowaną przeze mnie konstrukcję plotera, należy zaznaczyć, że został on zbudowany w oparciu o technikę liniową wysokiej jakości. Za materiał konstrukcyjny posłużył mi stop aluminium - rodzaj PA6 oraz PA11 - zastosowany ze względu na dobre właściwości obróbcze. Elementy konstrukcyjne zostały wykonane bardzo dokładnie przy użyciu centrum obróbczego. Jego ramowa konstrukcja pozwoliła osiągnąć niewielkie gabaryty (800x600x550mm), co w konsekwencji daje pole obszaru roboczego 400x300x60mm. Aby zabezpieczyć urządzenie przed przekroczeniem tego obszaru zastosowane zostały wyłączniki krańcowe - mikrostyki. Załączenie któregoś z nich powoduje programowe zatrzymanie frezarki.

Kolejnym etapem mojej pracy było stworzenie części sterującej układem wykonawczym - zastosowałem sterowanie numeryczne. Jak podaje słownik internetowy, oparte jest ono na przetwarzaniu informacji cyfrowej i generacji sygnałów sterujących ruchem maszyn lub urządzeń. Służy głównie do sterowania wytwarzaniem geometrycznie zdefiniowanych przedmiotów, a więc takich, które można opisać cyfrowo na podstawie rysunku technicznego lub modelu CAD. Do sterowania numerycznego wykorzystuje się procesory - komputery, przez co używa się raczej nazwy CNC (Computerized Numerical Control). Współczesne układy sterowania numerycznego mają jądro programu sterującego i osobną część programu przeznaczoną do komunikacji z operatorem i otoczeniem. Ten system sterowania położeniem obiektu w układzie trzywymiarowym, wykorzystuje jako dane wejściowe, wartości liczbowe, odpowiadające położeniu obiektu w wybranym punkcie przestrzeni. Wszelkie dane - współrzędne trajektorii obrabianego obiektu, umieszczane są w tzw. pliku źródłowym - "g-code".

Jednym z takich programów sterujących, który wysyła sygnały do sterowników silników krokowych, reaguje na zadziałanie wyłączników krańcowych, załącza i wyłącza wrzeciono, pompę chłodziwa oraz umożliwia użytkownikowi szeregu zmian w ustawieniach, jest "Mach" - program komercyjny, posiadający ograniczenie w wersji "TRIAL", w postaci wykonania pierwszych 1000 linii kodu źródłowego. Zastosowanie niniejszego programu daje możliwość poznania współpracy pomiędzy operatorem, programem sterującym, a samym urządzeniem.

Wykorzystując bipolarne silniki krokowe o liczbie skoków równej 200, sterowaniu półkrokowym oraz użyciu napędu śrubowego z gwintem kulowym o skoku 5mm, uzyskałem dużą rozdzielczość plotera równą 12,5mm - taki stan rzeczy można znacznie poprawić stosując sterowniki pozwalającą na pracę mikrokrokową. Pragnę zaznaczyć, że konkurencyjne firmy oferują nowoczesne plotery o rozdzielczość w granicach 6¸24mm.

Sterowanie numeryczne w połączeniu z konstrukcją opartą na technice liniowej pozwoliły osiągnąć mi duże dokładności podczas obróbki - dowiodły to przeprowadzone badania, przy użyciu wysokiej klasy urządzeń pomiarowych - głównie mikroskopów. Wszelkie obliczenia umieszczone są w mojej pracy magisterskiej, w rozdziale nr12 i "prowadzą" one uzyskania wartości odchyłki dla różnych osi, określając tym samym dokładności całego urządzenia. W moim przypadku odchyłka nie przekroczyła wartości:
  • ±0,03mm - dla osi "X";
  • ±0,04mm - dla osi "Y";
  • ±0,07mm - dla osi "Z";
Jak widać powyżej najsłabszy rezultat uzyskałem podczas badań osi "Z". Co prawda odchyłka na poziomie ±0,07mm nie jest tragedią, jednak na pierwszy "rzut oka" może wydać się wartością niepokojącą - nic bardziej mylnego, gdy uwzględnimy informacje zawarte poniżej! Jestem przekonany, że winę za to ponosi nie samo urządzenie, lecz niewłaściwy sposób przymocowania badanej próbki do stołu. Zaiste problem ten zostałby rozwiany, gdyby urządzenie posiadało system dociskowy, który po przeprowadzeniu badań zostanie niezwłocznie wykonany.

Na ogół uzyskane z obliczeń dane typu dokładność, rozdzielczość, służyć mają tylko do informacji potencjalnego użytkownika, jednak wykorzystanie jednego z trzech sterowań krokowych (pełnokrokowe, półkrokowe, czy też w końcu mikrokrokowe), umożliwia skorzystanie z bardzo pożytecznej funkcji programowej, odpowiadającej za "zminimalizowanie" luzów urządzenia - teoretycznie do wartości rozdzielczości urządzenia - taka funkcja nie występuje w żadnym innym rodzaju sterowania. Zasada tej funkcji jest bardzo prosta - program w ściśle określony sposób "dodaje" lub "odejmuje" odpowiednią ilość kroków, podczas pracy plotera dla poszczególnych osi. Żeby jednak skorzystać z tej możliwości, trzeba znać możliwie najbardziej dokładną wartość odchyłki.

Całość plotera została wykonana solidnie, jednak aby tak mogło się stać, trzeba było poświęcić ogrom czasu nad każdym detalem. Samo zaprojektowanie konstrukcji pochłonęło kilka miesięcy. Dużym utrudnieniem wymagającym mojej determinacji była niedostępność w Polsce odpowiednich podzespołów mechaniki precyzyjnej. Tylko nieliczni dystrybutorzy firm zachodnich głównie z Niemiec, Włoch i Szwecji byli w stanie spełnić liczne oczekiwania klienta. Niestety taki stan rzeczy wiązał się z długimi czasami realizacji zamówienia oraz ogromnymi kosztami.

Na zakończenie zachęcam wszystkich zainteresowanych do zapoznania się z moją pracą magisterską, która została "zbudowana" ściśle chronologicznie, mając na celu przybliżenie czytelnikowi w sposób przejrzysty wszelkie zasady projektowania maszyn sterowanych numerycznie - nie ograniczając się przy tym do jednego typu urządzeń jakimi są plotery frezująco-grawerujące.
 
 
 
Copyright © 2007 Stowarzyszenie Elektryków Polskich Oddział Białostocki
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Design by MedLAN & pixelpin.com