Фрезерные станки с ЧПУ предназначены для обработки плоских и пространственных поверхностей заготовок сложной формы. Конструкции фрезерных станков с ЧПУ аналогичны конструкциям традиционных фрезерных станков. Отличие от последних заключается в автоматизации перемещений узлов по УП при формообразовании.

Подавляющая часть портальных станков с ЧПУ имеет весьма схожую структуру. Фрезерный портальный станок с ЧПУ можно условно поделить на следующие части:


1.1 Станина

Станина - скелет станка, его несущая конструкция,в каком-то смысле станина и есть станок. От её правильной проектировки и исполнения(сварки, сборки) зависит самый важный параметр станка - жесткость, а следовательно, и точность обработки. Станины портальных станков изготавливаются из разнообразных материалов, однако наибольшее распространение получили станины, изготовленные из алюминиевого конструкционного профиля, фрезерованных алюминиевых деталей и сварные станины из стали (прокат или листовая сталь). Все более набирают обороты также литые станины из полимерных материалов, но задача литья такой станины не под силу начинающим. Подробней вопросы изготовления станины для станка будут освещены в отдельной статье.


1.2 Рабочий стол

Рабочий стол - это собственно поверхность, над которой перемещается рабочий инструмент станка ( фреза, гравер и т.д.). Стол служит для закрепления обрабатываемой заготовки, и это накладывает определенные требования на его конструктивное исполнение. Стол должен быть достаточно ровным, и обеспечивать возможность закрепить заготовку в любом месте. Основными решениями для этого являются использование стола с Т-пазами («Т-стол») и вакуумных столов. Стол с Т-пазами позволяет закрепить практически любую заготовку с помощью специальных зажимов. Вакуумные столы прижимают заготовку к себе за счет создания разрежения под сеткой на поверхности, поэтому они способны фиксировать только заготовки с плоской нижней частью(разнообразные листовые материалы), а также они существенно дороже. Однако вакуумные столы позволяют равномерно прижать заготовку по всей её площади, тогда как при фиксации большой плоской заготовки на Т-столе заготовка в центральной своей части может прогнуться вверх, что приведет к снижению соответствия размеров у конечной детали.


1.3 Приводы осей. Двигатели

Двигатели - связующее звено между электронной частью системы ЧПУ и механической частью, они (точнее, их управляющие модули - драйверы) получают сигналы с контроллера ЧПУ (часто в этой роли выступает персональный компьютер) и преобразуют их во вращательное движения собственного вала. В станках с ЧПУ используются 2 вида двигателей:

Серводвигатели и шаговые двигатели (а также линейные двигатели - разновидность серводвигателей. Линейные двигатели одновременно являются и трансмиссией для оси). Сказанное далее будет относиться
к классическим шаговым и сервоприводам. Шаговые двигатели распространены в самодельных станках с ЧПУ и бюджетных моделях промышленных гравировально-фрезерных станков, а также станков лазерной, плазменной резки и т.п. Причина - в их низкой стоимости и простоте управления. Драйверы шаговых двигателей - достаточно бюджетные устройства, широко представлены на рынке от самых простых моделей до весьма продвинутых цифровых драйверов. Платой за простоту и бюджет становится низкий КПД шаговых двигателей, их низкая удельная мощность, слабая способность к ускорению, высокие вибрации, гул и резонанс, что в сумме сильно влияет на эксплуатационные характеристики станка. Серводвигатели - двигатели с установленным датчиком угла поворота. Это семейство представлено достаточно широко, существуют щеточные и бесщеточные двигатели, постоянного и переменного тока. В целом про серводвигатели можно сказать, что их отличает высокая плавность хода, высокий КПД, способность переносить кратковременные перегрузки. Однако управление серводвигателем гораздо сложнее, серводрайверы - устройства существенно более дорогие и сложны в настройке.

Существует также бюджетные варианты щеточных серводвигателей, однако из-за наличия изнашивающейся части (щеток) они менее предпочтительны, чем бесщеточные.


1.4 Приводы осей. Драйверы двигателей

Блоки управления двигателями отличаются разным набором функций, а также разными электротехническими характеристиками. И если к серводвигателям блок, как правило, поставляется в паре, то шаговые моторы идут обычно без драйверов, а попробовав самостоятельно подобрать что-либо, можно очень надолго задержаться на этом этапе, так как предложений на рынке очень много.

Драйверы шаговых двигателей производства Purelogic R&D нового поколения обладают более высоким КПД, более низким нагревом, оптимизацией схемотехники и дополнительным набором функций, по сравнению со стандартными драйверами ШД. Драйверы нового поколения оптимально управляют токами обмоток шагового двигателя и просты в настройке.

Для примера драйверов нового поколения можно привести драйвер
шагового двигателя PLD8220-G3 (см. Рис.1)

main1.jpg
Рис. 1 DSP драйвер шагового
двигателя PLD8220-G3

PLD8220-G3 – цифровой драйвер нового поколения, предназначенный для управления шаговыми двигателями повышенной мощности (двигатели серии PL110 – PL130). Драйвер спроектирован на основе современного 32-х разрядного цифрового сигнального процессора (DSP), что позволило:

• применить сверхточные алгоритмы управления;
• получить максимальную отдачу от двигателя, повысить КПД;
• обеспечить возможность загрузки параметров по USB интерфейсу;
• повысить отказоустойчивость;
• увеличить чувствительность цепей защиты;
• увеличить деление шага (до 512);
• применить новые алгоритмы подавления резонанса;

Устройство оборудовано цепями защиты от КЗ обмоток, превышения рабочего тока и напряжения ШД. Встроенный компенсатор среднечастотного резонанса. Встроенный генератор сигнала STEP облегчает пуско-наладочные работы. Благодаря питанию напрямую от сети ~220V AC отпадает необходимость в мощном источнике питания. Цепи вторичного электропитания драйвера выполнены на основе трансформаторов 50Гц промышленного исполнения, что существенно повышает надежность и помехозащищенность драйвера.

Так же компанией Purelogic R&D представлены многоканальные драйверы - это законченное решение для ЧПУ станка, устройство состоит из конструктивно объединенных драйверов ШД и платы коммутации. Многоканальные драйверы подключаются к ПК или контроллеру PLCM и управляют ШД. Кроме этого в состав контроллера входят дополнительные устройства, необходимые для ЧПУ станка - таймер СОЖ, конвертор ШИМ>напряжение, силовые реле и пр. Purelogic R&D предлагает многоканальные драйверы ШД с разным числом каналов, для разных типов ШД и с разными интерфейсами управления LPT/USB/Ethernet. Одним из ярких примеров подобных драйверов является многоканальный драйвер шаговых двигателей PLC545 (см. Рис.2)


main2.jpg

Рис. 2 Многоканальный драйвер ШД PLC545


1.5 Передачи осей.

Задача трансмиссии, или передачи, - превратить вращательное движение вала двигателя в поступательное перемещение по данной оси. Как правило, передача реализуется одним из 3 способов: передача винт-гайка, ШВП или зубчатая передача ( шестерня-рейка или шкив-ремень). Как выбрать передачу для осей - тема отдельной статьи. Здесь достаточно указать на то, что передача вместе с видом двигателя (и его управления) определяет скорость перемещения по оси, разрешение задания позиции, а также влияет на точность. Каждый вид передачи изготавливается с определенной точностью. С помощью указанного производителем класса точности для данного элемента трансмиссии можно определить, какая погрешность будет вноситься им в работу станка.

1.5.1 Передача винт-гайка

Под передачей винт-гайка подразумевается пара стальной винт с трапецеидальной или метрической резьбой и гайка. Данный вид передачи является передачей с трением скольжения и на практике в свою очередь имеет несколько разновидностей.

1. Строительная шпилька и гайка.

Самый бюджетный вариант. Строительная шпилька вообще не редназначена для использования в станкостроении, техпроцесс её изготовления нацелен на применение в строительной сфере, вследствие чего данный вид передачи обладает самым полным набором недостатков - высокой погрешностью, низкой прямолинейностью, малыми нагрузочными характеристиками, малой износостойкостью, высоким трением и т.д. Однако, все же применяется в DIY-станках, изготавливаемых в учебных целях, вследствие низкой себестоимости. Если Вы решили во что бы то ни стало сэкономить на передаче и поставить строительную шпильку, обязательно предусмотрите возможность замены её на трапецеидальный винт или ШВП! Скорее всего, станок на строительной шпильке не оправдает Ваших надежд

2. Приводной винт с трапецеидальной или прямоугольной резьбой.

Винт с трапецеидальной резьбой - наиболее распространённый вид передачи в металлообрабатывающих станках в прошлом веке и по настоящее время. Трапецеидальные винты производятся их разных видов конструкционных углеродистых сталей путем нарезки резьбы на стальном прутке или её накатки. Накатные винты имеют существенно лучшие характеристики, чем нарезные. Широкое применение трапецеидальных винтов обусловливается их широкой номенклатурой, доступностью на рынке винтов разных классов точности, от C10 до С3. Гайка на винт изготавливается из износостойких материалов, таких, как полиамиды (капролон, нейлон), тефлон, бронза. Правильно рассчитанные и изготовленные трапецеидальные передачи отличаются высокой износостойкостью, т.к. трение идет с малым давлением(вследствие сравнительно большой поверхности трения). На многих все еще работающих станках советского производства пары стоят с момента выпуска станка, и не менялись уже 30-40 лет. Также на таких ходовых винтах возможно использование разрезных гаек, что позволяет с помощью сжатия гайки регулировать натяг и выбирать появляющийся со временем люфт. Из минусов стоит отметить, как ни странно, простоту изготовления винта, что автоматически означает наличие множества производителей, с очень широким разбросом показателей качества. Бюджетные серии винтов изготавливаются из стали #45 без закалки поверхности, что может привести к нарушению прямолинейности винта(иначе говоря, винты малого диаметра мягкие и часто гнутся в процессе транспортировки). К минусам и плюсам одновременно относится высокое трение в передаче. С одной стороны, это снижает КПД, требуется более мощный двигатель для вращения винта. С другой - трение несколько демпфирует вращательные колебания винта, что может быть полезным в случае использования шаговых двигателей (см. резонанс шаговых двигателей). Данный эффект, правда, проявлен достаточно слабо, и для борьбы с резонансом нужны другие способы. Подводя итог, можно сказать, что трапецеидальный винт еще не утратил своего значения в качестве передачи станка с ЧПУ и с успехом используется в станках всех классов.

main3.jpg


Рис. 3 Передача Винт-Гайка


1.5.2 Шарико-винтовая передача

Шарико-винтовая передача в настоящий момент является стандартом де-факто при строительстве станков с ЧПУ. Стальной винт с беговыми дорожками для шариков, подвергнутый индукционной закалке и последующей шлифовке, и специальным образом подогнанная гайка с циркулирующими внутри шариками. При вращении винта гайки катятся по беговым дорожкам, передавая усилие на корпус гайки. Такая передача отличается высокой точностью, высокими КПД (80, 90% и более) и ресурсом. ШВП чаще используется в станках с ЧПУ, так как его использование позволяет использовать двигатели меньшей мощности (не требуются столь существенные усилия страгивания, как в случае с передачей винт-гайка). ШВП поставляется как законченная пара, не требует подгонки гайки и зачастую не требует обработки концов для установки в опоры - это делает производитель, т.е. ШВП зачастую соответствует принципу plug and play, тогда как в случае использования трапецеидальных винтов гайки и винты зачастую изготавливаются в разных местах, и могут потребовать тщательной подгонки, без которой могут возникнуть зазоры, люфты, повышенное трение, износ и т.п. ШВП хуже переносит опилки, пыль и отсутствие смазки, чем передача винт-гайка, при попадании инородного тела даже очень малого размера передача может подклинивать, т.к. соседние шарики в канале вращаются в противоположном направлении. Часто требуется дополнительная защита винта с помощью гофроматериалов. ШВП, также как и трапецеидальный винт, имеют ограничения по длине - слишком длинный винт провисает под собственным весом и при вращении винта (скорость вращения винта с шагом 5 мм в портальных станках достигает 10-15 об/сек и выше) ведет себя как скакалка, от чего станок вибрирует, а узлы, фиксирующие винт, испытывают ударные нагрузки, их ресурс быстро снижается, в посадочных местах появляются зазоры, что в свою очередь усиливает вибрацию станка и снижает качество производимых изделий. Опыт показывает, что отношение диаметра ШВП к его длине не должно быть менее числа 0.022, а также не рекомендуется превышать длину винта в 2000 мм. Для устранения эффекта «скакалки» применяются конструкции с неподвижным винтом и вращающейся гайкой, но такие узлы, как правило, существенно дороже и сложней в изготовлении, а также требуют места, что не всегда возможно реализовать на компактных порталах. Если Вы планируете иногда отключать двигатели приводов и работать на станке в ручном режиме, то лучше не использовать ШВП - передача без самоторможения может доставить Вам уйму хлопот. О разновидностях ШВП и их особенностях смотрите основную статью.


main4.jpg

Рис. 4 Шарико-винтовая передача


1.5.3 Зубчатая передача
Зубчатые передачи, применяемые в станках с ЧПУ, бывают 2 видов


Ременная передача

Ременная передача используется в тех случаях, когда масса движимой части невелика. Зубчатый ремень растягивается вдоль оси и фиксируется по концам специальными пластиками. Зубчатый шкив надевается непосредственно на вал двигателя, закрепленного на движимой части (портале), плотных обхват шкива ремнем обеспечивается натяжными роликами, которые обычно изготавливаются из подходящих по размеру радиальных шарикоподшипников. Главный минус ременной передачи - свойства ремня. Несмотря на то, что все приводные ремни армированы стальным или стекловолоконным кордом, это не спасает его от растяжения, и чем длиннее ремень, тем сильней он будет тянуться. Чем сильнее тянется ремень, тем меньше точность и ниже частота собственных колебаний - передача может попадать в мощнейший резонанс на самых необходимых частотах перемещений. Этот эффект можно снизить, закрепив отрезок ремня на станке зубцами вверх, и наложив на него зубец-в зубец еще один ремень, приподняв петлю, в которую размещается шкив. Как видно из схемы, растяжению подвергается его незначительный по длине отрезок, что нивелирует указанные выше недостатки. Ременная передача дает мягкое движение, если нет резонанса, в отличие от ШВП практически не боится пыли и стружки, а также позволяет регулировать натяг ремня для выборки люфта, из-за чего в первом приближении зачастую ременные редукторы рассматриваются как безлюфтовые. Ремни используются, как правило, там, где нет высоких требований по точности и мала масса портала и нагрузка на рабочий инструмент - раскроечные станки плазменной резки, пенорезки.

main5.jpg

Рис. 5 Ременная передача

Зубчатая рейка.
Стальная зубчатая рейка используется на широкоформатных раскроечных станках плазменной и лазерной резки, портальных фрезерных станках широкого формата, форматно-раскроечных станках, где использование ШВП невозможно по причине провисания винта, а также где нужна высокая скорость перемещения. Передачи шестерня-рейка, также, как и ШВП, изготавливаются с определенным классом точности. Наибольшее распространение получили зубчатые передачи классов С5, С7 и С8. Зубчатая рейка, также, как и ремень, «не боится» пыли и стружки, но лишена недостатка растяжимости. Однако, при установке шестерни непосредственно на вал двигателя передача лязгает и вибрирует, что в сочетании с резонансом шагового двигателя может превратить Ваш станок в отличный вибростенд. Чтобы этого избежать, между двигателем и рейкой можно установить ременной редуктор, выполняющий демпфирующую функцию, или использовать двигатель с планетарным редуктором - тогда основную часть времени шаговый двигатель будет работать на высоких скоростях вращения, где резонанс практически не проявляется. Также возможным вариантом является применение серводвигателей. Зубчатая рейка классов С5 и С7 за редким исключением производится короткими отрезками длиной около 1000 мм, и для сборки станка её стыкуют специальным образом.

main6.jpg

Рис. 6 Зубчатая рейка

1.6 Направляющие.

Направляющие обеспечивают перемещение рабочего узла станка строго по заданной траектории. Качество самих направляющих и, что очень важно, качество их установки на станину - второй по важности фактор(после станины), определяющий точность вашего станка. К выбору направляющих стоит подойти очень ответственно.

1.6.1 Полированные валы

main7.jpg

Рис. 7 Полированные валы

Самый распространенный и бюджетный вид направляющих. Отличается высокой доступностью, легкостью обработки и установки. Полированные валы изготавливаются из высоколегированных сталей, как правило - конструкционных подшипниковых, и проходят индукционную закалку поверхности с последующей шлифовкой. Валы имеют заводскую индукционную закалку, что обеспечивает продолжительное время работы и сопутствует меньшему износу вала. Шлифованные валы имеют идеальную поверхность и обеспечивают движение с очень маленьким трением. Валы крепятся только в 2 точках на концах и поэтому монтаж их не представляет особой сложности. Однако, многие недобросовестные производители часто делают валы из дешевых и мягких сортов высокоуглеродистых сталей, пользуясь тем, что покупатель не всегда обладает средствами для проверки вида
материала и его твердости.


К недостаткам полированных валов относятся:

1. Отсутствие крепления к станине. Вал крепится в двух точках на концах - это облегчает монтаж направляющих, однако приводит к тому, что направляющие установлены независимо от рабочей поверхности стола. В то время в портальных станках крайне желательно ставить направляющие в жесткой связи со столом (такая связь снижает погрешности обработки, если рабочий стол подвергся искривлению, «повело винтом» - направляющие, повторяя изгибы стола, нивелируют часть погрешности).
2. Провисание на большой длине. На практике из-за провисания валы используют длиной не более 1 метра. Кроме того, важно отношение диаметра вала к его длине - для получения приемлемых результатов его значение должно быть не менее 0.05, желательно в пределах 0.06-0.1.

1.6.2 Шариковые втулки

main8.jpg

Рис. 8 Шариковая втулка

Линейные подшипники качения имеют сравнительно большие люфты по сравнению с каретками рельсовых направляющих и меньшие нагрузочные характеристики. Помимо этого для защиты от поворота каретки необходимо использовать как минимум два направляющих вала на одну ось.

Недостатки линейных подшипников качения:
1. Низкая грузоподъемность - следствие предыдущего пункта, а также конструктивного строения линейных подшипников.
2. Недолговечность. Каждый шарик линейного подшипника касается вала в одной точке, что создает очень высокое давление. Со временем шарики могут прокатать канавку на валу, после чего вал подлежит замене.
3. Люфт Бюджетные линейные подшипники многими производителями изготавливаются зачастую с весьма существенным люфтом.
4. Достаточно чувствительны к пыли и стружке на валу.

1.6.3 Валы на опоре

main9.jpg

Рис. 9 Валы на опоре

Линейные валы на опорах служат для поддержки направляющей по всей длине, что предотвращает её прогиб под воздействием нагрузки или собственного веса при большой длине и массе движущейся каретки. Цилиндрические рельсы крепятся непосредственно на станок. Отверстия с резьбой в опоре выполнены специально для удобного крепления и обеспечивают надежную фиксацию направляющей на станине. Цилиндрические рельсы имеют общие недостатки с полированными валам - высокий люфт у втулок, недолговечность. Однако цилиндрические рельсы уже не провисают на длине, и имеют большую грузоподъемность. В отличие от линейных подшипников на валы, каретки на цилиндрические рельсы реагируют на разнонаправленные нагрузки по-разному. Это происходит потому, что шариковые втулки на вал - замкнутые по контуру, а каретки на рельсы - нет. Этот эффект может привести, например, к тому, что небольшой станок с тяжелым шпинделем на цилиндрических рельсах может показать точность хуже, чем аналогичная конструкция на валах.

Валы и цилиндрические рельсы просты в производстве, по этой причине существует множество именитых и безымянных производителей данного продукта, и качество и параметры разнятся соответственно в весьма широких пределах. Бывает так, что каретки одного и того же безымянного производителя не подходят к его же валам из другой партии.

1.6.4 Шариковые профильные рельсовые направляющие

main10.jpg

Рис. 10 Профильные направляющие

Профильные рельсовые направляющие используются там, где требуется высокая точность. Также, как и цилиндрические, профильные рельсы крепятся непосредственно на станину станка. В профильных рельсах сделаны специальные дорожки качения, в результате нагрузка на каретку распределяется по рабочей поверхности дорожек качения равномерно - профиль касания шарик-рельс уже не точка, а дуга. Профильные рельсы отличаются высокой точностью и прямолинейностью, высокой грузоподъемностью,высокой износоустойчивостью, низким люфтом или полным его отсутствием. Недостатком профильных направляющих является высокие требования к шероховатости и прямолинейности места крепления, а также сложность установки. Как правило, рельсы и каретки выпускаются в нескольких вариантах - с преднатягом и грузоподъемностью разной степени. Классическим примером могут служить рельсовые направляющие Hiwin и THK. Профильные рельсы сложны и дороги в производстве, поэтому производителей рельсов меньше, чем производителей валов, и они (как правило) дорожат своей репутацией, качество профильных рельсов гораздо стабильней. Мы рекомендуем всегда, когда это возможно, использовать именно профильные рельсовые направляющие известных брендов для построения станков с ЧПУ.

Роликовые рельсы являются подвидом профильных направляющих, у которых дорожки качения - плоские, а вместо шариков в опорных модулях использованы ролики. Это позволило увеличить жесткость направляющей, грузоподъемность и долговечность. Роликовые направляющие используются в высоконагруженных металлообрабатывающих станках с ЧПУ, предназначенных для фрезеровки черных металлов, стали, камня. Вряд ли Вы ищете именно такие направляющие, иначе Вы бы не читали данную статью.


1.7 Шпиндель. Частотный преобразователь

Вообще говоря, вместо шпинделя может быть установлен другой узел - лазерный гравер, установка плазменной или лазерной резки, экструдер. Мы рассмотрим шпиндель , как наиболее нагруженный узел. Шпиндель - как правило, это электродвигатель, особенностью которого является низкое биение вала и возможность регулировать скорость вращения в достаточно широких пределах. Вал шпинделя оканчивается конусом, в который устанавливается зажимная цанга, которая держит режущий инструмент - фрезу или гравер. Ключевыми характеристиками шпинделя являются: биение вала (как правило, измеряется биение на конусе) и мощность шпинделя (указывается в ваттах). Большинство шпинделей предназначены для обработки дерева, пластика, камня, металлообработки. Скорость вращения варьируется обычно от 6000 до 30000 оборотов в минуту. Для фрезеровки и гравировки металлов используются мощные шпиндели с низкими оборотами (2000-10000 об/мин). Многие портальные станки, предназначенные для обработки дерева и пластика, могут гравировать металлы, и даже иногда фрезеровать цветные металлы, однако в этом случае станок испытывает сильную вибрацию из-за отдачи на фрезу, которая не может быть погашена легкой станиной, и это резко снижает качество обработки и ресурс станка. Фрезеровка и гравировка металлов и некоторых видов пластика требует охлаждения режущего инструмента. В настоящее время существует множество способов охлаждения рабочей области, но основным остается подача смазывающе-охлаждающей жидкости на фрезу. Некоторые шпиндели, управляемые инвертором, позволяют контролировать скорость вращения из системы ЧПУ, путем подачи на вход инвертора (частотного преобразователя) аналогового сигнала 0..+10 В.


1.8 Платы опторазвязки/коммутации.

Плата развязки, или плата коммутации - специальное устройство, которое подключается между логической и силовой частью системы ЧПУ для «разделения» сигналов. Эти достаточно распространенные устройства позволяют также удобно распределять сигналы с жил одного кабеля на различные устройства типа драйверов шаговых двигателей, а также часто снабжены дополнительными функциями. Рассмотрим некоторые из них.

Предположим, на Вашем станке установлены 3 биполярных шаговых двигателя с 4 выводами. Тогда, схематично систему можно представить в следующем виде:

main11.jpg

Рис. 11 Блок схема простейшей системы ЧПУ

На данной иллюстрации желтым обведен условный блок, который включает плату развязки, драйвер и Источник Питания . Желтым и зеленым выделены провода, по которым передаются импульсы управления STEP / DIR / ENABLE - приходят они в одном 25-жильном LPT-кабеле, а на плате развязки коммутируются на отдельные выходные клеммники, выделенный черным земляной провод (для типичного LPT-кабеля - внешний контакт разъема) - дублируется на каждом разъеме платы развязки, предназначенном для подключения двигателей.

Наиболее часто используемыми платами опторазвязки, производства компании Purelogic R&D являются платы серии PLC (такие как PLC4x-g2, PLC6x-g2).

main12.jpg

Рис. 12 Плата коммутации PLC4x-g2

PLC4х-G2 – плата расширения (breakout board), которая позволяет превратить ПК в полноценную систему управления ЧПУ станком. Плата подключается к LPT-порту ПК и транслирует сигналы управления с LPT-порта на силовые драйверы шаговых двигателей. Модуль PLC4х-G2 позволяет управлять 1 ... 6 драйверами шаговых/серво двигателей с интерфейсом STEP/DIR/ENABLE. Все управляющие сигналы, поступающие с LPT порта ПК, проходят через токоусилительный буферный элемент (ток каждого контакта усилен до уровня 10мА). Буферизация всех сигналов порта ЛПТ (входов/выходов) полностью предотвращает выход порта из строя,модуль можно подключать к любому порту с логической единицей 3.3-5В. Модуль имеет 6 оптоизолированных входов для подключения концевых выключателей и кнопки E-STOP. На модуле установлены клемные разъемы и разъемы типа RJ-45 для подключения концевых выключателей, нагрузок реле, напряжения питания и драйверов ШД. Модуль поддерживает работу со всеми драйверами ШД и СД производства Purelogic R&D, а также с драйверами сторонних производителей.

1.9 Контроллер управления

Если у Вас проблемы с управлением через Mach3, и признаки указывают, что проблемы связаны именно с используемым Вами LPT-портом, то сменой ПО они не решается. Небольшой процент случаев, в которых это помогает, относится к той части проблем, которые связаны с генерацией DIR в Mach3 или просто нехваткой производительности ПК.

Самый лучший вариант - использовать контроллер. Контроллер аппаратно сконструирован, чтобы управлять ЧПУ-системами. Он снимает вычислительную нагрузку с компьютера и сам генерирует STEP/DIR/ENABLE. Стабильная частота, оптимизированные алгоритмы позволяют с установкой контроллера PLCM сразу получить много преимуществ: максимальная скорость и момент двигателей возрастают. В некоторых случаях - в 1.5-2 раза можно нормально работать на ПК при запущенном Mach3, и не бояться, что запуск, например, Блокнота вдруг отберет процессорное время у Mach3, и тот просядет по частоте. Нормально генерируется DIR, что устраняет пропуск шагов на некоторых контроллерах с опторазвязкой.

Одним из ярчайших примеров подобных контроллеров производства компании Purelogic R&D является контроллер PLCM-E3.

main13.jpg
Рис. 13 Контроллер PLCM-E3

PLCM формирует импульсы гораздо качественнее, что значительно повышает момент работы двигателей и, как следствие, позволяет добиться большей скорости перемещения. В тестах на ШД без нагрузки максимальная скорость работы связки контроллер-двигатель без PLCM и с таковым отличается до 100%. Например, модуль PLC330, подключенный по LPT, раскручивает двигатель PL57H76 до ~20 оборотов/сек, после чего в работе ШД наступает «срыв». А будучи подключенным через PLCM-E3 модуль без срывов крутит ШД на скорости 40 оборотов/сек. Так же одной из особенностей данного контроллера является возможность использовать полный набор 3х портов ввода-вывода. Специально для работы с данным контроллером компанией Purelogic R&D была разработка удобная плата расширения PLCM-B1.

main14.jpg

Рис. 14 Плата расширения PLCM-B1

PLCM-B1 — это плата расширения для ЧПУ Ethernet/USB контроллера PLCM-E3/E3p, которая позволяет оптимально задействовать все его входы и выходы. На плате установлены разъемы для подключения 6-ти драйверов шаговых/ серводвигателей, 15 оптовходов, 16 оптовыходов, частотного преобразователя управления электрическим шпинделем и 6 сильноточных реле. Модуль PLCM-B1 позволяет управлять 1 ... 6 драйверами шаговых/серво двигателей (любыми с интерфейсом STEP/DIR/ ENABLE). Модуль можно использовать для создания различных X-Y-Z координатных систем — фрезерных станков ЧПУ, этикеточного оборудования, граверов, лазерных резаков, раскладочных станков.


Программное обеспечение систем ЧПУ

Помимо известных систем управления ЧПУ, таких как Mach3 на рынке представлено большое количество продуктов, работающих как с собственными контроллерами (UCCNC, NCStudio) так и работающих с LPT-портом (TurboCNC, LinuxCNC).

Компания Purelogic R&D представила собственную разработку системы управления ЧПУ станком.

PureMotion – это самая современная система управления, позволяющая максимально широко реализовать функционал Вашего станка. PureMotion позволяет производить обработку изделий с прецизионной точностью и обеспечивает оперативное решение производственных задач на современном оборудовании. Для работы системы управления требуется контроллер перемещений PLCM-E3 или PLCM-E1b, персональный компьютер (десктоп или ноутбук) c ОС Windows и установленное ПО PureMotion.

Основные отличительными особенностями Puremotion от прочих подобных продуктов являются:

• Клиент-серверная архитектура.
• 9 координатных осей.
• Широкие возможности пользовательского интерфейса.
• Поддержка фрезеровочных и токарных функций.
• G-коды больших размеров и высокоточная фрезеровка.
• Три режима перемещения в PureMotion.
• Быстрый старт с любой строки G-кода.
• Регулировка скорости выполнения G-кода Feedrate override.

В таблице ниже приведен список основных параметров программного
продукта Puremotion, а также отличия версий Standard и Professional.


Станки Purelogic R&D. Типовые схемы подключения электроники систем ЧПУ

3.1 Станки серийного производства компании Purelogic R&D

Линейка станков Professional от PureLogic R&D - идеальное решение для малого и среднего бизнеса. Станки обеспечивают возможность фрезеровки, гравировки, сверления и раскроя широкого диапазона материалов включая дерево, пластик, мдф, мягкие и твёрдые металлы. Уникальная конструкция высокой жёсткости позволяет установить поворотную ось для четырёхосевой обработки, что открывает широкие возможности для высокоточного производства сложных изделий.

Станки компании PureLogic R&D с лучшей стороны зарекомендовали себя на Российском рынке и имеют хорошее соотношение цена/качество. Компания обеспечивает техническую поддержку, гарантийный и послегарантийный ремонт наших ЧПУ станков. Мы предлагаем услуги по монтажу и запуску приобретенного оборудования на площадях заказчика. Наши менеджеры всегда готовы ответить на любые Ваши вопросы по поставляемому оборудованию и помогут сделать правильный выбор.

3.2 Типовые схемы подключения электроники систем ЧПУ.

Рассмотрим подключение используемой электроники управления на примере станка PLRA4 производства компании Purelogic R&D.

main15.jpg

Рис. 15 Фрезерный станок PLRA4

В полную комплектацию данного станка входит следующие электронные компоненты:
• Многоканальный драйвер PLC545;
• Блок питания S-350-48;
• Шпиндель KRESS-1050FME;
• Дампер PLZ005-G2

Используя стандартный кабель подключения необходимо соединить основные функциональные компоненты системы управления станком ЧПУ:
1. Подача питания 220В на блок питания S-350-48; (см. Рис.16 п.1)
2. Подача питания от блока питания S-350-48 через дампер PLZ005-G2 (Дампер предназначен для защиты драйверов ШД и источников питания от обратной ЭДС создаваемой ШД при резких
торможениях/ускорениях) на многоканальный драйвер PLC545.(см. Рис.16 п.2)
3. Подключение обмоток двигателей станка к драйверу PLC545 (см. Рис.16 п.3)
4. Подключение всех используемых датчиков/переключателей. Это могут быть как датчики поиска базы станка, так и кнопка аварийной остановки Emergency Stop и т.п. (см. Рис.16 п.4)
5. Подключение многоканального драйвера PLC545 к управляющему компоненту, это может быть подключение по LPT-кабелю к порту LPT компьютера, либо к контроллеру управления, к примеру серии PLCM (см. Рис.16 п.5)

main16.jpg

Рис. 16 Схема подключения электроники управления


Настройка системы управления станка ЧПУ

4.1 Настройка используемого программного обеспечения
4.1.1 Когда все компоненты подключены, приходит время настроить используемый программный продукт.
Если говорить о Mach3, то фактически, вся работа основана на действиях с диалоговыми окнами, доступными из Меню Конфигурации (Config). Указания в тексте, например, Конфигурации>Порты и Пины (Config>Ports and Pins), означает, что нужно выбрать пункт Порты и Пины (Ports and Pins) из Меню Конфигурации (Config).

main17.jpg

Рис. 17 Выбор диалога Порты и Пины в меню Конфигурации

Если используется в работе прямое подключение к LPT-порту, то необходимо определить адрес используемого порта.

main18.jpg

Рис. 18 Вкладка Настройка порта и Выбор осей в диалоге Порты и Пины

Если вы собираетесь задействовать только один параллельный порт материнской платы вашего компьютера, то адресом Порта 1, по умолчанию, является значение 0x378 (т.н. шестнадцатеричный 378).

Если вы используете одну или более встроенных PCI карт параллельного порта, вам необходимо установить адрес каждой из них. Среди них множество стандартов. Запустите Панель управления Windows из Меню Пуск. Дважды кликаете по значку Система и выбираете в Свойствах системы окошко Оборудование. Щелкаете по кнопке Диспетчер устройств. Раскрываете дерево устройств на значке Порты (Com и LPT).

Дважды кликаете на первом LPT или ECP порте. Появляется новое окно. Выбираете в нем кнопку Ресурсы. Первые цифры в Параметрах первой строки I/O и есть искомый адрес. Запишите это значение и закройте диалог.

Примечание: монтаж и демонтаж любой из PCI карт может привести к смене адреса PCI карты параллельного порта, даже если вы его не трогали.

Если вы собираетесь задействовать второй порт, вам необходимо повторить вышеописанную процедуру для этого порта. Закройте Диспетчер устройств, Свойства системы и Панель управления.Введите адрес вашего первого порта в окошко адреса первого порта в диалоге Настройка портов (Port Setup and Axis Selection). Не указывайте префикс 0x для указания на шестнадцатеричное значение, так как Mach3 его и так подразумевает. Если необходимо, выберите Порт задействован (Enabled) для Порта 2 и введите его адрес. Теперь кликните по кнопке Применить (Apply), чтобы сохранить эти значения. Это очень важно. Mach3 не запомнит введенные значения, если вы перейдете к другому окну или закроете диалог Порты и Пины (Ports and Pins), не нажав Применить (Apply).

Для задействования двигателей, датчиков и прочих периферийных устройств необходимо указать в Mach3 номера пинов и портов которые использовались при их подключении.

main19.jpg

Рис. 19 Вкладка Выходы двигателей диалога Порты и Пины

Определите, куда подключаются электроприводы осей X, Y и Z вашего станка и кликните в соответствующих полях таблицы столбца Включен (Enabled), чтобы активировать эти оси. Если активны оси, которые не будут использоваться, кликните по соответствующей ячейке, чтобы зеленая галка сменилась красным крестиком. Если вам нужно изменить данные в ячейках столбцов Step Pin#, Dir Pin#, Step Port или Dir Port, дважды кликните мышью по ячейке, а затем введите нужные цифры. Если подключенные устройства управляются сигналами active-lo, убедитесь, что для них помечены столбцы сигналов Шага и Направления (Steps и Dir). Если вы используете оси вращения или подчиненные оси, их активизация и конфигурирование производится здесь. Если скорость вашего шпинделя регулируется в ручном режиме, то с этой таблицей работу можно закончить. Кликните по кнопке Принять (Apply), чтобы сохранить данные, введенные на этой вкладке. Если регулировка скорости вращения вашего шпинделя будет осуществляться с помощью Mach3, вам необходимо активировать (Enabled) Шпиндель в этой таблице. Распределите Шаги по портам и пинам (Steps pin/port), если вы используете Модулируемую Ширину Импульса ШИМ (PWM) и реле для изменения направления вращения.

Или распределите Шаги и Направление (Steps и Direction) по портам и пинам, если управление осуществляется этим способом. Если сигналы - active-lo, то вам необходимо задать их здесь. Когда закончите, кликните по кнопке Принять (Apply), чтобы сохранить данные, введенные на этой вкладке. Для подключения используемых датчиков необходимо перейти во вкладку Input Signals.


main20.jpg

Рис. 20 Вкладка Входные сигналы
диалога Порты и Пины

Обратите внимание на полосу прокрутки с правой стороны вкладки. Настройка параметров осей. Настройки скорости и ускорения. Окно Config->Motor tuning предназначено для настройки параметров перемещений осей станка. (см. рис.14)


main21.jpg

Рис. 21 Настройка осей Mach3

Параметр Steps per задает количество импульсов STEP, которые необходимо сформировать для перемещения инструмента на 1мм. Он зависит не только от механики, но и от выставленного на драйвере режима деления шага. Velocity задает предельно допустимую скорость перемещения по оси, выраженную в мм/мин. Acceleration - задает максимальное ускорение по оси в мм/с^2. Пример расчета параметра Steps per для конкретной передачи: предположим что имеем винт ШВП с шагом 5мм/об, шаговый двигатель 200 шагов/об работающий в режиме микрошага 1/16. Получим

Steps per = (200 * 16) / 5 = 640 шагов/мм.

Таким образом дискрет перемещения на 1 шаг - 1 / 640 = 0.0015625мм.

Если Вы используете LPT порт компьютера, не забудьте установить значения 5us в полях Step Pulse и Dir Pulse (подробнее об этих настройках).

Направления осей.
Зайдите в меню Config->Homing/Limits. Установите галочкув поле Reversed если вам необходимо изменить направление соответствующей оси. Эта настройка является аналогом смены полярности сигнала DIR в настройках Config->Ports and Pins->Motor Outputs.

Поиск нуля на оси

В том же окне Homing/Limits Вы можете настроить поиск нуля: поле Home Neg отвечает за направление движения при поиске нуля, а Home off задает координату, которую необходимо присвоить данной оси при нахождении датчика. Speed % - скорость (в % от максимальной) на которой «голова» будет двигаться к датчику.

Ограничение перемещения по оси Программное ограничение перемещений (Soft Limits) настраивается там же, в Homing/Limits. Для этого в полях Soft Max и Soft Min необходимо задать предельно допустимые координаты по осям. С помощью кнопки Soft Limits в главном окне программы можно включать и отключать режим Soft Limits.

4.1.2 Если говорить о настройки программного обеспечения Puremotion, то при первом подключении контроллера требуется сначала для каждого из устройств можно настроить IP-адрес и маску подсети, нажав на кнопку в строке «Адрес устройства».

Получение адреса от DHCP-сервера следует использовать, если в Вашей локальной сети есть DHCP-сервер (устройство, которое может
динамически назначать IP-адреса, им может являться обычный домашний сетевой шлюз для выхода в Интернет). Если в Вашей сети отсутствует DHCP-сервер, назначающий IP-адреса, необходимо выбрать пункт «Использовать следующий адрес и задать IP-адрес вручную.

Кнопка «Экспортировать» в нижней части окна позволяет сохранить настройки устройства (назначения входов и выходов для моторов, параметры осей). Затем можно подключить другое устройство и загрузить в него настройки с помощью кнопки «Импортировать». На вкладке «Настройка моторов» можно создать до 6 моторов, каждый из которых может быть подключён к любой из 9 осей. Для каждого мотора настраиваются выходы Step, Dir, Enable, входы Home, Limit Low, Limit High. В целом настройка параметров моторов аналогична настройке других ЧПУ систем для работы с контроллерами серии PLCM. Замечание В процессе обновления прошивки контроллера PLCM, логическое состояние входов и выходов не определено. Настоятельно рекомендуется обесточить силовую часть оборудования (драйверы, частотные преобразователи шпинделей) и другую периферию, для исключения возможности самопроизвольного включения аппаратуры в процессе обновления!

main22.jpg

Рис. 22 Интерфейс настроек PureMotion

Установка параметров двигателей и осей является одной из самых важных частей настройки ЧПУ системы. Двигателем в контексте программы управления PureMotion является физическая единица, т.е. исполнительный механизм станка (шаговый привод, сервопривод и др). Ось — логическая единица системы, имеющая связь с конкретным набором двигателей. К любой оси может быть привязан один или несколько двигателей. К понятию «Двигатель» относятся такие понятия как выходы Step/ Dir/Enable, датчики баз (нуля), датчики границ осей, а так же ось, к которой данный двигатель привязан. Добавление нового двигателя и установка параметров осуществляется на вкладке «Настройка двигателей».

main23.jpg
Рис. 23 Интерфейс настройки осей Puremotion

PureMotion позволяет настраивать следующие параметры двигателя:
• название двигателя
• управляемая ось
• выход Step
• выход Dir
• выход Enable
• вход Home
• вход Limit Low
• вход Limit High

Настройка осей.

Оси задают основные параметры перемещений, параметры поиска баз и границ станка. Установка параметров осей осуществляется на вкладке «Настройка осей».

main24.jpg

Рис. 24 Интерфейс настройки осей Puremotion

В PureMotion настройки осей имеют три основных категории параметров:

Параметры перемещений
- Ускорение
- Скорость
- Количество сигналов Step
- Частота сигналов Step
- Максимальная частота сигналов Step

- Параметры поиска базы
- Координата базы
- Скорость поиска датчика
- Скорость съезда с датчика
- Расстояние съезда

Параметры границ оси
- Нижняя граница
- Верхняя граница

Параметры перемещений
- Ускорение, ед/с2 - векторная физическая величина, численно равная изменению скорости за единицу времени. Данный параметр задает максимальное ускорение по оси в ед/с2.
- Скорость, ед/мин - векторная физическая величина, равная отношению перемещения к промежутку времени, за которое это перемещение произошло. Данный параметр задает предельно допустимую скорость перемещения по оси, выраженную в ед/мин.
- Количество сигналов Step, 1/ед - данный параметр задает количество импульсов Step, которые необходимо сформировать для перемещения
инструмента на 1 единицу расстояния (1мм, 1 дюйм и т.д.). Параметр зависит не только от механики, но и от выставленного на драйвере
режима деления шага для систем, построенных с применением шаговых приводов), коэффициента электронной редукции и разрешения энкодера (для систем, построенных с применением сервоприводов).
- Частота сигналов Step, кГц - недоступный для редактирования параметр оси. Зависит от установленных параметров Скорости и Количества сигналов Step и отображает текущую частоту генерации сигналов Step. Обратите внимание, что данный параметр не должен превышать Максимальную частоту сигналов Step.
- Максимальная частота сигналов Step, кГц - недоступный для редактирования параметр оси. Отображает максимально возможную частоту генерации сигналов Step для выбранного контроллера. Для контроллеров перемещения серии PLCM максимальная частота генерации Step составляет 100кГц на ось.


4.2. Часто задаваемые вопросы и основные ошибки при подключении/настройки электроники систем ЧПУ.

• Все правильно настроил, почему мне не удается подключиться к Ethernet-контроллеру?

Возможно, PLCM не удалось установить надежное соединение с вашей сетевой картой. Попробуйте вручную установить в её настройках режим «10Mbit/s, Full Duplex»

• Как установить неподписанные драйверы PLCM на Windows 7 x64?

В данной версии Windows запрещено использовать драйверы, не подписанные сертификационным центром компании Microsoft. Но все же существует способ обойти запрет использования таких драйверов. Для этого сразу после включения компьютера нажмите F8. Далее вы попадете либо в меню выбора режимов загрузки Windows, либо в меню выбора диска для загрузки. Вам нужно меню выбора режимов загрузки, поэтому если Вы попали в меню выбора дисков, то выберите диск на котором установлена Ваша Windows и нажмите Enter, а затем быстро нажмите F8 до начала запуска Windows и окажетесь там, где нам нужно. Выберите пункт Отключение обязательной проверки подписи драйверов (Disable Driver Signature Enforcement) и нажмите Enter. Вы загрузитесь в специальный режим Windows, на котором будет только отключена проверка подписи, а все остальные функции будут работать в обычном режиме. После перезагрузки компьютера Вы вернетесь обратно в обычный режим с проверкой драйверов. Для работы с PLCM Вам при каждой загрузке придется выполнять описанную операцию. Однако в интернете встречаются упоминания о том, как автоматизировать данный процесс.

• Во время обработки не соблюдаются геометрические размеры заготовки.

Чаще всего данная проблема связана с неверной настройкой параметров Step per (Mach3) количество имп. Step (Puremotion). Реже проблемы с механическими комплектующими используемых станков.

•При включении шпинделя отключается контроллер, с возможными ошибками «сработал Estop», «достигнуты Пределы»

Основной причиной такого поведения являются перекрестные наводки. Так как частотный преобразователь шпинделя является источником помех, то для его подключения необходимо использовать экранированную проводку.

• Во время перемещений двигатель дергается, хаотично меняет направление движения.

Необходимо проверить подключение обмоток двигателя к драйверу, такое поведение двигателя может возникать при переменном контакте. Еще причиной может служить неверно выбранные настройки двигателей, неверно назначенные пины.

• При работе двигателей возникает шум и вибрации.

Проверьте настройку драйверов относительно используемых двигателей по руководству пользователя, используйте встроенные функции подавления резонанса.



scroll-up