Úvod
Mechanická část Elektronika Software
Úvod
Cílem těchto stránek je popsat amatérskou stavbu frézy na balzu nebo řezačky polystyrenu, v zásadě jakékoliv mechanické konstrukce poháněné krokovými motorky. Nenajdete zde žádný rozkreslený plánek, protože žádný nemám a taky není potřeba. Pokud postavíte RC model, postavíte i řezačku.
Vzhledem k dostupnosti krokových motorků a k novým trendům ve stavbě elektro RC modelů (park-flyery a slowflyery z polystyrenu, Depronu nebo EPP) se dostává do popředí zcela nový druh modelařiny. Pro polétání v parku se staví malé a levné modely až polomakety z polystyrenu, jejichž oprava je velmi snadná a vyříznutí nového dílu rychlé.Většina kutilů si staví vlastní řezačky, takže na webu se množí počet popsaných konstrukcí, které lze užít pro vlastní inspiraci. Uvedené konstrukce se dosti liší od naprosto triviálních až po prakticky profesionální.
Amatérská stavba mechanické části není příliš složitá. Pro zhotovení mechaniky je optimální použít hliníkové profily, v jejichž sortimentu nalezneme prakticky jakýkoliv průřez, který budeme potřebovat. Dalším důležitým zdrojem materiálů jsou vyřazené tiskárny, z nichž použijeme krokové motorky a tyče s pouzdry, po kterých se posunují hlavy tiskáren, použitelné jsou také mechanické a magnetické závory, optocouplery, převody a ozubené řemeny. Stavba mechanické části řezačky nebo frézy je jenom trochu jiná modelařina. Pokud se rozhodneme, že závitové tyče koupíme, nepotřebujeme soustruh.
V dalších odstavcích se proto pokusím popsat svůj postup při výrobě frézy na balzu a řezačky.
Základem jakéhokoliv CNC stroje je
- mechanická část
- elektronika
- řídící program
Mechanická část
Zhotovení mechanické části frézy nebo řezačky není zásadní problém. Pro stavbu amatérského vcelku přesně řezajícího zařízení stačí v zásadě pouze vrtačka a svěrák, soustruh není nutně potřeba.
Základem pro inspiraci je projít si některé odkazy na webu. Zde je publikována spousta zařízení od naprosto triviálních (kde základem posunu jsou lyžiny běhající na kuličkách ze stolních kopírek nebo vodící lišty šuplíků) až po profesionální konstrukce.
Fréza na balzu
Základem frézy je rám z hliníkových profilů spojený šrouby, ve kterém se ve dvou osách posunuje řezací hlava. Hlava je vyrobena také z hliníkových profilů. Frézka jako nástroj je vysokootáčková fréza upnutá v mosazném pouzdru nasazeném přímo na osu motoru Paličky. Hlava frézy se pohybuje nahoru a dolů na osičkách s bronzovými pouzdry, obojí je vybrané z disketové mechaniky 5 1/2 ". Posun zajišťuje závitová tyč se závitem M3 poháněná přes převod 12V motorkem. Posun do krajní polohy nahoru a dolů vymezuje optická závora. Posun řezací hlavy ve vodorovné rovině je v delší ose realizován na duralových trubkách, na kterých se odvalují malá ložiska, v kratší ose se konstrukce hlavy posunuje na tyči s bronzovými pouzdry (vybranými i s tyčí z tiskárny). K vytvoření poměrně přesně pracující frézy jsem nepotřeboval soustruh. (Vytočil jsem si jedině pouzdro pro upevnění vysokootáčkové frézy k motoru, dalším dílem byla metrová závitová tyč se stoupáním 5 mm pro posun, ale ta se dá nahradit zakoupenou závitovou tyčí s metrickým nebo trapezovým závitem. Proč jsem tyč točil a ne koupil bude jasné z dalšího - je to dáno typem krokových motorů, které jsem chtěl použít.)
Řezačka polystyrenu
Řezačka je vyrobena jako dva snímatelné nástavce na pracovní stůl. Žhavený řezací drát napínaný jednoduchou konstukcí z truhlářské rámové pily je volně uložen ve vidlicích dvou párových posunů. Každý z obou posunů realizuje pohyb řezacího drátu ve vodorovbé a svislé rovině.
Při konstrukci mechanické části má každý největší volnost při vymýšlení vlastních konstrukcí, skvělou inpirací jsou konstrukce publikované na webu. Při výrově mechanické části je největším problémem zajištění souososti dlouhých posunů, to lze obejít vhodnou konstrukcí. Základem minimálních vůlí v posunech je vhodný návrh konstrukce: rozhodující mechanické části důsledně svrtávat a tam, kde to nejde svrtat, je potřeba konstrukci navrhnut tak, aby se vůle posunů eliminovaly stavěcími šrouby.
Stavebnice řezačky
Alan Maczák vytváří stavebnicové díly na řezačku polystyrenu - viz Stavebnice.
Elektronika
Elektronika slouží k jednak k napájení motorů a pak k přenosu dat z PC na motory. Základem elektroniky jsou komerční obvody pro řízení krokových motorů anebo vlastní konstrukce, tuto je nejsnazší vytvořit na základě mikrokontrolérů (v mém případě PIC 16F88 od firmy Microchip).
Obvyklé komerční obvody pro řízení krokových motorů mají dva vstupy z PC -> Clk a Dir. Clk jsou hodiny (jeden impulz = jeden krok), Dir určuje směr otáčení. Čtyři výstupy pro spínámí výkonových tranzistorů spínají čtyři cívky obvykle užívaných krokových motorů s pěti dráty (pátý vývoj je společná zem.)
Elektroniku řízení jednoho motoru je možné popsat tímto schematem. Čtyři výstupy spínají přes výkonové tranzistory čtyři cívky motoru, na vstupu je signál Clk (clock) určující jeden krok motoru a signál Dir (direction) určující smysl rotace motoru. Většina konstrukcí elektroniky užívá k přenosu dat na elektroniku motorů paralelní port. Ten má osm datových výstupů, což jsou při dvou vstupech na jeden motor právě čtyři motory pro řezačku.
Elektronika má modulární charakter. Výkonová deska je založena na dvou PIC 16F88 a 16 spínacích tranzistorech. Elektronika ovládá čtyři krokové motory a ovládáním z PC zvládá spínání žhavení řezacího drátu, regulaci teploty drátu, nastavení kroutivého momentu motorků a vypínání motorků při nečinnosti.
Tato výkonová deska se připojuje k PC buď:
- přímo přes paralelní port
- přes převodník (FT 232 BM) k USB portu
- přes převodník (PIC 16F88) k seriovému portu
Krokové motorky
Krokové motorky nejlépe vybereme
- z vyřazené tiskárny
- disketové mechaniky 5 1/4"
- z vyřazené kopírky
- koupíme
- od firmy Microcon
- v bazaru
Přitom platí:
- v tiskárnách jsou kdejaké motorky, obvykle se špatně shání dva do páru, mají obvykle 50 kroků na otáčku
- v disketové mechanice 5 1/4" většinou 200 kroků na otáčku a malý kroutivý moment
- v kopírkách mají napájecí napětí pod 5 V a velký proudový odběr
- v Microconu stojí obvykle kolem 1000,- Kč jeden
- v bazaru kolem 200 ,- za jeden, ale je to běhačka
Tady se tedy rozepíšu pouze stručně: Krokové motorky, které používám, mají pět drátů pro řízení. Čtyři z nich jsou k cívkám vinutí, poslední je zem. Pokud mají šest drátů, dva z nich z nich jsou zem.
Zapojení drátů zjistíme jednoduše ohmmetrem.
Základem posunu krokového motorku s pěti (nebo šesti) dráty je postupné spínání čtyř cívek proti zemi, signál na vstupu (tvořený čtveřicí kontaktů) musí vypadat takto:
0001 - 0010 - 0100 - 1000 a opět 0001 - 0010 - 0100 - 1000
Pokud bychom chtěli zvýšit kroutivý moment asi 1.4 krát, můžeme spínat takto:
0011 - 0110 - 1100 - 1001 a opět 0011 - 0110 - 1100 - 1001
Pokud bychom chtěli zjemnit krok, můžeme spínat takto:
0001 - 0011 - 0010 - 0110 - 0100 -1100 - 1000 - 1001 a opět dokola 0001 - 0011
Další možností je microstepping pomocí DA převodníku, ale to už je mimo rámec pro potřebu řezačky.
Pokud mají motorky čtyři dráty, jsou v tomto případě nepoužitelné, ty je nutné je řídit jinak.
Takže: získáme-li neznámý pětidrátový nebo šestidrátový krokový motorek, nejprve ohmmetrem určíme společný výstup. Pak přiváděním napájecího napětí postupně na jednotlivé cívky určíme pořadí spínaných vstupů, to znamená jednoduše zkoušíme různá pořadí vstupů, až se motorek necuká, ale točí.
Krokové motorky lze sehnat nové nebo z výprodeje, ovšem nejlevnější zdroj jsou vyhozené tiskárny a disketové mechaniky 5 1/2 ". Motory z kopírek se většinou nehodí, mají napájecí napětí menší než 5 V.
 |
 |
Motorky z disketových mechanik mají obvykle menší kroutivý moment a jemnější krok (200 kroků na otáčku).
|
Motory s tiskárem mají obvykle větší kroutivý moment a hrubší krok (50 nebo 100 kroků na otáčku). Na štítku bývá uvedeno napájecí napětí nebo odpor vinutí - motorek na 24.0 V mívá kolem 100 ohm. Dalším údajem je velikost otočení (ve stupních) na jeden krok. Pokud tento údaj uveden není, lze jemnost kroku posoudit otáčením osy motorku v prstech. |
Rychlost posunu
Při návrhu řezačky je důležité ujasnit si požadovanou rychlost posunu hlavy nebo drátu. Rychlost posunu je dána stoupáním závitu a počtem otáček motorku za sekundu, v úvahu je nutné vzít kroutivý moment motorku.
Stoupání závitové tyče s metrickým závitem je 1/10 průměru tyče, tedy závitová tyč o průměru 10 mm má stoupání 1 mm.
Trapézové závitové tyče se dělají o průměru 12 mm se stoupáním 3 mm a o průměru 14 mm se stoupáním 4 mm.
Krokové motory nemívají vysoký počet otáček. Rychlost točení motoru je dána frekvencí spínání jednotlivých cívek motoru, tu ale nemůžeme zvyšovat donekonečna. Při postupném zvyšování frekvence spínání platí, že rychlost točení stoupá a kroutivý moment se nemění do určitého okamžiku (daného charakterem mechanické konstrukce motoru), při dalším zvyšování otáček začne klesat kroutivý moment i přes stoupající otáčky, pak se začne motor cukat a nakonec se přestane točit a jen bzučí. Pokud se potřebujeme dostat přes takto mechanicky omezené maximální otáčky při použitelném kroutivém momentu, je nutné změnit způsob napájení cívek: spínat dvě cívky najednou nebo použít vyšší napájecí napětí s proudovým omezovačem. (Další složitější možnosti viz "Control of Stepping Motors".)
V praxi to znamená, že si zkusmo určíme maximální otáčky při ještě použitelném kroutivém momentu a k nim si spočítáme stoupání závitu, abychom dostali požadovanou rychlost posunu. (A kdybychom chtěli být velmi důslední, spočteme pro dané tření mechanické konstrukce a stoupání závitu nutný kroutivý moment, ten by měl odpovídat momentu při maximálních otáčkách. Někdy potřeba vyzkoušet pár motorků.)
Bez výpočtů je však možné říci: stoupání závitové tyče volíme podle počtu kroků na jednu otáčku - motory s jemným krokem vyžadují vyšší stoupání (až 5 mm na otočku), u motorů s hrubším krokem je možné použít metrický závit.
Aktuální rychlost točení motoru je určena frekvencí spínání cívek, to je realizováno časovací smyčkou programu nebo externím časovačem.
Takže reálné hodnoty: s motorkem, který má 200 kroků na otáčku a při připojení k ne úplnému šrotu (aspoň Pentium) dosáhneme přibližně 1 otáčku za sekundu. S použitím trapezové závitové tyče se stoupáním 3 mm jsou to 3 mm za sekundu, s vypětím sil 5 mm za sekundu. Pro řezačku polystyrenu je to dost. Přesnost je v tomto případě dána ani ne tak počtem kroků na otáčku, ale vůlemi v mechanické sestavě.
Tato relativně malá rychlost je dána dvěma faktory:
- Windows jsou poměrně pomalý systém, takže rychlé generování hodinových pulzů pro motory je omezeno
- krokové motory při celokrokovém řízení mají omezený krotivý moment
Poloprofesionální konstrukce to řeší:
- užitím DOSu , který je na Pentiu velmi rychlý
- jiným způsobem řízení motorů - jinou elektronikou
Profesionální konstrukce to řeší jiným přístupem ke konstrukci elektroniky. Propočítávání kroků motorů (Bresenhamův algoritmus) neprovádí PC, ale mikroprocesor elektroniky, ten pak pouze dostává od PC souřadnice posunů.
Software
Pro řízení řezaček je na webu ke stažení spousta shareware. Největší přehled, pokud je mi známo, má Alan Maczák, který vyzkoušel a na svých stránkách okomentoval kde co.(maczaka.webz.cz)
Já jsem si napsal vlastní software, který má tyto vlastnosti:
- práce s databázemi profilů
- vytvoření projektu řezu - odřezy náběžné a odtokové a vkládání nosníků
- řezání v systému 2-D a 3-D
- připojení periferie k paralelnímu, seriovému a USB portu
- utility: generátor NACA 4-digit a 5-digit profilů, určení neznámého profilu
Programu POLY je věnován vlastní blok.
