Area di Progetto A.S A ET. Plotter Cartesiano XYZ. di Mattia Antonini

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1 Area di Progetto A.S A ET Plotter Cartesiano XYZ di Mattia Antonini

2 Introduzione: Progetto realizzato nel secondo pentamestre con lo scopo di progettare, costruire e programmare un dispositivo partendo da zero. Il progetto realizzato è un Plotter Cartesiano XYZ. Disponendo in partenza della parte meccanica, ed elettronica di potenza, sono stati realizzati alimentazione, cablaggi, e comando con driver con i quali è possibile pilotare la macchina al fine di farle seguire dei tracciati e quindi disegnare un oggetto. I Plotter cartesiani spesso vengono utilizzati per taglio laser in ambiente tessile e similare. Fasi Progettuali Il progetto iniziato a gennaio 2011 e terminato a giugno 2011 è suddiviso in 3 fasi: Prima Fase Realizzata la colonna di alimentazione, il pannello operatore, il cablaggio, l'interfacciamento con la scheda assi e l'asse Z. L'interfacciamento è stato fatto tramite una schedina di conversione livelli di tensione per i segnali di enable e dei finecorsa. Ad essa sono stati collegati inoltre l'encoder, gli azionamenti e la scheda di alimentazione del terzo asse (Z). Il terzo asse (Z) è stato realizzato fissando alla slitta un carrello di un lettore CD cannibalizzato al quale è stato fissato un pennino(trattopen). Il controllo avviene tramite un impulso ON/OFF. Lo scopo di questo asse è quello di tenere il pennino sul foglio al fine di farlo scrivere (ON). Il rilascio è effettuato da una molla di ritorno. Seconda Fase Sono stati fatti i primi test con composer degli azionamenti, facendo muovere i motori. Successivamente è stato costruito il comando elettronico(analogico) per il pilotaggio della velocità per via analogica, con tensione variabile da -1.5V a +1.5V. Infine sono state caricate le routine sugli azionamenti. Terza Fase E' stata configurata la scheda assi in modo che potesse operare con gli altri dispositivi e con il pc. E' quindi stato testato il funzionamento tramite la sezione Interactive. Successivamente è stato realizzato il software di controllo degli assi tramite LabVIEW, partendo da movimento del singolo asse fino all'interpolazione lineare dei due assi. Nella versione definitiva si deve caricare una mappa che contiene le destinazioni degli assi e il valore attivo/disattivo dell'utensile(in questo caso il pennino). Dapprima per testare il terzo asse, è stata effettuata una simulazione tramite un led, sostituito successivamente da un pennino. Sicurezza La macchina, realizzata in un contesto didattico, prevede l'utilizzo di alimentazioni a 48Volts in continua, ottenuta con un alimentatore switching da 120W. L'utilizzo di una bassa potenza è dovuta al fatto che i motori essendo nell'ordine dei 300W l'uno, possano risultare pericolosi. In più ad ogni linea di alimentazione è limitata da un fusibile ripristinabile da 1,1 A. La macchina è dotata di un pannello laterale, con i comandi per l'utente, con il può accendere il plotter. Su questo pannello sono presenti: il fungo di emergenza, start, stop e l'indicatore luminoso(verde) di accensione. Sul coperchio è applicato un microswitch tale che nel caso venga sollevato, interrompa istantaneamente l'alimentazione ai motori. Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 2

3 Funzionamento Schema a Blocchi PC INDUSTRIALE e SCHEDA ASSI (PCI-7342) PC industriale è una macchina che controlla il sistema tramite una scheda assi. Il dispositivo che fa ciò è la scheda PCI-7342 prodotta dalla National Instruments, che permette di comandare 2 assi simultaneamente e chiude l'anello di posizione comunicando con gli azionamenti ed elaborando i segnali degli encoder. Dispone di due interfacce, la MOTION e la DIGITAL I/O. La motion è quella alla quale vanno collegati gli azionamenti, gli encoder, i finecorsa (home, forward e reverse). La digital I/O fornisce 32 linee digitali configurabili sia come output che input. Nel nostro caso controlla l'asse Z. AZIONAMENTI (CLA 6/200) Dispositivi con vari ingressi (e uscite, non utilizzate nel progetto) di cui alcuni analogici per il comando della velocità tramite tensione(tra -10V e + 10V). Chiudono l'anello di velocità, tramite encoder, e forniscono potenza al motore. Permettono la creazione di routine, da caricarvi sopra, in modo da fargli svolgere varie funzioni in base agli stimoli che subisce. La configurazione avviene tramite tool apposito, COMPOSER, prodotto dalla stessa Elmo Motion Control. Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 3

4 Nella fase di configurazione è richiesta la modalità d'intervento in caso si verifichino particolari eventi come pressione di un fine corsa, abort. Richiede le caratteristiche dell'encoder(tacche/giro) e fa in automatico la configurazione del PID. In caso di fallimento viene ripetuta. CONTROLLER Z Circuito di pilotaggio di un DC motor per permettere al pennino di stare premuto sul foglio e quindi tracciare il disegno apposito. Richiede un'alimentazione massima di 6 V e il collegamento alla scheda assi per poter essere utilizzato. E' possibile lavorare in due modalità mettendo o meno il jumper. Con il jumper inserito la corrente erogata sarà di 330 ma circa, senza jumper 220 ma. MOTORI Attuatori che convertono una potenza elettrica in un movimento rotatorio dell'albero. I motori utilizzati sono Brushless con discreta potenza. L'asse X ha una coppia di 1.35 Nm a rotore bloccato e l'asse Y ha coppia 0.5Nm. ENCODER Trasduttori di posizione, forniscono informazioni circa la posizione del carrello, la velocità e il senso di rotazione(orario o anti orario). Hanno l'uscita differenziale in modo da rendere immune al rumore i segnali. Sequenza di Avvio e utilizzo Per poter far disegnare il plotter bisogna seguire una procedura specifica: Apertura del plotter e posizionamento del foglio su cui scrivere Chiusura del plotter Pressione del pulsante di start (nero) sul pannello laterale Avviare sul pc il programma di gestione Attendere l'inizializzazione e homing del plotter Una volta che si pone in READY cliccare su apri e caricare una mappa precedentemente creata con CREA_FILE.VI Attendere fino al completamento della mappa (Spegnimento del LED Motion e ritorno allo stato READY) Ora è possibile: caricare un'altra mappa ed eseguirla, rieseguire la mappa o fermare il software cliccando su STOP. Una volta fermato per farlo ripartire bisogna riattendere la fase di inizializzazione. Fasi di funzionamento Il funzionamento si suddivide in 4 fasi: Inizializzazione, Homing, Motion e Ready Fase di Inizializzazione Durante questa fase l'hardware viene preparato in modo che possa svolgere il suo compito. Vengono prima inizializzati gli azionamenti cosicché possano poi pilotare i motori, caricando i parametri necessari e il PID. Successivamente viene inizializzata la scheda assi che necessita di una procedura più elaborata dato che occorre effettuare: Inizializzazione controller Abilitazione Assi (Asse 1 = X, Asse 2 = Y) Inizializzazione vettore spaziale (Vector Space 1) Abilitazione riconoscimento finecorsa Settaggio Direzione I/O digitali Settaggio Inversione stati I/O Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 4

5 Fase di Homing Una volta ultimata questa fase si entra nella fase HOMING, una funzione fondamentale. Durante questa fase si ottiene il numero di tacche encoder disponibile su ogni asse, in modo che le posizioni raggiungibili siano comprese tra lo zero e il valore ottenuto. Questa fase richiede circa 30 secondi, ma è fondamentale e nel caso si verifichi un errore (Homing error: numero tacche contate sotto i valori minimi) viene ripetuta da capo. Al termine sarà possibile dare la possibilità all'utente di caricare una mappa e di stamparla. Fase di Motion Si entra in questa fase una volta che si è caricata la mappa all'interno del programma. La mappa contiene tutte le informazioni necessarie per disegnare ciò che si vuole. Queste informazioni sono le Target Position X e Y, e lo stato dell'asse Z, se deve essere alzato o abbassato Vi sono anche altri campi ma sono per ora inutilizzati(saranno necessari per l'interpolazione circolare). Affinché la movimentazione sia fatta regolarmente nelle mappe, il primo e l'ultimo punto di destinazione dovranno essere (0, 0), mentre gli altri compresi tra zero e i limiti ottenuti nella fase di homing. Nel caso le Schema Homing destinazioni siano esterne a questi range automaticamente il software modifica le posizioni non valide e le sostituisce con i limiti. Fase di Ready Quando ci si trova in questa fase è possibile fare tre cose: arrestare il programma premendo STOP, aprire una mappa e farla disegnare o se ve ne è una già caricata ridisegnarla. Nel caso si voglia sostituire il foglio su cui si disegna, il plotter viene spento all'apertura del coperchio e quindi sarà poi necessario re-inizializzarlo. Software Il software, realizzato completamente in linguaggio G (LabVIEW), è stato suddiviso in parecchie Sub-VI, in modo da avere del codice funzionale e semplice e che permetta un debug più efficiente. Ogni funzione essenziale, o compito, è stato implementato tramite Sub-VI. Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 5

6 Sub-VI: - INIT: Inizializza la scheda assi (Vedere Fase di Inizializzazione) - HOME: Effettua l'homing (Vedere Fase di Homing) - GOTO: Posiziona la slitta alle coordinate (X; Y) - STATUS: Restituisce vari flag relativi ai finecorsa(home e Limit), alla direzione (reverse), lo stato del motore(motor off), se è in movimento(run/stop) e se ha completato il movimento. - GOTO_LIN: Posiziona un asse alla coordinata desiderata - OPEN: Apre un file e restituisce l'array con all'interno le coordinate - CHECK_TARGET: Controlla che le coordinate siano interne all'intervallo 0-valore_MAX, se così non fosse modifica le coordinate ponendo 0 quelle negative e Valore_MAX quelle maggiori del valore massimo - Z_ON: Attiva o disattiva l'asse Z tramite un input booleano - INTER_LIN: Effettua l'interpolazione lineare degli assi calcolando le velocità dei singoli assi - INTER_END: Controlla che sia terminato il movimento interpolato - VELOCITY_ELAB: Rileva le velocità degli assi, calcola quella del vettore risultante (regola del parallelogramma) e calcola l'errore tra il valore teorico e pratico - NUM2STR: Converte un numero in una stringa accodandole l'unità di misura - 1st_POS_FIX: risolve il bug della prima coordinata VI indipendenti: - CREA_FILE: Crea le mappe che poi verranno date in pasto al plotter - UP-DW_Z: Alza e abbassa il terzo asse quando si cambia stato al pulsante o N volte se settato il campo opportuno Versioni: Le Versioni del programma sono: - V0.1: Posiziona un asse selezionato alla posizione desiderata, e visualizza la posizione attuale - V0.2: Effettua uno spostamento simultaneo degli assi con vettore inclinato di 45. Sono settabili target position, velocità e accellerazione - V0.3: Effettua l'homing alla posizione 0,0 e poi l'asse è posizionabile dove si vuole (come V0.2) - V0.4: Dopo le fasi di inizializzazione e homing è possibile passare una mappa precedentemente creata con CREA_FILE e disegnarla. Le fasi vengono segnalate tramite appositi indicatori a LED - V0.5: Versione semi-definitiva con codice semplificato tramite le sub-vi. Funzionamento analogo alla 0.4, ma con interfaccia migliorata, dispone di un visualizzatore XY che mostra lo stato del plotter e il movimento che sta effettuando. Nella parte bassa vi è la status bar con la percentuale del movimento già compiuto. Dispone di un pulsante aggiuntivo Ridisegna che riproduce la mappa già caricata nell'array. Soffre di un bug sulla prima coordinata, problema risolto con la versione successiva - V0.6: Versione con risoluzione bug della prima coordinata, come funzionalità identiche alla V0.5 - V0.7: Versione con interpolazione nativa degli assi, funzionamento analogo V0.6 Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 6

7 Informazioni Caratteristiche Stampa Dimensioni del foglio 100 x 70 cm Grammatura foglio g Colore foglio Bianco Alimentazione Consumo 120W Tensione input Vac Corrente input (a 230Vac) 0,65A Frequenza Hz Ambiente Temperatura di Utilizzo Temperatura di Conservazione Umidità Sistema C C 10-90% (senza condensa) Tensione di lavoro 48Vdc Corrente max per driver 1,1A Velocità max motore 900 RPM Coppia motore X 1,35 Nm Coppia motore Y 0,5 Nm Tempo discesa pennino 600 ms Tempo risalita 900 ms Tensione alimentazione Z (max) 6 Vdc Corrente Z 330 ma Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 7

8 Requisiti Requisiti minimi PC Scheda Assi Porte di comunicazione RAM HDD Software CPU PCI-7342 Seriale (RS-232) 1 GB 20 GB Windows XP SP2 LabVIEW 7,1 (+ motion) Composer Pentium 4 (2,4 Ghz) Problemi e soluzioni Il progetto, purtroppo, soffre di alcuni problemi, facilmente risolvibili con il semplice intervento dell'operatore. Problema: Premendo il pulsante di start (nero) non si accende il plotter. Soluzione: Controllare che il coperchio sia chiuso, il fungo d'emergenza disarmato, arrivi tensione al plotter (luce bianca accesa), che i fusibili non siano bruciati. Problema: Premendo start si sente CLICK, ma non si accende la luce verde. Soluzione: Sostituire lampadina verde. Problema: Facendo partire il software non si muovono i motori. Soluzione: Controllare che sia acceso il plotter. In caso positivo muovere l'asse a mano in modo che trovi l'index. Problema: Il pennino non scrive sempre quando dovrebbe. Soluzione: Tenere il pennino, rilasciato a 1 2 mm d'altezza dal foglio. Problema: Durante l'homing un asse non si muove e l'altro si Soluzione: Attendere la fine della fase, nel caso vada in errore viene rieffettuata la sequenza di homing. Problema: Durante l'homing gli assi si bloccano in fondo alla rotaia. Soluzione: Spegnere il plotter, fermare il software, riaccendere il plotter e rieseguire il programma. Problema: Durante la stampa si disegnano linee in punti in cui non dovrebbero esserci. Soluzione: Alzare il pennino di 1 mm (quando è rilasciato). Problema: Gli Assi si muovono ma il terzo no. Soluzione: Controllare che l'alimentatore sia acceso,che arrivi tensione alla schedina e che arrivi il segnale di controllo dalla scheda assi. Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 8

9 Sviluppi futuri e possibili miglioramenti Hardware Scheda di distribuzione segnali Scheda di conversione segnali encoder (RS-422=>TTL) Sostituzione asse Z con solenoide Software Implementazione interpolazione Circolare Creazione routine per azionamenti Integrazione con formati CAD XF Riferimenti Bibliografia: AUTORE TITOLO NOTE G. Licata Analisi dei Sistemi Libro di Sistemi in dotazione G. Licata Sistemi di Controllo Libro di Sistemi in dotazione G. Biondo E.Sacchi Manuale di elettronica e telecomunicazioni Baronio Bellato Montalbetti Manuale degli impianti elettrici Sitografia: Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 9

10 Indice Plotter Cartesiano XYZ...1 Introduzione:...2 Fasi Progettuali...2 Prima Fase...2 Seconda Fase...2 Terza Fase...2 Sicurezza...2 Funzionamento...3 Schema a Blocchi...3 PC INDUSTRIALE e SCHEDA ASSI (PCI-7342)...3 AZIONAMENTI (CLA 6/200)...3 CONTROLLER Z...4 MOTORI...4 ENCODER...4 Sequenza di Avvio e utilizzo...4 Fasi di funzionamento...4 Fase di Inizializzazione...4 Fase di Homing...5 Fase di Motion...5 Fase di Ready...5 Software...5 Sub-VI:...6 VI indipendenti:...6 Versioni:...6 Informazioni...7 Caratteristiche...7 Requisiti...8 Problemi e soluzioni...8 Sviluppi futuri e possibili miglioramenti...9 Hardware...9 Software...9 Riferimenti...9 Bibliografia:...9 Sitografia:...9 Indice...10 Progetto: Plotter Cartesiano XYZ Pagina 10