Fresa a controllo numerico: Automazione del movimento dei piatti

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1 Università degli Studi di Milano Bicocca Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Comunicazione Corso di Laurea Magistrale in Informatica Fresa a controllo numerico: Automazione del movimento dei piatti Corso di Informatica Industriale Docenti: Prof. Christian Forlani Dott. Axel Furlan Relazione di: Marco Brescianini, Daniele Ramzzotti, Anno Accademico 2010/2011

2 1.INTRODUZIONE AL PROBLEMA 3 2. MATERIALE UTILIZZATO FRESA DEMO BOARD DRIVER L293D OPTOISOLATORE TLP504A MOTORE PASSO-PASSO 5 3. LA SCHEDA DI CONTROLLO 6 4. FIRMWARE DEFINIZIONE E CONFIGURAZIONE MOTORI IMPOSTAZIONE DATI DI MOVIMENTO ATTUAZIONE DEL MOVIMENTO 8 5. MONTAGGIO 8 6. SVILUPPI FUTURI 10 2

3 1. Introduzione al problema L obiettivo progettuale è la definizione di un apparato software ed hardware per il controllo numerico di una fresa. Il movimento dei piatti è attuato attraverso due motorini passo-passo fissati ai piatti della fresa. Il sistema viene poi retroazionato in quanto i motorini garantiscono lo spostamento dei piatti, mentre il reale movimento viene misurato da due sensori ottici posizionati all interno della fresa (uno per lo spostamento sull asse delle x ed un altro per lo spostamento sull asse delle y). Mediante le misurazioni in tempo reale fornite dai sensori, si vuole correggere il movimento (e gli errori dovuti al gioco degli assi). Figura 1 - Schema a blocchi di un controllo in retroazione La retroazione è la capacità dei sistemi dinamici di tenere conto dei risultati del sistema per modificare le caratteristiche del sistema stesso. In un controllo in retroazione il valore della variabile in uscita dal sistema viene letto dal controllore che agisce modificando l'ingresso del sistema. Il progetto pertanto è suddiviso in tre parti, una di attuazione del movimento, una di lettura dei dati dai sensori ottici ed infine una di integrazione mediante retroazione delle prime due parti. Viene ora presentata la realizzazione della prima parte, cioè quella di attuazione del movimento attraverso motori passo-passo. Il lavoro è stato organizzato in quattro fasi: progettazione e realizzazione del circuito di controllo, realizzazione del firmware, montaggio, realizzazione del circuito di alimentazione esterna. 2. Materiale utilizzato Viene ora fatta una rassegna del materiale utilizzato durante il progetto. 2.1 Fresa Si vuole realizzare un apparato di controllo su una la fresa a croce. Essa ha un piano a croce, con 3 scanalature per il fissaggio, di 200 x 200 mm con corsa massima di 150 x 150 mm. Lo spostamento dei piani è garantito da due volantini con ghiera graduata azzerabile (1 giro = 2 mm di avanzamento, con sensibilità pari a 0,05 mm di avanzamento). La velocità del motore fresatore può essere regolata da 900 a 6000 rpm ed è possibile fresare diversi materiali come metalli, legno, plastica, ecc 3

4 Figura 2 - Fresa con piano a croce 2.2 Demo board La demo board utilizzata per il progetto è la PICDEM 2 PLUS board della Microchip. Sulla scheda è montato un microcontrollore PIC18, per il quale verrà realizzato il firmware, ed una serie di dispositivi input/output. Figura 3 - PICDEM 2 PLUS DEMO BOARD 4

5 2.3 Driver L293D Tale dispositivo include un ponte ad H per il pilotaggio del motore ed è stato disegnato per accettare anche livelli standard TTL (basso 0/0.8V, alto 2/5V). Ciò lo rende utile per il controllo in potenza di piccoli motori dc o stepper. Figura 4 - Driver L293D 2.4 Optoisolatore TLP504A-2 Tramite l optoisolatore è stato possibile trasferire segnale tra il circuito di ingresso proveniente dal PIC a quello di controllo realizzato mediante il driver, mantenendo fra essi l isolamento galvanico. L isolamento viene realizzato mediante fototransistor accoppiati otticamente ad un diodo emettitore. L integrato fornisce 4 canali di input/output. Figura 5 - Optoisolatore TLP504A Motore passo-passo Motore elettrico sincrono in corrente continua senza spazzole che può suddividere la propria rotazione in un certo numero di step. La posizione del motore può essere controllata accuratamente senza dover ricorrere al controllo ad anello chiuso, se la taglia ed il tipo di motore sono scelti in modo adeguato all'applicazione. È considerato la scelta ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione, quali la robotica, le montature dei telescopi ed i servomeccanismi in generale. Figura 6 - Motore passo-passo 5

6 3. La scheda di controllo Sono state progettate e realizzate due schede di controllo per i motori passo-passo in dotazione. L obiettivo progettuale era quello di realizzare una scheda di controllo in potenza degli stepper che si interfacciasse con la demoboard. In particolare, come è mostrato nella figura sottostante, si è creato un circuito di interfacciamento al PIC atto a ricevere i comandi per il controllo dei motori. Tali segnali sono stati poi disaccoppiati dal circuito di alimentazione attraverso l optoisolatore. Figura 7 Schema circuitale della scheda di controllo I segnali in uscita dall optoisolatore sono collegati agli ingressi del driver insieme al circuito di alimentazione. Il driver fornisce in uscita i segnali destinati al motore. 4. Firmware Il codice è semanticamente suddiviso in tre componenti: Definizione e configurazione motori Impostazione dati di movimento Attuazione del movimento 6

7 Nella figura sottostante è mostrata la logica di esecuzione. Figura 8 Componenti logiche del firmware 4.1 Definizione e configurazione motori Questa fase consiste nell impostazione dei registri del microcontrollore che forniranno gli input alla scheda di controllo, nella definizione delle fasi del motore passo-passo e nell impostazione di alcuni dati fisici relativi ai motori. In particolare è richiesto di definire la rotazione minima di un singolo step e lo spostamento longitudinale entrambi relativi ad un giro della vite sul piatto della fresa. 4.2 Impostazione dati di movimento A questo punto occorre impostare la direzione verso la quale si vuole spostare il piatto della fresa e lo spostamento lineare in centesimi di millimetro. Figura 9 Impostazione dati di movimento 7

8 Successivamente bisogna definire la velocità del movimento. Tale parametro è calcolato in base ad un moltiplicatore fornito in questa fase che rappresenta la velocità di movimento relativa ad un valore massimo definito sperimentalmente oltre il quale i motori non sono in grado di girare. Lo spostamento è attuato attraverso delle routine di interrupt da timer ed in particolare il valore del moltiplicatore rappresenta il numero di cicli di conteggio dopo il quale scatta l interrupt. Ad ogni interrupt viene attuato uno step, pertanto maggiore è il moltiplicatore, più lento è il movimento. I valori accettabili del moltiplicatore vanno da 1 a Attuazione del movimento Figura 10 Attuazione del movimento A questo punto è possibile attuare il movimento. Per fare ciò occorre determinare il numero di step da eseguire per effettuare il movimento lineare impostato nella fase precedente. Il calcolo del numero di step viene determinato calcolando due parametri; il primo conteggia quanti step realizzano un giro completo della vite (360 / rotazione minima a step). Fatto questo, conoscendo lo spostamento longitudinale relativo ad un giro della vite sul piatto della fresa, viene calcolato il numero di giri da effettuare e di conseguenza il numero di step da far eseguire al motore. La velocità di movimento, come spiegato al punto precedente, è definita mediante un moltiplicatore che indica i cicli di conteggio dopo i quali si vuole far scatenare l interrupt da timer. Maggiore è il moltiplicatore, più lento è il movimento. Determinati questi dati viene attuato il movimento iterativamente, uno step alla volta. 5. Montaggio Terminate le fasi precedenti, si è effettuato il montaggio dei due motori passo-passo e relative schede di controllo ai piatti della fresa. E possibile suddividere la fase di montaggio in tre parti: 1. Installazione e modellazione pulegge: Sono state fissate quattro pulegge, sulle viti dei due piatti e sugli alberi dei due motori passo-passo. Le dimensioni del mozzo delle quattro pulegge sono state allargate per poter essere applicate ad inferenza su viti ed alberi dei motori. 8

9 Figure 11 e 12 Particolari del montaggio delle pulegge 2. Realizzazione dei supporti per i motori: Sono stati poi realizzati dei supporti in alluminio per poter fissare motori e relative schede ai piatti della fresa. Figure 13, 14 e 15 Particolari della realizzazione dei supporti 3. Fissaggio dei supporti: Infine il complesso cinghie, motori e schede è stato fissato alla fresa. Viene ora mostrato il sistema complessivo realizzato. 9

10 6. Sviluppi futuri A causa della necessità di forare a mano il mozzo delle pulegge montate, tali fori non risultano essere perfettamente in asse. Si consiglia dunque di far fare nuove pulegge e relativi fori adatti allo scopo. L attuale controllo del movimento è in anello aperto, uno dei possibili sviluppi consiste nel formare un sistema ad anello chiuso integrando i sistemi sviluppati dagli altri gruppi. 10