BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PRODUCTION MACHINES, SYSTEMS AND ROBOTICS

3D GRAVÍROVACÍ FRÉZKA 3D ENGRAVING MILLING MACHINE

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. DANIEL BOSÁK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2014

Ing. FRANTIŠEK BRADÁČ, Ph.D.

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky Akademický rok: 2013/2014

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Daniel Bosák který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Výrobní stroje, systémy a roboty (2301T041) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: 3D gravírovací frézka v anglickém jazyce: 3D engraving milling machine Stručná charakteristika problematiky úkolu: Úkolem zadávané práce je zprovoznění a vytvoření programových modulů pro 3D portálovou frézku za účelem gravírovacích operací. Cíle diplomové práce: 1. Zapojení elektrických obvodů frézky na výkonové prvky řídícího systému. 2. Vytvoření PLC programu pro frézku. 3. Zprovoznění a naladění servopohonů pro jednotlivé osy. 4. Vytvoření vizualizace frézky.

Seznam odborné literatury: www.beckhoff.com www.smc.cz

Vedoucí diplomové práce: Ing. František Bradáč, Ph.D. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2013/2014. V Brně, dne 20.11.2013 L.S.

_______________________________ doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D. Ředitel ústavu

_______________________________ doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. Děkan fakulty

Abstrakt Tato práce se zabývá pĜestavbou laboratorního manipulátoru na 3D gravírovací frézku. V první þásti práce je popsána technologie gravírování s výþtem nejpoužívanČjších gravírovacích strojĤ. Po analýze výchozího stavu stroje jsou navrženy úpravy mechanické konstrukce a elektroinstalace. Dále je popsán návrh a realizace Ĝídicího systému stroje a uživatelského rozhraní s využitím prostĜedí TwinCAT firmy Beckhoff. Poslední þást se zabývá praktickou realizací a oživením stroje. Výsledky práce mohou být vhodným doplĖkem k výuce automatizace výrobních strojĤ.

Klíþová slova Gravírování, gravírovaþka, Beckhoff, NC, PLC, TwinCAT.

Abstract This thesis deals with rebuilding of a laboratory manipulator to 3D engraving machine. First part of the thesis describes the engraving technology and lists the most common types of engraving machines. Next, the initial state of the machine is analysed and modifications of mechanical and electrical equipment are suggested. Design, realisation of a control system and human machine interface are described. The Beckhoff TwinCAT programming environment is used. The last part of the thesis deals with practical realisation and commissioning of the machine. The results of the thesis can be used as an addition for lessons of Automation of Production Machines.

Keywords Engraving, engraving machine, Beckhoff, NC, PLC, TwinCAT.

Bibliografická Citace BOSÁK, D. 3D gravírovací frézka. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2014. 83 s. Vedoucí diplomové práce Ing. František Bradáþ, Ph.D.

Prohlášení Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým pĤvodním dílem. Vypracoval jsem ji samostatnČ pod vedením Ing. Františka Bradáþe, Ph.D. s použitím zdrojĤ uvedených na seznamu. V BrnČ dne 26. 5. 2014

……………………….. Bc. Daniel Bosák

PodČkování Tímto bych chtČl podČkovat vedoucímu mé bakaláĜské práce Ing. Františkovi Bradáþovi, Ph.D. za cenné rady, strávený þas a ochotu pĜi vypracování této práce.

Ústav výrobních strojĤ, systémĤ a robotiky Str. 9

DIPLOMOVÁ PRÁCE Obsah 1 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 3.1 3.2 4 5 5.1 5.2 5.3 5.4 6 6.1 6.2 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 9 10 11 12 13 14

Úvod............................................................................................................... 10 Popis technologie gravírování .................................................................... 11 Gravírování laserem ............................................................................... 11 Rytí ......................................................................................................... 12 TištČní .................................................................................................... 12 Gravírování rotujícím nástrojem ............................................................. 13 KomerþnČ vyrábČné gravírovací stroje....................................................... 14 Mechanické – pantografy ....................................................................... 14 CNC Ĝízené ............................................................................................ 15 Formulace Ĝešeného problému ................................................................... 17 Analýza výchozího stavu ............................................................................. 18 Rám stroje .............................................................................................. 18 Lineární vedení s posuvovými šrouby .................................................... 18 Servopohony .......................................................................................... 20 ěídicí systém a uživatelské rozhraní ...................................................... 20 Praktická realizace ....................................................................................... 21 Mechanická konstrukce .......................................................................... 21 Realizace elektroinstalace ..................................................................... 24 ěídicí systém ................................................................................................ 37 Princip NC Ĝízení .................................................................................... 37 Struktura Ĝídicího systému ..................................................................... 40 Princip softwarového PLC a NC ............................................................. 42 Popis prostĜedí TwinCAT ....................................................................... 43 PLC projekt ............................................................................................ 46 Vizualizace ............................................................................................. 58 Generování NC kódu ............................................................................. 61 ZprovoznČní stroje ....................................................................................... 64 Nastavení System Manageru ................................................................. 64 LadČní servopohonĤ .............................................................................. 73 Geometrická pĜesnost stroje .................................................................. 75 Praktické zkoušky .................................................................................. 76 Zabootování PLC programu ................................................................... 78 ZávČr .............................................................................................................. 79 Seznam použitých zdrojĤ............................................................................. 80 Seznam obrázkĤ a grafĤ .............................................................................. 82 Seznam tabulek ............................................................................................ 83 Seznam použitých vzorcĤ ............................................................................ 83 Seznam pĜíloh ............................................................................................... 83


DIPLOMOVÁ PRÁCE 1

Úvod

PĜi hledání dalšího praktického využití pro tĜíosý manipulátor pracující v kartézských souĜadnicích, který je souþástí vybavení laboratoĜe senzoriky a umČlé inteligence na Ústavu výrobních strojĤ, systémĤ a robotiky, vznikla myšlenka jeho uplatnČní v podobČ 3D gravírovací frézky. Jelikož je manipulátor osazen synchronními servomotory s odmČĜováním, servomČniþi a prĤmyslovým PC s dotykovou obrazovkou, není potĜeba provádČt zásadní úpravu konstrukce manipulátoru a jeho pohonĤ, a není tedy nutno vynaložit velké finanþní prostĜedky pro stavbu gravírovací frézky. Tato myšlenka vedla k vytvoĜení zadání této práce. Cílem práce je pĤvodní trojosý manipulátor pĜestavČt a doplnit tak, aby byl schopen zvládat technologii gravírování. To znamená provést drobné úpravy mechanické þásti. Elektrická þást vyžaduje zapojení jednotlivých servopohonĤ a jejich naladČní a zapojení referenþních spínaþĤ. Dále je potĜeba stroj vybavit Ĝídicím systémem umožĖujícím zpracování NC kódu. Celý stroj bude ovládán pomocí 17‘‘ dotykového displeje. Aby byla práce se strojem co nejefektivnČjší, bude generování NC kódu probíhat pĜímo v grafickém editoru. PĜi vytváĜení Ĝídicího systému a uživatelského rozhraní je dbáno na co nejvČtší pĜehlednost a snadné ovládání.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 2

Popis technologie gravírování

Gravírování v širším pojetí znamená jakoukoliv technologii, která slouží k vytváĜení grafických objektĤ na pĜedmČtech. MĤže se jednat o oznaþování pĜedmČtĤ, vytváĜení reliéfĤ, výrobu razítek, a podobnČ. NejþastČji se používá k vytváĜení rĤzných dárkových pĜedmČtĤ, zdobení cen pro vítČze, medailí, štítkĤ na dveĜe, psích známek. NejpoužívanČjší technologie gravírování jsou: • gravírování pomocí laseru, • rytí, • tištČní, • gravírování rotujícím nástrojem.

2.1

Gravírování laserem

Tato technologie využívá tepelného úþinku laserového paprsku dopadajícího na gravírovaný pĜedmČt. Po dopadu paprsku dojde k odpaĜení vrstvy materiálu. ÚbČr materiálu mĤže být malý (dojde jen k zabarvení povrchové vrstvy), nebo vČtší, kdy dochází k odpaĜení materiálu do hloubky až nČkolika milimetrĤ. Laserové gravírování lze použít pro mnoho rĤzných materiálĤ od dĜeva, kĜídového papíru pĜes plasty, kĤži a koženku až po kovy, nejþastČji eloxovaný hliník. Technologie neprodukuje piliny. Navíc nedochází k opotĜebování nástroje, proto je vhodná pro velké série výrobkĤ.

Obr. 1: Laserem vygravírovaná stupnice v eloxovaném hliníku. [3]

Obr. 2: Laserem vygravírovaná dĜevČná mince. [4]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 2.2

Rytí

Gravírování rytím se provádí pomocí diamantového rycího hrotu, který se za trvalého pĜítlaku pohybuje po rytém materiálu. V povrchu materiálu vzniká trvalá plastická deformace jako stopa po hrotu. Vyrytý reliéf má typický tvar složený z mnoha tenkých þar. Rytím lze gravírovat pĜedevším kovy (zlato, stĜíbro, mosaz, nerez, eloxovaný hliník), ale také plasty nebo sklo. Tato technologie se uplatĖuje pĜevážnČ ve šperkaĜství.

Obr. 3: Logo vyryté pomocí diamantového hrotu. [5]

2.3

TištČní

PĜi tištČní se opČt používá diamantový hrot, ale oproti pĜedchozímu pĜípadu není po povrchu souþásti vleþen, ale rychlými údery vytváĜí velké množství dĤlkĤ umístČných tČsnČ vedle sebe. Takto je možno materiál potisknout stejným zpĤsobem, jako je tiskárna schopna tisknout na papír. Lze tedy tisknout texty, ale i rastrové obrázky (þernobílé fotografie). Technologie umožĖuje pĜenos motivu pouze na kovy, nejþastČji zlato, stĜíbro, mosaz, mČć, hliník a nerez.

Obr. 4: Motiv vytvoĜený tištČním do kovu. [6]



Gravírování rotujícím nástrojem

Jde o technologii tĜískového obrábČní, pĜi které nástroj koná hlavní Ĝezný pohyb (rotaþní) a obrobek koná vedlejší Ĝezný pohyb (posuv). Technologie se podobá frézování, avšak vČtšinou se jako nástroj nepoužívá fréza, ale speciální gravírovací nástroj. Ten má zpravidla tvar hrotu z jedné poloviny odbroušeného. Protože se nástrojem odebírají pomČrnČ malé hloubky tĜísek a hrot má na konci prakticky nulový polomČr, jsou u tohoto zpĤsobu gravírování kladeny nároky na vysoké otáþky vĜetene. Ty se pohybují v Ĝádu 10000 min-1. Gravírovat rotujícím nástrojem lze dĜevo, plasty, kovy, gumu a další tĜískovČ obrobitelné materiály. V dalším textu bude pro zjednodušení pod pojmem gravírování uvažována pouze tato technologie.

Obr. 5: Nástroje pro gravírování rotujícím nástrojem. [7]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 3

KomerþnČ vyrábČné gravírovací stroje

Na trhu je k dispozici mnoho gravírovacích strojĤ rĤzných znaþek a provedení. Od jednoduchých a levných, které se hodí spíše pro obþasné použití, až po profesionální zaĜízení vybavené mnoha funkcemi pro rychlou a produktivní výrobu. Stroje þasto umožĖují jak gravírování, tak rytí. Staþí pouze použít jiný nástroj.

3.1

Mechanické – pantografy

Gravírovací pantografy slouží pro gravírování podle šablony za pomoci mechanických pĜevodĤ. PĜestože jsou tyto pantografy v souþasné dobČ znaþnČ na ústupu, existují ještČ výrobci, kteĜí je nabízejí. NapĜíklad francouzská firma Gravograph nabízí tĜi modely pantografĤ. Na obr. 6 je vyobrazen jejich výrobek Gravograph IM3. Z Obr. 6 je zĜejmý princip funkce: Obsluha pĜi práci vede ruþnČ kopírovací palec po šablonČ a pĜes soustavu pák se tento pohyb pĜenáší na nástroj. Jednou rukou se tedy uskuteþĖuje pohyb v rovinČ, druhou rukou se provádí zvedání a spouštČní nástroje do Ĝezu. Hloubka gravírování se nastavuje pomocí mikrometrického šroubu. MČĜítko zmenšení lze nastavit v rozsahu od 1:2 do 1:7 ve 25 krocích. Výkon vĜetene je 55 W pĜi otáþkách 18000 min-1.

Obr. 6: Gravírovací pantograf Gravograph IM3. [8]



CNC Ĝízené

Rozmach NC a CNC Ĝízení samozĜejmČ zasáhl i do oblasti gravírování. Nasazení poþítaþe místo zdlouhavé a monotónní práce pĜineslo zefektivnČní výroby zvláštČ u velkých sérií výrobkĤ. Odpadlo také pracné sestavování textových šablon a nároþná výroba šablon motivĤ. CNC 3D gravírovaþka je koncepþnČ velmi podobná tĜíosé vertikální frézce. StejnČ jako u frézky, i zde je potĜeba zajistit spojité Ĝízení posuvu ve tĜech osách. Rozsah posuvu osy Z bývá zpravidla výraznČ menší než v osách X a Y, protože se pĜedpokládá obrábČní plochých pĜedmČtĤ. Na rozdíl od frézek bývá osazeno vĜeteno s menším výkonem (okolo 100 W) s vysokými otáþkami, které jsou potĜebné pro úspČšné gravírování. Protože se nepĜedpokládá výskyt velkých Ĝezných sil, þasto se k pohonu jednotlivých os používají pouze krokové motory s trapézovými šrouby s vymezenou vĤlí. Výrobci þasto nabízejí nČkolik Ĝad gravírovaþek podle použití od lehkých pro znaþení drobných dárkových pĜedmČtĤ (Obr. 7) až po tČžké Ĝady s výkonnými vĜeteny, které jsou schopny frézovat válcovými frézami do hloubky nČkolika milimetrĤ (Obr. 8). Stroje jsou osazovány speciálními zaĜízeními, jako je laserové sledování povrchu obrobku, které lze souþasnČ využít pro simulaci bČhu, automatické seĜízení délky nástroje, þtvrtá osa pro gravírování válcových pĜedmČtĤ (pera, prsteny, vázy, apod.), vakuový upínací stĤl atd. Mnohé gravírovaþky také umožĖují výmČnu nástroje za rycí hrot, pĜípadnČ i za hlavu pro tištČní do kovu. V naprosté vČtšinČ pĜípadĤ výrobci dodávají se strojem i software pro grafický návrh motivu a jeho pĜevedení do kódu stroje. Tento software také þasto umožĖuje import již hotové grafiky v bČžnČ používaných formátech, tedy nejþastČji Adobe Illustrator „ai“, Corel Draw „eps“, Hewlett-Packard „hpgl“ a další. Zákazník si tedy nemusí opatĜovat CAM software, jak je tomu u bČžných obrábČcích strojĤ.

Obr. 7: Roland EGX-30A; malá jednoduchá gravírovaþka. Pracovní rozsah v ose Z pouhých 5 mm, -1 výkon vĜetene 27 W pĜi 10000 min . PĜesto však parametry dostaþují. [9, 10]


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 8: Gravograph IS8000 XP; velká gravírovaþka koncepþnČ pĜipomínající portálovou frézku. Lze dovybavit automatickou výmČnou nástrojĤ. [11]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 4

Formulace Ĝešeného problému

Cílem práce je zprovoznit stávající laboratorní manipulátor a provést na nČm takové úpravy, aby jej bylo možno provozovat jako gravírovací frézku. Stroj by mČl splĖovat tyto parametry: • Mechanická konstrukce musí umožĖovat provádČní gravírovacích operací. To znamená, že konstrukce musí mít dostateþnou statickou a dynamickou tuhost, geometrickou pĜesnost a pĜesnost polohování. • VĜeteno musí dosahovat vysokých otáþek (ĜádovČ 10000 min-1). • Servopohony musejí umožĖovat rychlé a pĜesné polohování. • Stroj musí disponovat systémem pro upínání obrobkĤ. Na Ĝídicí systém jsou kladeny tyto požadavky: • Jednoduchá obsluha prostĜednictvím obrazovky s dotykovým panelem. • Možnost importovat motivy z rĤzných formátĤ vektorové grafiky. • Schopnost zpracovat NC kód DIN 66025. • Možnost ruþního ovládání posuvĤ pro snadné seĜízení nulového bodu. • Snadné ustavení obrobkĤ – jednoduché posunutí nulového bodu. • Možnost opakovanČ spouštČt NC program. • Vizualizace polohy vĜetene v pracovním prostoru.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 5

Analýza výchozího stavu

Mechanická konstrukce stroje není hlavním pĜedmČtem této práce, avšak vzhledem k úzké vazbČ mezi konstrukcí a Ĝízením stroje je zde zmínČna. V této kapitole je popsán výchozí stav stroje, ve kterém byl Ĝešitelem pĜevzat.

5.1

Rám stroje

Rám stroje je sestaven z profilĤ z hliníkové slitiny dodavatele Alutec K&K a.s. Jedná se o profily þtvercového prĤĜezu 45 × 45 mm spojené pomocí pĜíslušných pravoúhlých spojek.

5.2

Lineární vedení s posuvovými šrouby

Pro vyvození pĜímoþarého pohybu jednotlivých os bylo použito kompaktních lineárních posuvových os znaþky SMC. Jedná se o jednotky, které disponují lineárním valivým vedením a posuvovým šroubem zároveĖ. Tyto jednotky se þasto dodávají vþetnČ servomotorĤ. S ohledem na kompatibilitu se servomČniþi Beckhoff byly ale v tomto pĜípadČ motory nakoupeny zvlášĢ a pomocí spojek byly pĜipojeny k posuvovým jednotkám. Každá posuvová jednotka je vybavena referenþními spínaþi. Tabulka 1: Parametry posuvových os. [2]

Osa

X

Y

Z

Typ vedení Typ šroubu

LJ1H20R20SC500-FH-X10-Q Valivé Trapézový

LJ1H10R10SC500-FH-X10-Q Valivé Trapézový

LXPBABC200S-X18A Valivé Kuliþkový

Stoupání šroubu [mm]

20

20

2

Zdvih osy [mm] Opakovatelnost polohování [mm] Maximální posuvová rychlost [mm.s-1] Typ referenþního spínaþe

500

500

200

± 0,1

± 0,1

± 0,03

500

500

200

Magnetický

Magnetický

Optozávora

Oznaþení posuvové jednotky


DIPLOMOVÁ PRÁCE Posuvové jednotky jsou pomocí hliníkových kostek spojeny tak, aby umožĖovaly pohyb nástroje ve tĜech na sebe kolmých osách. Všechny pohyby stroje jsou tedy realizovány v nástroji, jak ukazuje Obr. 9.

Obr. 9: Celkový pohled na stroj s jednotlivými posuvovými jednotkami.



Servopohony

Jednotlivé posuvové osy jsou osazeny servomotory Beckhoff. Jedná se o tĜífázové šestipólové synchronní servomotory s permanentními magnety. OdmČĜování natoþení servomotoru je realizováno pomocí dvojpólových resolverĤ. Použité motory a jejich parametry jsou zobrazeny v tabulce 2. Servomotory jsou Ĝízeny pomocí servomČniþĤ Beckhoff Ĝady AX5000. Tyto mČniþe jsou konstruovány pro Ĝízení momentu, rychlosti a polohy synchronních a asynchronních tĜífázových motorĤ. Tabulka 2: Parametry servopohonĤ. [1, 13]

Osa

X

Oznaþení servomotoru

AM 3013-1C00-0000

AM 3012-1C00-0000

Jmenovitý moment [Nm]

0,36

0,28

Špiþkový moment [Nm]

1,73

1,27

Jmenovité otáþky [min-1]

8000

8000

Jmenovitý výkon [W]

300

230

Špiþkový proud [A]

7,4

7,6

Momentová konstanta [Nm.A-1]

0,28

0,21

Poþet pólĤ

6

6

5.4

Y

Z

Oznaþení mČniþe

AX5203

AX5103

Poþet kanálĤ

2

1

Jmenovitý proud [A]

3

Špiþkový proud [A]

7,5

ěídicí systém a uživatelské rozhraní

ěízení stroje je realizováno pomocí prĤmyslového PC Beckhoff C6925-0000. Toto PC je vybaveno operaþním systémem Windows XP Embeeded, pod kterým je spuštČn Ĝídicí program TwinCAT. Komunikace mezi obsluhou stroje a Ĝídicím systémem probíhá prostĜednictvím 17‘‘ LCD obrazovky s dotykovým displejem NEC V-Touch 1721 5U.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 6

Praktická realizace

Po analýze stavu stroje bylo pĜistoupeno k samotné realizaci a zprovoznČní jednotlivých funkþních celkĤ stroje. Bylo potĜeba provést dokonþení mechanické konstrukce, zapojit elektroinstalaci, zprovoznit jednotlivé þásti Ĝídicího systému a nakonec celý stroj odzkoušet.

6.1

Mechanická konstrukce

Aby mohl být stroj využíván ke gravírovacím operacím, bylo nutno stávající konstrukci doplnit o tyto prvky: • pohyblivé vedení kabelĤ, • držák vĜetene s vĜetenem, • desku pro upínání obrobkĤ. 6.1.1 VýbČr vĜetene a jeho držáku Gravírovací operace nevyžadují vysoké výkony na vĜeteni, ale je potĜeba docílit vysokých otáþek. Tyto požadavky splĖují vysokootáþkové pĜímé brusky, modeláĜi þasto využívané k ruþnímu broušení, vrtání a frézování nástroji malých prĤmČrĤ. Nabídka tČchto brusek je nepĜeberná, od levných s nepĜíliš dlouhou trvanlivostí, až po kvalitní brusky s kovovými upínacími plochami, s kvalitními ložisky a elektronickou regulací otáþek. Pro tuto aplikaci byla vybrána levná pĜímá bruska FERM CTM 1010. Parametry vĜetene jsou následující: • napájecí napČtí: 230 V / 50 Hz, • pĜíkon: 160 W, • otáþky: 15000 ÷ 35000 min-1, • regulace otáþek: ruþní, • upínání nástroje: kleštinové, • prĤmČr stopky upínaného nástroje: 2,4 mm nebo 3,2 mm.

Obr. 10: PĜímá bruska FERM CTM 1010 použitá jako vĜeteno. [14]

Pro uchycení vĜetene do stroje byl zkonstruován držák vĜetene. Tento je pomocí þtyĜ šroubĤ M6 napojen na pĜírubu lineární posuvové jednotky osy Z. VĜeteno je do držáku pĜipevnČno pomocí matice M18x1,5.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 11: Uchycení vĜetene k posuvové jednotce osy Z.

6.1.2 Deska pro upínání obrobkĤ Oživovaný stroj byl pĤvodnČ konstruován jako 3D manipulátor. Uvažovalo se tedy s manipulací s vysokými pĜedmČty, a proto byl pracovní prostor stroje pro gravírovací operace pĜíliš vysoký. To znamená, že ani pĜi vysunutí osy Z do nejspodnČjší polohy se nelze s nástrojem dostat ke stolu stroje. Pro gravírovací operace se poþítá s obrobkem o výšce v Ĝádu mm, maximálnČ desítek mm, a proto byla zkonstruována deska pro upínání obrobkĤ v takové výšce, aby na ni bylo možno najet s nástrojem. Deska je do rámu stroje pĜipevnČna pomocí þtyĜ tyþí se závity. Tato konstrukce umožĖuje následné seĜízení rovnobČžnosti desky s rovinou XY. Upínání obrobkĤ na desce bude provádČno pomocí oboustranné lepicí pásky, v pĜípadČ gravírování více shodných obrobkĤ by bylo výhodné zkonstruovat upínací pĜípravek.

Obr. 12: Pohled na upínací desku stroje.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 6.1.3 Pohyblivé vedení kabelĤ V prĤmyslové praxi se nejþastČji pro pohyblivé vedení kabelových svazkĤ používají kabelové nosiþe, tzv. energetické ĜetČzy. Pro bČžné aplikace se používají otevĜená Ĝešení vyrobená z plastu. Pokud je nutno zajistit i ochranu kabelu pĜed tĜískami þi Ĝeznou kapalinou, je nutno použít uzavĜené nosiþe. Pro speciální aplikace se používají kabelové nosiþe kovové.

Obr. 13: Kabelový nosiþ kovový, bČžný a uzavĜený. [15, 16, 17]

Vzhledem k testovacímu provozu frézky pĜi jejím oživování byly kabelové nosiþe zavrženy a bylo použito náhradní Ĝešení v podobČ vytvoĜení prĤhybĤ kabelĤ pro umožnČní pohybu vĜetene. Tím vzniká dostateþný prostor pro pohyb v jednotlivých osách.

Obr. 14: Detail provČšení kabelĤ vedoucích k servomotoru osy Z a vĜetenu.



Realizace elektroinstalace

Elektroinstalace stroje musí umožĖovat plnČní tČchto funkcí: • pohon jednotlivých posuvových os, • odmČĜování polohy v jednotlivých osách, • referencování os, • pohon vĜetene. Z výše uvedených požadavkĤ bylo vytvoĜeno blokové schéma zapojení elektroinstalace. V Obr. 15 jsou znázornČny nejdĤležitČjší komponenty elektroinstalace a rozhraní, pĜes která jsou propojeny.

Obr. 15: Blokové schéma elektroinstalace stroje.

V následujících odstavcích budou popsány jednotlivé elektrické komponenty stroje, jejich vlastnosti a zpĤsob propojení s ostatními komponenty.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 6.2.1 PrĤmyslové PC Pro Ĝízení celého stroje je použito prĤmyslové PC Beckhoff C6925-0000. Jedná se o kompaktní prĤmyslový poþítaþ urþený pro montáž do rozvadČþe. Na 3,5‘‘ základní desce je nainstalován procesor Intel Celeron 1,0 GHz a operaþní pamČĢ 256 MB DDR-RAM. Operaþní systém Windows XP Embedded je nainstalován na pamČĢové kartČ Compact Flash. Poþítaþ je vybaven dvČma siĢovými kartami. Jedna, s pĜenosovou rychlostí 100 Mb/s, je urþena pro sbČrnici EtherCAT, druhá, s rychlostí 1 Gb/s, slouží k pĜipojení do nadĜazeného systému. Dále se na þelním panelu nachází 4 USB porty, rozhraní RS-232, DVI-I a napájecí konektor. Napájení poþítaþe, stejnČ jako všech ostatních prvkĤ, je provedeno pomocí spoleþného 24V zdroje. Všechny konektory jsou pro snadnou montáž do rozvadČþe vyvedeny zepĜedu. [19]

Obr. 16: PrĤmyslové PC C6925. [18]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 6.2.2 Dotyková obrazovka Komunikace obsluha – stroj probíhá pomocí dotykového LCD panelu NEC V-Touch 1721 5U. Jde o rezistivní dotykový panel. S PC je propojen pomocí rozhraní DVI, které pĜenáší obraz, a USB, pomocí nČhož je pĜenášen signál z dotykové vrstvy. Po pĜipojení do PC se dotykový panel chová stejnČ jako myš.

Obr. 17: Dotykový panel. [20]

6.2.3 Servomotory a odmČĜování polohy Úkolem servopohonu je, v souþinnosti s lineární posuvovou jednotkou, v reálném þase nastavovat požadovanou polohu, rychlost a zrychlení v ose. Lineární pohyb posuvové jednotky je s rotaþním pohybem servomotoru pevnČ svázán podle vztahĤ: P ⋅ϕ P ⋅ω P ⋅ε x= , (6.2.3.1) v= , (6.2.3.2) a= , (6.2.3.3) 2π 2π 2π kde: P [mm] stoupání posuvového šroubu, x [mm] poloha v ose, v [mm.s-1] rychlost v ose, a [mm.s-2] zrychlení v ose, ĳ [rad] úhlové natoþení servomotoru, Ȧ [rad.s-1] úhlová rychlost servomotoru, úhlové zrychlení servomotoru. İ [rad.s-2] Uvažujeme-li elektrické servopohony, jsou v souþasné dobČ k dispozici tato Ĝešení: • Krokové motory • StejnosmČrné servomotory (DC servo) • TĜífázové stĜídavé synchronní servomotory (AC servo)


DIPLOMOVÁ PRÁCE V naprosté vČtšinČ pĜípadĤ se v souþasné dobČ u pohonu posuvových os setkáme s tĜífázovými synchronními servomotory (AC servo). S poklesem ceny výkonových Ĝídicích prvkĤ se tento typ pohonu stal zcela dominantním i pro pohony s vysokými výkony. Jedná se o bezkartáþové motory s rotorem tvoĜeným permanentními magnety, s trojfázovým vinutím na statoru. Princip motoru je založen na Ĝízení tĜí svorkových proudĤ motoru, které mají harmonický prĤbČh se vzájemným fázovým posunem o 120°. Tímto vzniká uvnit Ĝ motoru toþivé magnetické pole zpĤsobující roztoþení rotoru. Vzhledem k tomu, že se jedná o synchronní stroj, jsou kladeny vysoké nároky na Ĝídicí obvody. Pro napájení a Ĝízení tČchto motorĤ se používají servomČniþe, které jednak obstarávají regulaci proudĤ do jednotlivých fází motoru, a také obsahují regulaþní smyþku polohy a rychlosti uzavĜenou pĜes polohovou zpČtnou vazbu. Synchronní servopohony mají v celém rozsahu otáþek konstantní moment, netrpí opotĜebením komutátoru, oproti DC servomotorĤm se lépe chladí (tepelné ztráty jsou ve statoru). Motory se þasto vyrábČjí zcela uzavĜené (bez vČtracích otvorĤ), nejsou tedy náchylné na prach a další neþistoty. Z výše uvedených vlastností vyplývá, že v souþasné dobČ se jedná o nejvýhodnČjší zpĤsob pohonu posuvových os. Otázkou je, jaká je jejich budoucnost, protože v posledních letech výraznČ vzrostla cena neodymu, který je nejdĤležitČjším prvkem pro výrobu silných permanentních magnetĤ. [27] Aby bylo možno provádČt regulaci polohy, rychlosti a zrychlení posuvové osy, a tedy i servomotoru, je potĜeba do regulaþní smyþky zavést zpČtnou vazbu. U obrábČcích strojĤ se jedná o zpČtnou vazbu odmČĜováním. Na Obr. 18 je zobrazeno rozdČlení zpĤsobĤ lineárního odmČĜování polohy.

Obr. 18: ZpĤsoby lineárního odmČĜování polohy. [27]

U pĜímého odmČĜování polohy je pohyblivá þást snímaþe polohy (nejþastČji pravítka) umístČna pĜímo na posuvové ose. Dochází tedy k odmČĜování skuteþné polohy souĜadnice. Výhodou tohoto systému je vysoká pĜesnost odmČĜování a možnost absolutního snímání polohy, nevýhodou jsou vČtší nároky na zástavbový prostor ve stroji, složitČjší konstrukce a vyšší cena. [21] V pĜípadČ nepĜímého odmČĜování je rotaþní snímaþ polohy umístČn na hĜídeli posuvového šroubu, pĜípadnČ pĜímo na hĜídeli servomotoru. Z výše uvedeného vztahu je pak dopoþítávána skuteþná poloha v ose. Tento systém je jednoduchý a levnČjší, avšak není schopen odhalit chyby polohy vzniklé vĤlemi v pĜevodu a v posuvovém šroubu. [22]


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 19: PĜímé (vlevo) a nepĜímé (vpravo) odmČĜování polohy. [21, 22]

Absolutní odmČĜování polohy udává úplnou informaci o poloze souĜadnice kdykoliv, a tedy i po zapnutí stroje. Není tedy nutné provádČt referencování stroje. Cyklicky absolutní odmČĜování je schopno udat absolutní polohu v rámci jedné otáþky snímaþe. Po otoþení snímaþe o 360° udává op Čt stejnou hodnotu, proto si Ĝídicí systém musí uchovávat informaci o aktuální poloze osy. Po zapnutí stroje je nutno stroj referencovat, tedy najet na referenþní spínaþ. Inkrementální snímaþ polohy posílá do Ĝídicího systému pouze informaci o zmČnČ polohy o urþitý poþet inkrementĤ, výstupem snímaþe jsou tedy jednotlivé impulsy. ěídicí systém tyto impulsy zpracovává pomocí þítaþe a urþuje polohu souĜadnice. Po zapnutí systému tedy není známa poloha v jednotlivých osách a je potĜeba stroj referencovat. [27] 3D gravírovací frézka je osazena odmČĜováním polohy pomocí dvoupólových resolverĤ umístČných pĜímo na hĜídelích servomotorĤ. Princip funkce resolveru je zobrazen na Obr. 20.

Obr. 20: Princip funkce resolveru. [23, 24]

Do vstupní cívky na statoru se pĜivádí nosný signál sinusového prĤbČhu o frekvenci v Ĝádu jednotek kHz. PĜes vstupní rotaþní transformátor se tento signál pĜevádí na rotorovou cívku. Stator je dále osazen dvČma navzájem kolmými výstupními cívkami, ze kterých se odebírá výstupní signál. Podle natoþení rotoru vĤþi


DIPLOMOVÁ PRÁCE statoru se na výstupních cívkách mČní amplituda a fáze signálu. Po digitálním zpracování signálu jsou výstupem z resolveru dva analogové signály (sinus – cosinus), ve kterých je zakódována absolutní poloha natoþení resolveru v rámci jedné otáþky. Resolver je tedy absolutní rotaþní snímaþ. Z výše uvedeného vyplývá, že frézka je vybavena stĜídavým synchronním servopohonem s nepĜímým cyklicky absolutním odmČĜováním. Vyžaduje tedy pĜítomnost referenþních spínaþĤ na všech osách. PĜipojení servomotoru na servomČniþ je provedeno pomocí dvou kabelĤ opatĜených kruhovými šroubovacími konektory. Jeden je urþen k napájení motoru, pĜípadnČ k zapojení brzdy a snímaþe teploty, druhý pĜenáší signál z vestavČného resolveru. 6.2.4 Referenþní spínaþe U obrábČcích strojĤ se používá mnoho rĤzných snímaþĤ polohy. Každá osa by mČla být vybavena koncovými spínaþi, které slouží k zastavení stroje pĜi pĜejetí pĜes stanovený rozsah osy. S výjimkou použití absolutního odmČĜování je také potĜeba pĜi každém spuštČní stroje provést najetí na referenþní spínaþe. Dále se spínaþe používají pro kontrolu uzavĜení dveĜí, kontrolu pĜítomnosti nástroje v držáku atd. Vzhledem k použití nepĜímého odmČĜování je potĜeba pĜi každém spuštČní stroje provést referencování, tedy najetí na referenþní spínaþe v každé pohybové ose. Díky tomu, že je pro odmČĜování použit resolver, nejsou na referenþní spínaþe kladeny vysoké nároky na pĜesnost a opakovatelnost spínání. V ose X a Y jsou použity shodné spínaþe, a to typ SMC D-Y7H. Jde o polovodiþový magnetický snímaþ pracující na principu Hallova jevu. Samotný snímaþ je umístČn uvnitĜ kompaktní posuvové osy v drážce k tomuto úþelu urþené. Na pohyblivé þásti je umístČn magnet, pĜi najetí magnetu na snímaþ dojde k sepnutí. Snímaþ pracuje v režimu NC (normal closed), to znamená, že v pĜípadČ nepĜítomnosti magnetu je sepnut, na jeho výstupu je logická 1. Snímaþ je zapojen tĜívodiþovČ, a proto vyžaduje stejnosmČrné napájení 24 V.

Obr. 21: Nákres a zapojení vývodĤ referenþního spínaþe D-Y7H. [2]

V ose Z je jako referenþní spínaþ použita optozávora Omron EE-SX673, dodávaná pĜímo s posuvovou jednotkou. Je umístČna na horní stranČ osy, k indikaci najetí na referenci dojde tČsnČ pĜed horním dorazem. Zapojení spínaþe je opČt tĜívodiþové. Vzhledem k tomu, že je použit výstupní tranzistor NPN s otevĜeným kolektorem, bylo nutné pĜipojit ke snímaþi ještČ pull-up rezistor RL o odporu 4,7 kȍ, který pĜi rozepnutí tranzistoru zajistí na výstupu logickou 1.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 22: Nákres a zapojení referenþního spínaþe EE-SX673. [2]

6.2.5 ServomČniþe AX 5103 a AX 5203 Hlavní funkcí servomČniþe je vytvoĜit regulaþní smyþku pro Ĝízení polohy, rychlosti a momentu motoru. Vstupními veliþinami pro mČniþ jsou požadovaná poloha, pĜípadnČ rychlost a zrychlení v ose. Výstupní svorky mČniþe jsou pĜipojeny na servomotor a na tČchto svorkách je Ĝízen proud a napČtí. Do mČniþe dále vstupuje polohová, pĜípadnČ rychlostní zpČtná vazba. UvnitĜ mČniþe se nachází digitální regulaþní obvod, který zajišĢuje funkci servopohonu. PĜi regulaci polohy os u CNC strojĤ se používá tzv. vleþná regulace, kdy vstupní veliþinou regulátoru (a tedy i mČniþe), je požadovaná poloha. Regulátor sestává z tĜech regulaþních smyþek zapojených do kaskády, a to z polohové, rychlostní a proudové smyþky.

Obr. 23: Regulaþní smyþka servomotoru.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Do regulátoru (Obr. 24) vstupuje požadovaná poloha P set. Ta je porovnávána s aktuální polohou osy P act, získanou z odmČĜování. Rozdíl tČchto hodnot, tedy regulaþní odchylka eP je pĜivádČna do polohového regulátoru. Ten je v tomto pĜípadČ pouze proporcionální se zesílením Kv. Hodnota zesílení Kv ovlivĖuje dynamiku pohonu. ýím vČtší je tato hodnota, tím rychleji pohon reaguje na zmČny požadované polohy. PĜi pĜíliš vysoké hodnotČ ale dochází k rozkmitání servopohonu. Výstupem polohového regulátoru je požadovaná rychlost V set.

Obr. 24: Polohový regulátor servomČniþe AX 5000.

V rychlostním regulátoru (Obr. 25) je na požadovanou rychlost V set aplikována akceleraþní a deceleraþní rampa a omezení rychlosti posuvu. Poté je hodnota rychlosti porovnána s aktuální rychlostí V act a tím vzniká regulaþní odchylka eV. Jde o rozdíl požadované a skuteþné rychlosti, tedy o informaci, zda má servopohon zpomalovat nebo zrychlovat. Tato hodnota prochází pĜes rychlostní filtr do PI regulátoru, jehož výstupem je požadovaný proud do motoru I set.

Obr. 25: Rychlostní regulátor servomČniþe AX5000.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Vstupem proudového regulátoru (Obr. 26) je požadovaný proud (a tedy i moment) motoru. Ten prochází omezením (omezení proti pĜetížení motoru) a je porovnáván se skuteþným proudem motoru I act. Vzniklá regulaþní odchylka vstupuje do PI regulátoru, jehož výstupem je požadované napČtí na motoru U set. ZaĜazením proudového regulátoru výraznČ roste dynamika pohonu, protože je možné jej napájet vyšším napČtím, a tím omezit vliv indukþnosti vinutí motoru. Zavedením integraþní složky proudového regulátoru je možno navíc výraznČ zvýšit jeho zesílení bez nebezpeþí nestability regulaþního obvodu.

Obr. 26: Proudový regulátor servomČniþe AX 5000.

Pro Ĝízení servopohonĤ byly zvoleny servomČniþe Beckhoff Ĝady AX 5000. Jedná se o mČniþe pro Ĝízení polohy, rychlosti a zrychlení servopohonĤ osazených rotaþními nebo lineárními, synchronními nebo asynchronními motory. Integrovaný kaskádový regulátor umožĖuje využití v rychlých a velmi dynamických úlohách. S Ĝídicím systémem založeným na platformČ PC komunikuje pomocí rozhraní EtherCAT. MČniþe Ĝady se vyrábČjí v ĜadČ o jmenovitém proudu od 1 A až do 40 A v jednokanálovém nebo dvoukanálovém provedení. ZpČtnou vazbu lze realizovat mnoha rĤznými zpĤsoby (sinus – cosinus, EnDAT, Hiperface, BiSS, resolver, TTL encoder). ěada AX 5000 byla speciálnČ vyvinuta pro použití v real-time systému EtherCAT. Využívá vlastností sbČrnice EtherCAT, která je velmi vhodná pro použití v pohonné technice. I pĜi velkém množství zapojených zaĜízení poskytuje sbČrnice velmi krátké cykly þasových smyþek. [1] Jednotlivé servomČniþe Ĝady AX 5000 mají shodné zapojení konektorĤ, liší se pouze proudovou zatížitelností, a s tím související celkovou velikostí mČniþe. RozmístČní jednotlivých prvkĤ dvoukanálového mČniþe je na Obr. 27. Pro jednokanálový mČniþ pouze odpadají konektory pro kanál B.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 27: RozmístČní prvkĤ na panelu mČniþe Ĝady AX 5000. [1]

1. ZpČtná vazba – enkoder 2. ZpČtná vazba – resolver 3. ZpČtná vazba – enkoder, kanál B 4. ZpČtná vazba – resolver, kanál B 5. Bezpeþnostní modul 6. Navigaþní tlaþítko 7. Stavová kontrolka EtherCAT 8. Pole pro popis 9. EtherCAT – výstup 10. Vstup 24V DC 11. Snímaþ teploty a brzda 12. Snímaþ teploty a brzda, kanál B 13. PĜipojení motoru, kanál B 14. PĜipojení motoru 15. PĜívod hlavního napájení 16. Výstup usmČrnČného napájení 17. Varovný štítek 18. EtherCAT – vstup 19. Pole pro popis 20. Stavová kontrolka EtherCAT 21. Displej 22. Digitální vstupy a výstupy


DIPLOMOVÁ PRÁCE Zapojení vývodĤ konektoru pro resolver (pozice 2 a 4) je v Tabulce. 3. Tabulka 3: Zapojení vývodĤ konektoru pro resolver. [1]

Pin

PĜipojen na

1

PTC þidlo teploty

2

GND

3

COS-

4

SIN-

5

REF-

6

nezapojen

7

nezapojen

8

nezapojen

9

GND þidla teploty

10

COS+

11

SIN+

12

REF+

13

nezapojen

14

nezapojen

15

nezapojen

PĜipojení motoru je provedeno pomocí pĜíslušného konektoru. Vývody U, V, W slouží k pĜipojení svorek motoru, vývod PE slouží k uzemnČní a stínČní motoru.

Obr. 28: Konektor pro pĜipojení motoru. [1]

ServomČniþ také disponuje digitálními vstupy a výstupy. Každý mČniþ obsahuje 8 digitálních vstupĤ, z nichž jeden je možno pĜepnout jako digitální výstup. Tyto vstupy jsou u gravírovaþky použity pro pĜipojení referenþních spínaþĤ. Na pinu 24 je kladné napČtí 24 V, na pinu 0V je zem. Piny 0-6 slouží jako digitální vstupy, pin 7 lze použít jako vstup nebo výstup.

Obr. 29: Konektor pro pĜipojení digitálních vstupĤ/výstupĤ. [1]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 6.2.6 EtherCAT bus coupler a digitální výstupy Aby bylo možno pomocí Ĝídicího systému zapínat a vypínat vĜeteno, bylo potĜeba vybavit elektroinstalaci digitálním výstupem. K tomuto úþelu byl využit EtherCAT Bus Coupler BK1120. Jedná se o prvek, který propojuje EtherCAT, tedy real-time ethernetový systém s modulárním systémem karet, zvaným K-bus. Celá modulární jednotka sestává z Bus Coupleru, 1 - 64 karet a ukonþovacího prvku. Bus Coupler je do sítČ EtherCAT zapojen pomocí ethernetového kabelu s konektorem RJ 45. V této konkrétní aplikaci je modulární jednotka sestavena z coupleru BK1120, jedné karty digitálních výstupĤ KL2408 a ukonþovacího prvku KL9010. V pĜípadČ potĜeby lze tuto jednotku jednoduše rozšíĜit o další karty, napĜíklad digitální vstupy pro tlaþítkové ovládání, bezpeþnostní karty apod.

Obr. 30: Sestava modulu s digitálními výstupy. [1]

V gravírovací frézce je využit pouze výstup 01 na kartČ KL2408. Ostatní výstupy jsou nevyužity, avšak v budoucnu je možno je využít napĜíklad pro ovládání signalizaþního majáku, zapínání chlazení a podobnČ.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 6.2.7 Stykaþ Protože je vĜeteno napájeno síĢovým napČtím 230V/50Hz, není spínáno pĜímo z karty digitálních výstupĤ, ale pĜes stykaþ. Je zde použit stykaþ Schneider LP1K06 10BD. Kotva je napájena z digitálního výstupu 24 V. Stykaþ má þtyĜi spínací kontakty, každý o proudové zatížitelnosti 6 A.

Obr. 31: Stykaþ Schneider LP1K0610BD.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7

ěídicí systém

7.1

Princip NC Ĝízení

Jak už název napovídá, NC (z angl. Numerical Control – þíslicové Ĝízení) obrábČcí stroje jsou þíslicovČ Ĝízené. Znamená to tedy, že jejich nejdĤležitČjší funkce jsou ovládány nČjakým Ĝídicím systémem, a pĜi pĜechodu z jednoho typu obrobku na jiný dochází pouze k výmČnČ programu. V NC programu jsou tedy uloženy tyto informace: • informace o tvaru souþásti (geometrie), • informace o pohybu nástroje (otáþky vĜetene, posuv), • informace o nástroji (který nástroj je zrovna použit), • další doplĖkové informace (chlazení, výmČna nástrojĤ apod.). Obsluha gravírovací frézky je provádČna pomocí strojového NC kódu dle normy DIN 66025 (ISO 6983). Jedná se o typ kódu velice rozšíĜený, což má výhodu v tom, že lze kód generovat v široké škále generátorĤ NC kódu. NC kód se skládá z jednotlivých ĜádkĤ (blokĤ), které obsahují þíslo Ĝádku a dále pĜíkazy pro vykonávání jednotlivých funkcí. Jedná se pĜedevším o G-pĜíkazy (geometrické) a M-funkce (pomocné funkce). PĜíklad jednoho Ĝádku NC kódu s vysvČtlivkami je v Tabulce 4. Obdobným zpĤsobem je napsán celý NC kód. Tabulka 4: PĜíklad bloku N10 G01 X10 Y10 Z-5 F500 M03.

N10

G01

þíslo Lineární bloku interpolace

X10

Y10

Z-5

F500

Žádaná poloha X

Žádaná poloha Y

Žádaná poloha Z

Posuv v mm.min-1

M03 Zapnutí vĜetene doprava

7.1.1 G-funkce G-funkce jsou výrobcem implementovány pĜímo do Ĝídicího systému. Tabulka 5 uvádí jejich význam.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Tabulka 5: G-funkce podporované systémem Beckhoff [1]

G00

Rychloposuv

G01

Lineární interpolace

G02

Kruhová interpolace ve smČru hodinových ruþiþek

G03

Kruhová interpolace proti smČru hodinových ruþiþek

G04

ýasová prodleva

G09

PĜesné zastavení v rohu (shodné s G60)

G17

Programování v rovinČ XY

G18

Programování v rovinČ ZX

G19

Programování v rovinČ YZ

G40

Vypnutí kompenzace radiusu frézy

G41

Kompenzace radiusu frézy vlevo

G42

Kompenzace radiusu frézy vpravo

G53

Vypnutí posunutí nulového bodu

G54

Posunutí nulového bodu þ. 1

G55


G56


G57


G58

Programovatelné posunutí nulového bodu þ. 1

G59

Programovatelné posunutí nulového bodu þ. 2

G60

PĜesné zastavení v rohu (shodné s G09)

G70

RozmČry v palcích

G71

RozmČry v mm

G74

Referencování os

G90

Absolutní programování

G91

PĜírĤstkové programování

G700

RozmČry v palcích s pĜepoþítáním rychlosti posuvu

G710

RozmČry v mm s pĜepoþítáním rychlosti posuvu

7.1.2 M-funkce M-funkce slouží jako pomocné funkce. ěídicí systém Beckhoff má implementovány tyto tĜi funkce:


DIPLOMOVÁ PRÁCE Tabulka 6: M-funkce implementované systémem Beckhoff. [1]

M02

Konec programu

M17

Konec podprogramu

M30

Konec programu s vypnutím všech rychlých M-funkcí

Ostatní funkce (M00 ÷ M159 kromČ výše uvedených) lze libovolnČ nastavit. Každý výrobce si je mĤže nastavit podle potĜeby. Pro obrábČcí stroje se nejþastČji ještČ používají tyto funkce: Tabulka 7: BČžnČ používané další M-funkce.

M00

Stop programu vyžadující ruþní spuštČní

M03

Zapnutí vĜetene doprava

M04

Zapnutí vĜetene doleva

M05

Vypnutí vĜetene

M08

Zapnutí chlazení nástroje

M09

Vypnutí chlazení nástroje

7.1.3 H, T, S parametry ěídicí systém umožĖuje využití parametrĤ pro rĤzné pomocné funkce. NapĜíklad pokud se v programu vícekrát vyskytuje þasová prodleva, mĤže být parametrizována. Parametr je pak definován na jednom místČ na zaþátku programu. 7.1.4 Korekce nástrojĤ Systém umožĖuje korekci až 255 nástrojĤ. Do korekþní tabulky lze zadat tyto parametry: Tabulka 8: Korekþní parametry nástrojĤ. [1]

ýíslo parametru 0 1 2 4 5

Význam (nástroj typu vrták)

Význam (nástroj typu fréza)

ýíslo nástroje Typ nástroje – vrták = 10

Typ nástroje – fréza = 20 Délka nástroje

PolomČr frézy Délkové opotĜebení nástroje

8

OpotĜebení nástroje na polomČru Kartézské posunutí nástroje X

9

Kartézské posunutí nástroje Y

10

Kartézské posunutí nástroje Z

7


DIPLOMOVÁ PRÁCE V NC kódu se korekce nástroje aktivuje pĜíkazem D s þíslem nástroje. Kompenzace nástroje se deaktivuje pĜíkazem D0. PĜíklad: N10 G17 G01 X0 Y0 Z0 F6000 (Práce v XY, lin. interpol.) N20 D1 X10 Y10 Z (Délková korekce nástroje) N30 M30 (Konec programu)

7.2

Struktura Ĝídicího systému

ěídicí systém slouží k ovládání veškerých výstupních zaĜízení umístČných na stroji. To je realizováno na základČ informací ze vstupních zaĜízení. V pĜípadČ gravírovací frézky se jedná o tato zaĜízení: Vstupní • dotykový panel, • USB vstup, • referenþní spínaþe. Výstupní • • •

monitor, vĜeteno s pohonem, servomotory.

ěídicí systém tedy na základČ povelĤ z dotykového panelu a NC kódu na USB disku ovládá jednotlivé servomotory a vĜeteno. PotĜebné informace jsou zobrazovány na displeji. Celkové schéma samotného Ĝídicího systému zobrazuje Obr. 32. Systém sestává ze dvou hlavních typĤ úloh. Jedná se o NC úlohy a PLC úlohy. NC slouží k þíslicovému Ĝízení jednotlivých os. Úkolem NC je tedy obsluhovat jednotlivé NC pohybové osy a NC interpreter. Znamená to tedy, že na základČ povelĤ z nadĜazeného systému (PLC) a dalších vstupĤ (v tomto pĜípadČ NC kód) NC úloha generuje požadovanou polohu, popĜ. rychlost a zrychlení v jednotlivých osách, tyto parametry monitoruje, a nadĜazenému systému podává informaci o prĤbČhu úlohy. PLC (z angl. Programmable Logic Controller – programovatelný logický automat) je v tomto pĜípadČ nadĜazený systém, který obsluhuje NC úlohy, digitální výstupy a vizualizaci. Vstupním zaĜízením pro PLC je pĜedevším dotykový panel, pomocí nČhož je celý stroj ovládán.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 32: Celkové schéma samotného Ĝídicího systému.



Princip softwarového PLC a NC

Standardní prĤmyslová PLC a NC byla dĜíve Ĝešena jako jednoúþelová zaĜízení, kde vlastní PLC þi NC tvoĜil speciální procesor urþený pouze ke spouštČní Ĝídicího programu. Program bČžel ve smyþce, kde nejdĜíve byly naþteny vstupy, vykonal se program, a poté byly zapsány výstupy. Propojení PLC a NC se provádČlo fyzicky pomocí vodiþĤ a programování probíhalo oddČlenČ.

Obr. 33: ýasová posloupnost operací u klasického PLC. [1]

V pĜípadČ softwarového PLC bČží program stejným zpĤsobem jako u klasického s tím, že výkon procesoru musí být dostateþný k tomu, aby v prĤbČhu jednoho PLC cyklu zbyl þas na obsluhu operaþního systému a uživatelského rozhraní (HMI). Vzhledem k dnešním vysokým výpoþetním výkonĤm bČžných PC toto ale není žádný problém.

Obr. 34: ýasová posloupnost operací u softwarového PLC. [1]

V pĜípadČ kombinace softwarového PLC a NC bČží tyto operace souþasnČ s tím, že jednotlivé smyþky se pĜekrývají. Jedná se pak o tzv. mutitasking, kdy na jednom procesoru bČží stĜídavČ nČkolik operací, pĜiþemž jsou stĜídány tak, aby byly dodrženy þasy jednotlivých cyklĤ. Každá úloha má vlastní dobu cyklu a prioritu. Na následujícím pĜíkladu je situace, kdy NC má þas cyklu 1 ms a PLC má 2 ms. Systém musí rozdČlit operace tak, aby v každé milisekundČ probČhla 1 NC smyþka a v každých dvou ms probČhla PLC smyþka. Jak je vidČt, v tomto pĜípadČ byla PLC smyþka rozdČlena na dva þasové úseky. Ve zbylém þase je provádČna obsluha operaþního systému a HMI.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 35: ýasová posloupnost operací u softwarového PC a NC. [1]

Slouþení fyzických PLC a NC do softwarového, bČžícího na jednom procesoru, poskytuje mnoho výhod: • menší množství hardwarových komponent, • mnohem lepší modularita a flexibilita systému, snadná rozšíĜitelnost, • možnost využití spoleþné operaþní pamČti PC, • integrace do operaþního systému: Možnost jednoduchého sdílení dat mezi PLC, NC a operaþním systémem. Snadné pĜipojení uživatelského rozhraní a nadĜazených systémĤ, • jednodušší propojení PLC a NC a možnost spoleþného ladČní ještČ pĜed fyzickou realizací systému.

7.4

Popis prostĜedí TwinCAT

Stroj je Ĝízen pomocí Embedded PC Beckhoff. Na tomto PC je nainstalován operaþní systém Windows XP Embedded. Dále je zde nainstalován program TwinCAT 2.10, který zajišĢuje veškerou obsluhu stroje. Tento software umožĖuje využít témČĜ jakýkoliv PC k real-time Ĝízení se systémem PLC a Ĝízením NC os. SouþasnČ je v tomtéž prostĜedí spuštČno vývojáĜské rozhraní. TwinCAT nahrazuje bČžné PLC a NC kontroléry jedním systémem, který je schopen obstarávat všechny funkce. [1] TwinCAT sestává z run-time systémĤ, které spouštČjí Ĝídicí programy v reálném þase, a z prostĜedí pro programování, ladČní, nastavování a diagnostiku. Run-time systém a vývojové prostĜedí mohou bČžet buć na stejném poþítaþi, nebo oddČlenČ se vzdáleným pĜístupem. Systém umožĖuje propojení s dalšími programy bČžícími pod Windows, napĜíklad s prostĜedím Visual Basic. Celková architektura software je Ĝešena jako stavebnice z nČkolika modulĤ, které lze vzájemnČ propojovat. Podle toho, jak nároþný úkol má systém plnit, lze jednotlivé softwarové moduly nakupovat, a tím optimalizovat náklady na Ĝídicí systém. Základní moduly jsou tyto: • TwinCAT System Manager, • TwinCAT CP, • TwinCAT I/O, • TwinCAT PLC, • TwinCAT NC PTP, • TwinCAT NC I, • TwinCAT CNC, • TwinCAT ScopeView.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.4.1 TwinCAT System Manager Tento modul je konfiguraþním centrem celého systému. Slouží k propojení jednotlivých dalších systémĤ. Definuje vztahy mezi PLC systémy, PLC programy, NC osami a vstupnČ-výstupními moduly. System Manager mĤže být spuštČn v nČkolika režimech: • Stop – Systém je vypnut. • Config mode – v tomto režimu je run-time vypnutý. Mód slouží k nastavování všech parametrĤ, pĜidávání a odebírání zaĜízení, PLC programĤ apod. • Run mode – tento režim slouží pro bČh programu. Run-time je spuštČn. 7.4.2 TwinCAT CP Modul CP slouží k Ĝízení prĤmyslových ovládacích panelĤ Beckhoff Ĝady C6xxx a C7xxx. Tyto panely tvoĜí samostatnou jednotku, která s Ĝídicím systémem komunikuje právČ prostĜednictvím modulu CP. [1] 7.4.3 TwinCAT I/O UmožĖuje namapování fyzických zaĜízení (hardware) a propojení jejich promČnných s promČnnými v jiných úlohách (task). Dále slouží ke vzájemnému propojení promČnných mezi jednotlivými úlohami. Modul I/O tedy tvoĜí jakési pomyslné „softwarové vodiþe“ mezi jednotlivými þástmi systému. Nejmenší adresovatelná jednotka je jedna promČnná, její nejmenší velikost mĤže být 1 bit. [1] 7.4.4 TwinCAT PLC Slouží k vytvoĜení virtuálního PLC v systému. PLC je programováno v souladu se standardem IEC 61131-3. Disponuje bohatým vývojovým prostĜedím, ve kterém lze psát programy, které by pĜi použití konvenþních PLC bylo obtížné realizovat. Základní parametry TwinCAT PLC jsou: • možnost psát programy ve všech jazycích standardu IEC 61131-3 (IL, FBD, LD, SFC, ST, CFC), • pĜevod mezi jednotlivými jazyky, • možnost rekompilace pĜi bČhu programu (online change), • využití všech bČžných datových typĤ a struktur vþetnČ vícerozmČrných polí, • možnost pĜístupu k promČnným prostĜednictvím rozhraní Microsoftu. TwinCAT PLC disponuje také nástroji pro ladČní programu, které zahrnují: • kontrolu deklarace promČnných, • online sledování hodnot promČnných s možností online zmČn, • krokování programu, • výpisy promČnných, • logování hodnot promČnných v každém cyklu programu.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Na jednom PC mohou souþasnČ bČžet až þtyĜi run-time systémy, je tedy možný souþasný bČh þtyĜ PLC. Každé PLC mĤže zpracovávat souþasnČ 4 úlohy (samostatné programy), to znamená, že je možný souþasný bČh až 16 PLC úloh. [1] 7.4.5 TwinCAT NC PTP Tento modul obsahuje software pro polohování pohybových os point-to-point, to znamená, že umožĖuje nastavit požadovanou polohu, rychlost a zrychlení pohybové osy. Tento modul nahrazuje dĜíve používané polohovací jednotky a NC kontroléry. Polohový regulátor je spuštČn v PC v cyklu a neustále si prostĜednictvím sbČrnice vymČĖuje data s aktuátory a odmČĜovacím zaĜízením. Výkon PC je dostateþný k souþasnému Ĝízení nČkolika desítek polohovatelných os. Povely, které má osa vykonat, se posílají z vývojového ovládacího panelu nebo z PLC. Pro jednoduchou komunikaci s PLC jsou v patĜiþných knihovnách vytvoĜeny funkþní bloky. [1] 7.4.6 TwinCAT NC I TwinCAT NC Interpolation modul slouží k interpolování mezi jednotlivými NC osami. Tento modul umožĖuje NC interpolaci ve tĜech osách, tedy 3D. Obsahuje NC interpreter, generátor požadované polohy a polohový regulátor. PĜíkazy pro NC I jsou vydávány buć z PLC programu nebo z vývojáĜského ovládacího panelu. CelkovČ je možno vytvoĜit 31 interpolaþních kanálĤ, v každém kanálu lze ale interpolovat maximálnČ 3 osy. NC interpreter slouží ke zpracování bČžného NC kódu dle normy DIN 66025. Jde o standard, který využívají napĜíklad Ĝídicí systémy firmy Siemens. Systémem jsou podporovány i doplĖkové funkce, jako je posunutí nulových bodĤ, kompenzace délky a prĤmČru nástroje, programové smyþky, funkce M a H. Tvary, které je interpolátor schopen tvoĜit, jsou tyto: • pĜímky libovolnČ orientované v prostoru, • kružnice ve tĜech hlavních rovinách, • kružnice libovolnČ orientované v prostoru, • spirály orientované ve tĜech hlavních rovinách. Další možností vytvoĜení dráhy pro nástroj je pĜímé využití PLC bez použití NC interpreteru. V tomto pĜípadČ se použije napĜíklad tabulka požadovaných poloh a rychlostí, podle které jsou pak spouštČny jednotlivé interpolace. Tento zpĤsob není pro obrábČcí stroje obvyklý, ale lze ho použít tĜeba v pĜípadČ, že dráhy nástroje generuje nČjaký nadĜazený systém (kamerové vidČní apod.) [1] 7.4.7 TwinCAT CNC Poskytuje kompletní CNC prostĜedí založené na platformČ PC. Výrazným zpĤsobem rozšiĜuje možnosti modulu NC I. UmožĖuje souþasné ovládání 64 NC os nebo regulovaných vĜeten, pĜiþemž lze provést interpolaci mezi maximálnČ 32 osami. PĜi vývoji bylo pamatováno na HSC obrábČní, tedy vysokorychlostní. To je umožnČno vylepšením dynamického chování stroje pĜi vysokých posuvových rychlostech, a to Ĝízením nejen polohy, ale i rychlosti a zrychlení v osách.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Modul umožĖuje také real-time kinematické transformace. Lze je využít napĜíklad pro natáþení souĜadných systémĤ, což lze nejlépe uplatnit u 5osého obrábČní. [1] 7.4.8 TwinCAT ScopeView TwinCAT ScopeView slouží ke grafickému zobrazení hodnot jednotlivých promČnných. Vodorovná osa mĤže být þasová, pak se jedná o oscilograf, nebo mĤže být použit XY režim, kdy vzniká obrazec v podobČ závislosti jedné promČnné na druhé. Je možno využít souþasného snímání více promČnných, tedy vícekanálového snímání. Modul umožĖuje uložení namČĜených dat do rĤzných formátĤ, napĜíklad ve formČ tabulky pro MS Excel. [1]

7.5

PLC projekt

ěídicí systém dostává prostĜednictvím PLC pĜíkazy, co, jak a kdy má vykonat. Jedná se tedy o nadĜazený systém, který obsluhuje veškeré funkce stroje. PLC program je ovládán prostĜednictvím uživatelského rozhraní, oznaþovaného jako HMI (z anlg. Human Machine Interface). 7.5.1 Programování v PLC Control V systému TwinCAT slouží pro programování PLC modul PLC Control. Jedná se o samostatný modul, který poskytuje velké množství nástrojĤ pro programování, spouštČní a ladČní PLC programĤ. V souladu s normou IEC 61131-3 se každý PLC projekt skládá z programových organizaþních jednotek POU (Program Organization Unit). Programovou organizaþní jednotkou mĤže být program, funkce nebo funkþní blok. Každá POU se skládá z deklaraþní þásti, kde jsou deklarovány jednotlivé promČnné, a tČla jednotky, ve kterém jsou napsány samotné pĜíkazy. V jednotlivých POU jsou tedy deklarovány lokální promČnné, které jsou k dispozici pouze dané POU. Pokud je potĜeba pĜistupovat k promČnné z více rĤzných míst, je výhodné deklarovat ji jako globální promČnnou. [1] Funkce Funkce má libovolný poþet vstupních promČnných, ale vždy jen jednu návratovou hodnotu. Vstupní promČnné se deklarují za pĜíkaz VAR_INPUT, návratová hodnota do hlaviþky funkce. Funkþní blok Funkþní blok, na rozdíl od funkce, nemá návratovou hodnotu. Místo toho má výstupní promČnné. Vstupních a výstupních promČnných funkþního bloku mĤže být libovolný poþet. Každé nové použití funkþního bloku vyžaduje vytvoĜení jeho instance. Ta se deklaruje podobnČ jako promČnná. Každá instance bloku v jedné POU musí mít svĤj jedineþný název. Funkþní bloky se tedy nevolají pĜímo svým názvem, ale názvem instance. Na Obr. 36 je pĜíklad použití funkþního bloku RS klopného obvodu. V deklaraþní þásti


DIPLOMOVÁ PRÁCE programu jsou deklarovány binární promČnné vstupĤ a výstupĤ a instance funkþního bloku. Název funkþního bloku je „RS“, název instance použité v programu je „RS_1“.

Obr. 36: PĜíklad instance funkþního bloku.

Program Program je POU obsahující soubor instrukcí. Každé PLC musí mít hlavní program (MAIN), ze kterého jsou spouštČny další programy, funkþní bloky a funkce. Programy, na rozdíl od funkþních blokĤ, nemají instance a jsou volány pĜímo bez návratové hodnoty. PĜi opČtovném spuštČní programu jsou v pamČti uloženy hodnoty promČnných zapsané pĜi pĜedchozím spuštČní. Samotné tČlo POU mĤže být napsáno v jednom z podporovaných programovacích jazykĤ: Ladder Diagram (LD) Tento zpĤsob zápisu programu vychází historicky z reléové logiky, kdy se jednotlivé logické operace provádČly pomocí spínacích a rozpínacích kontaktĤ relé [26]. Jazyk je tedy vhodný zvláštČ pro logické operace. Skládá se z kontaktĤ (vstupy) a cívek (výstupy), které se vzájemnČ propojují. Vstupy i výstupy lze negovat. Dále je možno použít þítaþe, þasovaþe a detekci hran.

Obr. 37: PĜíklad zápisu funkce Vystup = A AND (B OR (NOT C)) pomocí LD.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Instruction list (IL) Tento jazyk sestává z jednotlivých instrukcí vykonávaných v takovém sledu, v jakém jsou napsány. Na každém Ĝádku se nachází jedna instrukce. Zápis se podobá jazyku symbolických adres, kdy se využívá ukládání promČnných do zásobníku. SložitČjší kódy psané v tomto jazyku jsou znaþnČ dlouhé a nepĜehledné, a proto se již nepoužívá. [26] PĜíklad programu pro násobení a sþítání v jazyce IL: LD 2 (*Naþti þíslo 2 do akumulátoru*) MUL 6 (*Vynásob promČnnou v akumulátoru þíslem 6*) ADD 3 (*PĜiþti k promČnné v akumulátoru þíslo 3*) ST Vystup (*Zapiš hodnotu akumulátoru do promČnné Vystup*) Structured text (ST) Strukturovaný text se skládá z instrukcí, které jsou také vykonávány po Ĝádcích, ale jsou zde mnohem vČtší možnosti. Lze využívat konstrukce IF-THENELSE, programové smyþky apod. Tento jazyk umožĖuje využití Ĝady unárních i binárních operátorĤ. Jeho možnosti jsou tedy srovnatelné s bČžnČ používanými programovacími jazyky (C, Pascal), a proto je þasto využíván i u rozsáhlých programĤ. [26] PĜíkaz shodný s pĜedchozím pĜíkladem lze zapsat pomocí jednoho Ĝádku: Vystup:= 2*6+3; (*Do promČnné zapíše výsledek 2*6+3*) Sequential Function Chart (SFC) Jedná se o pokroþilý grafický jazyk, který umožĖuje naprogramovat chronologickou posloupnost nČjakého dČje. Skládá se z akcí a prĤchodĤ. Je-li splnČna podmínka prĤchodu, je vykonána další akce. Po dokonþení akce se testuje další prĤchod. Program bČží ve smyþce, takže po skonþení se opČt vrací na zaþátek. Jsou dovoleny programové skoky a vČtvení programu na více vČtví. Každá akce mĤže být napsána v libovolném jazyce. [1, 26]

Obr. 38: PĜíklad SFC programu. [1]


DIPLOMOVÁ PRÁCE Function Block Diagram (FBD) OpČt se jedná o grafický jazyk, kdy programování probíhá pomocí vkládání jednotlivých funkþních blokĤ a jejich vzájemného propojování. Funkþní bloky mohou provádČt rĤzné operace od jednoduchých (sþítání, odþítání), pĜes rĤzné þasovaþe až po volání složitých blokĤ pro ovládání NC os.

Obr. 39: Ukázka pĜíkladu 2*6+3 pomocí FBD.

Continuous Function Chart (CFC) VolnČ propojované bloky, jak by se název dal pĜeložit, je opČt grafický jazyk. Slouží k sestavování složitČjších obvodĤ z jednotlivých blokĤ, kdy dochází k pouhému propojování jednotlivých blokĤ. Je zde urþitá podobnost s FBD jazykem, ale v jazyce CFC lze realizovat složitČjší zapojení se souþasným pĜenosem nČkolika signálĤ, vhodný je také k vytváĜení zpČtnovazebních obvodĤ. Výhodou je také možnost libovolného rozmístČní jednotlivých blokĤ na pracovní ploše. [26]

Obr. 40: Ukázka pĜíkladu 2*6+3 pomocí CFC.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.5.2 Použité knihovny Pro rĤzné prĤmyslové a automatizaþní aplikace byly výrobcem systému vytvoĜeny rozsáhlé knihovny funkþních blokĤ a funkcí. Pro realizaci PLC pro gravírovací frézku byly použity tyto knihovny: • TcSystem – Základní knihovna obsahující funkce pro práci s promČnnými, se soubory, pro logování událostí apod, • TcMath – Knihovna obsahující rozšíĜené matematické fuknce, • TcMC – Knihovna obsahující standardizované prvky pro Ĝízení pohybu os, • TcNC – Knihovna pro obsluhu NC, • TcNcCfg – Funkþní bloky pro vytváĜení, úpravu a rušení interpolaþních skupin, • TcNci – Funkce a funkþní bloky pro obsluhu NC interpreteru. 7.5.3 Použité datové typy a struktury BOOL Binární datový typ, který mĤže nabývat hodnoty TRUE (logická 1) nebo FALSE (logická 0). UINT 16bitový celoþíselný datový typ bez znaménka. MĤže nabývat hodnot 0 ÷ 65535. UDINT 32bitový celoþíselný datový typ bez znaménka. MĤže nabývat hodnot 0 ÷ 4294967295. LREAL 32bitový typ s pohyblivou desetinnou þárkou. Slouží k zápisu racionálních þísel. STRING ěetČzec znakĤ. Délku ĜetČzce lze urþit pĜi deklaraci promČnné, výchozí délka je 80 znakĤ. MC_Direction Výþtový datový typ, který mĤže nabývat tČchto hodnot: MC_Positive_Direction, MC_Shortest_Way, MC_Negative_Direction, MC_Current_Direction NCTOPLC_AXLESTRUCT Jedná se o datovou strukturu pro pĜenos promČnných z NC do PLC. Struktura obsahuje veškeré informace o NC ose potĜebné pro PLC. Jedná se zejména o stav osy, hlášení chybových stavĤ, stav referencování osy, identifikaci osy, mód,


DIPLOMOVÁ PRÁCE ve kterém osa pracuje, požadovanou polohu a rychlost, aktuální polohu a rychlost a odchylku od požadované. Velikost struktury je 128 bytĤ. PLCTONC_AXLESTRUCT Tato struktura slouží k pĜenosu dat z PLC do NC. Zde jsou pĜenášena data jako je povolení spuštČní osy, signál z referenþního spínaþe, override a mód, ve kterém má osa pracovat. Tato struktura má také velikost 128 bytĤ. NciChannelToPlc Struktura sloužící k pĜenosu dat z NC interpolaþního kanálu do PLC. Jedná se o identifikaci rychlých M-funkcí a funkcí typu Handshake, otáþky vĜetene, þíslo nástroje, název NC kódu a status kanálu. Struktura má velikost 150 bytĤ. NciChannelFromPlc Struktura sloužící k pĜenosu dat z PLC do NC interpolaþního kanálu. Obsahuje informaci o pĜeskakování blokĤ, statusu kanálu, potvrzování funkcí typu Handshake, override kanálu a vĜetene. Struktura má velikost 150 bytĤ. ZeroShiftDesc Datová struktura popisující posunutí nulového bodu. Sestává ze tĜech promČnných typu LREAL, ve kterých je definováno posunutí v ose X, Y a Z. ToolDesc Datová struktura popisující vlastnosti nástroje. Obsahuje þíslo nástroje ve formátu UDINT, typ nástroje a pole 14 parametrĤ typu LREAL udávajících délku, polomČr a další rozmČry nástroje. 7.5.4 Struktura PLC projektu Samotný PLC projekt se skládá z hlavní programové smyþky „MAIN“. Ta je stále opakovanČ spouštČna v daném cyklu. Z hlavní smyþky se spouštČjí jednotlivé programy a funkþní bloky, které obstarávají všechny funkce PLC. Smyþka obsahuje tyto rutiny, které jsou postupnČ volány: • naþítání digitálních vstupĤ, • nastavení override, • test, jestli jsou osy pĜipraveny, • ruþní obsluha vĜetene, • Ĝízení vizualizace, • ovládání nulových bodĤ a korekce nástrojĤ, • þtení aktuální polohy nástroje, • spouštČní os, • resetování os, • referencování os, • ruþní pohyb v osách, • obsluha NC interpreteru.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Naþítání digitálních vstupĤ Digitální vstupy jsou použity pro zapojení referenþních spínaþĤ. ServomČniþe Ĝady AX 5000 umožĖují nČkolik zpĤsobĤ využití digitálních vstupĤ. V tomto pĜípadČ byla využita možnost pĜímého posílání stavu digitálních vstupĤ do PLC. PĜedávání stavu vstupĤ se provádí pomocí parametru mČniþe P-0-0801. Jedná se o 16bitovou promČnnou typu UINT, kde prvních 8 bitĤ jsou stavy jednotlivých digitálních vstupĤ. Nastavení override Hodnota override je procentuální vyjádĜení skuteþné rychlosti posuvu vĤþi rychlosti nastavené v Ĝídicím systému nebo v NC programu. Za normálních okolností je tedy override 100%, v pĜípadČ ladČní programu se mĤže snížit nebo zvýšit. Override se nastavuje pro celý interpolaþní kanál pomocí funkce „ItpSetOverridePercent“. Pro zpČtnou kontrolu se z datové struktury kanálu þte zpČt pomocí funkce „ItpGetOverridePercent“ Ruþní obsluha vĜetene PĜímo v hlavní programové smyþce lze zmČnit hodnotu globální promČnné „Spindle“, která ovládá stykaþ vĜetene. Ruþní zapínání a vypínání se provádí pomocí promČnných „Spindle_ON_Manual“ a „Spindle_OFF_Manual“. ěízení vizualizace Vzhledem k omezeným možnostem vizualizace v prostĜedí TwinCAT PLC Control bylo nutné vytvoĜit pomocný program s názvem „Visualisation_Control“ spouštČným z hlavního programu. Tento program sestává z Ĝady RS klopných obvodĤ, které umožĖují zobrazování a skrývání jednotlivých záložek. Tímto se podaĜilo vytvoĜit dojem záložkového okna, pĜestože to samotná vizualizace neumožĖuje. Ovládání nulových bodĤ a korekce nástrojĤ [25] Každý obrábČcí stroj má množství nulových bodĤ. RozmístČní nulových bodĤ na gravírovací frézce je na Obr. 41. R – Referenþní bod. V tomto bodČ dochází k referencování stroje. PĜi referencování jsou do poloh jednotlivých os zadány hodnoty z Ĝídicího systému. M – Nulový bod stroje. V tomto bodČ jsou absolutní souĜadnice ve všech osách nulové. Jedná se tedy o poþátek souĜadného systému. W – Nulový bod obrobku. K tomuto bodu jsou vztaženy souĜadnice pĜi zadávání NC programu. Posunutí souĜadného systému z bodu M do W se provádí pomocí funkce G54, G55 nebo G56. F – Nulový bod nástroje. Jedná se o bod, který je bez korekcí polohován podle NC programu. P – Špiþka nástroje. Do tohoto bodu se pĜesouvá programovaná dráha nástroje. Posunutí z bodu F do P se provádí pomocí délkové korekce nástroje (D1, D2, …)


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 41: Nulové body frézky.

TwinCAT NC I umožĖuje využití šesti rĤzných posunutí nulových bodĤ a 255 nástrojĤ. Vzhledem k jednoduchosti gravírovaþky bohatČ postaþí 3 posunutí a 3 nástroje. Pro obsluhu posunutí nulového bodu a korekci nástrojĤ byl vytvoĜen program s názvem „Zeros_Tools“. Posunutí nulového bodu obrobku (G54-G56) je uloženo v korekþní tabulce NC interpreteru. Pro naþtení tohoto posunutí do PLC je urþen funkþní blok „ItpReadZeroShiftEx“. ýtení se spouští vstupem „bExecute“. Do funkþního bloku je dále potĜeba zadat þíslo korekce (v našem pĜípadČ 54, 55 nebo 56). Do globální struktury „Zero_Shift_Desc“ je pak zapsáno posunutí nulových bodĤ. Zápis posunutí nulového bodu se provádí pomocí funkþního bloku „ItpWriteZeroShiftEx“, který pracuje obdobnČ. Hodnoty posunutí lze buć zadat ruþnČ, kdy se do systému zapíší uživatelem definované hodnoty, nebo automaticky. PĜi automatickém zápisu se do posunutí zapíší aktuální absolutní souĜadnice stroje, tím dojde k posunutí souĜadnic do aktuální polohy, a tak jsou posunuté souĜadnice vynulovány. Tohoto se využívá pĜi ruþním najíždČní nástroje na obrobek. Korekþní tabulka nástrojĤ obsahuje þíslo nástroje, jeho typ, délku a prĤmČr. Dále pak parametry, jako je opotĜebení nebo offset nástroje, které nejsou v tomto pĜípadČ implementovány. ýtení a zápis parametrĤ probíhá obdobnČ jako u posunutí nulových bodĤ. Jsou využity funkþní bloky „ItpReadToolDescEx“ a „ItpWriteToolDescEx“. Délková korekce nástroje se zadává ruþnČ. ýtení aktuální polohy nástroje Aby mohla být aktuální poloha nástroje zobrazována na obrazovce, musí být þtena z pĜenosových struktur jednotlivých os. Veškerou þinnost obstarává program „Coordinate“. Pro þtení aktuální absolutní polohy je použit funkþní blok „MC_ReadActualPosition“, který má pro každou osu vytvoĜenu jednu instanci. Spouští se vstupem „Enable“, na který je v tomto pĜípadČ trvale pĜivedena hodnota TRUE. Výstupem je aktuální pozice typu LREAL, která je zapisována do globální promČnné, napĜ. v ose X: „Actual_Position_X“.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Protože je prakticky vždy v NC programu využito posunutí nulového bodu, je program opatĜen pĜepoþítáváním souĜadnic podle jejich posunutí. To se provádí tak, že podle uživatelem vybraného posunutí (G54-G56) jsou od absolutních souĜadnic odeþítány hodnoty posunutí v jednotlivých osách. Hodnoty posunutých souĜadnic jsou zapisovány do promČnné napĜ. v ose X: „Actual_Position_X_Shift“. Na obrazovce se pak zobrazují oboje souĜadnice, a to absolutní i posunuté. Vypisování aktuálních souĜadnic dále uvažuje i délkové korekce nástrojĤ. Je-li zvolen nástroj s nenulovou korekcí, je od aktuální posunuté souĜadnice v ose Z odeþtena hodnota délky nástroje „Tool_Desc_local.fparam[2]“. Obr. 42 znázorĖuje vztahy mezi jednotlivými promČnnými pĜi zobrazování souĜadnic.

Obr. 42: Posouvání souĜadnic; þervené jsou vektory souĜadnic, které jsou vypisovány na obrazovce.

SpouštČní os PĜi spuštČní pohybové osy se spustí výkonový stupeĖ frekvenþního mČniþe a servomotor zaþne pracovat. SpuštČní osy se provádí skrz datové struktury typu NCTOPLC_AXLESTRUCT a PLCTONC_AXLESTRUCT. Pro jednoduchou práci se v knihovnČ TcMC nachází funkþní blok „MC_Power“, který po pĜivedení hodnoty „TRUE“ na vstupy „Enable“, „Enable_Positive“ a „Enable_Negative“ provede spuštČní osy. Pro spouštČní všech os najednou byl vytvoĜen vlastní program „Axis_Power“, který obsahuje tĜi instance funkþních blokĤ „MC_Power“ a vše spouští pomocí jedné globální promČnné „Axes_Execute“. Resetování os V pĜípadČ, že se osa nachází v chybovém stavu, je potĜeba její resetování. Je použit funkþní blok „MC_Reset“. V programu „Axis_Reset“ se pomocí globální promČnné „Reset_axes“ provede vyresetování všech os. Referencování os Jelikož není v gravírovaþce použito absolutní odmČĜování, je potĜeba po každém spuštČní stroje osy zreferencovat. Referenþní spínaþe os se nacházejí tČsnČ pĜed koncovými polohami pojezdĤ. Pro zvýšení pĜesnosti referencování je využit režim „Software Sync“, který využívá výhodu cyklicky absolutního odmČĜování


DIPLOMOVÁ PRÁCE a nastavování os neprovádí pĜi sepnutí referenþního spínaþe, ale v nulové poloze resolveru. PĜesnost referencování je pak dána pĜesností odmČĜování resolveru. Referencování každé osy probíhá v tČchto krocích: 1. Osa se z neznámé polohy rozjede smČrem k referenþnímu spínaþi 2. Po sepnutí referenþního spínaþe zastavuje 3. Rozjíždí se opaþným smČrem 4. Dojde k rozepnutí referenþního spínaþe 5. Ve chvíli, kdy se resolver natoþí do nulové polohy, dojde k nastavení nových souĜadnic 6. Osa se zastaví

Obr. 43: PrĤbČh rychlosti pĜi referencování jedné osy.

PĜi referencování se do aktuální polohy zapíše hodnota, která je nastavena v NC modulu u dané osy. Úpravou této hodnoty je možno nastavit nulový bod stroje do požadovaného místa. Pro referencování celého stroje byl vytvoĜen funkþní blok „Homing_XYZ“. Referencování se spouští vstupem „Execute“. Poté dojde k postupnému referencování nejprve v ose Z, poté v ose Y a nakonec v ose X. Jsou-li osy úspČšnČ zreferencovány, je na výstupu „Calibrated“ trvale hodnota „TRUE“. Vývojový diagram referencování os je zobrazen v PĜíloze 1. Ruþní pohyb v osách Pro ruþní ovládání stroje je nutné, aby bylo umožnČno pomocí tlaþítek pohybovat v jednotlivých osách. Pro tento úþel byl vytvoĜen funkþní blok „Move_XYZ“, který toto umožĖuje. Jako hlavní funkþní blok je použit blok „MC_MoveVelocity“, který umožĖuje pohyb posuvové osy konstantní zadanou rychlostí. Blok se spouští pĜivedením hodnoty „TRUE“ na vstup „Execute“. Na vstup „Velocity“ se pĜivádí požadovaná rychlost. Požadovaný smČr pohybu urþuje vstup „Direction“. U vstupu akcelerace, decelerace a jerku je nulová hodnota, to znamená, že potĜebné parametry si systém vyþte z nastavení NC.

Obr. 44: Funkþní blok MC_MoveVelocity.


DIPLOMOVÁ PRÁCE SmČr pohybu je urþen podle toho, jestli je v hodnotČ „TRUE“ promČnná „Move_plus“ nebo „Move_minus“ (vstupy tlaþítek na ovládacím panelu). VýbČr smČru je proveden pomocí funkce „SEL“. Zde je použit výþtový datový typ „MC_Direction“.

Obr. 45: VýbČr smČru posuvu.

Rychlost posuvu je vyþtena z parametrĤ NC osy pomocí funkþního bloku „MC_readparameter“. Je to z toho dĤvodu, aby všechny parametry byly vyþítány z NC, a PLC program se tak stal univerzálnČjší. V NC nastavení je možno nastavit dvČ rychlosti posuvu. Nižší je použita pro pĜesné najíždČní, vyšší pro rychlé pĜesouvání osy. Každá rychlost je vyþítána pomocí vlastní instance. VýbČr rychlosti je na základČ binární promČnné „Rapid_Positioning“ ovládané z dotykového panelu.

Obr. 46: Urþení rychlosti posuvu.

Pro zastavení osy je použit funkþní blok „MC_Stop“, který zastaví osu v pĜípadČ, že není aktivní vstup „Move_plus“ ani „Move_minus“ (tlaþítka nejsou stisknuta). Funkþní blok „Move_XYZ“ má v hlavní programové smyþce tĜi instance, pro každou pohybovou osu jednu.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Obsluha NC interpreteru Veškerá obsluha NC interpreteru je realizována pomocí jednoho funkþního bloku „NC_Interpreter“. Ten má v hlavním programu vytvoĜenu jednu instanci. Tento funkþní blok zajišĢuje vytvoĜení, reset a zrušení interpolaþní skupiny, otevĜení a spuštČní NC programu a obsluhu M-funkcí. Zjednodušený vývojový diagram obsluhy NC interpreteru je v PĜíloze 2. Nejprve je vytvoĜena 3D interpolaþní skupina. To je provedeno pomocí vstupu „bExecute“ funkþního bloku „CfgBuild3DGroup“. Je nutno správnČ zadat struktury os X, Y a Z, aby mČl interpolátor správnČ seĜazené souĜadnice. Po vytvoĜení interpolaþní skupiny je interpreter pĜipraven na naþtení NC programu. To se dČje pomocí funkþního bloku „ItpLoadProgEx“, kterému staþí do vstupĤ zadat cestu a název souboru s NC kódem, délku názvu a kanál, pro který má být program otevĜen. Pokud je zadán pouze název souboru, je program hledán ve složce C:\TwinCAT\CNC. Protože bude do prĤmyslového PC program vkládán pomocí flash disku, je výchozí cesta nastavena na disk E:\ Po úspČšném naþtení programu je možno program spustit pomocí funkþního bloku „ItpStartStopEx“. Pomocí tohoto bloku lze program také zastavit. Po skonþení programu je možno interpolaþní skupinu odstranit pomocí bloku „CfgReconfigGroup“. V pĜípadČ chyby interpreteru je možno resetovat interpreter funkþním blokem „ItpResetEx2“. Kdykoliv bČhem gravírování lze uplatnit funkþní blok „ItpEStopEx“, který provede zastavení pohybu stroje s možností dalšího pokraþování (tedy funkce Pause). Pokraþování obrábČní je možno spustit funkþním blokem „ItpStepOnAfterEStopEx“. ěídicí systém Beckhoff rozdČluje M-funkce na dva typy. A to na rychlé Mfunkce a funkce typu Handshake. Pokud je systémem zaznamenána rychlá M-funkce, PLC program provede požadovanou operaci (zapnutí vĜetene, zapnutí chlazení) a NC program pĜi tom stále bČží. Rychlé M-funkce jsou vhodné pro jednoduché pomocné systémy. Rychlá Mfunkce je PLC detekována pomocí funkce „ItpIsFastMFunc“. V pĜípadČ spuštČní funkce typu Handshake pomocí NC kódu se NC program zastaví a þeká na potvrzení funkce. Dokud není funkce potvrzena, program nekoná žádné další operace. Toto je výhodné napĜíklad u velkých strojĤ, kdy je program zastaven do doby, než je potvrzeno, že je vĜeteno roztoþeno. Detekování funkce typu Handshake se provádí pomocí funkce „ItpIsHskMFunc“. Konkrétní þíslo M-funkce se zjistí pomocí funkce „ItpGetHskMFunc“. Potvrzení funkce typu Handshake se provádí aktivováním binárního vstupu „bExecute“ funkþního bloku „ItpConfirmHsk“. Pro Ĝízení gravírovaþky by pro spínání vĜetene bohatČ staþilo použít rychlé Mfunkce, ale z dĤvodu snadnČjší rozšiĜitelnosti i na vČtší stroj byly rovnou implementovány funkce typu Handshake, a to funkce M03 (zapnutí vĜetene) a M05 (vypnutí vĜetene). Další implementovaná funkce typu Handshake je funkce M00, pĜi jejíž aktivaci dojde k zastavení programu. OpČtovné spuštČní se provede potvrzovacím tlaþítkem na ovládacím panelu.



Vizualizace

Jelikož je celý stroj ovládán prostĜednictvím dotykového panelu, bylo nutné vytvoĜit vizualizaci, pomocí níž se uskuteþĖuje rozhraní obsluha – stroj. Vizualizace byla vytvoĜena v prostĜedí TwinCAT PLC Control, které toto umožĖuje. Celá vizualizace není Ĝízena pomocí událostí, jak je bČžné ve všech systémech pracujících pod Windows, ale pouze pomocí promČnných. Ke každému prvku vizualizace tedy pĜísluší jedna þi více promČnných, což þiní program málo pĜehledným. Aby se program zpĜehlednil, jsou témČĜ všechny promČnné deklarované jako globální. K dispozici jsou ovládací a signalizaþní prvky známé z bČžných aplikací. Využity jsou: • Tlaþítko (button) • Posuvník (scrollbar) • Sloupcový displej (bar display) • Obdélník s textem (rectangle) Systém umožĖuje vkládat i další prvky, ale ty nebyly využity. Naopak zcela postrádá pĜepínací tlaþítka (radio button) a systém záložek známý tĜeba z nových nástrojĤ MS Office. Absence tČchto dvou prvkĤ byla pĜekážkou, ale podaĜilo se ji vyĜešit pomocí tlaþítek, RS klopných obvodĤ, signalizaþních kontrolek a skrývání vizualizací. Aby byla práce na dotykovém displeji pĜíjemná, je nutné pĜehledné rozmístČní tlaþítek, která musejí být dostateþnČ velká. Protože by se na jednu obrazovku všechny ovládací prvky nevešly, byla vizualizace rozdČlena na nČkolik modulĤ. Jsou to tyto moduly: • manuální ovládání, • NC režim, • vizualizace pohybu nástroje, • nastavení nulových bodĤ, • korekce nástrojĤ. Tyto jednotlivé moduly tvoĜí samostatná okna. Všechna okna jsou pak umístČna na základový panel a pĜekrývají se. Na základovém panelu se nacházejí tlaþítka, pomocí kterých lze jednotlivé moduly pĜepínat. PĜepínáním se provádí skrývání modulĤ na základČ aktuálnČ stisknutého tlaþítka. Zápis þíselných parametrĤ (korekce nástroje, posunutí nulových bodĤ) se dČje tak, že pĜi stisku políþka s þíslem se objeví numerická klávesnice, pomocí níž lze þíslo na dotykové klávesnici zapsat. Zápis názvu NC kódu se provádí obdobnČ s tím, že se objeví dotyková klávesnice s písmeny i þísly. 7.6.1 Manuální ovládání - MANUAL Okno ruþního ovládání obsahuje prvky pro zobrazení polohy nástroje v absolutních i posunutých souĜadnicích. Posunutí souĜadnic je vypoþteno podle aktuálnČ zvoleného nulového bodu obrobku a podle délky nástroje. Dále jsou v tomto oknČ tlaþítka pro spuštČní, resetování a referencování os, zapnutí a vypnutí vĜetene a také tlaþítka pro ruþní posuv ve všech tĜech osách. V dolní þásti okna se nachází posuvník pro nastavení rychlosti posuvu (override). V pĜípadČ že osy nejsou zreferencovány, je na tuto skuteþnost upozornČno velkým þerveným obdélníkem s nápisem a není umožnČn ruþní posuv. Je to z toho


DIPLOMOVÁ PRÁCE dĤvodu, že stroj je vybaven pouze softwarovým omezením koncových poloh, a tak by bez referencovaného stroje bylo možné narazit na mechanický doraz. 7.6.2 NC režim - NC Okno NC režimu slouží k obsluze stroje pomocí NC kódu. Do pole NC kód se napíše název a cesta k NC programu. Po stisku tlaþítka Spustit program dojde ke spuštČní programu. Zastavení programu lze provést stiskem tlaþítka Stop programu. Pozastavení programu se provede stiskem tlaþítka Pauza. Po jeho opČtovném stisknutí dojde k pokraþování v programu. V pĜípadČ, že je v NC programu volána funkce M00, dojde k zastavení stroje. Tlaþítka Potvrdit M00 se podsvČtlí zelenČ a stroj þeká na potvrzení. Po stisknutí tlaþítka se stroj spustí a pokraþuje v programu. Tuto funkci lze využít napĜíklad pro zastavení stroje kvĤli odstranČní tĜísek. Políþko Status FB slouží k signalizaci stavu funkþního bloku NC_Interpreter. Políþko Stav NCI slouží k signalizaci stavu NC interpreteru. Dojde-li k chybČ NC interpreteru, je þíslo chyby vypsáno v poli ýíslo erroru. 7.6.3 Vizualizace pohybu nástroje - VISUALIZATION Pro pĜedstavu, kde v pracovním prostoru stroje se nástroj právČ nachází, byla vytvoĜena jednoduchá vizualizace. ýerveným kĜížem je zobrazena poloha nástroje v rovinČ XY, trojúhelníkem je vyobrazena poloha v ose Z. Ve vizualizaci jsou také zobrazeny významné nulové body stroje, a to body M, W a R. Poloha v ose Z je také korigována s ohledem na délku zvoleného nástroje. V pĜípadČ, že je spuštČné vĜeteno, kĜíž a trojúhelník zmČní barvu na zelenou.

Obr. 47: Ovládací panel s okny Manual, NC a VISUALIZATION.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.6.4 Nastavení nulových bodĤ – Zero_points Okno Zero_points slouží k nastavení posunutí nulových bodĤ. UmožĖuje buć ruþní nebo automatický zápis posunutí, kdy pĜi stisku tlaþítka Zapsat aktuální souĜadnice dojde k zápisu aktuálních souĜadnic do daného posunutí, a tím k vynulování posunutých souĜadnic. V pĜípadČ, že je zvolen jiný nástroj než T0, poþítá se také s délkou nástroje.

Obr. 48: Okno pro ovládání posunutí nulových bodĤ.

7.6.5 Korekce nástrojĤ – Tools Toto okno slouží k nastavení parametrĤ nástrojĤ. Je zde možnost nastavit parametry tĜech nástrojĤ, nebo zvolit možnost bez nástroje. Nastavuje se délka nástroje v mm, typ nástroje (þíslo 10 znamená typ vrták, þíslo 20 typ fréza) a polomČr nástroje v mm. Tlaþítkem Zapsat korekci nástroje dojde k potvrzení zadaných údajĤ.

Obr. 49: Okno pro nastavení parametrĤ nástroje.



Generování NC kódu

Gravírovací frézka je schopna zpracovat NC kód z jakéhokoliv generátoru NC kódu pĜi dodržení zásad programování. Pro odzkoušení funkce zaĜízení byl vybrán grafický program Inkscape. Jedná se o editor pro vytváĜení a úpravu vektorové grafiky. Jeho velikou výhodou je skuteþnost, že je to opensource freeware program. Je napsán v jazyce Python, a tak je možné jej upravovat podle vlastní potĜeby. Inkscape podporuje import grafiky z velké Ĝady rĤzných vektorových formátĤ. Jde pĜedevším o formáty .svg (Inkscape, Adobe Illustrator), .pdf (Adobe), .ai (Adobe Illustrator), .wmf (Windows metafiles), .ccx, .cdr, .cdt, .cmx (Corel DRAW), .dxf (AutoCAD). Do programu Inkscape existuje Ĝada zásuvných modulĤ (pluginĤ). Jedním z nich je plugin Gcodetools. Tento umožĖuje z nakreslených nebo importovaných kĜivek vytvoĜit dráhy nástroje pro obrábČní. Na výbČr je nČkolik možností, od jednoduchého kopírování kĜivky drahami nástroje pĜes gravírování s vytahováním rohĤ, pálení plasmou až po kapsování ploch a soustružení. Plugin má jednoduché nastavení, kde se nastavuje typ a velikost nástroje, hloubka gravírování, poþet prĤjezdĤ, název NC programu a podobnČ. Výstupem je soubor s NC kódem, který je možno bez úprav nahrát pĜímo do Ĝídicího systému gravírovaþky. 7.7.1 Princip vytváĜení NC kódu PĜed vlastním generováním NC kódu je nutno programu Inkscape zadat typ použitého nástroje (válcová/kuželová fréza, soustružnický nĤž a další) a jeho geometrii (prĤmČr, úhel kužele). Dále je potĜeba definovat souĜadný systém (poþátek, orientace os, mČĜítko os). Po tomto základním nastavení následuje výbČr kĜivek, které má plugin Gcodetools namapovat, zadání hloubky gravírovaání, pĜesnosti mapování a další. Poté lze generování kódu spustit. Plugin detekuje jednotlivé kĜivky ve vektorové grafice a s urþitou pĜesností je pĜevádí na pĜímky a kružnice. PĜímky jsou ve vygenerovaném NC kódu reprezentovány pĜíkazem G01 (lineární interpolace), kružnice pĜíkazy G02 a G03 (kruhová interpolace).


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.7.2 PĜíklad generování NC kódu Na Obr. 50 je vidČt pĜíklad jednoduché grafiky (písmena VU), která bude gravírována. Byl zvolen souĜadný systém (šipky v dolní þásti) a kuželová fréza. Parametry nástroje (PrĤmČr, posuv, tvar, posuv pĜi zavrtávání, maximální hloubka na jeden úbČr a kód pĜi výmČnČ nástroje) se nastavují v zelené tabulce.

Obr. 50: Ukázka z programu Inkscape.

Vygenerované dráhy nástroje jsou vidČt na Obr. 51. Obecné kĜivky byly pĜevedeny na pĜímky (þervená) a kružnice (modrá a zelená) vzájemnČ na sebe navazující. Na detailu v pravé þásti obrázku je patrné napojování jednotlivých kružnic tak, aby odchylka od pĤvodní kĜivky byla v dané toleranci.

Obr. 51: Vygenerované dráhy nástroje.

PĜíklad NC kódu vygenerovaného programem Inkscape je na Obr. 52. Jedná se o kód pro gravírování pouze písmene V. Jak je patrno, program se skládá z hlaviþky, kde je definováno posunutí nulového bodu (G54), kódu pro výmČnu nástroje, samotného kódu geometrie, a zápatí.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 52: PĜíklad NC kódu pro gravírování písmene V.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 8

ZprovoznČní stroje

Po zapojení veškerých mechanických a elektrických komponent pĜišlo na Ĝadu zprovoznČní stroje. V prvé ĜadČ bylo potĜeba kompletnČ oživit Ĝídicí systém. Tato fáze oživování sestávala z nastavení Ĝady parametrĤ v System Manageru. Dále bylo potĜeba nastavit servomČniþe a naladit servopohony. Následovalo promČĜení a seĜízení geometrie, a na závČr bylo provedeno gravírování zkušebních vzorkĤ.

8.1

Nastavení System Manageru

V této podkapitole je popsán zpĤsob, jakým byl Ĝídicí systém nastavován. Hlavní okno System Manageru je zobrazeno na Obr. 53. V horní þásti se nachází lišty s ovládacími panely známými z bČžných programĤ. V levém oknČ jsou vyobrazeny dostupné moduly, v tomto pĜípadČ System, NC, PLC a I/O modul. Rozbalením stromĤ pod jednotlivými moduly se dostáváme do jednotlivých nastavení. V pravém oknČ se vždy zobrazuje okno, které pĜísluší Ĝádku vybranému v levém oknČ. V tomto oknČ lze zadávat a upravovat nepĜeberné množství parametrĤ, z nichž nČkteré budou popsány níže. V dolním oknČ jsou vypisována hlášení, jsou to informativní, výstražné a chybové hlášky. Na dolní lištČ vpravo se nachází indikátor módu System Manageru (v tomto pĜípadČ Config Mode) a adresa run-time systému s informací, zda jde o lokální þi vzdálený (zde je vyobrazen lokální run-time).

Obr. 53: Hlavní okno System Manageru.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 8.1.1 SYSTEM Target System Jelikož nebyl Ĝídicí systém ladČn pĜímo na prĤmyslovém PC, ale na vzdáleném poþítaþi, byla využita možnost popsaná v kap. 7.4. Samotný run-time je spuštČn na vlastním prĤmyslovém PC, ale vývojové prostĜedí TwinCAT je spuštČno na bČžném kanceláĜském poþítaþi. Tyto jsou propojeny pomocí ethernetové sítČ. VýbČr cílového poþítaþe byl proveden pomocí tlaþítka „choose target…“ viz Obr. 53. Priority Jak bylo popsáno v kapitole 7.3 a 7.4, v systému je spuštČno v rámci multitaskingu nČkolik úloh najednou. Úlohám je nutno pĜidČlit priority vykonávání, a to je možno nastavit v záložce SYSTEM-Real-Time Settings-Priorities. Nejvyšší prioritu mají NC úlohy, poté je vstupnČ-výstupní úloha a na konci jsou PLC úlohy. V tomto pĜípadČ je použit pouze jeden ze þtyĜ run-time systémĤ, ve kterém je spouštČna pouze jedna úloha. V tabulce lze též vidČt þasy jednotlivých cyklĤ v milisekundách.

Obr. 54: Okno nastavení priorit jednotlivých úloh.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 8.1.2 Nastavení NC V NC nastavení lze upravovat všechny parametry, které souvisejí s NC osami a NC interpreterem. Do stromové struktury lze vložit jednotlivé NC osy. Na Obr. 55 jsou do skupiny Axes vloženy tĜi NC osy. Každá NC osa obsahuje záložky Encoder, Drive, Control a vstupy/výstupy NC osy. Axis-Settings V této záložce je nutno nastavit, se kterým fyzickým zaĜízením má být NC osa propojena (tlaþítko Link to), dále typ NC osy, jednotku osy (mm, m, nebo úhlové stupnČ). V tomto pĜípadČ se jedná o NC osu pĜipojenou na kanál A servomČniþe AX5203, typu SERCOS, a jednotky osy jsou milimetry.

Obr. 55: Axis-settings.

Axis-Parameter Zde je mnoho parametrĤ, které je potĜeba nastavit. Jedná se zejména o tyto: • Maximum Velocity – maximální rychlost v ose • Manual Velocity (Fast) – rychlejší rychlost pro ruþní režim • Manual Velocity (Slow) – pomalejší rychlost pro ruþní režim • Calibration Velocity – rychlost pĜi referencování os • Acceleration – zrychlení osy • Deceleration – zpomalení osy • Jerk – jerk v ose • Soft Position Limit Monitoring – Softwarové koncové spínaþe. Jelikož nejsou u tohoto stroje namontovány koncové spínaþe, je softwarové omezení koncových poloh jediným bezpeþnostním prvkem proti najetí osy na mechanický doraz. • Rapid Traverse Velocity – rychlost rychloposuvu pĜi pĜíkazu G00


DIPLOMOVÁ PRÁCE Axis_Encoder-Parameter V této záložce se nastavují parametry pro snímaþ polohy. Jde pĜedevším o tyto: •

Scaling Factor – hodnota, o kterou se osa posune pĜi zvýšení hodnoty na enkodéru o 1 inkrement. Vzhledem k tomu, že je použit resolver s rozlišením 20 bitĤ, je scaling Factor roven hodnotČ P Scaling factor = 20 , (8.1.2.1) 2 kde: P [mm] stoupání posuvového šroubu.

Pro stoupání P = 20 mm tedy platí: 20 Scaling factor = 20 = 0,00001907349 mm / inkrement 2 • Calibration Value – hodnota, která se zapíše do souĜadnice osy po zreferencování. • Reference Mode – zpĤsob, jakým je osa referencována. Tabulka 9: Parametry jednotlivých os.

Název parametru

Jednotka \ osa

X

Y

Z

Maximum velocity

mm.s-1

500

500

200

Manual velocity (Fast)

mm.s-1

200

200

75

Manual velocity (slow)

mm.s-1

25

25

15

Calibration velocity (to PLC cam)

mm.s-1

20

20

20

Calibration velocity (off PLC cam)

mm.s-1

5

5

5

Acceleration

mm.s-2

5000

5000

5000

Deceleration

mm.s-2

5000

5000

5000

Jerk

mm.s-3

10000

10000

10000

Soft posion limit minimum

mm

-30

0

0

Soft posion limit maximum

mm

470

500

132,6

mm.s-1

500

500

200

mm.INC-1.10-6

19,07349

19,07349

1,907349

mm

-30

500

132,6

Rapid traverse velocity Scaling factor Calibration value Reference mode

Software sync. (viz kap. 7.5.4)


DIPLOMOVÁ PRÁCE Axis_Inputs Obsahuje vstupy pro NC osu. Jde pĜedevším o datovou strukturu Axis_FromPLC, pomocí níž NC osa pĜebírá data od Ĝídicího PLC (viz kap. 7.5.3). Axis_Outputs Jde o výstupy z NC osy, které jsou posléze pĜedávány nadĜazenému PLC. Datová struktura má název Axis_ToPLC. Channel Jedná se o interpolaþní kanál. V tomto kanálu byla vytvoĜena interpolaþní skupina (Group). Této skupinČ jsou pomocí PLC pĜiĜazeny jednotlivé osy. Tím je umožnČna interpolace mezi tČmito osami. Channel_Itp Jedná se o NC interpreter, který slouží ke þtení NC kódu podle standardu DIN 66025. V oknČ interpreteru je možno ruþnČ nastavovat parametry interpreteru, a to pĜedevším M-funkce, R-parametry, nulové body a korekce nástrojĤ. PĜímo z tohoto okna lze také (pomocí záložky Editor) ruþnČ spouštČt NC kód. Tabulka nastavení M-funkcí je na Obr. 56. U každého þísla M-funkce lze nastavit, zda se jedná o funkci rychlou nebo funkci typu Handshake. V tomto pĜípadČ byla nastavena funkce M00, M03 a M05, všechny typu Handshake. O podstatČ M-funkcí, nulových bodech a korekcích nástroje bylo pojednáno v kapitole 7.5.4.

Obr. 56: Nastavení M-funkcí interpreteru.

Channel-Inputs/outputs PodobnČ jako u NC os, i každý interpolaþní kanál má vstupy a výstupy, pomocí nichž komunikuje s PLC. Jedná se o datové struktury s názvem Channel_FromPLC a Channel_ToPLC, velikost obou struktur je po 150 bytech. 8.1.3 Nastavení PLC NejdĤležitČjší PLC parametry nastavované v System Manageru jsou: • poþet run-time systémĤ (1÷4), • název PLC projektu, • rychlost PLC smyþky. Gravírovací frézka pracuje pouze s jedním run-time systémem na portu 801. Délka smyþky je 10 ms.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 57: Nastavení PLC v System Manageru.

Dalším dĤležitým krokem je propojení jednotlivých vstupĤ a výstupĤ PLC s ostatními moduly. Na Obr. 58 je ukázka propojení struktury Axis_X_ToPLC (vstup PLC) se strukturou Axis 1_ToPlc (výstupní struktura NC osy 1). Po propojení struktur se adresa struktur zobrazí v poli Linked to… Tímto zpĤsobem byly propojeny všechny struktury a promČnné v systému. Bylo provedeno propojení mezi NC-PLC (struktury os a interpolaþního kanálu), mezi I/O-NC (Propojení vstupĤ a výstupĤ servomČniþĤ s NC úlohou) a I/O-PLC (propojení digitálních vstupĤ a výstupĤ s PLC).

Obr. 58: Ukázka propojení struktur.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 8.1.4 Nastavení I/O Po spuštČní System Manageru byla automaticky namapována všechna zaĜízení pĜipojená na prĤmyslové PC. To bylo provedeno v Nastavení I/O pomocí tlaþítka Scan Devices. Poté se ve stromu objevila všechna zaĜízení. V tomto pĜípadČ se jedná o dva mČniþe (Drive 1 a Drive 2), bus coupler BK1120 (Box 3) se dvČma kartami, KL2408 (Term 2) a KL9010 (End Term). Takto namapovaná zaĜízení byla pomocí pĜíkazu Linked to propojena s PLC a NC.

Obr. 59: Namapování pĜipojených zaĜízení.

Aby se v systému vytvoĜily virtuální „vodiþe“ mezi jednotlivými propoji, je nutno vygenerovat propojovací mapy. Mapy se vygenerují automaticky po stisknutí „Generate mappings“ na základČ všech propojení pomocí pĜíkazu Linked to. Obr. 60 zobrazuje pĜíklad mapování, a to mezi NC-Task 1 (Image A) a PLC úlohou 080414_bez_MC2 (Image B). Jde tedy o pĜenos promČnných z NC do PLC. V pravém dolním oknČ je možno vidČt propojení tĜech struktur jednotlivých os (napĜíklad zobrazené Axis 1_ToPlc propojená s Axis_X_ToPlc). Poslední, þtvrté propojení pĜísluší interpolaþnímu kanálu. Struktury jsou stĜídavČ oznaþeny žlutou a fialovou barvou a jak je vidČt, nČkteré výstupní struktury NC úlohy nejsou do PLC pĜipojeny.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 60: VytváĜení mapování mezi moduly Ĝídicího systému.

8.1.5 Nastavení servomČniþĤ Parametry motoru Pro oživení servopohonĤ bylo potĜeba nastavit základní parametry mČniþe. Prvním krokem je nastavení parametrĤ motoru. Znaþným usnadnČním pĜi nastavování byla skuteþnost, že veškeré elektrické komponenty servopohonu (mČniþe, motory, resolvery) jsou znaþky Beckhoff. Staþilo tedy do nastavení mČniþe zadat pouze oznaþení servomotoru (v nČm je zakódován i typ resolveru), mČniþ si otevĜel tabulku parametrĤ motoru a odmČĜování. V této tabulce se nachází mnoho parametrĤ, jako jsou napĜíklad jmenovité a maximální otáþky, jmenovitý a špiþkový proud, momentová a napČĢová konstanta, jmenovitý a špiþkový moment, odpor a indukþnost vinutí a další. Je tedy patrné, že výrobce servomČniþe nastavení znaþnČ usnadĖuje. Databáze parametrĤ není jen pro motory Beckhoff, ale i pro motory jiných znaþek jako napĜíklad FESTO, Parker, Rexroth, SEW, Siemens a další. Databáze Beckhoff je ale jednoznaþnČ nejpodrobnČjší.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 61: Ukázka þásti tabulky parametrĤ motoru.

Digitální vstupy Aby bylo možno naþítat digitální vstupy do PLC, bylo potĜeba nakonfigurovat mČniþ tak, aby pĜes rozhraní EtherCAT posílal stále aktuální informaci o stavu tČchto vstupĤ. To bylo provedeno zaĜazením parametru P-0-0801 (Digital inputs, state) do cyklického pĜenosu AT, tedy do stejné smyþky, ve které se pĜenáší napĜíklad poloha resolveru.

Obr. 62: ZaĜazení digitálních vstupĤ do cyklického pĜenosu.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 8.1.6 SpuštČní systému Po nastavení všech parametrĤ mohl být Ĝídicí systém spuštČn. SpuštČní aktuálního nastavení a pĜepnutí do módu Run se provede pomocí tlaþítka Activate configuration. Poté dojde ke spuštČní run-time a Ĝídicí systém zaþne pracovat.

Obr. 63: SpuštČní run-time.

Pro spuštČní PLC je potĜeba zalogovat PLC projekt. To se provede stisknutím klávesy F11 v modulu TwinCAT PLC Control. SpuštČní PLC se provede pĜíkazem Run nebo klávesou F5. Tímto je celý Ĝídicí systém spuštČn a pĜipraven k použití, pĜípadnČ ladČní.

8.2

LadČní servopohonĤ

Aby servopohon pracoval správnČ, je nutné správnČ nastavit konstanty všech regulátorĤ servomČniþe. Princip regulátoru byl popsán v kapitole 6.2.5. MČniþe byly nastaveny pomocí tabulky parametrĤ, která je urþena pĜímo pro daný servomotor. V této tabulce se nacházejí i konstanty regulátoru doporuþené výrobcem. Proudová smyþka je od výrobce nastavena optimálnČ pro dané parametry motoru (odpor a indukþnost vinutí), nebyla tedy mČnČna. Rychlostní smyþka je také pĜednastavena výrobcem. Zde by zásah do regulátoru mohl zlepšit chování servopohonu, protože naladČní rychlostní smyþky je závislé na setrvaþnosti celého servopohonu. LadČní rychlostní smyþky však vyžaduje jisté zkušenosti se servopohony, proto rychlostní smyþka i za cenu horších dynamických parametrĤ ladČna nebyla. Rozjezdové a dojezdové rampy, stejnČ jako omezení otáþek a proudu motoru, jsou taktéž pĜednastaveny. V mČniþi byly ponechány pĜednastavené hodnoty, ale ve vlastní NC úloze byly nastaveny hodnoty vlastní (viz kap. 8.1.2) Jedinou hodnotou, která byla v mČniþích nastavována, byl tedy Kv faktor. Ten byl nastavován Ziegler–Nicholsovou metodou. Nastavení probíhalo tak, že proporcionální složka regulátoru (Kv faktor) byla zvyšována do takové hodnoty, kdy se systém dostal na mez stability, tedy došlo k rozkmitání pohonu. Poté byla hodnota snížena pĜibližnČ na polovinu. Hodnoty Kv faktoru jsou v následující tabulce 10. Pro zobrazení chování servopohonu byl použit modul ScopeView, ve kterém byly vykreslovány hodnoty požadované a skuteþné polohy, požadované a skuteþné rychlosti, proudu motoru a chyby polohy. Na Obr. 64 jsou grafy z ladČní servopohonu osy Z. Jak je patrné, pĜi Kv faktoru okolo hodnoty 35 dochází k rozkmitání pohonu. PĜi hodnotČ 30 už pohon témČĜ nekmitá, ale stále je patrné velké zvlnČní proudu do motoru. Proto byla zvolena hodnota Kv 15. PĜi této hodnotČ je servopohon bezpeþnČ stabilní, nedochází


DIPLOMOVÁ PRÁCE k pĜekmitĤm a poĜád je zajištČna dostateþná dynamika pohonu. Stejným zpĤsobem byly naladČny i osy X a Y. V Tabulce 10 jsou zapsány hodnoty Kv faktoru všech os.

Obr. 64: Hodnoty namČĜené pĜi ladČní servopohonu osy Z. Tabulka 10: Kv faktor na jednotlivých osách.

Osa Kv faktor [1000.min-1]

X

Y

Z

0,7

1

15



Geometrická pĜesnost stroje

Po zprovoznČní Ĝídicího systému a servopohonĤ bylo nutno provést alespoĖ základní seĜízení geometrie stroje. Pro gravírování jsou stČžejní dva parametry, a to rovnobČžnost os X a Y s upínací deskou stroje a kolmost os X a Y. Vzhledem k tomu, že se vČtšinou obrábí do malých hloubek, není potĜeba pĜíliš dobrá kolmost osy Z na osu X a Y. RovnobČžnost Díky uložení upínací desky na þtyĜech šroubech bylo možno rovnobČžnost seĜídit. Po seĜízení byla rovnobČžnost upínací desky s osami X a Y mČĜena pomocí þíselníkového úchylkomČru, kterým bylo pohybováno pĜímo po pracovní desce. ÚchylkomČr byl pĜipevnČn místo držáku vĜetene. Protože se deska vlastní tíhou prohýbá, byla odchylka od ideální roviny mČĜena v devíti bodech, a to v rozích desky (minimální prĤhyb), v místČ maximálního prĤhybu na hranách desky a v místČ maximálního prĤhybu desky. Po seĜízení byly namČĜeny tyto hodnoty: Tabulka 11: namČĜené úchylky od roviny XY. Bod

Poloha v X [mm]

Poloha v Y [mm]

Úchylka od roviny [mm]

1

470

500

+0,05

2

470

271

-0,41

3

470

66

-0,02

4

307

66

-0,20

5

-30

66

-0,03

6

-30

306

-0,28

7

-30

500

+0,05

8

278

500

-0,04

9

274

244

-0,49

Obr. 65: Vyznaþení jednotlivých mČĜených bodĤ a úchylek na upínací desce.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 66: Ukázka mČĜení rovnobČžnosti roviny XY s upínací deskou.

Z namČĜených hodnot je patrné, že pĜesnČjší seĜizování rovnobČžnosti nemá pĜíliš velký pĜínos, protože nejvČtší chyba vzniká prĤhybem desky. Deska je v místČ nejvČtšího prĤhybu o pĤl milimetru níž než v rozích, to znamená, že gravírování rozmČrnČjších dílĤ by bylo problematické. Kolmost Vzájemná kolmost os X a Y nebyla z þasových dĤvodĤ mČĜena. V souþasné dobČ se k mČĜení kolmosti a dalších parametrĤ dvou na sebe kolmých os používá zaĜízení Double Ballbar. Toto zaĜízení umožĖuje zmČĜením kruhové interpolace zjistit parametry ve dvou osách a to: • kolmost os, • mrtvý chod (vĤle v posuvových šroubech), • zpoždČní serv, • pĜíþné vĤle, • pĜímoþarost.

8.4

Praktické zkoušky

Po seĜízení a naladČní byl stroj pĜipraven pro zkušební gravírování. Jako zkušební vzorek bylo vybráno logo Ústavu výrobních strojĤ, systémĤ a robotiky o rozmČrech pĜibližnČ 60 × 60 mm. V programu Inkscape byla vytvoĜena grafika a vygenerován NC kód pro gravírování. Jako polotovar pro gravírování byla použita laminovaná dĜevotĜíska. Polotovar byl na upínací desku pĜilepen pomocí oboustranné lepicí pásky. Tento zpĤsob je pro gravírování dostateþný. Jako nástroj byla využita vícebĜitá kuželová fréza. Otáþky 15000 min-1 a posuv 200 mm.min-1. V pĜiloženém programu je hloubka Ĝezu 1 mm, ale tohoto parametru nebylo možné dosáhnout. Skuteþná hloubka Ĝezu byla tedy cca 0,3 mm. Po odladČní chyb v PLC programu pracoval stroj po stránce Ĝízení dobĜe. PĜi bČhu bez nástroje stroj naprogramované dráhy opisoval, pĜi volání funkcí M03 a M05


DIPLOMOVÁ PRÁCE stykaþ pracoval, fungovalo i pausování a opČtovné spouštČní programu. PĜi volání funkce M00 stroj zastavil a po jejím potvrzení se opČt spustil. Z hlediska dynamiky si stroj vedl taky dobĜe, zrychlení 5000 mm.s-1 a rychlosti okolo 200 mm.s-1 jsou dostateþné pro stroj s rozsahem os do 500 mm. Jakmile ale došlo ke skuteþnému obrábČní, zaþala se projevovat nedostateþná tuhost celé soustavy. ObrábČní dĜevotĜísky do hloubky vČtší než 0,5 mm nebylo témČĜ možné. Zkušební vzorek byl tedy gravírován do hloubky 0,3 mm a i v tomto pĜípadČ je zĜejmé, že se nástroj i stroj znaþnČ deformoval. Na Obr. 67, pĜípadnČ na pĜiloženém videu, jsou projevy deformací patrné. Lepších výsledkĤ by pravdČpodobnČ bylo dosaženo použitím kratšího a silnČjšího nástroje. Tím by se odstranily deformace na nástroji.

Obr. 67: Vygravírované logo UVSSR.

PokusnČ bylo frézováno ještČ do smrkového dĜeva s podobným výsledkem jako u dĜevotĜísky. Bylo vyzkoušeno i gravírování do hliníkové slitiny, zde ale docházelo k tak velkým deformacím stroje, že hrozilo zniþení nástroje. NejvČtší podíl na deformaci stroje mČla letmo uložená osa Y (problém se stabilitou hloubky Ĝezu) a osa Z, která vykazuje vĤle ve vedení a malou tuhost v krutu.



Zabootování PLC programu

Veškeré ladČní systému probíhalo vzdáleným pĜístupem z jiného poþítaþe. PĜi nasazení stroje do praxe se ale tento zpĤsob nepoužívá. ZaĜízení musí být spouštČno tak, aby bČžná obsluha stroje nemČla pĜístup do nastavení systému. Toho se dosáhne tím, že se provede tzv. zabootování systému, kdy pĜi zapnutí poþítaþe je rovnou spuštČn PLC program s vizualizací a není možné do bČhu programu zasahovat jiným zpĤsobem než prostĜednictvím uživatelského rozhraní. Jelikož systém TwinCAT vyžaduje pro bČh zabootované vizualizace programovou licenci, kterou UVSSR nevlastní, nemohla být tato funkce odzkoušena. Nebylo tedy ani odzkoušeno ovládání pomocí prstĤ na dotykové obrazovce. Vzhledem k funkþnosti PLC a vizualizace pĜes vzdálený pĜístup pomocí myši se dá ale pĜedpokládat, že by vše pracovalo bez problémĤ.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 9

ZávČr

Cílem diplomové práce bylo vytvoĜit gravírovací frézku z 3D laboratorního manipulátoru. Pro tento úþel byla mechanická konstrukce doplnČna o vĜeteno, nosiþe kabelĤ a upínání obrobkĤ. Elektroinstalace byla rozšíĜena o spínání vĜetene. Aby bylo možno provádČt gravírovací operace, byl vytvoĜen Ĝídicí systém, který se do znaþné míry podobá Ĝídicímu systému CNC frézek. PodaĜilo se vytvoĜit PLC program pro ovládání jednotlivých operací a jednotlivé osy nastavit tak, aby pracovaly jako NC osy. Pro komunikaci mezi strojem a þlovČkem bylo vytvoĜeno grafické rozhraní urþené k ovládání pomocí dotykového panelu. Toto rozhraní bylo navrženo tak, aby bylo co nejpĜehlednČjší, nČkteré funkce tedy nemá (napĜíklad editaci NC kódu þi možnost pĜímého zadávání NC kódu). Generování NC kódu pro gravírování pomocí Inkscape se ukázalo také jako použitelné, i když pro složitČjší obrábČní (kapsování, 3D obrábČní) vhodné není. Po stránce Ĝízení se tedy podaĜilo splnit zadání práce s výjimkou odzkoušení ovládání pomocí dotykové obrazovky. Praktické zkoušky ukázaly, že lze gravírovat pouze mČkké a dobĜe obrobitelné materiály. U tvrdších materiálĤ se již znaþnČ projevuje nízká tuhost stroje a obrábČní je znaþnČ nepĜesné. V pĜípadČ slitin hliníku není již gravírování vĤbec možné. Dalšími kroky pĜi oživování stroje by tedy mČlo být jeho vyztužení, kdy by letmo uložená posuvová jednotka osy Y mohla být na volném konci upevnČna do lineárního vedení. Dále by bylo potĜeba zvýšit tuhost osy Z, kde dochází k deformaci osy v krutu. Jelikož je Ĝídicí systém Beckhoff jednoduše rozšíĜitelný a upravitelný, je vytvoĜený PLC program univerzální a lze jej bez velkých zásahĤ použít i pro Ĝízení jiných obrábČcích strojĤ s jinými pohony (frézka s krokovými motory, soustruh, drátová Ĝezaþka apod.). To vytváĜí prostor pro navázání na tuto práci a vznik nového témata diplomové práce pro dalšího Ĝešitele. Celou tuto práci lze také použít jako doplnČk k výuce pĜedmČtu Prvky automatického Ĝízení výrobních strojĤ, vyuþovaného na UVSSR VUT v BrnČ.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 10

Seznam použitých zdrojĤ

[1]

BECKHOFF AUTOMATION GMBH. Beckhoff Information system [online]. 2014 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://infosys.beckhoff.com/english/ SMC INDUSTRIAL AUTOMATION CZ S.R.O. SMC Czech Republic: Competence In Automation [online]. 2014 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://www.smc.cz/ Levné gravírování: Znaþení eloxovaného plechu, popis hliníku. FRANTIŠEK VORÁý - LIFE. Levné gravírování [online]. 2009 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.levne-gravirovani.cz/prumyslovy-popis/zna-en-hlin-ku Levné gravírování: Výroba CWG. FRANTIŠEK VORÁý - LIFE. Levné gravírování [online]. 2009 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.levnegravirovani.cz/kompletni-vyroba/v-roba-cwg-d-ev-n-mince Gravírování a rytí: Rytí diamantem. INTERSIGN, s.r.o. Intersign [online]. 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://intersign.cz/gravirovani-ryti-diamantem MPX-90. BITCON. Bitcon: Váš dodavatl technologií a spotĜebních materiálĤ [online]. 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.bitcon.cz/gravirky-amodelovaci-stroje-roland/tiskarny-do-kovu/#tab=multimedia PĜíslušenství: Sada nástrojĤ pro gravírování a frézování. GRAVOS.CZ. GRAVOS.CZ: CNC Technologie a obrábČcí stroje [online]. 2008 [cit. 2014-0505]. Dostupné z: http://www.gravos.cz/basetoolset.htm Gravo Tech - Pantograf IM3. GRAVO TECH S.R.O. Gravo Tech - CNC gravírky a lasery [online]. 2013 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://www.gravotech.cz/produkty/gravograph/pantograf-im3.html Gravírka EGX-30A. BITCON. Bitcon: Váš dodavatel technologií a spotĜebních materiálĤ [online]. 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.bitcon.cz/gravirky-a-modelovaci-stroje-roland/gravirovacistroje/egx-30a?referrerID=58 Roland EGX-30A: AWC. AWC MORAVA, s.r.o. AWC: Apple world company [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.awc.cz/16617-roland-egx30a.html Gravo Tech: Ĝada velkých a silných CNC gravírek. GRAVO TECH S.R.O. Gravo Tech: CNC gravírky a lasery [online]. 2013 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.gravotech.cz/produkty/gravograph/is1000xp.html SMC. Best Pneumatics: Auto Switch Guide. Dostupné z: http://www.smcbr.com.br/pt_br/catalogo/docs/hydraulic/cylinder/AutoSwGuide.pdf BECKHOFF AUTOMATION GMBH. Synchronous servomotor AM3000 and AM3500 [online]. Version 1.4. 2011 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://download.beckhoff.com/download/Document/Drives/AM3000_Am3500_ BA_en.pdf FERM FCT 160-F. PRICEMANIA.SK. Pricemania.sk: Porovnanie cien tovaru v internetových obchodoch [online]. 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.pricemania.sk/katalog/priame-brusky/ferm-fct-160f5629360/galeria/ Kabelové ĜetČzové unášeþe OCELOVÉ: Série BS 2xxx. OPIS ENGINEERING K. S. OPIS Engineering k. s.: BEST Partner [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.opis.cz/brevetti/ocelova_cz.html

[2]

[3]

[4]

[5] [6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]


DIPLOMOVÁ PRÁCE [16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23] [24]

[25]

[26]

[27]

Energetické trubky R2: Série R117 / R118. HENNLICH S.R.O. HENNLICH [online]. 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.hennlich.cz/produkty/energeticke-retezy-flexibilni-kabelyenergeticke-retezy-energeticke-trubky-e2-142/serie-r117-r118.html Systém E2: Série 11.080 - E2 mini. HENNLICH S.R.O. HENNLICH [online]. 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.hennlich.cz/produkty/energeticke-retezy-flexibilni-kabelyenergeticke-retezy-system-e2-143/serie-11080-e2-mini.html BECKHOFF AUTOMATION GMBH. Control Cabinet PCs C6920, C6925: Installation and operation instructions [online]. Version 2.2. 2012 [cit. 2014-0505]. Dostupné z: http://infosys.beckhoff.com/content/1033/ipcinfosys/pdf/c6920_c6925.pdf Spoleþnost Dyger pĜedstaví novinky v oblasti poþítaþového Ĝízení a distribuovaných I/O. Automa: þasopis pro automatizaþní techniku [online]. 2006, þíslo 08 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/spolecnost-dyger-predstavi-novinky-v-oblastipocitacoveho-rizeni-a-distribuovanych-i-o-31338.html Nec V-touch 1721 5U. HEUREKA.CZ. Heureka.cz: Porovnání cen a srovnání produktĤ z internetových obchodĤ [online]. 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://dotykove-lcd-monitory.heureka.cz/nec-v-touch-17215u/galerie/?obrazek=2af20f9d6ba1d9d42a1e84c17960fdcd OdmČĜovací zaĜízení - pĜímé. In: PERNÍKÁě, Jaroslav. Školní intranet: StĜední škola technická Opava [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://sst.opava.cz/pernikar/nove_www/CNC_soubory/prime.htm OdmČĜovací zaĜízení - nepĜímé. In: PERNÍKÁě, Jaroslav. Školní intranet: StĜední škola technická Opava [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://sst.opava.cz/pernikar/nove_www/CNC_soubory/neprime.htm Encodery. POHONNATECHNIKA.CZ. Pohonnatechnika.cz [online]. 2007 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://www.pohonnatechnika.cz/skola/encodery Low-Cost Brushless Pancake Resolvers. MOOG. Moog Inc [online]. 2014 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://www.moog.com/products/resolvers/low-costbrushless-pancake-resolvers/size-22/ POLZER, Aleš. Akademie CNC obrábČní (7). Technický týdeník [online]. 2009 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://www.technickytydenik.cz/rubriky/serialy/akademie-cncobrabeni/akademie-cnc-obrabeni-7_8542.html VOJÁýEK, Antonín. Programovací režimy pro PLC dle IEC 61131-3 (CoDeSys). Automatizace.HW.cz: Elektronika v automatizaci [online]. 2011 [cit. 2014-05-13]. Dostupné z: http://automatizace.hw.cz/programovaci-rezimypro-plc-dle-iec-611313-codesys MAREK, JiĜí. Konstrukce CNC obrábČcích strojĤ. Vyd. 2, pĜeprac., rozš. Praha: MM publishing, 2010, 420 s. ISBN 978-80-254-7980-3.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 11

Seznam obrázkĤ a grafĤ

Obr. 1: Laserem vygravírovaná stupnice v eloxovaném hliníku. [3] .......................... 11 Obr. 2: Laserem vygravírovaná dĜevČná mince. [4] .................................................. 11 Obr. 3: Logo vyryté pomocí diamantového hrotu. [5] ................................................ 12 Obr. 4: Motiv vytvoĜený tištČním do kovu. [6] ............................................................ 12 Obr. 5: Nástroje pro gravírování rotujícím nástrojem. [7] .......................................... 13 Obr. 6: Gravírovací pantograf Gravograph IM3. [8] ................................................... 14 Obr. 7: Roland EGX-30A; malá jednoduchá gravírovaþka. [9, 10] ............................ 15 Obr. 8: Gravograph IS8000 XP. [11] ......................................................................... 16 Obr. 9: Celkový pohled na stroj s jednotlivými posuvovými jednotkami. ................... 19 Obr. 10: PĜímá bruska FERM CTM 1010 použitá jako vĜeteno. [14] ......................... 21 Obr. 11: Uchycení vĜetene k posuvové jednotce osy Z. ............................................ 22 Obr. 12: Pohled na upínací desku stroje. .................................................................. 22 Obr. 13: Kabelový nosiþ kovový, bČžný a uzavĜený. [15, 16, 17] .............................. 23 Obr. 14: Detail provČšení kabelĤ vedoucích k servomotoru osy Z a vĜetenu. ........... 23 Obr. 15: Blokové schéma elektroinstalace stroje. ..................................................... 24 Obr. 16: PrĤmyslové PC C6925. [18] ........................................................................ 25 Obr. 17: Dotykový panel. [20].................................................................................... 26 Obr. 18: ZpĤsoby lineárního odmČĜování polohy. [27] .............................................. 27 Obr. 19: PĜímé (vlevo) a nepĜímé (vpravo) odmČĜování polohy. [21, 22] .................. 28 Obr. 20: Princip funkce resolveru. [23, 24] ................................................................ 28 Obr. 21: Nákres a zapojení vývodĤ referenþního spínaþe D-Y7H. [2]....................... 29 Obr. 22: Nákres a zapojení referenþního spínaþe EE-SX673. [2] ............................. 30 Obr. 23: Regulaþní smyþka servomotoru. ................................................................. 30 Obr. 24: Polohový regulátor servomČniþe AX 5000. ................................................. 31 Obr. 25: Rychlostní regulátor servomČniþe AX5000. ................................................ 31 Obr. 26: Proudový regulátor servomČniþe AX 5000. ................................................. 32 Obr. 27: RozmístČní prvkĤ na panelu mČniþe Ĝady AX 5000. [1] .............................. 33 Obr. 28: Konektor pro pĜipojení motoru. [1] ............................................................... 34 Obr. 29: Konektor pro pĜipojení digitálních vstupĤ/výstupĤ. [1] ................................. 34 Obr. 30: Sestava modulu s digitálními výstupy. [1] ................................................... 35 Obr. 31: Stykaþ Schneider LP1K0610BD.................................................................. 36 Obr. 32: Celkové schéma samotného Ĝídicího systému. ........................................... 41 Obr. 33: ýasová posloupnost operací u klasického PLC. [1] .................................... 42 Obr. 34: ýasová posloupnost operací u softwarového PLC. [1]................................ 42 Obr. 35: ýasová posloupnost operací u softwarového PC a NC. [1] ........................ 43 Obr. 36: PĜíklad instance funkþního bloku................................................................. 47 Obr. 37: PĜíklad zápisu funkce Vystup = A AND (B OR (NOT C)) pomocí LD. ......... 47 Obr. 38: PĜíklad SFC programu. [1] .......................................................................... 48 Obr. 39: Ukázka pĜíkladu 2*6+3 pomocí FBD. .......................................................... 49 Obr. 40: Ukázka pĜíkladu 2*6+3 pomocí CFC. .......................................................... 49 Obr. 41: Nulové body frézky...................................................................................... 53 Obr. 42: Posouvání souĜadnic................................................................................... 54 Obr. 43: PrĤbČh rychlosti pĜi referencování jedné osy. ............................................. 55 Obr. 44: Funkþní blok MC_MoveVelocity. ................................................................. 55 Obr. 45: VýbČr smČru posuvu. .................................................................................. 56 Obr. 46: Urþení rychlosti posuvu. .............................................................................. 56 Obr. 47: Ovládací panel s okny Manual, NC a VISUALIZATION. ............................. 59


DIPLOMOVÁ PRÁCE Obr. 48: Okno pro ovládání posunutí nulových bodĤ. ............................................... 60 Obr. 49: Okno pro nastavení parametrĤ nástroje. ..................................................... 60 Obr. 50: Ukázka z programu Inkscape. ..................................................................... 62 Obr. 51: Vygenerované dráhy nástroje. .................................................................... 62 Obr. 52: PĜíklad NC kódu pro gravírování písmene V. .............................................. 63 Obr. 53: Hlavní okno System Manageru. .................................................................. 64 Obr. 54: Okno nastavení priorit jednotlivých úloh. ..................................................... 65 Obr. 55: Axis-settings. ............................................................................................... 66 Obr. 56: Nastavení M-funkcí interpreteru. ................................................................. 68 Obr. 57: Nastavení PLC v System Manageru. .......................................................... 69 Obr. 58: Ukázka propojení struktur. .......................................................................... 69 Obr. 59: Namapování pĜipojených zaĜízení. .............................................................. 70 Obr. 60: VytváĜení mapování mezi moduly Ĝídicího systému. ................................... 71 Obr. 61: Ukázka þásti tabulky parametrĤ motoru. ..................................................... 72 Obr. 62: ZaĜazení digitálních vstupĤ do cyklického pĜenosu. .................................... 72 Obr. 63: SpuštČní run-time. ....................................................................................... 73 Obr. 64: Hodnoty namČĜené pĜi ladČní servopohonu osy Z. ...................................... 74 Obr. 65: Vyznaþení jednotlivých mČĜených bodĤ a úchylek na upínací desce. ......... 75 Obr. 66: Ukázka mČĜení rovnobČžnosti roviny XY s upínací deskou......................... 76 Obr. 67: Vygravírované logo UVSSR. ....................................................................... 77

12

Seznam tabulek

Tabulka 1: Parametry posuvových os. [2] ................................................................. 18 Tabulka 2: Parametry servopohonĤ. [1, 13] .............................................................. 20 Tabulka 3: Zapojení vývodĤ konektoru pro resolver. [1]............................................ 34 Tabulka 4: PĜíklad bloku N10 G01 X10 Y10 Z-5 F500 M03. ..................................... 37 Tabulka 5: G-funkce podporované systémem Beckhoff [1] ....................................... 38 Tabulka 6: M-funkce implementované systémem Beckhoff. [1] ................................ 39 Tabulka 7: BČžnČ používané další M-funkce. ........................................................... 39 Tabulka 8: Korekþní parametry nástrojĤ. [1] ............................................................. 39 Tabulka 9: Parametry jednotlivých os. ...................................................................... 67 Tabulka 10: Kv faktor na jednotlivých osách. ............................................................ 74 Tabulka 11: namČĜené úchylky od roviny XY. ........................................................... 75

13

Seznam použitých vzorcĤ

6.2.3.1: Vztah mezi polohou v ose a úhlovým natoþením ......................................... 26 6.2.3.2: Vztah mezi rychlostí v ose a úhlovou rychlostí ............................................. 26 6.2.3.3: Vztah mezi zrychlením v ose a úhlovým zrychlením .................................... 26 8.1.2.1: Výpoþet scaling factoru resolveru ................................................................ 67

14

Seznam pĜíloh

PĜíloha 1: Homing: vývojový diagram referencování os PĜíloha 2: NC_Interpreter: vývojový diagram NC interpreteru

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY

Recommend Documents