CC BY
142
Белоусов Е.Ф., Литвинский В.С.
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Человек с давних времён пытается облегчить труд, придумывая всевозможные устройства которые должны облегчить производство того или иного изделия. У каждого человека есть потребность в творчестве, в создании чего-то нового, оригинального, не такого как у всех. Станки с программным управлением позволяет материализовать Вашу идею, будь то новое техническое устройство или просто оригинальное украшение.
Однако изготовление станков с программным управлением это достаточно трудоёмкий процесс. Но на настоящий момент существует возможность его изготовления на основе персонального компьютера, что значительно облегчает процесс его создания, хотя это и связано с отладкой и согласованием между собой программного обеспечения, интерфейса для обмена данными с компьютером, контроллера для управления двигателями, датчиками и дополнительными устройствами, механической части, средствами крепления инструментов, приборов и заготовок. Создание каждого из этих блоков и согласование его с остальными представляет собой немалый труд, но, тем не менее, возможно. Станок для изготовления печатных плат с устройством программного управления на основе ПК, представленный в данной работе предназначен для нанесения изображения печатных проводников на печатные платы перманентным маркером, а также для сверления отверстий в печатных платах. Изображение печатных проводников и схему расположения отверстий можно подготавливать с помощью редактора печатных плат или САПР печатных плат.
Программное управление станком
В качестве устройства программного управления в данной разработке используется персональный компьютер с установленной программой Mach3, разработанной корпорацией ArtSoft. Программа Mach3 имеет в своём составе дизайнер деталей LazyCam, который, используя выдаваемый CAD/CAM программами результат (рисунок печатных проводников в формате GERBER и схему расположения отверстий в формате EXCELLON), представляет его в виде G-кода и передает в программу Mach3. Программа Mach3 выдаёт, согласно G-кодов необходимую последовательность импульсов на LPT-разъёме ПК. К LPT-разъёму подключаются драйверы шаговых двигателей. Драйверы осуществляют формирование последовательностей импульсов для управления шаговыми двигателями, в соответствии с поступающими на них сигналами от компьютера и скоростными режимами работы шаговых двигателей. Оси станка двигаются за счет тросов (оси X и Y) и ходового винта (ось Z) связанных с шаговыми двигателями.
Аппаратная часть проекта
Основной задачей, которая была решена в данном станке, является разработка драйверов шаговых двигателей. Шаговый двигатель (ШД) - это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует калибровки с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика.
Драйвер шагового двигателя формирует последовательность фаз шагового двигателя, учитывая токи через них, которые в сильной мере и нелинейно зависят от частоты вращения ротора.
Принципиальная схема драйвера шагового двигателя показана на рисунке 1. Драйвер был реализован на микроконтроллере фирмы Atmel AT89C2051 с использованием мощных ключей на полевых транзисторах для подключения шаговых двигателей по униполярной схеме. Обмотки шагового двигателя включены в цепь стока каждого из транзисторов ключей. Для защиты от выбросов ЭДС самоиндукции обмотки шунтируются обратносмещенными импульсными диодами, обеспечивающими шунтирование ЭДС самоиндукции, возникающей в моменты размыкания ключа.
XP1
Контакт Цепь
1 + 12В
2 Общий
3 Общий
4 +5В
XP2
Контакт Цепь
3(6,8) STEP
4(7,9) DIR
XP3
Цепь Контакт
+ 12В 1
Ф1 2
Ф2 3
ФЗ 4
Ф4 5
Рисунок 1 Принципиальная схема драйвера шагового двигателя
Микроконтроллер реализует функции формирования фаз шагового двигателя по сигналам STEP (шаг) и DIR (направление), анализирует частоту сигнала STEP а, следовательно, и частоту вращения ротора, и осуществляет в соответствии с частотой регулировку тока фаз посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема алгоритма работы управляющей программы микроконтроллера показана на рисунке 2.
Механическая часть проекта
Для основы механической части станка была выбрана механика от плоттера СМ6400, модернизированная и оснащенная третьей координатой. В качестве привода шпинделя сверла использовался двигатель постоянного тока. Держатель маркера был изготовлен со свободной третьей координатой.
Выводы
При разработанном способе регулирования токов фаз наблюдаются сбои при работе на пониженных скоростях подачи, ввиду недостаточной мощности выдаваемой в фазы. Для ликвидации данного недостатка необходимо провести исследования по работе шагового двигателя на различных частотах ШИМ, использованию шунтирования обратного тока фаз и применения обратной связи, которая применяется в стандартных схемах драйверов шаговых двигателей.
Рисунок 2. Схема алгоритма работы управляющей программы микроконтроллера
Данная разработка является также промежуточной для работ связанных с переводом устаревшей электронной части существующих станков с ЧПУ на новую элементную базу. В частности ведутся работы по переводу станка ТПК-25, приводы осей которого выполнены на шаговых двигателях, однако в отличие от, применяемых в данной разработке 4-х фазных двигателей, они являются 6-ти фазными.
Также дальнейшим развитием данной темы являются перевод на новую элементную базу станков с сервоприводами. Здесь необходимо решить проблему коммутации с ПК из-за недостаточного количества коммуникационных каналов в LPT-портах. Этот недостаток можно устранить с помощью использования контроллера ModBas шины. Который представляет собой устройство, состоящее из двух микроконтроллеров, один из которых работает на ввод информации, а другой на вывод. Достоинством данного контроллера является ещё и то, что он подключается к COM-порту ПК и тем самым уменьшается количество электрических связей.
Необходимо отметить, что при разработке станка для изготовления печатных плат основными критериями являлись простота в изготовлении и низкая стоимость комплектующих элементов драйверов, которая на один привод не превышает 150 рублей. А также использование унифицированных изделий -штатного блока питания от ПК для питания всех схем станка и шаговых двигателей.
