Lancenigo di Villorba TREVISO
CORSO SERALE
AREA DI PROGETTO ANNO SCOLASTICO 2006/2007
Allievo: NASATO GIANNI
Tutor: prof. ITALO ZANIOL, MARCO FALAVIGNA
MACCHINA A CONTROLLO NUMERICO
GESTITA DA MICROCONTROLLORE
1
INDICE
INTRODUZIONE
pag. 3
SCHEMA A BLOCCHI DEL SISTEMA
pag. 4
ANALISI DELLO SCHEMA A BLOCCHI E DEI PRINCIPALI COMPONENTI
pag. 4/9
SCHEMA ELETTRICO DEL CIRCUITO DI CONTROLLO
pag. 10/11
PIC 16F877 della Microchip
SOFTWARE PER LA SIMULAZIONE DELLA SCHEDA DI CONTROLLO
( Proteus ver.9.4)
pag. 11/12
SOFTWARE PER IL CONTROLLO NUMERICO ( KellyCam versione free)
pag. 13/14
SOFTWARE PER DISEGNO CAD 2D – 3D ( AlphaCam )
pag. 15/16
SOFTWARE UTILIZZATO PER LA PROGETTAZIONE HARDWARE
(Eagle 2D/3D)
pag. 16/17
Vista della scheda di controllo in 3D realizzata con Eagle
SOFTWARE PROGETTATO IN LIGUAGGIO ASSEMBLY
(spiegazione delle principali routine)
pag. 17/26
DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA E VIDEO
pag. 26/29
CONSIDERAZIONI FINALI (ed esempi di lavorazioni)
pag. 29/30
PRINCIPALI ISTRUZIONI E METODOLOGIE PER ESEGUIRE
LA FORATURA DI CIRCUITI STAMPATI
pag. 31/34
2
Introduzione
A conclusione del corso di studi presso l’ITIS “M. PLANCK” di Lancenigo (TV), ho
pensato di realizzare un progetto che consentisse di unire le conoscenze acquisite
sui microprocessori al controllo delle macchine utensili utilizzate per la lavorazione
di diversi materiali ( materiali teneri e in particolare legno ) e la realizzazione di
circuiti stampati ( asportazione rame mediante fresa e foratura ).
Utilizzando il microcontrollore PIC16F877A, opportunamente interfacciato con tre
motori e altre periferiche di controllo e comando, ho progettato una macchina
(pantografo) a livello hobbistico che, mediante il controllo di tre assi X-Y-Z,
realizza un sistema di controllo ampiamente utilizzato in campo industriale e che è
comunemente chiamato CNC.
CNC è l’abbreviazione di “Computer Numeric Control”, ossia una macchina per
lavorazioni meccaniche, vedi tornio, fresa ecc., che viene comandata da un
computer per eseguire delle lavorazioni ad un pezzo.
Con un programma CAD (vedi Autocad), viene disegnato il particolare da
realizzare, poi con un programma CAM (vedi KCAM) viene generato il
programma usato dal controllo CNC.
Una macchina a CNC di tipo hobbistico, come questa realizzata, è
generalmente costituita dalle seguenti parti:
•
•
•
•
•
•
•
•
Computer
programmi CAD, CAM ed interpreti vari.
Programma di controllo CNC
file in formato Gcode del pezzo o lavorazione da eseguire
controllo elettronico del CNC (Stepper drivers)
gruppo alimentazione del controllo elettronico.
motori passo passo (step motor)
fresa che esegue le lavorazioni
Meccanica della macchina a controllo numerico
3
Schema a blocchi del sistema e sua descrizione
Lo schema a blocchi del sistema è quello rappresentato in figura.
Il computer può essere un qualsiasi Personal Computer con sistema operativo DOS –
Windows – LINUX – MAC su cui possa “girare” del software capace di gestire la
macchina a CNC in tempo reale fornendo opportuni segnali di controllo utilizzando per
questa applicazione la porta parallela. La comunicazione potrebbe avvenire anche
tramite porta seriale RS232 oppure USB. Nel computer deve essere installato:
un pacchetto applicativo CAD 3D che consente di disegnare il pezzo da ottenere a
lavorazione finita.
Un pacchetto applicativo CAM che traduce il file di disegno CAD in un programma
di lavorazione per la macchina a CNC.
Il microcontrollore ha il compito di gestire gli attuatori che controllano il movimento di
tre assi ( potrebbero essere anche di più per lavorazioni complesse ). Il movimento dei
tre assi controlla la posizione di un utensile portato in rotazione da un motore ( ad
esempio un motore in corrente continua ). Le informazioni vengono fornite al
microcontrollore dal PC tramite la porta parallela suddetta; a sua volta il
microcontrollore potrebbe inviare al PC, sempre attraverso la parallela, segnali
riguardanti lo stato di alcune periferiche ( fine corsa, tastatori, pulsanti di emergenza
ecc. ). Riassumendo le periferiche interfacciate al microcontrollore sono:
La porta parallela per ricevere segnali di controllo dal PC
Una tastiera per posizionare manualmente l’utensile
tre driver per il pilotaggio dei motori
un driver per pilotare il motore che porta in rotazione l’utensile
dei led di segnalazione
un pulsante di emergenza (reset)
Nella scheda è presente anche uno strip per la programmazione in circuit del
microcontrollore.
4
Analisi delle periferiche
La porta parallela
Questa interfaccia verso il PC, anche se oramai in disuso, ben si presta alla mia
applicazione.
Questa porta, infatti, dispone di un numero di I/O adeguati ed inoltre la velocità di
trasmissione delle informazioni soddisfa l’esigenza di una applicazione real time.
In figura 1 è mostrata la piedinatura della porta (connettore femmina ): le linee in
giallo sono uscite, quelle in celeste ingressi e quelle verdi la massa.
In figura 2 sono indicati i nomi delle varie linee che sono derivati dalla iniziale
applicazione di questa porta per il controllo di stampanti.
Fig. 1
fig. 2
In tabella è riportato l’indirizzo di ciascun bit con il relativo indirizzo di porta.
I nomi indicati in grassetto sono segnali in logica negata.
5
Tramite i segnali di uscita della porta parallela, il PC invia al processore i comandi
per i motori che controllano i movimenti dei tre assi.
Per ogni asse vengono utilizzati due segnali: uno controlla la direzione dello
spostamento ( direction ), mentre l’altro (clock) lo spostamento di un passo.
Un ulteriore segnale serve a controllare il motore che aziona l’utensile.
In definitiva il microcontrollore dovrà interpretare questi segnali e comandare
fisicamente le interfacce dei motori.
La tastiera
Tenuto conto che il tastierino è costituito da una matrice di righe e colonne sui cui
incroci si trova un pulsante che mette in collegamento una riga con una colonna,
la lettura di tale periferica può essere fatta portando a livello basso una colonna (
o una riga ) e fare la scansione ( lettura ) delle righe ( colonne ). Quando un
tasto, che si trova sulla colonna suddetta, viene azionato, la riga corrispondente a
questo tasto si trova a livello basso e come tale può essere letta.
Configurando le colonne come ingressi e le righe come uscite, con opportuna
scansione, si può stabilire il tasto azionato.
In fase di lettura della tastiera è anche opportuno
utilizzare del software che consente di eliminare i
rimbalzi dei contatti. La logica da seguire è la
seguente:
a) quando viene riconosciuto un livello basso
su uno degli ingressi, si chiama una routine
di ritardo di 20ms che consente di ignorare
lo stato della periferica finché vengono
eliminati i rimbalzi.
6
b) Trascorso tale tempo, si attende che il tasto venga rilasciato ( si testa se
l’ingresso viene portato a livello alto ).
c) Riconosciuto questo evento si richiama la routine di ritardo e si prosegue
con le successive istruzioni del programma.
I motori passo-passo
Per l’azionamento dei tre assi sono stati utilizzati dei motori passo-passo.
Essi presentano vantaggi e svantaggi rispetto ad altri tipi di attuatori.
Vantaggi:
Non richiedono un sistema di retroazione che controlli la posizione dell’asse
La logica di comando è puramente digitale e in genere mediante
microprocessore
La posizione è facilmente deducibile dal software di controllo
A motore fermo il rotore può essere bloccato
Svantaggi:
La coppia disponibile è limitata a valori bassi
Qualora la coppia frenante sia maggiore di quella motrice viene persa la
posizione dell’asse
All’aumentare della velocità la coppia motrice diminuisce
Principio di funzionamento di un
motore passo-passo
Si prende in considerazione un motore passopasso
bipolare
costituito
da
quattro
avvolgimenti Ph1, Ph2, Ph3, Ph4 disposti
sullo statore a 90° l’uno dall’altro avvolti su
quattro espansioni polari.
Sul
rotore
è
presente
un
magnete
permanente.
Per comprendere il principio di funzionamento è possibile ricondursi alla seguente
schematizzazione costituita dal magnete e dalle 4 bobine.
Iniziamo ad alimentare le due bobine in verticale. Il
solenoide in alto affaccia il polo S alla calamita mentre il
solenoide in basso mostra il proprio polo N. Poli opposti si
attraggono, perciò il magnete si porterà con il polo N in
alto ed il S in basso.
Successivamente alimentiamo le due bobine poste in
orizzontale. Anche questi solenoidi sono collegati in serie. Il
magnete "vedrà" il polo S a destra ed il N a sinistra, e si
7
porterà in questa posizione compiendo un
quarto di giro in senso orario.
Proviamo ora ad alimentare le due bobine verticali ma
invertendo la polarità della batteria rispetto al primo caso:
la corrente circola in senso inverso, il polo S è ora in basso e
quello N in alto. Il magnete ruota di un altro quarto di giro
in senso orario, attirata dai poli opposti. La situazione è
simmetrica rispetto al primo passo.
Infine alimentiamo ancora le due bobine orizzontali, con polarità
rovesciata rispetto al secondo caso. Il magnete ruota di un
ulteriore quarto di giro, per avvicinare il proprio polo N al polo S
che ora si trova a sinistra, ed il proprio polo S al polo N che ora è
a destra.
La sequenza prosegue ricominciando dal passo 1: così facendo il rotore tornerà
alla posizione iniziale e avrà compiuto un giro intero.
Questo è uno dei tanti modi di alimentazione degli avvolgimenti che comunque
aiutano a comprendere come funziona un motore passo-passo.
Driver per motori passo-passo
Da quanto visto sul funzionamento dei motori passo-passo, il modo più semplice
per pilotarli è quello di utilizzare quattro amplificatori binari che controllano la
conduzione delle fasi.
Tali amplificatori si realizzano con BJT oppure mosfet.
Poiché i motori assorbono correnti piuttosto elevate ( in genere maggiori di
500mA ) è opportuno, se si utilizzano dei BJT, far riferimento a dei transistori
Darlington caratterizzati da un guadagno statico di corrente piuttosto elevato che
limita la corrente di pilotaggio a pochi mA.
Nel progetto sono stati utilizzati dei transistori BDX53.
8
Transistor BDX53C
Categoria
hFE
Lc max (A)
Modello
Pd max.
Vceo max.
transistor bipolari
750 min
8,0
NPN Darlington
60,00W
100,0 V
TRANSISTOR BJT (bipolar junction transistor)
E’ idealmente costituito due giunzioni PN realizzate su un wafer di silicio.
E’ un dispositivo tripolare cioè a tre terminali.
C: Collettore
B: Base
E: Emettitore
EQUAZIONI IN REGIONE ATTIVA :
IE = IC + IB
IC = hFE IB
IE = IB hFE + IB = IB (hFE + 1)
IE ≈ IC
POLARIZZAZIONE DEL BJT
Per far funzionare il transistore come interruttore, è necessario che, con segnale
di ingresso basso, esso si trovi in interdizione mentre, con livello alto, in
saturazione. Se Vi è minore della tensione di soglia ( circa 1V per un darlington )
il BJT è interdetto in quanto IB=0. Con livello alto, si dimensiona RB in modo che
9
IB sia maggiore di IC/hFE di un 20 30%. Nel nostro caso i motori assorbono circa 1
ampere, per cui risulta RB = 470 ohm.
Lo svantaggio maggiore di pilotare le fasi con questa tecnica, consiste nel fatto
che la corrente di eccitazione di fase non sale istantaneamente al valore massimo
quando il transistore si porta in conduzione, ma bensì con legge esponenziale che
dipende dalla costante di tempo del circuito di eccitazione.
Per questo motivo la velocità di rotazione deve essere limitata in quanto la coppia
motrice cala all’aumentare della velocità.
Ci sono varie tecniche che consentono di fronteggiare questo problema.
La più vantaggiosa consiste nell’alimentare le fasi con una tensione maggiore di
quella nominale in modo da ridurre il tempo in cui la corrente arriva a regime. Una
volta raggiunto tale valore, si diseccita la bobina; la corrente continua a circolare
nella fase grazie ai diodi di ricircolo in parallelo alla bobina.
Quando la corrente scende al di sotto di un certo valore, si torna ad eccitare la
bobina. Tale tecnica, denominata PWM, consente di raggiungere ottimi risultati
con costi, però, sicuramente maggiori.
Esistono svariati circuiti integrati che consentono il controllo del motore nel modo
indicato: i più famosi sono la coppia LM297-298.
Tuttavia la soluzione adottata consente un risparmio economico di circa
venticinque euro anche se le prestazioni sono inferiori.
Schema elettrico scheda di controllo basata su
PIC 16F877A
10
disposizione dei componenti
M
o
r
s
e
t
t
i
e
r
e
Collegamento
utensile
c
o
l
l
e
g
a
m
e
n
t
o
m
o
t
o
r
i
Alimentazione
Pin collegamento tastierino
Connettore 25 poli LPT
Pin collegamento
programmatore on board.
Il pic 16F877
Il PIC = Peripheral Interface Controller (Controllore di
periferiche programmabile) è, in ultima analisi, un
microcomputer.
Dispone di:
8k di flash memory (area memoria programma)
368 byte di ram
256 byte di memoria non volatile
Tutte le istruzioni, ad eccezione di quelle di
salto, utilizzano 1 ciclo macchina che
corrisponde a 4 periodi di clock
può lavorare con un clock fino 20 Mhz
ha fino a 14 sorgenti di interrupt (da periferiche
interne e/o esterne)
è possibile annidare fino ad 8 chiamate a subroutine in quanto lo Stack ha una
profondità pari a 8
Ha un architettura RISC che significa : Reduced Instruction Set Computing, cioè
può essere programmato con un numero limitato di istruzioni ( 35 )
Supporta la ICSP : In Serial Circuit Programming cioè la possibilità di
programmarlo senza togliere il chip dalla scheda
Le periferiche interne sono:
3 Timer (Timer0 8 bit, Timer1 16 bit e Timer2 8 bit)
2 moduli CCP capture, compare e pwm
11
8 ingressi analogici con conversione a 10 bit
porta seriale sincrona/asincrona
porta I2c
porta di comunicazione parallela (PSP)
diversi pin di i/o distribuiti su 5 porte (Porta, Portb, Portc, Portd, Porte)
Ambiente di sviluppo del Software per
simulazione e programmazione del
microcontrollore (Proteus ver.9.4)
Per la progettazione del software è stato utilizzato il programma MPLAB IDE v7.50.
Per quanto concerne la simulazione, ho utilizzato il programma PROTEUS VER9.4 che
risulta ottimale in quanto consente di analizzare adeguatamente il funzionamento del
software che gira nel PIC e di metterlo a punto in tempi brevi.
Questo programma mi ha dato sicuramente grandi soddisfazioni e risultati.
Il modo di utilizzo è stato da parte mia istintivo e autodidatta; la simulazione si basa sui
seguenti punti:
si costruisce lo schema elettrico utilizzando i componenti in libreria. Nel mio caso ho
utilizzato il PIC16F877, un ingresso gestito da parallela ,un tastierino , una serie di
diodi led, dodici transistor NPN Darlington BDX53C e componenti di supporto.
Si crea il software in linguaggio Assembler, per il controllo degli ingressi e delle uscite
del microcontrollore. Si genera il file eseguibile o codice oggetto con estensione HEX (
quello che dovrebbe essere caricato nel PIC )
Si carica il file HEX sul PIC virtuale di Proteus.
Negli ingressi della porta parallela cioè il PORTA, ho simulato un segnale di clock con
frequenza 20 Hz
Si procede con la simulazione
Di seguito, in fig.4, è riportato lo schema elettrico realizzato e il listato dei componenti
(fig.5) generato da PROTEUS.
12
Fig. 5
13
Software CAM per la gestione, via porta
parallela, dei file GC,DXF,LPT
(Kellyware KCam v4.0.22)
View CNC control
Questa funzione apre la finestra di controllo
CNC. La finestra del controllo CNC, permette il
controllo dei movimenti manuali e automatici
degli assi. Insieme alle informazioni specifiche
sulle caratteristiche dei movimenti.
Keyboard Jog Controls
Quando questa finestra è aperta, la pressione
dei tasti freccia sul tastierino numerico del PC
( scroll lock attivo ) movimenterà gli assi;
questi si sposteranno solo quando i tasti
saranno abbassati; non appena verranno
rilasciati il movimento verrà arrestato.
14
View Parallel port I/O display
Questa funzione apre la finestra di
visualizzazione della porta di I/O, dove è
rappresentato lo stato corrente della logica
sui PIN della porta parallela.
Questa schermata può essere utile per
diagnosticare problemi di comunicazione I/O.
Table setup Parameters.
Si apre con questa la tabella di
impostazione. Da qui è possibile
settare
la
redazione
dei
parametri di tabella CNC.
Es.
- Unità di misura (millimetri o
pollici)
-Numero di passi per unità di
misura richiesti per azionare un
asse.
-Lunghezza massima di un asse.
-Profondità dell’asse Z in modo
spostamento
o
in
modo
lavorazione.
-Inversione
del
sistema
di
coordinate dei motori.
-Posizione di origine.
PIN setup Port
Maschera per il settaggio
dei
pin
della
porta
parallela. Deve esserci
una
corrispondenza
logica con l’hardware ed
il software progettato per
la scheda di controllo dei
motori e del mandrino.
15
Software per disegno 2D-3D ALPHACAM
Questo software, in pratica, è un CAD 3D con particolarità CAM.
Si può disegnare qualsiasi oggetto comprese scritte 2D-3D. Rispetto ad altri CAD
è necessario specificare le sezioni del pezzo da lavorare (specifica dimensioni
materiale), decidere le varie caratteristiche di taglio, cioè, utensile usato,
direzione da “prendere” (interna o esterna alla linea), profondità di lavorazione,
faccia o volume di taglio.
Grazie, poi, ad un post processor generico, il disegno, completo delle sue
lavorazioni, viene salvato come file GC ( gcode) con tutte le coordinate negli assi
cartesiani X Y Z.
♦ Simulazione 3D lavorazione pezzo.
Schermata iniziale di “AVANZATO 3D 3 ASSI Pantografo:
16
L’immagine successiva rappresenta il disegno iniziale della struttura della
macchina ( pantografo ), appunto progettata con questo CAD; successivamente
i profili sono stati convertiti come taglio utensile nel formato GC (g code)
Software utilizzato per realizzare schema
elettrico e sbrogliato ( Eagle 4.11 )
Con il pacchetto applicativo Eagle V. 4.11 è stata progettata la
parte hardware della scheda di controllo vale a dire schema
elettrico e master per la realizzazione degli stampati.
Questi passaggi sono stati eseguiti in laboratorio di TDP durante
l’anno scolastico.
Schermata principale:
17
Board.
Schematic:
Il software in linguaggio Assembler progettato
con MPLAB V. 7.50
Assegnazione di variabili e localizzazioni memorie:
;***************** PANTOGRAFO *************************
list p=PIC16f877
__config ( _CP_OFF & _DEBUG_OFF & _WDT_OFF & _XT_OSC & _CPD_OFF &
_BODEN_OFF & _WRT_ENABLE_OFF & _LVP_OFF )
#include <p16f877.inc>
#define
XPORT
#define
YPORT
#define
ZPORT
PORTD
PORTC
PORTC
18
#define
#define
#define
RELE
INPUTPORT
RELEPORT
PORTD,0
PORTA
PORTE,0
#define
#define
#define
#define
XF1
XF2
XF3
XF4
4
5
6
7
#define
#define
#define
#define
YF1
YF2
YF3
YF4
7
4
5
6
#define
#define
#define
#define
ZF1
ZF2
ZF3
ZF4
2
3
0
1
#define
#define
#define
XBIT
YBIT
ZBIT
0
1
2
#define
#define
#define
XDIR
YDIR
ZDIR
3
4
5
#define
cblock
STEPMASK
0X20
0X03
; dall’indirizzo 0X20 si definiscono le varie label.
;ASSEGNAZIONE DI UN “NOME”
;SIMBOLICO ALLE FASI DEI MOTORI
;
;QUESTA TECNICA PERMETTE DI
;SPECIFICARE QUALE FASE ECCITARE
;SENZA DOVER OGNI VOLTA
;RICORDARE L’USCITA (PORTx,x)
MS
SAVE_W
SAVE_S
CONTX
CONTY
CONTZ
CONTX1
CONTY1
CONTZ1
PORTAI
CONT
COUNTER1
COUNTER2
NEWSAMPLE
OLDSAMPLE
XSTEPCOUNTER
YSTEPCOUNTER
ZSTEPCOUNTER
DUMMYPORT
endc
19
Configurazione dei registri speciali del PIC
MOVLW
MOVWF
B'00000001'
OPTION_REG
MOVLW
B'01011100'
MOVWF
TRISB
CLRF
TRISE
CLRF
TRISC
CLRF
TRISD
MOVLW
B'00000111'
MOVWF
ADCON1
CLRF
TRISA
MOVLW
0XFF
MOVWF
TRISA
MOVLW
B'00000011'
MOVWF
TRISE
BCF
STATUS,5
;*******************
CLRF
NEWSAMPLE
CLRF
OLDSAMPLE
CLRF
XSTEPCOUNTER
CLRF
YSTEPCOUNTER
CLRF
ZSTEPCOUNTER
;*******************
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
CLRF
PORTB
PORTC
PORTD
CONTX
CONTY
CONTZ
CONTX1
CONTY1
CONTZ1
CONT
MOVLW
MOVWF
B'10100000'
INTCON
;PRESCALE PER QUARZO 4 Mhz
;ASSEGNA PRESCALE A TMR0 - CONFIGURA
; PRESCALER
;CONFIGURA PORTB PER TASTIERINO
;PORTC OUT
;PORTD OUT
;CONFIGURA ADCON1 PER INGRESSI DIGITALI
;DEL PORTA
;CONFIGURA PORTA COME INGRESSI DIGIT.
;PORTE,0 e 1 COME INGRESSI
;BANCO 0
;INIZIALIZZAZIONE DELLE VARIABILI
;MOTORI X, Y OFF
;RELE' OFF MOTORE Z OFF DIODI ON
;AZZERA CONTATORI PASSI
;ABILITA INTERRUPT
Routine di Test:
in questa
parte di
programma
si rimane in
attesa della
pressione di
un pulsante
del
tastierino
per poter
passare alla
20
modalità manuale, cioè il movimento degli assi tramite tastiera, oppure alla
modalità automatica, assegnando Il controllo alla porta parallela:
La scansione del tastierino collegato al PORTB, viene eseguita in maniera
semplice. Il sistema di test pone inizialmente sempre a zero il bit meno
significativo che controlla l’uscita di un diodo led (PORTB,0), mentre i bit
rimanenti controllano la tastiera. Poniamo a valore alto tutti i bit tranne quello
corrispondente alla colonna da testare. Successivamente si esegue un test per
controllare se una riga viene portata bassa.In questo caso viene chiamata la
routine POSIZIONA1. Si continua finché non viene premuto uno dei due tasti
scelti per il passaggio alla lavorazione automatica.
;*******************************
TESTA
BCF
PORTD,1
BCF
PORTD,2
;ACCENDE DIODI E SPEGNE RELE’
BCF
PORTD,3
BCF
PORTB,0
BCF
PORTE,2
PORTB,5
PORTB,0 DIODO LED
TESTA1
MOVLW
MOVWF
BTFSS
CALL
B'11011110' ;SCANSIONE COLONNA 3 (PORTB,5)
PORTB
PORTB,6
;PREMUTO #?
POSIZIONA1 ;POSIZIONAMENTO MANUALE ASSI
MOVLW
MOVWF
BTFSS
CALL
GOTO
B'11111100' ;SCANSIONE COLONNA 1 (PORTB,1)
PORTB
PORTB,6
;PREMUTO *?
scanningLoop;LAVORAZIONE AUTOMATICA
TESTA1
:RITORNA A FARE IL TEST SENZA VARIARE
;LA CONFIGURAZIONE DIODI E RELE’
Routine posiziona:
con la pressione di un tasto si chiamano le routine per l’eccitazione delle fasi
dei motori.
Questa parte di programma non si differenzia da quella spigata in precedenza;
il test viene eseguito incrociando il controllo tra colonne e righe del tastierino.
21
;********************ROUTINE POSIZIONA********************
POSIZIONA1
BSF
PORTE,2
;attiva segnalatore
POSIZIONA
XYZ
ON
OFF
VAI
CALL
BSF
BSF
BSF
BTFSC
GOTO
BTFSS
GOTO
BTFSC
GOTO
GOTO
BCF
BCF
GOTO
BSF
BSF
MS20
PORTD,1
PORTD,2
PORTD,3
PORTE,1
VAI
PORTE,1
XYZ
PORTE,2
ON
OFF
PORTE,2
PORTD,0
VAI
PORTE,2
PORTD,0
;SERIE DI TEST PER ATTIVAZIONE
;RELE’ ,IN D0 ,CON PULSANTE IN E1 E
;RISPETTIVA ACCENSIONE LED IN E2
;SPEGNE DIODI
MOVLW
MOVWF
B'01111110'
PORTB
;SCANSIONE COLONNA 2
BTFSS
CALL
BTFSS
CALL
BTFSS
CALL
BTFSS
CALL
PORTB,3
SX_Z
PORTB,6
DX_Z
PORTB,2
DX_Y
PORTB,4
SX_Y
;PREMUTO 5?
;CHIAMATA MOVIMENTO
;PREMUTO 0?
;CHIAMATA MOVIMENTO
;PREMUTO 2?
;CHIAMATA MOVIMENTO
;PREMUTO 8?
;CHIAMATA MOVIMENTO
MOVLW
MOVWF
B'11011110'
PORTB
;SCANSIONE COLONNA 3
;
BTFSS
CALL
BTFSS
CALL
BTFSS
CALL
PORTB,2
XY
PORTB,3
DX_X
PORTB,4
YX1
;PREMUTO 3?
; CHIAMATA MOVIMENTO IN X-Y
;PREMUTO 6?
;CHIAMATA MOVIMENTO IN X
;PREMUTO 9?
; CHIAMATA MOVIMENTO IN X-Y
MOVLW
MOVWF
BTFSS
B'11111100'
PORTB
PORTB,2
;SCANSIONE COLONNA 1
;
;PREMUTO 1?
22
IN Z
IN Z
IN Y
IN Y
CALL
BTFSS
CALL
BTFSS
CALL
YX
PORTB,3
SX_X
PORTB,4
XY1
MOVLW
MOVWF
BTFSC
GOTO
RETURN
B'11111101'
PORTB
PORTB,6
POSIZIONA
; CHIAMATA MOVIMENTO IN X-Y
;PREMUTO 4?
; CHIAMATA MOVIMENTO IN Y
;PREMUTO 7?
;
;SCANSIONE COLONNA 1
;
Routine eccitazione fasi motore
Come spiegato, il controllo del motore avviene eccitando le fasi secondo una
certa sequenza.
Si eccitano a rotazione le fasi in modo tale che il magnete interno compia uno
spostamento di un passo (1,8° ) nella direzione desiderata.
Nel mio caso le fasi sono state eccitate a due per volta in modo da aumentare
la coppia motrice, cosa particolarmente gradita per l’azionamento degli assi X,
Y.
Una tipologia particolare di motore passo-passo utilizzabile sia in
configurazione unipolare che bipolare, e quella a 6 fili. Nella figura questo tipo
di motore è stato schematizzato con le quattro fasi racchiuse nel rettangolo
tratteggiato.
Passo Ph1 Ph3 Ph2 Ph4
1
I
I
0
0
2
0
I
I
0
3
0
0
I
I
4
I
0
0
I
La coppia disponibile, con eccitazione a due fasi per volta, è circa 1,4
volte maggiore di quella ottenuta con una sola fase attiva alla volta:
infatti sul rotore agiscono due forze tra loro perpendicolari che producono
una risultante con modulo 1.4 volte maggiore rispetto alle componenti
assiali.
Il consumo di potenza e quindi anche il riscaldamento del motore
raddoppiano. Questo fatto potrebbe creare problemi in alcuni motori non
adatti a questo tipo di pilotaggio.
23
•
Di seguito è mostrata la routine spostamento: L’eccitazione dei motori
è a due fasi per volta.
;********** ROUTINE SPOSTA ASSE Z VERSO ALTO ***************
SX_Z
BCF
PORTD,1
;ACCENDI DIODO
INCF
CONTZ
MOVLW
4
;CONTROLLA POSIZIONE
SUBWF
CONTZ,0
; MOTORE
BTFSS
STATUS,2
GOTO
SZ1
CLRF
CONTZ
BCF
PORTC,2
;UN PASSO
BSF
PORTC,0
;LE DUE FASI ECCITATE
BSF
PORTC,1
RETURN
SZ1
MOVLW
SUBWF
BTFSS
GOTO
BCF
BSF
BSF
1
CONTZ,0
STATUS,2
SZ2
PORTC,1
PORTC,0
PORTC,3
;UN PASSO
RETURN
SZ2
SZ3
MOVLW
SUBWF
BTFSS
GOTO
BCF
BSF
BSF
RETURN
2
CONTZ,0
STATUS,2
SZ3
PORTC,0
PORTC,2
PORTC,3
BCF
BSF
BSF
RETURN
PORTC,3
PORTC,1
PORTC,2
;UN PASSO
;UN PASSO
Sicuramente la parte di programma più importante riguarda la lettura e
l’elaborazione dei segnali provenienti dalla porta parallela. Come detto in
precedenza il controllo di ogni asse utilizza 2 linee:
Direzione asse
Clock ovvero il segnale che controlla l’avanzamento di un passo dei motori.
L’hardware prevede che i segnali provenienti dalla parallela siano leggibili sul
porto A del PIC ad eccezione del segnale che controlla lo stato del motore porta
utensile posto nel porto E.
24
Di seguito è analizzata una parte della routine che interpreta tali segnali e
controlla la posizione dei tre motori e del relè che aziona il motore porta utensile.
;********** ROUTINE LAVORAZIONE PEZZO *******************
scanningLoop
BTFSC RELEPORT
;CONTROLLA SE ATTIVARE RELE’
BCF RELE
BTFSS RELEPORT
BSF RELE
BTFSC RELEPORT
BCF PORTE,2
BTFSS RELEPORT
BSF PORTE,2
;ATTIVA DISATTIVA SEGNALATORE
Questo blocco di istruzioni è sufficientemente semplice; viene testato lo stato
dell’ingresso RELEPORT così dichiarato:
#define
RELEPORT
PORTE,0
Lo stato del bit zero del porto E, viene praticamente copiato nel bit zero del porto
D che controlla lo stato dell’utensile.
La variabile relè è stata così dichiarata:
#define
RELE
PORTD,0
Il seguente blocco di istruzioni controlla se deve essere aggiornata la posizione
dell’ asse X secondo la seguente logica:
1. viene letto il porto A e salvato nella variabile NEWSAMPLE
2. viene testato il bit che fornisce il segnale di clock relativo allo stato passato
dell’asse X ( precedente ciclo di lettura ) memorizzato in OLDSAMPLE.
a. Se questo bit è a 1 lo stato dell’asse non deve essere modificato in
quanto se il nuovo stato è 1 significa che è in corso la temporizzazione
relativa all’esecuzione di un passo se il nuovo stato è zero lo stato
dell’asse non deve cambiare
b. Se è 0 bisogna controllare lo stato presente. Se lo stato presente è 0
non è richiesto il cambiamento di stato dell’asse, se 1 si deve
aggiornare la posizione chiamando in causa la routine UPDATEX .
movf PORTA,W
;MEMORIZZA STATO PRESENTE MOTORI
movwf NEWSAMPLE
btfsc OLDSAMPLE,XBIT ;CONTROLLA STATO PASSATO DEL MOTORE X; SE OFF
;CONTROLLA NUOVO STATO
goto noStepX
;SE ON NON INTERVENIRE LASCIA FASI ECCITATE
BTFSC NEWSAMPLE,XBIT ;CONTROLLA NUOVO STATO MOTORE ASSE X
CALL UPDATEX
;SE A 1 CHIAMA ROUTINE CHE CONTROLLA DIREZIONE E MUOVE
;DI UN PASSO
noStepX
btfsc OLDSAMPLE,YBIT ;IDEM ASSEY
GOTO noStepY
BTFSC NEWSAMPLE,YBIT
CALL UPDATEY
noStepY
Al termine di questa routine viene aggiornato lo stato passato degli assi
trasferendo in OLDSAMPLE il contenuto di NEWSAMPLE.
25
MOVF NEWSAMPLE,W
MOVWF OLDSAMPLE
GOTO
;AGGIORNA STATO DEI MOTORI
;LO STATO PRESENTE DIVENTA STATO PASSATO PER NUOVA
;SCANSIONE
scanningLoop
La routine UPDATEX movimenta il motore relativo all’asse X secondo questa
logica:
1. viene controllata la direzione testando il bit 3 del porto A: a seconda dello
stato di tale bit viene aggiornato lo stato del puntatore ( incrementato o
decrementato di 1 ) che consente di recuperare dalla tabella XSTEPTASBLE i
livelli logici con cui pilotare le fasi del motore X. Poiché i puntatori
potrebbero assumere dei valori negativi ( ad esempio se inizialmente il
valore del puntatore fosse 0 ed esso fosse decrementato per puntare al dato
in posizione 3 della tabella, assumendo invece il valore 0xFF ) bisogna
“correggere” tale situazione azzerando tutti i bit non significativi che
potrebbero portarci fuori tabella. La variabile STEPMASK, inizializzata col
valore 0x03, è una maschera che, tramite una istruzione di AND logico,
consente di azzerare tutti i bit del puntatore ad esclusione dei due meno
significativi che servono ad accedere ai dati di tabella.
2. letto da tabella lo stato dei transistori che pilotano le fasi del motore, si
presenta il problema di modificare solo lo stato delle uscite che controllano il
motore dell’asse X lasciando inalterate le altre. Il motore y, ad esempio,
viene comandato dalle uscite 4,5,6,7 del porto C mentre le altre quattro
comandano le fasi del motore Z. Dunque, se si vuole aggiornare, ad
esempio, lo stato delle fasi del motore Y, si devono lasciare inalterate le
uscite che controllano le fasi del motore Z e agire solo sulle uscite che
controllano il motore Y. Ciò è possibile utilizzando opportune istruzioni
logiche che, tramite delle maschere, agiscono selettivamente su uno o più
bit di una parola. Nella fattispecie, il valore recuperato da tabella viene:
a. salvato in una locazione di supporto ( DUMMYPORT )
b. viene caricata in accumulatore una maschera che contiene degli 0 nei
bit corrispondenti alle uscite che controllano il motore. Utilizzando tale
maschera si esegue un AND con i contenuti del porto che controlla il
motore ( il risultato è salvato in accumulatore ). Resta così
memorizzato lo stato dei bit che non devono essere modificati.
c. Viene fatto l’OR tra DUMMYPORT ( nuovo stato delle fasi del motore )
con i risultati della precedente elaborazione ( bit che non devono
essere modificati ). Il valore ottenuto può essere trasferito nel porto
desiderato.
Le considerazioni sviluppate per il controllo dell’asse X valgono anche per il
controllo degli altri assi.
UPDATEX
BTFSS OLDSAMPLE,XDIR
INCF XSTEPCOUNTER,F
;MOVIMENTAZIONE MOTORE X
;CONTROLLA DIREZIONE ASSE X
;SE 0 INCREMENTA PUNTATORE TABELLA
26
BTFSC OLDSAMPLE,XDIR
DECF XSTEPCOUNTER,F
MOVF XSTEPCOUNTER,W
ANDLW STEPMASK
CALL XSTEPTABLE
;SE 1 DECREMENTA PUNTATORE
;MASCHERA RISULTATO PER I SOLI 2 BIT MENO
;SIGNIFICATIVI
;SE AD ESEMPIO XSTEPCOUNTER ERA 0 PRIMA DEL DECREMENTO
;ESSO DIVENTA 0XFF DOPO DECREMENTO E SI ANDREBBE FUORI
;TABELLA
;RECUPERA NUOVO STATO FASI MOTORE X
OUTTOXSTEPPORT
MOVWF DUMMYPORT
;SALVALO
MOVLW~( 1<<XF1 | 1<<XF2 | 1<<XF3 | 1<<XF4 );INVIA SUL PORTO CHE CONTROLLA
;MOTORE
ANDWF XPORT,W
;LASCIANDO INALTERATI I BIT NON INTERESSATI
IORWF DUMMYPORT,W
;CIOE’ 00001111 & PORTD = 0000XXXX
MOVWF XPORT
;OOOOXXXX | XF4XF3XF2XF1OOOO = XF4XF3XF2XF1XXXX
RETURN
Alcune foto della meccanica
♦ La parte meccanica è stata realizzata in legno multistrato da
22mm, verniciato color grigio. Le guide sono in acciaio con
cuscinetti a ricircolo di sfere. Il movimento degli assi avviene con
vite senza fine.
♦
Particolare taglio dei pezzi di costruzione ( legno multistrato)
27
Struttura in legno multistrato da 22 mm
Utensile
Guide acciaio da 16/22
Angolo per posizionamento fisso punto “0” (90°)
28
Dettaglio scheda e comandi manuali
Interruttore manuale utensile
Alimentatore 13.8 V, 8 A picco-picco
Regolatore giri utensile
Presa unica per collegamento
motori
Hardware principale di controllo
Tastierino per movimenti in
manuale
Connettore porta PARALLELA
Pulsante per pilotare relè
(utensile) in modalità
manuale
Particolare angolo
posizionamento punto “o” ,
e sistema di fissaggio pezzo
29
Conclusioni
Per concludere posso dire che questo progetto sviluppato nel corso
dell'ultimo anno scolastico, mi ha dato grandi soddisfazioni in quanto
sono riuscito, con la collaborazione degli insegnanti di TDP (Zaniol Italo)
e sistemi (Falavigna Marco), a realizzare una macchina che riesce ad
unire varie discipline tecniche cioè elettronica, informatica, meccanica
nonché tecnologiche ( conoscenza dei materiali ).
Sottolineo che le scienze meccaniche ed elettroniche viaggiano oramai
insieme; avere una meccanica professionale, con spostamenti precisi al
centesimo di mm, non sarebbe possibile senza un controllo elettronico
realizzato con sistemi basati su microprocessore.
La macchina a controllo numerico realizzata, consente di ottenere ottimi
risultati per la realizzazione di basso rilievi in legno o plastica e risulta
soprattutto ideale per l'incisione e foratura di schede in vetronite (
circuiti stampati).
Una lavorazione 3D implica un tempo di esecuzione molto lungo. Per
eseguire, ad esempio, la figura in rilievo qui evidenziata, servono
dalle cinque alle sette ore a seconda dell’utensile usato( da 2-3 mm).
Lavorazione su legno
Immagine in scala di grigi
L’’incisione ITIS MAXPLANCK impegna la macchina per circa 35 minuti
30
Per la foratura di un circuito stampato si ha una lavorazione veloce e
precisa
Di seguito vengono spiegati i
passi principali per l’esecuzione
della foratura di un circuito
stampato.
FORATURA BASETTA SU SBROGLIATO ESEGUITO DA
EAGLE:
•
Nella schermata board, selezionare
VIAS, Drills e Holes,
31
e rendere visibili solo PAD,
Drills
Holes
•
Dal menù file selezionare RUN e alla schermata successiva aprire il file
dxf.ulp e scegliere dove salvare il file generato. C:\documenti\......
•
Conversione del file dxf in formato G CODE per la lavorazione con software
KCAM
In ALPHACAM menù file input CAD, caricare il file salvato prima con
EAGLE
32
Input CAD
•
Per la configurazione usata su Kcam si è costretti ad impostare un livello di
scala = 0.1 vedi figura
Selezionare SCALA
, TUTTO, fattore di
scala 0.1
•
•
Selezionare ora l’utensile oppure
modificarne uno a seconda delle proprie esigenze ( es.:DIAMETRO 0.075
Cm)
33
•
Passo successivo, foratura
Di quanto si deve alzare Z
per gli spostamenti (es. 0.2
Cm)
Profondità del foro (es.:- 0.3 Cm)
•
•
Menù file Scelta Post Post..Proces.. GENERICO 8600 mc sycam.arp Ok
Menù file Output NC salvare con nome, il file verrà salvato con
l’estensione ANC,questo perché non c’è un post proccessor adatto (es.:
fori.ANC), bisognerà rinominare il file in un secondo momento con
estensione *.GC
34
•
Lavorazione pezzo Con il software KCAM.
Menù file Open G Code file
•
Caricare il file generato con ALPHACAM e rinominato. (fori.GC). Il tempo per
la visualizzazione dipenderà dalla grandezza del file e potrà essere di alcuni
minuti.
35