АВТОМАТИЧЕСКИЙ МИНИ-СТАНОК С ЧПУ ДЛЯ ЧЕРТЕЖА ПП С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ARDUINO

Аннотация

Mahesh Raut, Ganesh Shete, Vipul Shinde, Ashok Suryawanshi. АВТОМАТИЧЕСКИЙ МИНИ-СТАНОК С ЧПУ ДЛЯ ЧЕРТЕЖА ПП С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ARDUINO. Компьютерные станки с числовым программным управлением важная часть обрабатывающей промышленности. Эти машины быстрые, точные и адаптируемые. Целью проекта является спроектировать и реализовать недорогой трехмерный станок с ЧПУ для черчения макетов печатных плат. Основной функцией этого станка с ЧПУ является рисование макета печатной платы. Поскольку на рынке существует высокий спрос на точные и недорогие станки с ЧПУ для печатных плат, поэтому наша главная цель - проект дешевого компьютеризированного числового программного управляемого (ЧПУ) устройства для черчения печатных плат. Для достижения экономической эффективности наши система основана на микроконтроллере Arduino, а также поддерживает высокую точность и надежность, необходимые для макетов сложной формы. Основой системы является интеллектуальная механическая система с Интегрированная система, которая обеспечивает точные результаты. Полная форма станок с ЧПУ - это компьютер с числовым программным управлением. Движение станка с ЧПУ можно контролировать по инструкции, координата которой генерируется компьютером.

Ключевые слова: ЧПУ, печатная плата, G-код, Inkscape, Processing 3, USB, драйверы, гравировка.

1 Введение

Термин «ЧПУ» является общим термином, который описывает многие типы таких устройств, как дрели, резчики по дереву, 3D-принтеры, фрезерные машины. В основном «ЧПУ» означает, что физическое движение машины контролируется инструкцией, такой как координата значение которой генерируется компьютером. ЧПУ станки очень разные по конструкции и конструируются из обычных станков. Эта разница возникает из-за требований повышения уровня производительности.

Качество и надежность этих машин зависит от различных элементов и подсистем машины. Некоторые из важных компонентов и аспектов ЧПУ машины должны учитываться в их конструкции, например структура станка, направляющие, приводы подачи, управление шпинделя, программный и операторский интерфейс, инструментальный мониторинг. ЧПУ контроль может быть применен к фрезерным станкам, токарные станки, шлифовальные станки, плазменные резаки, лазер фрезеры, плоскошлифовальные станки и др.

ЧПУ - это, в основном, машина, работой которой руководит компьютер.

1.1 Цели

1. Изучить различные типы станков с ЧПУ, их цели и приложения.
2. Преобразовать файл дизайна печатной платы в шестнадцатеричный файл для микроконтроллера Arduino.
3. Разработать и внедрить недорогой мини-ЧПУ станок для нанесения рисунков печатных плат с использованием микроконтроллера Arduino.
4. Провести тестирование разработанного мини-станка с ЧПУ, используя программное обеспечение Arduino IDE.

1.2 Постановка проблемы

Разработать недорогой автоматический мини-станок с ЧПУ для нанесения рисунков печатных плат с использованием Arduino.

2 Методика

2.1 Блок-схема

Ядром проекта является плата микроконтроллера Arduino Uno. Она может быть легко сопряжена с компьютером, драйверами и шаговые двигатели.

Микроконтроллеру Arduino Uno требуется источник питания 12 В. Программа будет загружена в программное обеспечение Arduino IDE, а затем преобразована в компиляторе Arduino. Схема управления предназначена для управления механическими настройками и обменом данными через компьютер с программным обеспечением.

Этот проект исследует возможности станка с ЧПУ создавать свои собственные компоненты. Разрабатываемое устройство - это чертежный станок, в котором компьютер управляет отдельными осями станка с помощью двигателя.

2.2 Разработка

Два шаговых двигателя приводятся в движение и управляются двумя драйверами. Эти два шаговых двигателя соединены с осью X, осью Y, а осью Z – с серводвигателем.

1. G-код c ПК

G-код - это язык программирования для ЧПУ в области автоматизированного проектирования и производства (CAD / CAM). G-код, используемый в компьютере, сообщает станку с ЧПУ, как далеко и с какой скоростью двигаться.

1. Преобразование из G-кода в C-код

Чтобы создать интерфейс G-кода с микроконтроллером, каждый фрагмент строки G-кода будет обрабатываться как отдельный символ, составляя понятный C-код для отображения G-кода после выполнения нескольких исполняемых инструкций C-кода.

G-код связан с микроконтроллером Arduino, используемым для преобразования кода в USB-преобразователь, то есть последовательный. Кроме того, этот код передается на преобразование драйверам, которые преобразуют код и перемещают двигатели в соответствии с инструкциями. Нам нужны три оси X, Y, Z, которые работают следующим образом:

1. Двигатель X двигается влево и вправо,
2. Двигатель Y двигается вперед и назад,
3. Двигатель Z движется вверх и вниз.

3 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

3.1 Шаговый двигатель (28byj-48)

Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Он также бесщеточный, синхронный электродвигатель, который может разделить полный оборот на широкий диапазон шагов.

При использовании электрического импульса шаговый двигатель использует принцип работы магнита, чтобы повернуть вал двигателя на точное расстояние. В статоре восемь полюсов, а в роторе шесть полюсов. Чтобы совершить один полный оборот, ротору потребуются 24 электроимпульса для перемещения на 24 шага.

3.2 Серводвигатель (SG90)

Сервоприводы управляются через управляющий провод, посылая электрический импульс переменной ширины или широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Важны минимальный импульс, максимальный импульс и частота повторения.

При общем повороте на 180 градусов серводвигатель может поворачиваться только на 90 градусов в любом направлении. Нейтральное положение двигателя определяется как положение, в котором сервопривод имеет одинаковую величину потенциального вращения в направлении как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

3.3 Драйвер ULN2003A

ULN2003 представляет собой высоковольтную монолитную транзисторную матрицу из составных транзиторов. Он состоит из семи пар NPN составных транзисторов с высоковольтными выходами для переключения индуктивных нагрузок с помощью диода с общим катодом (диод Шотки). Текущий ток коллектора одной пары составного транзистора составляет 500 мА. Для более высокой токовой емкости пары составных транзисторов могут быть соеденинены параллельно. Дополнительно включают в себя драйверы реле, драйверы молотка, драйверы ламп, драйверы газоразрядного светодиодного дисплея, линейные драйверы и буферы для логики. Для каждой пары составных транзисторов ULN2003 имеется базовый резистор 2,7 кОм для прямой работы с устройствами ТТЛ или 5 В КМОП.

Преимущества:

1. Номинальный ток коллектора 500 мА (один выход)
2. Высокое выходное напряжение: 50 В
3. Входы совместимы с различными типами логики
4. Дополнительно включают в себя драйверы реле

4 ПРОГРАММНАЯ АРХИТЕКТУРА

4.1 Блок-схема алгоритма

4.2 Алгоритм

• Получение входных данных рисунка печатной платы (Gerber-файл)
• Преобразуем gerber-файлы в G-код
• Изменение вводимой информации в машинный язык координат, который отправляется в AtMega328P
• Последовательная связь между ПК и ATMega328P
• Согласование серводвигателя и драйвера шагового двигателя
• Проверка тока, измеряемого на серводвигателе
• Проверка процесса рисования печатных плат
• Установка значений начальных параметров путем установки начальных значений положения двух шаговых двигателей
• Рисование на печатной плате (автоматический режим, количество шагов на оборот, продолжение, пауза и остановка)

5 Аппаратная АРХИТЕКТУРА

5.1 Механическая установка

5.2 Подробности

1. Инструкции от Arduino поступают на станок с ЧПУ. Мы соединили два драйвера шагового двигателя ULN2003 на плате ЧПУ. Выходные данные каждого драйвера шагового двигателя ULN2003 передаются на соответствующий шаговый двигатель.
2. Благодаря шаговому двигателю оси X деревянная доска перемещается вперед и назад. Благодаря шаговому двигателю оси Y шпиндель перемещается влево и вправо, а благодаря серводвигателю оси Z инструмент перемещается вверх и вниз. Углубление шпинделя обеспечивается серводвигателем оси Z.
3. Для шпинделя требуется ручка-гравер для печатной платы, которая будет рисовать фактическое изображение на печатной плате.

6 Заключение

Мы изучили различные типы станков с ЧПУ, их назначение и применение. Мы изучили различные исследовательские работы, патенты и выяснили их ограничения. Мы создали G-код дизайна печатной платы с помощью программного обеспечения Inkscape и смоделировали его с помощью программного обеспечения CAM. Автоматический мини-станок с ЧПУ спроектирован и разработан для нанесения рисунка печатных плат с использованием Arduino для низкой стоимости и для большей точности.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Мы благодарны нашему руководителю проекта проф. A. R. Suryawanshi за огромную поддержку и большой интерес, проявленный к проекту. Мы также выражаем огромную благодарность и огромное уважение доктору A. M. Fulambarkar, директору инженерного колледжа Pimpri Chinchwad, и доктору N. B. Chopade, главе департамента электроники и телекоммуникаций, который вдохновил нас на достижение цели, и мы узнали о так много нового. Мы также хотели бы поблагодарить наших родителей и друзей, которые очень помогли нам в завершении этого проекта и поддерживали нас регулярно.

Список использованной литературы

1. A. T. Purnomo, F. I. Hariadi and A. Sasongko, Development of interface and coordination module of FPGA-based controller for CNC PCB milling and drilling machine 2017 International Symposium on Electronics and Smart Devices (ISESD), Yogyakarta, 2017, pp. 112-117.
2. S. H. Ahmed, N. Razzaq, Z. Malik, U. Qadeer, I. Sarfraz and A. Sharif, <>Design fabrication of MATLAB based solar powered CNC machine, 2017 3rd IEEE International Conference on Control Science and Systems Engineering (ICCSSE), Beijing, 2017, pp. 265-268.
3. Anurag Joshi, Shubham Ghodmare, Vijay Pal, Open Source Multi tool CNC Router 2017 World Journal of Technology, Engineering and Research, Volume 2, Issue 1 343-346.
4. Tejasvi Sahare, Ketan Deshmukh, Ketki Tandulkar, Prof.S.Y.Gupta PCB ENGRAVING AND DRILLING MACHINE 2017 International Journal of Research In Science & Engineering Volume: 3 Issue: 2.
5. M. A. A. Ali, A. M. A. EL Shaikh and S. F. Babiker, Controlling the CNC machine using microcontroller to manufacture PCB 2016 Conference of Basic Sciences and Engineering Studies (SGCAC), Khartoum, 2016, pp. 116-120.
6. Palniappa Thangavelu, New Generation CNC Milling MachineIndian Patent 229356, Mar. 20, 2009.
7. Mukul Gupta, Preety Gupta, Mudita Singh & K.K.Yadav, Mini Multi-Tool CNC Machine 2018 IOSR Journal, Volume 15, Issue 2 Ver. I.