Первым был разработан модуль сверления отверстий, используя формат данных EXCELLON, описанный ранее. При запуске программы, реализующей управление комплексом ЧПУ, данный модуль является активным по умолчанию, ну или в случае его не активности, можно выбрать его, используя страничный выбор модулей (Page Control). В первую очередь необходимо подключить все соединительные провода аппаратной части с ПК и подать питание на станок ЧПУ. Далее открыть коммутируемый порт интерфейса RS-232. По нажатию копки загрузить, диалог загрузки предлагает выбрать файл формата *.drl. Выбираем ранее созданный файл сверления в программе рисования плат, и открываем его. Ниже кнопки появилась информация об имени текущего файла. Теперь необходимо проанализировать открытый файл, для этого нажимаем на, логически понятную кнопку, в виде стрелочек вправо. По нажатию кнопки происходит обработка файла, которая естественно займет тот или иной временной интервал. При небольшом количестве отверстий этот интервал незначителен. При создании той или иной несложной схемы, количество отверстий не превысит 200-400 отверстий. Ведь даже схемы, на которой около двухсот отверстий, подразумевают размещение, примерно 10 микроконтроллеров AT Mega 8 и необходимых элементов, или около 15 микросхем серии К155.

Но для тестирования была нарисована схема, на которой, как потом стало известно, 1243 отверстий, что очень подходит для тестирования комплекса. Анализ такого файла был осуществлен менее чем за секунду. Этот временной интервал также зависит и от производительности компьютера. Но при работе на разных ЭВМ, это не сильно различимо. После анализа файла, в поле Memo помещается блок данных для отправки на аппаратную часть комплекса, а на изображении в виде плоскости координат отмечаются зеленые точки, означающие отверстия для сверления – рис. 3.2.1.

Также необходимо указать параметры для правильной работы устройства. Это такие как начальная позиция сверла, рабочая глубина сверла, начальная точка платы и размер платы. Эти данные будут влиять на вид работы станка. Основными параметрами являются начальная позиция сверла и рабочая глубина сверла. Начальная позиция определяет положение сверла в плоскости OZ над обрабатываемой поверхностью. А рабочая глубина – расстояние, на которое опустится или поднимется сверло. При сверлении необходимо экспериментально добиться оптимальных параметров. Ведь чем меньше величина опускания сверла, тем быстрее оно будет просверлено, то есть нужно установить начальную позицию как можно ближе к обрабатываемой поверхности.

Рис. 3.2.1. – модуль сверления отверстий.

Итак, нажата кнопка «Сверлить», характерный шум станка, как при перемещении, так и при сверлении. Это означат, что комплекс работает. Сверление происходит довольно быстро, в отличие от представляемого режима скорости при сверлении отверстий. Это грозит или поломкой сверла, или поломкой опускающего механизма. Поэтому возник вопрос установления различных скоростей опускания сверла, а еще лучше – сверление отверстия за несколько опусканий. Пока это не разрешено в связи с временными причинами. Но было решено, при сверлении глубоких отверстий, произвести операцию за два или более заходов, с каждым разом увеличивая высоту опускания сверла.

Слева от модуля сверления, на панели информации отображается время начала операции, прошедшее время от начала операции и дополнительные данные о текущей операции.

При сверлении отверстий, отмечаются красным точки, которые уже просверлены. Строка отправляется, ожидается ответ о выполнении, затем отправляется следующая. В поле ошибок, будут помещены строки, которые не выполнены в связи с ошибками при передаче данных. Однако, интерфейс обмена организован так, что ошибки практически неуместны. Но могут быть ошибки при обработке принимающих данных, замечены ошибки при ожидании ответа от аппаратной части. Должна придти строка с данными о выполненных координатах, а приходит пустая строка, пока этот недостаток не решен в связи с не выявлением причины. Но это компенсируется контролем ошибок, который в случае несоответствия команд, выдаст соответствующую информацию.

На сверление около 100 отверстий ушло около 2 минут и ни одной ошибки.

Ручное управление

Модуль ручного управления разработан для тестирования максимально возможных функций в ручном режиме, управляя отдельно каждой частью станка. При разработке остальных модулей, модуль ручного управления помог тестировать те или иные функции станка, для их применения в других модулях. Например, изменение временных задержек помогло установить оптимальное значение параметров, обеспечивающее быстрое и бесшумное перемещение частей аппаратного комплекса с минимальными вибрациями.

Передача управляющих команд активируется при нажатии кнопки «Старт». При управлении станком в модуле ручного управления выявлены некоторые недостатки. Это многократная отправка команд при медленном передвижении ползунков. Подобные недостатки решаемы программно. Благодаря данному модулю, были рассчитаны коэффициенты для остальных модулей управления, так как управление выполняется пошагово. Также рассчитано использование модуля ручного управления для установки начальных параметров при выполнении других операций – рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. – Внешний вид модуля ручного управления

Выжигание

Модуль выжигания выполнен на базе модуля сверления, то есть алгоритм управления схож. Отличием является функциональность операции и исходные данные. В отличие от сверления, для выжигания необходимо выполнить намного больше операций, чем при сверлении.

Как известно, модуль сканирует изображение попиксельно. Например, для сканирования изображения разрешением 300*300 пикселей необходимо проанализировать 90 000 пикселей. Это занимает намного больше времени, чем при сверлении. И неудобство доставляет процесс сканирования большого изображения, когда возникает ощущение зависания приложения.

Загружаем изображение по нажатию кнопки, выпираем, открываем, оно появляется в соответствующем окне модуля. Сразу отображается размер в соответствующих полях, в нашем случае 87*202, и подсчитывается автоматически общее количество точек – 17574. Кнопка «Анализ» становится активной. Нажимаем, примерно 7 секунд, в соответствии с параметрами, отобранные пиксели закрашиваются синим цветом – рис. 3.4.1.

Рис. 3.4.1 – анализ изображения в модуле выжигания

 В соответствующем поле видим, что выбрано 2214 точек. Это значительно больше чем при сверлении. Указав параметры, практически такие же, как и при сверлении, в отличие от времени задержки «выжигателя» на поверхности выжигания, нажимаем кнопку пуск. Для выжигания, предварительно, на станке необходимо установить выжигатель и подключить к нему питание (рис. 3.4.2.).

Рис. 3.4.2. – перенесение изображения на дерево выжиганием.

При перенесении текущего изображения в виде очертания девушки на лист фанеры, ушло примерно 22 минуты. Это время зависит как от начальных параметров, так и от размера переносимого изображения. При тестировании был перенесен рисунок размером 297 X 400, общее число точек – 118800, при анализе со средней интенсивностью – 22 589 точек. А перенос изображения «выжигателем» на материал заняло около 6 часов – рис. 3.4.2.

Рис. 3.4.2 – тестирование с большим количеством точек

Но при выжигании возник сбой компьютера, и произошла остановка процесса с отключением питания на аппаратной части комплекса. А при включении питания происходит перезагрузка микроконтроллера и инициализация с установкой в начальную точку координат. Хорошо, что операция практически закончилась. Поэтому стоит вопрос о ведении журнала и использования ранее описанного модуля ручного управления для установки начальной позиции. А также усовершенствовать аппаратную часть комплекса для «запоминания» последней позиции с реализацией спящего режима.

По сравнению с тестированием модуля выжигания при предыдущей дискретности перемещения шпинделя в 1 мм настоящая дискретность, большая в 4 раза, показала отличное качество выжигания. Также, было бы неплохо,  контролировать интенсивность каждого пикселя, указывая при каждой команде время задержки. Это позволило бы отобразить изображение с широким спектром оттенков, что значительно украсило бы выжигаемое изображение.

Также при тестировании других изображений, обнаружилось, что при перенесении изображения на материал, происходит инверсия картинки. То есть необходимо программно компенсировать горизонтальную инверсию при переносе изображения. Но в целом, результат операции выжигания радует полученными результатами (рис. 3.4.4).

Рис. 3.4.4. – тестирование комплекса на протяжении 24 часов в сутки.

Во время выжигания, на изображении в модуле выжигания отмечаются выполненные точки. Также не хватает информации о том, какого размера фактически в миллиметрах будет перенесенное изображение, так как один пиксель изображения соответствует 0.2 мм на перенесенном рисунке, что также решаемо программно.

Дополнительно к приложению была разработана инструкция по пользованию, которая может быть вызвана из контекстного меню «Справка». В данном руководстве отражены основные моменты управления станком и работы программы. Практически любой пользователь сможет найти ответ на тот или иной вопрос, возникший при работе с комплексом, прочитав руководство. Однако интерфейс программы разработан таким образом, что все интуитивно понятно и просто, исключая незначительные настройки и параметры. 

Заключение

При конструировании комплекса ЧПУ было решено немало задач, причем, некоторые из них так и остались не полностью разрешенными. Главное, удалось продемонстрировать применение числовых программных методов для реализации больших комплексов с применением ЧПУ.

Была разработана аппаратная часть, которая обеспечивает взаимодействие всех ШД, выключателей конечных положений кареток, платы управления и ПК через интерфейс RS232. Программная часть реализована таким образом, что есть возможность управлять всеми узлами станка, а также, благодаря открытому коду с комментариями, расширить функциональные возможности и модернизировать существующие модули управления.

 Тестирование комплекса позволило объективно дать оценку результату работы над данным проектом. Как уже говорилось, есть плюсы и минусы. К плюсам можно отнести:

- функционирование комплекса как единой системы с ЧПУ;

- реализация нескольких функций на базе станка ЧПУ;

- подробный открытый код любого модуля, обеспечивающего работу комплекса:

- возможность совершенствования и расширения функциональных операций комплекса;

- гибкость комплекса и стандартизация интерфейсов обмена между устройствами;

К минусам были отнесены следующие моменты:

- неправильный расчет необходимого времени для реализации изначально поставленных задач;

- отсутствие автономного питания контролера для предотвращения сбоев на уровне контролера;

- отсутствие программных решений ускорения обработки исходных данных.

А также еще некоторые небольшие недостатки, которые связаны с удобством пользования комплексом, но которые не так просто решаемы в связи с непростым техническим уровнем комплекса.

Проанализировав все положительные и отрицательные моменты, можно сказать, что, в общем, работа достойна дальнейшего рассмотрения и расширения функциональных возможностей комплекса ЧПУ.

Возможно, данный комплекс будет взят за основу для реализации комплекса объемной 3-D обработки поверхностей и деталей, а также реализации различных алгоритмов построения фигур и кривых линий. Это позволить создать приближенный    к CAM системе программно-аппаратный комплекс. 3-D обработка поверхностей может быть применена во фрезеровании на гипсе для создания трехмерных скульптур, а также в изготовлении неплоских деталей, на первом этапе, обрабатываемым материалом может быть пенопласт. В перспективе может быть рассмотрено применение лазера на шпинделе станка. Это позволит осуществлять сложные операции, такие как выделывание объемных деталей, путем выжигания точки в месте пересечения 2-х лазеров или на определенной глубине.

Дополнительно возможна реализация гравировального комплекса, как для стекла, так и для гранита, мрамора, дерева, неплотных металлов. Возможностей у подобных комплексов множество, это обусловлено гибкостью программных средств на ЭВМ и ограничено лишь творчеством и вложениями в развитие комплексов с ЧПУ.

Используемая литература

1. Ан П., «Сопряжение ПК с внешними устройствами», Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2001. – 320 с.: ил.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. Москва. «Машиностроение». 2001.

3. Дейтел Х., Дейтел П., Как программировать на C++ – 1001 с.

4. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин, М. Высшая школа, 1985.

5. Коровин Б.Г., Прокофьев Г.И., Рассудов Л.Н. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами.

6. Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером. – М.: Радио и связь, 2004. – 168 с.: ил.

7. Левин И.Я. Справочник конструктора точных приборов. Москва. ОБОРОНГИЗ. 1962.

8. Литвин Ф.Л. Проектирование механизмов и деталей приборов. Ленинград. «Машиностроение». 1973.

9. Мортон Джон, Микроконтроллеры AVR. Вводный курс, пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2006. – 272 с.: ил. (Серия «Мировая электроника»).

10.  Орлов П.И. Основы конструирования. В 3-х томах. Москва. «Машиностроение». 1977.

11.  Под редакцией академика Емельянова С.В. Управление гибкими производственными системами. Модели и алгоритмы.

12.  Под редакцией Макарова И.М. и Чиганова В.А. Управляющие системы промышленных роботов.

13.  Под редакцией профессора Сазонова А.А. Микропроцессорное управление технологическим оборудованием микроэлектроники.

14.  Справочник. Приборные шариковые подшипники. Москва. «Машиностроение». 1981.

15.  Справочник металлиста. В 5 томах. Под ред. Богуславского Б.Л. Москва. «Машиностроение». 1978.

16.  Фадюшин Л., Музыкант Я.А., Мещеряков А.И. и др. Инструмент для станков с ЧПУ, многоцелевых станков. М.: Машиностроение, 1990.

17.  Шпак Ю.А. Программирование на языке C для AVR и PIC микроконтроллеров – К.: “МК Пресс”, 2006 – 400 с., ил.

18. http://avr123.nm.ru/ - микроконтроллеры AVR, описание, инструкции.

19. http://cec-mc.ru/ - устройство ШД, управление, применение.

20.  http://cnc-stanky.narod.ru/ - ЧПУ станки, виды, устройство.

21. http://hobbycnc.hu - Комплексы с ЧПУ за рубежом.

22. http://imafania.boom.ru – Самодельные  комплексы с ЧПУ.

23. http://proteus123.narod.ru/ - краткий курс - самоучитель PROTEUS.

24. http://ru.wikipedia.org/wiki/ - справочная википедия.

25. http://sapr2000.ru/ - САМ-системы, описание, методы.