Дипломник: студент групи су-41 Левковський О. В. Суми 2018 Зм. Арк № докум. Підпис Дата

Зм.
Арк
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
1
СУ-41.6.050201.ДП
Р
озроб.
Левковсикй О.В.
Провер.
Павлов А.В.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Система числового програмного
керування фрезерно-
гравірувальним верстатом.
Відомість проекту
Літ.
Аркушів
2
СумДУ СУ-41
Н
ом.п оз
Ф
ормат
Позначення
Найменування
К
ільк
ість арк уші
в
№ е кз
П
рим
ітки
Документація загальна
Застосована
1
А4
Завдання кафедри
2
Новозроблена
2
А4
ТЗ
Технічне завдання
3 3
А4
Реферат
1 4
А4
СУ 41 6.050201 ПЗ
Пояснювальна записка
64
Документація конструкторська
Новозроблена
5
А3
СУ-41. 6.050201 A2
Функціональна схема автоматизації системи числового програмного управління фрезерно-гравірувальним верстатом
1 6
А3
СУ-41. 6.050201 Е3
Електрична принципова схема системи числового програмного управління фрезерно-гравірувальним верстатом
1 7
А4
СУ-41. 6.050201 ПЕ
Перелік елементів до електричної принципової схема системи числового програмного управління фрезерно- гравірувальним верстатом
1

Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
2
СУ-41.6.050201.ДП
9
А3
СУ-41. 6.050201 A2
Функціональна схема автоматизації підсистеми підтримка оптимальних робочих параметрів верстата з ЧПУ
1 10
А3
СУ-41. 6.050201 Е3
Електрична принципова схема підсистеми підтримка оптимальних робочих параметрів верстата з ЧПУ
1 11
А4
СУ-41. 6.050201 ПЕ
Перелік елементів до електричної принципової схема підсистеми підтримка оптимальних робочих параметрів верстата з ЧПУ
1 12
А4
Рекомендації щодо роботи з середовищем MACH3 6
13
А4
Опис портів плати керування
1 14
А4
Габаритні розміри крокових двигунів
1 15
А4
Конструктив верстата з ЧПУ
1 16
А4
Матеріальні потоки верстата з ЧПУ
1

Міністерство освіти і науки України
Сумський державний університет
Факультет електроніки та інформаційних технологій
Кафедра комп

ютерних наук
Секція комп’ютеризованих систем управління
ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри
______________Довбиш А.С.
___________________2018 р.
ЗАВДАННЯ на дипломний проект студенту
Левковському Олександру Вікторовичу
1. Тема проекту: Система числового програмного керування фрезерно- гравірувальним верстатом.
2. Затверджено наказом ректора університету. № 1019.III від “29” травня 2018р.
3. Термін здавання студентом закінченого проекту “01” червня 2018р.
4. Вихідні дані до проекту: звіт з переддипломної практики, наукові публікації, статті, технічна документація та перелік літературних джерел з матеріалами опису і автоматизації технологічного процесу відповідної установки.
5. Зміст пояснювальної записки: загальні відомості про верстати з ЧПУ: історія розвитку систем з числовим програмним керуванням, види систем керувань, опис контурів керування верстатом, принцип роботи верстата; вибір конструктиву верстата: розробка корпусу, розробка механіки, створення тривимірної моделі; вибір апаратного забезпечення для системи керування; розробка підсистеми для підвищення надійності роботи верстата: оцінка факторів, які можуть призвести до виходу з ладу основних механізмів, розробка контурів захисту основних механізмів, створення алгоритму для підсистеми, вибір мікропроцесорного засобу для створення підсистеми, написання програми на мовах МЕК 611-31-3, вибір

апаратного забезпечення підсистеми; вибір програмного забезпечення для роботи з верстатом; створення схем: електричних, схем підключення, розробка функціональної схеми автоматизації системи та підсистеми; створення кошторису елементів верстата; охорона праці: аналіз небезпечних та шкідливих факторів для оператора, заходи щодо попередження шкідливих або небезпечних факторів.
6. Перелік графічних матеріалів: 33 рисунки, 10 таблиць, 6 додатків.
7. Календарний план проектування
Номер етапу
Зміст етапу проектування
Термін виконання
(початок - кінець)
1
Аналіз завдання кафедри. Складання технічного завдання.
Підбір та аналіз літератури і першоджерел.
18.01.2018 –
20.02.2018 2
Розгляд систем з числовим програмним керуванням.
21.02.2018 –
01.03.2018 3
Створення фрезерно-гравірувального верстата з ЧПУ.
02.03.2018 –
25.03.2018 4
Розробка підсистеми підтримки оптимальних параметрів роботи верстата з ЧПУ.
26.03.2018 –
05.04.2018 5
Розроблення основних схем автоматизації.
06.04.2018 –
24.05.2018 6
Проведення кошторису та розгляд питань щодо охорони праці.
25.05.2018 –
28.05.2018 7
Оформлення дипломного проекту та супровідної документації.
01.06.2018 8. Дата видачі завдання " 18 " січня 2018 р.
Керівник проекту:
К.ф.-м.н., доцент
Павлов А.В.
До виконання прийняв: студент-дипломник групи СУ-41
Левковський О.В.

1. Назва і галузь застосування система числового програмного керування фрезерно-гравірувальним верстатом; мала автоматизація та виробництво.
2. Підстави для проектування: Наказ ректора Сумського державного університету
№ 1019.III
від 29.05.2018;
3. Мета і призначення проекту: Проаналізувати існуючі системи автоматизації та розробити основні схеми автоматизації; Створити фрезерно-гравірувальний верстат з числовим програмним керуванням;;
4. Джерела розроблення: конструкторська документація отримана під час проходження виробничої практики, результати аналізу систем з числовим програмним управлінням.
5. Режими роботи об'єкта: автоматизована обробка матеріалу та виготовлення виробів.
6. Умови експлуатації СК: живлення основного комп’ютера від однофазної фазної мережі змінного струму: напруга – 220 В; частота – 50 Гц; живлення блоку живлення для верстата: напруга – 220В; частота – 50 Гц; живлення плати керування, контролеру та драйверів крокових двигунів – 5 В постійного струму , живлення крокових двигунів – 36 В постійного струму, живлення шпинделя 100 В постійного струму. Ступінь захисту складових частин обладнання автоматизації від дії навколишнього середовища не нижче
1Р41.
7. Технічні вимоги: ДСТУ 21.404 – 85 Автоматизація технічних процесів; ДСТУ
2.702 – 75 Правила виконання схем; ДСТУ 2.709 – 89 Умовні позначення контактних з’єднань електричних елементів, обладнання і частин кіл в електричних схемах; ДСТУ
12.2.016 – 81 Система стандартів безпеки праці. Загальні вимоги безпеки.
8. Економічні показники: кошторис елементів відповідного станку з описом вартості відповідних комплектуючих для системи керування, а також для підсистеми підтримки оптимальних параметрів робот верстата з ЧПУ.

9. Стадії та етапи проектування:
Номер етапу
Зміст етапу проектування
Термін виконання
(початок - кінець)
1
Аналіз завдання кафедри. Складання технічного завдання.
Підбір та аналіз літератури і першоджерел.
18.01.2018 –
20.02.2018 2
Розгляд систем з числовим програмним керуванням.
21.02.2018 –
01.03.2018 3
Створення фрезерно-гравірувального верстата з ЧПУ.
02.03.2018 –
25.03.2018 4
Розробка підсистеми підтримки оптимальних параметрів роботи верстата з ЧПУ.
26.03.2018 –
05.04.2018 5
Розроблення основних схем автоматизації.
06.04.2018 –
24.05.2018 6
Проведення кошторису та розгляд питань щодо охорони праці.
25.05.2018 –
28.05.2018 7
Оформлення дипломного проекту та супровідної документації.
01.06.2018 10. Додатки: Додаток А: Конструкторська документація; Додаток Б: Рекомендації щодо роботи з середовищем MACH3.; Додаток В: Опис портів плати керування.; Додаток Г:
Габаритні розміри крокових двигунів. Додаток Д:
Конструктив верстата з ЧПУ.; Додаток
Е: Матеріальні потоки верстата з ЧПУ.

РЕФЕРАТ
Левковський Олександр Вікторович. Система числового програмного керування фрезерно-гравірувальним верстатом. Дипломний проект. Сумський державний університет. Суми, 2018 р.
Проект містить : 64 сторінок, 33 рисунки, 10 таблиць, 6 додатків, 4 схеми, 2 специфікації. При виконанні дипломного проекту було використано 35 літературних джерел.
Досліджено систему числового програмного керування фрезерно-гравірувальним верстатом, а також розроблено конструктив верстату. Розроблено технічне завдання.
Розроблена підсистема підтримки оптимальних робочих параметрів верстата з числовим програмним управлінням. Обране програмне забезпечення для роботи верстата, а також розроблена програма для роботи підсистеми. Розраховані економічні витрати даного проекту. В ході проекту був розроблений верстат з ЧПУ призначений для використання в невеликих домашніх майстернях, який відрізняється своєю простотою реалізації, невеликою ціною, а також достатньою точністю і надійністю.
Ключові слова: система керування, підсистеми підтримки оптимальних робочих параметрів верстата, верстат з ЧПУ, верстат, підсистем.
ABSTRACT
Oleksandr V. Levkovskyi. The system of computer numerical control for the milling- engraving machine. Graduation project. Sumy State University. Sumy, 2018.
The project consists of 64 pages, 33 drawings, 10 tables, 6 applications, 4 charts, 2 specifications. 35 references were used in carrying out the diploma project.
The system of numerical software control of a milling-engraving machine was investigated, and the design of the machine was developed. A technical task has been developed.The subsystem of maintenance of optimum working parameters of the machine with numerical control is developed. Selected software for the machine, as well as a program for the subsystem. The economic costs of this project are calculated. During the project, a CNC machine was developed for use in small home workshops, which is characterized by its ease of implementation, low cost, and sufficient accuracy and reliability.
Keywords: control system, subsystem of maintenance of optimum working parameters of the machine, CNC machine, machine, subsystems.

зм
.
Арк
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
2
СУ-41 6.050201 ПЗ
Розро
б.
Левковський О.В
Перевір.
Павлов А.В.
Реценз.
Н. Контр.
Затверд.
Система числового
програмного керування
фрезерно-гравірувальним
верстатом
Арк.
Аркушів
64
СумДУ СУ-41
ЗМІСТ
СКОРОЧЕННЯ
ТА
УМОВНІ
ПОЗНАЧЕННЯ ............................................................................................... 4
ВСТУП
.............................................................................................................................................................. 5 1.
ВЕРСТАТИ З ЧИСЛОВИМ ПРОГРАМНИМ УПАВЛІННЯМ ............................................................ 6 1.1.
Історія розвитку верстатів з ЧПУ ................................................................................................. 6 1.2.
Актуальність використання верстатів з ЧПУ .............................................................................. 7 1.3.
Переваги та недоліки використання верстатів з ЧПУ ................................................................. 8 2.
СИСТЕМА ЧИСЛОВОГО ПРОГРАМНОГО УПРАВЛІННЯ ФРЕЗЕНО-ГРАВІРУВАЛЬНИМ
ВЕРСТАТОМ ................................................................................................................................................... 10 2.1. Контури керування верстатом
.................................................................................................... 10 2.2. Робота верстата
............................................................................................................................ 11 2.3. Структурна схема системи
......................................................................................................... 12 3.
РОЗРОБКА КОНСТРУКТИВУ ФРЕЗЕРНО-ГРАВІРУВАЛЬНОГО ВЕРСТАТА ............................ 14 3.1. Виконання корпусу верстата
...................................................................................................... 14 3.2. Виконання механічної частини
.................................................................................................. 15 4.
АПАРАТНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ................................................................ 17 4.1.
Плата керування ........................................................................................................................... 17 4.2.
Крокові двигуни............................................................................................................................ 20 4.3.
Драйвери крокових двигунів ....................................................................................................... 22 4.4.
Блок живлення системи ............................................................................................................... 26 4.5.
Запобіжні кінцеві вимикачі ......................................................................................................... 27 4.6. Шпиндель
..................................................................................................................................... 29 5.
ПІДСИСТЕМА ПІДТРИМКИ ОПТИМАЛЬНИХ
РОБОЧИХ ПАРАМЕТРІВ ВЕРСТАТА ............ 30 5.1.
Контур захисту крокових двигунів від перегріву ........................................................................ 31 5.2.
Контур захисту драйверів крокових двигунів від перегріву ....................................................... 34 5.3. Контур підтримки оптимальної температури охолоджуючої рідини та контролю її кількості ........................................................................................................................................................... 35 5.4. Алгоритм функціонування підсистеми
...................................................................................... 37 6.
АПАРАТНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПІДСИСТЕМИ ПІДТРИМКИ ОПТИМАЛЬНИХ РОБОЧИХ
ПАРАМЕТРІВ ВЕРСТАТА ............................................................................................................................ 43 6.1.
Давач температури ....................................................................................................................... 43 6.2.
Осьовий вентилятор ..................................................................................................................... 44 6.3.
Драйвер двигуна постійного струму ........................................................................................... 45 1

3
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
6.4.
Мембранний насос для перекачки охолоджуючої рідини ........................................................ 47 6.5.
Твердотільне реле ......................................................................................................................... 47 6.6.
Давач рівня води ........................................................................................................................... 49 7.
ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ РОБОТИ З ВЕРСТАТОМ ..................................................... 50 7.1. CAD програма для створення 3D моделі виробу
..................................................................... 50 7.2. CAM програма для створення G-коду фрезерування або гравірування
................................. 50 7.3. Програмне забезпечення для керування процесом виготовлення виробу
............................. 51 8.
РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ТА КОМУТАЦІЯ АПАРАТНИХ СКЛАДОВИХ
ВЕРСТАТУ МІЖ СОБОЮ ............................................................................................................................. 53 9.
ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА .................................................................................................................... 58 10. ОХОРОНА ПРАЦІ .................................................................................................................................. 59 10.1.
Аналіз небезпечних та шкідливих факторів для оператору верстата ..................................... 59 10.2.
Заходи щодо попередження впливу відповідних небезпечних та шкідливих факторів для оператора ................................................................................................................................................... 59
ВИСНОВОКИ .................................................................................................................................................. 61
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ................................................................................................................................. 62
ДОДАТКИ……………………………………….............................................................................................65

4
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
СКОРОЧЕННЯ
ТА
УМОВНІ
ПОЗНАЧЕННЯ
СУ – система управління
САУ – система автоматичного управління
ЧПУ – числове програмне управління
ГП – гвинтова передача
КД – кроковий двигун
ДКД – драйвер крокового двигуна
ШІМ(PWM) – широтно-імпульсна модуляція
ПЗ – програмне забезпечення
МД – модель деталі
КП – керуюча програма
ЗП – зчитуючий пристрій
СПП – систему підготовки програми
СТП – систему технологічної підготовки
Д – деталь
ВО – виконавчого органу
РМ – робочий механізми
ПЧПУ – пристрій з числове програмне управління
ПР – порівнюючій пристрій
ККД – коефіцієнт корисної дії

5
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
ВСТУП
В даний час важко собі уявити виробництво без фрезерно-гравірувальних верстатів з
ЧПУ.
Числове програмне управління (ЧПУ) — комп'ютеризована система керування, яка зчитує командні інструкції спеціалізованої мови програмування (наприклад, G-код) і керує двигунами для обробки різних матеріалів. [1]
Провідну позицію серед цих верстатів займають фрезерно-гравірувальні верстати з
ЧПУ.
В наш час вони широко використовуються в різних сферах промисловості.
Програмне управління отримало значного розмаху в ряді провідних галузей машинобудування, деревообробній промисловості, а також в комп’ютерній промисловості. Існує велика кількість підприємств, на яких працюють верстати з ЧПУ, що виконують велику кількість операції (токарних, свердлильних, фрезерних, шліфувальних та ін.).
Завданням дипломного проекту було розробити модель верстата з ЧПУ із доступних матеріалів, надійними та довговічними комплектуючими і в цей же час з доступним бюджетом.
Спочатку потрібно розробити конструктив верстата, після чого зробити креслення всіх деталей та розкрій для розпилу матеріалу. Далі потрібно підібрати відносно недорогі та якісні комплектуючі для високої точності та стабільної роботи верстата. Наступний пункт - це обрати програмне забезпечення для точного і безвідмовного керування верстатом з ЧПУ, а також для створення тривимірних моделей деталей і керуючих програм відповідних деталей.
Для більш надійної роботи верстата рекомендується розробити підсистему підтримки оптимальних робочих параметрів верстата. В першу вона потрібна для захисту основних робочих органів верстата від перегріву, а також для зменшення часу перебування оператора біля верстата.
Метою даного проекту створити верстат з ЧПУ, який би відрізнявся простотою, точністю, надійністю, а також низькою бюджетною реалізацією. І при цьому розробити систему підтримки оптимальних робочих параметрів верстата з ЧПУ, для продовження його строку експлуатації шляхом захисту основних робочих органів.

6
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
1.
ВЕРСТАТИ З ЧИСЛОВИМ ПРОГРАМНИМ УПАВЛІННЯМ
1.1.
Історія розвитку верстатів з ЧПУ
Винахідником першого верстата з числовим (програмним) управлінням був Джон
Персонс (John T. Parsons), що працював інженером в компанії свого батька Parsons Inc.
Дана компанія в кінці Другої світової війни випускала пропелери для вертольотів. Джон вперше запропонував використовувати для обробки пропелерів верстат, що працює за програмою, що вводиться з перфокарт.
У 1949 році ВПС США профінансували «Parsons Inc» розробку верстата для контурного фрезерування складних за формою деталей авіаційної техніки. Однак компанія не змогла самостійно виконати роботи і звернулася за допомогою в лабораторію сервомеханіки Массачусетського технологічного інституту. Співпраця Parsons Inc з MIT тривало до 1950 року. У 1950 році MIT придбав компанію з виробництва фрезерних верстатів Hydro-Tel і відмовилася від співпраці з Parsons Inc, уклавши самостійний контракт з ВПС США на створення фрезерного верстата з програмним управлінням.
У вересні 1952 верстат був вперше продемонстрований публіці — про нього була надрукована стаття в журналі Scientific American. Верстат управлявся за допомогою перфострічки.
Перший верстат з ЧПУ був особливо складним і не міг бути використаний у виробничих умовах. Перший серійний пристрій ЧПУ був створений компанією Bendix
Corp. в 1954 році і з 1955 року став встановлюватися на верстати. Широке впровадження верстатів з ЧПУ йшло повільно. Підприємці з недовірою ставилися до нової техніки.
Міністерство оборони США змушене було на свої кошти виготовити 120 верстатів з ЧПУ, щоб передати їх в оренду приватним компаніям.
Першими вітчизняними верстатами з ЧПУ промислового застосування є токарно- гвинторізний верстат 1К62ПУ і прокатні 1541П. Ці верстати були створені в першій половині 1960-х років. Верстати працювали спільно з керуючими системами типу ПРС-
3К та іншими. Потім були розроблені вертикально-фрезерні верстати з ЧПК 6Н13 з системою управління «Контур-ЗП». У наступні роки для токарних верстатів найбільшого поширення набули системи ЧПУ вітчизняного виробництва 2Р22 і Електроніка НЦ-31.
Системи типу NC (англ. Цифрове управління), що з'явилися першими, передбачали використання жорстко заданих схем управління обробкою — наприклад, завдання програми за допомогою штекерів або перемикачів, зберігання програм на зовнішніх

7
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
носіях. Будь-яких пристроїв оперативного зберігання даних, керуючих процесорів не передбачалося.
Більш сучасні системи ЧПУ, звані CNC (англ. Computer numerical control), — системи управління, що дозволяють використовувати для модифікації
існуючих/написання нових програм програмні засоби. Базою для побудови ЧПК служать сучасний ( мікро) контролер або ( мікро) процесор:
- мікроконтролер,
- контролер з програмованої логікою,
- керуючий комп'ютер на базі мікропроцесора. [2]
1.2.
Актуальність використання верстатів з ЧПУ
В наш час верстати з числовим програмним управлінням широко використовуються в різних сферах промисловості. Також випускаються верстати з ЧПУ, які можуть виконувати багато операцій і автоматично змінювати інструменти, а також концентрують на одному робочому місці ряд технологічних операцій. Також добре працюють автоматичні лінії, ділянки і цілі виробництва з ЧПУ, на яких застосовується централізоване управління на базі електронно-обчислювальних машин (ЕОМ).
Впровадження верстатів в різні галузі виробництва дозволяє здійснювати певну програму обробки в автоматичному чи напівавтоматичному режимі і створює умови для відносно простого і досить точного виконання переналагодження і підналагодження верстата за допомогою введення в нього заздалегідь розрахованої і записаної на будь-який носій інформації керуючу програму.
Регулюючи певні параметри є можливість вводу необхідних поправки для забезпечення більшої точності оброблюваної деталі. При цьому механізацією і автоматизацією також можуть бути охоплені зміна інструменту, зміна режимів різання і
інші елементи обслуговування і управління верстатом. Таким чином, створення і широке впровадження верстатів з ЧПУ, в яких універсальність поєднується з автоматизацією, відкриває нові можливості для вдосконалення процесу обробки матеріалу.
На даний момент верстати з ЧПУ відрізняються своєю жорсткістю і надійністю, швидкодією робочих органів і точністю роботи. У них успішно використовуються електромеханічні та гідравлічні приводи. Ці верстати комплектуються складним оснащенням для автоматичної зміни інструменту і різними пристроями для індикації дій виконавчих органів, а також електромагнітними муфтами для перемикання швидкості а

8
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
також кульковими гвинтовими парами, які в свою чергу збільшують точність обробки і надійність верстата.
При роботі на верстатах з ЧПУ необхідно звертати особливу увагу вибору і правильного використання ріжучого інструменту для обробки деталей. Впровадження цих верстатів сприяло створенню нових принципів технології механічної обробки. При цьому в значній мірі змінилися завдання та функції конструкторів виробів і оснастки, технологів
і майстрів, наладчиків та робочих-операторів. Велика насиченість електронними компонентами і автоматикою та інші особливості верстатів з ЧПУ, їх широкі можливості в підвищенні продуктивності праці і забезпеченні стабільної якості продукції, значною мірою підвищили значення бездоганного дотримання умов їх обслуговування та експлуатації.
Так як технологічний процес автоматизований, тобто управління верстатом здійснюється за занесеною в систему програмою, то збільшується точність обробки матеріалу. В результаті, верстати з ЧПУ дозволяють істотно знизити відсоток браку. Крім того, автоматизація процесу обробки верстатами з ЧПУ сприяє підвищенню продуктивності праці. [3]
Таким чином, завдяки високій швидкості і точності обробки матеріалу, керовані верстати з ЧПУ збільшують ефективність виробництва в кілька разів.
Тобто для того щоб зробити не дуже масивну деталь наприклад з дерева, то потрібно йти до знайомого на завод і просити його про допомогу. Саме в таких випадка в голову приходить ідея про те що даний вид роботи можна зробити і вдома за допомогою компактного верстата з ЧПУ. Авжеж можна купити вже готовий верстат, але його ціна достатньо велика в порівнянні з верстатом зібраним вдома. Тому і постала задача розробити доступний верстат з ЧПУ, який би мав достатню точність і надійність.
1.3.
Переваги та недоліки використання верстатів з ЧПУ
Переваги:
1. Висока продуктивність виготовлення деталей в поєднанні із здатність перенастроюватися.
2. Комплексна обробка великої кількості поверхонь.
3. Наявність великої кількості змінних інструментів для обробки матеріалу.
4. Можливість заміни шпинделя на лазер.
5. Можливість швидкого переналагодження на обробку різних деталей.

10
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
2.
СИСТЕМА ЧИСЛОВОГО ПРОГРАМНОГО УПРАВЛІННЯ ФРЕЗЕНО-
ГРАВІРУВАЛЬНИМ ВЕРСТАТОМ
2.1 Контури керування верстатом
Система автоматизації фрезерно гравірувального верстату з ЧПУ складається з трьох основних контурів:
- контуру керування положенням;
- контур керування швидкістю обертання крокових двигунів;
- контур керування струмом.
Дана система керування являється триконтурною системою керування.
Триконтурна структура керування - це система, управління якої прагне підтримувати задане положення вала ротора. Це класична триконтурна система підпорядкованого регулювання з послідовною корекцією, показана на рис. 2.1.
Рисунок 2.1. Триконтурна система підпорядкованого регулювання
Дана система називається підпорядкованою, тому що кожен вкладений контур
«підпорядковується» завданню вищого. В системі три контури: контур струму (моменту), контур швидкості (частоти обертання), контур положення. Відповідно, кожен контур за допомогою свого регулятора підтримує на заданому рівні свою величину. В даному випадку використовувався ПІ-регулятор для струму, П-регулятор для швидкості і ПІД- регулятор для положення.
Якщо нам потрібно регулювати положення, то для цього нам підходить швидкість
(частота обертання), тому що саме швидкість впливає на зміну положення (швидкість - це похідна від положення). Далі, якщо ми хочемо регулювати швидкість, то для цього нам підходить регулювання моменту двигуна, так як момент визначає прискорення приводу, і він також найпростішим математичним законом пов'язаний зі швидкістю. Так як для двигуна момент - це струм то для регулювання моменту потрібно керувати напругою

11
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
драйвері крокового двигуна, тому що струм і напруга теж пов'язані в першому наближенні через просте диференціальне рівняння.
Якщо який-небудь внутрішній контур опустити, то положення регулюватися буде регулюватися погано, не з такою швидкодією, як в триконтурній системі. Якщо викинути, наприклад, контур струму, змусивши регулятор швидкості впливати безпосередньо на напругу інвертора, то залишиться безконтрольним момент приводу (струм) - він буде змінюватися як хоче, перехідні процеси будуть пущені на самоплив, тобто система буде не стійка. [5]
В більшості випадків для керування верстатів з ЧПУ використовується дана система регулювання. В нашому випадку керування відбувається без фізичного регулятора положення і регулятора швидкості. В якості регулятора виступає програмне забезпечення
Mach3. В ньому задається швидкість обертання крокового двигуна при різних умовах роботи. Регулювання положення відбувається переданням на кроковий двигун необхідної кількості кроків. Так як сучасні крокові двигуни дуже точні та надійні при нормальному температурному режимі, то існує лише малий відсоток пропускання кроків. Для наших задач даного принципу керування цілком достатньо, але верстат побудований таким чином, що при необхідності підвищення точності обробки деталей, можливо удосконалити систему керування. Докупивши енкодери система стане повноцінною триконтурною, також програмне забезпечення Mach3 підтримує дану функцію.
2.2. Робота верстата
Розглянемо роботу верстатів з системою ЧПУ за спрощеною схемою (рис. 2.2), що включає основні блоки систем ЧПУ.
Рисунок 2.2. Спрощена схема верстата з ЧПУ
Спочатку керуюча програма потрапляє в програмне забезпечення Mach3. Далі після вмикання кнопки «Початок», на плату керування BL - MACH - V1.1 D305 приходять команди про переміщення однієї з осей на певну відстань, а саме сигнал Step кількість кроків і Dir – напрямок обертання двигуна. Далі плата керування передає ці сигнали на драйвери крокових двигунів. Вони в свою чергу підсилюють сигнали і передають їх на кроковий двигун. Кроковий двигун починає обертатися в певну сторону відповідно до кількості кроків. Під час обертання двигун приводить в дію гвинтову передачу, яка
ДКД
КД
ГП
Mach3
BL-MACH-
V1.1 D305

12
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
перетворює обертовий рух в поступальний і тим самим відбувається переміщення осі верстата. Всі три осі верстата можуть працювати одночасно, відпрацьовуючи при цьому різні криволінійні форми. В результаті даних переміщень відбувається обробка деталі.
2.3 Структурна схема системи
Розглянемо загальну структурну схему системи ЧПУ.
Структурна схема системи ЧПУ представлена на рис. 2.3.
Модель деталі (МД), що підлягає обробці на верстаті з ЧПУ, одночасно модель надходить в систему підготовки програми (СПП) і систему технологічної підготовки
(СТП).
СПП представляє собою CAM програму в якій створюється керуюча програма.
СТП забезпечує систему даними про режими різання, робочий інструмент, матеріал для обробки.
На підставі цих даних розробляється керуюча програма (КП), вона являє собою набір команд для керування робочими органами верстата. Оператор встановлює на верстат заготовку, ріжучі інструменти згідно з документацією, розробленою в системі технологічної підготовки.
Установку заготовки і зняття готової деталі здійснює оператор.
Зчитуючий пристрій (ЗП) зчитує інформацію закладену в керуючу програму. Він являє собою програмне забезпечення для зчитування G-коду КП та передачі її в пристрій
ЧПУ. ПЧПУ видає керуючі команди на робочі механізми (РМ) верстата, які здійснюють основні рухи циклу обробки.
В даному випадку ЗП і ПЧПУ являють собою програмне забезпечення Mach3, яке зчитує G-код та передає інформацію на РМ верстата.

13
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
Рисунок 2.3 Структурна схема системи ЧПУ
Верстат містить кілька робочих механізмів, кожен з яких включає в себе (рис. 2.4):
1)
Кроковий двигун (КД), що є джерелом енергії;
2)
Гвинтову передачу (ГП), що служить для перетворення енергії і її передачі від двигуна до виконавчого органу (ВО).
3)
Виконавчий орган (лазер, шпиндель і т.д.), що виконують координатні переміщення тим самим обробляючи матеріал. [6]
Рисунок 2.4 Структурна схема цільового механізму
ГП
КД
ВО
М
СП
П
ЗП
ПЧПУ
Заготовка
К
Керуючі команди
Технологія обробки деталі, режими різання
СТ
П
Д
РМ1
РМ2
РМ3
Верстат з ЧПУ
Налагодження

14
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
3.
РОЗРОБКА КОНСТРУКТИВУ ФРЕЗЕРНО-ГРАВІРУВАЛЬНОГО
ВЕРСТАТА
Розробка конструктиву представляє собою вибір типу, а також розробку тривимірної моделі фрезерно-гравірувального верстата з ЧПУ. Відповідно до неї можна буде зрозуміти
і наглядно побачити вигляд майбутнього пристрою, в спеціалізованих програмах розрахувати міцність конструкції, обрати відповідне апаратне забезпечення, створити креслення окремих деталей, а також розкрій для подальшого їх виготовлення.
В першу чергу для створення моделі верстата з ЧПУ треба визначитися з конструкцією верстата. Верстати з ЧПУ які можливо зібрати вдома бувають декількох типів: з рухомим порталом або рухомим столом.
Конструкція верстата з рухомим столом більш габаритна і більш витратна в плані проектування, але має трохи більшу точність і більшу зносостійкість механіки верстата в порівнянні з портальною
В свою чергу верстат з рухомим порталом трохи поступається в точності але має менші габаритні розміри, простішу конструкцію і в результаті меншу собівартість.
Для даного проекту було обрано верстат з рухомим порталом, цьому сприяли такі основні фактори: менші габарити при однаковій робочій поверхні та менша собівартість.
Після того як визначилися з типом верстата переходимо до створення тривимірної моделі. Для даної цілі було використано програмне забезпечення AutoCAD 2018. Дане програмне забезпечення являється безкоштовним для студентів і має велику кількість відповідних функцій для створення якісної і точної 3D моделі.
3.1. Виконання корпусу верстата
Основним матеріалом для побудови каркасу верстата стала фанера завтовшки 15 мм.
Даний матеріал приваблює своєю простотою обробки та стійкістю до вібрацій. Стійкість до вібрацій дуже важлива особливість даного матеріалу. Через те, що при роботі верстата з ЧПУ з’являються вібрації від шпинделя, крокових двигунів, механіки верстата і їх неможливо позбутися, а фанера в свою чергу поглинає вібрації, що добре позначиться на надійності кріплень і точності обробки деталі. Креслення конструктиву верстату можна побачити на рис. 3.1.

15
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
Рисунок 3.1. – Конструктив верстата з ЧПУ
3.2. Виконання механічної частини
Так як за основу взятий фрезерний верстат портального типу він буде мати рухомий портал. Рухомий портал представляє собою конструкцію на яку кріпиться вісь X та вісь Z.
Тобто для руху осей X і Z треба використати: сталеві направляючі, тримачі для направляючих, підшипники, гвинтову передачу для переміщення, крокові двигуни, а також шпиндель. Дана конструкція має достатньо велику вагу, тому для осі Y було використано відповідні направляючі та лінійні підшипники.
Сталеві направляючі для осі X та Y мають діаметр 16 мм і представляють собою прецизійні циліндричні вали виготовлені з високо вуглецевої, легованої сталі з антикорозійним покриттям. Вали індукційно загартовані і відшліфовані - точність валу h6.
За рахунок гладкості поверхні і міцного верхнього шару зменшується сила тертя, що збільшує термін експлуатації.
Для осі Z використовуються вали діаметром 8 мм з тими самими характеристиками.
Тримання валів здійснюється за допомогою спеціальних тримачів для лінійних направляючих діаметром 16 і 8 міліметрів відповідно.
Механізм переміщення осей X,Y та Z зроблений на основі гвинтової передачі діаметром 16 мм і кроком різьби 2мм. Гвинтова передача - це механічна передача яка перетворює обертальний рух в поступальний. ГП складається з ходового гвинта і гайки.
З’єднання гвинта з кроковим двигуном використовуються за допомогою гнучких пружинних муфт D25 L30 8x10 мм(3 шт.).

16
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
Дана муфта застосовується для компенсації перекосів та осьових зсувів і тому сприяє плавності обертання без пропуску кроків.
З іншого боку для тримання гвинта використовуються закриті кулькові підшипники внутрішнім діаметром 10 мм і зовнішнім діаметром 32 мм.
Гнучка муфта здатна здійснювати передачу великих обертальних моментів без люфту.
Також були використані лінійні підшипники типу:
- вісь X LM16UU 4 шт. та SCS16UU 2 шт.,
- вісь Y SCS16UU 4 шт.,
- вісь Z SCS8UU 4 шт.
Лінійні підшипники потрібні для того щоб досягти найбільшої точності руху в системах лінійного переміщення. Конструкція лінійних підшипників дозволяє знизити тертя, збільшити навантаження і швидкість руху механізмів.

17
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
4.
АПАРАТНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ
Після того як був спроектований каркас та механіка станка прийшов час обрати комплектуючі, які будуть приводити в рух всю систему. Під час вибору комплектуючих треба враховувати велику кількість факторів таких як:
- потужність, крутний момент габаритні розміри КД;
- вхідна напруга та вихідний струм ДКД, здатність до мікро крокового режиму;
- сумісність плати керування з ДКД;
- потужність блоку живлення та ін.
Апаратне забезпечення даної системи повинно включати в себе:
-плату керування;
-крокові двигуни;
-драйвери крокових двигунів;
-блок живлення;
-кінцеві вимикачі;
-шпиндель.
4.1.
Плата керування
У якості плати керування верстатом з ЧПУ була використана плата BL - MACH -
V1.1 D305 представлена на рис. 4.1.
Рисунок 4.1 Вигляд плати керування BL - MACH - V1.1 D305
Інтерфейсна плата з опторазв`язкою на 5 осей ЧПУ використовується як сполучна ланка між комп'ютером і трьома ДКД в системах верстатів з ЧПУ. Інтерфейсна плата

18
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
СУ-41 6.050201.ПЗ
оснащена опторазв`язкою силової і логічної частин плати. Опторазвязка - це один з видів гальванічної розв'язки. Сенс в тому, щоб між двома схемами не було електричного зв'язку, що в результаті дає захищеність логічної частини від різних перепадів напруги і стуму.
Характеристики плати:
1.
Повна підтримка програми MACH3 та інших комп'ютерних програм призначених для управління станком за допомогою паралельного порту.
2.
Наявність роздільного живлення цифрової частини (від USB або зовнішнього джерела +5 В) і периферійних пристроїв (від зовнішнього джерела + 12-24В), для захисту комп'ютера.
3.
Широкий діапазон вхідної напруги для живлення периферійних пристроїв від +12 до +24, анти-реверсна функція.
4.
Опторозв’язка всіх вхідних сигналів для захисту комп'ютера.
5.
Наявність реле для управління шпинделем. Вихідний порт P17.
6.
Опторозв’язаний вихід аналогового перетворювача з напругою 0 - 10В для управління швидкістю обертання шпинделя. Вихідний порт P1.
7.
Наявність 17 портів, які можуть працювати з опторозв`язаними входами драйверів управління кроковими двигунами.
8.
Вихідний порт Р1 можна використовувати як вихід ШІМ (PWM) для управління шпинделем з опторозв`язаним входом.
9.
Можна підключати в схеми із загальним катодом або анодом і напругою сигналу до +5 В.
Опис портів.
Роз’єми які знаходяться на платі керування описані в таблиці 4.1, а також в додатку
В
Таблиця 4.1 - Роз`єми на платі