4.1. Uwagi ogólne – sterownik CNC
Sterownik można zakupić ale…
1. Nie jest tani.
2. Jeżeli jest zaopatrzony w wyjście sterujące 4 osią – „A”, cena jego wzrasta bardzo znacznie.
3. Sterowniki oferowane przez firmy profesjonalne są przeważnie przewidziane do sterowania znacznie mocniejszymi silnikami – o większym prądzie – i ich przystosowanie do mniejszych silników nie zawsze jest możliwe. (warto to zawsze sprawdzić).
4. Konstruktor (specjalnie elektronik) pozbawiony jest satysfakcji samodzielnego wykonania sterownika i wpływu na jego konstrukcję.
Drugą możliwością jest samodzielne wykonanie sterownika. W tym przypadku z pomocą miłośnikom maszyn CNC przyszło czasopismo „ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA” które w numerze 8 w roku 2012 r. opublikowało projekt i opis takiego sterownika. Ponieważ autor tego opracowania uznał go za odpowiedni i wystarczający dla swoich celów, sterownik został wykonany w oparciu o wspomniane rozwiązanie.
W sklepie AVT można również zakupić istotne komponenty tego sterownika. Są one oferowane w trzech wersjach:
1. Płytka drukowana z opisem – trzeba samemu kompletować elementy.
2. Płytka drukowana plus zestaw elementów
3. Sterownik zmontowany i uruchomiony
Zdecydowano się na zakup zmontowanych zespołów uznając, że różnica w cenie jest niezbyt duża a samodzielny montaż (i ewentualnie samodzielne kompletowanie elementów) rozproszy wysiłki, które powinny zostać poświęcone na konstrukcję i montaż całej maszyny. Z istotnych komponentów sterownika zakupiono interface frezarki, cztery sterowniki silników krokowych, transformator zasilający, i zasilacz.
Istotną rzeczą są złącza łączące sterownik z maszyną (dokładniej z jej silnikami krokowymi), które muszą przenosić dość duże prądy i być bardzo pewne w działaniu. Gubienie kroków przez silniki krokowe w czasie pracy, to zmora każdego konstruktora maszyny a złe złącza, to przeważnie jedna z głównych przyczyn jej powstawania.
UWAGA: W przypadku korzystania z doświadczeń innych autorów projektów, należy bardzo wnikliwie przeanalizować ich rozwiązania w celu uniknięcia różnych niespodzianek. W omawianym przypadku opisy podzespołów wykazują pewne niedomówienia, które bez wyjaśnienia mogłyby doprowadzić zapewne do uszkodzeń sprzętu. Np. w opisie zasilacza brak wyjaśnienia roli układu opóźniającego (dolna część schematu). To może spowodować, że mniej doświadczeni konstruktorzy pominą jego rolę, uproszczą schemat połączeń narażając swój sprzęt na uszkodzenia.
Stwierdzenie iż:
„Można go użyć np. do opóźnionego załączenia napięcia zasilania układów mocy. Jego użycie jest opcjonalne.”
jest mocno niewystarczające, bo powoduje brak wyjaśnienia w jakich okolicznościach to opóźnieni może lub powinno być zastosowane. Sprawa dotyczy kolejności włączania napięć do układu w czasie startu urządzenia.
Autor nie potrafi ustosunkować się autorytatywnie do tego zagadnienia ale nieco dawniej uzyskano informację, że należy przestrzegać następującej kolejności załączeń:
1. Komputer (wraz z uruchomieniem programu sterującego maszyną) – tu zabezpieczeniem jest wyłącznie wiedza i dyscyplina użytkownika i zalecane jest nie z obawy uszkodzenia elektronicznych urządzeń sterujących co raczej jako zabezpieczenie przed niekontrolowanymi ruchami maszyny.
2. 24 V – wprost z transformatora – to dzieje się samo po włączeniu zasilania sterownika. Zresztą w omawianym rozwiązaniu innej możliwości nie ma.
3. 12 V i 5 V do zasilania interface i sterowników –nie występują tu zależności krytyczne. Wiadomo z analizy schematu, że wystąpią one po włącznie 24 V w następnej kolejności z minimalnym (zupełnie nieistotnym) opóźnieniem.
4. 24 V podawane na silniki krokowe. Ta zależność jest ważna. Wspomniany układ opóźniający powinien zapewnić właśnie taką kolejność.
Nie wiem czy zakupione sterowniki wymagają takiej dyscypliny załączeń. Prośby kierowane do AVT o wyjaśnienia (nie tylko tego zagadnienia) pozostały bez odpowiedzi. Nie ma o tym również wzmianki w dostępnej autorowi dokumentacji fabrycznej układów scalonych, stanowiących istotną część sterownika i ewentualnie podatnego na uszkodzenia.
Jeżeli rzeczywiście napięcia na silniki trzeba podać z opóźnieniem to, drugim poważnym uchybieniem tego opisu jest brak ostrzeżenia o zbyt małym prądzie przenoszonym przez zestyk przekaźnika – tego opóźniającego załączenie napięcia na silniki krokowe. Przekaźnik typu AZ822- 2C ma obciążalność zestyków (nawet jest to na nim napisane) 0.5 A przy napięciu 120 V. Wątpliwe, żeby przy napięciu 24 V było dużo większe. Tymczasem potrzeba, żeby wynosiło kilkanaście amperów. W związku z tym trzeba zastosować dodatkowy przekaźnik np. R15.
Szczęśliwie posiada on aż 4 zestyki przełączne i w związku z tym można ten duży prąd rozdzielić dodatkowo na kilka zestyków. Opóźnienie załączenia napięcia nieco wzrośnie ale to jest bez znaczenia.
Pozostałe przekaźniki przeznaczone do włączania elektrowrzeciona i pompy cieczy chłodzącej – w naszym przypadku raczej odkurzacza przenoszą co prawda prąd 8 A ale autor powołując się na swoje doświadczenie radzi również zastosować dodatkowe przekaźniki, ze względu na obciążenie silnie indukcyjne a więc dające przepięcia a co za tym idzie iskrzenia na stykach.
W dokumentacji nie jest wyjaśniona sprawa wykorzystania napięcia 5 V, dostarczanego przez zasilacz. Prawdopodobnie wykorzystane może być w innym rozwiązaniu albo zrobione zostało nieco na zapas. Warto zwrócić uwagę, że napięcie 5 V potrzebne do pracy sterownika silnika krokowego wytwarzane jest w interface frezarki i podawane kabelkiem 10 żyłowym do sterownika. Wynika z tego ostrzeżenie, iż uruchamianie sterownika bez połączenia z interface frezarki lub sterownika zewnętrznego jest ryzykowne. Nie dotyczy to oczywiście sytuacji uruchamiania sterownika przy współpracy z generatorem impulsów, ponieważ on również zapewnia zasilanie sterownika napięciem 5 V.
Ale badając np. jeden sterownik warto pamiętać o warunkach w jakich znajdują się inne sterowniki.
Wspomniane schematy i opisy tego rozwiązania przytoczone są w końcowym dodatku do tego opracowania.
4.2. Rozwiązanie mechaniczne sterownika
Jedną z „bolesnych” spraw przy budowie takiego urządzenia jest wykonanie obudowy. W dzisiejszych czasach sklepy z artykułami elektronicznymi oferują dość dużą gamę obudów ale przeważnie do przyrządów znacznie mniejszych. Sterownik maszyny CNC jest duży. Składa się na to dość duża moc dostarczona do silników (trzech albo czterech) z czego większość wydziela się wewnątrz sterownika. Już samo to uzależnienie sugeruje zastosowanie dużej obudowy a dodatkowo trzeba umieścić w niej wentylator (może nawet ze względów konstrukcyjnych kilka mniejszych), żeby pozbyć się tego ciepła.
Wniosek z tych rozważań jest taki, że obudowę trzeba będzie wykonać samemu lub adoptować ją ze złomowanego urządzenia. Wykonanie samodzielne też nie jest proste. Składają się na to następujące powody:
1. Sklepy niechętnie sprzedają blachę (przynajmniej tą cienką – do 2 mm) przyciętą na wymiar. Przeważnie oferują całe arkusze a to przecież rozwiązanie nie do przyjęcia, bo to i niepotrzebne i trzeba przepłacać i przeciąć trudno.
2. Gięcie długich krawędzi – nawet blach aluminiowych jest kłopotliwe i w zasadzie wymaga użycia giętarki.
3. Łączenie blach też nie jest łatwe – żelazne trzeba zgrzewać – aluminiowe lub mosiężne łączyć za pomocą nitowania. Jak widać najmniej bolesnym rozwiązaniem jest adoptowanie starej obudowy.
Do tego najbardziej nadają się obudowy starych komputerów. Zdaniem autora powinna to być obudowa płaska (leżąca) i najlepiej by było, żeby była niska (slim). Mamy wtedy w niej dużo miejsca, łatwy dostęp do elementów i dużą łatwość z odprowadzeniem ciepła.
Niestety taka obudowa (wbrew pozorom) nie jest tak łatwo dostępna a nowa (uważana już za obiekt retro) dość drogą. Jednym słowem trzeba się wykazać sprytem, żeby taką obudowę zdobyć. Oczywiście w obudowie pionowej też da się to zrobić ale zdaniem autora w nieco większymi kłopotami. Jednym z istotnych uwarunkowań jest posiadane miejsce na sterownik a czasami kształt obudowy współpracującego komputera. Jeżeli mamy zamiar wykonać specjalny stolik na budowaną maszynę albo adoptować jakiś istniejący mebel, to sprawa ta stanie się oczywista.
I trzeba trzymać się zasady: Albo komputer i sterownik w obudowach płaskich albo oba urządzenia w obudowach pionowych – wtedy łatwiej to wszystko ustawić.
Później czeka nas jej adaptacja do naszych celów. Umocowanie podzespołów na dnie obudowy nie jest problemem. Może z jednym wyjątkiem. Wszystkie podzespoły będą mocowane za pomocą śrub – to rozwiązanie niespotykane raczej w komputerach i w związku z tym na spodniej części obudowy będą one nieco wystawać. Dlatego musimy zadbać, żeby obudowa miała dość wysokie nóżki. To pomoże zapewne również na łatwiejsze wentylowanie obudowy. Jeżeli obudowa nie ma odpowiednich otworów do przepływu powietrza, to musimy je wykonać. Trzeba o tym zawczasu pomyśleć jak również o miejscu zamocowania wentylatora (wentylatorów). Większą trudność stanowi przystosowanie przedniej i tylnej ścianki do umocowania na nich odpowiednich manipulatorów i gniazd.
Na przedniej ściance teoretycznie może być tylko włącznik – ewentualnie kontrolka włączenia zasilania, z tyłu natomiast musi się znaleźć miejsce na jedenaście gniazd połączeniowych sterownika z maszyną (cztery wyprowadzenia do silników, dwa wyprowadzenia do sterowania elektrowrzecionem i pompą chłodzenia – w naszym przypadku raczej odkurzaczem, cztery wejścia wyłączników krańcowych i jedno wejście przycisku bezpieczeństwa. Ponadto jak zwykle musi się tam znaleźć miejsce na wejście zasilania sieciowego i bezpiecznik. Miejsce na złącze szufladowe 25 pinów przeważnie jest ale jak nie ma, to trzeba też o nim pamiętać. Kilka dodatkowych uwag dotyczących problemu adaptacji obudowy opisane jest w rozdziale: „Nietypowe rozwiązanie i dobre rady”
4.3. Uwagi dotyczące podzespołów AVT
Zakupione przez autora podzespoły elektroniczne sterownika nie są pozbawione wad, które musimy skompensować we własnym zakresie.
1. W płytce sterownika silnika krokowego nie przewidziano otworów, pozwalających na mechaniczne umocowanie sterownika. Trzeba się ratować samemu. Teoretycznie można mocować sterownik za pomocą radiatora ale w nim również brak otworów do zamocowania.
2. W opisie nie ma wzmianki na jakim potencjale znajdują się metalowe części układu TA8435H a co za tym idzie jego radiator. Z opisu fabrycznego wynika, że trzeba je pozostawić wolne albo uziemić.
3. Otwory mocujące interface frezarki i zasilacz są tak umieszczone, że odizolowanie metalowych, mocujących ich śrub od potencjału ziemi jest praktycznie niemożliwe. Trzeba o tym pamiętać. Szczęśliwie najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie metalowej obudowy nie tylko jako ekranu ale i masy całego układu.
4. Wyjścia do silnika krokowego wyprowadzone przez goldpiny wydają się nieco za słabe – ale można się z tym pogodzić.
5. Transformator – moim zdaniem – ma zbyt krótkie końcówki, trzeba się dobrze zastanowić gdzie i w jakie pozycji go umocujemy. Przedłużanie przewodów zarówno sieciowych jak i przewodzących prąd (nominalnie) 15 A jest dość kłopotliwe.
6. W przypadku zakupu opisanych sterowników w sklepie AVT należy zwrócić uwagę na ustawienie jumperków, DIP switchy i wetknięte kable. W zasadzie nie są ustawione jednakowo i zapewne nie tak jak potrzeba konkretnemu użytkownikowi.
