Данная серия страниц рассказывает, как самостоятельно переделать ручной фрезерный станок во фрезерный станок с Числовым Программным Управлением (ЧПУ). Управляющая программа - "MACH3". Переделка велась методом "проб и ошибок", тем не менее, желаемый результат все же был достигнут.
Статья разбита на несколько страниц, каждая из которых дает подробное описание конкретных компонентов системы:
Общее описание станка и его переделки под ЧПУ. На странице представлено общее описание фрезерного станка "Корвет-414" и описание переделки его механической части;
Электрическая часть (эта страница, просто читайте дальше);
Шаговые двигатели (ШД). Страница содержит фото примененных ШД в разобранном состоянии и краткое описание принципа их работы.
Эта страница рассказывает об электрической части фрезерного станка "Корвет-414", переделанного под ЧПУ. Представлены фотографии размещения и соединений компонентов электрической схемы.
Для работы фрезерного станка "Корвет-414", переделанного под ЧПУ, помимо самих шаговых двигателей, приводящих в движение ходовые винты осей станка, необходимы также следующие составляющие:
- Три драйвера шаговых двигателей, для трех шаговых двигателей осей "X", "Y" и "Z":
- Шесть "концевиков" - датчиков выхода осей станка на предельно возможные позиции (мною были использованы концевики Autonics PR12-4DP2):
- Датчик скорости шпинделя (инфракрасный датчик, использована оптопара от какого-то старого принтера):
- Блок питания S-350-48 (48 Вольт 350 Ватт) для питания драйверов шаговых двигателей:
- Набор компьютерного "железа" для сборки компьютера управления станком:
Перед началом размещения электрооборудования на переделываемом станке были рассмотрены различные варианты.
Сперва планировалось использовать для этого один большой железный ящик/шкафчик, в котором бы разместилось все описанное выше оборудование (за исключением, конечно, концевиков и датчика скорости шпинделя). Однако, просто разложив все эти элементы рядом друг с другом на столе я понял, что размеры этого ящика/шкафчика должны быть достаточно внушительны и сравнимы с размерами самого станка. От этого варианта пришлось отказаться.
Иной подход - размещение электрооборудования, максимально вписывая его в свободные "полости" станка. В этом случае, дополнительного ящика/шкафчика не потребовалось бы вообще.
Наиболее "габаритную деталь" - материнскую плату компьютера - планировалось разместить под основанием станка снизу. Однако, перевернув станок "кверху ногами" стало ясно, что снизу основания станка, прямо посредине, от края до края, проходит большое ребро жесткости, препятствующее размещению габаритной материнской платы компьютера в этом объеме:
В итоге было принято компромиссное решение: разместить необходимое электрооборудование по максимуму в свободных "полостях" станка, а материнскую плату компьютера - как наиболее "габаритную деталь" - вынести в отдельный небольшой железный ящик.
Итак...
Под основанием станка были размещены драйверы шаговых двигателей осей "X" и "Y". Силовые провода, идущие от драйверов к шаговым двигателям, в этом случае, получаются максимально короткими, и это хорошо, т. к. по ним идут токи высокой частоты:
Драйвер шагового двигателя оси "Y" размещен ближе к передней части станка. Ввод проводов от двигателей осей "X" и "Y" под основание станка осуществляется в металлорукавах с помощью белых пластиковых кабельных вводов. Ввиду большой толщины чугуна основания станка, длина резьбовой части кабельных вводов оказалась недостаточной для наворачивания крепежной гайки (изнутри основания станка). Поэтому, кабельные вводы были вклеены в толщу чугуна с помощью эпоксидного клея "Poxipol".
Драйвер шагового двигателя оси "X" размещен ближе к задней части станка. При сверлении отверстия в основании станка под ввод для проводов от электропривода оси "X", еще не зная о наличие ребра жесткости посередине основания, я нечаянно попал коронкой прямо в это ребро. Пришлось просверлить все вместе, с ребром жесткости.
В итоге от двух электроприводов осей "X" и "Y" образуется пучок проводов, содержащий провода питания 48В, идущие к блоку питания (марка проводов ПВ3, сечение 2.5мм2), и провода цепей управления, идущие к плате LPT (Breakout board). Этот пучок проходит через специально высверленное отверстие в задней стенке основания и попадает в "полость" ходового винта вертикальной оси "Z":
Питание (48В) подается на драйверы шаговых двигателей от блока питания через толстые красные и черные провода. Для каждого драйвера провода питания свои, объединяются они только на клеммах блока питания.
Провода управления (6 штук, включая общий) соединяют драйверы шаговых двигателей с платой LPT (Breakout board), кроме того, в эти пучки еще примыкают провода, идущие от концевиков.
Для полного понимания назначения каждого провода на фотографиях выше необходимо рассмотреть принципиальную электрическую схему обеспечения работы шаговых двигателей (можно тыкнуть в схему мышкой, чтобы увидеть в лучшем качестве):
Сигнал "РАЗРЕШЕНИЕ РАБОТЫ" в плате LPT (Breakout board) формируется при наличие сигналов "Charge Pump" и при отсутствии сигнала "E-Stop" (на схеме не показаны) (см. ниже).
Драйвер шагового двигателя получает от компьютера сигналы "ШАГ" и "НАПРАВЛЕНИЕ".
При очередном импульсе сигнала "ШАГ" двигатель совершает один шаг в заданном направлении.
Сигнал "НАПРАВЛЕНИЕ" определяет направление вращения вала шагового двигателя. При одном логическом уровне будет прямое вращение, при другом - обратное.
Сигналы от концевиков заводятся непосредственно на драйвер шагового двигателя. При поступлении сигнала от соответствующего концевика, драйвер на аппаратном уровне запрещает вращение двигателя в данную сторону и привод останавливается, даже если импульсы "ШАГ" от компьютера все еще продолжают приходить.
Чтобы компьютер все же "узнал", что на данной оси сработал один из концевиков, и предпринял нужные действия, ему передается сигнал "СРАБОТАЛ КОНЦЕВИК".
Драйвер шагового двигателя оси "Z", драйвер двигателя шпинделя и плата LPT (Breakout board) были размещены на съемной панели кожуха стойки станка. Эта панель является составной частью кожуха, делит пространство внутри кожуха на две части. Первая часть содержит механизм ходового винта оси "Z", а вторая "по умолчанию" содержала штатную схему управления станком. Штатная схема состояла из пары переключателей, ручки регулировки скорости вращения шпинделя и предохранителя.
Кроме того, на панели внутри кожуха стойки станка размещался "контроллер шпинделя" - плата со схемой, позволявшей управлять частотой вращения двигателя шпинделя (это штатная плата, находящаяся в заводской версии станка "Корвет-414", к системе ЧПУ отношения НЕ ИМЕЕТ). Выглядел этот контроллер так:
Вся эта штатная схема была полностью удалена, и вместо нее на панели кожуха разместилась "наша" схема:
Драйвер шагового двигателя для оси "Z" подключен абсолютно аналогично драйверам других осей, за исключением того, что соединение с проводами концевиков сделано разъемным, для возможности снимать панель с электроникой на случай ремонта или модернизации. Так, провод от верхнего концевика по внутренней стенке стойки станка спускается сверху вниз:
Внизу стойки станка провод от верхнего концевика объединяется с проводом от нижнего концевика оси "Z", и вместе они выходят на разъем, соответствующий разъему на конце жгута от панели:
При установки панели с электроникой на штатное место в кожухе стойки станка, разъемы жгутов от концевиков и от панели с электроникой соединяются между собой, и цепи концевиков оказываются собранными:
Разводка цепей подключения драйвера шпинделя выполнена прямо на панели кожуха стойки станка:
Чтобы понять смысл соединений, нужно обратиться к принципиальной электрической схеме управления двигателем шпинделя и схеме электропитания системы ЧПУ (можно тыкнуть в схему мышкой, чтобы увидеть в лучшем качестве):
Сигнал "РАЗРЕШЕНИЕ РАБОТЫ" в плате LPT (Breakout board) формируется при наличие сигналов "Charge Pump" и при отсутствии сигнала "E-Stop" (на схеме не показаны) (см. ниже).
Драйвер шпинделя получает от компьютера сигналы "PWM" и "НАПРАВЛЕНИЕ".
Сигнал "PWM" определяет требуемую скорость вращения шпинделя. Достигается это путем регулирования соотношения длительности импульса и паузы. Частота сигнала остается постоянной и установлена в программе "MACH3" на уровне 40 Герц:
Сигнал "НАПРАВЛЕНИЕ" определяет направление вращения двигателя шпинделя. При одном логическом уровне будет прямое вращение, при другом - обратное. Переключение направления вращения двигателя шпинделя осуществляется сменой полярности подаваемого на двигатель тока с помощью реле, входящих в состав драйвера шпинделя.
Питание станка осуществляется от сети 220В. В первую очередь, эти 220В поступают на блок питания компьютера. Отключить его можно только вынув вилку из розетки (специального выключателя в схеме на предусмотрено). Однако, пока компьютер выключен, блок питания компьютера также не работает и остальная часть схемы остается обесточенной.
При включении компьютера его блок питания начинает работать, и питание 12В подается на плату LPT (Breakout board). В состав платы LPT (Breakout board) входит микроконтроллер (на схемах выше не показан), который включается, и начинает ожидать поступления сигнала "Charge Pump" от компьютера.
После запуска на компьютере управляющей программы "MACH3", сигнал "Charge Pump" начинает поступать на плату LPT. Микроконтроллер платы видит наличие этого сигнала, и с задержкой в несколько секунд (защита от помех) включает реле питания, входящие в состав платы LPT (см. схему выше).
Через замкнувшиеся контакты реле, питание 220В поступает на блок питания S-350-48 и на драйвер шпинделя. С этого момента система готова к работе.
Таким образом, для включения станка необходимо включить его компьютер и запустить на нем программу "MACH3", а для выключения просто закрыть "MACH3" и выключить компьютер.
Кроме прочих составляющих, на панели кожуха станка расположен трехконтактный клеммник питания:
Этот клеммник необходим для удобства разводки цепей питания 220В. На него сходятся:
Шнур питания с вилкой (тот, что втыкается в розетку 220В);
Кабель, идущий на блок питания компьютера;
Кабель, идущий на блок питания монитора компьютера;
Провода питания 220В, идущие к реле на плате LPT (Breakout board).
На фотографии ниже можно видеть, что на рассматриваемый клеммник снизу подключен шнур питания, который выходит через боковую стенку кожуха (внизу слева), и кабель, идущий к блоку питания компьютера (на фото ниже сам блок питания компьютера еще не установлен):
Также, на фото выше можно видеть разводку цепи заземления.
Провод заземления, выходящий из шнура питания, подключен непосредственно к чугунной стойке станка (внизу правее). Оттуда цепь заземления расходится на болт заземления компьютерного ящика, и на одну из клемм клеммника питания. От клеммника питания цепь заземления расходится к компьютерному блоку питания (в составе его кабеля питания), к блоку питания монитора (на фото выше еще не подключен), блоку питания S-350-48 (короткий желто-зеленый провод с клеммой на конце. Сам блок питания S-350-48 на фото выше еще не установлен), и на двигатель шпинделя (на фото выше еще не подключен).
Кроме того, все на той же фотографии выше можно видеть, что пучки проводов управления, идущие снизу от драйверов шаговых двигателей осей "X" и "Y" нашли свое место на соответствующих разъемах платы LPT (Breakout board).
На следующем фото на клеммник питания уже сходятся все необходимые провода. Также можно видеть, как от компьютерного блока питания подается питание на плату LPT (Breakout board). Это два провода - черный и желтый, с надетым на них ферритовым цилиндром. Блок питания S-350-48 уже также установлен (виден его верхний край с рядом клемм):
Блок питания S-350-48, питающий драйверы шаговых двигателей, и блок питания компьютера установлены в нижней части пространства кожуха и закреплены к его боковой стенке. Затем данный отсек кожуха закрыт штатной крышкой:
Провода от шагового электропривода оси "Z" попадают внутрь кожуха стойки через отверстие вверху кожуха
и подключаются прямо к клеммам драйвера шагового двигателя оси "Z". Провода от двигателя шпинделя идут в металлорукаве (металлорукав в виниловой изоляции - штатный, в таком виде он был изначально) и через боковую стенку кожуха попадают в отсек электроники. Всего там три провода - два силовых и один заземления. Силовые провода подсоединяются к выходным клеммам драйвера шпинделя, а провод заземления уходит вниз и подсоединен к клемме заземления на клеммнике питания (см. выше):
Разработчики программного обеспечения "MACH3" для управления станком позаботились о безопасности работы оператора за станком с ЧПУ, управляемом их программой. Достигается это использованием двух сигналов: "Charge Pump" и "E-Stop".
Сигнал "Charge Pump" - это логический сигнал, выдаваемый на заданную ножку LPT-порта управляющего компьютера. Однако, этот сигнал не имеет какого-либо определенного логического уровня, но постоянно меняется с частотой в единицы килогерц. Пока программа "MACH3" нормально работает, этот сигнал продолжает меняться с заданной частотой. Но стоит компьютеру "зависнуть", выдача изменяющегося сигнала "Charge Pump" прекращается, и он "замирает" либо в "нуле", либо в "единице".
Наличие сигнала "Charge Pump" контролируется микроконтроллером, установленным на плате LPT (Breakout board) (см. схему ниже). При наличие этого сигнала, т. е. при поступлении на вход микроконтроллера сигнала с частотой изменения больше некоторого порога, микроконтроллер "решает", что сигнал "Charge Pump" есть, и выдает "единицу" на свой выход (см. схему ниже). Как видно из схемы, это является необходимым, но еще недостаточным условием для формирования сигнала "РАЗРЕШЕНИЕ РАБОТЫ".
В процессе работы со станком могут возникать ситуации, требующие его немедленного останова. Для этой цели даже в штатной конструкции станка "Корвет-414" предусмотрена кнопка "АВАРИЙНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ". После переделки станка под ЧПУ, данный выключатель был задействован для сигнала "E-Stop" и дополнен одноименной наклейкой:
Сигнал "E-Stop" служит для немедленного останова станка и воздействует на систему управления как на аппаратном, так и программном уровне.
Чтобы лучше понять, как это работает, необходимо рассмотреть схему ниже (можно тыкнуть в нее мышкой, чтобы увидеть в лучшем качестве):
Сигнал "РАЗРЕШЕНИЕ РАБОТЫ" будет сформирован только если микроконтроллер "видит" сигнал "Charge Pump" и контакты кнопки "АВАРИЙНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ" замкнуты. Только тогда будет разрешено прохождение сигналов управления на драйверы шаговых двигателей осей станка и на драйвер двигателя шпинделя.
Если же цепь кнопки "АВАРИЙНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ" размыкается, или сигнал "Charge Pump" пропадает, прохождение сигналов управления к драйверам двигателей блокируется, и все двигатели станка немедленно останавливаются. Кроме того, формируется сигнал "E-Stop" для компьютера, и компьютер по этому сигналу уже сам по себе прекращает выдачу сигналов управления двигателями, и переходит в режим "E-STOP".
Таким образом, реализуется как аппаратная, так и программная защита оператора станка от непредвиденных ситуаций.
Для подключения кнопки "E-Stop" на плате LPT (Breakout board) предусмотрен специальный разъем, и при разводке схемы на панели кожуха от этого разъема были пущены специальные провода, оканчивающиеся дополнительным разъемом (два белых провода идущие в паре поперек панели на фото ниже):
Разъем на конце этой пары проводов необходим для возможности быстрого отсоединения и снятия панели с электроникой на случай ремонта или модернизации. К этому разъему подключаются провода, идущие непосредственно от кнопки "АВАРИЙНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ". Провода идут в металлорукаве (металлорукав штатный, уже был на станке "в заводской комплектации") и заводятся сбоку в кожух стойки станка:
Для измерения частоты вращения шпинделя на станок был установлен датчик скорости шпинделя. Подробнее об этом рассказано здесь.
Провод от датчика скорости (в качестве него был припаян остаток кабеля от одного из концевиков) попадает в кожух кнопки "АВАРИЙНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ" через специально вырезанный пропил:
Далее провод от датчика скорости попадает в металлорукав, идущий к кожуху стойки станка (в котором уже идут провода от кнопки "АВАРИЙНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ"), и затем подключается к драйверу шпинделя через специально предусмотренный для этого разъем:
Отсек с электроникой в кожухе станка закрывается со всех сторон достаточно плотно и внутри отсека образуется зона застойного воздуха.
Хотя при работе станка компоненты электроники управления станком, установленные в отсеке с электроникой (драйвер шагового двигателя оси "Z", драйвер шпинделя, плата LPT и блоки питания) греются незначительно, кожух станка все же был дополнен небольшим вентилятором охлаждения (60 х 60 мм).
Этот вентилятор установлен в верхней крышке кожуха стойки станка (крышка штатная), после чего она была установлена на место. Подключен вентилятор к питанию 12В, поступающему с одного из соответствующих разъемов на плате LPT (Breakout board):
Наконец, на станке был размещен компьютер управления станком. Он состоит из материнской платы Intel D410PTL с интегрированным процессором Intel Atom и портом LPT, жесткого диска и двух модулей оперативной памяти Kingston KVR800D2N5/1G по 1ГБайт-у каждый. Для всего этого "компьютерного железа" к кожуху стойки станка был приделан специальный электротехнический ящик. Подробнее о технической стороне прилаживания этого ящика рассказано здесь.
Ящик имеет съемную панель, на которой и было размещено "компьютерное железо". Изначально был использован "обычный" жесткий диск Samsung HD322GJ объемом 320 ГБайт, но после некоторого, весьма небольшого времени, компьютер стал давать сбои следующего вида:
"Не удается запустить Windows из-за испорченного или отсутствующего файла: \WINDOWS\SYSTEM32\CONFIG\SYSTEM",
а при проверке жесткого диска было обнаружено несколько поврежденных секторов.
Я стал грешить на вибрации, возникающие при работе станка, и чтобы решить проблему "раз и навсегда", "обычный" жесткий диск был заменен на твердотельный, KINGSTON SS100S2/16G объемом 16 Гбайт. И действительно, после замены диска проблем больше не было:
Несмотря на то, что материнская плата Intel D410PTL позиционируется как "бесшумная" и не требующая принудительного охлаждения, однако, как показала практика, греется она довольно здорово. Особенно "преуспевает" в нагреве квадратная черная микросхема, что находится прямо под процессором (см. фото выше). Уже через несколько секунд работы она нагревается настолько сильно, что держать палец на ней становится невозможно. Несмотря на это компьютер работает абсолютно стабильно в течение неограниченного времени.
Все же "на всякий случай" ящик был дополнен небольшим вытяжным вентилятором 80 х 80 мм, подключенным к специально предусмотренному разъему (он там все же есть!) на материнской плате, а внутрь ящика воздух поступает через отверстия в нижней стенке и через большое отверстие, вырезанное для проводов с другого боку ящика:
Для возможности включения и выключения станка (а для этого всего лишь надо включать и выключать его компьютер и об этом говорилось выше), на дверце шкафчика была смонтирована кнопка "ВКЛ/ОТКЛ" (по сути это кнопка "POWER" на системном блоке обычного компа). На той же дверце были смонтированы светодиоды "ПИТАНИЕ" ("POWER") и "HDD". С внешней стороны дверцы они дополнены наклейками, поясняющими их назначение:
Затем в ящик была смонтирована панель с "компьютерным железом" и выполнены необходимые подключения. Жгут питания компьютера идет от компьютерного блока питания, установленного в кожухе стойки станка:
Чтобы соединить компьютер с платой LPT (Breakout board) был изготовлен специальный короткий кабель для LPT-порта:
Провода от монитора и клавиатуры, через специальное отверстие в кожухе стойки попадают в пространство кожуха, а уже оттуда - в ящик компьютера. Провод питания монитора (220В) уходит на клеммник питания (см. выше):
Подробнее об использованной клавиатуре можно посмотреть здесь.
Читайте также:
Общее описание станка и его переделки под ЧПУ. На странице представлено общее описание фрезерного станка "Корвет-414" и описание переделки его механической части;
Электрическая часть (эта страница, Вы ее уже прочитали);
Шаговые двигатели (ШД). Страница содержит фото примененных ШД в разобранном состоянии и краткое описание принципа их работы.