8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 1/19

1

Uvod

Cilj ovog projekta je da se osmisli i sprovede kontrolisana kompijuterski

numerisana mašina za bušenje štampanih ploča PCB (Printed Circuit Board).Svu

mehaniku i elektroniku su dizajnirali od početka da bi se shvatilo što lakše i

 preciznije.Tu je računarski program koji komunicira sa elektoničkim sistemommašine. 

Sledeće poglavlje otkriva glavne blokove projektovanog projekta.To daje uvodneinformacije o celom sistemu.Naredna poglavlja objasniće osnovne blokove sistema

odvojeno i detaljno.

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 2/19

2

1.Pregled sistema

U elektronskoj industriji štampanih ploča su dizajnirani u CAD programima.Ovi

 programi generišu standardizovanu datoteku koja je poznata kao Excellon bušilicadatoteka.Excellon datoteke definišu pložaj i lokaciju na projektovanoj štampanoj

 ploči.Ove informacije se koriste u Computer Numerical Control (CNC),mašine za bušenje potrebnih rupa na štampanoj ploči. 

U ovom projektu ,razvijen softver uzima Excellon bušenje datoteku na štampanoj ploči.Zatim izračunava potrebne parametre i šalje kordinate do PIC16F877mikrokontrolorske jedinice MCU (Micro Control Unit) preko PC-232 linije.Kadamikrokontrolor preuzima neophodne informacije, tada ga registruje drajver za

steper motore.Steper motor drajver pokreće steper motor u indeksu impulsa nanjih, zatim se mahanizmi okrecu linearno u tri ose x,y,z vrše posmak  na njih i tada

se započinje zadato bušenje na štampane ploče. 

Slika 1.Pregled sistema

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 3/19

3

LIMIT SWICHES (granični prekidači) se koristi na mašinama za bušenje da zaštiteopseg na zadatom pravcu.Kada osa pokuša da prođe granicu tada se prekidač stisnei mikrokontrolor MCU zaustavlja osu u pokretu.

2.Mehanika

Mašinski sistem je realizacija tro-dimenzionalne kontrole pokreta.Kontrola

kretanja u elektronskom uslovu ,znači da precizno kontroliše kretanje objekta naosnovu brzine,rastojanja,opterećenja,inercije,ili kombinaciju svih ovih

faktora.Postoje brojne vrste kontrolnih sistema,uključujući kretanje:koračnih

motora,linearnih koračnih  motora,DC motora sa četkicama,DC motora bezčetkica,servo upravljač,servo upravljač bez četkica i td. 

Steper motori su izabrani u ovom seminarskom iz sledećih razloga, koji su

generalno poželjni za korišćenje računarskih kontrola jer su u suštini digitalni

uradjaji i dosta jeftini.

U teoriji, koračni motor je čudo u jednostavnosti.Koračni motor -vodeći i zavrtanjkombinacija se koristi na sve tri ose.Vratilo od motora je spojeno da vode navrtke.

Šrafovi su smešteni na dva kraja od kugličnih ležajeva. Sa  ovog mehanizma

rotacioni pokret step motori su konvertovani u linearne pokrete osa.

Slika 2.Linearno kretanje sa linearnim lezajem

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 4/19

4

Slika 2-1.linearno kretanje pomocu navojnog vretena

3 - D solidan model mehaničkog sistema je dizajniran sa AutoCAD pre 

izrade mehaničkih delova . Dizajn je pod istragom zbog različitih radnih

parametara .

vi parametri uključuju lakou u teini nisko trenje nisku enu i nisku

mehaničku ineriju . Sistem je dizajniran da bude vođen sa NEMA 23 step motore

. ( tj.Motori sa 50-100 Nm obrtnog momenta ).Uzimajui u obzir ove parametre

mehanički sistem je konstruisan na sledei način: 

-3 ose steper motora vodei mehanizam-linearno kretanje;

12mmprečnika sa nerdjajuim čelikom navojno vreteno; 

-12 mm navrtkatakodje od nerdjajueg čelika; 

-kestadim i polietilenski drači; 

-12 mm ive čeličnog vratila za podršku ose; 

-12 mm sa derling delovima sa kliznim mehanizmom;

-polietilenski delovi glavnog tela;

-kestamid spojnice;

-nosači el. motora od aluminijuma. 

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 5/19

5

3.Koračni motori 

Koračni motor  je vrsta elektromotora bez četkica koji

 pretvaradigitalne pulsevestruje u fiksne inkremente ugaonog pomjeranja nazvane

koraci.

Ova vrsta motora obezbjeđuje precizno pozicioniranje tereta, a kontrola motora se vrši direktno računarom, mikrokontrolerom, ili  programibilnim logičkimkontrolerom. Zbog svoje konstrukcije bez četkica, koračni motori su pouzdani,izdržljivi, i ne zahtijevaju nikakvo održavanje.

Osnovni rad je objašnjen na sljedeći način: Polovi rotora su privučeni k polu statora (faza 1) kroz čiju zavojnicu prolazi stru ja. Jednom tamo, struja protiče krozzavojnicu pola statora (faza 4), i pol rotora je privučen tu. Zatim se aktivira faza 3, pa faza 2. Ciklus se dalje ponavlja od faze jedan, a ugao koraka je 15°.

Treba primetiti da je ugao između polova statora 45° a između polova  rotora60°. Ovo je potrebno da se obezbedi zazor od 15° između polova rotora i statora zaidući  korak. Inače, rotor se ne bi pokretao pri idućem pulsu struje.Kao što se vidina slici 3.

Slika 3.Koračni motor 

Koračni motori imaju stator sa namotajima i neuzbuđeni rotor. Stator ima paran broj jednako razmaknutih polova (zubaca, zuba), svaki sa zavojnicom.

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 6/19

6

 Nasuprotni parovi statorskih zavojnica su spojeni u seriju, dakle kad je jedan u

stanju severnog pola, drugi je u stanju južnog pola. Stator može da ima 2,3 ili 4nezavisna kruga, ili faze, povezana sa sever-jug parovima polova. Rotor ima

spoljašnje zupce, jednako udaljene po periferiji, sa malim zračnim rasporomizmeđu statorskih i rotorskih zubaca.

Broj zubaca rotora, statora, i broj faza na statoru određuju veličinu koraka. Ovo sezove ugao koraka ili koračni ugao, i za jednostavne motore se da izračunati sa: 

Ugao koraka (koračni ugao) = 360° / (broj zuba rotora • broj faza statora)

Za primjer, koračni motor sa 16 zubaca rotora i 4 faze statora ima ugao koraka od7.5°.

3.1.Unipolarni koračni (step) motor 

Ima dva namotaja po fazi, po jedan za svaki pravac magnetnog polja, obično 5ili 6 žica. Kako se polaritet može promeniti  bez promene smera struje, komutacija

kola može biti jednostavna. Srednji kraj je obično na visokom naponu dok sezavisno od željenog polariteta jedan ili drugi kraj spuštaju na nizak nivo i timeodređuje tok struje.Unipolarni step motor prikazan je na slici 7.

Slika 3-1.Unipolarni koračni motor  

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 7/19

7

3.2.Bipolarni koračni (step) motor 

Ima jedan namotaj po fazi, pa se tok struje mora menjati kako bi se promenio

 polaritet (slika 8.). Ovi motori zahtevaju nešto složeniju elektronsku kontrolu od unipolarnih.

Slika 3-2.Bipolarni koračni motor  

4.Drajver za koračne motore

4.1.Namotaj otpori i induktivnost

Otpor I induktivnost su dva nerazdvojiva fizička svojstva namotaja,ili bilo kog

kalema.Ova dva faktora takođe ograničavaju moguće performance motora.

Otpor namotaja je odgovoran za najveći deo gubitka snage i toplote koračnogmotora.Veličine I namotaji motora,termičke karakteristike granice dozvoljenesnage disipacije u namotajima.Gubitak snage je dat preko ove formule:

Pr = R* 

Gde je R-otpor namotaja,Im-struja u namotajima.

Važno je napomenuti da bi trebalo motor koristiti maksimalnu snagu disipacije da bi bilo efikasno.Ako motor radi ispod njene granice snage disipacije,što znači da bitrebalo zameniti za neki manji koračni motor,a uz to i manja je cena samog motora.

Induktivnost čini da se namotaji motora suprotstave trenutnim promenama,asamim tim i ograničenja brzina operacija.Slika prikazuje električne karakteristikeinduktivnog-otpornost strujnog kola.Kada je napon prikručen do namotaja trenutak

raste prema jednačina: 

() ( )

U početku trenutno raste po stopi od:

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 8/19

8

()  

Uspon stopa prolazi kroz zavšni nivo: 

 

Vrednost ,se defineše kao elektronsko vremenske konstantne kola. vreme

struje dostiže 63%(1-1/e) od konačne vrednosti.Kada je induktivno-otporno kolo

isključeno t=t1,struja počinje da opada: 

() ( ) ( )  

I(t) = - V / L

Slika 4-1.Trenutni talasni oblik u RL obliku

4.2.Pogon automatske šeme 

Drajver koračnih motora ima dva zadatka:

-Da bi se promenio trenutni pravac fluksa u fazi namotaja;

-Da bi se za vreme rada kontrolisala količina struje kroz namotaje i omogućava

trenutni uspon i pad puta za što kraće vreme za dobre perfomanse velike brzine.Hod na koračnim motorima promenu pravca fluksa,nezavisno u svakojfazi.Promena pravca se vrši promenom trnutnog smera i mogu biti određena na 

1

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 9/19

9

dva različita načina koristeći unipolarni ili bipolarni drajver. 

4.3.Drajver za unipolarne koračne motore 

Princip unipolarnih drajvera zahteva namotaj sa centrom voda ili dva odvojenanamotaja po fazi ( slika 5.) smer fluksa je obrnut pomeranjem struje od jedne polovine namotaja na drugu polovinu.Ovaj metod zahteva samo dva prekidača pofazi.Na drugoj strani,unipolarni pogon koristi samo pola raspoložive količine bakrau namotajima. 

Slika 4-3.Drajver za unipolarne koračne motore 

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 10/19

10

4.4.Drajver za bipolarne koračne motore

Bipolarni drajver se odnosi na princip gde se menja pravac struje jednog namotaja prebacivanjem polariteta napona preko namotaja terminala.Da bi se promenio

 polaritet,potrebno je ukupno četiri prekidača formirajući „H‟ pismo.Tako su bipolarni drajveri poznati kao H-Bridges.

Slika 4-4.Drajver za bipolarne koračne motore 

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 11/19

11

5.Smer struje

Jos jedan veoma važan faktor su aktuelni putevi isključivanje u fazi smene.Prirodainduktivnosti zahteva da spiralni smer struje uvek postoji.Kada se uzmutranzistori kao prekidači, diode moraju da se dodaju kako bi se omogucio protok

struje u oba smera u oba smera preko prekidača.Za biplorane drajvere koračnihmotora idu preko četiri diode,jedan za svaki prekidač,obezbeđuje struju kao što sevidi prema slici.

Slika 5.Trenutna putanja na bipolarnom drajveru

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 12/19

12

Postoje dva načina,isključivanje struje,ili isključivanje tranzistora (putanja 3),iliisključivanja samo jednog od dva isključenih tranzistora (putanja 2).Prvi metod

da je brzo tekuće raspadanje je potrošena kao struja uskladištena unamotajima.Drugi metod daje polako propadanje struje, kao kontra napon su dve

diode padajućeg napona preko otpora namotaja.U fazi premeštanja struja će brzoopadati sa obe strane i nalagaće tranzistoru da se isključi.Za veliku

 brzinu pola koraka je na nuli u važnom položaju.(slika 8.) prikazuje

moguće šeme smera struje za unipolarne drajvere. 

Slika5-1 . Smer struje u unipolarnim drajverima

6.Kontrola struje

Za kontrolu obrtnog momenta  potrbno je ograničiti snagu disipacije u otporunamotaja,struja mora biti kontrolisana ili ograničena.Osim toga,kad je polakoraka,nula u struji treba da dostigne nivo koji je potreban,dok mikro korakzahteva stalnu promenu struje.

7.Sprovođenje drajvera za koračne motore 

Prema teoriskim pozadinama datim u odeljkama unipolarnih i bipolarnih drajvera,3

drajvera za koracne motore po jedan za svaku osu.Drajveri su povezani nakontroler L297 i H-bridge L298.

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 13/19

13

7.1.L297- kontroler za koračne motore IC 

L297 integriše sve potrebne kontrole kola,kontrolu za bipolarne I unipolarne

koračne motore.On prima kontrolne signale od kontrolnog sistema,obično odmikročipa,a   pruža sve  potrebne signale za pogonske faze napajanja.Pored toga

on obuhvata dve širine  impulsne modulacije PWM (Pulse Width Modulation)da reguliše struju u namotajima motora. 

Sa pogodnim napajanjem actuator L297 dve faze stalnog magneta bipolarnog

motora,četiri faze stalnih magneta unipolarnih motora i četiri faze promenljivih.Karakteristika ovog uređaja je u tome da je potrebno  samo

sat,pravac i način ulaznih signala na drajvere koračnih motora.Pošto su faze internogenerisane,mikroprocesor i program su svedene na najmanju mogućumeru.Detaljno je prikazan blok-dijagram na (slici 9.).

Slika 7-1.Blok dijagram kontrolera L297 IC

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 14/19

14

7.2.L 298-dvostruki Full-bridge drajver za koračne motore IC

L 298-  podržava visok napon,struja visokog napona u L 298 prihvata stamdarde

TTL logike I upravlja induktivnim opterećenjem kao što su releji,solenoid,DC

motori I koračni motori.Dva omogućena ulaza omugućavaju da ulazni signali buduomogućeni ili neomugućeni.U tranzistorima za niski napon emitori svakog mosta povezani zajedno I odgovarajući spoljni terminal može da se koristi za povezivanjespoljnih struja za očitavanje otpornika .Dodatni ulaz za napajanje je obezbedjentako da logika radi na nižem naponu. 

L 298 ima operativnu isporuku do 46 V,koji je pogodan za većinu koračnih motora 

(tj.visoki napon znači da podržava veće brzine rotacije u koračnim motorima).Takoda može da obradi 2A/fazi motorne struje u ukupnim 4A u Dve faze DC struje. 

Slika 7-2.Blok dijagram L297 IC

Izlazi 1 i 2 moraju biti povezani sa namotajima koračnih (step) motora koristećieksterne recirkulacije diode,da bi se omogućilo smer struje u namotajimamotora.Ove diode moraju biti sa brzim kontra I smernim prebacivanjem manje od200ns da bi se postigla sto manja buka u promeni smerova u motorima.

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 15/19

15

8.Mikrokotroler

Mikrokontroler je u suštini je pravi “mali računar” na čipu,koji sadrži sve gradivne blokove CPU-u (ALU, PC, SP, registre i dr.),ali takođe i RAM i ROM,  paralelne i seriske U/I portove, generatore takta i dr.

Kao i mikroprocesor, i mikrokontroler je uredjaj opste namene, koji

 pribavlja podatke, obavlja ogranicenu obradu nad tim podacima, i upravljasvojim okruzenjem na osnovu rezultata izracunavanja. Mikrokontroler u tokusvog rada koristi fiksni program koji je smesten u ROM-u i koji se ne menjau toku

zivotnog veka sistema.

Slika 8.Blok dijagram mikrokontrolera

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 16/19

16

8.1Mikrokontroler PIC16F877

Kao sto je u uvodu naglaseno centralna komponenta naseg sistema je

mikrokontoler PIC16F877 firme Microchip. U ovom poglavlju cemo se

truditi da detaljnije opisemoovo integrisano kolo.Mikrokontroleri imajuintegrisane sve gore pobrojane gradivne blokove: CPU, memoriju, oscilator,

watch-dog timer i U/I, integrisni su unutar samog cipa. I pored

 prednostikojese nude integracijom postoji jedan ozbiljan nedostatakkoji se ogleda

u malom iznosu implementirane memorije (reda kB) i relativno skromnim

mogucnostima ulazno-izlaznog podsistema (dva do tri paralelna porta, do tri

tajmera,jedando dva UART-a, jedan ADC).PIC familija mikrokontrolera podrzava

rad sa:

- velikim brojem U/I uredjaja(paralelniportovi,serijski portovi,LCD i dr.);

- memorijama razlicitogtipa(EEPROM,FLASH,RAM,ROM)

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 17/19

17

Zaključak  

Da bi se realizovala ova CNC mašina potrebno je sve ose montirati nakonstrukciju.Vođice koje daju preciznost na glavi ose, treba da je u visokoj

 precicnosti ,gde ćemo izmeriti komparatorom,da bi se glava ose moglo nesmetano

kretati po svojoj ravni.

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 18/19

18

8/10/2019 CNC Za Bušenje Štampanih Ploča

http://slidepdf.com/reader/full/cnc-za-busenje-stampanih-ploca 19/19

19