Elettronica delle macchine CNC: parte I
5 November 2011 da Marco
Fatta chiarezza riguardo ai motori passiamo alla parte elettronica vera e propria. L'elettronica delle macchine cnc è solitamente composta da 4 elementi base: Alimentazione, Computer, Controller e Drivers. In questo articolo andrò a descrivere più o meno in dettaglio tutte queste componenti; tratterò anche la configurazione della mia fresa cnc motivando le scelte fatte. Vorrei dire fin da subito che una buona elettronica è fondamentale in macchine di questo tipo perché permette di dare buoni risultati anche su meccaniche modeste, e non viceversa: elettroniche mal congegniate daranno pessimi risultati anche su meccaniche da migliaia di euro.
Un gruppo elettronico che utilizza una comune scheda di breakout (trattata in seguito) può essere schematizzato in questo modo:
Come vedete la configurazione è piuttosto semplice (lo sarà anche all'atto pratico) e per questo bisognerà riporre attenzione sulla scelta dei componenti.
Detto ciò iniziamo con la parte meno complessa ma fondamentale.
Alimentazione
L'alimentatore più critico in un'elettronica cnc è senza dubbio quello riservato ai driver, ed in effetti ne ho già discusso nell'articolo sui motori. Personalmente ho scelto un alimentatore switching ma la scelta migliore sarebbe costruirsene uno non regolato. Oltre a poterlo adeguare ai voltaggi e alle correnti richieste, un alimentatore di quel tipo potrà far fronte più facilmente alle improvvise richieste di corrente dei motori stepper. Gli switching sono comunque un'ottima scelta considerando il rapporto prezzo/prestazioni.
Va tenuto in considerazione che dei driver che gestiscono i motori a passo intero (in cui tutte le fasi richiedono sempre il massimo della corrente) assorbiranno più corrente rispetto a quelli che lavorano con i micropassi. Inoltre anche il voltaggio influisce sulla corrente assorbita: più è alto e meno corrente sarà richiesta all'alimentatore. In linea teorica dovrebbe bastare un alimentatore che eroghi la metà della corrente nominale del motore, io vi consiglio di usarne uno che riesca a darne almeno i 3/4; in questo modo non avrete nessun problema. Il mio switching può erogare 7.3A sui 48V. Avendo 3 motori da 3A nominali è più che sufficiente anche avendoli tutti sotto sforzo in contemporanea.
Driver
Un driver per motori passo-passo (tralascio quelli per i servo a cui servirebbe dedicare ben più spazio) riceve segnali a basso livello dal sistema di controllo e li converte in impulsi elettrici per azionare i motori.
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In un motore standard da 200 passi giro sono necessari 200 impulsi per completare una rivoluzione (ammesso di lavorare in full step). In modalità microstep quello che cambia è appunto il numero di impulsi generati per far compiere un giro al rotore, che possono arrivare anche oltre i 20000. La velocità e le prestazioni di coppia del motore dipendono dal flusso di corrente che va dal driver agli avvolgimenti del motore. Il fattore che inibisce questo flusso, o limita il tempo necessario alla corrente per eccitare l'avvolgimento, è noto come induttanza. |
Anche questa cosa l'ho già detta nell'articolo sui motori: Più bassa è l'induttanza, quindi più velocemente arriva la corrente agli avvolgimenti, e migliori saranno le prestazioni del motore. Gli effetti dell'induttanza si riducono aumentando la tensione di alimentazione , non a caso tutti i driver di un certo livello pilotano i motori a voltaggi decisamente più elevati di quelli nominali.
Esistono sostanzialmente due tipologie di driver ancora utilizzati:
- Unipolari
Il nome unipolare deriva dal fatto che il flusso di corrente è limitato ad una sola direzione. Un circuito di pilotaggio di questo tipo è poco costoso ma altresì limitato. Lo svantaggio principale è che non riesce ad eccitare tutti gli avvolgimenti nel medesimo istante e questo si manifesta in una riduzione della coppia del 40% circa. - Chopper
Sono dei driver bipolari, attualmente i più efficienti e garantiscono elevate prestazioni. Per ogni step mandano inizialmente un impulso ad alto voltaggio alle spire del motore. Questo causa un innalzamento della corrente negli avvolgimenti come dalla seguente eguaglianza
dove V è molto grande. Grazie ad un sensore in serie su ogni avvolgimento, il driver monitora la corrente che circola in esso e blocca l'alimentazione (grazie ad un set di transistor switching) al raggiungimento di un determinato valore. Questo taglio di tensione permette di mantenere gli avvolgimenti eccitati in modo ottimale.
Personalmente uso i driver che vedete nella foto qua sopra, sono dei leadshine M542, economici ma dalle buone prestazioni se non si hanno esigenze particolari. Ovviamente lavorano in modalità chopper e supportano il micropasso fino ad 1/125, selezionabile tramite dip switch. Praticamente tutti i driver dedicati hanno le medesime morsettiere, non sarà difficile effettuare gli opportuni collegamenti consultando il datasheet.
Io per ora non ho avuto problemi di surriscaldamento ma è consigliabile montarli abbastanza distanziati fra loro per consentire una buona dissipazione del calore.
Oltre agli ingressi per i segnali step/dir solitamente i driver possiedono un ingresso di abilitazione (Enable). Questo ingresso consente l'attivazione mediante un segnale logico alto e la disattivazione con uno basso.
Nota importante: i driver non vanno alimentati a vuoto, cioè senza collegare i motori, perchè potrebbero saltare se sprovvisti delle adeguate protezioni.
Scheda di controllo
I segnali step/dir che arrivano ai driver possono essere generati direttamente dal pc (ed in questo caso non si avrà bisogno di una vera e propria scheda di controllo) oppure da una logica integrata che riceve dal pc solo istruzioni ad alto livello. Un controllo dedicato ha molti vantaggi, in primis quello di generare impulsi molto più puliti e non essere vincolato al pc. Quest'ultimo punto è fondamentale soprattutto se utilizzate sistemi operativi instabili o multitasking che potrebbero ritardare dei segnali o addirittura bloccare l'esecuzione dei programmi. Questi problemi posso essere quasi eliminati usando il sistema operativo solo ed esclusivamente per comandare la macchina, ma ovviamente l'affidabilità non sarà mai paragonabile ad un controllo elettronico esterno.
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Ritornando alle schede di controllo, per chi volesse farsi un'elettronica di questo tipo consiglio di dare uno sguardo ai siti di Twintec e Dynomotion. Con queste schede potete pure usare windows vista come sistema stando certi di non avere problemi con la macchina. Purtroppo questi controlli indipendenti costano parecchio e se la spesa risultasse sproporzionata al resto della componentistica vi conviene optare per un buon software che generi gli impulsi step/dir dal pc. In questo caso è sufficiente comprare (o anche costruirsi) una piccola scheda di breakout che consenta di interfacciarsi con la porta parallela (solitamente viene usata quella). Ogni pin avrà una sua funzione (in entrata o in uscita) impostabile dal software. |
Oltre alle uscite per i driver potrete collegare sensori di finecorsa e di home, pulsante di emergenza, tastatore etc. con il solo limite dei 25 pin disponibili.
E' possibile, e lo consiglio, installare anche dei relè che vi permetteranno di azionare via software l'elettromandrino, la pompa per il liquido refrigerante e qualsiasi altro dispositivo elettrico che vorrete abbinare alla CNC.
Queste schede devono essere optoisolate per evitare di danneggiare la porta parallela del pc, quindi necessitano di un'alimentazione, solitamente a 5v. Se riuscite ad integrare nel box elettronica anche il pc vi conviene utilizzare il suo alimentatore per prelevare la tensione necessaria; userete un solo alimentatore per due scopi.
Nel prossimo articolo tratterò del PC e dell'elettronica ausiliaria.
Tags: elettronica cnc, fresa cnc
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