Router CNC

Projeto final da disciplina Automação I.

• Objetivo

  Projetar um sistema de controle para um Router CNC com interface de comandos pela porta serial e interface homem máquina simples com display de LCD e botões. Projetar o placa de controle para os servomotores e spindle.

• Background

  Um Router CNC é basicamente uma fresadora controlada eletronicamente por um sistema microprocessado e acionada por servomotores. A estrutura mecânica básica consiste em 3 eixos ortogonais, X, Y e Z, e um eixo rotativo, normalmente denominado eixo árvore ou spindle, Figura 1.

• Projeto

  O diagrama de blocos do sistema é apresentado na figura 2.

• Interface Homem-Máquina

  O bloco de interface deve conter um display de LCD 16x2 e 4 botões. A interface deverá apresentar a posição atual dos eixos, velocidade do spindle bem como possibilitar a modificação do estado da máquina, referência, manual ou automático.

  Teclado

            P: Ativar/Desativar e Selecionar eixo para movimento manual.
            +: Movimenta eixo no sentido positivo, horário (CW).
            -: Movimenta eixo no sentido negativo, anti-horário (CCW)
            S: Liga spindle em manual.
  

  

  Telas

  Ao energizar o sistema:

  Retornar ao ponto de referência quando pressionado tecla S. Para que seja possível executar a referência a entrada Cover Closed deve estar em nível lógico alto, chave fechada.

  
  Caso a entrada Cover Closed esteja em nível baixo (chave aberta), e a tecla S for pressionada, o display deverá informar o erro durante 3 segundos e retornar à tela inicial.
  
  Após satisfeita a condição da entrada Cover Closed, quando pressionada a tecla S, o sistema entra no modo de referência, nesse modo os motores dos eixo X, Y e Z se movem (em velocidade baixa) no sentido horário até atingirem o sensores de referência, Home X, Home Y e Home Z. Durante este processo deverá ser mostrado a tela de referenciamento. Se em qualquer momento a entrada Cover Closed for desacionada, a tela de erro deverá ser mostrada por 3 segundos e retornar à tela inicial para reiniciar o processo.
  
  Quando o processo de referenciamento estiver concluído, sensores Home X, Home Y e Home Z em ativados (ativados = nível alto), deverá ser mostrada a tela posição.
  

  No processo de referência as variáveis de contagem de posição deve ser zeradas e a variável eixos referenciados setada para um. A partir da tela de posição deve ser possível mover os eixo de forma manual (X, Y e Z), para tanto deverá ser pressionado a tecla P a fim de selecionar um dos eixos. O eixo selecionado deve ser destacado com o caractere de sublinhado, indicando o movimento manual habilitado. Para sair do modo manual deve-se percorrer os eixos Z, X e Y, pressionando a tecla P, se a seleção atual for do eixo Y e a tecla P for pressionada novamente, o modo manual é desabilitado e a tela de posição é mostrada novamente.

  

  Em modo manual o eixo selecionado é movido através da teclas + e - . Quando pressionado a tecla + o eixo se move no sentido horário (CW), quando pressionada tecla - em sentido anti-horário (CCW). O movimento deve respeitar os limites físicos do curso mecânico de cada eixo, exposto abaixo:

  Curso de deslocamento dos Eixos:

  ● Eixo X: 0… 200mm
  ● Eixo Y: 0… 300mm
  ● Eixo Z: 0… 150mm
  

  Caso o eixo que está sendo movimentado atingir o final do curso, uma mensagem de erro deverá ser informada, indicando o eixo e o sentido em que ocorreu o final do curso, exemplo abaixo.

  

  Durante o modo manual, o eixo spindle é ligado através da tecla S. Pressionando a tecla S uma vez o eixo Spindle liga em velocidade fixa de 500 RPM, Pressionando novamente S, o eixo Spindle desliga. Se o Spindle for ligado manualmente e o modo manual for desativado, o eixo é desligado automaticamente.

  

Nenhum movimento deve ser permitido quando a entrada Cover Closed estiver em nível lógico baixo. Se um comando de movimento ocorrer, a tela de erro deverá ser mostrada.

• Interface Serial

  Se o modo manual não estiver ativado, o controlador aceita comandos pela entrada serial, os comandos permitidos são listados abaixo:

  

  As mensagens recebidas devem ser estar entre os caracteres delimitadores de início ($) e final (#) de mensagem. Exemplos de mensagem válida:

  ● Ex1.: Ajustar a velocidade do spindle para 1000 RPM, ativar o giro no sentido CW, ajustar a velocidade de movimento dos eixo em rápido e mover o eixo Z para a posição 10.

      $S=1000M3Z=10F=Rapido#
  

  ● Ex2.: Mover eixo X para a posição 10 e o eixo Y para a posição 5. Neste caso os eixo movem com a última velocidade ajustada (Lento, Medio, Rapido ).

      $X=10Y=5#
  

  Exemplo de interpolação para o comando acima supondo a posição anterior de X e Y em 1:

  

  Para o cálculo da interpolação levar em consideração o incremento mínimo do sistema, para este o projeto, o menor incremento possível é uma unidade (10 passos no motor de passos equivalem a uma unidade ou 1mm). Realizar o cálculo do fator de interpolação m utilizando a divisão de inteiros, veja abaixo:

  

  Assim, para cada dois incrementos em X ocorre um incremento em Y, ao final da interpolação, como visto na figura acima, o eixo x deve andar mais uma unidade, resto da divisão, para atingir a posição final. Como será utilizado a divisão de inteiros, o numerador deve ser sempre o maior valor, supondo que no exemplo acima o deslocamento comandado fosse de X=5 e Y=10 a interpolação seria:

  

  Assim, para cada dois incrementos em Y ocorre um incremento em X, ao final da interpolação o eixo Y é que deve andar mais uma unidade, resto da divisão, para atingir a posição final.

• MCU

  O microcontrolador é o ATMEGA328P (Arduino).

• Driver

  O driver utilizado é circuito integrado L293D - Quadruple Half-H Drivers, pinagem mostrada abaixo:

• Motor dos eixos

  Serão utilizados motores de passo unipolares, esquema de ligação conforme abaixo.

• Spindle

  O motor do Spindle será simulado com um Motor DC e um encoder de 20PPR. A velocidade atual, não a programada, deverá ser mostrada no display da interface.

• Heart Beat

  Um LED deverá ser utilizado para informar que o sistema está em execução. O LED deverá permanecer aceso caso o driver de saída esteja desabilitado.

• Chaves e sensores

  Devem ser utilizados chaves normalmente abertas para simular o comportamento dos sensores de referência (Home) e de proteção aberta (Cover Closed).

• Softwares utilizados

  ● Sloeber, IDE do Eclipse para o Arduino

  ● Proteus 8 Professional

• Diagrama esquemático

• Placa de circuito impresso

• Desenvolvedores do projeto

  Arthur Polese - Arthur

  Enzo Miozzo Petry - Enzo