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Lancenigo di Villorba TREVISO

CORSO SERALE AREA DI PROGETTO ANNO SCOLASTICO 2006/2007

Allievo: NASATO GIANNI Tutor: prof. ITALO ZANIOL, MARCO FALAVIGNA

MACCHINA A CONTROLLO NUMERICO

GESTITA DA MICROCONTROLLORE

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INDICE

INTRODUZIONE pag. 3 SCHEMA A BLOCCHI DEL SISTEMA pag. 4 ANALISI DELLO SCHEMA A BLOCCHI E DEI PRINCIPALI COMPONENTI pag. 4/9 SCHEMA ELETTRICO DEL CIRCUITO DI CONTROLLO pag. 10/11

PIC 16F877 della Microchip SOFTWARE PER LA SIMULAZIONE DELLA SCHEDA DI CONTROLLO pag. 11/12

( Proteus ver.9.4) SOFTWARE PER IL CONTROLLO NUMERICO ( KellyCam versione free) pag. 13/14 SOFTWARE PER DISEGNO CAD 2D – 3D ( AlphaCam ) pag. 15/16 SOFTWARE UTILIZZATO PER LA PROGETTAZIONE HARDWARE pag. 16/17

(Eagle 2D/3D)

Vista della scheda di controllo in 3D realizzata con Eagle

SOFTWARE PROGETTATO IN LIGUAGGIO ASSEMBLY pag. 17/26 (spiegazione delle principali routine)

DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA E VIDEO pag. 26/29 CONSIDERAZIONI FINALI (ed esempi di lavorazioni) pag. 29/30 PRINCIPALI ISTRUZIONI E METODOLOGIE PER ESEGUIRE LA FORATURA DI CIRCUITI STAMPATI pag. 31/34

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Introduzione

A conclusione del corso di studi presso l’ITIS “M. PLANCK” di Lancenigo (TV), ho pensato di realizzare un progetto che consentisse di unire le conoscenze acquisite sui microprocessori al controllo delle macchine utensili utilizzate per la lavorazione di diversi materiali ( materiali teneri e in particolare legno ) e la realizzazione di circuiti stampati ( asportazione rame mediante fresa e foratura ). Utilizzando il microcontrollore PIC16F877A, opportunamente interfacciato con tre motori e altre periferiche di controllo e comando, ho progettato una macchina (pantografo) a livello hobbistico che, mediante il controllo di tre assi X-Y-Z, realizza un sistema di controllo ampiamente utilizzato in campo industriale e che è comunemente chiamato CNC. CNC è l’abbreviazione di “Computer Numeric Control”, ossia una macchina per lavorazioni meccaniche, vedi tornio, fresa ecc., che viene comandata da un computer per eseguire delle lavorazioni ad un pezzo.

Con un programma CAD (vedi Autocad), viene disegnato il particolare da realizzare, poi con un programma CAM (vedi KCAM) viene generato il programma usato dal controllo CNC.

Una macchina a CNC di tipo hobbistico, come questa realizzata, è generalmente costituita dalle seguenti parti:

• Computer • programmi CAD, CAM ed interpreti vari. • Programma di controllo CNC • file in formato Gcode del pezzo o lavorazione da eseguire • controllo elettronico del CNC (Stepper drivers) • gruppo alimentazione del controllo elettronico. • motori passo passo (step motor) • fresa che esegue le lavorazioni

Meccanica della macchina a controllo numerico

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Schema a blocchi del sistema e sua descrizione

Lo schema a blocchi del sistema è quello rappresentato in figura.

� Il computer può essere un qualsiasi Personal Computer con sistema operativo DOS –

Windows – LINUX – MAC su cui possa “girare” del software capace di gestire la macchina a CNC in tempo reale fornendo opportuni segnali di controllo utilizzando per questa applicazione la porta parallela. La comunicazione potrebbe avvenire anche tramite porta seriale RS232 oppure USB. Nel computer deve essere installato: � un pacchetto applicativo CAD 3D che consente di disegnare il pezzo da ottenere a

lavorazione finita. � Un pacchetto applicativo CAM che traduce il file di disegno CAD in un programma

di lavorazione per la macchina a CNC.

� Il microcontrollore ha il compito di gestire gli attuatori che controllano il movimento di tre assi ( potrebbero essere anche di più per lavorazioni complesse ). Il movimento dei tre assi controlla la posizione di un utensile portato in rotazione da un motore ( ad esempio un motore in corrente continua ). Le informazioni vengono fornite al microcontrollore dal PC tramite la porta parallela suddetta; a sua volta il microcontrollore potrebbe inviare al PC, sempre attraverso la parallela, segnali riguardanti lo stato di alcune periferiche ( fine corsa, tastatori, pulsanti di emergenza ecc. ). Riassumendo le periferiche interfacciate al microcontrollore sono:

� La porta parallela per ricevere segnali di controllo dal PC � Una tastiera per posizionare manualmente l’utensile � tre driver per il pilotaggio dei motori � un driver per pilotare il motore che porta in rotazione l’utensile � dei led di segnalazione � un pulsante di emergenza (reset)

Nella scheda è presente anche uno strip per la programmazione in circuit del microcontrollore.

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Analisi delle periferiche

La porta parallela

Questa interfaccia verso il PC, anche se oramai in disuso, ben si presta alla mia applicazione. Questa porta, infatti, dispone di un numero di I/O adeguati ed inoltre la velocità di trasmissione delle informazioni soddisfa l’esigenza di una applicazione real time. In figura 1 è mostrata la piedinatura della porta (connettore femmina ): le linee in giallo sono uscite, quelle in celeste ingressi e quelle verdi la massa. In figura 2 sono indicati i nomi delle varie linee che sono derivati dalla iniziale applicazione di questa porta per il controllo di stampanti.

Fig. 1 fig. 2

In tabella è riportato l’indirizzo di ciascun bit con il relativo indirizzo di porta. I nomi indicati in grassetto sono segnali in logica negata.

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Tramite i segnali di uscita della porta parallela, il PC invia al processore i comandi per i motori che controllano i movimenti dei tre assi. Per ogni asse vengono utilizzati due segnali: uno controlla la direzione dello spostamento ( direction ), mentre l’altro (clock) lo spostamento di un passo. Un ulteriore segnale serve a controllare il motore che aziona l’utensile. In definitiva il microcontrollore dovrà interpretare questi segnali e comandare fisicamente le interfacce dei motori. La tastiera

Tenuto conto che il tastierino è costituito da una matrice di righe e colonne sui cui incroci si trova un pulsante che mette in collegamento una riga con una colonna, la lettura di tale periferica può essere fatta portando a livello basso una colonna ( o una riga ) e fare la scansione ( lettura ) delle righe ( colonne ). Quando un tasto, che si trova sulla colonna suddetta, viene azionato, la riga corrispondente a questo tasto si trova a livello basso e come tale può essere letta. Configurando le colonne come ingressi e le righe come uscite, con opportuna scansione, si può stabilire il tasto azionato. In fase di lettura della tastiera è anche opportuno utilizzare del software che consente di eliminare i rimbalzi dei contatti. La logica da seguire è la seguente:

a) quando viene riconosciuto un livello basso su uno degli ingressi, si chiama una routine di ritardo di 20ms che consente di ignorare lo stato della periferica finché vengono eliminati i rimbalzi.

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b) Trascorso tale tempo, si attende che il tasto venga rilasciato ( si testa se l’ingresso viene portato a livello alto ).

c) Riconosciuto questo evento si richiama la routine di ritardo e si prosegue con le successive istruzioni del programma.

I motori passo-passo

Per l’azionamento dei tre assi sono stati utilizzati dei motori passo-passo. Essi presentano vantaggi e svantaggi rispetto ad altri tipi di attuatori. Vantaggi: � Non richiedono un sistema di retroazione che controlli la posizione dell’asse � La logica di comando è puramente digitale e in genere mediante

microprocessore � La posizione è facilmente deducibile dal software di controllo � A motore fermo il rotore può essere bloccato Svantaggi: � La coppia disponibile è limitata a valori bassi � Qualora la coppia frenante sia maggiore di quella motrice viene persa la

posizione dell’asse � All’aumentare della velocità la coppia motrice diminuisce Principio di funzionamento di un

motore passo-passo

Si prende in considerazione un motore passo-passo bipolare costituito da quattro avvolgimenti Ph1, Ph2, Ph3, Ph4 disposti sullo statore a 90° l’uno dall’altro avvolti su quattro espansioni polari. Sul rotore è presente un magnete permanente. Per comprendere il principio di funzionamento è possibile ricondursi alla seguente

schematizzazione costituita dal magnete e dalle 4 bobine. Iniziamo ad alimentare le due bobine in verticale. Il solenoide in alto affaccia il polo S alla calamita mentre il solenoide in basso mostra il proprio polo N. Poli opposti si attraggono, perciò il magnete si porterà con il polo N in alto ed il S in basso.

Successivamente alimentiamo le due bobine poste in orizzontale. Anche questi solenoidi sono collegati in serie. Il magnete "vedrà" il polo S a destra ed il N a sinistra, e si

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porterà in questa posizione compiendo un quarto di giro in senso orario.

Proviamo ora ad alimentare le due bobine verticali ma invertendo la polarità della batteria rispetto al primo caso: la corrente circola in senso inverso, il polo S è ora in basso e quello N in alto. Il magnete ruota di un altro quarto di giro in senso orario, attirata dai poli opposti. La situazione è simmetrica rispetto al primo passo.

Infine alimentiamo ancora le due bobine orizzontali, con polarità rovesciata rispetto al secondo caso. Il magnete ruota di un ulteriore quarto di giro, per avvicinare il proprio polo N al polo S che ora si trova a sinistra, ed il proprio polo S al polo N che ora è a destra.

La sequenza prosegue ricominciando dal passo 1: così facendo il rotore tornerà alla posizione iniziale e avrà compiuto un giro intero. Questo è uno dei tanti modi di alimentazione degli avvolgimenti che comunque aiutano a comprendere come funziona un motore passo-passo.

Driver per motori passo-passo

Da quanto visto sul funzionamento dei motori passo-passo, il modo più semplice per pilotarli è quello di utilizzare quattro amplificatori binari che controllano la conduzione delle fasi. Tali amplificatori si realizzano con BJT oppure mosfet. Poiché i motori assorbono correnti piuttosto elevate ( in genere maggiori di 500mA ) è opportuno, se si utilizzano dei BJT, far riferimento a dei transistori Darlington caratterizzati da un guadagno statico di corrente piuttosto elevato che limita la corrente di pilotaggio a pochi mA. Nel progetto sono stati utilizzati dei transistori BDX53.

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Transistor BDX53C

Categoria transistor bipolari hFE 750 min Lc max (A) 8,0 Modello NPN Darlington Pd max. 60,00W Vceo max. 100,0 V TRANSISTOR BJT (bipolar junction transistor) E’ idealmente costituito due giunzioni PN realizzate su un wafer di silicio. E’ un dispositivo tripolare cioè a tre terminali. C: Collettore B: Base E: Emettitore

� EQUAZIONI IN REGIONE ATTIVA :

IE = IC + IB IC = hFE IB IE = IB hFE + IB = IB (hFE + 1) IE ≈ IC � POLARIZZAZIONE DEL BJT

Per far funzionare il transistore come interruttore, è necessario che, con segnale di ingresso basso, esso si trovi in interdizione mentre, con livello alto, in saturazione. Se Vi è minore della tensione di soglia ( circa 1V per un darlington ) il BJT è interdetto in quanto IB=0. Con livello alto, si dimensiona RB in modo che

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IB sia maggiore di IC/hFE di un 20 30%. Nel nostro caso i motori assorbono circa 1 ampere, per cui risulta RB = 470 ohm.

Lo svantaggio maggiore di pilotare le fasi con questa tecnica, consiste nel fatto che la corrente di eccitazione di fase non sale istantaneamente al valore massimo quando il transistore si porta in conduzione, ma bensì con legge esponenziale che dipende dalla costante di tempo del circuito di eccitazione. Per questo motivo la velocità di rotazione deve essere limitata in quanto la coppia motrice cala all’aumentare della velocità. Ci sono varie tecniche che consentono di fronteggiare questo problema. La più vantaggiosa consiste nell’alimentare le fasi con una tensione maggiore di quella nominale in modo da ridurre il tempo in cui la corrente arriva a regime. Una volta raggiunto tale valore, si diseccita la bobina; la corrente continua a circolare nella fase grazie ai diodi di ricircolo in parallelo alla bobina. Quando la corrente scende al di sotto di un certo valore, si torna ad eccitare la bobina. Tale tecnica, denominata PWM, consente di raggiungere ottimi risultati con costi, però, sicuramente maggiori. Esistono svariati circuiti integrati che consentono il controllo del motore nel modo indicato: i più famosi sono la coppia LM297-298. Tuttavia la soluzione adottata consente un risparmio economico di circa venticinque euro anche se le prestazioni sono inferiori.

Schema elettrico scheda di controllo basata su

PIC 16F877A

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disposizione dei componenti

Il pic 16F877

Il PIC = Peripheral Interface Controller (Controllore di periferiche programmabile) è, in ultima analisi, un microcomputer. Dispone di:

� 8k di flash memory (area memoria programma) � 368 byte di ram � 256 byte di memoria non volatile � Tutte le istruzioni, ad eccezione di quelle di

salto, utilizzano 1 ciclo macchina che corrisponde a 4 periodi di clock

� può lavorare con un clock fino 20 Mhz � ha fino a 14 sorgenti di interrupt (da periferiche

interne e/o esterne) � è possibile annidare fino ad 8 chiamate a subroutine in quanto lo Stack ha una

profondità pari a 8 � Ha un architettura RISC che significa : Reduced Instruction Set Computing, cioè

può essere programmato con un numero limitato di istruzioni ( 35 ) � Supporta la ICSP : In Serial Circuit Programming cioè la possibilità di

programmarlo senza togliere il chip dalla scheda Le periferiche interne sono:

3 Timer (Timer0 8 bit, Timer1 16 bit e Timer2 8 bit) 2 moduli CCP capture, compare e pwm

Connettore 25 poli LPT Pin collegamento programmatore on board. Pin collegamento tastierino

Morsettiere collegamento motori

Collegamento utensile

Alimentazione

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8 ingressi analogici con conversione a 10 bit porta seriale sincrona/asincrona porta I2c porta di comunicazione parallela (PSP) diversi pin di i/o distribuiti su 5 porte (Porta, Portb, Portc, Portd, Porte)

Ambiente di sviluppo del Software per

simulazione e programmazione del

microcontrollore (Proteus ver.9.4)

Per la progettazione del software è stato utilizzato il programma MPLAB IDE v7.50. Per quanto concerne la simulazione, ho utilizzato il programma PROTEUS VER9.4 che risulta ottimale in quanto consente di analizzare adeguatamente il funzionamento del software che gira nel PIC e di metterlo a punto in tempi brevi. Questo programma mi ha dato sicuramente grandi soddisfazioni e risultati. Il modo di utilizzo è stato da parte mia istintivo e autodidatta; la simulazione si basa sui seguenti punti: si costruisce lo schema elettrico utilizzando i componenti in libreria. Nel mio caso ho

utilizzato il PIC16F877, un ingresso gestito da parallela ,un tastierino , una serie di diodi led, dodici transistor NPN Darlington BDX53C e componenti di supporto.

Si crea il software in linguaggio Assembler, per il controllo degli ingressi e delle uscite del microcontrollore. Si genera il file eseguibile o codice oggetto con estensione HEX ( quello che dovrebbe essere caricato nel PIC )

Si carica il file HEX sul PIC virtuale di Proteus. Negli ingressi della porta parallela cioè il PORTA, ho simulato un segnale di clock con

frequenza 20 Hz Si procede con la simulazione Di seguito, in fig.4, è riportato lo schema elettrico realizzato e il listato dei componenti (fig.5) generato da PROTEUS.

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Fig. 5

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Software CAM per la gestione, via porta

parallela, dei file GC,DXF,LPT (Kellyware KCam v4.0.22)

View CNC control Questa funzione apre la finestra di controllo CNC. La finestra del controllo CNC, permette il controllo dei movimenti manuali e automatici degli assi. Insieme alle informazioni specifiche

sulle caratteristiche dei movimenti.

Keyboard Jog Controls Quando questa finestra è aperta, la pressione dei tasti freccia sul tastierino numerico del PC ( scroll lock attivo ) movimenterà gli assi; questi si sposteranno solo quando i tasti saranno abbassati; non appena verranno rilasciati il movimento verrà arrestato.

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View Parallel port I/O display Questa funzione apre la finestra di visualizzazione della porta di I/O, dove è rappresentato lo stato corrente della logica sui PIN della porta parallela. Questa schermata può essere utile per diagnosticare problemi di comunicazione I/O.

Table setup Parameters. Si apre con questa la tabella di impostazione. Da qui è possibile settare la redazione dei parametri di tabella CNC. Es. - Unità di misura (millimetri o pollici) -Numero di passi per unità di misura richiesti per azionare un asse. -Lunghezza massima di un asse. -Profondità dell’asse Z in modo spostamento o in modo lavorazione. -Inversione del sistema di coordinate dei motori. -Posizione di origine.

PIN setup Port Maschera per il settaggio dei pin della porta parallela. Deve esserci una corrispondenza logica con l’hardware ed il software progettato per la scheda di controllo dei motori e del mandrino.

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Software per disegno 2D-3D ALPHACAM

Questo software, in pratica, è un CAD 3D con particolarità CAM. Si può disegnare qualsiasi oggetto comprese scritte 2D-3D. Rispetto ad altri CAD è necessario specificare le sezioni del pezzo da lavorare (specifica dimensioni materiale), decidere le varie caratteristiche di taglio, cioè, utensile usato, direzione da “prendere” (interna o esterna alla linea), profondità di lavorazione, faccia o volume di taglio. Grazie, poi, ad un post processor generico, il disegno, completo delle sue lavorazioni, viene salvato come file GC ( gcode) con tutte le coordinate negli assi cartesiani X Y Z.

♦ Simulazione 3D lavorazione pezzo.

Schermata iniziale di “AVANZATO 3D 3 ASSI Pantografo:

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L’immagine successiva rappresenta il disegno iniziale della struttura della macchina ( pantografo ), appunto progettata con questo CAD; successivamente i profili sono stati convertiti come taglio utensile nel formato GC (g code)

Software utilizzato per realizzare schema

elettrico e sbrogliato ( Eagle 4.11 )

Con il pacchetto applicativo Eagle V. 4.11 è stata progettata la parte hardware della scheda di controllo vale a dire schema elettrico e master per la realizzazione degli stampati.

Questi passaggi sono stati eseguiti in laboratorio di TDP durante l’anno scolastico.

Schermata principale:

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Board.

Schematic:

Il software in linguaggio Assembler progettato

con MPLAB V. 7.50

Assegnazione di variabili e localizzazioni memorie: ;***************** PANTOGRAFO ************************* list p=PIC16f877 __config ( _CP_OFF & _DEBUG_OFF & _WDT_OFF & _XT_OSC & _CPD_OFF & _BODEN_OFF & _WRT_ENABLE_OFF & _LVP_OFF ) #include <p16f877.inc> #define XPORT PORTD #define YPORT PORTC #define ZPORT PORTC

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#define RELE PORTD,0 #define INPUTPORT PORTA #define RELEPORT PORTE,0 #define XF1 4 #define XF2 5 #define XF3 6 #define XF4 7 #define YF1 7 ;ASSEGNAZIONE DI UN “NOME” #define YF2 4 ;SIMBOLICO ALLE FASI DEI MOTORI #define YF3 5 ; #define YF4 6 ;QUESTA TECNICA PERMETTE DI ;SPECIFICARE QUALE FASE ECCITARE #define ZF1 2 ;SENZA DOVER OGNI VOLTA #define ZF2 3 ;RICORDARE L’USCITA (PORTx,x) #define ZF3 0 #define ZF4 1 #define XBIT 0 #define YBIT 1 #define ZBIT 2 #define XDIR 3 #define YDIR 4 #define ZDIR 5 #define STEPMASK 0X03 cblock 0X20 ; dall’indirizzo 0X20 si definiscono le varie label. MS SAVE_W SAVE_S CONTX CONTY CONTZ CONTX1 CONTY1 CONTZ1 PORTAI CONT COUNTER1 COUNTER2 NEWSAMPLE OLDSAMPLE XSTEPCOUNTER YSTEPCOUNTER ZSTEPCOUNTER DUMMYPORT endc

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Configurazione dei registri speciali del PIC MOVLW B'00000001' ;PRESCALE PER QUARZO 4 Mhz MOVWF OPTION_REG ;ASSEGNA PRESCALE A TMR0 - CONFIGURA ; PRESCALER MOVLW B'01011100' ;CONFIGURA PORTB PER TASTIERINO MOVWF TRISB CLRF TRISE CLRF TRISC ;PORTC OUT CLRF TRISD ;PORTD OUT MOVLW B'00000111' ;CONFIGURA ADCON1 PER INGRESSI DIGITALI MOVWF ADCON1 ;DEL PORTA CLRF TRISA MOVLW 0XFF ;CONFIGURA PORTA COME INGRESSI DIGIT. MOVWF TRISA MOVLW B'00000011' ;PORTE,0 e 1 COME INGRESSI MOVWF TRISE BCF STATUS,5 ;BANCO 0 ;******************* CLRF NEWSAMPLE ;INIZIALIZZAZIONE DELLE VARIABILI CLRF OLDSAMPLE CLRF XSTEPCOUNTER CLRF YSTEPCOUNTER CLRF ZSTEPCOUNTER ;******************* CLRF PORTB CLRF PORTC ;MOTORI X, Y OFF CLRF PORTD ;RELE' OFF MOTORE Z OFF DIODI ON CLRF CONTX CLRF CONTY CLRF CONTZ CLRF CONTX1 ;AZZERA CONTATORI PASSI CLRF CONTY1 CLRF CONTZ1 CLRF CONT MOVLW B'10100000' ;ABILITA INTERRUPT MOVWF INTCON

Routine di Test: in questa parte di programma si rimane in attesa della pressione di un pulsante del tastierino per poter passare alla

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modalità manuale, cioè il movimento degli assi tramite tastiera, oppure alla modalità automatica, assegnando Il controllo alla porta parallela:

La scansione del tastierino collegato al PORTB, viene eseguita in maniera semplice. Il sistema di test pone inizialmente sempre a zero il bit meno significativo che controlla l’uscita di un diodo led (PORTB,0), mentre i bit rimanenti controllano la tastiera. Poniamo a valore alto tutti i bit tranne quello corrispondente alla colonna da testare. Successivamente si esegue un test per controllare se una riga viene portata bassa.In questo caso viene chiamata la routine POSIZIONA1. Si continua finché non viene premuto uno dei due tasti scelti per il passaggio alla lavorazione automatica.

;******************************* TESTA BCF PORTD,1 BCF PORTD,2 BCF PORTD,3 ;ACCENDE DIODI E SPEGNE RELE’ BCF PORTB,0 BCF PORTE,2 TESTA1 MOVLW B'11011110' ;SCANSIONE COLONNA 3 (PORTB,5) MOVWF PORTB BTFSS PORTB,6 ;PREMUTO #? CALL POSIZIONA1 ;POSIZIONAMENTO MANUALE ASSI MOVLW B'11111100' ;SCANSIONE COLONNA 1 (PORTB,1) MOVWF PORTB BTFSS PORTB,6 ;PREMUTO *? CALL scanningLoop;LAVORAZIONE AUTOMATICA GOTO TESTA1 :RITORNA A FARE IL TEST SENZA VARIARE ;LA CONFIGURAZIONE DIODI E RELE’

Routine posiziona: con la pressione di un tasto si chiamano le routine per l’eccitazione delle fasi dei motori. Questa parte di programma non si differenzia da quella spigata in precedenza; il test viene eseguito incrociando il controllo tra colonne e righe del tastierino.

PORTB,0 DIODO LED PORTB,5

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;********************ROUTINE POSIZIONA******************** POSIZIONA1 BSF PORTE,2 ;attiva segnalatore POSIZIONA BTFSC PORTE,1 GOTO VAI XYZ BTFSS PORTE,1 GOTO XYZ BTFSC PORTE,2 GOTO ON ;SERIE DI TEST PER ATTIVAZIONE GOTO OFF ;RELE’ ,IN D0 ,CON PULSANTE IN E1 E ON BCF PORTE,2 ;RISPETTIVA ACCENSIONE LED IN E2 BCF PORTD,0 GOTO VAI OFF BSF PORTE,2 BSF PORTD,0 VAI CALL MS20 BSF PORTD,1 ;SPEGNE DIODI BSF PORTD,2 BSF PORTD,3 MOVLW B'01111110' ;SCANSIONE COLONNA 2 MOVWF PORTB BTFSS PORTB,3 ;PREMUTO 5? CALL SX_Z ;CHIAMATA MOVIMENTO IN Z BTFSS PORTB,6 ;PREMUTO 0? CALL DX_Z ;CHIAMATA MOVIMENTO IN Z BTFSS PORTB,2 ;PREMUTO 2? CALL DX_Y ;CHIAMATA MOVIMENTO IN Y BTFSS PORTB,4 ;PREMUTO 8? CALL SX_Y ;CHIAMATA MOVIMENTO IN Y MOVLW B'11011110' ;SCANSIONE COLONNA 3 MOVWF PORTB ; BTFSS PORTB,2 ;PREMUTO 3? CALL XY ; CHIAMATA MOVIMENTO IN X-Y BTFSS PORTB,3 ;PREMUTO 6? CALL DX_X ;CHIAMATA MOVIMENTO IN X BTFSS PORTB,4 ;PREMUTO 9? CALL YX1 ; CHIAMATA MOVIMENTO IN X-Y MOVLW B'11111100' ;SCANSIONE COLONNA 1 MOVWF PORTB ; BTFSS PORTB,2 ;PREMUTO 1?

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CALL YX ; CHIAMATA MOVIMENTO IN X-Y BTFSS PORTB,3 ;PREMUTO 4? CALL SX_X ; CHIAMATA MOVIMENTO IN Y BTFSS PORTB,4 ;PREMUTO 7? CALL XY1 ; MOVLW B'11111101' ;SCANSIONE COLONNA 1 MOVWF PORTB ; BTFSC PORTB,6 GOTO POSIZIONA RETURN

Routine eccitazione fasi motore Come spiegato, il controllo del motore avviene eccitando le fasi secondo una certa sequenza. Si eccitano a rotazione le fasi in modo tale che il magnete interno compia uno spostamento di un passo (1,8° ) nella direzione desiderata. Nel mio caso le fasi sono state eccitate a due per volta in modo da aumentare la coppia motrice, cosa particolarmente gradita per l’azionamento degli assi X, Y.

Una tipologia particolare di motore passo-passo utilizzabile sia in configurazione unipolare che bipolare, e quella a 6 fili. Nella figura questo tipo di motore è stato schematizzato con le quattro fasi racchiuse nel rettangolo tratteggiato.

La coppia disponibile, con eccitazione a due fasi per volta, è circa 1,4 volte maggiore di quella ottenuta con una sola fase attiva alla volta: infatti sul rotore agiscono due forze tra loro perpendicolari che producono una risultante con modulo 1.4 volte maggiore rispetto alle componenti assiali.

Il consumo di potenza e quindi anche il riscaldamento del motore raddoppiano. Questo fatto potrebbe creare problemi in alcuni motori non adatti a questo tipo di pilotaggio.

Passo Ph1 Ph3 Ph2 Ph4

1 I I 0 0

2 0 I I 0

3 0 0 I I

4 I 0 0 I

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• Di seguito è mostrata la routine spostamento: L’eccitazione dei motori è a due fasi per volta.

;********** ROUTINE SPOSTA ASSE Z VERSO ALTO *************** SX_Z BCF PORTD,1 ;ACCENDI DIODO INCF CONTZ MOVLW 4 ;CONTROLLA POSIZIONE SUBWF CONTZ,0 ; MOTORE BTFSS STATUS,2 GOTO SZ1 CLRF CONTZ BCF PORTC,2 ;UN PASSO BSF PORTC,0 BSF PORTC,1 ;LE DUE FASI ECCITATE RETURN SZ1 MOVLW 1 SUBWF CONTZ,0 BTFSS STATUS,2 GOTO SZ2 BCF PORTC,1 ;UN PASSO BSF PORTC,0 BSF PORTC,3 RETURN SZ2 MOVLW 2 SUBWF CONTZ,0 BTFSS STATUS,2 GOTO SZ3 BCF PORTC,0 ;UN PASSO BSF PORTC,2 BSF PORTC,3 RETURN SZ3 BCF PORTC,3 ;UN PASSO BSF PORTC,1 BSF PORTC,2 RETURN

Sicuramente la parte di programma più importante riguarda la lettura e l’elaborazione dei segnali provenienti dalla porta parallela. Come detto in precedenza il controllo di ogni asse utilizza 2 linee: � Direzione asse � Clock ovvero il segnale che controlla l’avanzamento di un passo dei motori. L’hardware prevede che i segnali provenienti dalla parallela siano leggibili sul porto A del PIC ad eccezione del segnale che controlla lo stato del motore porta utensile posto nel porto E.

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Di seguito è analizzata una parte della routine che interpreta tali segnali e controlla la posizione dei tre motori e del relè che aziona il motore porta utensile. ;********** ROUTINE LAVORAZIONE PEZZO ************* ****** scanningLoop BTFSC RELEPORT ;CONTROLLA SE ATTIVARE RELE’ BCF RELE BTFSS RELEPORT BSF RELE BTFSC RELEPORT ;ATTIVA DISATTIVA SEGNALATORE BCF PORTE,2 BTFSS RELEPORT BSF PORTE,2

Questo blocco di istruzioni è sufficientemente semplice; viene testato lo stato dell’ingresso RELEPORT così dichiarato: #define RELEPORT PORTE,0

Lo stato del bit zero del porto E, viene praticamente copiato nel bit zero del porto D che controlla lo stato dell’utensile. La variabile relè è stata così dichiarata:

#define RELE PORTD,0

Il seguente blocco di istruzioni controlla se deve essere aggiornata la posizione dell’ asse X secondo la seguente logica:

1. viene letto il porto A e salvato nella variabile NEWSAMPLE 2. viene testato il bit che fornisce il segnale di clock relativo allo stato passato

dell’asse X ( precedente ciclo di lettura ) memorizzato in OLDSAMPLE. a. Se questo bit è a 1 lo stato dell’asse non deve essere modificato in

quanto se il nuovo stato è 1 significa che è in corso la temporizzazione relativa all’esecuzione di un passo se il nuovo stato è zero lo stato dell’asse non deve cambiare

b. Se è 0 bisogna controllare lo stato presente. Se lo stato presente è 0 non è richiesto il cambiamento di stato dell’asse, se 1 si deve aggiornare la posizione chiamando in causa la routine UPDATEX .

movf PORTA,W ;MEMORIZZA STATO PRESENTE MOTORI movwf NEWSAMPLE btfsc OLDSAMPLE,XBIT ;CONTROLLA STATO PASSATO DEL MOTORE X; SE OFF

;CONTROLLA NUOVO STATO goto noStepX ;SE ON NON INTERVENIRE LASCIA FASI ECCITATE BTFSC NEWSAMPLE,XBIT ;CONTROLLA NUOVO STATO MOTORE ASSE X CALL UPDATEX ;SE A 1 CHIAMA ROUTINE CHE CONTROLLA DIREZIONE E MU OVE

;DI UN PASSO noStepX btfsc OLDSAMPLE,YBIT ;IDEM ASSEY GOTO noStepY BTFSC NEWSAMPLE,YBIT CALL UPDATEY noStepY

Al termine di questa routine viene aggiornato lo stato passato degli assi trasferendo in OLDSAMPLE il contenuto di NEWSAMPLE.

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MOVF NEWSAMPLE,W ;AGGIORNA STATO DEI MOTORI MOVWF OLDSAMPLE ;LO STATO PRESENTE DIVENTA STATO PASSATO PER NUOV A ;SCANSIONE GOTO scanningLoop

La routine UPDATEX movimenta il motore relativo all’asse X secondo questa logica:

1. viene controllata la direzione testando il bit 3 del porto A: a seconda dello stato di tale bit viene aggiornato lo stato del puntatore ( incrementato o decrementato di 1 ) che consente di recuperare dalla tabella XSTEPTASBLE i livelli logici con cui pilotare le fasi del motore X. Poiché i puntatori potrebbero assumere dei valori negativi ( ad esempio se inizialmente il valore del puntatore fosse 0 ed esso fosse decrementato per puntare al dato in posizione 3 della tabella, assumendo invece il valore 0xFF ) bisogna “correggere” tale situazione azzerando tutti i bit non significativi che potrebbero portarci fuori tabella. La variabile STEPMASK, inizializzata col valore 0x03, è una maschera che, tramite una istruzione di AND logico, consente di azzerare tutti i bit del puntatore ad esclusione dei due meno significativi che servono ad accedere ai dati di tabella.

2. letto da tabella lo stato dei transistori che pilotano le fasi del motore, si presenta il problema di modificare solo lo stato delle uscite che controllano il motore dell’asse X lasciando inalterate le altre. Il motore y, ad esempio, viene comandato dalle uscite 4,5,6,7 del porto C mentre le altre quattro comandano le fasi del motore Z. Dunque, se si vuole aggiornare, ad esempio, lo stato delle fasi del motore Y, si devono lasciare inalterate le uscite che controllano le fasi del motore Z e agire solo sulle uscite che controllano il motore Y. Ciò è possibile utilizzando opportune istruzioni logiche che, tramite delle maschere, agiscono selettivamente su uno o più bit di una parola. Nella fattispecie, il valore recuperato da tabella viene:

a. salvato in una locazione di supporto ( DUMMYPORT ) b. viene caricata in accumulatore una maschera che contiene degli 0 nei

bit corrispondenti alle uscite che controllano il motore. Utilizzando tale maschera si esegue un AND con i contenuti del porto che controlla il motore ( il risultato è salvato in accumulatore ). Resta così memorizzato lo stato dei bit che non devono essere modificati.

c. Viene fatto l’OR tra DUMMYPORT ( nuovo stato delle fasi del motore ) con i risultati della precedente elaborazione ( bit che non devono essere modificati ). Il valore ottenuto può essere trasferito nel porto desiderato.

Le considerazioni sviluppate per il controllo dell’asse X valgono anche per il controllo degli altri assi.

UPDATEX ;MOVIMENTAZIONE MOTORE X BTFSS OLDSAMPLE,XDIR ;CONTROLLA DIREZIONE ASSE X INCF XSTEPCOUNTER,F ;SE 0 INCREMENTA PUNTATORE TABELLA

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BTFSC OLDSAMPLE,XDIR DECF XSTEPCOUNTER,F ;SE 1 DECREMENTA PUNTATORE MOVF XSTEPCOUNTER,W ;MASCHERA RISULTATO PER I SOLI 2 BIT MENO

;SIGNIFICATIVI ANDLW STEPMASK ;SE AD ESEMPIO XSTEPCOUNTER ERA 0 PRIMA DEL DECRE MENTO

;ESSO DIVENTA 0XFF DOPO DECREMENTO E SI ANDREBBE FUORI ;TABELLA

CALL XSTEPTABLE ;RECUPERA NUOVO STATO FASI MOTORE X OUTTOXSTEPPORT MOVWF DUMMYPORT ;SALVALO MOVLW~( 1<<XF1 | 1<<XF2 | 1<<XF3 | 1<<XF4 ); INVIA SUL PORTO CHE CONTROLLA

;MOTORE ANDWF XPORT,W ;LASCIANDO INALTERATI I BIT NON INTERESSATI IORWF DUMMYPORT,W ;CIOE’ 00001111 & PORTD = 0000XXXX MOVWF XPORT ;OOOOXXXX | XF4XF3XF2XF1OOOO = XF4XF3XF2XF1XXXX RETURN

Alcune foto della meccanica

♦ La parte meccanica è stata realizzata in legno multistrato da

22mm, verniciato color grigio. Le guide sono in acciaio con cuscinetti a ricircolo di sfere. Il movimento degli assi avviene con vite senza fine.

♦ Particolare taglio dei pezzi di costruzione ( legno multistrato)

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Struttura in legno multistrato da 22 mm

Guide acciaio da 16/22 Utensile

Angolo per posizionamento fisso punto “0” (90°)

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Dettaglio scheda e comandi manuali

Alimentatore 13.8 V, 8 A picco-picco

Presa unica per collegamento motori Interruttore manuale utensile

Hardware principale di controllo

Particolare angolo posizionamento punto “o” , e sistema di fissaggio pezzo

Tastierino per movimenti in manuale

Regolatore giri utensile

Connettore porta PARALLELA

Pulsante per pilotare relè (utensile) in modalità manuale

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� Conclusioni

Per concludere posso dire che questo progetto sviluppato nel corso dell'ultimo anno scolastico, mi ha dato grandi soddisfazioni in quanto sono riuscito, con la collaborazione degli insegnanti di TDP (Zaniol Italo) e sistemi (Falavigna Marco), a realizzare una macchina che riesce ad unire varie discipline tecniche cioè elettronica, informatica, meccanica nonché tecnologiche ( conoscenza dei materiali ). Sottolineo che le scienze meccaniche ed elettroniche viaggiano oramai insieme; avere una meccanica professionale, con spostamenti precisi al centesimo di mm, non sarebbe possibile senza un controllo elettronico realizzato con sistemi basati su microprocessore. La macchina a controllo numerico realizzata, consente di ottenere ottimi risultati per la realizzazione di basso rilievi in legno o plastica e risulta soprattutto ideale per l'incisione e foratura di schede in vetronite ( circuiti stampati).

Una lavorazione 3D implica un tempo di esecuzione molto lungo. Per eseguire, ad esempio, la figura in rilievo qui evidenziata, servono dalle cinque alle sette ore a seconda dell’utensile usato( da 2-3 mm).

Lavorazione su legno Immagine in scala di grigi L’’incisione ITIS MAXPLANCK impegna la macchina per circa 35 minuti

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Per la foratura di un circuito stampato si ha una lavorazione veloce e precisa

Di seguito vengono spiegati i passi principali per l’esecuzione

della foratura di un circuito stampato.

FORATURA BASETTA SU SBROGLIATO ESEGUITO DA

EAGLE:

• Nella schermata board, selezionare e rendere visibili solo PAD, VIAS, Drills e Holes,

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• Dal menù file selezionare RUN e alla schermata successiva aprire il file dxf.ulp e scegliere dove salvare il file generato. C:\documenti\......

• Conversione del file dxf in formato G CODE per la lavorazione con software KCAM In ALPHACAM menù file � input CAD, caricare il file salvato prima con EAGLE

Drills Holes

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• Per la configurazione usata su Kcam si è costretti ad impostare un livello di scala = 0.1 vedi figura

• Selezionare ora l’utensile oppure • modificarne uno a seconda delle proprie esigenze ( es.:DIAMETRO 0.075

Cm)

Selezionare SCALA , TUTTO, fattore di scala 0.1

Input CAD

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• Passo successivo, foratura

• Menù file � Scelta Post � Post..Proces.. GENERICO � 8600 mc - sycam.arp� Ok

• Menù file � Output NC salvare con nome, il file verrà salvato con l’estensione ANC,questo perché non c’è un post proccessor adatto (es.: fori.ANC), bisognerà rinominare il file in un secondo momento con estensione *.GC

Di quanto si deve alzare Z per gli spostamenti (es. 0.2 Cm)

Profondità del foro (es.:- 0.3 Cm)

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• Lavorazione pezzo Con il software KCAM.

Menù file � Open G Code file

• Caricare il file generato con ALPHACAM e rinominato. (fori.GC). Il tempo per la visualizzazione dipenderà dalla grandezza del file e potrà essere di alcuni minuti.