Documentazione Tecnica

Area di Progetto
A.S. 2010-2011
5 A ET
Plotter Cartesiano
XYZ
di
Mattia Antonini
Mattia Antonini
5A ET
A.S. 2010/2011
Introduzione:
Progetto realizzato nel secondo pentamestre con lo scopo di progettare, costruire e programmare
un dispositivo partendo da zero. Il progetto realizzato è un Plotter Cartesiano XYZ. Disponendo in
partenza della parte meccanica, ed elettronica di potenza, sono stati realizzati alimentazione,
cablaggi, e comando con driver con i quali è possibile pilotare la macchina al fine di farle seguire
dei tracciati e quindi disegnare un oggetto. I Plotter cartesiani spesso vengono utilizzati per taglio
laser in ambiente tessile e similare.
Fasi Progettuali
Il progetto iniziato a gennaio 2011 e terminato a giugno 2011 è suddiviso in 3 fasi:
Prima Fase
Realizzata la colonna di alimentazione, il pannello operatore, il cablaggio, l'interfacciamento con la
scheda assi e l'asse Z.
L'interfacciamento è stato fatto tramite una schedina di conversione livelli di tensione per i segnali
di enable e dei finecorsa. Ad essa sono stati collegati inoltre l'encoder, gli azionamenti e la scheda
di alimentazione del terzo asse (Z).
Il terzo asse (Z) è stato realizzato fissando alla slitta un carrello di un lettore CD “cannibalizzato” al
quale è stato fissato un pennino(trattopen). Il controllo avviene tramite un impulso ON/OFF. Lo
scopo di questo asse è quello di tenere il pennino sul foglio al fine di farlo scrivere (ON). Il rilascio
è effettuato da una molla di ritorno.
Seconda Fase
Sono stati fatti i primi test con composer degli azionamenti, facendo muovere i motori.
Successivamente è stato costruito il comando elettronico(analogico) per il pilotaggio della velocità
per via analogica, con tensione variabile da -1.5V a +1.5V. Infine sono state caricate le routine
sugli azionamenti.
Terza Fase
E' stata configurata la scheda assi in modo che potesse operare con gli altri dispositivi e con il pc.
E' quindi stato testato il funzionamento tramite la sezione Interactive.
Successivamente è stato realizzato il software di controllo degli assi tramite LabVIEW, partendo da
movimento del singolo asse fino all'interpolazione lineare dei due assi. Nella versione definitiva si
deve caricare una mappa che contiene le destinazioni degli assi e il valore attivo/disattivo
dell'utensile(in questo caso il pennino). Dapprima per testare il terzo asse, è stata effettuata una
simulazione tramite un led, sostituito successivamente da un pennino.
Sicurezza
La macchina, realizzata in un contesto didattico, prevede l'utilizzo di alimentazioni a 48Volts in
continua, ottenuta con un alimentatore switching da 120W.
L'utilizzo di una bassa potenza è dovuta al fatto che i motori essendo nell'ordine dei 300W l'uno,
possano risultare pericolosi. In più ad ogni linea di alimentazione è limitata da un fusibile
ripristinabile da 1,1 A.
La macchina è dotata di un pannello laterale, con i comandi per l'utente, con il può accendere il
plotter. Su questo pannello sono presenti: il fungo di emergenza, start, stop e l'indicatore
luminoso(verde) di accensione. Sul coperchio è applicato un microswitch tale che nel caso venga
sollevato, interrompa istantaneamente l'alimentazione ai motori.
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Funzionamento
Schema a Blocchi
PC INDUSTRIALE e SCHEDA ASSI (PCI-7342)
PC industriale è una macchina che controlla il
sistema tramite una scheda assi. Il dispositivo che
fa ciò è la scheda PCI-7342 prodotta dalla National
Instruments, che permette di comandare 2 assi
simultaneamente e chiude l'anello di posizione
comunicando con gli azionamenti ed elaborando i
segnali degli encoder. Dispone di due interfacce, la
MOTION e la DIGITAL I/O. La motion è quella alla
quale vanno collegati gli azionamenti, gli encoder, i
finecorsa (home, forward e reverse). La digital I/O
fornisce 32 linee digitali configurabili sia come
output che input. Nel nostro caso controlla l'asse Z.
AZIONAMENTI (CLA 6/200)
Dispositivi con vari ingressi (e uscite, non utilizzate nel
progetto) di cui alcuni analogici per il comando della velocità
tramite tensione(tra -10V e + 10V). Chiudono l'anello di
velocità, tramite encoder, e forniscono potenza al motore.
Permettono la creazione di routine, da caricarvi sopra, in
modo da fargli svolgere varie funzioni in base agli stimoli che
subisce. La configurazione avviene tramite tool apposito,
COMPOSER, prodotto dalla stessa Elmo Motion Control.
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Nella fase di configurazione è richiesta la modalità d'intervento in caso si verifichino particolari
eventi come pressione di un fine corsa, abort. Richiede le caratteristiche dell'encoder(tacche/giro)
e fa in automatico la configurazione del PID. In caso di fallimento viene ripetuta.
CONTROLLER Z
Circuito di pilotaggio di un DC motor per permettere al pennino di stare premuto sul foglio e quindi
tracciare il disegno apposito. Richiede un'alimentazione massima di 6 V e il collegamento alla
scheda assi per poter essere utilizzato. E' possibile lavorare in due modalità mettendo o meno il
jumper. Con il jumper inserito la corrente erogata sarà di 330 mA circa, senza jumper 220 mA.
MOTORI
Attuatori che convertono una potenza elettrica in un movimento rotatorio dell'albero. I motori
utilizzati sono Brushless con discreta potenza. L'asse X ha una coppia di 1.35 Nm a rotore
bloccato e l'asse Y ha coppia 0.5Nm.
ENCODER
Trasduttori di posizione, forniscono informazioni circa la posizione del carrello, la velocità e il senso
di rotazione(orario o anti orario). Hanno l'uscita differenziale in modo da rendere immune al rumore
i segnali.
Sequenza di Avvio e utilizzo
Per poter far disegnare il plotter bisogna seguire una procedura specifica:
• Apertura del plotter e posizionamento del foglio su cui scrivere
• Chiusura del plotter
• Pressione del pulsante di start (nero) sul pannello laterale
• Avviare sul pc il programma di gestione
• Attendere l'inizializzazione e homing del plotter
• Una volta che si pone in READY cliccare su apri e caricare una mappa precedentemente
creata con CREA_FILE.VI
• Attendere fino al completamento della mappa (Spegnimento del LED Motion e ritorno allo
stato READY)
• Ora è possibile: caricare un'altra mappa ed eseguirla, rieseguire la mappa o fermare il
software cliccando su STOP. Una volta fermato per farlo ripartire bisogna riattendere la
fase di inizializzazione.
Fasi di funzionamento
Il funzionamento si suddivide in 4 fasi: Inizializzazione, Homing, Motion e Ready
Fase di Inizializzazione
Durante questa fase l'hardware viene preparato in modo che possa svolgere il suo compito.
Vengono prima inizializzati gli azionamenti cosicché possano poi pilotare i motori, caricando i
parametri necessari e il PID. Successivamente viene inizializzata la scheda assi che necessita di
una procedura più elaborata dato che occorre effettuare:
• Inizializzazione controller
• Abilitazione Assi (Asse 1 = X, Asse 2 = Y)
• Inizializzazione vettore spaziale (Vector Space 1)
• Abilitazione riconoscimento finecorsa
• Settaggio Direzione I/O digitali
• Settaggio Inversione stati I/O
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Fase di Homing
Una volta ultimata questa fase si entra nella fase HOMING, una funzione fondamentale. Durante
questa fase si ottiene il numero di tacche encoder disponibile su ogni asse, in modo che le
posizioni raggiungibili siano comprese tra lo zero e il valore ottenuto. Questa fase richiede circa 30
secondi, ma è fondamentale e nel caso si verifichi un errore (Homing error: numero tacche contate
sotto i valori minimi) viene ripetuta da capo. Al termine sarà possibile dare la possibilità all'utente di
caricare una mappa e di
stamparla.
Fase di Motion
Si entra in questa fase una
volta che si è caricata la
mappa all'interno del
programma. La mappa
contiene tutte le
informazioni necessarie
per disegnare ciò che si
vuole. Queste informazioni
sono le Target Position X e
Y, e lo stato dell'asse Z, se
deve essere alzato o
abbassato
Vi sono anche altri campi
ma sono per ora
inutilizzati(saranno
necessari per
l'interpolazione circolare).
Affinché la
movimentazione sia fatta
regolarmente nelle mappe,
il primo e l'ultimo punto di
destinazione dovranno
essere (0, 0), mentre gli
altri compresi tra zero e i
limiti ottenuti nella fase di
homing. Nel caso le
destinazioni siano esterne
Schema Homing
a questi range
automaticamente il software modifica le posizioni non valide e le sostituisce con i limiti.
Fase di Ready
Quando ci si trova in questa fase è possibile fare tre cose: arrestare il programma premendo
STOP, aprire una mappa e farla disegnare o se ve ne è una già caricata ridisegnarla. Nel caso si
voglia sostituire il foglio su cui si disegna, il plotter viene spento all'apertura del coperchio e quindi
sarà poi necessario re-inizializzarlo.
Software
Il software, realizzato completamente in linguaggio G (LabVIEW), è stato suddiviso in parecchie
Sub-VI, in modo da avere del codice funzionale e semplice e che permetta un debug più efficiente.
Ogni funzione essenziale, o compito, è stato implementato tramite Sub-VI.
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Sub-VI:
-
INIT: Inizializza la scheda assi (Vedere Fase di Inizializzazione)
HOME: Effettua l'Homing (Vedere Fase di Homing)
GOTO: Posiziona la slitta alle coordinate (X; Y)
STATUS: Restituisce vari flag relativi ai finecorsa(Home e Limit), alla direzione (reverse), lo
stato del motore(motor off), se è in movimento(Run/stop) e se ha completato il movimento.
GOTO_LIN: Posiziona un asse alla coordinata desiderata
OPEN: Apre un file e restituisce l'array con all'interno le coordinate
CHECK_TARGET: Controlla che le coordinate siano interne all'intervallo 0-valore_MAX, se
così non fosse modifica le coordinate ponendo 0 quelle negative e Valore_MAX quelle
maggiori del valore massimo
Z_ON: Attiva o disattiva l'asse Z tramite un input booleano
INTER_LIN: Effettua l'interpolazione lineare degli assi calcolando le velocità dei singoli assi
INTER_END: Controlla che sia terminato il movimento interpolato
VELOCITY_ELAB: Rileva le velocità degli assi, calcola quella del vettore risultante (regola
del parallelogramma) e calcola l'errore tra il valore teorico e pratico
NUM2STR: Converte un numero in una stringa accodandole l'unità di misura
1st_POS_FIX: risolve il bug della prima coordinata
VI indipendenti:
-
CREA_FILE: Crea le mappe che poi verranno date in “pasto” al plotter
UP-DW_Z: Alza e abbassa il terzo asse quando si cambia stato al pulsante o N volte se
settato il campo opportuno
Versioni:
Le Versioni del programma sono:
- V0.1: Posiziona un asse selezionato alla posizione desiderata, e visualizza la posizione
attuale
- V0.2: Effettua uno spostamento simultaneo degli assi con vettore inclinato di 45°. Sono
settabili target position, velocità e accellerazione
- V0.3: Effettua l'homing alla posizione 0,0 e poi l'asse è posizionabile dove si vuole (come
V0.2)
- V0.4: Dopo le fasi di inizializzazione e homing è possibile passare una mappa
precedentemente creata con CREA_FILE e disegnarla. Le fasi vengono segnalate tramite
appositi indicatori a LED
- V0.5: Versione semi-definitiva con codice semplificato tramite le sub-VI. Funzionamento
analogo alla 0.4, ma con interfaccia migliorata, dispone di un visualizzatore XY che mostra
lo stato del plotter e il movimento che sta effettuando. Nella parte bassa vi è la status bar
con la percentuale del movimento già compiuto. Dispone di un pulsante aggiuntivo “
Ridisegna” che riproduce la mappa già caricata nell'array. Soffre di un bug sulla prima
coordinata, problema risolto con la versione successiva
- V0.6: Versione con risoluzione bug della prima coordinata, come funzionalità identiche alla
V0.5
- V0.7: Versione con interpolazione nativa degli assi, funzionamento analogo V0.6
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Informazioni
Caratteristiche
Stampa
Dimensioni del foglio
100 x 70 cm
Grammatura foglio
80-140g
Colore foglio
Bianco
Alimentazione
Consumo
120W
Tensione input
85-264 Vac
Corrente input (a 230Vac)
0,65A
Frequenza
47–63 Hz
Ambiente
Temperatura di Utilizzo
0-+55°C
Temperatura di Conservazione
-10–+70°C
Umidità
10-90% (senza condensa)
Sistema
Tensione di lavoro
48Vdc
Corrente max per driver
1,1A
Velocità max motore
900 RPM
Coppia motore X
1,35 Nm
Coppia motore Y
0,5 Nm
Tempo discesa pennino
600 ms
Tempo risalita
900 ms
Tensione alimentazione Z (max)
6 Vdc
Corrente Z
330 mA
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Requisiti
Requisiti minimi PC
Scheda Assi
PCI-7342
Porte di comunicazione
Seriale (RS-232)
RAM
1 GB
HDD
20 GB
Software
Windows XP SP2
LabVIEW 7,1 (+ motion)
Composer
CPU
Pentium 4 (2,4 Ghz)
Problemi e soluzioni
Il progetto, purtroppo, soffre di alcuni problemi, facilmente risolvibili con il semplice intervento
dell'operatore.
Problema: Premendo il pulsante di start (nero) non si accende il plotter.
Soluzione: Controllare che il coperchio sia chiuso, il fungo d'emergenza disarmato, arrivi tensione
al plotter (luce bianca accesa), che i fusibili non siano bruciati.
Problema: Premendo start si sente CLICK, ma non si accende la luce verde.
Soluzione: Sostituire lampadina verde.
Problema: Facendo partire il software non si muovono i motori.
Soluzione: Controllare che sia acceso il plotter. In caso positivo muovere l'asse a mano in modo
che trovi l'index.
Problema: Il pennino non scrive sempre quando dovrebbe.
Soluzione: Tenere il pennino, rilasciato a 1 – 2 mm d'altezza dal foglio.
Problema: Durante l'homing un asse non si muove e l'altro si
Soluzione: Attendere la fine della fase, nel caso vada in errore viene rieffettuata la sequenza di
homing.
Problema: Durante l'homing gli assi si bloccano in fondo alla rotaia.
Soluzione: Spegnere il plotter, fermare il software, riaccendere il plotter e rieseguire il programma.
Problema: Durante la stampa si disegnano linee in punti in cui non dovrebbero esserci.
Soluzione: Alzare il pennino di 1 mm (quando è rilasciato).
Problema: Gli Assi si muovono ma il terzo no.
Soluzione: Controllare che l'alimentatore sia acceso,che arrivi tensione alla schedina e che arrivi il
segnale di controllo dalla scheda assi.
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Sviluppi futuri e possibili miglioramenti
Hardware
•
•
•
Scheda di distribuzione segnali
Scheda di conversione segnali encoder (RS-422=>TTL)
Sostituzione asse Z con solenoide
Software
•
•
•
Implementazione interpolazione Circolare
Creazione routine per azionamenti
Integrazione con formati CAD XF
Riferimenti
Bibliografia:
AUTORE
TITOLO
NOTE
G. Licata
G. Licata
G. Biondo E.Sacchi
Baronio Bellato
Montalbetti
Analisi dei Sistemi
Sistemi di Controllo
Manuale di elettronica e telecomunicazioni
Manuale degli impianti elettrici
Libro di Sistemi in dotazione
Libro di Sistemi in dotazione
Sitografia:
http://www.rs-online.it
http://www.distrelec.it
http://www.ni.com/
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3367
http://sandbox.ilvg.it/
http://www.elmomc.com/
http://www.motorpowerco.it/
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Indice
Plotter Cartesiano XYZ................................................................1
Introduzione:............................................................................................2
Fasi Progettuali......................................................................................................2
Prima Fase.........................................................................................................................................2
Seconda Fase.....................................................................................................................................2
Terza Fase..........................................................................................................................................2
Sicurezza................................................................................................................2
Funzionamento.........................................................................................3
Schema a Blocchi..................................................................................................3
PC INDUSTRIALE e SCHEDA ASSI (PCI-7342)...........................................................................3
AZIONAMENTI (CLA 6/200)..........................................................................................................3
CONTROLLER Z.............................................................................................................................4
MOTORI...........................................................................................................................................4
ENCODER........................................................................................................................................4
Sequenza di Avvio e utilizzo.................................................................................4
Fasi di funzionamento...........................................................................................4
Fase di Inizializzazione.....................................................................................................................4
Fase di Homing.................................................................................................................................5
Fase di Motion...................................................................................................................................5
Fase di Ready....................................................................................................................................5
Software.................................................................................................................5
Sub-VI:..............................................................................................................................................6
VI indipendenti:.................................................................................................................................6
Versioni:............................................................................................................................................6
Informazioni.............................................................................................7
Caratteristiche........................................................................................................7
Requisiti.................................................................................................................8
Problemi e soluzioni..............................................................................................8
Sviluppi futuri e possibili miglioramenti...............................................................9
Hardware...........................................................................................................................................9
Software............................................................................................................................................9
Riferimenti.............................................................................................................9
Bibliografia:......................................................................................................................................9
Sitografia:..........................................................................................................................................9
Indice......................................................................................................10
Progetto: Plotter Cartesiano XYZ
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