Habvágás, CNC

Ismertető: Építettem egy számítógép vezérelt izzószálas habvágót (cnc), ami jelenleg kísérleti üzemben működik. Ez azt jelenti, a szoftver még nem végleges, nem minden funkciót tartalmaz, a felhasználói felület sincs teljesen készen. Jelen állapotában alkalmas repülőgép és egyéb hab magok készítésére, elsősorban hétvégenként. Ehhez mindenképpen előzetes telefonos, vagy email egyeztetés szükséges.

Ugyan a habvágás jelenleg elsősorban repülőmodell szárny készítésére van kialakítva, de esetleg méretesebb például ultra könnyű gépek szárnya is megoldahtó, és készül egy általános interpreter amivel DXF formátumú rajzokból lehet nem csak szárny alakú dolgokat készíteni, ez jelenleg a DXF készletéből csak az egyenes szegmensekből álló PolyLine alakzatot használja.

Mivel ez jelenleg egy kísérleti üzem, még nincs kialakult szolgáltatási ár. Ami körvonalazódni látszik (munkadíj): két félszárnyból álló, ( külön alakzatokat: pl. tartókat keveset tartalmazó ) a rendelkezésre álló hab illetve asztal méreteit meg nem haladó szárny első darabjának elkészítése: 3500 Ft, ugyanez 4 részből álló szárnyra: 5500 Ft, és 5 részből álló szárnyra: 6500 Ft. Egynél több darab rendelése esetén: második darab az első árának 70%-a, harmadik darab az első árának 50%-a. Az anyagot általában nem én biztosítom, viszont egyeztetés alapján ez is megoldható. Az anyagból beállítási minta is szükséges, a keletkező hulladékokra, és a szükséges anyagminőségre kitételek vonatkoznak ( lásd később ). Ettől eltérő javaslatokat is szívesen fogadok emailben.

Selejtek: Mivel a habvágás olyan művelet mely során az elrontott habot javítani általában nem lehet, ezért tisztázni kell mi történik, ha hozott hab selejesre sikerül: a selejtet elviszi aki hozta, hoz új habot, amiből elkészítem a most már várhatóan nem selejtes darabot: ingyen. Továbbá egy hasonló paraméterű ( bonyolultságú ) szárnyat a későbbiekben ingyen készítek el neki. Tehát ha az egy fizetős selejtre sikerül, úgy kettőt készítek igyen.

Hulladékok: A habvágás során keletkeznek hulladék darabok, csak úgy vállalom a megmunkálást, ha az aki a kivágandó habot hozza, a kivágott maggal együtt az összes keletkezett hulladék habot is elviszi. Ha a habot egyeztetés alapján én szerzem be, akkor is vonatkozik a megrendelőre a keletkező hulladék elvitele ( a hulladék jár a szárnyhoz ).

Beállítási kellékek: A gép érintkezés nélküli vágást valósít meg ( lásk később ), azaz a pontos sebességtartás és a pontos izzítás következtében tartani tudja a minimális távolságot az előtte járó olvadó habhoz képest. Ezáltal szép megmunkálási felület, és pontos alaktartás valósítható meg. Azonban a különböző habok különböző olvadékonysággal rendelkeznek, s a leírt módszer mindenképpen az optimális beállítást igényli, ezért pontos működés, csak a később megmunkálandó darabbal azonos anyagon végzett beállító műveletek után érhető el. Így szükséges a szárnyak anyagán kívül némi beállító anyag is.

Jellemzők:

• Izzószál szabad hossz ( vezetett pontok távolsága ): 138 cm
• Megmunkálható szárny hossz ( asztal mérete ): 120 cm, túlnyúlással 134 cm.
• Függőleges megmunkálási méret ( profilvastagság ): 37 cm.
• Vízszintes megmunkálási méret ( szárnymélység ): 57 cm.
• Lineáris pozició felbontás: 0.005 mm.
• Maximális vágási sebesség: 2.25 mm/sec.
• Izzószál átmérője: 0.25 mm.
• Maximális fűtési teljesítmény: 40 W/m. ( 1% -os lépésekben menet közben változtatható ).

Gép ismertető: 4 tengelyes, tengelyenként független, számítógép vezérlésű izzószálas habvágó. A fűtés 1%-os lépésekben programon belül változtatható. A mechanikát, az elektronikát ( motorvezérlés ), a megmunkáló programot ( G-Code feldolgozó 8 tengelyig, párhuzamos portos kimenettel ), valamint az előfeldolgozó programot ( G-Code kimenet ) én készítettem illetve alakítottam át.

• Léptető mototok: 8V/0.3A 100 lépés/fordulat
• Vezérlő elektronika: 4 léptetőmotor meghajtása egy LPT portról, tekercsenként 50V/1A meghajtó teljesítmény, RL meghajtási séma, Zener-diódás tranziens lecsengés gyorsítással, ugyanezen LPT porton bújtatott I²C busz, amivel változtatható a PWM jel kitöltési tényező és a frekvencia a szintén a vezérlő részét képező 50 V/ 20 A-ig működőképes izzószál meghajtó egység részére. A vezérlő elektronika által feldolgozható maximális léptetési sebesség mind a 4 tengely egyidejű léptetése estén közel 10000 Hz.
• Jelenlegi léptetési sebesség ( biztonsági megfontolásokból egybeesően a start-stop sebességel ) 450 lépés/mp.
• Izzószál fűtő feszültség: 34 V DC, izzószál anyaga: Fe, szál átmérő: 0.25 mm.

Megmunkáló program: Egy a netről forráskódban letölthető, eredetileg működésképtelen program alapján jelentős átalakítással és magyarítással készült. A vezérlés rendszere nyílthurkos, a kiadott léptetési parancsok teljesüléséről nyilvántartás nem készül, megfelelő léptető kártya esetén hiba visszajelzés fogadható.

• DOS alatt valós módban fut. A léptetőmotorok megfelelő meghajtása pontos időzítést igényel, ehhez a program átveszi az ellenőrzést ( ISR ) a rendszer időzítő valamint a billentyűzet fölött, ez Windows alatt nem lehetséges.
• A megmunkálás adatai szöveges képernyőn kerülnek kijelzésre részben direkt eljárásokkal, ( a folyamatos pozíció kijelzés időigényes ).
• A program 8 tengelyig konfigurálható, 3 párhuzamos portot tud kezelni, portonként mind a jel mind a vezérlő vonalak elérhetőek. Több tengelyes működésnél számolni kell a kisebb léptetési sebességgel, ezen javíthat a gyorsabb számítógép.
• A párhuzamos portok vezérlő vonalai közül néhány bemenetként is használható, ami külső nyomógombok ( például leállító gomb ), illetve végállás kapcsolók fogadását teszi lehetővé.
• Jelenleg folyamatos pozíció kijelzéssel 4 tengelyes beállításban, lineáris mozgást végző algoritmussal, 40 MHz -s 486-oson mind a 4 tengely egyidejű léptetése estetén a maximális léptetési sebesség tengelyenként 2000 Hz. Ez a folyamatos pozíció kijelzés kikapcsolásával 5000 Hz -re emelkedik. Mindkét beállításban a jel időzítésének átlagos pontossága kb. 30 μsec míg legrosszab esetben folyamatos pozíció kijelzés mellett kb. 400 μsec ami akkor áll elő, ha az egyik tengely nem a többi néggyel egyidejüleg, hanem egy picivel korábban lép, és ennek léptetési ciklusa alatt kellene a többinek lépnie.
• A kimeneti léptető impulzus sebessége 10 μsec, a későbbiekben beállítható lesz. Jelentőssen befolyásolja a maximális működési sebességet.
• A meghajtott motoroknál beállítható a start/stop sebesség, a maximális gyorsulás és a maximális sebesség.
• Az utasításkészletben van rutin mely állandó sebességgel, kifejezetten habvágás igényei szerint hajtja a motorokat (G14), és van amely a gyorsulás kihasználva másodfokú helyzet-idő függvényt valósít meg gyorsítás/lassítás idején (G01).
• Van egy alapszintű I²C buszos adatközlő egysége, ezen beállítási adatokat tud küldeni a vezérlőnek megmunkálás, de nem mozgás közben ( izzószál fűtési teljesítmény, PWM frekvencia ).

Egy szárny elkészítésének tipikus menete: A számítógéppel vezérelt habvágásnál, a bemeneti adatok megválasztásánál kicsit más szempontok dominálnak mint egyébként.

Szárny-profil megadása: Mivel a profilt számítógép dolgozza föl, ezért célszerű azt valamilyen a számítógép által ismert formában megadni. Egy szabadkézi rajz, esetleg egy tervrajz másolat nem feltétlenül ilyen ( lásd később ).

• Sokkal megfelelőbb, a profil elnevezésének megadása, ami ismert profil esetén valószínűleg előfordul a http://www.aae.uiuc.edu/m-selig/ads.html címen elérhető több mint 1500 profilt tartalmazó adatbázisban. Ha csak közelítőleg van meg a profil neve, itt helyben én is tudok segíteni a megtalálásában.
• Amennyiben nem ismert profilról, esetleg egyedi tervezésűről van szó, elegendő a profil koordinátáit tartalmazó táblázat ( leginkább elektronikus formában ).
• Amennyiben elektronikus formában nem áll rendelkezésre profil adat, akkor még mindig jobb a papíron kinyomtatott, esetleg fénymásolt koordináta táblázat, mint a profil körvonalrajza.
• Amennyiben más megoldás nincs körvonalrajzot is át lehet alakítani a megfelelő formátumra, de ebben az esetben a profil pontossága jelentőssen csökken.

Szárny-profil megadása körvonalrajzzal: Ez nem a legegyszerűbb eljárás ( és alkalomadtán némi felárat számítok érte, de az itt leírtak alapján mindenki otthon is megcsinálhatja a következő lépéseket ).

• A papíron levő rajzot először digitalizálom. A beviteli eszköz felbontása 600 dpi, ami azt jelenti 8,46-szor durvább mint a gép megmunkálási felbontása. Egy átlagos ceruzavonal szélessége 0.5 mm, ami 100-szor durvább mint a gép felbontása.
• A digitalizált, kép formátumú profil körvonalat, vektor-grafikus rajzprogrammal vonal-középen haladva, görbével közelítem, majd a hossztengelyt a lehetőségekhez képest vízszintesre állítom.
• A közelített rajzot hpgl plotter driverrel, fájlba nyomtatom, és ezt szövegszerkesztővel formázom.
• Az így nyert szöveges adatsort táblázatkezelővel sorba rendezem, és normálom, valamint szövegfájlba kiírom.
• A szövegfájl szövegszerkesztővel történő formázása elnevezés hozzáfűzése után készen van a koordináta fájl, ami a többi profilhoz hasonló módon használható.

Szárny megadása: itt is több adat szükséges, melyekből a gép számítja ki a szárny végleges alakját:

• a megmunkálandó hab anyagának tisztázása, ismeretlen hab esetén tesztek, a vágási sebesség és a fűtési érték meghatározásához.
• a megmunkálandó hab vastagsága, hossza, szélessége.
• a szárny hossza.
• az egyik és a másik szárnyvégen ehelyezendő profil ( lehetnek különbözőek ).
• a megadott profilokra vonatkozó módosító adatok:
  • szárnymélység az egyik illetve másik oldalon ( jelenleg egy darabban olyan szárnyak elkészítését tudom szépen megoldani, ahol a rövidebbik oldal szárnymélysége nem kisebb mint a hosszabb oldal 70%-a ).
  • palánkozás vastagsága, amivel a profil körvonalát +/- irányban módosítani tudom, így a kész szárny tud a megadott profil körvonalával egybeesni.
  • az egyik illetve másik profil eltolásának mértéke ( hátra-nyilazás )
• különleges kérések esetén, azok előzetes tisztázása. Ami eddig már készült: belépőél függőleges érintővel illetve vízszintes átlóval, alsó illetve fölső felületet érintő főtartó, kör alakú csatorna a csűrő lapok mozgató rudazatának. Ami nem készült, de tervbe van véve: profil elcsavarás a szárnyvégeken. Ezen kívül: minden egyedi ötlet, ami viszonylag egyszerűen programozható.

Profil kezelés programon belül: A koordináta adatokra a konverziók ( hosszúság ) után külön az alsó és a felső húrra cubic spline interpolációval egy egy görbét illesztek. A görbe szakaszok a profil koordináta pontjainál első és másodrendben folytonosan illeszkednek. A kilépőélnél a természetes kilépési feltételt használom, míg a belépőélnél saját eljárással optimalizálok az első három koordináta pontban számított második derivált értékére vonatkozóan. A belépőélnél lehetőség van nem optimalizált természetes, esetleg fix belépő szögű feltétel beállítására is. Ezen eljárás biztosítja, hogy mindössze néhány profil koordináta pont ( 10-10 ) esetén is igen szép profil alakok adódnak. Az így simított görbén lehetőség van az alkalmazandó borítás illetve a hab olvadása miatti korrekciók beszámításásra. Ez után készül a megmunkáló ( G-Code ) fájl amiben a folytonos görbét egyenes, tipikussan ( a hosszabbik szárnyvégen ) 0.5 mm, -es szakaszokkal közelítem ( ez általában nem okoz gondot, de szükség esetén az egyenes szakaszok hossza csökkenthető ).

Eltérő szárnymélységek ( szárny delta ): Mivel a hab megolvadásának mértéke többé kevésbé arányos a fűtés mértékével és fordítottan arányos a haladási sebességgel, ezért különböző profilok és profil mélységek alkalmazása esetén a szárny két vége között a megmunkálás minőségében eltérés jelentkezik. Annak ellenére, hogy ezt a megmunkáló programban beszámítom, mégsem igazán érhető el szép felület ott ahol a hosszabb és a rövidebb húr aránya 1.4 fölé megy ( itt már a hőmérsékleti gradiens a hab szerkezetében levő egyenetlenségeket úgy kiemeli, hogy a rövidebb szárnymélységű oldal óhatatlanul durva felszínű lesz ). Tehát igyekezzünk olyan szárny fesztávolságokat és profil mélységeket választani ahol ez tartható. Szükség esetén megoldás lehet például a szárny több darabból történő elkészítése.

Elektronika, esetleg a G-Code feldolgozó program ( külön kívánság esetén némi alakítással ) előzetes egyeztetés után rendelhető ( további információ itt ).

Ha valaki nem kifejezetten kedveli a szöveges képernyőt, annak ajánlom a netről ingyenesen letölthető, 3 tengely vezérlését lehetővé tevő, szervó motorokat is fogadó, komplex feladatok megoldására is alkamas EMC programot, mely Linux illetve ennek egy kiterjesztése a Real-Time-Linux alatt fut. A szóban forgó programot az USA szabványügyi hivatala is támogatja, az ipari beszállítók egységesítése érdekében. A program lehetőségei kifinomultak, inverz kinematikától kezve, a szervó motorok meghajtásában a maximális kihasználást elősegítő PID algoritmusokig sokféle lehetőséggel, nem kizárólag szerszámgép vezérlési célokkal. Akinek nem elegendő a 3 tengely, az megteheti, hogy több PC-t hálózatba kapcsol, a hálózaton a PC-ket szinkronba köti, és számítógépenként 3 tengelyt vezérel.

A kérdéseket és megjegyzéseket emailben lehet feltenni, illetőleg esténként a (29) 351-678 telefonszámon.