ماشین CNC

با توجه به نمای نشان داده شده از سیستم حلقه باز در مقایسه با سیستم حلقه بسته می توان به ماهیت نام آن ها نیز پی برد. سیستم حلقه باز فاقد مدار فیدبک می باشد.

دربسیاری از مدارهای دیجیتال سیگنالی وجود دارد به نام پالس ساعت. این سیگنال به صورت متناوب بین 0 و 1 منطقی نوسان می کند و بنابراین شکل موج آن شبیه به یک قطار پالس مستطیلی است.

این سیگنال دو امکان را در سیستم فراهم می کند.

- امکان انجام یک سری عملیات با توالی خاص

به عنوان مثال در یک سیستم فرض کنید که می خواهیم موتور A روشن شود. سپس چراغ B روشن شود و در نهایت موتور A و چراغ B خاموش شوند و این عمل مدام تکرار شود.

سیگنال پالس ساعت این امکان را می تواند فراهم کند. و هر پالس معرف شروع یکی از فعالیت هاست. پالس اول موتور A را روشن می کند. پالس دوم چراغ B را روشن می کند و پالس سوم موتور A و چراغ B را خاموش می کند.

- امکان ایجاد درکی از زمان برای مدار

فرض کنید شما در مدار شمارنده ای دارید که این پالسها را می شمارد. اگر در هر ثانیه یک پالس تولید شود، آنگاه شمارنده شما در هر لحظه ثانیه های سپری شده را نشان می دهد. و اگر تعداد پالسها بیش از 1 عدد در ثانیه باشد، شمارنده همواره کسری از زمان سپری شده را نشان خواهد داد.

به عنوان مثال فرض کنید فرکانس پالس ساعت 10 هرتز باشد ( یعنی 10 پالس در هر ثانیه) ، در این شرایط عدد نشان داده شده در شمارنده اگر 525 باشد یعنی از زمان شمارش تا کنون 5/52 ثانیه گذشته است.

این دو امکان ساده در مدارهای دیجیتال آنقدر مهم هستند که ما دیگری نیازی به تشریح دیگر مزایای استفاده از سیگنال پالس ساعت نداریم.

همانطور که در پرونده پروژه قبلا دیده اید روش اندازه گیری طول در اینجا اندازه گیری زمان است. در اینجا یک شمارنده BCD پالسهای ساعت را ، در مدت زمانی که سنسورها از مقابل قطعه می گذرند، می شمارد و با فرض ثابت بودن سرعت موتور عدد نمایش داده شده در شمارنده متناسب با طول قطعه خواهد بود.

زمان تحریک پالس می تواند مقادیرمتفاوتی داشته باشد مثلا یک ثانیه.

پالس ساعت سیگنالی است که مثل تمامی سیگنال ها در مدارات دیجیتال دارای دو سطح ولتاﮋ است، دراین شکل درطول نیم ثانیه دارای سطح ولتاﮋ 5 ولت ودرنیم ثانیه بعدی 0 ولت دارد.

مدار CG که به کمک مدار مجتمع 555 ساخته شده می تواند به عنوان یک پیشنهاد برای مولد پالس ساعت بکار رود.

3- شمارنده MC14553

در بحث قبلی دیدیم که چگونه در سیستمهای دیجیتال شمارش بصورت کدهای BCD انجام می شود. اکنون می خواهیم با شمارنده ای که در مدار ما بکار خواهد رفت آشنا شویم ولی ابتدا بهتر است با برخی مفاهیم و استانداردها در مورد IC های دیجیتال آشنا شویم. هر شرکت سازنده IC برای تولیدات خود به طور خاص برگه های مشخصاتی را تهیه می کند که استفاده کنندگان با مطالعه این برگه ها باید بتوانند نحوه کار کردن با قطعه را به خوبی درک کنند.

شرکت های سازنده IC ها برای آنکه استفاده کنندگان به راحتی یک مرجع برای شناسایی پایه ها در اختیار داشته باشند همگی این استاندارد را رعایت می کنند :

1- قطعه را در مقابل خود بگونه ای بگیرید که نوشته روی قطعه را درست بخوانید.

2- پایه پایین سمت چپ، پایه شماره 1 می باشد.

3- در خلاف جهت عقربه های ساعت حرکت کنید و پایه ها را به ترتیب تا انتها شماره گذاری کنید.

4- آخرین پایه ( پایه بالا سمت چپ ) ورودی تغذیه مثبت می باشد.

5- پایه پایین سمت راست مربوط به تغذیه منفی می باشد

6- بنابراین در همه IC های 16 پایه، همواره پایه شماره 8 مربوط به تغذیه منفی ( یا زمین ) می باشد و پایه شماره 16 تغذیه مثبت می باشد.

7- به هر پایه نامی اختصاص داده می شود که اغلب با عملکرد پایه مرتبط است. به عنوان مثال GND مخفف لغت Ground به معنی زمین.

قبل از هر چیز هر وسیله الکترونیکی از جملهIC ، برای کار کردن نیاز به منبع انرژی دارد. بنابراین روی این قطعه دو پایه به عنوان پایه های تغذیه الکتریکی پیش بینی شده است که یکی از آنها به قطب مثبت منبع و دیگری به قطب منفی آن متصل خواهد شد. در قطعه ما این پایه ها به ترتیب 16 و 8 با علایم VDD ( تغذیه مثبت ) و VSS ( تغذیه منفی یا زمین ) مشخص شده اند.

همانطور که می دانیم شمارنده ما وظیفه دارد که تعداد پالس های ورودی را که در واقع معرف مدت زمانی است که موتور در حال حرکت است و نور لیزر نیز قطع شده است را بشمارد. بنابراین این شمارنده نیاز به یک ورودی پالس ساعت دارد که در شکل با نام clock مشخص شده است.

همانطور که در معرفی شمارنده BCD گفتیم هر رقم در این نوع شمارش با 4 بیت ( در اینجا 4 پایه ) قابل نمایش است. پایه های Q0 تا Q3 در مبنای 2 به ترتیب دارای ارزش مکانی 1، 2 ، 4 و 8 می باشند. جدول زیر این چها ر پایه و نحوه نمایش ارقام را مجدد نمایش می دهد.

دوباره یادآوری می کنیم که 0 روی هر پایه در IC دیجیتال به معنی ولتاژی کمتر از حدود 0.8 ولت و نماد 1 معرف ان است که ولتاژ این پایه بیش از 2.5 ولت است.

پایه DIS ( مخفف disable به معنی ناتوان ) در واقع این نقش را دارد که تا زمانیکه این پایه 1 است شمارنده ما پالسهای ورودی را نمی شمارد و به محض آنکه این پایه 0 شد به شمارنده اجازه داده می شود که پالسهای ورودی را بشمارد. در واقع ما خروجی سنسور نوری خود را برای کنترل این پایه بکار خواهیم برد تا شمارش تنها در زمانی که لیزر از مقابل جسم عبور می کند انجام شود.

پایه OF مخفف کلمه overflow به معنی سرریز این نقش را بر عهده دارد که هر گاه عدد شمارش شده از محدوده شمارش این IC یعنی عدد 999 فراتر رفت به ما اطلاع می دهد. بنابراین هرگاه این پایه 1 شود یعنی عدد نمایش داده شده معتبر نیست و میزان شمارش از 999 فراتر رفته است.

در نهایت عدد شمارش شده بصورت BCD برای ما قابل درک نیست و باید این عدد بصورت ارقام 0 تا 9 در مبنای 10 نمایش داده شود تا ما بتوانیم آن را بخوانیم. این عمل توسط مدار مجتمع MC14543B انجام می شود. این قطعه 4 بیت کد BCD را دریافت نموده و 7 خروجی a,b,c,d,e,f,g را تحویل می دهد. این خروجیها پس از اتصال به یک نمایشگر 7 segment می توانند ارقام صفر تا 9 را نمایش دهند.

در طول متن گفتیم که حد شمارش این قطعه 999 است، در حالیکه نمایش این عدد به سه دسته 4 بیتی از اطلاعات نیاز دارد چگونه این قطعه یک عدد سه رقمی را تنها با 4 بیت نمایش میدهد.

در این شمارنده از روشی به نام مالتی پلکس کردن زمانی اطلاعات استفاده شده است. یعنی به عنوان مثال روی پایه های Q3Q2Q1Q0 به مدت یک صدم ثانیه رقم یکان وجود دارد و سپس به مدت یک صدم ثانیه رقم دهگان وجود دارد و سپس یک صدم ثانیه نیز رقم صدگان حضور دارد و دوباره رقم یکان نمایش داده می شود.

در چنین سیستمی دو نکته باید مورد توجه قرار گیرد. اول اینکه چگونه این زمانبندی تنظیم می شود و دوم آنکه چگونه باید استفاده کننده متوجه شود که در حال حاضر رقم صدگان روی خروجی است و یا رقم دهگان و یکان.

نکته اول توسط یک مولد پالس ساعت در داخل قطعه مشخص می شود و فرکانس آن توسط خازنی که بین پایه های CIA و CIB قرار می گیرد تعییم می شود. این فرکانس باید آنقدر زیاد باشد که چشم ما متوجه روشن خاموش شدن ارقام نشود. در نقشه پیشنهادی شرکت سازنده این خازن 1 نانو فاراد پیشنهاد شده است. رابطه فرکانس با تغذیه مدار و این خازن در یکی از جداول مشخصات قطعه آمده است.

مشکل دوم ما نیز توسط سه پایه DS1,DS2,DS3 حل شده است. زمانی که پایه DS1 در سطح صفر قرار دارد یعنی 4 بیت خروجی معرف رقم یکان است. وقتی DS2 در سطح صفر قرار گرفت یعنی 4 بیت خروجی رقم دهگان را نمایش میدهد و در نهایت صفر شدن DS3 در خروجی معرف حضور رقم صدگان روی خروجی است. ما این سه پایه را از طریق ترانزیستورهای تقویت کننده جریان به پایه های آند مشترک نمایشگرهای 7 segment متصل می کنیم.

شناخت این شمارنده برای ما خیلی مفید است ولی برای این پروژه کافی نیست. شمارنده ما در این پروژه باید قادر باشد هم رو به بالا بشمارد و هم رو به پایین در حالیکه این شمارنده فقط می تواند رو به بالا بشمارد. با این حال چون ما مجبور هستیم از سیستم ماتی پلکس برای کاهش حجم مدار استفاده کنیم توصیه می کنیم حتما برگه های اطلاعات این شمارنده را مطالعه نموده تا وقتی با شمارنده اصلی مواجه می شوید اغلب قسمتهای آن را بشناسید.

برگه های اطلاعاتی این شمارنده روی سایت نصب شده است.

* موتور پله ای

این موتور که می تواند در انواع مختلف ساخته می شود اغلب دارای 5 سیم است. اگر این 5 سیم به یک مدار الکترونیکی ساده وصل شوند با اعمال هر بار تحریک به این مدار، این موتور به گونه ای ساخته شده است که فقط به اندازه 8/1درجه می چرخد و سپس منتظر تحریک بعدی می شود. بنابراین با فرض آنکه موتور از زاویه صفر درجه شروع به حرکت کند، با شمردن تعداد تحریکها ،که در الکترونیک دیجیتال کار بسیار ساده ای است، بسادگی می توان در هر لحظه فهمید که اکنون موتور در چه زاویه ای قرار دارد.

به نظر شما اگر بخواهیم این موتور 36 درجه بچرخد چند بار باید آن را تحریک کنیم؟

جواب از تقسیم 36 بر 8/1 بدست خواهد آمد و برابر 20 می باشد.

با استفاده از چنین موتوری برای آنکه ما موتور را به اندازه زاویه خاصی بچرخانیم کافیست تعداد تحریکهای مورد نیاز را بدست آورده و کاری کنیم که مدار فرمان به همان تعداد دفعات موتور را تحریک کند.

یک نکته فنی دیگر در استفاده از موتور در این طرح لازم است که منظور شود. اگر موتور ها گیر مکانیکی داشته باشند و ولتاژ آنها قطع نشود جریان زیادی از منبع می کشند و این هم می تواند موتور را خراب کند و هم به مدارهای الکترونیکی ما آسیب برساند.

پس باید راه حلی بیابیم که در صورتیکه موتور به انتهای مسیر رسید و گیر کرد تغذیه مدار از آن جدا شود.

این عمل را توسط دو میکروسوئیچ تیغه ای ساده می توان به سادگی انجام داد. این دو میکروسوئیچ در دو انتهای مسیر قرار می گیرند و وقتی قطعه U شکل در انتهای مسیر با این سوئیچ ها برخورد کند، بصورت خودکار موتور از مدار الکتریکی جدا شده و متوقف می شود.

* مدار محرک و کنترل جهت چرخش موتور

در این مدار ما یک سیم زمین داریم که به سیم مشترک موتور متصل است. 4 سیم دیگر نیز وجود دارند که به چهار سیم تحریک موتور متصل شده اند. موتور پله ای با هر تحریکی که به هریک از این سیم ها اعمال می شود فقط به اندازه یک پله می چرخد. اینکه موتور به کدام سمت می چرخد وابسته به این است که این سیمها به چه ترتیبی تحریک می شوند.

اگر این چهار سیم را به ترتیب A,B,C,D بنامیم. اگر اول سیم A تحریک شود، سپس B ، سپس C و سپس D و این کار با همین ترتیب ادامه یابد موتور به سمت راست می چرخد و اگر ابتدا سیم D، سپس C، سپس B و سپس A و این کار ادامه یابد موتور به سمت چپ می چرخد.

ساخت این مدار به روش های متنوعی انجام پذیر است و روش ساخت آن در اکثر کتب الکترونیکی آورده شده است.

3-2 - بخش مکانیک

* ریلهای راهنما

ریل ها قطعاتی هستند که همانند ریل راه آهن مانع از منحرف شدن جسم متحرک ما می شوند. وقتی میل مارپیچ درون قطعه نعلی شکل می چرخد می خواهد که این قطعه را نیز همراه خود بچرخاند. ریل های بکار رفته در این سیستم مانع از این حرکت می شوند و بنابراین باعث می شوند که قطعه نعلی شکل به جای چرخش به سمت جلو حرکت کند. این ریل ها را می توان دراشکال مختلف و از مواد متنوعی ساخت. دراین پروژه ما ازریل هایی به شکل لوله های استیل توخالی جهت قرار گرفتن آن ها درون دوسرقطعه نعلی شکل استفاده می کنیم.

* میل مارپیچ

میل مارپیچ در واقع یک پیچ بلند است که محور موتور به آن متصل شده و با هر بار چرخش موتور یک دور می چرخد. نقش میل مارپیچ به همراه قطعه نعلی شکل این است که حرکت دورانی موتور را به حرکت خطی قطعه نعلی شکل تبدیل کند. دقیقا به همان صورت که اگر یک پیچ را داخل یک مهره بچرخانید در حالیکه مهره را با دست نگه داشته اید، مهره در طول پیچ حرکت خواهد نمود.

* بدنه و دیواره ها

شکل ظاهری بدنه و دیواره ها در این طرح چندان مهم نیست ولی باید بهر حال ملاحظات سبک بودن طرح و در عین حال استحکام کافی آن منظور شود.

* قطعه نعلی شکل

قطعه نعلی شکل در اینجا دو نقش را بازی می کند. اول اینکه مانند یک مهره بخشی از سیستم تبدیل حرکت دورانی به خطی را تشکیل می دهد.

* بوش و بلبرینگ های مورد نیاز

بوش قطعه نگهدارنده ای است که در انواع مختلف و بسته به کاربرد مورد نظر ما مورد استفاده قرار می گیرد. بوش های اتصال استوانه ای ( لوله ای) شکل درنقاط اتصال یک محور و بدنه دستگاه نصب می شوند. جنس بوش اغلب از جنسی نرم تر از دو قطعه اصلی انتخاب می شود و بنابراین بر اثر سایش اغلب بوش خورده می شود و نه محور و بدنه. استفاده از بوش دارای این مزیت است که اولا حرکت قطعات را ساده تر و روان ترمی گرداند و ثانیا وقتی به مرور زمان خوردگی در محل اتصال رخ می دهد کافیست که فقط همین بوش ها را تعویض کنیم و دو قطعه اصلی آسیبی نمی بینند.

بوش هاهمان گونه که گفته شد جنس های متفاوتی دارند که بسته به شرایط اقتصادی و میزان خوردگی قطعات مورد استفاده جهت اتصال؛ تعیین می شوند.

ما نیز دراین پروژه ازتعدادی بوش استفاده می کنیم که درمحل اتصال میل راهنماها و بدنه قطعه نعلی شکل نصب می شوند.

در دو انتهای میل مارپیچ که به بدنه متصل می شوند چون دارای حرکت چرخشی داخل بدنه هستند بهتر است که به جای بوش از بلبرینگ استفاده شود که دارای اصطکاک و استهلاک فوق العاده کمتری است.

3-3 - ملاحظات مونتاژ و ارتباط الکترونیک و مکانیک

* میکروسوئیچه

میکروسوییچ اغلب به کلیدهای خیلی ظریف اطلاق می شود. این کلیدها انواع مختلفی دارند مانند میکروسوییچ های تیغه ای. این سوئیچ ها اغلب برای این منظور بکار می روند که در نقاط خاصی از یک سیستم انوماتیک نصب شوند و رسیدن یک قطعه متحرک را به آن نقطه اطلاع دهند. در واقع قطعه با رسیدن به آن نقطه با یک فشار خیلی کوچک کلیدی را وصل می کند و وصل شدن این کلید معرف آن است که قطعه به آن نقطه رسیده است.

این کلیدها به سه صورت می توانند عمل کنند.

1- در حالت عادی مدار باز است و با فشرده شدن کلید مدار بسته می شود. (normaly open)

2- در حالت عادی مدار بسته است و با فشرده شدن کلید مدار باز می شود. (normaly close)

3- هر دو امکان 1 و 2 در کلید تعبیه شده باشد.

و برای کاربرد مورد نیاز ما نوع 2 کافیست.

* کلیدهای تغییر چهت

برای این منظور از کلیدهای سه حالته استفاده شده است. این کلیدها همانگونه که از نامشان پیداست در سه وضعیت می توانند قرار بگیرند. در اغلب این کلید ها یک سر وسط وجود دارد که می تواند به سه نقطه مختلف به انتخاب ما متصل شود. باز هم اغلب این کلید ها به گونه ای ساخته می شوند که بطور موازی بتوانند دو کلید ( یا حتی بیشتر) را بطور همزمان تغییر وضعیت بدهند. ما از یک کلید سه حالته استفاده می کنیم که از دو حالت آن برای تعیین جهت جریان اعمال شده به موتور استفاده می شود و از حالت دیگر جهت خاموش کردن موتور و قطع ارتباط آن از منبع تغذیه بهره می گیریم.

* سیم کشی کارآمد

*تنظیمات

مراحل آخر نیز در انتها با توجه به دستگاه ساخته شده انجام می گیرد.

تکلیف: از دستگاه ساخته شده در حال کار فیلم بگیرید و برای ما ارسال نمایید.

محل بازدید/ اردو/ خرید: کارخانه نیرو محرکه

منابع مطالعه: کتاب ماشین های کنترل عددی کامپیوتری (CNC)- محسن لطیفی نشر دیباگران تهران

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

تنظیم: اعظم اژدری

مطالب مرتبط:

ماشین CNC