Pflichtenheft

Projekt 3 HEA
Modernisierung einer 3-Achsen-Fräse
Version 2.3
Erstellt von: Ivanovski, Fian, Romirer, Schweiger, Weißinger, Stolzer, Hanisch, Wolf
Erreichbar unter: [email protected]
HTBL Wien 10
Ettenreichgasse 54
3 HEA
Telefon: 0043-1-60111
Fax: 60111-32
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Inhaltsverzeichnis:
Deckblatt ...................................................................................................................... Seite 1
Inhaltsverzeichnis ......................................................................................................... Seite 2
1. Ziel des zu entwickelnden Systems .............................................................................. Seite 3
2. Anforderungen ............................................................................................................. Seite 3
3. Bestandsaufnahme ........................................................................................................ Seite 4
3.1. Steuersystem................................................................................................... Seite 4, 5
3.2. Antriebssystem ................................................................................................... Seite 6
4. Zielsetzung .............................................................................................................. Seite 7-11
5. Optionen ..................................................................................................................... Seite 12
Stand: 14.05.2016
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1. Ziel des zu entwickelnden Systems:
Ziel ist es, die ca. 28 Jahre alte Fräse, mit einem PC (+entsprechende Software) betreiben
zu können. Das alte System hat mit einem gestanzten Lochstreifen als Datenträger, über
einem Lochstreifenleser, Registereinheit, automatischem Frequenzteiler und Leistungsteil
für die Schrittmotoren gearbeitet. Die Daten werden eingelesen und mit den
Schrittmotoren über die 3 Achsen abgearbeitet.
2. Anforderungen:
2.1. Ist-Zustand:
3-Achsen Fräse und ihre Hauptkomponenten:

Lochstreifenleser

Registereinheit

Automatischer Frequenzteiler

Leistungsteil für Schrittmotoren (Antriebseinheit)
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2.2. Soll-Zustand:
Die Fräse soll mit dem vorhandenen Leistungsteil und mit einem modernen Computer
+ NC-Frässoftware gesteuert werden.
Die mechanische Fräse bleibt unverändert erhalten.
Die Hauptkomponenten Lochstreifenleser, Registereinheit, Automatischer
Frequenzteiler fallen weg.
3.
Bestandsaufnahme:
Die Fräsmaschine wurde wie folgt aufgenommen:
3.1. Steuersystem:
3.1.1. Lochstreifenleser: Das Streifenlesen erfolgt
mechanisch. Die Information ist mechanisch im
Lochstreifen gespeichert und muss in elektrische Signale
umgewandelt werden, bevor sie sich verwenden lässt.
Grundsätzlich unterscheidet man für die NC-Maschine zwei
verschiedene Codearten:
 ISO-Code
 EIA-Code
Unsere Fräsmaschine verwendet den ISO-Code.
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3.1.2. Registereinheit: Die Registereinheit ist ein Teil der
numerisch gesteuerten Maschine, die die Informationen von
Lochstreifen oder der Lochkarte in Signale umwandelt, die
die Antriebseinheiten der Maschine steuern.
Die Haupteile der Registereinheit sind:
a)
Decoder
b)
Funktionsregister
c)
Positionsregister
d)
EOB-Speicher
3.1.3. Automatischer Frequenzteiler: Der automatische Frequenzteiler
gehört zur Ausrüstung für die numerische Steuerung. Er ermöglicht eine
Bahnsteuerung der Fräse direkt vom Lochstreifenleser. Bahnsteuerung
bedeutet, dass eine kurvenförmige Bewegung durch eine Anzahl von
geradlinigen Bewegungen in verschiedenen Winkeln annähernd
nachgebildet wird.
3.1.4. Leistungsteil für die Schrittmotoren (Antriebseinheit): Die
Antriebseinheit wird von der Registereinheit gesteuert und bekommt von ihr
die richtigen Impulse, um den Ist-Zustand anzusteuern. Sie gibt die Impulse
zu den Schrittmotoren weiter, die die X-, Y- und Z-Achse der Fräse steuern.
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3.2. Antriebssystem:
Das Antriebssystem besteht aus:
1) Antriebsmotor (Schrittmotoren)
2) ev. Untersetzungsgetriebe zwischen Motor und Antriebsspindel
3) Antriebsspindel
Wir steuern unsere 3-Achsfräse mit 3 Schrittmotoren an. Die Daten der Motoren sind
folgende:
Phillips PD 20: 8-phasiger uni-polar Antrieb

Leistungsaufnahme: 11 Watt


max. Drehmoment: 0,16 Nm

Haltemoment: 0,19 Nm

Schrittwinkel: 3,75°

max. Frequenz (pull-in): 650 Hz

Schrittwinkeltoleranz: ±10'

max. Frequenz (pull-out): 6 kHz

Drehzahl: 96 U/min

Widerstand pro Wicklung: 9 

Rotorträgheit: 2,2*10-4 Nm²

Induktivität pro Wicklung: 25 mH

Kugellager

Strom pro Wicklung: 550 mA

Gewicht: 1400 g

Zulässige durchschnittliche

Max. Radialkraft auf der Welle:
100 M
Umgebungstemperatur: -30 bis 85
°C


5000 g

Zulässige durchschnittliche
Lagertemperatur: -60 bis 110 °C
Isolationswiderstand bei 500 V DC:
Max. Axialkraft auf der Welle:
2000 g

Max. Spielraum: 0,07 mm
Zulässige Motortemperatur: 125 °C
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4. Zielsetzung:
Die Fräsmaschine soll mit PC-Ansteuerung (Software) über eine parallele Schnittstelle
mit dem vorhandenen Leistungsteil betrieben werden.
Dafür benötigt man:
 schnellen Rechner (GHz-Prozessor) + Frässoftware
 schnelle Parallelschnittstelle (Druckerschnittstelle)
 vorhandene Antriebseinheit und Steuersatz
Im neuen System werden folgende Komponenten nicht mehr benötigt:

Lochstreifenleser

Registereinheit

Automatischer Frequenzteiler
4.1. Die Software:
Für die Ansteuerung über den Computer können entweder die Step-Four Demo Version 4
Software oder die PrimCNC Software verwendet werden.
Die Step-Four Frässoftware kann grundsätzlich in zwei verschiedene Modi betrieben
werden:
1. Der Arbeitsmodus:
In dieser Betriebsart wird mit angeschlossener
Steuerung und Maschine gearbeitet. Die Schritt-,
Richtungs- und Steuersignale werden zur Elektronik
gesendet, die Eingangssignale werden überwacht
und ausgewertet.
2. Der Simulationsmodus:
Um die Fräsdaten entsprechend vorzubereiten und den Fräsvorgang zu simulieren, kann
die Software durch Verwendung eines optional erhältlichen Softwareschutzsteckers auch
auf jedem anderen PC auch ohne angeschlossene Maschinensteuerung betrieben werden.
Da in diesem Falle Echtzeitanforderungen der Schrittausgabe wegfallen, kann die
Frässoftware Step – Four Frässoftware V4 in diesem Modus auch unter Windows
2000/NT/ME oder XP betrieben werden.
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Die PrimCNC Software ist ein Interfaceprogramm
zu diversen CNC-Steuerungen und dient dazu,
mithilfe einer einfachen Steuerung ein komfortables
Bearbeitungszentrum zu haben. Sie haben hier
ähnliche Optionen wie bei einer intelligenten CNCSteuerung. Da viele CNC-Steuerungen nicht alle
Befehle (z.B. Z-Höhenkorrektur, Abtasten,
Werkzeug-Ablängen, Bohrzyklen etc.) unterstützen,
die von PrimCAM benötigt werden, werden sie im
DNC-Betrieb interaktiv aus PrimCAM angesteuert.
Dies erlaubt, gewisse Befehle für die Steuerung
nachzubilden. Es hat außerdem den Vorteil, dass sie ein NC-Programm direkt aus
PrimCAM heraus aufrufen und abarbeiten können.
4.2. Die Parallelschnittstelle allgemein:
Die Druckerschnittstelle (LPTl oder LPT2) des PC stellt insgesamt 17 digitale Leitungen
zur Verfügung, die sich für einen schnellen Datenaustausch mit lnterface-Schaltungen
nutzen lassen. Durch die Vielzahl der Leitungen werden einige
Versuche besonders einfach. Allerdings erfordert die
Verwendung der Druckerschnittstelle besondere Vorsicht.
Anders als die serielle Schnittstelle können Sie diese relativ
leicht versehentlich zerstören, da die Ein- und Ausgänge der
parallelen Schnittstelle als TTL-kompatible Leitungen nicht
gegen Überlastung geschützt sind. Folgende Sicherheitsregeln
müssen beachtet werden:



Geräte dürfen nur bei ausgeschaltetem PC mit dem Parallelport verbunden werden.
Eingänge dürfen nur Spannungen zwischen O V und 5 V erhalten.
Ausgänge dürfen nicht kurzgeschlossen oder mit anderen Ausgängen verbunden
werden.
 Ausgänge dürfen nicht mit Fremdspannungen in Berührung kommen.
Oft findet sich neben der ersten Druckerschnittstelle (LPT1) eine zweite (LPT2). Mit dem
Datenregister steht ein zusammenhängender 8-Bit-Ausgabeport zu Verfügung, über den
normalerweise Daten an den Drucker gesendet werden. Die Ausgänge sind TTLkompatibel, d.h. High-Pegel Werte liegen bei 3,5V bis 5V, und die Ausgänge dürfen bis
ca. 10mA belastet werden. Der Port läßt sich für sehr schnelle 8-Bit-Ausgaben nutzen.
Unter den vielen Hilfsleitungen für den Drucker finden sich fünf Eingänge des
Stattusregisters:
(Error, Select, PE, ACK, Busy), von denen einer (Busy) invertiert gelesen wird. Meist
sind diese Leitungen TTL-kompatibel, d.h. offene Eingänge erscheinen als hochgesetzt.
Schalter können daher einfach gegen Masse gelegt werden. In einigen Fällen werden
jedoch auch CMOS-Eingänge verwendet, so dass Schalter nur mit zusätzlichen Pull-UpWiderständen angeschlossen werden können. Der Zustand aller fünf Eingangsleitungen
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lässt sich unter der Adresse (BA+1) lesen.
Die Portadresse (BA+2) erlaubt den Zugriff auf das Steuerregister mit den vier Hilfsleitungen
Strobe, Auto Feed, Init und SLCT IN, über die der PC Steuerinformationen an den Drucker
ausgeben kann. Diese vier Leitungen können aber zugleich gelesen werden. Daten werden
<über Open-Collector-Ausgänge ausgegeben. Widerstände von ca. 3,3 k ziehen die
Ausgänge gegen +5V. Geben Sie High-Zustände aus, sind die Leitungen also relativ
hochohmig und können von außen auf Low-Pegel geschaltet werden. Der jeweilige Zustand
wird über TTL-Eingänge zurückgelesen. Deshalb können diese vier Leitungen für beide
Datenrichtungen verwendet werden. Sie müssen dabei beachten, dass drei der Leitungen
(Strobe, Auto Feed und SLCT lN) invertiert sind, eine
(Init) dagegen nicht. In den Programmen lassen sich die invertierten Bits leicht durch die
XOR-Funktion umkehren.
Allgemeine Adressen der parallelen Ports 1 und 2:
Port
LPT1
LPT2
Port-Adressen
Hexadezimal
0378h
0278h
Dezimal
888
632
Allgemeiner Belegungsplan der parallelen Schnittstelle:
Pin
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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25-polig
Bezeichnung
Pin
Strobe
10
Datenbit 0
11
Datenbit 1
12
Datenbit 2
13
Datenbit 3
14
Datenbit 4
15
Datenbit 5
16
Datenbit 6
17
Datenbit 7
18-25
Bezeichnung
Acknowledge
Busy
Pape End
Select
Auto Feed
Error
Initialize
Select in
Masse
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Allgemeines Paralleles Laplink – Kabel:
von Pin
1
2
3
4
5
6
10
Gekreuzte Pins
zu Pin
von Pin
1
11
15
12
13
13
12
15
10
16
11
17
5
25
zu Pin
6
4
3
2
16
17
25
Da das System mit dem PC über eine parallele Schnittstelle gesteuert werden soll, hat die
Maschine 25-polige Sub-D Stecker.
Pinbelegung der PrimCNC-Frässoftware
DB25
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18-25
Stand: 14.05.2016
Adresse/Bit
0x27A/1
0x278/1
0x278/2
0x278/3
0x278/4
0x278/5
0x278/6
0x278/7
0x278/8
0x279/7
0x279/8
0x279/6
0x279/5
0x27A/2
0x279/4
0x27A/3
0x27A/4
PC
A ~Strobe
A Data 1
A Data 2
A Data 3
A Data 4
A Data 5
A Data 6
A Data 7
A Data 8
E Ack
E ~Busy
E Pe
E Select
A ~Autofeed
E Error
A Init
A ~Select
GND
PrimCNC
(z.B. Kühlung)
Xstep
Xdir
Ystep
Ydir
Zstep
Zdir
Astep
Adir
Zend
(z.B. SW-Notstop)
Yend
Xend
Beschreibung
Aend/WZ-Abl.
Endschalter A
Schritt X
Richtung X
Schritt Y
Richtung Y
Schritt Z
Richtung Z
Schritt A
Richtung A
Endschalter Z
Endschalter Y
Endschalter X
(z.B. Spindel)
Masseanschluss
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Pinbelegung der Step4-Frässoftware
1
INHIBIT
2
3
4
5
6
7
8
9
Takt
Richtung
Takt
Richtung
Takt
Richtung
Takt
Richtung
10
11
12
13
14
15
nicht belegt
nicht belegt
Z-Referenzschalter
Werkzeugtestschalter
16
INIT
17
18-25
Zum Ausschalten der Schrittmotore
(Wird beim Starten der Software LOW)








X
Y
X2
Z
(XA)
(XB)
(YA)
oder Relais
6 = Relais 1
7 = Relais 2
(YB)
nicht belegt
X/Y- Referenzschalter
Reset-Leitung, wird kurzzeitig beim Starten der Software
LOW
nicht belegt
GND
*Das Signal wird über den Schalter auf GND gelegt.
Um eine Fehlfunktion durch Störspannung zu vermeiden, sollte man
einen Pull-up-Widerstand (10k) auf HIGH (PIN 16) verwenden.
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5. Optionen:
In diesem Projekt stehen folgende Optionen zur Auswahl:
5.1. Funktionalität der alten Antriebseinheit:
Falls die alte Antriebseinheit funktioniert, wird mit den Schrittmotoren das Projekt laut
Pflichtenheft technisch umgesetzt.
5.2. Alternativen:
Ist die alte Antriebseinheit nicht zu verwenden (nicht reparabel, Probleme bei Ersatzteile,
etc.) werden folgende Alternativen in Betracht gezogen:
5.2.1. Es werden die alten Schrittmotoren und ein neues Leistungsteil verwendet
5.2.2. Es werden neue Schrittmotoren und ein neues Leistungsteil verwendet
5.2.3. Komplette Entwicklung eines neuen Leistungsteils als Ansteuerung für die
Schrittmotoren als Ingenieurprojekt (Diplomarbeit) an der Höheren Technischen
Bundeslehranstalt.
Dies alles ist nach dem Projekt technisch und kaufmännisch zu prüfen und danach eine
Entscheidung zu treffen.
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