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Domande Frequenti

Cosa è un controller per motori passo passo?
Controller per motori passo passo. Il termine inglese motion control è quello più in uso per dispositivi di questo genere. Motion control (o motion controller) è un sistema in grado di comandare il moto di motori (passo passo ,brushless, servomotori ) al fine di spostare una meccanica (assi in macchine cnc) ad una posizione determinata. Da non confondere con azionamento per motori passo passo o Driver che sono la parte di potenza di un sistema di posizionamento.
I controlli per motori passo passo possono dividersi in 2 fasce principali:

Controller Software.
Controller Hardware.

   I primi sono quei sistemi basati su PC che attuano i comandi per i motori attraverso la porta parallela. Questi sistemi sono costituiti da un software che legge, interpreta visualizza e gestisce file vettoriali e generano una sequenza di passi per diversi assi (fino a 4) sulla periferica di stampa standard.
Il vantaggio principale di questi sistemi è il costo: questo è determinato dalla sola progettazione software e non comprende nessun dispositivo elettronico aggiuntivo. Il sistema è completato dagli azionamenti per i motori che possono essere passo passo o brushless.
Lo svantaggio principale è quello che i software realizzati in ambiente Windows presentano il problema della scarsa continuità delle frequenze sulla porta parallela e quindi sui motori. Windows infatti è un sistema multitasking e tutte le applicazioni attive subiscono ritardi ed interruzioni a volte superiori ai 100 ms. questo pilotaggio non è accettabile per un motore passo passo e le perdite di passi sono inevitabili. I software che lavorano in ambiente DOS sono migliori perché questo problema non si verifica in quanto programma ha il pieno controllo delle periferiche e delle risorse, ma la piattaforma è ormai in disuso e di scarsa popolarità.

   La seconda fascia di controller per macchine CNC è quella dei sistemi hardware, cioè quei sistemi basati su microprocessore e sulla comunicazione con un PC per il trasferimento della base dei dati o vettori di esecuzione. In questi sistemi i file relativi alle posizioni vengono caricati e visualizzati sul PC in ambiente multitasking come windows e l'esecuzione avviene con il trasferimento dei dati attraverso porte di comunicazione come la seriale RS232, USB, LAN, CAN. Questi sistemi permettono l'esecuzione continua di percorsi senza leinterruzioni dovute al sistema operativo soprastante. Il sistema è complessivamente più costoso in quanto richiede la progettazione di un sistema completo basato su microprocessore. Questi sistemi possono avere anche 8 assi interpolati e una maggiore capacità di interagire con periferiche della macchina (ingressi e uscite), possono essere ad anello aperto o ad anello chiuso. Nei sistemi ad anello chiuso sono previsti ingressi per gli encoders al fine di controllare la posizione effettiva per ogni asse o motore. La comunicazione con il PC è parte fondamentale di un tale sistema e va progettata con attenzione in quanto la destinazione, ambiente industriale, rendono l'applicazione particolarmente soggetta a disturbi e quindi a errori di comunicazione.

Generazione dei passi.

Il nucleo principale di questi due sistemi è la funzione che genera i passi, sulla porta parallela per i sistemi software e sulle uscite per i sistemi a microprocessore. L'obbiettivo di tale funzione è quello di portare degli assi collegati meccanicamente a motori, attraverso comandi di passo e direzione sugli azionamenti, alla posizione e alla velocità ed accelerazione voluta.
Tale funzione sfrutta generalmente l'algoritmo di Bresenham per l'interpolazione lineare e viene intensamente usato nei sistemi video per la rappresentazione di linee sullo schermo, in sistemi più completi esiste l'interpolazione circolare per l'esecuzione di archi o cerchi. La funzione viene chiamata da una interruzione periodica creata da un timer, generalmente con risoluzione a 16 bit, che permette frequenze precise e continue. L'algoritmo determina quale asse deve avanzare di un passo al tempo t. Il risultato è una successione di passi, che può essere di frequenza diversa per ogni asse, a seconda dell'angolo del vettore di posizione e soprattutto un moto uniforme e lineare. I percorsi curvilinei vengono realizzati accodando un insieme di vettori di posizione tanto più ravvicinati tra loro quanto è richiesta una alta risoluzione o definizione.
Bisogna considerare che in un sistema a più assi, cioè quella meccanica il cui moto è derivato dalle singole componenti del moto di più motori, la velocità risultante è V=sqrt(v1²+v2²+vn²) e quindi il controller deve impostare il corretto valore di frequenza calcolando l'angolo del vettore stesso. Per esempio se applicando una frequenza di passo di 1000 Hz ad un asse si ha una velocità di 5cm/s, se il moto del sistema è composto da due assi e il vettore ha un angolo di 45 gradi bisognerà applicare una frequenza di 1000*cos(45°)=707 Hz per ottenere la stessa velocità.
Un altro punto importante è l'accelerazione del moto. Questa viene realizzata con un timer che interrompe l'esecuzione ad intervalli regolari e cambia il valore del timer per la generazione dei passi diminuendo il valore per accelerare e aumentandolo per decelerare.

Il Contouring.
Un punto importante in un sistema di controllo movimento basato su vettori di posizione è la possibilità di eseguire vettori continuamente cioè senza accelerare e decelerare ad ogni vettore ma accelerando e decelerando in una successione di vettori. Questa particolare funzione ha il nome di "Contouring" e generalmente è possibile impostare il valore dell'angolo tra due vettori consecutivi, superato il quale, il percorso viene accelerato e decelerato. Questo permette di evitare errori di posizione dovuti ad una eccessiva accelerazione angolare. Per fare un esempio pratico un angolo di 90 gradi tra due vettori deve obbligare il controller a frenare alla fine del primo vettore per riaccelerare nella direzione del secondo vettore, se l'angolo invece è di 12 gradi allora è possibile eseguire i due vettori in successione senza decelerare ma a velocità costante, con grandi vantaggi per le lavorazioni che richiedono velocità appunto costanti: taglio laser, taglio plasma, fresatura, distribuzione di adesivi ecc.

Un buon controller dovrebbe avere:
   Alta velocità di comunicazione.
   Un protocollo di comunicazione sicuro e affidabile.
   Alta velocità di interpretazione dei vettori.
   Alta velocità in termini di step/secondo
   Comandi di lettura e scrittura ingressi e uscite.
   Comandi di temporizzazione
   Comandi di lettura posizione e di stato.
   Discreto numero di IO eventualmente ampliabili attraverso una porta di comunicazione.

Il linguaggio:
Il controller riceve quindi i comandi attraverso la porta di comunicazione ma può anche ricevere direttamente i file visto che esistono formati di file specifici per le macchine CNC. Il più semplice è il formato HPGL sviluppato da HP per i plotter. Questo formato è bidimensionale in quanto il terzo asse o penna viene gestito generalmente da un comando di tipo ON/OFF. Più complesso è il formato ISO G-codes che comprende anche comandi macchina specifici ai controlli numerici.
Bisogna quindi distinguere due tipi di controller: quelli con interprete comandi integrato e quelli con linguaggio proprietario. Nel primo caso il controller accetta direttamente i file nel formato HPGL o ISO, li interpreta e li esegue. Nel secondo caso è il software sul PC che interpreta i file vettoriali e li traduce in comandi specifici del controller in uso.
I comandi di un controller si possono dividere in due gruppi:
Comandi sequenziali
Comandi immediati.
I primi sono tutti quei comandi che vanno a formare il moto. Essi verranno appunto eseguiti in successione e tra il momento della ricezione e lettura e la loro esecuzione può passare un tempo variabile.
I secondi sono tutti quei comandi che devono essere eseguiti alla loro ricezione e sono quelli di output immediato, di richiesta posizione e stato, di imput immediato, di stop, pausa o riavvio.




Cosa è necessario oltre al controller?
I motori passo passo dimensionati per l'applicazione che si deve realizzare.
Gli azionamenti dimensionati rispettando le caratteristiche dei motori.
Un sistema di alimentazione che fornisca l'energia agli azionamenti e alla scheda controller.



Quale software usare con il controller?
Il software che si interfaccia con il controller Colibri e gratuito. Colibri CNC ultima versione
Si può comodamente installare sul proprio PC ed avviare delle lavorazioni in "simulazione". Compatibile con sistemi operativi Windows xp, Vista, 7, 8, 8.1, 10, 10.1 32 o 64 Bit in tutte le versioni Home, Professional, Enterprise.
Si raccomanda di leggere la procedura in PDF per installare correttamente il programma in versioni di Windows 8 e superiori : Procedura Installazione Colibri su Win. 8/10

Quali programmi sono compatibili con Colibri CNC ? Quali programmi posso utilizzare per disegnare? Come si genera un percorso dell'utensile?

I programmi compatibili con il software Colibri CNC sono dai più comuni CAD per disegnare, Corel Draw, Rhynoceros, Autocad, ecc.

I CAM ( programmi che oltre a disegnare generano il percorso utensile ) più utilizzati e compatibili con il Colibri, sono Art CAM, RhynoCam, SurfCam, DeskProto, DeskCNC e altri.

Per alcuni di questi programmi si ha bisogno di un Post processor compatibile con il Colibri, un file specifico che va inserito all'interno del CAM per facilitare sia il salvataggio della lavorazione in G-code nel formato accettato da Colibri ( .dnc, ) sia la corretta elaborazione del G-code utilizzata per gli archi, cerchi (G02-G03). I Post processor possono essere richiesti direttamente via e-mail a info@twintec.it specificandoci il CAM in questione.




Dove trovare informazioni sul linguaggio della scheda?
Il manuale sul linguaggio del controller contiene l'elenco dei comandi con le specifiche sintassi G-Code RS274.





Il controller interpreta il formato ISO G-CODES?
Non è il controller ad interpretare il formato. Il controller ha un suo linguaggio, è il software sul PC che ha il compito di tradurre il file ISO in comandi per il controller.


Il controller ha l'anello chiuso?
Per lavorazioni a bassa velocità (fino a 10 cm/s) e con i motori passo passo non è necessario l'anello chiuso. La perdita di passi è pressoché nulla a queste velocità a condizione che l'utensile non trovi ostacoli nell'eseguire i percorsi. Questo permette un notevole risparmio, economico e di complessità di realizzazione. Il controller è quindi ad anello aperto. I ns. clienti eseguono correntemente file con migliaia di vettori senza problemi.



Quale risoluzione posso ottenere con un sistema a motori passo passo?
La risoluzione di un sistema ad assi mossi da motori passo passo dipende unicamente dalla meccanica. I motori passo passo hanno generalmente un angolo di passo di 1,8° quindi possono compiere una rotazione completa con 200 passi quando pilotati a passo intero.
Per esempio, se il motore fa ruotare una vite con passo da 4 mm., con una rotazione si otterrà uno spostamento di 4 mm e quindi la risoluzione sarà: 4/200 mm.= 0.02 mm. Ottenere una meccanica che abbia giochi inferiori a questa risoluzione è abbastanza difficile. E’ quindi importante scegliere una risoluzione non eccessiva in quanto i giochi potrebbero rendere non effettiva la risoluzione stessa, inoltre bisogna considerare il fatto che scegliendo una alta risoluzione si penalizza la velocità massima raggiungibile dal sistema.



Come si imposta l’accelerazione?
L’accelerazione di un sistema mosso da motori passo passo dovrebbe essere scelta con il seguente semplice criterio: “La più alta possibile”. Il motivo di tale scelta è che la maggior parte delle applicazioni (taglio, fresatura ecc.) richiedono velocità costante per ottenere uniformità di taglio e fresatura. Si deve quindi impostare questo parametro in modo tale da raggiungere la velocità finale nel minor tempo possibile. E’ generalmente necessario effettuare alcune prove iniziando da un valore basso e incrementando questo valore finché il motore non perde passi nella fase di accelerazione, mantenendo un valore sufficientemente sicuro come impostazione finale.



Che velocità possono raggiungere i motori passo passo?
I moderni motori passo passo raggiungono velocità di rotazione fino a 1500 giri al minuto. Bisogna però considerare che la curva di coppia del motore scende notevolmente al crescere della frequenza di passo. Se prendiamo una vite da 4 mm. e la facciamo ruotare a 1500 giri minuto otterremo una velocità di avanzamento di 1500*4mm=6000mm/min o 6m/min .
In pratica però i motori passo passo vengono fatti girare a 600 giri/minuto massimi perché la coppia utile diminuisce molto al disopra di questi valori. In altre parole bisognerebbe scegliere un motore con coppia nominale molto più alta del necessario per raggiungere la massima velocità del motore. E’ quindi buona regola conoscere prima le specifiche richieste dalla macchina prima di acquistare i motori.  

N.cm = Newton/centimeter
pps = Pulse per Second
Come si può notare dalla figura sopra la coppia di un motore passo passo si mantiene quasi costante fino a circa 2000 Hz. che corrispondono a 2000/400=5 giri al secondo o 300 giri/minuto (notare che il motore è pilotato a mezzo passo HALF STEP). Fino a 10000 Hz. il motore continua ad essere operativo ma la coppia si è ridotta a 1/5 del suo valore massimo.



Come dimensionare i motori passo passo?
vi è un capitolo dedicato ai principi generali relativi ai vari tipi di configurazione usate più di frequente. I calcoli da effettuare non sono del tutto semplici ma ne abbiamo riportati alcuni ugualmente in quanto una breve lettura permette sicuramente di avere una base di conoscenza e di sapere quali parametri sono necessari quando si deve dimensionare un motore passo passo per una data applicazione.
Contatti
Twintec di Calcagno Valentina
Via Monti Arsi, 13
95030 Gravina di Catania
Tel/Fax 095 7253415
Email info@twintec.it
 
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