Controllo delle macchine CNC

Pilotare una CNC…

Chiunque abbia avuto a che fare con fresatrici o pantografi ha dovuto o deve affrontare la scelta del controllo CNC da utilizzare per pilotare in maniera fluida e precisa la meccanica CNC finora inanimata.

Come è strutturato un sistema CNC

La struttura generale di un sistema CNC è costituita come segue:

• una meccanica, generalmente realizzata su tre assi cartesiani ed eventuali assi rotativi 4 o 5;
• un sistema CAD/CAM che permette il disegno e la realizzazione dei percorsi macchina;
• un software CN che interpreta il percorso macchina e genera le traiettorie sotto forma di impulsi;
• una parte elettronica di potenza che trasmette il moto ai motori di ciascun asse.

I motori che si utilizzano possono essere:

• passo-passo;
• passo-passo closed loop;
• servo sistemi brushless.

Il CN… cosa fa e su quali piattaforme.

Il CN (Controllo Numerico), come visto sopra genera le traiettorie, ma svolge anche altre funzioni tra le quali la gestione degli ingressi/uscite (I/O) per controllare lo stato di diversi sensori attivare i servizi e le funzioni necessarie al corretto monitoraggio del funzionamento della macchina.

Tipi di Hardware e Software

Queste attività possono essere svolte da:

• hardware e software proprietari, è il caso di controlli basati su PLC che gestiscono in “realtime” tutte le funzioni come per esempio RosettaCNC Motion;
• hardware e software proprietari sprovviste di PLC come PlanetCNC;
• software come Mach3 che si avvalgono di una scheda di interfaccia e della potenza di calcolo di un PC.

Real Time e Polling

I sistemi basati su PLC utilizzano una tecnologia in tempo reale (Real Time) mentre i sistemi basati sul calcolo dei PC avviene per “polling dei dispositivi”.

Nel caso di polling il PC ciclicamente, e con periodicità che dipende dal clok del CN, controlla la lettura dello stato di un ingresso soltanto nell’istante in cui il processore si trova a leggere quel determinato ingresso.

Considerato che il processore insieme al CN deve gestire il SO e gli altri programmi che girano in background (grafica, antivirus o similari) si evince che il controllo CN affidato al PC, se non ben programmato e interfacciato ad elettroniche efficienti, può incorrere in errori, blocchi del sistema, stallo dei motori ed altri comportamenti che spesso, anzi sempre, vanificano la corretta esecuzione delle lavorazioni.

Come comunicare tra CN e l’elettronica di pilotaggio

Ogni CN, soprattutto in funzione della tipologia costruttiva, può comunicare in maniera diversa con l’elettronica di controllo, i sistemi per macchine semi professionali e amatoriali più frequentemente utilizzati sono Ethernet, USB e la quasi ormai dismessa porta parallela. Per sistemi più performanti o professionali sono Ethercat, Canbus Mecatrolink e Modbus su cui non ci soffermeremo perché dedicati a sistemi professionali non propriamente accessibili alla maggioranza.

Ethernet

E’ un sistema di comunicazione molto veloce ed immune ai disturbi di natura elettromagnetica.

Le schede elettroniche di pilotaggio generalmente hanno un funzione attiva e sgravano il PC da molto carico di calcolo limitando in maniera determinante errori o impuntamenti nei movimenti degli assi della macchina e migliorano la gestione degli I/O.

Considerata la velocità di trasmissione dei dati ci si può spingere a frequenze di impulsi molto elevate con beneficio sulla fluidità e precisione di movimento e conseguentemente sulla qualità delle lavorazioni.

Dispongono già di default di un elevato numero I/O completamente programmabili e frequentemente è possibile l’upgrade con moduli di espansione.

USB

Sistema anche esso abbastanza veloce come mezzo di trasmissione dei dati ma soggetto a interruzioni di flusso dati a causa di disturbi elettromagnetici, anche la sola accensione di una lampada al neon nelle vicinanze può determinare la caduta del flusso dati.

Con le dovute accortezze si possono realizzare sistemi affidabili ma non si evitano problemi di sovraccarico di lavoro del PC che dovrà essere ben configurato sia nel SW CN che nella gestione del Sistema Operativo e degli altri programmi in Background.

Dispongono di un buon numero di I/O e comunque implementabili con sistemi ModBus.

LPT

La porta parallela, in ordine di tempo è il primo sistema utilizzato a livello amatoriale.

Tutto il carico di lavoro è devoluto al PC ed è soggetta a disturbi elettromagnetici, ha una disponibilità di I/O limitati dal numero di PIN (di 25 soltanto 17 sono utili).

Per aumentare il numero degli I/O possono essere utilizzati sistemi ModBus via USB realizzando sistemi di controllo misti oppure installando una seconda scheda LPT o misto USB-LPT realizzando sistemi di controllo non proprio professionalmente affidabili.

Elettroniche di pilotaggio

Ci sono tre grandi famiglie di elettroniche idonee al pilotaggio dei nostri macchinari multi asse, le breakout board semplici interfacce parallele dal basso costo e prestazioni minimali, le schede “all in one” che integrano sia l’interfaccia verso il CN sia i Driver per il pilotaggio dei motori, e infine poi sistemi realizzati da scheda di Controllo e Driver o Azionamenti separati, più professionali ed affidabili.

Breakout Board

Progettate quasi esclusivamente per Mach3 spesso ed impropriamente vendute come schede di controllo, non controllano nulla in quanto sono semplici interfacce parallele da collegare ad un PC via USB o LPT che si limitano a ricevere e ritrasmettere i segnali sia step/dir sia quelli dei pochi I/O disponibili su una porta parallela.

Il loro funzionamento, se ben fatte, ha esclusivamente il compito di isolare galvanicamente la porta LPT dal resto del sistema di controllo CNC, svolgono le medesime operazioni della LPT a bordo PC ma con qualche accortezza in più.

Esistono in commercio breakout board di ottima qualità costruttiva ma anche esse risentono dei limiti imposti dal limitato numero di I/O ricavabili dalla scheda LPT.

Necessitano di Driver aggiuntivi per il pilotaggio dei motori passo-passo o passo passo closed loop, se ne sconsiglia vivamente l’impiego con sistemi brushless, gli ingressi uscite non basteranno mai ed i segnali step/dir non saranno mai ne veloci ne “puliti” come richiederebbe un sistema brushless .

Schede All in One

Anche queste schede realizzate quasi esclusivamente per Mach3 CNC. Sono dispositivi a 3 o 4 assi dove l’interfaccia verso il PC, Driver per il pilotaggio dei motori ed I/O sono sulla stessa scheda.

Tipicamente sono alimentate a 12 o 24 Vcc per far funzionare i driver e dispongono di una tensione secondaria a 5 Volt TTL per il funzionamento degli I/O e per il treno di impulsi.

Sono molto economiche, possono essere montate su semplici macchine CNC ma hanno una serie di controindicazioni come la bassa tensione di alimentazione driver e quindi dei motori PP che non è mai ad ottimizzare la coppia dei motori. Vedi la parte in basso sulla coppia motori pp.

Possono pilotare esclusivamente motori passo-passo.

La frequenza per ogni canale step e dir è quella generata dal PC, gli unici tipi di programmazione, interagendo con i dip-switch o ponticelli a bordo scheda, sono la corrente di fase ed i micro passi generalmente fino ad 1/16, 3200 impulsi/giro.

Qualora si verifichi un guasto della scheda se ne consiglia la sostituzione in quanto, se la riparazione viene fatta da esperti, il costo  eguaglia il prezzo di acquisto di un nuovo prodotto similare.

Ingressi e Uscite TTL delle schede All in One

In merito agli I/O sono sempre a 5 volt in tecnologia TTL, questa tecnologia prevede che 0 Volt corrisponde in digitale a 0 mentre a 5 volt in digitale a 1, la soglia tra 0 ed 1 sta intorno ai 3,3 volt, questo comporta che se un ingresso sta a 0, in volt potrebbe stare anche a 3 volt, comunque sotto la soglia ma molto prossimo al cambio di stato, è sufficiente una interferenza, anche causata dai cavi motore, che induca un surplus in tensione di 0,3 volt e quell’ingresso passa allo stato logico 1 o peggio diventa “ballerino”.

Questo comportamento causa spesso errori nella fase di HOME, ma soprattutto genera perdite di passi perché influisce sulla corretta sequenza del treno di impulsi necessario ai movimenti ed inversioni dei motori.

Non è proprio il massimo no? Come si risolve? Si ricorre a schermature, condensatori, resistenze di pull up o pull down che fanno si che una scheda che doveva costare poco e pronta all’uso diventi un laboratorio di “accrocchi” , una fucina di arrabbiature che da inizio la tipica caccia alle “streghe”.

Controller ed Azionamenti separati

Sicuramente sono i più flessibili ed affidabili, la scheda di controllo ha il compito di generare gli impulsi per i driver indipendentemente dalle caratteristiche del PC, solitamente sono alimentate a 24 Vcc, stessa tensione di alimentazione utilizzata per gli I/O che per caratteristica di grandezza è immune ai disturbi elettromagnetici ed i sistemi di polarizzazione sono già inclusi nell’hardware.

Anche queste schede hanno tensioni a 5 Volt ma esclusivamente per i canali del treno di impulsi, a differenza del TTL la trasmissione è LINE DRIVE e viene eseguita con cavi “twistati”, tale sistema annulla qualsiasi effetto di interferenze sia sulla linea frequenza/segno sia nella lettura dello stato degli I/O.

Questo tipo di schede prevede ingressi separati anche per volantini MPG, hanno la possibilità di essere implementate con ulteriori schede di ingresso/uscita.

L’alimentazione della scheda CNC dei Driver è separata e indipendente, ciò permette di alimentare i driver alla tensione massima ammessa massimizzando le prestazioni del complessivo driver/motore.

In merito al numero di passi giro in questo caso dipenderà esclusivamente dal Driver scelto, raggiungendo 25600 impulsi/giro su base 8 e 25000 impulsi/giro su base 10 con i driver per motori passo passo, mentre sui sistemi closed loop fino a 51200 impulsi/giro su base 8 oppure 40000 su base 10.

Tali frequenze di passo sono sufficienti anche per i sistemi brushless sicuramente più preformanti.

Movimento degli assi

Come già accennato in precedenza i motori hanno il compito di muovere gli assi in maniera controllata al fine di eseguire le traiettorie corrette per la fedele riproduzione dei percorsi generati dal CAM. Le tipologie di motori, ripetiamo, sono i passo-passo, i passo-passo closed loop ed i brushless. Ogni tipologia di motore è idoneo per macchine diverse prestazioni diverse ed ovviamente costi diversi. Di seguito analizziamo le caratteristiche di ciascun tipo di motore o meglio del sistema motore/azionamento.

Motori passo passo

I motori passo-passo sono motori sincroni molto economici, eccezionalmente stabili e sono caratterizzati da valore di coppia massima quando sono fermi.

All’aumentare della velocità di rotazione la coppia scende fino a raggiungere livelli che non sono più in grado di muovere l’asse.

Sono quasi sempre utilizzati per la movimentazione di assi per macchine amatoriali dove la possibilità di avere un errore è un rischio calcolato, il più delle volte si rischia soltanto di riavviare o rieseguire una lavorazione non andata a buon fine.

Possono essere pilotati da qualsiasi azionamento dedicato anche se è fortemente consigliato applicare tensioni di alimentazione prossime al limite accettabile dei motori.

Andamento della coppia sui motori PP

La figura che segue spiega molto bene l’andamento della coppia in funzione della tensione di alimentazione e della velocità di rotazione. Il grafico si riferisce ad un motore NEMA 23 RTA modello 103-H7126-1740 da 4 Ampere, in qualche modo spiega anche perché sconsiglio schede all in one.

Anche se il grafico di semplice interpretazione, è indispensabile mettere in evidenza come alimentando lo stesso motore a tensioni diverse le prestazioni siano completamente diverse, massimo 600 giri/min se alimentato a 24 Vcc e 1800 giri/min se alimentato a 75V.

Se volessimo calcolare la velocità dell’asse per esempio con una vite passo 5 mm avremmo a 24 Volt 3500 mm/min contro 9000 mm/min se alimentati a 75, una bella differenza a parità di motore, certo che se si superano i giri tipici si incorre nello stallo e quindi nella famosa e fastidiosa perdita di passi che vanifica ore di lavoro.

Questi dati sono teorici poiché non considerano gli attriti meccanici sugli scorrimenti degli assi e gli sforzi dell’utensile sul materiale, una parte della coppia viene utilizzata proprio per vincere questi attriti ma su una meccanica ben fatta e con materiali di buona qualità si possono tranquillamente raggiungere i limiti forniti dal costruttore.

Rimanendo su una percentuale del 20% più bassi del limite imposto per garantirci un margine di sicurezza per la buona riuscita del processo di lavorazione.

Motori passo passo Closed Loop

Come funzionamento sono assimilabili ai motori passo-passo ma come comportamento di coppia e velocità e precisione a quelli Brushless.

A bordo del motore è installato un encoder con risoluzione medio bassa che viene letto dall’azionamento, infatti il pp closed loop va acquistato con il suo driver.

Anche loro non sono immuni alla perdita di passo, ma se ben programmati un bel rendimento ed affidabilità, inoltre l’azionamento si accorge di un errore di inseguimento fornisce un allarme su un’uscita che va gestita dal controllo per fermare la lavorazione.

Ha senso utilizzare questo tipo di motori su sistemi ad elevata automazione per esempio su sistemi con cambio utensile automatico (ATC) dove la posizione di un utensile in rastrelliera è sempre espressa in coordinate assolute e in caso di perdita di passi si rischia di rovinare o il magazzino utensili o il mandrino o comunque il danno sui sistemi ATC è dietro l’angolo..

Motori Brushless

In assoluto i più performanti, costosi, precisi ma allo stesso tempo instabili.

Sono motori dove il corretto tuning dell’azionamento è fondamentale, sono estremamente precisi ed anche loro come i closed-loop necessitano di un azionamento proprietario idoneo per quel tipo di motore.

Sono dotati di encoder (i migliori montano encoder con risoluzione fino a 17 bit)  che si richiude sull’azionamento molto “intelligente” in grado di correggere, nei limiti del possibile (una collisione è incorreggibile), ogni variazione di coppia, velocità e posizione.

Dispongono di uscite con varie tipologie di segnali programmabili che se  gestite a dovere garantiscono la perfezione delle traiettorie e la totale sicurezza nell’esecuzione di procedure e di automatismi in qualunque situazione.

Contrariamente ai motori passo-passo che come abbiamo precedentemente osservato sviluppano la coppia massima quando sono fermi, i Brushless seguono una curva di coppia con andamento completamente diverso.

Le curve di coppia

Un grafico di esempio del comportamento della coppia in funzione della velocità di un motore Sanyo Denki da 200W modello R2AA06020FXR11M dove si evince chiaramente l’andamento pressoché costante a tutti i regimi di rotazione.

Immagine ripresa dal sito della RTA, importatore Sanyo Denki per l’Italia.

Questo dell’esempio è un motore piccolo, (dimensioni di ingombro circa un NEMA23) di soli 200 W e raggiunge velocità di rotazione di 3000 giri/min con max fino a 6000, se facciamo lo stesso calcolo effettuato in precedenza con una vite passo 5 vediamo che si arriva agevolmente a 15.000 mm/min a 3000 giri/min e coppia costante di circa 2,2 Nm, uno spettacolo.

Se le meccaniche non sono ben progettate è meglio evitare accoppiamenti diretti tra motore e vite, si consiglia una riduzione almeno 2:1 per beneficiare di un incremento di coppia a scapito della velocità, in questa maniera non si incorre nei problemi che scaturiscono dal “Tallone di Achille” rappresentato dall’inerzia rotorica, che nel caso di riduzione 2:1 diventa 4 volte più piccola permettendo così un “tuning” fine del sistema motore azionamento.

I sistemi di riduzione possono essere realizzati con riduttori planetari, riduttori armonici (entrambi parecchio costosi) ma anche con cinghie e pulegge sincrone, largamente utilizzato anche su macchine professionali.

Conclusioni

Con questa mia panoramica sul pilotaggio delle CNC spero di aver chiarito in linea generale qualche aspetto dell’hardware da utilizzare specialmente in prospettiva di effettuare degli upgrade sulle vostre macchine.

Spesso il costo estremamente basso di alcuni componenti attira il potenziale acquirente ma non giustifica i correttivi da applicare in seguito poiché risulteranno più costosi, anche se non economicamente, ma sicuramente in termini di tempo per cercare le soluzioni ai problemi che potevano essere scongiurati con l’acquisto di prodotti forse appena più costosi ma sicuramente più affidabili.

Spero di esservi stato utile.