Multifunktionell CNC-‐maskin
Göran Claesson Jonas Silverborn
Mekatronik
Halmstad den 22 12 2013
Ingenjörsuppsats december 2013
Författare: Göran Claesson, Jonas Silverborn Handledare: Nicholas Wikström
Examinator: Kenneth Nilsson
Sektionen för informationsvetenskap, data-‐ och elektroteknik Högskolan i Halmstad
Box 823, 301 18 HALMSTAD
© Copyright Göran Claesson & Jonas Silverborn, 2013. All rights reserved
Ingenjörsuppsatts
Sektionen för informationsvetenskap, data-‐ och elektroteknik Högskolan i Halmstad
An old CNC PCB milling machine has been modified and a new control system and new stepper motors has been added. The original machine comes from the manufacturer LPKF and manufactured in the late 1980's. This machine has been converted to be used with several different types of tools, e.g. laser cutter and milling tools.
The idea behind the project is to, with a limited budget, construct a multifunctional CNC machine that is easy to use and simple to continue to develop, in future projects, enabling it to be used with other types of tools.
The project can be divided into two phases. One is a design phase, in which the machine itself and the control system was constructed and the second phase an analysis/testing phase where the system is tested and the precision and repeatability were determined.
En gammal CNC-‐kretskortfräs har modifierats och försätts med nytt styrsystem och nya stegmotorer. Den ursprungliga maskinen kommer från tillverkaren LPKF och tillverkades på slutet av 1980-‐talet. Denna maskin har byggts om för att kunna användas med flera olika typer verktyg där ibland laser-‐skärare och fräs.
Tanken med projektet är att, med en begränsad budget, konstruera en multifunktionell CNC-‐maskin som är lätt att använda och enkel att fortsätta utveckla, i framtida projekt, till att använda andra typer av verktyg.
Projektet kan innefattas i två delar. Dels en konstruktionsfas, där själva maskinen och styrsystemet konstruerades och dels en analys/test-‐fas där systemet testades och precision och repeterbarhet fastställdes.
1 Inledning ... 1
1.1 Problemformulering ... 1
1.2 Syfte ... 1
1.3 Mål ... 1
1.4 Avgränsning ... 2
1.5 Kostnader ... 2
2 Bakgrund ... 5
2.1 CNC-‐teknologi ... 5
2.1.1 Historisk utveckling ... 5
2.1.2 Olika typer av processer med CNC-‐system ... 5
2.1.3 Funktioner ... 5
2.1.4 CNC programmering med G-‐kod ... 7
2.1.5 CNC kontroller – mjukvara ... 7
2.1.6 CAD system ... 8
2.1.7 CAM system ... 8
2.1.8 CNC systemets uppbyggnad ... 8
2.2 Laserteknologi ... 16
2.2.1 Materialbehandling med laser ... 17
2.2.2 Laserskärning ... 18
2.2.3 Metoder att framställa laser ... 20
2.2.4 Historiska utvecklingen ... 22
2.3 Testning av CNC system ... 23
2.3.1 Renishaw QC20 Ballbar Test ... 23
2.3.2 NAS 979 Composite Cutting Test 4.3.3.5 ... 24
3 Metod ... 27
3.1 Val av komponenter ... 27
3.1.1 CNC systemet ... 27
3.1.2 Laser ... 29
3.2 Val av mjukvara ... 30
3.2.1 CAD program ... 30
3.2.2 CAM program ... 30
3.2.3 CNC kontroller ... 30
3.3 Mekanik och konstruktion ... 31
3.3.1 Z-‐axel ... 31
3.3.2 Verktygsfäste ... 33
3.3.3 Elkonstruktion ... 33
3.4 Noggrannhetstester av CNC-‐maskinen ... 34
3.4.1 Designen på bearbetningsprovstycket ... 34
3.4.2 Test 1 ... 35
3.4.3 Test 2 ... 42
3.4.4 Test 3, Jämförelse med likvärdig CNC-‐maskin på marknaden ... 45
3.5 Lasertest ... 45
4 Resultat ... 47
4.1 Noggrannhetstesterna ... 47
4.1.1 Test 1 ... 47
4.1.2 Test 2 ... 49
4.1.3 Test 3 ... 51
4.4 Mekanik och konstruktion ... 53
4.4.1 Z-‐axel ... 54
4.4.2 Verktygsfäste ... 55
4.4.3 Elkonstruktion ... 56
5 Slutsatser ... 57
5.1 Resultat ... 57
5.2 Miljöaspekter ... 58
5.3 Vidareutveckling ... 58
5.3.1 Inom projektet ... 58
5.3.2 Utanför projektet ... 58
5.4 Erfarenheter ... 59
Litteraturförteckning ... 60
Bilagor ... 64
Figur 1 Linjära och roterande axlar ... 6
Figur 2 Stålaxlar med kulbussningar (25) ... 9
Figur 3 Profilskenstyrning (26) ... 9
Figur 4 Kulskruvsdrift (27) ... 10
Figur 5 Kuggstångsdrift (28) ... 11
Figur 6 Kuggremsdrift (30) ... 11
Figur 7 Diagram som visar positionen för en sexpolig rotor och åttapolig stator. (32) ... 12
Figur 8 Diagrammet visar hur rotorn rör sig då de olika statorparen är strömsatta. (33) ... 13
Figur 9 Principskiss av Fotoemission (34) ... 16
Figur 10 Principskiss av Stimulerad emission (34) ... 16
Figur 11 Principskiss av en optisk kavitet, för framställning av Laser ... 17
Figur 12 Uträkning utav intensiteten i fokuspunken för laser (36) ... 18
Figur 13 Principskiss utav laserskärning (39) ... 18
Figur 14 Uträkning utav skärhastighet vid smältning (37) ... 19
Figur 15 Uträkning utav skärhastighet vid förångning (37) ... 19
Figur 16 Principskiss utav Gaslaser/CO2 Laser (34) ... 20
Figur 17 Principskiss utav fast tillstånd/Nd:Yag Laser (34) ... 21
Figur 18 Principskiss utav Diod Laser (34) ... 22
Figur 19 Renishaw QC Ballbar (42) ... 23
Figur 20 NAS 979 Composite Cutting Test 4.3.3.5 (45) ... 24
Figur 21 3w 808nm infraröda lasermodul, mått 115/65/40 mm (2) ... 30
Figur 22 Design z-‐axel ... 31
Figur 23 Design linjärstyrning ... 31
Figur 24 Anslutningspunkt x/y axel ... 32
Figur 25 Fästplatta med hålbilden för verktygsfäste ... 33
Figur 26 Designen på teststycket ... 34
Figur 28 Adaptive Clearing ... 36
Figur 29 2D Contour Kvadraten ... 36
Figur 30 2D Contour Cirkeln ... 37
Figur 31 2D Contour Diamanten ... 37
Figur 32 Fräsbana för samtliga teststycken ... 38
Figur 33 Placeringsmått ... 39
Figur 34 Dimensionsmått (sett ovanifrån) ... 40
Figur 35 Dimensionsmått (sidovy) ... 40
Figur 36 Placeringsmått ... 41
Figur 37 Modellens mått (toppvy) ... 41
Figur 38 Modellens mått (sidovy) ... 42
Figur 39 NAS 979 Stora Kvadraten (45) ... 43
Figur 40NAS 979 Cirkeln (45) ... 43
Figur 41 NAS 979 Diamanten (45) ... 44
Figur 42 Lasertest ... 45
Figur 43 Flödesdiagram mjukvara ... 53
Figur 44 CNC bordet ovanifrån ... 54
Figur 45 CNC bordet underifrån ... 54
Figur 46 Z-‐axel med linjärstyrning ... 54
Figur 47 Laserfäste ... 55
Figur 48 Inkapsling utav elektronik samt utav nätaggregat ... 56
Figur 49 Tool sensor ... 56
Tabellförteckning Tabell 1 Kravspecifikationer till projektet ... 2
Tabell 2 Kostander och Intäkter ... 3
Tabell 4 Resultat Test 1, Positionstest ... 47
Tabell 5 Resultat Test 1, Dimensionsmått, Feedrate: 600mm/min ... 47
Tabell 6 Resultat Test 1, Dimensionsmått, Feedrate: 600mm/min ... 48
Tabell 7 Resultat Test 1, Dimensionsmått, Totalt ... 49
Tabell 8 Måttnoggrannhet Stora kvadraten Test 2 ... 49
Tabell 9 Parallelliteten Stora kvadraten Test 2 ... 50
Tabell 10 Måttnoggrannhet Cirkeln Test 2 ... 50
Tabell 11 Måttnoggrannhet Diamanten Test 2 ... 50
Tabell 12 Parallellitet Diamanten Test 2 ... 51
Tabell 13 Måttnoggrannhet Stora kvadraten Test 3 ... 51
Tabell 14 Parallelliteten Stora kvadraten Test 3 ... 51
Tabell 15 Måttnoggrannhet Cirkeln Test 3 ... 52
Tabell 16 Måttnoggrannhet Diamanten Test 3 ... 52
Tabell 17 Parallellitet Diamanten Test 3 ... 53
Formelförteckning Formel 1 Uträkning av stegvinkel HY-‐motor ... 14
1 Inledning
Denna rapport syftar till att beskriva examensarbetet Multifunktionell CNC-‐maskin som är gjort hösten 2013 på uppdrag av IDE-‐sektionens El-‐labb och beställaren är Tomas Lithén.
Detta kapitel kommer behandla ämnen så som problemformulering, syfte, mål, avgränsningar och budget för examensarbetet.
1.1 Problemformulering
Idag finns det ett stort antal CNC-‐maskiner för olika användningsområden ute på marknaden. Även om de flesta är lätta att använda och ingen eller väldigt lite kunskap av dessa maskiner är nödvändiga för att manövrera så finns det relativt liten möjlighet att använda dessa till olika typer av verktyg så som laser-‐skärare och fräsning/borrning.
Halmstad högskolas El-‐labb har i dag två stycken kretskortfräsar av typen CNC. Den ena är utdaterad och används inte längre. Istället för att göra sig av med denna uppkom idén om att modifiera och uppgradera till ett mordernare system.
Uppdragsgivaren gav uppgiften att med en begränsad budget undersöka om det var möjligt att bygga om det gamla systemet så att laserskärning och olika typer av borrning/fräsning kan bli möjligt.
Utmaningen för det här projektet blev att finna en lämplig lösning med en budget på 6000 SEK inhandla lämpliga komponenter för att möjliggöra en lista med krav.(se 1.3)
1.2 Syfte
Syftet med detta examensprojekt är att förse kunden som är i det här fallet Halmstads Högskola El-‐labb med en multifunktionell CNC-‐maskin. Där vi återanvänder en äldre modell av CNC kretskortsfräs och förädlar den till ett mer modernt system. Funktionaliteter så som laserskärning, borrning samt fräsning kommer CNC-‐maskinen att inneha. Den multifunktionella CNC-‐maskinen ska också vara lätt att utveckla i framtiden, skall kunna fästa och använda fler verktyg.
1.3 Mål
Målet för examensprojektet är att förse EL-‐labb med en multifunktionell CNC-‐
maskin som uppfyller kraven enligt nedan Tabell 1.
Tabell 1 Kravspecifikationer till projektet
Krav 1: Arbetsområde för CNC-‐bordet; x-‐axeln: 300mm, y-‐axeln: 400mm, z-‐axeln: 100mm
Krav 2: Precision ska vara ±0,05mm
Krav 3: Styrning av systemet ska ske genom PC via USB Krav 4: En laser-‐skärare skall kunna fästas på CNC-‐maskinen
Krav 5:
Laserskäraren ska kunna hantera material i plast och tunt trä och den ska kunna skära och gravera i dessa material utifrån tvådimensionella ritningar som är gjorda i ett lämpligt CAD-‐program
Krav som är uppkomna efter projektplan fastställdes
Krav 6: Kunna fästa en borrmaskin på CNC-‐maskinen med funktionerna borrning samt fräsning.
Krav 7: Kunna byta verktyg och funktionalitet på ett enkelt sätt, dvs. fästa verktyget med dess fäste med två skruvar till CNC-‐maskinens z-‐axel.
Krav 8: Kunna strömförsörja påmonterat verktyg via CNC-‐maskinen
Ett önskemål ifrån kunden var att CNC-‐maskinen skulle kunna skära i tunn plåt med lasern, dock ej som ett krav.
1.4 Avgränsning
Projektet har begränsats till att enbart göra CNC-‐maskinen kompatibelt med en handfräs och en diodlaser-‐skärare.
1.5 Kostnader
Projektet finansernas med hjälp av ett kapital av 6.000SEK, som betalas av Sektionen för informationsvetenskap, data-‐ och elektroteknik Högskolan i Halmstad.
Hur dessa medel valdes att disponeras visas i Tabell 2 nedan. I huvudsak avser dessa medel inköpa av komponenter av olika slag till projektet. Leverans och transport av komponenter har gjorts av företaget FedEx (1). Kostnaden för detta överstiger 910SEK. Den kostnad som överstiger detta betalas utav kunden El-‐labb och omfattas inte utav projektets egen budget.
Tabell 2 Kostander och Intäkter
Företag Specifikation Kostnad/Intäkt
Högskolan i Halmstad
IDE Sektionen Start kapital + 6.000SEK
KALE CNC (2) Laser med strömadapter – 2.300SEK
Stegmotor kit – 1.600SEK
RATTM MOTOR (3) • 1 x 4 axis TB6560 USBCNC
RATTM MOTOR • 3 x 23HS8430 stepper motor
RATTM MOTOR • 1x24V/15A switching power
supply
RATTM MOTOR • 1 x hand remote controller
RATTM MOTOR • 1 x USB cable
RATTM MOTOR • 1 x DB9 parallel cable
RATTM MOTOR • 1 x Fan,4pcs M4 screw
JB CNC (4) Z-‐axel konstruktion – 1.190SEK
JB CNC • 1 x Skruv + mutter 214mm lång
inkl. ändbearbetning
JB CNC • 1 x Slipad härdad axel
16mm/450mm
JB CNC • 2 x Kulbussning med hus SCS16UU
JB CNC • 1 x Spiralkoppling
JB CNC • 1 x fäste FK12 – FF12
Halmstad Mekaniska
Verkstad AB (5) • Aluminium 7kg
FedEx (1) Transport av varor – 910SEK
Balans 0SEK
2 Bakgrund
2.1 CNC-teknologi 2.1.1 Historisk utveckling
Efter det att ångmaskinen uppfanns på slutet av 1700-‐talet (6) introducerades många olika typer av maskinverktyg. 1804 konstruerade J.M. Jacquard (7) en ångdriven vävstol där mönsterbildningen styrdes av hålkort. Denna revolutionerande styrning var en tidig tillämpning av binär digitalteknik och numerisk kontroll (NC). 1947 utvecklade, nästan simultant, U.S. Air Force och John T. Parsons (8) en metod för att flytta och styra två axlar genom att använda hålkort som innehöll koordinatdata. Denna teknik användes sedan till att tillverka delar till helikoptrar och flygplan. 1952 utvecklade MIT (8), vad som idag anses vara den första NC-‐maskinen, en fräsmaskin på 3 axlar. Även här använde man sig av hålkort som fungerade som informationsbärare. Eftersom inga transistorer eller IC-‐kretsar (9) fanns att tillgå användes elektronrör. Detta gjorde att själva NC-‐styrningen var större än själva maskinen. 1976 byggdes den första NC-‐maskinen med en inbyggd mikroprocessor i sitt system. I och med denna händelse skapades begreppet CNC (Computer Numerical Control) (8). Idag görs ingen skillnad mellan NC och CNC och således är en NC-‐maskin ett maskinverktyg med ett CNC-‐system.
2.1.2 Olika typer av processer med CNC-system
CNC-‐system används för alla typer av processer som kan beskrivas som en serie av rörelser och operationer. Några exempel på sådana processer är;
• fräsning
• svarvning
• borrning
• laserskärning
• plasmaskärning
• 3D-‐printning 2.1.3 Funktioner
De huvudsakliga funktionerna hos ett CNC-‐system är att kontrollera rörelse hos maskinen samt att hantera programbara extrafunktioner (10).
Rörelsekontroll
Alla CNC-‐system har två eller flera programbara rörelseriktningar. Dessa riktningar kallas axlar. Rörelseriktningarna kan vara antingen linjära (längs en rät linje) eller roterande (längs en cirkulär bana). CNC-‐maskinens komplexitet bestäms av hur många av dessa riktningar den har. Generellt sett gäller, ju flera axlar desto mer komplext är systemet. Alla axlar benämns med bokstäver. Vanligen ges de linjära axlarna bokstäverna X, Y och Z medan de roterande får bokstäverna A, B och C (se figur 1).
Figur 1 Linjära och roterande axlar
Programbara extrafunktioner
För att kunna utföra olika operationer med en CNC-‐maskin krävs i de flesta fallen fler programbara funktioner utöver rörelsekontroll av de olika axlarna. Exempel på sådana funktioner är allt ifrån enkla uppgifter som att starta och stoppa verktyg, sätta igång någon form av kylning eller kontrollera hastigheten på ett verktyg till mer avancerade funktioner som att utföra automatiska verktygsbyten eller mäta dimensioner på arbetsstycket.
Alla dessa funktioner programmeras med ett lämpligt programspråk som CNC-‐
systemet kan läsa och arbeta efter(se avsnitt 2.1.4 nedan).
2.1.4 CNC programmering med G-kod
Även om det finns andra sätt att programmera CNC-‐maskiner på så anses G-‐kod vara den industriella standarden. Redan på tidigt 1960-‐tal standardiserades G-‐kod av EIA(Electronoc Industries Alliance) i U.S.A. Denna standard reviderades 1980 och har namnet RS274D (11).
G-‐kodspråket är ett slags alfanumeriskt ASCII-‐baserat maskinkodsspråk. CNC-‐
kontrollen kan tyda denna kod och omvandla den till diskreta rörelser och funktioner. Syntaxen för G-‐kod är relativt enkel och påminner om assembler (12).
En rad av kod innehåller exekveringsbar information som programmet exekverar i sekventiell ordning.
En serie av CNC ord används för att kommunicera med maskinen och vad den ska göra. CNC orden börjar med en bokstav (ex F för feedrate, S för spindlespeed och X, Y och Z för axelrörelse). När flera CNC-‐ord sätts samman till en CNC-‐mening bildar denna ett kommando. Det finns ca 40-‐50 olika ord som används regelbundet.
2.1.5 CNC kontroller – mjukvara
Den här kontrollern tyder CNC-‐programmet och aktiverar serien av olika kommandon i sekventiell ordning samt aktiverar lämpliga funktioner som orsakar axelrörelser och följer instruktionerna i programmet. CNC kontrollern tillåter för det mesta att alla funktionerna av maskinen kan manipuleras. T.ex. verktygslängd eller feedrate och eventuella offsets. De två mest populära programmen för att kontrollera CNC-‐maskiner för hemmabruk är Mach3 och EMC (13). Båda använder samma typ av maskinkodsspråk (G-‐kod av standarden RS-‐274) (13). Varken Mach3 eller EMC har stöd för användning med USB utan bara parallellport stöds. För användning med USB finns det egentligen bara en mjukvara på marknaden, CNC USB Controller (14). Även detta program använder sig av RS-‐274 som maskinkodsspråk. En kortfattad beskrivning av dessa tre mjukvaror följer.
Mach3 (15)
Mach3 är det mest populära programmet för att kontrollera CNC-‐maskiner för hemmabruk. Det kostar US$175 och kan köpas med ett CAM-‐program(se 2.1.7) som valbart insticksprogram. Mach3 körs på Windows operativsystem och kan kontrollera upp till 6 axlar.
Enhanced Machine Controller (EMC) (16)
EMC är ett projekt med öppen källkod, skapad av flera programutvecklare och är helt gratis för vem som helst att använda. EMC kan endast köras på ett Linuxbaserat operativsystem (16) och har stöd för att kontrollera upp till nio axlar samtidigt.
CNC USB Controller (14)
Den här mjukvaran körs från ett Windows operativsystem och kan kontrollera upp till 9 rörelseaxlar. Programmet kan laddas ner från tillverkaren gratis men tillåter bara upp till 25 rader med G-‐kod. För att kunna använda en fullversion av mjukvaran krävs en licens som kan erhållas för €69. Den här programvaran följer med CNC-‐kontrollhårdvara med USB-‐anslutning, och då med en giltig licensnyckel.
2.1.6 CAD system
Ett CAD(computer-‐aided design)-‐program används för att skapa tvådimensionella ritningar eller tredimensionella modeller. Denna mjukvara används ofta som en startpunkt i processen att ta fram en maskintillverkad del. Det finns många olika CAD-‐mjukvaror men den mekaniska CAD marknadsandelen domineras av program från 4 stora företag (17); Autodesk (18), PTC (19), Dassault (20) och Siemens (21).
2.1.7 CAM system
Vid enkla applikationer, som till exempel hålborrning, kan CNC-‐programmet utvecklas manuellt med endast penna, papper och miniräknare. När applikationer blir mer komplexa används ett så kallat CAM-‐program (Computer aided Manufacturing). Detta program arbetar ofta tillsamman med ett CAD-‐program (Computer Aided Design). Genom att ta en ritning från ett CAD-‐program så producerar CAM-‐programmet G-‐kod som sedan kan användas av CNC-‐kontrollern för att styra CNC-‐maskinen. Några exempel på CAM-‐mjukvaror som finns på marknaden är; MasterCam (22), SurfCam (23) och HSMXpress (24).
2.1.8 CNC systemets uppbyggnad
Linjära styrsystemet
Det finns flera olika metoder för att lösa de linjära förflyttningarna hos ett CNC-‐
system. Oavsett metod måste denna kunna förse systemet med (13):
1. Rätlinjig rörelse, d.v.s. fram och tillbaka längs önskad axel.
2. Jämn och rak rörelse med minimal friktion.
3. En fixerad rörelseaxel som sitter rätvinkligt monterad mot de andra axlarna.
4. Minimalt spel mellan löpvagn och styrskena.
Beroende på användningsområde och arbetsmiljö kan olika linjärstyrningar väljas.
En kort beskrivning av två av dessa följer.
A. Stålaxlar med kulbussningar
Det här systemet använder sig av härdade stålaxlar och kulbussningar. Genom att låta en eller flera kulbussningar traversera längs stålaxeln skapas en linjär styrning. (se Figur 2)
Figur 2 Stålaxlar med kulbussningar (25)
B. Profilskenstyrning
I detta system skapas linjär rörelse med hjälp av kulförsedda löpvagnar. Kulorna sitter mellan skenorna och löpvagnen (se Figur 3). Den här typen av system har väldigt låg friktion och tack vare att löpvagnarna tvångs-‐styrs på skenan kan denna typ av skenstyrning klara laster i både vertikal och horisontell riktning.
Figur 3 Profilskenstyrning (26)
Överförningssystem (Transmission)
CNC-‐maskinens överföringssystems uppgift är att omvandla motorernas rotationskraft till linjär rörelse. Nedan följer en kort redovisning av de vanligast använda typerna av överföringsdrifter (13).
A. Kulskruvsdrift
Kulskruven fungerar enligt samma princip som en mutter monterad på en skruv.
Muttern består av en hylsa med kulor i samma storlek som bildar ett lager (se Figur 4). När skruven roterar rör sig hylsan linjärt längs skruven. Eftersom skruven har en exakt stigning på sin gänga kommer en given rotation på skruven motsvara ett exakt linjärt avstånd längs rörelseriktningen.
Exempel: Om skruven har en stigning på 5mm kommer 3 varv motsvara en linjär rörelse på 15mm.
Det finns många fördelar med använda kulskruvar framför vanliga muttrar och gängstänger. Några av dessa är bättre precision, högre lastkapacitet, längre livslängd, högre hastighet och lägre friktion. Den låga friktionen uppnås genom kullagret som bildas av kulorna mellan mutter och gänga. Dessa kulor befinner sig i en kulbana som ser till att de ständigt är i omlopp inne i muttern (se Figur 4).
Figur 4 Kulskruvsdrift (27)
B. Kuggstångsdrift
Användandet av kuggstänger är framför allt vanligt i storskaliga CNC-‐maskiner där långa axelförflyttningar är nödvändiga. Den huvudsakliga anledningen är kostnad eftersom kuggstänger är billigare än kulskruvar. Kuggstångsdriften består av dels en kuggstång och dels ett drev (se Figur 5).
Figur 5 Kuggstångsdrift (28)
C. Kuggremsdrift
Den här typen av drift består av en kuggrem, vanligtvis i gummi, som drivs av en remskiva (se Figur 6). Kuggremsdrift är idag vanlig på så kallade 3D-‐printrar för hemmabruk (29).
Figur 6 Kuggremsdrift (30)
Motorer Stegmotorer
En stegmotor omvandlar elektriska impulser till specifika rotationsrörelser.
Rörelsen som skapas är exakt och repeterbar. Detta gör stegmotorn användbar för applikation där positionering är nödvändig. Stegmotorns rotor skapar ett vridmoment genom växelverkan mellan magnetfältet i statorspolarna och rotorn (31). Styrkan på magnetfältet är direkt proportionell med mängden ström som skickas in i statorlindningarna och antalet lindningsvarv. Figur 7 illustrerar en tvärsnittsvy av en stegmotor. Från figuren kan man utläsa att statorn har åtta poler och rotorn har sex poler. Rotorn kommer att behöva 24 pulser av elektricitet för att flytta de 24 steg som krävs ett fullständigt varv. Ett annat sätt att uttrycka detta är att rotorn kommer att flytta sig exakt 15 grader för varje elektrisk puls som tillförs till motorn. När ingen ström tillförs till motorn kommer den kvarvarande magnetismen i spolarna göra så att ett av rotorns magnetiska par radar upp sig och spärrar med ett statormagnetpar. Detta innebär, i det här fallet(Figur 7), 24 olika möjliga spärrpositioner. När rotorn befinner sig i en spärrposition kommer det att finnas tillräckligt med magnetisk kraft för att hindra motoraxeln att flytta sig till nästa position.
Figur 7 Diagram som visar positionen för en sexpolig rotor och åttapolig stator. (32)
Genom att strömförse nästa statorpar (B och B’ i Figur 8) kommer magnetfältet ändras 45 grader. Rotorn kommer då att flyttas 15 grader och dennes magnetfält kommer på nytt att rada upp sig med det nu strömsatta statorparets magnetfält. Om magnetfältet stegvis ändras 24 gånger rör sig rotorn totalt 360 grader. I Figur 8 kan man se de olika positionerna som rotorn befinner sig i då strömmen skiftas genom de olika statorspolarna.
Figur 8 Diagrammet visar hur rotorn rör sig då de olika statorparen är strömsatta. (33)
Eftersom stegmotorer har dessa exakta steg, som på ett enkelt sätt kan kontrolleras med elektriska pulser, kan de användas i system utan återkoppling. Detta medför att ett system med stegmotorer är mycket billigare än ett system som kräver återkoppling med dyra sensorer som t.ex. optiska pulsgivare och takometrar.
Positionen som stegmotorn befinner sig på är helt enkelt redan känd genom att hålla reda på stegpulserna.
Det finns tre grundläggande typer av stegmotorer: Permanent magnet, variabel reluktans och en hybrid mellan de två första. En kortfattad beskrivning av dessa följer.
A. Stegmotor med Variabel Reluktans (VR)
Den här typen av stegmotor består av en rotor gjord av mjukjärn som är utrustad med ett antal tänder. Statorn består av ett antal kopparlindade statorpoler. När ström skickas in i lindningarna blir statorpolerna magnetiserade. Rotation uppkommer då rotortänderna dras mot de magnetiserade statorpolerna.
B. Permanent Magnetiserad Stegmotor (PM)
Till skillnad från VR-‐motorn har PM-‐motorn en rotor utan tänder. Istället är rotorn utrustad med ett antal lika många syd-‐ och nordpoler. Dessa magnetiserade rotorpoler förser den här typen av stegmotor med ett högre vridmoment än hos en VR-‐motor.
C. Hybrid Stegmotor (HY)
Som namnet antyder kombinerar HY-‐stegmotorn egenskaper från både PM-‐ och VR-‐motorn. Statorn består av ett antal tandförsedda statorpoler. Varje pol har 2 lindningar och beroende av strömriktningen genom dessa kan statorpolerna bli antingen nord-‐ eller sydpoler. Precis som VR-‐motorn är rotorn tandförsedd men som hos PM-‐motorn består den av en permanentmagnet. Rotorn är delad i två halvor där den ena halvan är en nordpol och den andra en sydpol. Halvorna är vridna så att tänderna hos den ena halvan sitter i linje med försänkningarna hos den andra halvan. Det vanliga för en tvåfasig HY-‐stegmotor är att rotorn har 50 tänder och 8 stycken statorpoler uppdelade i två faser. Statorpolerna är förskjutna med ¼ tand i förhållande till varandra vilket medför att rotorn rör sig
¼ tand varje gång ett steg tas. Detta resulterar i 200 stabila steg.
För att räkna ut stegvinkeln hos HY-‐stegmotorer kan Formel 1 användas.
Formel 1 Uträkning av stegvinkel HY-‐motor
Exempel med en tvåfasig HY-‐stegmotor med 50 stycken rotortänder:
360/50/2/2 = 1.8 (vilket motsvarar 200 steg)
Om man strömsätter en fas och två faser växelvis i en tvåfasig HY-‐motor kan man uppnå ett steg mellan varje steg. Detta kallas half stepping och i exemplet ovan innebär det att motorn får en stegvinkel på 0.9 grader eller 400 steg. Genom att kontrollera strömmen till motorlindningarna till en större grad kan så mycket som 256 mikrosteg uppnås. Detta kallas för micro stepping och kräver att motorkontrollern kan manipulera strömmen som skickas till motorlindningarna på sinusidalt sätt. Om mikrostegskontrollern ställs in på 8 mikrosteg innebär det för exemplet ovan att motorn får en stegvinkel på 0.225 grader eller 1600 steg.
Stegvinkel = 360/z/f/p z = antal rotortänder
p = antal rotorpoler f = antalet faser
Servomotorer
Det finns många likheter mellan en servomotor och en stegmotor. Den stora skillnaden är hur rotorn och statorn är uppbyggda. Servomotorn har avsevärt många färre poler på sina lindningar och kan därför inte använda dessa till att
“stega” som en stegmotor gör. Detta resulterar i att servomotor måste utrustas med någon form av sensor som håller koll på motorns position, d.v.s. ett system med servomotorer måste vara återkopplat. Rotorn inne i en servomotor är mycket mindre och har mindre massa än den som sitter i en stegmotor. Detta medför att snabbare acceleration och deceleration är möjliga. Detta gör också att högre varvtal
är möjliga.
2.2 Laserteknologi
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) är den teknik som skapar ljusstrålar genom stimulerad emission. Ljusstrålen består av elektromagnetisk strålning som har b.la egenskaperna koherent, monokromatiskt, hög intensitet och med en våglängds intervall från ultraviolett till infraröd.
Fotoemission är när en atom absorberar energi och hamnar i ett högre exciterat tillstånd än i sitt tidigare tillstånd. Atomen avger en foton och då förlorar den tillförda energin och övergår från ett högre(E2) till ett lägre(E1) energitillstånd.
Energiskillnaden mellan det högre och det lägre tillståndet är lika med energin hos den utsända fotonen(se Figur 9).
E-‐2 – E1 = hv
h är Plancs konstant (34)
Figur 9 Principskiss av Fotoemission (34)
Stimulerad emission uppstår när atomen som befinner sig i det högre energitillståndet, passeras av en foton med exakta lika stor energi som energiskillnaden mellan E2 och E1. Atomen blir då stimulerad och avger en foton och återgår till sitt lägre energitillstånd. Den foton som atomen avger har samma rörelseriktning som den inkomna, ut kommer då två fotoner. Dessa två fotoner har likadana egenskaper, så som riktning, fas, energi och polarisation (se Figur 10). Vid upprepning av stimulerad emission, kan en intensiverad ljusstråle tillverkas.
Figur 10 Principskiss av Stimulerad emission (34)
En förutsättning för detta ska inträffa är att mer än hälften av de atomer som utsätts för den inkommande fotonen, befinner sig i det exciterande energitillståndet. Då detta inte råder, är sannolikheten att atomen absorberar fotonen och atomen exciteras ifrån E1 till E2 istället för stimulerad emission. Tillförsel av energi kan göras i form av t.ex. optisk, kemisk eller elektrisk till det aktiva lasermediet och dess atomer. För att säkerställa att så många av dem befinner sig i sitt exciterande tillstånd, så kallad pumpning. En kedjereaktion av stimulerade emissioner kan då utlösas av några spontana fotoemissioner. (35)
För att få en förstärkning av det ljus som uppkommit av stimulerad emission, så låter man dess fotoner passera igenom det exciterande lasermediet ett antal gånger.
Detta görs oftast i en långsträckt cylinder med speglar vid vardera änden, en så kallad optisk kavitet (se Figur 11). I ena änden finns en 100 % reflekterande spegel medens i den andra änden finns det en delvis reflekterande spegel. Där fotonerna kan reflekteras fram och tillbaka genom det exciterande lasermediet. För varje gång dem passerar, desto fler fotoner med samma egenskaper. Där den delvis reflekterad spegeln sitter kommer delar utav ljusenergin ut och bildar en laserstråle.
Figur 11 Principskiss av en optisk kavitet, för framställning av Laser
2.2.1 Materialbehandling med laser
Några av laserns egenskaper som utnyttjas till olika typer av materialbehandling är när den lämnar kaviteten konvergerar ljusstrålen till ett minimum för sedan divergera. Dock har lasern en mycket låg divergens, som gör att ljuset kan behåller sin höga ljusstyrka under en lång sträcka. Laserstrålen kan fokuseras på väldigt små områden och innehåller hög effekt. I den fokuserade punkten genererar lasern en mycket hög intensitet (se Figur 12). (36)
Figur 12 Uträkning utav intensiteten i fokuspunken för laser (36)
Tillämpning utav laser i industrin är många, och det finns olika typer av lasrar som används. Dem mest använda är CO2 lasern med våglängd 1060nm och med en effekt upp till 50kW, Nd:Yag lasern med våglängd 1064nm typ effekt på 5kW, Excimerlasrar med våglängd 157-‐350nm med en effekt upp till 500W.
Tillämpningsområden är b.la skärning, svetsning, mikrobearbetning, hål borrning, gravering, lödning m.m. (36) Grundidén till dessa tillämpningar är att tillföra värmeenergi via laserstrålen till det material som behandlas. Temperaturhöjning i det området som bestrålas är resultatet när den tillförda effekten är större än den effekt som materialet kan avge. (37)
2.2.2 Laserskärning
Det finns en del olika metoder för laserskärning, så som smältning, förångning, ristning och termisk krackning. I en del metoderna används tillförsel utav en assistans gas eller en skär gas. Gasen har uppgifterna så som bortforsling utav ånga, smälta samt att skydda optiken ifrån stänk. Användning utav en hög reaktiv gas som syre är också förekommande. Lasern värmer upp det material som bestrålas samtidigt som gasen reagerar med värmeutvecklingen och påskyndar uppvärmningen utav materialet. I detta fall ökas skärhastigheten (se Figur 13). (37), (36), (38)
Vid smältning krävs en temperaturökning till en temperatur i materialet som är över den temperatur som materialet behöver för att smälta. I lasern fokuspunkt smälts en litet område utav det materialet som behandlas och skapar ett snitt.
Smältan forslas bort med hjälp av assistans gasen. Skärhastigheten kan beräknas enligt Figur 14. (37)
Figur 14 Uträkning utav skärhastighet vid smältning (37)
Höjer lasern istället temperaturen i materialet till förångningstemperaturen, kommer lasern skära med förångning. Det bruka göras med en pulserande laser, och lasereffekten kräver i regel vara 10 till 100 gånger högre än vid smältning. För att koncentrera temperaturökningen till snittet, används ibland en kylanordning.
Denna typ av skärning används oftast vid skärning utav trä, kol, olika typer av plast.
Skärhastigheten utav denna metod kan beräknas enligt Figur 15. (37)
Figur 15 Uträkning utav skärhastighet vid förångning (37)
