Решение инженерно-практической задачи по разработке технологически простой в сборке и интуитивно понятной в управлении конструкции малогабаритного токарного станка с ЧПУ для моделирования и решения реальных прикладных производственных задач в условиях любительской или учебной лаборатории можно разделить на несколько частей, в которых применялись различные методы работы.

1.Теоретическое исследование.
Рассмотрение плюсов и минусов использования различных промышленных токарных станков в учебном процессе как для выполнения учебных, так и прикладных производственных задач.

На современном рынке представлены различные модели токарных станков как с ЧПУ, так и без него, начиная от промышленных систем высокого класса и заканчивая компактными учебными моделями.

Исходя из проведенного анализа, принято решение совместить в разрабатываемом станке преимущества промышленных образцов, то есть сделать его самодостаточным устройством, не требующим подключения к дополнительному оборудованию, но в то же время избавиться от недостатков инженерных конструкторов, а именно разработать интуитивно понятное программное обеспечение, позволяющее работать со стандартными файлами изготавливаемых заготовок, которые как правило создаются в большинстве профессиональных CAD программ в виде G-кода. G-код — это стандартный язык программирования для станков с ЧПУ, состоящий из текстовых команд (например, G1 X10 Y20), которые описывают движение инструмента.

2.Проектный метод работы.
Проектное решение в свою очередь имеет несколько частей разработки:
Разработка механической компоновки выполнена в программе Autodesk Fusion 360 (учебная лицензия). Она была необходима для того чтобы рационально разместить друг относительно друга механические части станка и детали его блока ЧПУ. Кроме того, корпус блока ЧПУ на следующем этапе работы над проектом изготовлен из фанеры на станке лазерной резки именно по данному чертежу. В отдельный прямоугольный корпус, соответствующий по своей длине и высоте компоновке механических элементов станка и расположенный вдоль них получилось разместить все электронные компоненты. Таким образом, сам станок и его блок ЧПУ представляют единое самодостаточное устройство, не требующее никакого дополнительного оборудования и никаких подключений кроме электропитания.

Блок числового программного управления станком собран на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi 3 Model B. Это один из самых бюджетных вариантов таких платформ, имеющий при этом весь набор функций, необходимый для реализации ЧПУ станка без применения дополнительного оборудования. Весь интерфейс управления станком выведен на подключенный по HDMI к Raspberry семидюймовый монитор. Управление можно осуществлять либо с помощью стандартной USB мыши, но так как её использование выходит за рамки идеи реализации станка как самодостаточного устройства, в блок ЧПУ включены два энкодера. Их вращения и нажатия отвечают за движение курсора и соответствуют кликам левой и правой клавишам мыши на уровне операционной системы.

Кроме монитора и системы управления графическим интерфейсом к Raspberry подключены компоненты, отвечающие за перемещение резца токарного станка по двум координатным осям – продольной оси Х, идущей вдоль обрабатываемой заготовки и поперечной оси У, отвечающей за глубину входа резца в заготовку. За эти перемещения отвечают два шаговых двигателя, подключенные к пинам одноплатного компьютера через блоки силовых драйверов. Драйверы отвечают за развязку силовых элементов блока ЧПУ, которые потребляют большой ток, и электроникиRaspberry. Драйверы запитаны от блока питания на 12 Вольт с максимальным током в 12 Ампер. Так же в схему входят три концевых выключателя. Два из них контролируют начальные точки движения резца по осям Х и У. Контроль этих точек необходим для установления начала координат при запуске программы обработки заготовки. Еще один концевой датчик контролирует конечную точку по оси Х. Эта точка всегда разная и зависит от длины заготовки, поэтому датчик устанавливается вручную перед началом обработки заготовки. Это нужно для того чтобы резец не вышел за пределы заготовки, не повредил части станка и не сломался сам. Контролировать конечную точку по оси У не требуется, так как она ограничена механически.

Программная часть проекта состоит из двух частей. Обе они работают из под Raspberry Pi OS - официальной операционной системы для одноплатных компьютеров Raspberry Pi, основанной на дистрибутиве Debian Linux. Первая часть отвечает за управление механикой станка. Она написана на языке программирования Python с использованием библиотеки RPi.GPIO для управления шаговыми двигателями. Вторая часть программы это реализация управления графической оболочкой станка с помощью устройства из двух энкодеров, представляющих собой контроллер ввода, который программно полностью написан на языке программирования Python с использованием библиотеки Pynput, и функционирует как фоновый процесс сразу при запуске Raspberry Pi.

Управление механикой станка включает в себя два ключевых компонента, которые обеспечивают полный цикл управления от созданного в CAD/CAM программе файла-модели обрабатываемого изделия до физического перемещения инструмента (резца). Это графический интерфейс и управление шаговыми двигателями.

Интерфейс служит центром управления станком и представляет собой созданную с использованием библиотеки Tkinter графическую оболочку. Для начала работы со станком требуется создать исходный файл с инструкциями для станка - G-код. Данный файл можно создать стандартными инструментами в большинстве CAD/CAM программ. Оболочка считывает загруженный в неё, например через карту памяти, текстовый файл G-кода и выполняет его детальный анализ (парсинг). Интерпретатор использует калибровочные данные (шаг/мм) чтобы перевести требуемое в G-коде расстояние (в миллиметрах) по двум координатным осям в точное количество шагов соответствующих двигателей, необходимое для перемещения резца.

Управление шаговыми двигателями осуществляется с использованием библиотека RPi.GPIO, которая отвечает за низкоуровневое управление пинами (электрическими контактами) одноплатного компьютера Raspberry Pi 3 Model B, являющегося базовым элементом блока ЧПУ станка. Согласно обработанному на предыдущем этапе G-коду на драйверы двигателей подаются два типа сигналов: импульсы (PULSE), которые заставляют двигатель сделать шаг, и сигналы направления (DIR). Скорость движения регулируется через задержку (delay) между импульсами, подаваемыми на моторы.

3.Практический метод работы.
На практических занятиях изготовлен корпус блока ЧПУ станка, собрана и вмонтирована в него схема, собрана механическая компоновка. I.

4.Эксперимент.
Апробация нового технического объекта, а именно малогабаритного токарного станка с числовым программным управлением - учебно-практического комплекса для моделирования и решения реальных прикладных производственных задач в условиях любительской или учебной лаборатории, прошла в ДТ «Кванториум» Костромской области».