Contagiri per Mandrino CNC

[Danyele87]

Il seguente progetto, è stato ideato e realizzato dal sottoscritto, e presentato su GRIX.IT, ma per poter essere visualizzato bisogna registrarsi ed aver almeno un livello pari a 3/10.
Per coloro che non intendono registrarsi presento il progetto qui di seguito, copiandolo ed incollandolo direttamente qui modificando qualcosa in base all'impaginazione richiesta da CNC Italia.

Dato che l'articolo è lungo e altrettante numerose sono le fotografie, invito gli utenti di CNC Italia a non commentare fin quando non avrò terminato la stesura dell'articolo in modo da non creare casini e interruzioni di articolo.

Grazie

[Danyele87]

Descrizione Generale:


Il circuito proposto è stato pensato e quindi realizzato in seguito alla realizzazione (ancora in fase di completamento) di una macchina CNC economica ( < 500€) e in seguito all'esigenza di dover regolare la velocità  del mandrino elettrico in base al tipo di materiale da lavorare e alla fresa utilizzata. Dato che molti dei più comuni elettroutensili permettono la regolazione dei giri mediante un potenziometro con suscritti dei semplici numeri indicanti le varie velocità  (Velocità  1 - 2 - 3 - ecc) non indicando quindi il numero esatto dei giri compiuti al minuto, ho deciso di realizzare questo circuito in modo da poter misurare quanti siano i giri al minuto compiuti dal mandrino in base alla velocità  scelta mediante l'apposito potenziometro. Il circuito di base del contagiri, è ovviamente un contatore, modulo 1.000.000 (conteggio da 0 a 999.999) in quanto il mandrino in mio possesso, e la maggior parte dei mandrini da smerigliatura che si acquistano nei Brico, raggiungono velocità  di 35.000-37.000 giri al minuto.

Potevo realizzarlo facendolo in modulo 100.000 (conteggio da 0 a 99.999) ma avendo utilizzato come contatore il circuito integrato 74xx390, con all'interno 2 contatori decimali, ne avrei dovuti usare 5 e quindi 1 contatore del circuito integrate finale sarebbe rimasto inutilizzato.

Il principio di funzionamento di questo contagiri è molto semplice e funzionale, si possono realizzare misurazioni in finestre temporali diverse grazie al circuito di temporizzazione con NE555 connesso a monte del contatore, usando semplicemente una porta NAND in questo semplice modo:

(Ho scelto la NAND in quanto il clock del 74LS390 è attivo sul fronte di discesa, pertanto fuori la finestra temporale il segnale di clock è a livello alto e quindi il contatore non effettua il conteggio, ed il contatore è pronto a contare non appena si presenta il fronte di discesa successivo - se presente).

1.JPG

Ho scelto la tecnologia TTL, semplicemente perchè avevo questa a disposizione nei cassetti, non riscontrerò problemi di alimentazione in quanto per la logia CNC è necessaria l'alimentazione a +5 Volt quindi non dovrò creare un'alimentazione separata per questo circuito.

Per facilitare la comprensione di questo circuito inseriro uno schema a blocchi preliminare:

2.jpg

Descrizione dei Componenti Principale:

Per il conteggio ho usato degli integrati 74LS390 (74xx390):

3.jpg

Datasheet: http://www.alldatasheet.com/datasheet-p ... LS390.html

E' un integrato contenente 2 contatori da 4 Bit, indipendenti tra loro, più precisamente, ogni contatore al suo interno, è costituito da 2 sottocontatori, uno modulo 2 (xCKA, xQA) ed uno modulo 5 (xCKB, xQB, xQC, xQD). Per ottenere il contatore modulo 10 è necessario collegare, secondo quanto dice il datasheet, l'uscita QA al CKB del relativo contatore.

Le uscite del contatore, sono attive Alte e sono A=LSB e D=MSB.

Il pin xCLR indica il Clear (RESET) del contatore, questo viene attivato a livello logico Alto in quanto c'è la porta NOT che rende Alta l'abilitazione del Clear, (altrimenti l'ingresso prioritario del FF-T è normalmente attivo Basso), pertanto per poter effettuare il conteggio verrà  collegato a livello logico Basso e quindi a GND.

--------------------------------------------------

Avendo a disposizione, Display 7-segmenti a CC (Catodo Comune) con tensione di soglia per ogni LED di 1.8V, ho utilizzato per il loro pilotaggio dei decoder BCD-7Seg 74LS48 (74xx48) con seguente piedinatura:

4.jpg

Datasheet: http://www.alldatasheet.com/datasheet-p ... 4LS48.html

Ovviamente, l'integrato presenta 7 Uscite relative ai 7 Segmenti che andranno a comandare.

Come è possibile vedere dal diagramma logico, le uscite sono attive Alte, quindi adatte a pilotare display a 7 Segmenti a Catodo Comune (Il datasheet riporta come tensione di Livello Alto - 2Volt).

Gli ingressi A, B, C, D vengono collegati alle uscite del contatore rispettando il concetto di MSB ed LSB (A= LSB e D=MSB).

Il segnale LT è il Lamp Test, cioè un segnale prioritario che permette l'attivazione di tutte le uscite del Decode, e quindi l'accensione di tutti i segmenti del Display; è attivo Basso.

Il segnale RBI indica il Ripple Blank Input, anch'esso attivo Basso, permette di spegnere tutti i segmenti rappresentanti lo 0 quando appunto in ingresso c'è il dato 0000 ed è utile quando si comandano display in cascata in maniera tale da spegnere i display rappresentanti l'MSB non ancora interessati al conteggio, invece di far comparire 0 (è una miglioria estetica).

Il segnale BI/RBO indica il Ripple Blanking Output e serve a comandare i display successivi della cascata, andandolo a collegare al RBI del display più significativo successivo.

--------------------------------------------------

La porta NAND per la finestrazione del segnale proveniente dal sensore è una delle 4 porte NAND dell'integrato 74LS00 (74xx00) con tabella di verità :

A B Y
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Quindi durante la fase di risposo, la finestra temporale (B) si trova a livello logico Basso, quindi ogni variazione del sensore, anche se sta captando i giri del mandrino, non provocano variazione di uscita in quanto per la porta NAND se almeno un ingresso si trova a 0, l'uscita è pari ad 1.

Quando la finestra temporale viene attivata (pressione del pulsante di START) B passa a livello logico alto, e quindi il sensore che capterò i giri provocherà  una variazione di A tra 0 ed 1 continua, dato che B è a livello logico Alto, si avranno le situazioni riportate in tabella:

A Y
0 1
1 0

Questa tabella darà  quindi origine alle forme d'onda riportate nella prima immagine della pagina.

La piedinatura interna dell'integrato 74LS00 (74xx00) è la seguente:

5.jpg

Datasheet: http://www.alldatasheet.com/datasheet-p ... 4LS00.html

--------------------------------------------------

Usando invece la tecnologia CMOS i componenti equivalenti (anche se hanno piedinatura diversa) sono:

Equivalente CMOS del 74xx390 è il CD4518
Equivalente CMOS del 74xx48 è il CD451
Equivalente CMOS del 74xx00 è il CD4011

--------------------------------------------------

Per la finestra temporale è stato usato l'ormai noto NE555, contenente al suo interno un multivibratore configurabile in diversi modi (Astabile, Monostabile, Bistabile).

Maggiori caratteristiche le troverete online su Wikipedia ( http://it.wikipedia.org/wiki/NE555 ).
Datasheet: http://www.alldatasheet.com/datasheet-p ... NE555.html

Qualora si voglia usare la tecnologia CMOS, non bisogna sostituire questo integrato in quanto può essere alimentato da +5V a +15V.

--------------------------------------------------

Il sensore utilizzato, non è altro che una coppia Diodo IR - Fotodiodo IR oppure, in seguito ad altri accorgimenti, è stato usato un sensore meccanico rotativo (Homemade) ed un sensore ad effetto Hall.

[Danyele87]

Per il comparatore di tensione, ho utilizzato un amplificatore operazionale adatto alle caratteristiche di alimentazione utilizzate.

Si è rivelato adatto il comparatore di tensione LM311, integrato da 8 pin contenente al suo interno un solo comparatore e soprattutto, avente tensione di alimentazione 0-5V (è possibile alimentarlo fino a 15V).

6.gif

--------------------------------------------------

Schema Elettrico e Realizzazione:


L'intero sistema è stato suddiviso in vari stadi, in quanto durante la realizzazione sono state necessarie modifiche e sono sorti nuovi accorgimenti.

Circuito di Conteggio:

Il circuito che si occupa del conteggio degli impulsi provenienti dal sensore è il seguente:

Schema.zip

La porta NAND è la porta di finestrazione del segnale di clock nel periodi di misurazione.

I display sono collegati tramite un BUS (di colore Verde sullo schema) fino alle relative resistenze di limitazione.

I segnali di controllo BIRBO e RBI sono collegati a Vcc in maniera tale da averli disattivati durante il funzionamento.

I segnali di CLR dei contatori sono connessi insieme e confluiscono ad un deviatore. Quando il CLR è connesso a GND i contatori sono pronti al conteggio, questa situazione si sceglie quando si ha la finestra temporale attiva.

Quando la finestra temporale è disattivata, il numero di giri contato rimane visualizzato sui display fino a che non vengono resettati i contatori e quindi a questo punto possiamo agire manualmente portando il deviatore a Vcc.



Alcune foto della parziale realizzazione eseguita tutta su basetta sperimentale "millefori" (la porta NAND ancora non è stata inserita, il circuito di conteggio è stato montato e provato, risulta funzionante almeno per ora, quindi si può procedere con l'aggiunta di qualche altro stadio, alla fine della pagine inserirò anche un breve video della realizzazione in funzione).

Vista Frontale:

6.JPG

La porta NAND è la porta di finestrazione del segnale di clock nel periodi di misurazione.

I display sono collegati tramite un BUS (di colore Verde sullo schema) fino alle relative resistenze di limitazione.

I segnali di controllo BIRBO e RBI sono collegati a Vcc in maniera tale da averli disattivati durante il funzionamento.

I segnali di CLR dei contatori sono connessi insieme e confluiscono ad un deviatore. Quando il CLR è connesso a GND i contatori sono pronti al conteggio, questa situazione si sceglie quando si ha la finestra temporale attiva.

Quando la finestra temporale è disattivata, il numero di giri contato rimane visualizzato sui display fino a che non vengono resettati i contatori e quindi a questo punto possiamo agire manualmente portando il deviatore a Vcc.



Alcune foto della parziale realizzazione eseguita tutta su basetta sperimentale "millefori" (la porta NAND ancora non è stata inserita, il circuito di conteggio è stato montato e provato, risulta funzionante almeno per ora, quindi si può procedere con l'aggiunta di qualche altro stadio, alla fine della pagine inserirò anche un breve video della realizzazione in funzione).

Vista Frontale:

7.JPG

Vista Lato Saldature Display:

8.JPG

[Danyele87]

Circuito di Temporizzazione (Finestrazione):

La finestra temporale, durante la quale avviene la misurazione è generata mediante un temporizzatore con NE555 in configurazione di monostabile, e quindi mediante il circuito che troviamo nel datasheet del componente.

Dimensionalmente ho scelto di la durata dello stato stabile pari a T=60 secondi.

Il circuito si trova nello stato di riposo con uscita a livello logico basso, fin quando non interviene un comando esterno (Trigger) che commuta lo stato del circuito e lo porta a livello logico alto fino al tempo stimato dalla relazione matematica del monostabile.

Per ottenere il periodo monostabile di 60 secondi, ho dimensionato i componenti in questo modo, seguendo la formula matematica indicata sul datasheet del componente ( http://www.alldatasheet.com/datasheet-p ... NE555.html ):

9.GIF

T = 1.1*R1*C1 = 60s



Ponendo C1 pari a 100uF (Condensatore elettrolitico, il negativo va collegato ovviamente a massa) in quanto la scelta è obbligatoria per via dei tempi lunghi, il valore risultante della resistenza R1 è di 546 KOhm, non essendo questo un valore commerciale ho optato per la scelta di un un trimmer multigiro (per affinare la taratura) da 1 MOhm.

Per attivare lo stato di monostabile, e quindi per avviare la misurazione, è necessario fornire al Trigger una tensione inferiore ad 1/3 di Vcc in quanto questo pin, normalmente è posto a Vcc.

Grazia al trimmer potro regolare finemente il periodo T in modo da ottenere esattamente (o quasi) i 60 secondi desiderati in maniera visiva (con un LED) ed un cronometro.

10.JPG

L'uscita del temporizzatore verrà  quindi collegata ad uno degli ingressi di una porta NAND dell'integrato 74LS00 (sull'altro ingresso verrà  collegato il comparatore).

11.JPG

----------------------------------------------------------------

Sensore (Soluzione 1):

Il principio di funzionamento del sensore è molto semplice e si capisce intuitivamente dallo schema seguente:

12.jpg

Il LED1 è il diodo trasmettitore (TX) e viene alimentato come un normale diodo led, quindi con una corrente di I=10mA (il diodo che ho utilizzato ha una tensione di soglia di Vs=1.4V misurata con il tester).

La resistenza di limitazione R1 viene quindi dimensionata mediante la formula:

R = (Vcc - Vs) / I = 360 Ohm

(Approssimo per difetto a 330 Ohm, si ha quindi una corrente di 11mA)

Il diodo LED2 è il diodo ricevitore (RX) e viene usato in polarizzazione inversa.

La resistenza R2 è una resistenza di limitazione.

Quando il percorso del segnale IR viene interrotto, sul il diodo ricevitore non arriva alcun raggio luminoso (in teoria) pertanto non conduce, mentre quando il percorso di luce è libero, il segnale IR viene captato dal fotodiodo che attiva il passaggio di corrente. Si può verificare ciò (cosa che ho fatto) ponendo in uscita OUT un normale diodo LED e verificare cosa succede al passaggio o meno del segnale infrarosso (se non vi sono ostacoli tra TX ed RX il diodo RX conduce e quindi il LED si accende, se il percorso di luce IR è ostacolato, il diodo RX non conduce e quindi il LED si spegne).

13.JPG

[Danyele87]

14.JPG

In condizioni normali di luce esterna, misurando con il tester, la tensione ai capi del diodo LED in condizioni ON e OFF, si hanno i seguenti valori (se la tensione venisse prelevata a vuoto sarebbe ovviamente maggiore):

Diodo ON - 1,97V (Percorso TX-RX libero)

Diodo OFF - 1,58V (Percorso TX-RX ostacolato)

Dato che questi due valori di tensione dovrebbero comandare la porta NAND, bisognerebbe avere che la tensione 1.97V corrisponda ad 1 e la tensione 1.58V corrisponda allo 0.

Visto che per la logica TTL, il livello logico basso è compreso tra 0V e 0.8V ed il livello logico alto tra i 2V e Vcc, allora dobbiamo prevedere un circuito tra il sensore e la porta NAND che manipoli questi valori di tensione in modo da poterli rendere compatibili con la logica TTL.

Per fare ciò ho pensato di realizzare un comparatore di tensione (descritto in seguito).

Nella realizzazione ho lasciato collegato il diodo LED Giallo per verificare che il sensore funzioni correttamente prima di far partire la misurazione anche se non è necessario.

Qualora si staccasse questo LED si avrebbero tensioni di uscita maggiori (A vuoto).

Il circuito di polotaggio del sensore, montato e collegato si presenta cosi:

15.JPG

Il connettore Rosso-Bianco appartiene al diodo TX (Quello posizionato in basso - Vedi figure successive) mentre il connettore Verde-Bianco appartiene al diodo RX (posizionato in alto).

Dato che il sensore andrà  posizionato sotto al mandrino della CNC ed essendo il porta mandrino di colore Blu scuro (non riflette molto la luce) ed essendo anche molto ampio, la luce sarà  coperta quindi interverrà  solo (s la luce del diodo TX per la misurazione dei giri.

Per la misurazione utilizzero un disco avente un solo foro verso l'esterno il quale verrà  fatto ruotare insieme al mandrino.

16.jpg

I due diodi verranno posti in maniera contrapposta uno di fronte l'altro.

17.JPG

Quando il passaggio di luce viene scoperto dal foro, si genera un colpo di clock che farà  aumentare di una unità  il conteggio, quando il passaggio di luce è interrotto, non si ha conteggio.

-----------------------------------------------------------------

Sensore (Soluzione 2):

Se la soluzione con diodi IR non vi convince, o qualora non si dispone di una coppia di diodi IR è possibile adottare la seguente soluzione alternativa, più rudimentale ma altrettanto funzionale e pratica.

In questo modo è possibile adoperare lo stesso circuito, lasciando inutilizzato il ramo contenente il diodo TX (non collegando l'intero sensore - RossoBianco) e collegare al posto del diodo RX un semplice "interruttore rotativo" fatto in questo modo:

18.JPG

[Danyele87]

L'utensile a sinistra è un feltrino utilizzato per lucidare, ed è ovviamente di materiale isolante. al suo interno, essendo questo morbino e perforabile, ho fatto passare un filino in modo da connettere il codolo (metallico e quindi conduttore) fino alla circonferenza esterna del feltrino nel quale spunta parte del filo metallico che andrà  a creare un contatto per l'interruttore fittizio.

Il codolo viene poi connesso mediante un filo avvolto sul codolo stesso (filo bianco) al posto del catodo del diodo RX mentre sulla destra è visibile il contatto con il quale il circuito, durante la rotazione dell'utensile, viene chiuso facendo contatto con il filino uscente dal feltrino e che verrà  connesso al posto dell'anodo del dioro RX (scambiando i due si ha il medesimo funzionamento).

Questo provocherà  l'accensione del diodo LED giallo presente in uscita del sensore, per verificare appunto che il circuito (ON - OFF) funziona.

Circuito Aperto (LED Spento):

19.JPG

Circuito Chiuso (LED Acceso):

20.JPG

------------------------------------------------------------

Sensore (Soluzione 3):

Un'altra possibile soluzione per poter captare il numero di giri del mandrino è quella di usare un sensore ad effetta Hall.

Questi sensori si trovano normalmente in tutte le ventole per PC a 3 terminali (ventole a velocità  controllabile) ed è facilmente individuabile perchè compare come un normalissimo Transistor in contenitore TO92 ma molto più sottile.

Dato che ne avevo recuperato uno giorni a dietro, ho subito ricordato di averlo non appena mi è stato fatto presente attraverso i commenti del possibile utilizzo dello stesso.

Il sensore che ho utilizzato presenta la sigla U18 (devo dire molto minuscolo) ed è facilmente utilizzabile dati i suoi 3 piedini di connessione (Come in foto a partire da SX - Vcc, GND, Vout).

21.JPG

Datasheet: http://www.ic-on-line.cn/IOL_U18/PdfView/1029561.htm

Per quanto riguarda l'utilizzo, il sensore viene alimentato normalmente come il diodo LED TX usato nella soluzione 1, (al posto del diodo LED quindi vanno connessi Vcc al posto dell'Anodo e GND al catodo ovviamente) con la resistenza da 330 Ohm di limitazione della corrente, ed il segnale Vout (Giallo) viene connesso sull'Anodo del diodo LED Giallo di indicazione del impulso contato, in questo caso però con il sensore Hall, che fornisce una tensione di uscita di 0.55 Volt (Misurati), non avremo l'accensione del diodo LED.

Il segnale andrà  in ingresso al comparatore, opportunamente tarato ad un valore INFERIORE ai 0.55 Volt (l'ho tarato a 0.45V).

Dato che per questi sensori è necessario un campo magnetico per poter funzionare, ho incollato sul disco precedentemente usato nella Soluzione 1, due piccoli magneti al Neodimio (recuperati dall'apparato laser di un vecchio lettore CD) che al passagio sul sensore (a distanza veramente piccolissima, quasi a contatto), generano il passaggio di corrente all'interno del sensore e quindi fornisce in uscita la tensione Vout precedentemente citata cosi da attivare un conteggio.

Ho scelto di montare due magneti (quindi 2 impulsi contati ogni giro compiuto e quindi periodo dell'impulso stabile del temporizzatore ridotto da 60 a 30 secondi ovviamente) invece di uno in quanto pur essendo molto leggeri qualora ne avessi usato uno, avrei avuto una sollecitazione radiale sul cuscinetto del mandrino che penso a velocità  anche minima di 15000 rpm, avrebbe causato danni al cuscinetto stesso, quindi come si suol dire "mejo che me faccio i fatti mè", per non dire altro.

Più magneti disponiamo sul disco più impulsi conteremo in un giro, cosi da poter ridurre il tempo di misura e contare il medesimo numero di giri che si sarebbe misurato qualora avessimo usato un solo magnete.

Purtroppo appesantendo il disco con piccoli magneti, il mandrino ne risente di questo appesantimento e quindi avremo dei valori minori misurati in quanto appunto la velocità  di rotazione indicata sull'etichetta è una velocità  a vuoto, senza utensile connesso al mandrino pertanto inserendo il disco con più due magnetini incollati sopra, il mandrino non girerà  più a vuoto diminuendo quindi i giri stessi.

Ovviamente per mandrini potenti il discorso cambia in quanto a potenze maggiori, difficilmente si noterà  questa riduzione drastica.

Facendo quindi la misurazione con 2 magneti e un periodo di misura di 30 secondi, la misura si è rilevata inferiore rispetto ai dati di targa, come possibile vedere in questo video (http://www.youtube.com/watch?v=gjkcJKiO0-M).

Questa Soluzione si è rilevata la più precisa in quanto non vi cono disturbi luminosi (l'inquinamento magnetico è decisamente minore di quello luminoso ed il sensore risponde solo a campi magnetici nelle immediate vicinanze del sensore stesso) come per il sensore IR e non vi sono saltellamenti, falsi contatti e rimbalzi, come per il sensore meccanico.

--------------------------------------------------------------------------

Comparatore di Tensione (Circuito di Condizionamento):

Il circuito di comparazione si è reso necessario in quanto la tensione di uscita dal sensore non è adatta alla logica TTL a valle di esso, pertanto, è stato necessario aggiustare tale tensione e quindi renderla compatibile alla logica TTL.

A tale scopo è tornato utile l'integrato LM311, nato proprio come comparatore di tensione.

Visionando il datasheet e simulando il circuito sono arrivato alla conclusione di montare questo circuitino sulla basetta millefori del sistema:

22.png

23.JPG

Il partitore di tensione R2-R3 permette di regolare la tensione in base a quella che otteniamo dal sensore (abbiamo visto che questa tensione varia dai 1,58V ai 1,97V).

Porremo come tensione di riferimento (quella del partitore) un valore pari a Vref = 1,8V cosi da stare tra le due soglie di tensione.

Quando il percorso di luce IR sarà  scoperto, la tensione di uscita dal sensore, sarà  di 1,97V maggiore di Vref = 1,8V e quindi l'uscita del comparatore andrà  in saturazione (+5V - Livello logico Alto).

Quando il percorso di luce IR è oscurato, la tensione di uscita del sensore sarà  di 1,58V minore di Vref = 1,8V e quindi l'uscita del comparatore verrà  portata a Massa (0V - Livello logico Basso).

L'uscita di questo circuitino andrà  poi connessa al secondo ingresso della porta NAND scelta precedentemente e l'uscita di tale porta NAND andrà  connessa al segnale di CLOCK del primo contatore rappresentante la cifra LSB.

[Danyele87]

Realizzazione Finale e Collaudo:

La realizzazione finale si presenta in questo modo, nel lato saldature:

24.JPG

Mentre il lato componenti è il seguente (ho inserito una breve descrizione per indicare i vari stadi del sistema di misura):

PA1.JPG

Che realizza proprio lo schema a blocchi citato all'inizio dell'articolo.

Misurando il consumo totale durante la fase di misurazione si ha una corrente massima di 500mA quindi la potenza massima assorbita dal circuito è di 2,5W praticamente nulla in confronto alle potenze in gioco in una CNC.


Mi rendo conto che la realizzazione sia un pochino ANTIestetica per via della millefori, ma avendo venduto ultimamente il bromografo ho evitato di fare un PCB con i fogli blu in quanto essendo stato un circuito costruito mano a mano, avrei dovuto montarlo prima tutto su basetta sperimentale per verificare il funzionamento e poi trasferire tutto su PCB, cosa che mi avrebbe portato via moltissimo tempo e soprattuto cosa che non potevo fare dato che i fili di connessione li avevo praticamente limitati ed i tecnici della telecom passano ogni "morta de papa" a riparare le linee telefoniche guaste lasciando a terra fili preziosi (parlo della realizzazione su basetta sperimentale).

Saluti

[v1br10n3]

grazie mille !!

[Fabietto]

Anche se non capisco niente di elettronica i miei complimenti un tutorial esmplare
Ciao

[dovo]

complimenti! bella realizzazione e ottima spiegazione.