ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ЧПУ СТАНКОВ НА БАЗЕ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ЧПУ СТАНКОВ НА БАЗЕ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
Казамбаев Ильяс Маратулы
магистр техн. наук, Astana IT University,
Республика Казахстан, г. Астана
Ордабаев Сакен Берикович
магистр техн. наук,Восточно-Казахстанский технический университет им. Д. Серикбаева,
Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск
Кириченко Лалита Николаевна
магистр техн. наук, Astana IT University,
Республика Казахстан, г. Астана
Аубакирова Алия Муратовна
магистр техн. наук, Astana IT University,
Республика Казахстан, г. Астана
Казамбаев Ансар Маратович
студент-бакалавр, Торайгыров Университет,
Республика Казахстан, г. Павлодар
BUILDING A control SYSTEM FOR LASER CNC MACHINES BASED ON THE INTERNET OF THINGS
Ilyas Kazambayev
Master of Technical Sciences, Astana IT University,
Republic of Kazakhstan, Astana
Saken Ordabayev
Master of Technical Sciences, D. Serikbayev East Kazakhstan Technical University,
Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk
Lalita Kirichenko
Master of Technical Sciences, Astana IT University,
Republic of Kazakhstan, Astana
Aliya Aubakirova
Master of Technical Sciences, Astana IT University,
Kazakhstan, Astana
Ansar Kazambayev
Bachelor student, Toraighyrov University,
Republic of Kazakhstan, Pavlodar
АННОТАЦИЯ
Четвертая промышленная революция занимает важную роль в прогрессе науки и технологии. В данной статье рассматривается один из основных инструментов достижения цели Industry 4.0 в сфере обработки материалов – применение интернета вещей. В настоящее время существующие системы управления используют дорогостоящие системы человеко-машинного интерфейса, что также увеличивает размеры устройства. По данной причине была предложена замена существующих традиционных систем управления на беспроводную с применением интернета вещей. В ходе исследования был собран прототип на основе шаговых двигателей, контроллера Arduino UNO, HW-130 Shield и ESP8266. Согласно полученным результатам применение интернета вещей в работе станков ЧПУ является надежной, причем при потери связи работа всех элементов прекращается, обеспечивая таким образом безопасность. В дальнейших исследованиях будет рассматриваться надежность беспроводной связи.
ABSTRACT
The Fourth Industrial Revolution plays an important role in the progress of science and technology. This article discusses one of the main tools to achieve the goal of Industry 4.0 in the field of materials processing – the use of the Internet of Things. Currently, existing control systems use expensive human-machine interface systems, which also increases the size of the device. For this reason, it was proposed to replace the existing traditional control systems with a wireless one using the Internet of Things. During the research, a prototype based on stepper motors, Arduino UNO controller, HW-130 Shield and ESP8266 was assembled. According to the results obtained, the use of the Internet of Things in the operation of CNC machines is reliable, and when communication is lost, the operation of all elements stops, thus ensuring safety. In further studies, the reliability of wireless communication will be considered.
Ключевые слова: Industry 4.0, интернет вещей, числовое программное управление, лазерная обработка.
Keywords: Industry 4.0, Internet of Things, numerical control, laser material processing.
Введение
Четвертая промышленная революция «Industry 4.0», которая началась в 2011 году по инициативе бизнесменов, основывается на применении киберфизических систем для визуализации и цифровизации процессов в любой сфере деятельности. Особое внимание уделяется промышленному сектору, поскольку в данной сфере необходимы высокая точность, безопасность и производительность. Причем, основой для построения киберфизических систем является построение надежной связи между датчиками, исполнительными механизмами, а именно интернета вещей, основной целью которого является замена локального контроллера на виртуальный (облачный) [1].
В данном случае рассматривается беспроводная система управления и мониторинга за состоянием процесса работы лазерного станка числового программного управления (ЧПУ), которые широко применяются в промышленности обработки и производства материалов или конструкций. При этом, производственный процесс осуществляется выжиганием при помощи лазера.
Разработка прототипа лазерного ЧПУ станка
Конструктивно устройство состоит из подвижной части, передвигающейся по двум координатным осям и несущей лазер (рисунок 1), и системы управления. Подвижная часть выполняется на основе высокоточных двигателей таких, как сервоприводы, шаговые двигатели (рисунок 2) [2]. Стоит отметить, что для сервоприводов чаще всего также необходимо наличие обратной связи, то получать информацию о положении вала
Рисунок 1. Лазер с длиной волны 405 нм
Рисунок 2. Шаговые двигатели
Система управления в общем случае состоит из датчиков конечного положения, аварийных кнопок, тросов, датчиков скорости вращения двигателей, контроллера и модулей управления двигателями [3]. Однако, для осуществления внесения данных для выполнения производственного процесса используются дорогостоящие системы человеко-машинного интерфейса (HMI) (рисунок 3), которые также занимают место в шкафах управления, увеличивая размеры [4].
Рисунок 3. HMI панель ЧПУ станка Vevor [5]
Применение интернета вещей позволит обеспечить замену данных устройств и управление процессом применением обычных смартфонов, персональных компьютеров, ноутбуков. Стоит отметить, что нарушение связи с производственными станками приведет к аварийной ситуации. По данной причине, для проверки возможности применения интернета вещей был собран прототип лазерного ЧПУ станка (рисунок 4) на базе Arduino UNO и HW-130 Shield, которые выполняют функцию управления шаговыми двигателями и лазером.
Рисунок 4. Прототип лазерного ЧПУ станка с беспроводной системой управления и мониторинга
Функцию сбора данных, формирования управляющих сигналов осуществляет контроллер на базе ESP8266, который осуществляет обмен данных с Arduino UNO. Программирование системы управления осуществлялось на базе Arduino IDE, а передача данных с применением json файлов (рисунок 5). Код позволяет обрабатывать g-code (рисунок 5), код преобразованного рисунка фрезеровки, и посылать управляющие сигналы на шаговые двигатели. Причем сбор измерений осуществляется при помощи платформы ThingSpeak (рисунок 6) [6].
Рисунок 5. Формирование управляющих сигналов
Рисунок 6. Код передачи данных
Рисунок 7. Визуализация показаний температуры в ThingSpeak
В результате собранный прототип позволил провести эксперимент, в результате которого было определено, что беспроводная связь обеспечивает надежную работу устройства ЧПУ, а при потере связи, работа всех элементов останавливается и уходит в режим ошибки, не позволяя довести до аварийной ситуации.
Список литературы:
- Ing Tay Sh., Te Chuan L., Lee, Nor Aziati, A., Ahmad Nur Aizat A.. An Overview of Industry 4.0: Definition, Components, and Government Initiatives // Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2018. Vol. 10, 14 – Special Issue. P. 1379-1387.
- Вереина Л.И., Краснов М.М. Устройство металлорежущих станков: Учебник для студ. учреждений сред. проф. Образования – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2016 – 432 с.
- W. H. Mu, H. L. Jin, D. L. Wang, H. Yang. Software and hardware implementation of a network control system for a CNC engraving machine // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 411. – P. 198-202.
- Kleper L. Focusing on Laser Engraving and Decorating: Affordable, Versatile, and Creative Marking, Engraving, and Cutting – Graphic Dimensions, 2022. 141 p.
- Grabador Láser De Co2 80w Kh7050 + Cw-3000 Enfriador De Agua + Eje Rotativo Cnc Web: [Электронный ресурс]. Режим доступа – https://www.vevor.es/otro-c_11229/grabador-laser-de-co2-80w-kh7050-cw-3000-enfriador-de-agua-eje-rotativo-cnc-p_010131346585
- Yunus C., Duman M. Monitoring Temperature and Humidity Information Using ThingSpeak Server // European Journal of Science and Technology. 2022. Special Issue 39. P. 6-8.