픽 앤 플레이스의 작동 방식 - Helsparrow/OpenpnpDocs_KR GitHub Wiki

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픽 앤 플레이스 기계는 여러 시스템과 많은 구성 요소로 구성된 매우 복잡한 하드웨어입니다. 기계를 직접 제작하려면 이러한 시스템과 구성 요소를 이해하고 이들이 어떻게 결합되는지 이해하는 것이 중요합니다. 이 페이지에서는 픽 앤 플레이스 머신의 작동 방식을 이해하는 데 도움이 되도록 이러한 시스템을 중간 정도 자세히 설명하려고 합니다.

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개략

  • Frame and Bed
    • Work Holding
  • Motion Control
    • Motors
      • Steppers
      • Servos
    • Motor Drivers
    • Rotational to Linear Motion
    • Motion Controllers
  • Vacuum and Air
    • Vacuum Pumps
    • Solenoid Valves
    • Vacuum Sensors
    • Blow Off Systems
  • Vision Systems
    • Cameras
      • USB
      • IP
    • Lenses
    • Lighting
  • Feeders
  • Conveyors
  • Software

개요

고차원적으로 볼때, 픽 앤 플레이스 머신은 아레와 같은 시스템으로 구성되어 있습니다.

  • 프레임 및 베드: 프레임과 베드는 다른 모든 것들을 부착하는, 기계의 물리적 요소들로 이루어져 있음.
  • 모션 제어: 기계의 움직임을 제어하는 하드웨어, 전자 장치 및 펌웨어.
  • 진공 및 공기: 진공 펌프, 배관, 솔레노이드 밸브, 진공 센서, "분출" 펌프 등
  • 컴퓨터 비전: 기계가 사물을 "볼" 수 있게 해주는 카메라, 렌즈 및 조명.
  • 피더: 피더는 기계가 내려 놓을 수 있는 부품을 제공합니다. 피더는 단순할 수도 있고 기계장치 형태일 수도 있습니다.
  • 소프트웨어: OpenPnP는 픽 앤 플레이스 머신을 실행하고 기판을 빌드하는 데 사용할 수 있는 소프트웨어입니다!

이러한 각 항목에 대해서는 아래에서 자세히 설명합니다.

CNC

세부적으로 들어가기 전에, CNC의 개념에 대해 언급하는 것이 중요합니다. CNC는 Computer Numerical Control(컴퓨터 수치 제어)의 약자이며, 공작기계를 움직이기 위해 컴퓨터를 사용하는 것을 설명하는 다소 기묘한 용어입니다.

CNC 이전에는 밀링 머신, 선반, 플라즈마 커터, 톱, 파이프 벤더 및 드릴과 같은 기계가 숙련된 작업자가 작업해야 하는 각 위치에 수동으로 이동되었습니다. CNC는 이러한 기계에 추가 모터를 추가하여 컴퓨터가 자동으로 모터를 위치로 이동할 수 있게 했고 현대적인 제조업이 탄생했습니다.

이 토론에서 CNC는 중요합니다. 왜냐하면 CNC 머신은 픽 앤 플레이스 머신의 핵심요소이기 때문입니다. 손으로 노즐을 움직이고 스위치를 사용하여 진공을 켜고 끌 수 있지만, 컴퓨터와 OpenPnP가 이 작업을 수행하도록 하는 것이 훨씬 쉽고 재미있습니다!

아래의 논의에서, 당신이 CNC를 보신다면, 당신은 그것을 그냥 컴퓨터에 의해 제어되는 기계라고 생각하셔도 좋습니다.

프레임 및 베드

기계의 프레임은 단순히 '다른 모든 것을 부착하는 무언가'로 정의할 수 있습니다. 프레임은 모든 모양과 크기로 제공되며 모든 사람은 완벽한 레이아웃에 대한 자신만의 아이디어를 가지고 있습니다. 그것들은 3D 출력물, 나무 또는 금속으로 만들 수 있고, 용접하거나 나사로 이어 붙일 수 있으며, 전문적인 기계의 경우 심지어 수톤짜리 주조 성형으로 제작 할 수도 있습니다! DIY 픽 앤 플레이스 머신의 가장 일반적인 프레임 소재는 T-슬롯 알루미늄 압출 프로파일입니다.

질량은 프레임 디자인에서 중요한 역할을 합니다. 프레임의 질량이 클수록 모터가 작동할 때 움직일 가능성이 줄어듭니다. 프레임의 튼튼함 또는 강성도 중요합니다. 기계가 작동할 때 프레임이 구부러지면 정확도가 떨어집니다.

모션 제어

모션 제어는 큰 주제이며 거의 틀림없이 가장 중요합니다. 모션 제어 시스템의 궁극적인 목표는 엔드 이펙터(우리의 경우에는 픽 앤 플레이스 노즐)를 PCB를 기준으로 특정 위치 및 회전방향 으로 이동시키는 것입니다. 많은 방법들이 있습니다.

CNC 기계에 대한 경험이 있는 경우 X, Y 및 Z 좌표에 익숙할 수 있습니다. X는 왼쪽과 오른쪽, Y는 앞과 뒤, Z는 위와 아래입니다. 픽 앤 플레이스에는 회전이라는 또 다른 축이 필요합니다. 보드에 부품을 완벽하게 배치하려면 보드 디자이너가 부품이 이동할 것으로 예상한 위치와 일치하도록 원하는 X, Y, Z 및 회전으로 이동해야 합니다.

이것은 우리의 모션 컨트롤 시스템이 최소 네 개의 축을 가져야 한다는 것을 의미합니다. 가장 단순한 설계에서 이는 각 축에 하나씩 4개의 모터를 의미합니다.

OpenPnP는 실제 세상의 단위로 말합니다. OpenPnP는 부품을 배치하고자 할 때 모션 컨트롤러에 X 10mm, Y 20mm, Z -10mm, 회전 90도와 같은 실제 좌표로 이동하라고 지시합니다. 모션 컨트롤러는 모터를 이동하기 위해 실제 좌표를 전기적 명령으로 변환하는 역할을 하는 하드웨어입니다.

모션 제어

모션 컨트롤러는 여러 면에서 픽 앤 플레이스의 가장 중요한 부분입니다. 모션 컨트롤러는 일반적으로 마이크로프로세서와 여러 출력 포트가 있는 PCB이지만 PC에서 실행되는 소프트웨어일 수도 있습니다. 실제 좌표를 모션으로 변환하는 작업이 모션 컨트롤러의 일입니다.

Smoothie와 같은 일부 모션 컨트롤러는 모터를 직접 구동할 수 있는 반면 LinuxCNC와 같은 다른 모션 컨트롤러는 별도의 전자 장치에 모터 구동을 둡니다.

모션 컨트롤러의 가장 일반적인 유형은 Gcode / Step 및 direction / Stepper motor 컨트롤러입니다. 분석해 보겠습니다:

  • Gcode: Gcode는 기계에게 이동 방법과 위치를 알려주는 텍스트 기반 언어입니다. OpenPnP는 모션 컨트롤러에 Gcode 명령을 전송하여 기계 헤드를 이동할 위치를 알려줄 수 있습니다. Gcode는 엄청나게 복잡할 수도 있지만 OpenPnP는 Gcode의 아주 작은 부분 집합만 사용합니다. 이에 대해서는 나중에 더 다루겠습니다.
  • Step and direction: Step and direction 또는 step/dir은 CNC에 일반적으로 사용되는 다양한 모터를 구동하는 가장 일반적인 방법입니다. 두 개의 핀이 있는 간단한 인터페이스입니다(Step 및 direction). 모터가 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전할지 여부에 따라 direction 핀을 High 나 Low로 설정한 다음 모터가 수행할 각 "스텝"에 대해 스텝 핀을 한 번 펄스합니다. 이에 대해서는 아래 모터 섹션에서 자세히 설명하겠습니다.
  • Stepper motor: 스테퍼 모터는 DIY CNC 기계에 사용되는 가장 일반적인 유형의 모터입니다. 3D 프린터에서 흔히 볼 수 있습니다. 스테퍼 모터는 스테퍼 모터가 지속적으로 회전하는 대신 작고 정의된 스텝으로 움직인다는 점에서 드릴이나 세탁기에서 볼 수 있는 "보통" 모터와는 다릅니다.

따라서 이 모든 것을 다시 종합하면, Gcode / Step 및 direction / Stepper motor 컨트롤러는 Gcode 명령을 읽고 이를 스텝 및 방향 펄스로 변환하여 스테퍼 모터를 제어합니다.

모터

기계를 움직이는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 픽 앤 플레이스 머신 및 기타 CNC 기계에서 가장 일반적인 방법은 특정 위치로 이동하도록 지시할 수 있는 전기 모터를 사용하는 것입니다. 이를 수행할 수 있는 가장 일반적인 두 가지 유형의 모터는 스테퍼 모터와 서보입니다.

스테퍼 모터

위에서 스테퍼 모터를 다루었지만 확장할 가치가 있습니다. 오늘날 사용되는 대부분의 스테퍼 모터는 회전당 200스텝이며, 이는 모터가 회전당 200개 위치 중 하나에서 멈출 수 있음을 의미합니다. 회전은 360도이므로 모터가 한 단계당 1.8도 회전한다는 의미입니다. 스테퍼 모터에 대해 배울 때 이러한 일반적인 숫자가 모든 곳에서 나타납니다.

가장 일반적인 스테퍼 모터는 바이폴라, 4선식 모터입니다. 바이폴라는 모터의 위치를 제어하는 데 사용되는 두 세트의 자기 권선이 있음을 의미합니다. 각 권선 세트에는 두 개의 와이어가 있습니다. 다양한 구성으로 두 세트의 권선에 전원을 공급하면 모터가 한 방향으로 한 단계 이동하게 할 수 있습니다.

일부 스테퍼 모터 드라이버는 마이크로스테핑이라는 기능도 지원합니다. 마이크로스테핑을 통해 드라이버는 단계 사이에 모터를 배치할 수 있습니다. "16x 마이크로스테핑"을 지원하는 드라이버가 있는 경우 이는 (이론적으로) 모터를 단계당 16마이크로스텝으로 배치할 수 있음을 의미합니다. 즉, 회전당 200스텝을 갖는 모터 대신 회전당 200 * 16 = 3200스텝을 가집니다!

마이크로스테핑을 사용하여 축의 분해능을 높일 수 있지만 실제로는 4배 이상으로 분해능을 크게 증가시키지 않습니다. 하지만 모션을 부드럽게 만드는 데 도움이 되므로 4배 이상에서도 여전히 유용합니다.

마지막으로, 대부분의 스테퍼 모터가 오픈 루프 제어를 사용한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 오픈 루프 제어는 컨트롤러가 모터에게 특정 위치로 이동하라고 지시하지만 이를 알 수 있는 방법이 없음을 의미합니다. 예를 들어 무언가가 모터의 움직임을 막고 있다면 모터가 해당 위치에 도달하지 못할 수 있으며 컨트롤러는 절대 알 수 없습니다. 이로 인해 "스텝 손실"이 발생하며 모터를 너무 빨리 구동하려고 하면 큰 문제가 될 수 있습니다. 오픈 루프 제어의 반대는 폐쇄 루프 제어이며 아래에서 살펴보겠습니다.

서보

CNC에 사용되는 다른 가장 일반적인 유형의 모터는 서보입니다. 여러분은 무선 조종 비행기와 자동차에서 서보 모터를 마주친 적이 있을 것이고, 그 개념은 동일합니다. 서보는 센서의 피드백으로 위치를 제어할 수 있는 모터입니다.

RC 취미 서보에서 센서는 종종 모터의 축에 연결된 전위차계입니다. 모터가 회전하면 전위차계의 저항이 변경되고 컨트롤러가 저항을 판독합니다. 컨트롤러는 저항을 위치에 매핑하고 모터가 올바른 위치에 도달할 때까지 회전을 유지한 다음 정지합니다.

CNC 서보에서 센서는 일반적으로 "인코더"라고 합니다. 전위차계는 위치를 출력으로 인코딩한다는 점에서 인코더의 한 유형이지만, CNC 인코더는 일반적으로 광학 또는 자기 인코더입니다. 이러한 유형의 인코더는 회전당 10,000개 이상의 위치를 측정할 정도로 매우 정밀할 수 있습니다!

서보를 사용하면 어느 방향으로든 회전할 수 있는 모터와 모터의 축 위치를 알려주는 센서가 있습니다. 이 센서를 읽고 위치가 정확할 때까지 샤프트를 이동하는 것을 "폐쇄 루프 컨트롤"이라고 합니다.

서보는 다양한 모양, 크기 및 구성으로 제공됩니다. AC 또는 DC일 수 있으며 브러시 또는 브러시리스일 수 있습니다.

모터 드라이버

모터 드라이버는 일반적으로 디지털인 다양한 저전압, 저전류 입력을 취하여 (때때로) 고전압, 고전류 출력으로 변환하여 모터를 구동합니다. 우리는 위에서 약간의 스텝과 방향에 대해 이야기했으며 이것이 CNC에 사용되는 가장 일반적인 유형의 모터 드라이버입니다. 모터 드라이버는 PID 제어, 엔코더 판독, 튜닝 및 대규모 전압 및 전류 전환을 통합하여 매우 복잡할 수 있습니다.