CNC for TRD2D

Thursday 19 Oct 2023, 12:00 → 14:00 Europe/Bucharest

1 Simple CNC for visual inspection

• a simple, cheap and readily affordable CNC-like device for aligning anode to cathode wires during TRD2D assembly

Speaker: Mr Andrei Naziru (ELI_NP)

bilant CNC.xlsx

Dragi colegi,

 

Vă transmit atașat un bilanț pe care l-am făcut cu privire la materialele necesare pentru construcția dispozitivului CNC.

 

Aș dori să menționez că elementele marcate cu verde deja le avem, la care se adaugă tot în posesia noastră si profilele de aluminiu din care să construim rama CNC-ului (+ elementele de conexiune aferente). De asemenea, eu am ales aici niște ghidaje foarte scumpe, acestea au un rol important (alături de tija filetată) în precizia mașinii și repetabilitatea mișcării. Putem alege ceva mai ieftin (sub 200 de lei), va funcționa suficient de bine dar dacă avem buget aș merge pe ce este indicat în tabel. Am calculat că vom obține o rezoluție de mișcare de 0,0025 mm. Nu am determinat erorile ce apar la repetiția mișcării dar mă aștept să fie cu mult sub limita sesizabilă pentru aplicația noastră (sub 50 de micrometri). Voi reveni cu o cifră.

 

Am decis să renunț la schița de principiu și să pregătesc un proiect ceva mai detaliat. Cred că vineri va fi gata.

 

 

Numai bine,

Andrei

2 General CNC

• an investigation on the possibilities to construct a CNC device for construction, QA and tests of the TRD2D detectors

Speaker: Claudiu Schiaua (IFIN-HH/DFH)

Buna ziua,

Avand in vedere oferta de 17000+ eur primita, am petrecut cateva zile
documentandu-ma in legatura cu masina de masurat tensiunea in fire si
distanta dintre ele.

Cu o exceptie (nu foarte importanta), am identificat toate componentele
si am gasit toata documentatia necesara. Lucrarea de diploma din 2005
are toate schemele.

Bineinteles, daca vom putea inlocui HDD-ul, putem folosi masina pt.
nevoile imediate asa cum este. Totusi, e util sa avem o varianta pt.
cazul in care nu vom reusi asta, sau pt. viitor.

Ceea ce avem nevoie (in cazul masinii mari de teste e aceeasi situatie)
si le-am cerut, in timp, diversilor colaboratori (EastElectric, parca,
erau cei cu masina mare ) sau potentiali colaboratori (cei de la AFT,
cu oferta de 17000 eur) a fost o interfata programatica pt. miscarea
masinii, pe care sa o putem integra usor in lanturile noastre de
achizitie. Mai ales pt. masina mare, ideea e ca avem nevoie sa putem
programa diverse configuratii (nespecificate) in care sa folosim aceste
masini impreuna cu un sistem DAQ. Desi am consumat timp explicand ce
vrem si (in cazul masinii mari) am si platit sume considerabile, nu am
obtinut o solutie satisfacatoare.

Pentru aceasta problema exista multe solutii simple, putin costisitoare
si, mai ales pt. masina de masurat fire, relativ usor de implementat.
Sunt bazate pe solutii open-source derivate din proiectul LinuxCNC
( http://linuxcnc.org/ ), cum ar fi grbl ( https://github.com/gnea/grbl
) si derivatul grblHAL ( https://github.com/grblHAL/ ) si altele.
Acestea ofera (open-source) firmware de control CNC pt. diverse
platforme. Cel mai practic pare a fi grblHAL, un software pt. unele
microcontrollere ( https://github.com/grblHAL/Controllers ) care face
urmatorul lucru: citeste comenzi de la un port serial (de cele mai
multe ori e via USB), le interpreteaza si le implementeaza in masina
concreta (trimite comenzi la motoare). Protocolul (grbl) este 
documentat, https://github.com/gnea/grbl/wiki/Grbl-v1.1-Interface .

Pentru partea de DAQ trebuie gasite solutii specifice.

Concret, pentru masina de masurat fire, o solutie ar putea fi
urmatoarea:

1) Cumparam 1 controller mentionat la
https://github.com/grblHAL/Controllers si accesoriile necesare (sursa
de alimentare, driver motor, alte componente necesare). Cele de la
https://bigtree-tech.com/ au preturi mici si sunt foarte modulare. Au
avantajul ca sunt specificate chip-urile folosite, inclusiv pt. driver-
ele motoarelor. O solutie mai inchegata (pare a fi singura care are si
carcasa) e cea de la OpenBuilds, BlackBox X32,
https://openbuildspartstore.com/BlackBox-Motion-Control-System-X32 ,
care include driver-e pt 4 motoare pas-cu-pas precum si diverse
intefete de control, in particular una de 24V pe care o putem folosi
pt. comanda valvei de gaz. Pare a fi si cea mai scumpa varianta, pretul
pe site e 240 USD, dar mai trebuie adaugat transportul, vama (e livrat
din USA). Am vazut o oferta pe un site din Polonia la ~400 EUR, e
posibil sa fie taxe, dar e posibil sa fie doar lacomie. Ne mai trebuie
o sursa de 24V, gasim local. In total, 500 EUR ar trebui sa fie
acoperitor.

2) Motorul pas-cu-pas ( modelul e PK268-E2.0A
, https://catalog.orientalmotor.com/item/all-categories-legacy-products/tegories-pk-series-2-phase-stepping-motors-legacy-/pk268-e2-0a
) e obsoleted, dar merita sa-l refolosim pt. a evita sa-l demontam, sa
montam altul, eventual sa facem alt cuplaj mecanic. Il legam la driver-
ul de la 1). De asemenea, microswitch-urile
(F4T7Y1, https://www.tme.eu/Document/20bb77e49d81de5c3f176a568b08744d/f4.PDF
) le legam la controller (asigura auto-limitarea miscarii). Sunt 4
instalate, e posibil ca doar 2 sa fie necesare. Nu trebuie
dezinstalate, dar trebuie modificate conexiunile de la "normal inchis"
la "normal deschis".

3) Legam controller-ul de la 1) la un calculator printr-un port USB
(sau serial). Pt. BlackBox X32 e un port USB cu un chip FTDI care are
driver in linux-urile relativ recente (7-8 ani parca), nu e nimic de
instalat, eventual o configuratie de hotplug, am mai facut asta pt.
adaptoarele de programare de la Xilinx si Microsemi. Calculatorul poate
fi chiar Microzed (descris mai jos), sau poate fi altul (de exemplu un
NUC). Ne putem imagina chiar varianta in care calculatorul e o masina
virtuala in datacenter legata la controller printr-un redirector de
port serial.

4) Pt. partea de DAQ vom folosi un microzed
( https://www.avnet.com/wps/portal/us/products/avnet-boards/avnet-board-families/microzed/
) cu o cartela fan-out BKO-CC
( https://www.avnet.com/opasdata/d120001/medias/docus/58/AES-MBCC-BRK-G-MBCC_BKO_UG_1_1.pdf
) pe care le avem deja de la vechiul DAQ TRD (cel cu Zynq-uri).

5) Pe o cartela de prototip (eventual partea existenta pe BKO-CC)
instalam cateva chip-uri pt. adaptarea de nivel (5V<->3.3V) si,
eventual, 0-5V -> 1Vpp diferential. Exista astfel de chip-uri, pretul e
nesemnificativ.

6) Conectam senzorul de pozitie POSIMAG PMIS3-50-2.5-50KHZ-TTL-Z0-2MS
( https://www.asm-sensor.com/asm/pdf/pro/pm_kat_en.pdf ) la Microzed.
Sunt cateva semnale digitale de 5V.

7) Conectam senzorul optic HBCS1100
( https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/64613/HP/HBCS-1100.html
) la Microzed. Cartela montata pe instalatie foloseste un operational
LF351N si are 2 semireglabili. Scopul e sa duca plaja 0-5V (de la
senzor) la -10 - +10 V cat vrea cartela existenta. E posibil sa putem
regla parametrii operationalului astfel incat sa-l putem conecta direct
la Microzed, astfel incat sa nu avem nevoie de buffer si sa nu fie
nevoie sa demontam cartela cu LF351N de pe instalatie. Totusi, LF351N
foloseste si tensiune negativa si ar fi singurul, asa ca poate merita
schimbata cartela. In plus, un driver diferential are mai putin zgomot.
Senzorul optic HBCS1100 are un LED si o fotodioda care au si optica pt.
a asigura o zona de sensibilitate foarte ingusta. Senzorul nu se mai
fabrica si nu am gasit unul care sa aiba o zona de sensibilitate
suficient de ingusta pt. a nu amesteca firele in cazul testului de
tensiune. Mai cautam.

8) Valva de gaz ( n-am identificat-o cu precizie, marcajul e 647265,
dar spune ca e de 24V, 2.88W ), o putem conecta sau la Microzed (cu un
adaptor pt. 24V si curentul cerut, poate chiar 555-ul existent sau
punem unul pe cartela cu celellate adaptoare) sau la controller-ul de
miscare (daca are un astfel de port; BlackBox X32 are). In cazul in
care il legam la controller s-ar putea sa nu putem controla cu precizie
durata de deschidere (in cele 2 lucraii de diploma se vorbeste de 12
ms, parca). Dar n-ar trebui sa conteze, ne intereseaza frecventa, nu
amplitudinea oscilatiei.

9) Dezvoltam firmware-ul pt. partea de FPGA din Microzed. E unul
simplu, nu sunt probleme. Trebuie sa citeasca ADC-ul si semnalele de la
senzorul de pozitie.

10) Producem linux-ul cu driver-e pt. firmware-ul de la 9. N-am mai
facut asta, dar nu sunt probleme, Microzed e documentat pe larg,
https://www.avnet.com/wps/portal/us/products/avnet-boards/support/faq/microzed-chronicles/

11) Pe calculatorul de operare (NUC, Microzed, etc.) dezvoltam
software-ul specific (eventual in python). Acesta face urmatoarele:
trimite comenzi (G-Code) via grbl catre controller-ul de miscare si
citeste (din Microzed, eventual prin retea) datele de la DAQ. Acestea
contin o insiruire de cuvinte continand o eticheta de timp
(initializarea timpului e arbitrara), citirea din ADC si din senzorul
de pozitie (in principiu, ne putem dispensa de senzorul de pozitie si
sa estimam pozitia din viteza de miscare, cum a facut in lucrarea a 2-
a, dar e de dorit sa avem si datele de pozitie ). Sunt posibile
variatii ale modului de operare a DAQ, vedem ce e util.

12) Pt. masurarea distantelor intre fire este trimisa o comanda de
miscare cu viteza constanta pe o anume distanta (cate fire sunt). ADC-
ul va da un semnal periodic, perioada e legata de distanta dintre fire.
O variatie in citirea ADC-ului indica prezenta unui fir. Corelatia cu
citirea senzorului de pozitie (sau estimarea pozitiei din viteza)
indica pozitia. Daca folosim senzorul de pozitie, se poate detecta daca
motorul pas-cu-pas a pierdut pasi sau nu (presupunand ca senzorul de
pozitie nu pierde).

13) Pt. masurarea tensiunii in fir, avand pozitiile firelor de la 12),
este programata o secventa de miscare in pasi egali cu distanta dintre
fire si, pt. fiecare pas, este comandata o deschidere scurta a valvei,
care va produce vibratia in firul respectiv. Citirea ADC-ului (cu
pozitie fixa) va produce un semnal periodic in timp, perioada fiind
legata de tensiunea in fir.

14) Din datele acumulate facem graficele dorite, probabil offline.

Nu prea vad cum putem externaliza punctele 11-14, va trebui sa le facem
noi in orice caz. Sunt multe rafinamente posibile. Mi-e greu sa cred ca
masina actuala (cu LabView) face o prelucrare sofisticata, probabil
doar transformate Fourier. De aici, probabil, si unele rezultate
confuze, mai ales in cazul in  care firele nu sunt la distante tocmai
egale.

In cazul altor aplicatii (de exemplu testul uniformitatii detectorilor
cu masina mare),  DAQ-ul e altul si punctele 7-14 sunt diferite. O
masina unidimensionala cum e cea de testat fire poate sa nu fie
suficienta.

Sunt 2 informatii legate de masina de testat fire pe care nu le-am
identificat in cele 2 lucrari de diploma: periodicitatea spatiala a
senzorului de pozitie (periodicitatea magnetizarii din fasia lipita pe
masina) si corespondenta dintre pasul de 1.8 grade a motorului pas-cu
pas si miscarea pe X (asta tine de pasul axului cu bile). In principiu
ar trebui sa fie in lucrarea din 2005, dar e in germana si nu le-am
identificat. In cel mai rau caz, le masuram in fazele initiale.

Ar fi foarte util daca am avea ceva de acest tip si pt. masina mare de
test. Din pacate, nu e imediat evident daca motoarele folosite pot fi
integrate usor in grblHAL. Mai exact, probabil ca pot dar necesita ceva
dezvoltare in grblHAL. Nu sunt motoare pas-cu-pas, sunt servomotoare de
curent alternativ, mai puternice si, in principiu, mai precise (ar
trebui sa aiba feedback de pozitie, deci pozitia ar trebui sa poata fi
stabilita cu mare precizie, nu ar trebui sa fie "pasi pierduti").
Driver-ele lor sunt controlabile prin protocoale gen EtherCAT, fac
parte dintr-o solutie industriala completa, inclusiv pt. software. Din
cate tin minte, software-ul e cu licenta, multi bani si nu se integraza
decat cu el insusi (ca majoritatea software-ului comercial). E posibil
sa aiba si controale mai simple si sa poate fi integrate intr-un sistem
de genul grblHAL. Aici mai trebuie sa ma documentez. Am identificat
componentele dar trebuie sa vad mai in detaliu ce pot face. Problema de
integrare intr-un mediu cu software comercial este foarte vizibila in
acest caz. La aceasta masina a fost adaugata o scala magnetica absoluta
(masoara absolut pozitia pe X) Balluff BML041H, care are inclusiv
senzori analogici. Cu acest instrument un DAQ simplu poate masura
pozitia pe X fara calibrari si cu precizie de ~ 1 um. Dar, din cate mi-
am dat seama (poate ma insel), nu este, in fapt, integrat in masina,
are doar un display (Balluff BAE004K) unde este afisata pozitia.

Revenind la masina de masurat fire, putem rezolva problema cu ceva gen
500-600 eur si ceva munca, in special pt. dezvoltarea software-ului
specific (care, oricum, nu prea poate fi externalizat). Partea legata
strict de miscare e relativ simpla pt. ca putem folosi (cu costuri
foarte mici) software "open-source" gen grblHAL. Partea de "software
specific" poate fi relativ simpla (cum, probabil e cazul in versiunea
curenta cu LabView), dar s-ar putea sa constatam ca avem nevoie de mai
mult. Pt. senzorul optic HBCS1100 nu am gasit o alternativa, dar s-ar
putea sa gasesc. Cele 2 constante de calibrare trebuie identificate.

Mai exista o varianta, mai conforabila din anumite puncte de vedere si
cu mai multe potentiale aplicatii, dar mai scumpa: OpenBuilds
( https://openbuilds.com/ ) ofera si kit-uri de masini CNC, care includ
motoare, frame, controller etc.. In particular e unul configurabil
( https://openbuildspartstore.com/lead-cnc-machine-1515-60-x-60/ ), cu
varianta "fully loaded"
( https://openbuildspartstore.com/lead-cnc-machine-1515-fully-loaded/ )
la ~2860 USD . E o masina cu 4 motoare (2 pe Y) cu zona de lucru de ~
1.17m (X) x 1.25m (Y) x 9cm (Z), antrenare cu suruburi (nu cu curea).
Versiunea "full" include si o freza
( https://openbuildspartstore.com/router11/ ) cu care, cred, putem
produce cu usurinta pcb-ul de ecranare de la TRD (cel cu decupaje pt.
flat cables). Nu stiu cat costa producerea celor 40 de bucati, dar s-ar
putea ca parte din costurile unei astfel de masini pt. atelier sa se
recupereze doar din aceste panouri. Sigur, trebuie adaugat costul
transportului, vama, etc., dar totusi, pare a fi o masina utila. In
laboratorul de teste o astfel de masina ar rezolva problemele (dar
acolo inca mai speram sa putem folosi masina existenta). In laborator
ar putea inlocui masina de testat fire (ar mai fi util un senzor de
pozitie; in functie de calitate de la cateva zeci la cateva sute de
eur). In plus, ne putem imagina ca, in viitor, putem adauga cateva
componente pt. a produce o masina care intinde (si sudeaza) fire (fir
cu fir, din mosor). Ar avea precizia necesara.

Toate bune,
Claudiu