Automatic storage process using PLC

Control 1.5 axis NC milling machine

CHAPTER 1 INTRODUCTION

The information contained in this chapter will establish the research question for this thesis, as well as cover the scope, significance, assumptions,

delimitations, and limitations。

1.1 Problem Statement

Automation rarely exists in the average personal woodshop。 Research

explored in this thesis explored the possibility of bringing industry-quality

automation to the average home luthier by developing a piece of equipment to

aid in the production of fret boards。The piece of equipment needed to be

affordable enough that it could be obtained by any range of luthier, as well

possess the craftsmanship to produce a quality fret board。

1.2 Research Question

The contents of this thesis are answered in respect to the following question:

Is it possible to create an affordable and precise PLC controlled,1.5 axis CNC mill to automatically cut fret slots into the fret board of a guitar while allowing for multiple, user defined, scale lengths?

1.3 Scope

The machine detailed in this thesis was designed to cut fret slots to scale

lengths defined by the user。 Using a human machine interface (HMI), users were able to enter any scale length, from which the appropriate fret spacing was automatically calculated。 These scale lengths were available in either a

chromatic or diatonic scale, in accordance with which instrument the user was

creating。 This allowed the luthier to create a variety of fret boards for instruments

ranging from, but not limited to, the guitar, bass guitar, or mandolin。Each of

these instruments naturally has multiple options for scale lengths depending on the style chosen by the user。

This machine was designed to be a desktop model。This will be useful as

laboratory and workshop desktop real estate is typically scarce。 A desktop

design ensured that various end users would have an easily transportable

machine that can be stowed when not in use。 All parts incorporated in the device were to be readily available in the market place in order to keep the overall cost low, as well as provide easy options for upkeep and maintenance issues。

1.4 Significance

Automation is not a new field, and neither is a mechanical method for

cutting fret slots。 However, combining the two opened a slightly new door to the guitar manufacturing industry by offering on-the-fly scale length adjustments。 This project aimed to create a completely automated method for cutting fret slots using a desktop sized machine that can be used by a range of users from the garage hobbyist to a full scale production company。 The goal was to create a machine that was not only affordable, but offered the precision and repeatability required to produce a top-of-the-line stringed instrument。 By satisfying these criteria, the hobbyist can abandon traditional manual methods of cutting fret slots,and incorporate this small machine into their arsenal of specialty tools。Typically,the hobbyist will cut each fret slot by hand, requiring precision on the order of merely thousandths of an inch in either direction, to produce a quality fret board。

This machine was able to accurately produce this precision on a repeatable

basis。 Larger companies will also see benefit as many use outdated methods for this operation, and will greatly benefit from an automated station to accomplish the same task。The finished product offered a simple user interface with preprogrammed controls so that any number of operators could perform this highlevel task typically performed by an experienced worker。 This not only allows for a more diverse work force but can also lead to an increase in production size。Being that the unit was sized as a desktop model, multiple units would be able to be placed in various locations around a production facility in order to meet various levels of demand。While no “new” technology was being used, the implementation of combining standard industrial automation equipment with a 1.5axis milling machine, set up to produce fret slots, was a new approach to guitar production that will greatly reshape the industry from the small scale garage luthier to the full scale industrial production line。

1.5 Definitions

Bridge – Component of a stringed instrument where the strings meet the body of the instrument。

Nut – The component of a stringed instrument, opposite of the bridge, where the strings enter the headstock of the instrument。

Scale Length – The distance, measured between the bridge and nut on a guitar。

The scale length is critical in determining fret spacing。

Figure 1。1。 A schematic of the bridge and nut locations, where the distance

between the two represents the scale length。

CNC – Acronym for computer numeric control and refers to computer controlledmachining operations。

PLC – Acronym for programmable logic controller; a small processor used for

controlling industrial automation systems。

HMI – Acronym for human machine interface; a graphical user interface used to aid in communication between the user of a machine and the PLC。

1.6 Assumptions

The following assumptions were stated as a basis for the research

conducted in this thesis:

There is a market for a home-use or small manufacturing fret

slotting CNC machine。

The most appropriate components will be chosen and incorporated

into the bill of materials。

1.7 Delimitations

The following delimitations were identified by the researcher:

The experiment was intentionally narrowed to be constrained by a maximum scale length。 There was an infinite possibility of scale lengths offered by the machine, but the physical envelope of the machine limited the size of fret boards it can produce。lt;

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使用PLC自动进行储存过程

控制1.5轴数控铣床

自动化可以帮助小型工作店和业余爱好者生产弦乐器？ 这项研究开始用a回答问题定量方法来确定一台经济型数控机床是否可以以无缝地加入车间作为一个负担得起的，而且精确的仪器可以帮助生产弦乐器。钥匙将通用工业自动化设备纳入运营该机试图切断对外部资源的依赖，如此作为个人电脑和商店实用程序，同时保持足够紧凑不吞噬宝贵的车间房地产。制造的1。5轴龙门铣床根据经验测试，通过生产一批fret板测量精度。 材料，方法和统计分析都是包含在本文件中。本研究的结果和结论是提供了试图回答主要研究问题。

1.1 问题陈述

自动化很少存在于一般的个人林场。研究本论文探讨了产业质量带来的可能性通过开发一台设备来自动化到平均家庭菜肴帮助生产木板。需要的设备负担得起，它可以通过任何范围的琴师获得拥有精湛的工艺品质。

1.2 研究问题

本论文的内容如下:

是否可以创建一个经济实惠且精确的PLC控制，1。5轴数控铣床自动将毛坯插槽插入吉他，同时允许多个用户定义的刻度长度？

1.3 范围

本文详细介绍的机器设计用于缩小比例尺由用户定义的长度。 使用人机界面（HMI），用户是能够进入任何刻度长度，从中适当的距离间隔自动计算。 这些刻度长度可以在a中使用根据用户所使用的仪器，色或全音阶创建。 这样可以让琴师制作各种乐器板包括但不限于吉他，低音吉他或曼陀林。每一个这些仪器自然具有多种尺寸选择用户选择的风格。

这台机器被设计成一个桌面模型。这将是有用的实验室和车间桌面房地产通常很少。一个桌面设计确保了各种最终用户可以轻松地运输机器在不使用时可以存放。所有部件都包含在设备中在市场上容易获得，以保持整体成本低，以及为维护和维护问题提供简单的选择。

1．4 意义

自动化不是一个新的领域，也不是一种机械方法切割毛孔。 然而，结合两个打开了一个稍微新的门吉他制造业通过提供即时比例长度调整。该项目旨在创造一种完全自动化的方法来切割机架使用可以由一系列用户使用的桌面大小的机器车库爱好者到全面的生产公司。 目标是创造一个机器不仅价格实惠，而且提供了精度和重复性需要生产顶级弦乐器。 通过满足这些标准，爱好者可以放弃传统的手动切割方法，并将这种小型机器整合到他们的专业工具库中。通常情况下，

爱好者会用手切割每一个手指槽，要求精确度在任何一个方向上只有千分之一英寸，可以生产出优质的木板。这台机器能够精确地产生一个可重复的精度基础。更大的公司也将看到好处，因为许多使用过时的方法这个操作，并将从一个自动化站中大大受益同样的任务。成品提供了一个简单的用户界面与预编程控制，以便任何数量的操作员可以执行这个高级别任务通常由有经验的工作人员执行。 这不仅允许更多样化的劳动力，也可能导致生产规模的增加。由于该单元的尺寸是桌面模型，所以多个单元将能够被放置在生产设施周围的各个地方，以便满足

各种需求水平。虽然没有使用“新”技术，1。5标准工业自动化设备的实施轴铣床，设置生产Fret槽，是吉他的新方法生产将大大改造小型车库的行业向大型工业生产线走访。

1．5定义

桥梁 - 弦乐器的组成部分与琴身相遇仪器。

螺母 - 弦乐器的组件，与桥相对，在那里琴弦进入仪器的头架。

刻度长度 - 在吉他上的桥和螺母之间测量的距离。刻度长度在确定纤维间距方面至关重要。

图1。1。 桥和螺母位置的示意图，距离两者之间代表刻度长度。

CNC - 计算机数字控制的首字母缩略词，指计算机控制加工操作。

PLC - 可编程逻辑控制器的首字母缩略词,一个小处理器用于控制工业自动化系统。

HMI - 人机界面的首字母缩略词;用于图形用户界面有助于机器用户与PLC之间的通信。

1．6假设

以下假设被视为研究的基础在本论文中进行：有一个家用或小制造业的市场

开槽数控机床。将选择并整合最合适的组件进入材料清单。

1．7划界

研究人员确定了以下划分：

实验被有意地缩小到被a限制最大刻度长度。 规模无限可能机器提供的长度，但是物理信封机器限制它可以生产的fret板的尺寸。

机器受限于1。5轴运动控制。完整的控制轴将是首选，但由于预算和时间约束，只有一个运动轴将精确受控。第三轴固定。这并没有影响整体机器的精度。

不超过原材料2500美元的预算。 这个允许机器为消费者保持可行的选择。

1．8限制

研究人员定义了以下限制：机器的整体尺寸需要紧凑。 一个大约3times;2times;2（长x宽x高）的包络依次建立以确保制作桌面设计。正确类型的交流电动马达可用于锯刀片大大抑制了预算和设计机。为项目指定的电机确实影响了质量的研究，但是应该指出的是更合适选择必须存在;较小的电动机将是优选的应用。市场搜索显示，较小的交流电机一般都比较贵，不符合规范需要。较小的电动机将大大减小其尺寸龙门式装置以及减少对更多的需求昂贵的结构材料如铝。

1．9章节总结

本章帮助建立了对此的研究的理由论文将进行。研究问题已经说明和界限

范围已由假设，限制和分界限定。要突出显示最重要的，机器必须适合具体的物理信封，建立为3x 2x 2。不得超过$ 2500的预算。第二章文学评论

2。1介绍

本文的前提是创造一种经济的切割机把吉他插入吉他的木板上。机器需要紧凑

足以将其分类为可以存储的桌面工作站不用时。这篇文献综述将主要涵盖的选择

硬件和基本机器设计实现以满足这些参数。

机器的设计被选为具有xaxis的龙门式磨机精确控制，y轴执行简单的横向

操作。 x轴将控制每个支架槽的实际位置;因此它需要非常精确。 y轴将启动锯片切割每个插槽。机器的z轴是固定的，但调整可能使用垫片。将讨论每个轴的组件在下一节中讨论。

2．2自动进程

如前所述，吉他行业的自动化并不完全是新的领域。例如，加利福尼亚州的泰勒吉他从一个两人开始批量运行到350多台全自动生产设备人（Bates，2005）。有趣的是，在这种特殊情况下，自动化帮助公司发展壮大。在更短的时间内生产更多的产品时间需要更多的手在甲板上来处理需求。泰勒吉他原本没有任何仪器的技术图纸。因此，过渡到自动化设施需要相反的过程为了维护每一个仪器的每一个工具忠诚顾客的素质（Bates，2005）。通过选择正确的机器，泰勒吉他能够通过提高他们的质量自动化作为每个工具都达到了最高的期望值标准，与下一代相同（Bates，2005）。虽然这样来源没有说明泰勒吉他制作的方法应该注意的是，自动化流程可以带来深刻的质量增长以前手工完成的操作。

2．3直线运动

该机器极大地依赖于线性运动控制的思想。线性运动控制是在单个线性方向上移动负载的概念具有用户建立的控制水平。通常，最精确的类型控制器采用利用反馈回路的伺服电机的形式确定终极位置。因为这台机器是在一个使用步进电机，因为它们比servo10便宜电机。但是，使用正确的直线运动部件，步进电机可以实现进行切割槽切割所需的准确度操作。对于高精度应用，Glikin（2009）建议使用丝杠。直线运动控制系统，即导螺杆，通常需要一个更高级别的组件复杂性以及提供更高的订单精度（Cleaveland，2002）。导螺杆是延伸长度的螺杆工作区域，由步进电机控制。一个螺母，附着在负载上被移动，螺纹连接到导螺杆上并且移动螺杆的长度取决于旋转方向。导螺杆有各种各样的螺丝样式和线程类型，并应适当选择每个人应用。例如，ACME型导螺杆提供更高水平的与球相比，准确度还具有相对低的重复性因素滚子式导螺杆。 ACME螺母往往会随着时间的推移而大量磨损更高的维护。如果不治疗，重复性和重复性的显着损失准确率可以发生（Glikin，2009）。对于这个应用，机器要求高分辨率以及高重复性，因为它需要生产每次结果。没有这个准确性，将会发生差异乐器。滚筒式导螺杆提供最高水平准确性，重复性和分辨率（Glikin，2009）。这些特点是优先考虑应用，但不幸的是ller型铅螺钉是三种设计中昂贵的，这违反了经济可行性的限制。在这些导螺杆中，球型导螺杆是用于自动缝纫机切割机的x轴控制的最适合的导螺杆。球形导螺杆具有滚子式导螺杆的精度，但价格更接近于ACME导螺杆（Glikin，2009）。另一种更便宜的线性运动形式是齿条和齿轮机构。齿条齿轮通过将已知为小齿轮的齿轮齿轮与步进马达的轴联接起来。然后将小齿轮配合到直齿轮架上，并且当步进电机在任一旋转方向上被激活时以直线方式操作。高精度系统可以提供可靠的零零间隙线性运动（Stock，2010）。在理想的情况下，通过提供相反或谐波力来实现运动，可以使用两个步进电机来更高精度地操作齿条 - 齿轮系统。当工作停止时，两个较小的步进电机可以产生更强的保持力矩，而轴是静止的，通过预加载步进电机的旋转方向相反。当一起工作时，步进电机可以实现最快的加速，减速，甚至保持更恒定的速度（Stock，2010）。库存（2010）还表示，增加齿轮比可以使机械设计人员调整其直线运动轴线，以实现更高的效率和更精确的性能。对于这一应用，齿条齿轮提供了最佳的性能。另外，为了简单的设计和维护操作，选择了齿条齿轮。该机的y轴部件需要稳定，但不需要x轴的精度。 y轴只需要行走长度就可以完全穿过木板，然后返回到它的重新定位。因此，不需要精确的控制，通过限位开关的反馈来控制运动。根据Hahn（2001）的观点，应该选择线性运动技术的选择，以便不必要地增加不必要的控制形式的预算。 Hahn（2001）提出，直线运动控制的最低成本类型是气动执行器的形式。由于y轴将仅延伸到其极限，因此缩回，气缸将作为y轴的控制机构就足够了。为了使机器与外部资源保持隔离，气缸显示出使用现有内部真空供应器进行操作的能力。通过线性载体轴承由两个平行的精密接地支架支撑在支架上的支架开槽锯。平行于导杆放置的气动执行机构用作使锯片穿过木板材料所需的机械力。

图2。1以下详细介绍了锯架的圆柱体位置。将气动执行器放置在支撑锯的精密导向杆之间。这保持了设计紧凑，同时保持功能。

由Mills（2007）提供的简单的数学方程确定了气缸的适当尺寸和执行器操作的空气压力。米尔斯（Mills）（2007）概述了与y轴相似的设计，描述了两个并联精密杆支撑的负载，其中安装有气动执行器。

2．4步进电机

步进电机步进电机需要精确控制直线运动的x轴的龙门架的位置。 Sheets和Graf（2002）指出，步进电机的一些优点包括开环和闭环操作，位置误差可以归结为单步，其设计高可靠性。一些缺点是它们只能在固定的旋转角度下运行，并且为步进电机选择正确的驱动器可以使应用程序的有效性得到或破坏（Sheets＆Graf，2002）。Sheets和Graf（2002）也规定了对于预算是aconcern，步进电机与齿轮系统提供了一个可靠的预算友好的运动解决方案。

步进电机有所谓的相位。相位是指步进电机可以运行的每转可能位置的数量。一般来说，步进电机的阶段越多，变得越准确（McComb，1999）。四相步进电机由四个绕组组成。通过激励绕组的组合来定位轴，从而导致不相关的运动。来自提供给绕组的每个能量脉冲的旋转量被称为步进角，其范围可以从90度到小至0。9度（McComb，1999）。 McComb（1999）说，例如，“具有1。8度步进角度的步进电机[电机]必须脉冲200次，以使轴转一整圈”（第65页）。这个角色将步进电机耦合到齿条和小齿轮系统时，重要的是要注意，因为轴的旋转必须转换成与齿轮直径成比例的直线距离。可以看出，通过增加步进电机中的相数可以提高分辨率，因为每度的步数迅速增长。步进电机的每个阶段都有提供能量相位的电线。然后将这些电线连接到与个人计算机（PC）连接的步进电机控制器，或者在本文的情况下，连接到可编程逻辑控制器（PLC）。

2．5反馈回路

反馈回路确定反馈回路可以为机器提供更精确的控制。步进电机通常使用开环控制来提供步进电机位置的当前位置的反馈。闭环控制系统提供位置反馈以验证是否发生了正确的运动。

一种形式的位置反馈以线性变差变压器（LVDT ）。第二次世界大战期间，LVDT首先被用于工业环境（“LVDT的历史”，2010年）。通过在包含三个线圈的圆柱形壳体内移动时，通过测量由磁芯材料产生的可变交流信号来进行LVDT操作。中心线圈用作初级线圈，而两个外部线圈提供由动态磁芯产生的方向偏差信号（Titus，2010）。核心材料通常附着在机器的移动部件上，而圆柱形壳体保持静止。通过芯的运动产生的这种变化的交流信号用于计算在任一方向上行进的距离。 LVDT的一个好处是它们提供了非常精确的线路放置测量，精确的分辨率小于1mm，在指定的行程长度上为plusmn;0。25％误差（Titus，2010）。 Bartos（2001）指出，LVDT通常设计用于短途旅行应用。一个简单的市场调查得出结论，对于这种应用而言，具有3行程的LVDT将仅仅超出整个项目的预算。

下一个最可行的替代方案是光学旋转编码器的形式。编码器的最基本形式是增量编码器。增量编码器通过生成方波输出进行操作，只能用于在单个方向上提供相对位置。然而，正交增量编码器可以提供相对的原始位置，以及用于方向指示的两个通道的方波输出（Bartos，2000）。每个完整的旋转位置标记计数，而另外两个通道提供可用于确定旋转方向的偏移方波，以及跟踪旋转角度。根据Gyorki和Monnen（1999），增量式编码器产生的方波是通过使用光源检测盘上的“交替不透明或透明段”（p。186）来创建的。由这些段产生的脉冲信号产生编码器的方波输出（Gyorki＆Monnen，1999）。光学编码器的更高级版本被称为绝对编码器。使用多个光源分别计数了大量的同心轨道，每个轨道由可变间隔的段组成。

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