Материал: Проектирование автоматизированной установки объёмной печати моделей

Сборку необходимо производить с высокой точностью, так как это напрямую влияет на качество печати.

Итого должен получиться корпус массой порядка 13,2 килограмм.

2.4 Разработка структурной схемы системы управления

По синтезированным в предыдущем пункте решения необходимо разработать конкретную структурную схему системы управления. Из данных предыдущего пункта ясно, что для обеспечения требуемого результата система управления должна выполнять следующие функции:

Управление приводом перемещения экструдера;

Управление приводом подачи пластика;

Управление нагревом пластика (поддержание требуемой температуры и давления);

Контроль безопасности процесса печати;

Обеспечение обратной связи с оператором;

Для реализации этих функций система управления должна содержать следующие элементы:

Контроллер;

Четыре шаговых двигателя;

Четыре драйвера для шаговых двигателей;

Три датчика начального позиционирования;

Датчики температуры и давления;

Нагревательный элемент;

ЖК-дисплей;

Клавиатура;

Система связи с ПК;

Датчики безопасности (корпусной и датчик пламени).

По данным из этого раздела формируется структурная схема системы управления. В ней указываются взаимосвязи между конкретными элементами системы и контроллером.

2.5 Выбор технических средств

Промышленностью выпускается большое количество различных средств автоматизации, имеющие различную производительность, параметры работы, сервисные функции и т.д. Как правило, производительности данных устройств достаточно для решения широкого класса задач управления.

Однако при выборе оборудования своё внимание должно уделяться достижению высокой точности при достаточно высоком быстродействии.

Требуемое техническое оснащение

Для обеспечения работы установки объёмной печати моделей необходимы следующие компоненты:

Контроллер, с USB интерфейсом и количеством дискретных выходов, работающих в режиме ШИМ не менее 8;

Четыре шаговых двигателя с количеством шагов на оборот не менее 200 и моментом удержания порядка 3кг∙см;

Четыре драйвера к этим двигателям;

Три высокоточных концевых выключателя для осей;

Концевой выключатель для дверцы;

Датчик пламени;

ЖК-дисплей с разрешением не менее 16х1;

Не менее четырёх клавиш для управления;

Нагревательный элемент, с возможностью управления от контроллера;

Датчик температуры для экструдера (порядка 200 градусов по Цельсию);

Датчик давления пластика в экструдере

2.5.1 Выбор контроллера

По готовой структурной схеме уже достаточно хорошо вырисовывается общая картина того как должна выглядеть установка, какие компоненты она должна содержать и какие функции выполнять.

Всякая современная система управления не обходится без программируемого логического контроллера - центра этой самой системы. Контроллер выполняет все логические и арифметические задачи, поставленные перед системой управления. Контроллер должен подбираться исходя из ряда критериев:

Достаточное количество аналоговых и дискретных портов ввода/вывода

Необходимая конфигурация платы контроллера

Необходимая производительность

Приемлемая цена

На основе структуры системы управления промышленный контроллер должен быть способен обработать следующие сигналы:

Дискретные входы

Опрос концевых выключателей на осях (3 входа)

Опрос датчика безопасности (1 вход)

Аналоговые входы

Работа с датчиком клавиатуры (1 вход)

Опрос датчика пламени (1 вход)

Опрос датчика температуры (1 вход)

Опрос датчика давления в экструдере (1 вход)

Дискретные выходы

Управление шаговыми двигателями (8 выходов и более, работающих в режиме ШИМ)

Управление нагревательным элементом (1 выход)

Аналоговые выходы

Работа с ЖК-дисплеем (2 выхода)

Итого необходимо четыре дискретных входа, девять и более дискретных выхода, четыре аналоговых входа и два аналоговый выхода.

Конфигурация платы должна содержать возможность прошивки и управления через USB-порт.

Так как требуется наибольшая из возможных производительность и при этом высокая точность печати, то контроллер должен обладать достаточной производительностью для того чтобы успевать обрабатывать сигналы с датчиков и мгновенно реагировать на них. Для этого потребуется контроллер с тактовой частотой не менее 12 МГц.

Исходя из выше сказанного, был выбран контроллер DFRduino Mega на Atmega 2560 (v2.0 Arduino совместим). Arduino Mega построена на микроконтроллере ATmega2560 и конвертере USB-UART на базе ATmega8U2. Плата имеет 54 цифровых каналов ввода/вывода (14 из которых может использоваться в качестве выводов ШИМ), 16 аналоговых каналов вывода, 4 UART, кварцевый генератор на 16 МГц, разъем USB, гнездо питания, колодка ICSP и кнопка сброса. Он обладает следующими характеристиками:

Рабочее напряжение: 5 В

Входное напряжение (рекомендуемое): 7-12 В

Входное напряжение (предельное): 6-20 В

Цифровые каналы ввода/вывода: 54 (из которых 14 обеспечивают вывод ШИМ)

Аналоговые каналы ввода: 16

Постоянный ток через вход/выход: 40 мА

Постоянный ток для вывода 3.3 В: 50 мА

ППЗУ (Flash Memory): 256 КБ из которых 8 КБ используется загрузчиком

ОЗУ (SRAM): 8 КБ

ПЗУ (EEPROM): 4 КБ

Тактовая частота: 16 МГц

Размер (ДхШхВ): 102 x 54 x 13 мм

Выбор пал на данный контроллер так как он обладает достаточным количеством каналов ввода/вывода (аналоговых, цифровых и цифровых обеспечивающих работу в режиме ШИМ) для подключения всех элементов установки а так же дополнительные каналы для развития устройства в дальнейшем, имеет USB-порт, обладает достаточной производительностью и удовлетворительной ценой.

Рисунок 2.2 - Внешний вид платы контроллера DFRduino Mega на Atmega 2560

2.5.2 Выбор электронных компонентов

Начнём выбор электрических компонентов системы управления по их значимости. автоматизированная печать контроллер

Первыми стоит выбрать шаговые двигатели и драйвера к ним. Двигатели нужно подбирать из следующих соображений:

Требуемый угол шага (или требуемое количество шагов на оборот)

Требуемая точность шага

Требуемая скорость вращения

Требуемая мощность (момент удержания)

Удовлетворительные габариты

Для установки потребуется 3 мощных двигателя с количеством шагов на оборот не менее 200 (1.8˚ шаг), погрешность шага не более 5%, момент удержания порядка 3 кг∙см и габариты порядка 45 мм3.

В данной установке будут использованы шаговые двигатели NEMA17, так как они компактны и обладают достаточной мощностью и скоростью для решения поставленных перед ним задач.

Рисунок 2.3 - Внешний вид шагового двигателя NEMA17

Двигатель NEMA17 обладает рядом характеристик:

Момент удержания: 3,4 кг∙см

Тип: Гибридный

Кол-во проводов: 4

Угол шага: 1,8

Длина 40мм

Сопротивление: 2 Ом/фаза

Напряжение 3,4в

Ток: 1,7 А / фазу

Габариты: 42x42x48 мм

Данный двигатель обеспечит требуемую точность позиционирования и достаточно большой момент для удержания позиции. Для привода перемещения экструдера необходимо три таких двигателя и ещё один для привода подачи пластика в экструдер.

Так как непосредственное управления этими двигателями достаточно накладно в плане программирования и для его реализации потребуется в два раза большее количество дискретных выходов, необходимо использовать драйвера шаговых двигателей.

В данной установке будут использованы драйвера шаговых двигателей Pololu на DRV8825.

Рисунок 2.4. - Внешний вид драйвера шагового двигателя Pololu на DRV8825

С шаговыми двигателями закончили. Далее стоит разобраться с оборудованием для экструдера. Здесь нам потребуется нагревательный элемент и датчик температуры.

Нагревательный элемент должен быть способен долгое время поддерживать температуру порядка 185˚-190˚ по Цельсию.

Для этих нужд подойдёт резистор 5,6-8,2 Ом, 5Вт. Но такой резистор можно разогреть до 250˚ и выше. Чтобы не допускать перегрева необходимо регулировать нагрев. Для этого потребуется датчик температуры, достаточно точный, чтобы уловить колебания температуры порядка 1-2˚ по Цельсию.

Для этих нужд будет использоваться термистор 100К.

Оба этих элемента крепятся в алюминиевом блоке с помощью теплопроводящего клея.

Так как резистору нужна мощность в 5 Вт, а дискретный вывод контроллера не способен выдать более 0,165 Вт, необходимо прямое питание нагревательного резистора от блока питания. А для обеспечения контроля за нагревом (включения и отключения в нужное время) используется модуль реле DFRobot. Его питающее напряжение - 5 вольт, и он способен коммутировать достаточную для наших нужд мощность.

Модуль реле управляется с дискретного порта контроллера.

Для определения начала координат используются бесконтактные путевые выключатели, которые определяют крайнее верхнее положение «кареток». Так как от точности определения начала отсчёта напрямую зависит точность позиционирования термоголовки в дальнейшем при печати, то для него необходимо использовать очень точные конечные выключатели (см. рисунок 2.6).

Рисунок 2.5 - Внешний вид модуля реле DFRobot

Точность срабатывания должна быть порядка 0,05 мм.

Будут использоваться концевые выключатели D5B фирмы OMRON - высокочувствительные концевые выключатели, срабатывающие от прикосновения, которые обладают следующими характеристиками:

Обнаруживает объекты в различных направлениях, срабатывает даже при приложении незначительного усилия

Порог срабатывания, составляющий 0,01 мм, обеспечивает высокую точность обнаружения

Позолоченные контакты позволяют коммутировать слаботочные низковольтные цепи

Высокая устойчивость к пыли, мелкодисперсным частицам, брызгам воды и масла (IP67)

Степень защиты IP67, допускается погружение в воду

Номинальный ток: 5 В=1 мА; 30 В=30 мА

Для слаботочных цепей10 мА

Индикатор срабатывания отсутствует

Рисунок 2.6 - Внешний вид концевого выключателя OMRON D5B

Данный концевой выключатель обладает высокой точностью и надежностью, защищён от попадания пыли и может быть легко закреплён в установке. Он подключается к цифровым каналам контроллера, запитывается от блока питания.

Для обеспечения внешнего контроля и вывода информации о процессе печати используются модуль ЖК-дисплея символьного 16x2 DFRobot (I2C) (А7 на схеме подключения) и датчик клавиатуры DFRobot (аналоговый) (А8 на схеме подключения).

Рисунок 2.7 - Внешний вид модуля ЖК-дисплея 16x2 DFRobot

Для возможности управления принтером без подключения его к ЭВМ необходима клавиатура. В установке будет использован датчик клавиатуры DFRobot.

Этот датчик клавиатуры DFRobot обеспечит нас пятью кнопками, задействовав при этом только один аналоговый вход контроллера. Данный модуль может быть легко подключен к Arduino-совместимому контроллеру через Плату расширения ввода/вывода DFRobot для Arduino.

Характеристики:

Напряжение питания: +5 Вразъем: 1-выход; 2-земля; 3-питание

Размер (ДхШхВ): 55 x 32 x 14 мм

Рисунок 2.8 - Внешний вид датчика клавиатуры DFRobot

Для обеспечения безопасности используются два датчика. Первый - концевой выключатель, закреплённый на дверце, срабатывающий при её открытии. Для этих нужд подойдёт механический концевой выключатель Baumer My COM A.

Так же вместо вышеописанных ЖК-дисплея и клавиатуры может быть использован модуль, включающий в себя оба этих элемента. Это плата символьного ЖК-дисплея и клавиатуры DFRobot.

Эта плата включает в себя две предыдущих. Она содержит ЖК-дисплей 16х2 (белые символы на синем фоне), а также пять тактовых пользовательских кнопок, кнопку сброса, и пять аналоговых разъемов для подключения датчиков или серво. Она поддерживает регулировку контрастности и подсветки ЖК-дисплея, а также функцию включения/выключения.

Для функционирования ЖК-дисплея используются порты D4, D5, D6, D7, D8, D9, D10, порт A0 используется для считывания состояния пяти кнопок, которые подключены к данному порту через делители напряжения.

Рисунок 2.9 - Внешний вид платы символьного ЖК-дисплея и клавиатуры DFRobot

Плата обладает следующими характеристиками:

Кнопка сброса;

Пользовательские кнопки: 5;

Аналоговые порты: 5;

Тип дисплея: символьный;

Разрешение дисплея: 16х2 символов;

Цвет дисплея: синий фон с белым изображением;

Напряжение питания: +5 В.;

Размер (ДхШхВ): 80 x 58 x 12 мм.;

Вес: 56 гр.

Рисунок 2.10 - Внешний вид концевого выключателя Baumer My COM A

И напоследок, для определения аварийной ситуации возгорания, внутри принтера устанавливается датчик пламени. Для этих нужд подойдёт датчик пламени DFRobot (аналоговый). Этот датчик пламени DFRobot может использоваться для определения открытого пламени или другого источника света с длиной волны от 760 нм до 1100 нм.

Обладает следующими характеристиками:

Спектр обнаружения: от 760 нм до 1100 нм

Расстояние обнаружения: от 20 см (4,8 В) до 100 см (1 В)

Рабочая температура: от -10 до +85 °C

Интерфейс: аналоговый

Напряжение питания: +5 Вразъем: 1-выход; 2-земля; 3-питание

Размер (ДхШхВ): 30 x 20 x 8 мм

Вес: 3 гр

Рисунок 2.11 - Внешний вид датчика пламени DFRobot

Существует также проблема, которая напрямую влияет на точность печати. Это проблема колебаний толщины линии, вследствие того, что поставляемый пластик (PLA 3мм в диаметре) имеет большую погрешность сечения (порядка 40%), вследствие чего, если подавать его в экструдер с определённой постоянной скоростью, то погрешность толщины линии будет разной всякий раз как меняется бобина с пластиком. Во избежание этого можно использовать пластик меньшего сечения (1.75 мм), но это лишь немного снизит погрешность. Однако есть возможность контролировать погрешность путём поддержания постоянного давления в нагревательной камере экструдера. Для поддержания этого давления необходимо менять скорость подачи пластика в экструдер. Для обеспечения возможности такого регулирования нужен датчик давления в нагревательной камере. Этот датчик должен обладать достаточной чувствительностью и устойчивостью к высоким температурам. Так же он должен быть компактным, чтобы была возможность поместить его в экструдер.

Для этого используется фольговый тензорезистор KFH. Он позволяет выполнять измерение давления при температуре от -196 до +250 градусов Цельсия. Фольга крепится на внутренней стенке нагревательной камеры с помощью клея PC-6.

Рисунок 2.12 - внешний вид тензорезистора KFH

2.6 Разработка электрической схемы подключений системы управления

Прежде чем начать разработку схемы подключений необходимо разобраться с особенностями подключения тех или иных элементов к контроллеру, и уже основываясь на этой информации разработаться схему.