32х битная плата управления для 3D принтера

Новая разработка от команды Pictor.tech

32х битная плата управления для 3D принтера на микроконтроллере STM32F4 с Российским графическим ЖК индикатором фирмы «МЭЛТ».

Динамически развивающиеся аддитивные технологии все чаще используются в прогрессивных производствах и все новое в этой технологии, как известно, приходит из-за границы – и это бесспорный факт. Имея значительный опыт в разработках электроники, мы решили внести свой вклад в развитие отечественных 3D принтеров, так как отсутствие Российских коммерческих плат управления с собственной прошивкой, — сдерживающий фактор для развития нашей отрасли производства специализированных промышленных FDM принтеров.

Проектируя свой вариант управляющей электроники 3D принтера, мы воспользовались всей производительностью и быстродействием 32-х битных микроконтроллеров и возложили на него не только функции чтения G кода и управление шаговыми двигателями, но и оснастили дополнительными важными функциями, которые открывают новые возможности в области 3D печати.

Из основных нововведений можно выделить пять главных особенностей нашего варианта электроники для 3D принтера.

1. Органы управления и меню

Интерфейс построен на базе Российского графического индикатора «МЭЛТ» с аналоговым джойстиком на датчиках холла. В панель управления встроены светодиоды навигации джойстика, указывающие на его активацию и возможные варианты отклонения. Все меню настройки и обслуживания принтера построено по типу простейших сотовых телефонов, где на части дисплея указывается функция дополнительных кнопок. Благодаря подобному принципу, управление принтером становиться предельно простым и интуитивно понятным. Отдельно следует отметить режим работы джойстика при перемещении осей X,Y,Z и движении филамента: от угла наклона ручки джойстика меняется скорость перемещения в реальном времени, что очень удобно и наглядно, особенно в 3D принтерах с большой областью печати.

2. Защита выходов

Вместо обычных мосфет для хотендов и вентиляторов применены интеллектуальные ключи. Это решение позволяет получить многоканальную электронную защиту нагрузок от короткого замыкания и перегрева, с обратной связью и с выводом диагностического кода неисправности на дисплей. Это повышает безопасность работы принтера, и помогает быстро установить причину поломки или остановки печати.

3. Обогрев камеры принтера

Дополнительный специализированный канал для подключения нагревателя. Более подробно об этом решении, а также вариант исполнения безопасного нагревателя камеры 3D принтера будут описаны в следующих релизах.

4. Интерфейс RS485

В плате также реализован интерфейс RS485 для подключения различных датчиков, устройств и механизмов (например, устройство смены стола, внешняя плата измерения температуры хотенда и управления вентиляторами, плата для подключения тензодатчиков, устройство смены катушек с пластиком). Также этот интерфейс позволяет упростить подключение различных печатающих, фрезерных и лазерных головок. Кроме того, RS485 интерфейс может применяться для интеграции принтера в технологический процесс производства.

Для справки: интерфейс RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи данных на расстоянии до 1200 метров.

5. Диагностика

Внедряя систему диагностики, основной упор делали на проверку цепей и состояние потребителей. Алгоритм внутренней диагностики позволяет не только производить защиту и отключение внешних устройств и механизмов, но и выводить эту информацию на дисплей и документировать эти случаи в памяти. Например, состояние термисторов (обрыв, замыкание на плюс, на минус), срабатывание защиты от К.З. ключей, их перегрев, и другие аварийные режимы. Это решение позволяет оперативно выявлять проблемы с печатью.

Аппаратная реализация процессорной платы

● На плате применены электронные компоненты с промышленным температурным диапазоном.
● Печатная плата из четырехслойного стеклотекстолита, спроектирована с учетом развязки всех аналоговых и цифровых участков схем.
● Силовые разъемы подключения сертифицированные, фирмы WAGO, с пружинным контактом CAGE CLAMP®. Это позволяет подключить провода быстро и просто и гарантирует отсутствие подгорания контактов, что повышает надежность печати и пожарную безопасность принтера.
● Входное питание разделено на три группы потребителей: к первой группе относятся питание микроконтроллера и вентиляторов, ко второй — питание нагревателей хотендов и питание драйверов шаговых двигателей, а к третьей — подогрев стола и камеры 3D принтера. Разделение потребителей на группы реализовано с целью защиты при пробое мощных mosfet и для внедрения режима энергосбережения (подключение дежурного источника питания к первой группе потребителей).
● Электролитические конденсаторы применены выводные, специальной серии с удвоенным ресурсом работы. Кроме того, на плате они отдалены от всех нагревающих элементов.
● Аналоговые (термисторы) и цифровые входы (EndStop, датчик расхода пластика, датчик сетевого напряжения), с многоуровневой защитой от статики и помех. Аппаратный USB также защищен супрессорной сборкой и фильтрами.
● Цифровые входы допускают подачу уровня входного сигнала как 3.3 В. так и 5 В.
● Цифровые выходы на Zprobe и Servo с уровнем в 5В.
● Дополнительное питание +5 В. в разъемах EndStop и датчика расхода пластика коммутируется интеллектуальным ключом с обратной связью, которая позволяет определять состояние короткого замыкания и перегрева. Кроме того, реализована возможность отключения потребителей, подключенных к этим разъемам, по окончании печати.
● На плате присутствуют дополнительный разъем UART для беспроводного удаленного управления и печати.
● Ключи на подогрев стола и камеры с максимальным коммутируемым током 195 А. (Rds 0.0015оМ). Кроме того, все ключи, вплоть до вентиляторов, управляются от драйверов MOSFET.

О внешнем носителе

Выбрали все-таки SD карты памяти в противовес USB флешкам. При выборе руководствовались тем, что SD выпускаются, в том числе, и в форм-факторе Industrial и помимо прочного корпуса, в последних доступных моделях память организована на ячейках SLC NAND Flash, и самое главное — они широко представлены на Российском рынке. USB Industrial имеют более скромные показатели, при сравнимой цене. А в купе с фирменным Push Pull сокетом для SD карты памяти — это решение является более надежным и безопасным для продолжительной 3D печати.

На кого рассчитана наша разработка?

В целом, наш проект будет развиваться двумя путями.
1. Стандартные комплекты плат с различными датчиками и дисплеями для построения 3D принтеров, с конфигуратором и с возможностью обновления ПО с SD карты памяти. Стоимость комплекта будет от 5000 рублей.
2. Совместная разработка с Российскими компаниями или людьми, для которых 3D печать – больше чем просто хобби, коммерческих принтеров с уникальными возможностями и функциями. При таком сотрудничестве, со своей стороны, мы готовы к передаче всех файлов для производства разработанных нами плат управления и исходников ПО.

На втором пункте остановимся подробнее.
Наша разработка, в первую очередь, нацелена на создание специализированных 3D принтеров. Например, для печати высокотехнологичными инженерными пластиками , поскольку очевидно, что это направление перспективное, а в этой нише рынка 3D принтеров Российские компании представлены очень слабо , хотя потребность в таких принтерах и изделиях, которые они могут производить для промышленности высока.
Также обосновано применение наших решений в 3D принтерах с большой областью печати, где важна надежность процесса печати. Например, создание аналога 3D принтера BAAM производства компании Cincinnati Incorporated

или аналога 3D принтера BigRep .

Ну и, несомненно, обосновано будет применение наших разработок в обучающих принтерах для детских кружков и школ, где важна простота управления, наглядность и самое важное – пожарная безопасность.

Наш пройденный путь и будущее проекта

На наш взгляд, изготовление платы управления, бесконечное написание ПО для микроконтроллеров — это только 50% возможностей электроники для 3D принтеров. Остальные 50% — это датчики, позволяющие повысить надежность и качество печати, и предоставить более полную информацию о самом процессе печати. Мы основательно подошли к этому вопросу, поскольку имеем большой опыт в тензометрии и разработке различного испытательного оборудования.

EndStop HPR Sensor (rev1)
EndStop HPR Sensor (rev1)

Наш первый продукт из датчиков — это EndStop на элементе холла, и он получился без сомнения очень интересным по своим точностным характеристикам (повторяемость срабатываний в 2..3 мкм) и надежности.

В будущем планируются к выпуску и другие датчики для выстраивания эффективной и надежной системы в целом.
На сегодняшний день, плата управления и дисплей — это только прототипы, апробация и наработка ПО, схемотехники и, в принципе, их уже можно использовать для сборки различных 3D принтеров. Самое главное- наши решения позволяют скомпоновать с минимальным потраченным временем любую плату управления, под различные технические задачи.

Отдельно хотелось бы остановиться на панелях управления — их будет несколько вариантов, и все нашего производства.
По порядку очередности выпуска:
1. Со стандартным энкодером, дополнительными кнопками меню (пленочная клавиатура) и Российским LCD.
2. С джойстиком на датчиках холла, дополнительными кнопками меню (пленочная клавиатура), светодиодами навигации джойстика и Российским LCD.
3. HMI цветные дисплеи диагональю 4,3 и 7 дюймов, собственной разработки с емкостной и резистивной сенсорной панелью управления.

PS. В рамках одной статьи очень сложно описать все наши наработки и достижения, поэтому в этой статье мы постарались отразить только основные, самые важные моменты касательно проекта.
Идеи и предложения по нашему проекту можно направлять на почту pictor.tech@ya.ru