3D принтер RepRap. Часть 4 - электроника

В этой статье речь пойдет об электронной части 3D принтера RepRap, а именно: о шаговых двигателях и драйверах для них, концевиках (endstops), управляющей плате, блоке питания и о том как всё это соединить между собой.

Шаговые двигатели

В движение RepRap приводится с помощью шаговых двигателей. Их вращение дискретно, то есть вал двигателя делая полный оборот последовательно проходит некоторое количество фиксированных положений (шагов). Т.к. размер шага известен, то такой двигатель очень легко заставить повернуться на нужный угол - нужно просто подать ему команду повернуться на количество шагов соответствующее требуемому углу. Возможность точного позиционирования избавляет от необходимости в обратной связи и сложных алгоритмах управления, а это делает шаговые двигатели очень удобными для использования в машиностроении. Для RepRap обычно используются двигатели которые совершают 200 шагов на полный оборот (т.е. один шаг равен 360 / 200 = 1.8 градусам).

В RepRap Prusa Mendel используется четыре шаговых двигателя для позиционирования каретки (по одному на оси X и Y, и два на ось Z), и один для подачи прутка в экструдер. В типичном варианте все используемые двигатели имеют форм-фактор NEMA17. Это именно форм-фактор (по сути - размеры двигателя), а не какая-то конкретная модель двигателя.

Шаговые двигатели используются биполярные (они, в основном, имеют 4 вывода). Можно использовать и униполярные, просто не задействовав лишние выводы. Подробнее об этом, и вообще о выборе двигателей для RepRap можно почитать здесь.

При выборе двигателя нужно обратить внимание на его момент удержания (holding torque). Для двигателей приводящих в движение каретку достаточно 1.4 кг*см (если верить RepRap Wiki), а для двигателя экструдера нужно минимум 4 кг*см.

Также нужно обратить внимание на то, какой ток потребляет двигатель, поскольку самый часто используемый драйвер шаговых двигателей - A4988 (да и A4983) имеет ограничение в 2А. Поэтому если двигателю нужен ток выше 2А, то в лучшем случае он просто не будет выдавать нужный момент. Напряжение особого значения не имеет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток.

Для перемещения каретки я использовал двигатели SY42STH47-1684B. Это биполярный NEMA17 двигатель с моментом удержания в 4.4 кг*см, рассчитанный на ток в 1.68А. Кроме того, это весьма популярная модель, и такие двигатели можно найти в местном магазине.
Для экструдера я взял двигатель еще мощнее, а именно - Kysan 1124090 с моментом удержания в 5.5кг*см и током 1.5А.

Драйверы шаговых двигателей

Для управления шаговыми двигателями обычно используется специальный чип - драйвер шагового двигателя.  Можно, конечно, попробовать обойтись и без него, и управлять двигателем напрямую с микроконтроллера, но такой способ потребует большого количества дополнительных деталей, и, в целом,  не эффективен. Кроме того, в специализированных чипах-драйверах есть уже готовая поддержка микрошагового режима. В микрошаговом режиме ротор двигателя может не только дискретно переключаться между шагами, но и "зависать" в промежуточных положениях между двумя шагами. Такой режим работы существенно увеличивает точность позиционирования, и, кроме того, уменьшает шум и вибрацию, присущие шаговым двигателям.

Обычно для 3D принтеров используют популярные драйвера шаговых двигателей - Allegro A4988 и A4983. Они поддерживают ток до двух ампер, и микрошаговый режим 1/16 (т.е. между двумя шагами имеется 16 дополнительных микрошагов, а для двигателя с 200 шагами это целых 3200 микрошагов на оборот). Чип A4988 поддерживает некоторые дополнительные возможности, такие как, например, встроенная система отключения при перегреве и "low current microstepping" (см. ниже) так что лучше брать его.

Но сами эти чипы слишком мелкие что бы их припаять руками, и требуют некоторую обвязку из резисторов и конденсаторов. К счастью, есть готовые модули для управления шаговым двигателем, например Pololu или StepStick. Я в своем принтере использовал чипы Pololu. Со StepStick нужно быть осторожным, поскольку, в отличие от Pololu, это не конкретный производитель, а скорее просто открытая инструкция по сборке. Реализация же, как и её качество, может очень сильно варьироваться.

Если у вас модуль на основе A4988 я бы рекомендовал обратить внимание на  эту статью. Если вкратце - для некоторых двигателей (в статье идет речь о двигателе с сопротивлением 1,65 Ом, и на моих двигателях описанная проблема также присутствовала) могут пропускаться микрошаги. Проблема и решение описаны в даташите к чипу в разделе "Low Current Microstepping". Собственно решение - пин ROSC должен быть закорочен на землю.  В модуле Pololu этот пин подключен к земле через резистор R4, его нужно аккуратно закоротить перемычкой.

При работе чип драйвера ощутимо нагревается, поэтому я бы советовал установить на каждый чип по радиатору, или организовать активное охлаждение. Я на каждый чип приклеил по небольшому радиатору на теплопроводный клей "Радиал".

Вообще нужно по одному драйверу на каждый шаговый двигатель. Но, несмотря на то, что двигателей в RepRap Prusa Mendel  используется пять - драйверов нужно четыре, т.к. два двигателя оси Z включены параллельно, и используют один драйвер.

Концевики

В английском языке это устройство называется endstop, а вот точного перевода на русский я так и не нашел, поэтому будем называть его концевиком, хотя правильнее было бы что-то вроде "датчик крайнего положения".

В простейшей реализации концевик представляет собой обычную кнопку, которая нажимается при достижении кареткой крайнего положения. Необходимость в таком устройстве возникла потому что шаговые двигатели лишены обратной связи - двигатель может повернуться ровно на N шагов (или микрошагов) по или против часовой стрелке, но сообщить свое текущее положение он не в силах. Поэтому перед каждой печатью принтер устанавливает каретку в начальное положение (условную точку с координатами (0, 0, 0)), а уже относительно неё рассчитываются остальные координаты. Для установки каретки в начальное положение принтер просто крутит двигатели в сторону уменьшения координат, пока не получит сигнал срабатывания от каждого концевика.

Обычно используются три концевика - по одному на каждую ось, для индикации начального (т.е. с минимальными координатами) положения. Можно поставить шесть (по два на ось, для индикации минимального и максимального положений), но особых преимуществ от этого я не вижу.

Существует два наиболее распространенных варианта концевиков - механические (по сути - просто кнопка), и оптические (срабатывает когда специальный флажок попадает в зазор между светодиодом и фоторезистором). Оптические концевики не содержат движущихся частей и более точны, поэтому предпочтительнее использовать их. Есть еще магнитные концевики, с датчиками Холла, но они не сильно распространены.

Более подробно о концевиках можно почитать здесь. Я для своего принтера сделал оптические концевики по вот этой схеме. Но если не хочется возиться с паяльником, как и все остальное их можно купить.

Блок питания

Обычно для питания принтера используют напряжение 12В. Для питания самого микроконтроллера нужно 5В, но он может питаться и от USB.

Самый простой и практичный вариант - обычный компьютерный блок питания. Его просто найти, он дешево стоит, и выдает нужные нам напряжения (12В и 5В, на самом деле есть еще 3.3В, но они нам не нужны). Что касается мощности - я бы советовал брать блок питания способный отдавать около ток 20А. Один только стол с подогревом требует 10-12 ампер, а еще двигатели, хотэнд, да и вентилятор для обдува модели рано или поздно установить придется. Я себе для RepRap купил блок питания мощность 400W. Заявленный максимальный ток для 12В у него 18А, и пока мне его вполне достаточно.

При использовании компьютерного БП есть небольшой нюанс - у него нет кнопки включения, т.к. предполагается что включать его будет компьютер. Эту проблему легко решить - обычно компьютерные БП включаются путем замыкания двух контактов 20-пинового ATX коннектора,  а именно PS_ON и GND.

Распиновка коннекторов ATX

Я для этих целей сделал перемычку из куска провода:

Перемычка для включения компьютерного блока питания

Но будьте внимательны, т.к. цвета проводов на разных БП могут отличаться. А некоторые блоки питания вообще не включатся без нагрузки (хотя, на самом деле, все БП не рекомендуется включать без нагрузки).

Более подробно о использовании компьютерного блока питания для RepRap можно прочитать здесь.

Контроллер

Вот мы и добрались до самого интересного, "мозга" принтера. Здесь под контроллером я подразумеваю плату (или несколько плат), которая непосредственно управляет работой принтера, а именно - крутит шаговые двигатели, управляет температурой хотэнда и стола, скоростью вращения вентиляторов.

На высоком уровне работа контроллера выглядит следующим образом - в его память загружается (обычно посредством USB-подключения к компьютеру, но можно использовать и SD-карты памяти) программа на языке G-code, описывающая всё что принтеру нужно сделать для печати модели, а контроллер эту программу выполняет, команда за командой.

Условно контроллер можно разделить на две части: "логическую" и "силовую". В качестве логической части обычно выступает микроконтроллер с простейшей обвязкой (чаще всего используют микроконтроллеры AVR, но есть варианты контроллеров и с ARM процессорами). Силовая часть содержит все что необходимо для управления мощной нагрузкой - драйвера шаговых двигателей, и, обычно, полевые транзисторы для стола с подогревом и хотэнда.

Вариантов контроллеров для RepRap очень много, вот здесь можно посмотреть на таблицу сравнения некоторых из них. Кроме наличия/отсутствия некоторых возможностей контроллеры также отличаются простотой сборки, например, тот же Generation 7 Electronics рассчитан на полностью самостоятельное изготовление, а, скажем, Smoothieboard сделать самому вряд ли удастся.

Я для себя выбрал RAMPS - RepRap Arduino Mega Pololu Shield. Фактически RAMPS это только силовая часть, а в качестве логической выступает Arduino MEGA (я использовал Arduino Mega 2560 REV3), сверху которой "бутербродом" устанавливается сам RAMPS.

Arduino, RAMPS и StepStick.

RAMPS можно собрать самостоятельно, что я сначала и хотел сделать, но прикинув стоимость деталей в розницу на ближайшем радио-рынке, стало понятно что дешевле обойдется купить уже готовую плату. На тот момент самой новой была версия RAMPS 1.4, её я и купил.

Основной причиной выбора именно связки Arduino+RAMPS в качестве контроллера послужила её большая популярность, на момент написания статьи это был, наверное, самый популярный и проверенный вариант.

Подключение

Теперь о том как всё вышеперечисленное соединить воедино. Для начала советую заглянуть на описание подключения в статье о RAMPS 1.4. Вот замечательная картинка оттуда:

Схема подключения RAMPS 1.4

А теперь по порядку.

Шаговые двигатели

Пины для подключения шаговых двигателей на RAMPS обозначены так - 1A, 1B, 2A, 2B. Пины 1A, 1B - одна обмотка двигателя, а 2A, 2B - другая.Что бы определить какой вывод двигателя куда подключать, сначала стоит заглянуть сюда, там есть описание выводов для популярных двигателей, возможно найдется и для вашего. Если нет - можно посмотреть в даташит по двигателю, или же измерить сопротивление между выводами - если два вывода принадлежат к одном обмотке, сопротивление между ними будет намного меньше, чем если бы они принадлежали к разным. Правильность подключения можно будет проверить на этапе калибровки - если при подаче сигнала двигатель не будет вращаться, или будет вибрировать - достаточно поменять два любых провода местами и попробовать снова (и так до достижения желаемого результата). О подключение шаговых двигателей также можно прочитать здесь.

Двигатели оси Z подключаются параллельно, к одному драйверу.

Концевики

На RAMPS предусмотрено шесть разъемов для подключения концевиков, их порядок следующий- X min, X max, Y min, Y max, Z min, Z max. Подключать концевики нужно соблюдая полярность. Если смотреть на разъемы концевиков со стороны разъемов питания RAMPS, то порядок пинов будет следующий - Signal, GND, +5V.

Термисторы

RAMPS поддерживает три датчика температуры, разъемы для них подписаны - T0, T1, T2. В T0 обычно подключают термистор хотэнда. А T2 я подключил термистор стола с подогревом. Полярность отсутствует.

Нагреватели

Разъемы для подключения нагревательных элементов подписаны D8, D9, D10. Резистор хотэнда я подключил в D10, а резисторы подогревающие стол в D8. Обратите внимание, что провода по которым идет ток для подогрева стола должны быть рассчитаны на ток минимум в 10А, в противном случае может оплавиться изоляция и произойти КЗ.

Питание

Для подачи питания в RAMPS предусмотрено два разъема - 12V5A и 12V11A. Вход 12V5A используется для питания шаговых двигателей, и нагревателей D9, D10. Вход 12V11A используется для питания нагревателя D8, к которому подключен стол с подогревом. Подключать, разумеется, нужно оба. Входы 12V5A и 12V11A лучше питать от разных выходов компьютерного блока питания.

Заключение

В подключенном виде контроллер выглядит примерно вот так:

Собранный и подключенный контроллер RepRap.

На этом этапе можно попробовать включить БП  розетку, правда ничего интересного не произойдет, т.к. на контроллере пока отсутствует прошивка.

В следующей (последней) части я расскажу о прошивке контроллера, калибровке и настройке принтера, программном обеспечении для 3D печати, а также постараюсь дать полезные советы по созданию моделей и улучшению качества печати.