Переход на 32 бита, но не только

Роман в пяти томах

Как я дошёл до жизни такой

Всё начиналось достаточно невинно — исчерпал ресурс ремень GT2.

Замена уже была, поставил и забыл?

Не, зуд улучшения проснулся и потребовал еды!

План:

1. Облегчить каретку

2. Упростить фиксацию ремней

3. Переделать обдув на менее громоздкий

4. Проложить провода к каретке более рационально

5. Сделать быстросъёмные HotEnd и обдув

6. Установить Volcano

7. Перевести ШД на 24В

8. Перейти на 32-х битную электронику

9. Защитить электронику от КЗ

10. Добавить аварийное отключение силовой части при сбоях

11. Облагородить кучу проводов

12. Разделить питание по типам и мощностям

13. Разделить электронику на 4 части:

• Питание
• Коммутация/индикация
• Контроллер с экраном
• Провода к каретке
  
  

Управляющая электроника

Ардуины стало не хватать. Экструдеры на x16 слишком грубы, на скоростях больше 120мм/с ардуина уже не успевает обрабатывать все шаговики и переходит в удвоенный режим, что означает снижение точности.

Добавим необходимость обрабатывать нелинейную экструзию и другие фишки, желание не перетыкать каждый раз SD для распечатки очередной модели и т.п.

Критерии были достаточно объёмными:

• 32 бита с плавающей точкой
• Озу не менее 64 кБайт, желательно больше
• Ethernet/WiFi
• Открытое, поддерживаемое и развиваемое ПО
• драйвера ШД с поддержкой SPI/UART/I2С для тонкой настройки и с хорошим микрошагом (128 или 256)
• Хорошая расширяемость (не менее 6 ШД, 4 нагревателей, 4 управляемых вентиляторов), лучше больше
  
  

Прошерстив интернеты выяснилось, что альтернативы, по сути, нет.

Reprap Firmware и Duet Ethernet/Duet Wifi.5 драйверов TMS до 2,4А на основной и плата расширения ещё на 5 + 2 внешних.

7 нагревателей, 8+2 вентилятора, 10 ендстопов, можно подключать расширение по I2C.

Выбор дисплеев 4,5,7 дюймов с тачскрином.

Хорошая вебморда (я бы сказал лучшая), неплохой интерфейс на экране.

Быстрая работа с SD и быстрая закачка через вебморду.

Печать с отдельного компа по usb/ethernet слишком ненадёжная, только SD. Для сложных случаев есть возможность подключить 2-ю SD

Поддержка разнообразных вариантов автолевелинга

Поддержка эндстопов филамента, в т.ч. и с определением проскальзывания.

Есть как фирменные платы, так и фирменный же китай, в 2 раза дешевле.

Напрягали запаянные драйвера, но отказов мизерное количество, драйвера хорошо охлаждаются.

Цена комплекта 2 платы и экран 7 дюймов ну совсем не как у ардуино, однако только 10 драйверов это 6-7 т.р.

Силовая часть

Блок питания 12В 20А уже был, докупил 25Вт-ные 5В и 12В и 250Вт 24В.

Почему так много?

Нагреватели 12В, переходить на 24В вроде смысла нет.

А вот сделать их гальванически развязанными надо, т. к. пробой термодатчика с последующим попаданием +12 прямо в процессор неприятно.

Управление нагревателями вывел на дискретные силовые ключи с опторазвязкой.

+ порочная практика удешевления за счёт распайки мощных мосфетов на основной плате приводит к их перегреву, толстым, длинным проводам и выгорающим разъёмам.

ШД на больших скоростях при 12В питании начинают просаживать момент где-то с 150-160 мм/с. С 24В просадка начинается с 300+ мм/с.

Вентиляторы на 12В, питаются отдельным БП, т. к. силовой на 12 развязан, а развязывать ещё и вентиляторы избыточно.

Кроватка уже была на 220В, работает хорошо, добавил 2-й SSR для отключения всей силовой части по сигналу PS-ON.

Электроника запитывается 5В, потом включаем PS-ON и включаем остальную часть.

Если происходит сбой и нагреватели не реагируют на программное выключение питания — выключается все питание силовой части.

Коммутация

Попечатав ( и помучившись с подключением и переподключением) год, понял, что тянуть провода сразу к управляющей плате неудобно. Нужна промежуточная точка коммутации.

Опять же, дети растут, особенно младшая всё стремится потыкать пальчиком, поэтому провода должны быть закрыты от случайного прикосновения.

Разместил все соединения в 3-х коробочках спереди, выведя на них и индикацию напряжения на линиях питания и отображение управляющих сигналов.В первой коробочке коммутация 220В (2 твёрдотельных реле общего включения (SSR1) и управления нагревателем стола (SSR2), а также индикация работы БП 5В, 12В силовое, 12В вентиляторы и 24В.

Во второй коробочке коммутация первичных управляющих сигналов от мозгов:

• Нагреватель обдува
• 2+2расширение нагреватели сопел
• 3 вентилятора (Хотэнд, экструдеры и обдув модели)
  
  

На отдельной плате расположены 3 силовых твёрдотельных реле постоянного тока (самодельных). С возможностью расширения до 6-ти.

В третьей коробочке осуществляется коммутация силовых и и сигнальных линий со шлейфами на каретку и другие компоненты принтера.

Индикация и защита

Каждый сигнал управления снабжён светодиодным индикатором и системой защиты от КЗ.

Система защиты от КЗ сделана следующим образом:

Между управляющей платой (по линии -) и нагрузкой (вентилятор или силовое твёрдотельное реле) установлен резистор 10Ом 0.5Вт.

При штатной работе ток до силовых реле 20-30 мА, до вентиляторов до 100мА.

В случае КЗ ток через резистор не превышает 1.2-х ампер при максимальном постоянном токе MOSFET на плате от 4 до 60А.

Т.о. при КЗ MOSFET остаётся целым, а резистор быстро сгорает как предохранитель.

Использовать предохранители нельзя, т. к. импульсный ток разрушит MOSFET до срабатывания предохранителя.Каретка

Т.к. все снимать, то решил сделать облегченную и уменьшенную площадку для крепления хотэнда с интегрированными держателями ремней.

Для быстрозаменяемых элементов каретки (блок обдува, хотэнд) использовал цилиндрические военные разъёмы. Они надёжны, не раскручиваются от вибраций, легки и имеют до 3 ампер на

контакт при +60).Для связи между кареткой и блоком коммутации использовал плоский кабель 0.127х10.

Потребовалось 3 кабеля (обдув, нагрев сопел, датчики) и 1 4-х жильный плоский телефонный кабель для 2-х дополнительных термодатчиков.

Таким образом на каретку идут следующие сигналы:

1. Термистор обдува

2. Вентилятор обдува

3. Нагреватель обдува

4. 4 датчика PT1000 на сопла+1 резерв

5. 4 нагревателя сопел

6. Вентилятор хотэнда

7. Термистор Тхотэнда

8. Термистор Ткаретки (резерв)

Кабель с сигналами датчиков температуры дополнительно заэкранировал фольгой. Заводские экранированные плоские кабели существуют, но стоят как чугунный мост и под заказ.Для силовых сигналов (нагреватели) используется парные провода. Общий -12 силовой счетверён.

Для плоского кабеля распечатал плоский канал и смоделировал дополнительные крепления к каретке и промежуточным точкам (ось Y). Всего потребовалось 34 сегмента.Кабель не греется и за счёт кабель-канала не перегибается.

Также усилил стол, добавив 2-ю пару линейных подшипников и раскосы от них к дальнему концу стола.Стол стал очень жёстким, исчезла раскачка конца при быстрых Z-перемещениях и дребезг сопла по стеклу при 0-й высоте и перемещении по XY.

В очередной раз модифицировал обдув, силиконовые носки на Volcano это прекрасно, но сильно затрудняют обдув. Пришлось вести трубочки с разных сторон прям к соплу.P.S. Силиконовые носки оказались не очень надёжными. На сопле с SBS, где температура 250-260, он за 3 месяца деградировал и разползся.

На сопле с АБС (230) — пока держится.



Монтаж

Для DuetWifi распечатал корпус. https://www.thingiverse.com/thing:2825560

Из всех вариантов этот, ИМХО, наиболее продуманный и удобный.

Обдув организован между плат, именно туда отводится всё тепло от TMS.

В собранном виде корпус достаточно компактен, но позволяет без инструментов его раскрыть и получить доступ к обоим платам.

Электронику расположил на дне и передней панели.

Получилась «стена», предотвращающая попадание посторонних рук куда не надо.Результаты

Работа проведена большая, переход с 8 на 32 бита вылился в 1,5 месяца работ и около 18 т.р. допзатрат.

Что получилось в итоге:

• Удобная в использовании система. Вебморда юзабельна даже с телефона, когда последний раз вынимал SD — уже забыл
• Файлы быстро можно закачать на принтер, скорость около 2 Мбайт/сек.
• ПО DuetWifi активно развивается, много возможностей, все настройки через G-code, что невероятно удобно (после Repetiera с изменением параметров через перепрошивку)
• За счёт возможностей ПО удалось победить недоэкстрзию на высоких скоростях, что позволяет печатать внутреннее заполнение до 180мм/с без ухудшения качества.
• Используя Pressure Advance, удалось сделать переходы линий при изменении скорости/направления гладкими, без пере/недоэкструзии из-за бодена.
• Последние 2 пункта есть и в 8-ми битных прошивках, но с их включением скорость становится ну совсем маленькой.
• TMS драйверы с регулировкой тока и кучей режимов сделали принтер очень тихим, позволили выжать ещё 25-30% момента с двигателей без их перегрева.
• Драйвера работают хорошо, не перегреваются. Встроенная функция контроля пропусков позволила настроить ток так, чтобы пропусков на реальных моделях не было.
• Перевод экструдеров на микрошаг 128 (1080 шагом/мм) сильно повысил точность дозирования пластика (рекомендуется не мене 800 шагов на мм, иначе экструдеры не отрабатывают с заданной точностью подачу пластика)
• Система имеет много ресурсов для доработки, уже внедрил ещё 1 ось для усовершенствованной вытиралки сопел с самоочисткой. Об этом отдельно расскажу.
• Имеется большой, живой форум с активными разработчиками и пользователями. Это большой плюс для тех, кто хочет выжать 100% от железа или реализовать новую фичу.