Измерение резонансов головки микрофоном

Уже несколько материалов есть по вопросу причин появления вертикальных полос на распечатанных кубиках.

Вот как например на этой картинке, часть которой скопирована с этого адреса

(придётся здесь немножко отойти от темы, для вычисления частоты. Согласно картинке, вертикальные полосы идут с определённым интервалом. Зная расстояние между ними и скорость движения, можно вычислить частоту. Расстояние между линиями одинаково, а скорость разная. Значит и частота с увеличением скорости должна пропорционально увеличиваться. В обсуждении по ссылке вычислили частоту 40гЦ.)

Вот эти 40Гц и поможет найти данная методика.

Большинство мнений сходятся на ремнях, приводных и зубчатых обводных роликах, главное зубчатых.

У меня тоже такое было на свежесобранных принтерах, но со временем полосы на распечатках исчезают. Видимо в течение 2-3х месяцев детали притираются и вибрации уходят.

Поскольку большинство механических резонансов находятся в слышимом диапазоне звуков, удобно будет снимать их с помощью обычного электретного микрофона 10мм, 5мм даже лучше будет.

Нужно лишь прочно закрепить его на каретке принтера при помощи простого печатного приспособления (или ином другом исследуемом узле) и соединить с микрофонным входом на ПК тоненьким кабелем. Провод при движении не должен ничего касаться, иначе шорохи от трения испортят картину. Отверстие делать не нужно - вибрации должны передаваться через корпус.

Снимать АЧХ  (Амплитудно Частотную Характеристику), а также осциллограммы удобно старенькой  программой SpectraLab, но вполне годится и обычный аудиоредактор Audacity имеющий функцию спектрального анализа.

Всё что нужно, нажать запись и подвигать кареткой.

И вот, что на примере принтера ZAVmini мне удалось измерить:

Моторы Nema17 38mm 1,8гр. Драйвера TMC2209, Пиковый ток 850мА. Ускорения 3000, джерк 12.

Красочно! Справа есть легенда, скорости движения. (желтый - это фоновый шум) Картинки можно открыть в новой вкладке для детального рассмотрения, в оригинальном разрешении в формате PNG.

Прошивка RepRap, в ней очень удобно и оперативно изменять режимы.

График перегружен, поэтому для удобства восприятия, следующими будут парные, по 2 скорости:

Скорость 40mm\c и 80мм\с

А что такое двигатель 1.8 градуса? 360/1,8=200 шагов на 1 оборот.

Смотрим на график и видим основную, самую громкую частоту 200Гц. Соответственно если скорость в 2 раза выше, и частота будет 400Гц. Но ведь там есть еще и гармоники низших порядков. Я думаю это результат работы микрошагового режима 1/16.

Что и видно на графике 200 - 100 - 50 Гц убывающим спектром. Смею предположить, что гдето там среди шумов есть и 25 и 12.5Гц. (Ради проверки этой теории я даже выставил полный шаг, то есть 1 к 1. И да, действительно связь с частотами 100 - 50 теряется. Но вибрации настолько сильны, что разглядеть зависимость почти невозможно.)

С этим понятно, основные вибрации дают моторы. Ремней не слышно, они наверняка есть, но тонут среди других шумов. А значит ими можно пренебречь.

Теперь хотел бы привести АЧХ работы моторов в режиме отключенной интерполяции. 

А здесь всё тоже самое в низкочастотной части, но лишь добавился тоненький писк. И отчетливо слышно его лишь до скорости 49мм\с. Скорости выше 50мм\с по спектру абсолютно идентичны режиму с интерполяцией.

Причем, чем ниже скорость, чем ниже и громче частота визга. Поближе:

Теперь своего внимания заслуживает режим SpredCycle, каков он в сравнении с тихим StealthChop.

Скорость движения 80мм\с. Синий - StealthChop, розовый - SpredCycle.

Желтый - StealthChop, мотор на удержании. Один из вариантов шума. Видно как он "шипит" словно чайник.

Не, ужасный режим. Категорически не для кинематики H-bot.

С АЧХ все ясно и понятно, но она не даёт ответа в динамике, что происходит в движении.

Для этого есть осциллограммы.

Но сперва, посмотрим на отличие АЧХ по различным ускорениям, от 500 до 5000 mm/s^2 на скорости движения 80мм\с

С понижением ускорений просматривается шлейф в сторону низких частот от основного пика. Это результат замедления.

И вот здесь, очень интересно посмотреть на осциллограмму момента остановки (впрочем момент старта тоже интересен). Картинки из программы audacity:

Остановка оси X со скорости 80мм\с, ускорение 500mm/s^2  после движения к краю на расстояние 50см.

Ну, кое что видно. Точнее не видно частоты собственных колебаний каретки. Слишком плавно останавливаемся.

Побыстрее, ускорение 5000mm/s^2:

И вот мы видим затухающие колебания,  их длительность 480мс, и период примерно 57-60мс. Зная период, знаем и частоту - величина обратная от периода 1/60*1000= ~ 17Гц. 

А это уже можно использовать в системе "Эхо-Подавления". И совершенно не нет необходимости печатать тесты чтоб вычислить частоту.

5000 это экстремальное ускорение, виден "удар". Поэтому мой оптимум ускорений 3000mm/s^2

Картинка для оси Х

А вот для оси Y несколько хуже, так как масса этой оси в несколько раз выше

Так еще картину усложнет положение каретки. У краёв собственные колебания минимальны, в середине максимальны.

Как видно, ускорения не влияют на частоту собственных колебаний системы. 

На это прямое и непосредственное влияние оказывает степень натяжения ремня, равно как и на длительность колебаний.

И здесь палка о двух концах. Чем сильнее натягиваем ремни - тем выше частота, но и тем дольше система "звенит".

Так что, оптимальна середина. Выявить её достаточно легко: На недотянутых ремнях будут видны нечеткие суносуидальные волны, на перетянутых - сильно увеличивается время колебаний.

Ну и картинка на закуску:

Результат включения вентиляторов.

- Самое громкое движение на скорости 60мм\с - красный.

- Включаем обдув зоны печати - синий

- Нагрваем хотенд, включается обдув радиатора - розовый.

- Включаем оба вентилятора на полные обороты и движемся на скорости 60мм\с - бирюзовый.

- Фоновый шум - оранжевый.

Как видно, шумы от двигателей тонут в шуме вибраций от вентиляторов. Монотонный полноспектровый шум.

А значит вибрацией от двигателей можно пренебречь - её вентиляторы перекрывают.

Итоговая распечатка простая, на скорую руку. Кубик из ABS 30 х 30 х 16 мм в 1 стенку без заполнения, каждые 4мм скорость увеличивается на 20, от 40 до 100мм\с.

Ускорения 3000, джерки 12. Углы перегрелись, но главное искать повторяющиеся вертиальные полосы на стенках. (угол освещения специально подбирал что проявить полосы, их нет.)

Так что, похоже дело вовсе не в двигателях, а может просто мне такие хорошие попались? - Или наверное приработались?!

А вот влияние джерков мне вообще ничем не удалось обнаружить, пробовал от 1 до 20.

В чём полезность данного метода?

- Точно и быстро настроить ускорения 

- Найти частоту резонанса для системы эхо-подавления

При этом не нужно тратить пластик и время на распечатки и последующий анализ тестовых кубиков.

- Оптимально натянуть ремни

- Подобрать самый "тихий" вентилятор_ы.

- Оценить влияние массы подвижной системы

- Выявить источник вибраций