Дерек Шульте: Планирование пути для 3D-принтеров

Jun 21, 2023

[Дерек Шульте] разработал и продает потребительские 3D-принтеры, и это дает ему хорошее представление о том, что ими движет. Его принтер New Matter MOD-t несколько отличается от 3D-принтера, который вы используете сейчас. Самое интересное, что он использует обратную связь с обратной связью и двигатели постоянного тока вместо шаговых двигателей, а также довольно мощный 32-битный процессор ARM вместо прославленного Arduino Uno, на котором работают многие принтеры.

Первый из этих вариантов означал, что [Дереку] пришлось написать собственное программное обеспечение для управления двигателем и планирования маршрута, а второй означает, что у него есть обработка для его резервного копирования. В своем выступлении он подробно рассказывает о том, как они пришли к созданной ими системе планирования пути и как именно она работает. Если вы когда-нибудь задумывались о том, как физическая печатающая головка с инерцией создает бесконечно острые углы, как указано в G-коде, этот доклад для вас. (Спойлер: это не нарушает законов физики, а навигация по кривой требует математических вычислений.)

Планирование пути происходит внутри самого 3D-принтера. Это то, что прошивка 3D-принтера делает с полученным G-кодом, превращая его в физическое движение моторов по осям X, Y и Z, а также экструдера. Хотя G-код универсален, он также нереалистичен: он определяет ряд точек в 4D-пространстве (экструдер, помните?) и скорости, необходимые для их достижения. Планирование пути сочетает в себе знания о возможностях управления движением физического принтера и пытается максимально приблизить конечный результат к G-коду, не занимая при этом вечность. Будучи интерфейсом между идеализированным G-кодом и реальным принтером, прошивка для планирования должна учитывать конструкцию самого принтера со всеми его физическими ограничениями.

Вы можете сделать свой собственный одноразовый 3D-принтер из анобтаиума, чешуи дракона и неоплачиваемого труда в виде годовых выходных. Но если вы хотите создать продукт, который будет продаваться широкой публике по разумной цене, он должен быть изготовлен из обычных деталей и надежно работать. Именно это побудило [Дерека] использовать двигатель постоянного тока с энкодером вместо вездесущих, тяжелых и относительно дорогих шаговых двигателей, которые используются в большинстве других 3D-принтеров. Использование двигателей постоянного тока в режиме обратной связи означало, что ни одна из «стандартных» прошивок принтера не работала — ему нужно было создать свою собственную. Вот так у нас и идет разговор о том, как добраться из А в С, за угол в Б, как можно быстрее и точнее.

Есть несколько способов превратить фрагмент G-кода, в котором говорится «идти на север со скоростью 50 мм/сек, а затем идти на запад со скоростью 50 мм/сек», в движение машины. Один из них — ехать на север на полной скорости, резко остановиться, а затем на полной скорости рвануть на запад. Именно это и делали самые ранние версии прошивки для 3D-принтеров DIY — результатом был шум, вибрация печатающей головки и ухудшение качества печати. Это были ужасные времена.

[Дерек] и планировщик пути в grbl выбрали следующее по сложности решение — движение с постоянным ускорением на каждом сегменте пути, что приводит к трапециевидным профилям скорости. На практике это работает достаточно хорошо и его легко вычислить. [Дерек] добавил в процедуру скругление углов: там, где G-код сказал, что нужно сделать острый угол, прошивка будет брать изогнутый угол, который достаточно близок, чтобы не выглядеть плохо, но также не требует замедления сопла. до остановки. Объединение этих двух вариантов — это, по сути, самое простое решение, которое может хорошо работать.

Соединение нескольких сегментов вместе — это следующий шаг, но он позволяет принтеру в конечном итоге остановиться, будь то в конце пути или из-за того, что пользователь нажал кнопку паузы.

Большинство 3D-принтеров с шаговым приводом работают в режиме управления с разомкнутым контуром. Прошивка приказывает драйверу шагового двигателя сделать десять шагов вперед и надеется на лучшее. Когда принтер пропускает шаги, слои смещаются друг относительно друга, и если у вас это случалось катастрофически в середине печати, вы знаете, почему это может быть отстой.