Tester pevnosti výtisků z 3D tiskáren

 

 

Popis výrobku

 

Výrobek slouží k měření pevnosti výtisků z 3D tiskárny, jejichž mechanické vlastnosti nezávisí pouze na vlastnostech materiálu tiskové struny, ale i na teplotě, tloušťce a rychlosti tisku, procentech vnitřní výplně, počtu perimetrů a řadě dalších parametrů tisku.

 

Tester je složen ze dvou částí spojených pomocí 8žilového kabelu zakončeného konektorem typu MOLEX: řídící části založené na komerční vývojové desce ARM Cortex M7 STM32F746NG s barevným dotykovým displejem a výkonové části namáhající testovaný vzorek. Testovací vzorek tvaru hranolu 45 x 4 x 4 mm se ohýbá pomocí excentru připevněného na sestavě motoru s převodovkou ze stěračů nákladního automobilu. Na výstupní hřídeli je dále připevněn spínací disk s 720 dílky, jehož pohyb je snímán pomocí optického enkodéru pocházejícího z inkoustové tiskárny, připevněného vedle motoru. Enkodér určuje polohu excentru s přesností na 0.5°. Vedle enkodéru je koncový spínač, jenž se sepne, když se motor dostane do výchozí polohy. Na řídící části je připojena výkonová a měřící deska s motorovým driverem ovládajícím motor a A/D převodník měřící proud protékající motorem, který odpovídá pevnosti vzorku.  

 

Krabička řídící jednotky je vytištěna 3D tiskárnou z oranžového PLA, úchyty výkonové části jsou vyrobeny z materiálu XT-CF20 s vysokou tuhostí (PETG s 20 % uhlíkových vláken).

 

 

 

 

Popis obvodu řídící desky

Deska je řízena mikrokontrolérem ARM Cortex M7 STM32F746NG (IC3), který je součástí komerční desky DISCO-STM32F746NG s 4,3´´dotykovým TFT displejem a dalšími součástkami (externí SRAM, flash, audio codec), které ale nejsou pro tento výrobek využity. Na piny této desky je připevněna podomácku vyrobená výkonová a měřící deska, která spíná chod motoru výkonové části testeru, měří proud motoru a načítá signály enkodéru odpovídající deformaci vzorku. Proud motoru odpovídá síle potřebné k ohnutí testovaného vzorku tlačným excentrem. Z pinů motorového driveru (L293E) (IC1) SEN1, SEN2, SEN3, SEN4 a s pomocí 10Ω rezistoru R1 je napětí odpovídající odebíranému proudu motoru vyvedeno přes RC filtr (R2-C7) do 22bitového A/D převodníku MCP3551 (IC2), který změřené napětí digitálně posílá přes zjednodušené dvoudrátové SPI rozhraní do mikrokontroléru IC3. Jako napěťová reference (2,5 V) A/D převodníku slouží ADR441A (IC4). Motor, který ohýbá testovaný materiál je ovládán pomocí motorového driveru L293E (IC1), který je spojen s mikrokontrolérem IC3 přes ochranné rezistory R6 a R7 a pull-down rezistory R3 a R4. Diody D1, D2, D4 a D5 slouží jako ochrana driveru před zpětným proudem z motoru. Svorkovnice K1 slouží k připojení optického enkodéru a koncového spínače. Napájení desky je provedeno externím zdrojem 5V / 2 A přes konektor ve stěně krabičky řídící jednotky, který dále napájí i hlavní desku mikrokontroléru přes ochranu proti přepólování a nadproudu tvořenou kombinací 1,1A polymerové pojistky FU1 a paralelně připojené rychlé diody D3.

Funkční schéma

 

Pájecí schéma na univerzálním řádkovém plošném spoji s roztečí 2,54 mm

 

 

 

 

Seznam použitých součástek

 

Kód	Typ	Hodnota	Funkce
C1	keramický kondenzátor	100 nF X7R	filtrace vstupu A/D převodníku
C2	tantalový kondenzátor	10 uF	filtrace napájení hlavní desky
C3	tantalový kondenzátor	10 uF	filtrace vstupu napěťové reference
C4	tantalový kondenzátor	10 uF	filtrace výstupu napěťové reference
C5	keramický kondenzátor	100 nF X7R	filtrace napájení driveru
C6	keramický kondenzátor	100 nF X7R	filtrace napájení driveru
C7	keramický kondenzátor	100 nF X7R	RC filtr A/D převodníku
C8	keramický kondenzátor	100 nF X7R	filtrace napájení A/D převodníku
C9	elektrolytický kondenzátor	100 uF	filtrace zdroje napájení
D1-D2, D4-D5	dioda	UF4007	ochranné diody motoru
D3	dioda	UF4007	ochrana proti přepolóvání
FU1	polymerová pojistka	RA110	ochrana proti nadproudu (1,1 A)
IC1	motorový driver	L293E	motorový driver
IC2	A/D převodník	MCP3551	A/D převodník pro měření proudu
IC3	mikrokontrolér	STM32F746NG	řídící jednotka
IC4	napěťová reference	ADR441A	napěťová reference A/D převodníku
K1	svorkovnice	ARK500/5	připojení enkodéru a tlačítka
K2	svorkovnice	ARK500/2	přívod napájení do řídící jednotky
K3	svorkovnice	ARK500/2	přívod napájení do obvodu
M	svorkovnice	ARK500/2	připojení motoru
R1	rezistor	10R	rezistor pro měření proudu z driveru
R2	rezistor	1k	RC filtr A/D převodníku
R3 - R4	rezistor	22k	pull-down vstupu do driveru
R5, R8	rezistor	1k	pull-up enable pinu driveru
R6-R7	rezistor	1k	ochrana vstupu driveru

 

Popis software

Po zapnutí výrobku zasunutím napájecího konektoru software vykreslí na dotykové obrazovce prázdný graf a tlačítko RESET či START, podle toho, jestli excentr je nebo není ve výchozí poloze (detekováno koncovým spínačem). Po doteku tlačítka RESET se excentr vrátí do výchozí polohy a potom se zobrazí tlačítko START. Při zmáčknutí tlačítka START se tlačný excentr začne otáčet a ohýbat testovaný vzorek, přitom každých 70 ms načítá proud motoru a přiřazuje k němu hodnotu deformace vzorku v mm vypočítanou ze signálu enkodéru a kalibrační křivky excentru. Hodnoty proudu a deformace se průběžně zobrazují v grafu. Měření se ukončí stisknutím tlačítka STOP nebo automaticky po otočení excentru o 180°. Po ukončení měření se v grafu zobrazí maxima proudu odečtená od základní úrovně proudu, v úsecích po 1 mm deformace. Nakonec lze stisknutím tlačítka EXPORT exportovat naměřená data ve formátu CSV do počítače pomocí USB kabelu. Stisknutím tlačítka RESET se data vymažou a excentr se vrátí zpět do výchozí polohy a celé měření může začít od začátku.

 

  

 

  

 

 

Program

Name	Size