Sơ đồ điều khiển và các bộ phận điều khiển trên máy in3d

Phần điều khiển.

Phần điều khiển có những nhiệm vụ là :

–    Cấp xung, điều khiển chuyển động của động cơ bước các trục chuyển động.

–    Điều khiển nhiệt độ đầu phun nhựa.

–    Điều khiển bộ tời nhựa.

–    Điều khiển quạt làm mát đầu phun, quạt làm mát sản phẩm.

Hình 1: Sơ đồ khối các linh kiện điện tử.

Vi điều khiển

Board điều khiển trong đồ án này nhóm quyết định sử dụng board Arduino Mega 2560 do board mạch dễ sử dụng ngay cả với những người không chuyên, sự phổ biến dễ tìm kiếm, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, phần cứng được kết nối dễ dàng.

Hình 2: Board Arduino Mega 2560.

Board mạch Arduino mega 2560 là board mạch vi xử lý được thiết kế nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Board mạch được xây dựng trên nền tảng vi xử lý ATmega 2560 8bit. Board mạch có 54 chân digital I/O, 16 chân analog input, sử dụng bộ tạo dao động 16Mhz. Có thể sử dụng nguồn thông qua cổng USB hoặc nguồn DC từ 6 đến 20V.

 

Vi xử lý	Atmega 2560
Điện áp hoạt động	5 V
Điện áp vào (khuyên dùng)	7 – 12 V
Điện áp vào (tối đa)	6 – 20 V
Digital I/O Port	54 (15 chân PWM)
Analog Port	16
Dòng điện trên các chân I/O	20 mA
Dòng điện vào	50 mA
Bộ nhớ Flash	256 KB (8 KB cho bootloader)
SRAM	8 KB
EEPROM	4 KB

 

Bộ dao động	16 MHz
Chiều dài board	101,52 mm
Chiều rộng board	53,3 mm
Khối lượng board	37 g

 

Bảng 1: Thông số board Arduino Mega 2560

Vi điều khiển có thể lập trình và flash code dễ dàng bằng phần mềm Arduino IDE. Có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ để lập trình. Nhìn chung ngôn ngữ lập trình của nó tương đối đơn giản và dễ hiểu ngay cả với người không chuyên về vi điều khiển. Phần mềm được dùng để flash code cho board Arduino Mega 2560 là phần mềm Arduino IDE. Phần mềm có giao diện trực quan, dễ sử dụng. Hệ thống thư viện và mã nguồn dành cho arduino mega khá lớn do đó thuận tiện cho quá trình sử dụng.

Kiểm tra lỗi, biên dịch chương trình

Hình 3: Giao diện phần mềm Arduino IDE.

Board kết nối

Để kết nối các thiết bị ngoại vi như driver, công tắc hành trình ta có thể nối dây trực tiếp vào board vi điều khiển, tuy nhiên với số lượng driver nhiều số lượng dây nhiều sẽ dễ kết nối sai dây dấn đến mạch điện ko điều khiển được và nặng hơn có thể dẫn dến cháy board arduino. Một điều nữa là khi số lượng dây nối quá lớn thì tính thẩm mỹ không cao.

Một giải pháp để giải quyết vấn đề này là sử dụng một board giao tiếp trung gian để kết nối giữa board vi điều khiển vào các thiết bị khác. Có nhiều board trung gian được phát triển hiện nay như RAMPS, Melzi, Generation ….

 

 Board RAMPS                          Board MKS

 

 

Mỗi loại board mạch đều có ưu điểm riêng, để lựa chọn một board mạch phù hợp cho công việc cần phải tính đến các yếu tố như giá thành, khả năng hỗ trợ của board mạch, khả năng mở rộng, sự tiện lợi đơn giản khi lắp đặt, sự phổ biến của board mạch. Kết hợp các yếu tố trên để có thể lựa chon board mạch cần cho máy. So sánh giữa các board kết nối thường dùng thỉ board RAMPS là board mạch có thể đáp ứng những yêu cầu trên

RAMPS là board mạch được thiết kế để kết nối các thiết bị điện cần thiết cho một máy in 3D với kích thước nhỏ gọn và giá thành rẻ. Board được thiết kế với các plug in có thể thể sử dụng với các driver cho động cơ bước và dễ dàng mở rộng. Các linh kiện trong board mạch có thể thay thế dễ dàng khi có hư hỏng. Board RAMS được thế kế để giao tiếp với board Arduino Mega 2560 với nền tảng mạnh mẽ và hỗ trợ mở rộng board mạch khá tốt. Board mạch dược thiết kế để dễ dàng kết nối và lắp đặt với các thiết bị khác.

Một số đặc tính của board RAMPS : Dòng điện cung cấp từ 12V – 24V. Điện áp 5A – 30A.

Tương thích với máy in 3D theo tọa độ Dercartes, robot delta. Có khả năng mở rộng để với các thiết bị ngoại vi khác.

3 mosfet cho quạt tản nhiệt và bộ gia nhiệt, 3 mạch điều khiển nhiệt độ.

Cầu chì 5A bảo vệ.

Cấp dòng cho bàn nhiệt lên tới 11A. Cung cấp 5 khe cắm driver.

Hỗ trợ điều khiển 2 tối đa 2 trục Z đối với các máy Prusa. Hỗ trợ LCD SD Card.

Báo tín hiệu bằng LED khi gia nhiệt. Có thể hỗ trợ kết nối servo.

Các chân I2C và SPI để thuận lợi cho việc mở rộng board mạch. Tất cả các chân mosfet đều được kết nối vào chân PWM.

Hỗ trợ kết nối USB chuẩn B.

Driver stepper motor

 

Một bộ phận không thể thiếu điều khiển động cơ bước đó là driver. Driver như là một mạch phân phối xung cho động cơ, làm nhiệm vụ cấp điện cho động cơ bước hoạt động. Có 2 loại driver được sử dụng khá nhiều trong các máy in 3D hiện nay là driver A4988 và DRV8825.

So sánh giữa A4988 và DRV8825.

Kích thước                           5×5 mm                               9,7×6,4 mm

Bảng 2: So sánh driver A4988 và Drv8825.

Driver A4988 có giải điện áp hoạt động từ 8 V – 35 V. Nhiệt độ tối đa 1500C.

Điện thế điều khiển 3,3 V – 5 V.

Dòng trung bình (RMS): 1 A, dòng đỉnh: 2 A.

5 Độ phân giải khác nhau: đủ bước, nửa bước, 1/4, 1/8, 1/16. Sơ đồ khối

Driver A4988 có chế độ lựa chọn vi bước khác nhau tùy vào 3 chân MS1, MS2, MS3. Tùy vào kiểu số chân MS nối với VCC khác nhau ta có thể điều khiển với các vi bước khác nhau.

 

MS1	MS2	MS3	Vi bước
Không nối	Không nối	Không nối	Đủ bước
VCC	Không nối	Không nối	Nửa bước
Không nối	VCC	Không nối	1/4
VCC	VCC	Không nối	1/8
VCC	VCC	VCC	1/16

 

Bảng 3: Thiết lập các chế độ điều khiển

Để nối các chân MS với VCC ta có thể cắm các jumper trên board RAMPS như hình vẽ.

Để sử dụng chế độ vi bước lớn nhất 1/16 ta kết nối 3 jumper vào board mạch.

Hình 6: Vị trí kết nối driver.

Công tắc hành trình

Công tắc hành trình là thiết bị phản hồi nhằm giới hạn hành trình chuyển động của máy. Board RAMPS hỗ trợ tối đa 6 chân cắm công tắc hành trình, một vị trí min và một vị trí max cho mỗi trục.

Đặc điểm của công tắc hành trình là nó là các tiếp điểm của nó có thể đóng hay mở khi các bộ phận di động của máy thực hiện một hành trình di động nhất định. Nếu công tắc hành trình dùng để chuyển đổi mạch ở cuối hành trình thì ta gọi là công tắc cuối hành trình. Tùy theo kết cấu công tắc hành trình có thể chia thành các loại: kiểu nhấn, kiểu đòn, kiểu quay, …. Trong đồ án này, sử dụng công tắc hành trình kiểu nhấn.

Công tắc hành trình luôn có 3 chân chân COM, chân NC, chân NO. Do đó cũng tương tự có 2 kiểu đấu dây công tắc hành trình là đấu kiểu NO và đấu kiểu NC.

Đối với kiểu NC: nối chân S trên board RAMPS với chân NC, nối chân (-) trên board mạch với chân C.

Đối với kiểu NO: nối chân S trên board RAMPS với chân NO, nối chân (-) trên board mạch với chân C.

Hình 7: Vị trí kết nối công tắc hành trình.

 

Màn hình LCD

Màn hình LCD có chức năng hiển thị tọa độ, các thông số và trực tiếp in ấn mà không cần phải thông qua kết nối với máy tính. Ở đây ta dùng module LCD 2004.

Cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt cho phép ta biết được giá trị nhiệt độ của đều phun nhựa, bàn nhiệt (nếu có), từ đó quản lý và điểu khiển được giá trị nhiệt độ này trước cũng như trong quá trình in. Board RAMPS hỗ trợ cho ta 3 khe cắm cảm biến nhiệt cho đầu phun nhựa và bàn nhiệt. Sử dụng 2 dây nối cho cảm biến nhiệt, kết nối vào bo mạch tại các vị trí T0, T1, T2 cho đầu phun 1, bàn nhiệt (nếu có), đầu phun 2 (nếu có).

Điện trở gia nhiệt

Điện trở gia nhiệt có tác dụng đốt nóng gia nhiệt cho cục nóng giúp cho nhựa nóng chảy. Điện trở gia nhiệt được kết nối vào cổng D10 trên board mạch RAMPS.

Hình 7: Vị trí kết nối cảm biến nhiệt và điện trở gia nhiệt.

 

Sơ đồ kết nối tổng quát: