Как подключить лазер к 3D принтеру
Текст видео
В этом видео речь пойдет про то, как научить 3D принтер Anycubic Mega Pro вырезать детали лазером по траектории. Информация, содержащаяся, в этом видео также будет полезна для тех, кто хочет установить лазер на какой-то другой 3D принтер.
В обзоре лазера на этот принтер я рассказывал про штатные возможности лазера этого принтера. Теперь я хочу рассказать, что будет, если попытаться выйти за их приделы. В частности этот принтер умеет выжигать изображения в BMP формате, на разных материалах. При этом лазер двигается построчно. Такой способ перемещения неудобен для вырезания деталей. Он долгий и не оптимальный, нет возможности сделать несколько проходов. Гораздо интереснее научить этот принтер вырезать детали по линии реза, так как это должно быть. Про это и пойдет речь в этом видео.
Есть много способов, как достичь этой цели. Я буду перечислять разные способы и сам остановлюсь на одном из них. Вам, возможно, понравятся какие-то другие.
Я перепробовал много разных решений и обработал много разной информации, вместить ее всю в одно видео не представляется возможным. Остановлюсь только на главном и интересном.
Вначале я хочу посмотреть, как выглядит электрический сигнал, с помощью которого принтер управляет работой лазера. А заодно посмотреть какие GCODE команды при этом выполняются принтером. Для этого я буду использовать популярную программу Repetier-Host. Эта программа показывает, какие GCODE команды выполняет принтер в реальном времени, а так же позволяет выполнять произвольный GCODE.
Подключил принтер к компьютеру. На экран выводятся GCODE команды, которые выполняет принтер.
Лазер в этом принтере, подключается вместо нагревателя хотенда, по двум проводам. К ним я подключу осциллограф, а вместо лазера резистор на 240 Ом.
Выставляю мощность лазера на 100%. Запускаю выжигание полностью черной картинки. В логе команд не видно ничего интересного. Видимо, выжигание реализовано как процедура и GCODE она не исползает.
Осциллограмма получилась вот такой. Частота ШИМ сигнала 41 Гц. Амплитуда 12 вольт. Но есть одна странность. При 100% мощности лазера эта осциллограмма должна быть прямой линией, а она заполнена лишь на 2/3. Т.е. при выжигании лазер не работает на 100% мощности.
Самая большая сложность для меня заключалась в том, чтобы найти GCODE команду для включения хотенда.
Есть ряд команд, которые могли бы это сделать.
M104 S200 включает нагрев до 200 градусов и при этом не блокирует выполнение остального кода. Она могла бы подойти, но не подходит потому, что если температура не будет повышаться после ее выполнения, то возникнет ошибка и выполнение кода остановится.
Другая команда M42. С помощью нее можно подать ШИМ на любой пин котроллера. Я пробовал ее запускать с разными параметрами, чтобы включить кулер или хотенд или хотя бы что-то, но данный принтер ее игнорирует.
На команды M3- M5 принтер не реагирует так же. Но это не удивительно. Они появились в Marlin 2.0.x, а на этом принтере стоит Marlin 1.1 дополненная кодом для выжигания BMP картинок.
В документации по марлин написано, что если у нас не Marlin 2.0, то лазер лучше подключать вместо кулера и управлять его работой через команды M106 и M107. Похоже, ничего другого не остается. Команды M106 и M107 этот принтер выполняет без проблем. Это команды для включения кулера на хотэнде.
На этот принтер нет исходников прошивки, а они могли бы решить массу проблем. Если попытаться поставить стандартную Марлин, то она, скорее всего не заработает, а функция выжигания БМП картинки будет утеряна.
И так первое решение, к которому я пришел это включить лазер вместо кулера хотенда.
Я прозвонил всю проводку этого принтера и составил схему. На ней можно найти, куда идут разные контакты от материнской платы. Сами провода на ней не нарисованы, но подписано где что есть на разных разъемах. Чтобы ее составить мне понадобился весь день. Надо сказать схема электропроводки этого принтера местами весьма странная. Например, TX RX сигнал от сенсорного дисплея подаются на концевики оси Y, датчик поверхности на хотэнде подключен параллельно терморезистору, а в проводах зеленого разъёма идущих на хотенд есть два контакта, которые никак не используются.
Напомню, что у этого принтера есть два зеленых разъема. Один для 3D печати, а второй для выжигания лазером. При переключении на лазер зеленый разъем хотенда нужно отключить, и включить вместо него зеленый разъем лазера.
Чтобы включить лазер вместо кулера хотенда достаточно переставить один пин на разъеме лазера вот отсюда, вот сюда. Теперь лазер можно будет включить командой M106. Но если запустить вырезание по GCODE сейчас, то возникнет ошибка. Она возникает потому, что термодатчик хотенда не подключен. Исправить это очень легко.
Нужно подключить вот к этим пинам что-то вместо термодатчика. Например, можно переставить вот эти два пина, с основного зеленого разъема на разъем лазера. Контакты термодатчика все равно сдвоенные. Можно подключить резистор сопротивлением 82 кОм. Пины для него можно взять вот отсюда. Эти провода не используются и потому Можно вытащить целых четыре пина, с двух сторон зеленого разъема. Можно так же использовать терморезистор с запасного хотенда и подключить его к этим пинам, или припаять к пинам зеленого разъема хотенда провода и подключить их к этим пинам. В общем, неважно как, но сюда нужно подключить резистор на 82 кОм.
Подключать лазер напрямую вместо кулера это самое простое решение, но у него есть недостатки. Посмотрим, как выглядит осциллограмма сигнала управляющего кулером.
Я буду пробовать выполнять команду М106 с разными параметрами, а на экране осциллографа можно увидеть, как меняется сигнал. В параметре S задается заполнение ШИМ модуляции. 0 это отсутствие сигнала, 255 полностью заполненный ШИМ, 128 ШИМ заполненный наполовину.
Видно, что даже с параметром S255 ШИМ не превращается в прямую линию. Дело в том, что в марлин можно установить ограничение на максимальную скорость кулера и такое ограничение не даст установить ШИМ больше этого значения. Это ограничение задается в момент компиляции и программно его не обойти.
Данный, ШИМ заполнен уже больше чем ШИМ при выжигании картинки. Здесь среднее значение напряжения уже 8,8 вольта, а там было 8,2. Значит, лазер, подключенный к этим контактам будет выдавать на 7% больше мощности, чем в случае со штатным подключением.
Частота отличается. Здесь она 30 Гц, а там была 41 Гц, по-моему, это не критично.
Интересно, какая потребляемая мощность этого лазера. Это не сложно проверить. Я подключу лазер к блоку питания постоянного тока и замерю ток.
Ток получился примерно 0,65 А. Потребляемая мощность примерно 8 ват, а мощность лазера 1,5 Вата.
На материнской плате этим каналом управляет транзистор S8050. Он маркируется как J3Y. Придельный ток через коллектор этого транзистора 0,5 Ампера, а ток через лазер 0,65 Ампер. Он не сгорает видимо потому, что это 0,5 Ампера для 25 вольт, но все равно такая нагрузка для него, на мой взгляд, слишком большая. Он может выйти из строя, а может и не выйти. Его лучше усилить, либо заменить на более мощный. Например, на SS8050.
Я выбрал вариант с усилением этого компонента. Поскольку это NPN транзистор, то для его усиления проще всего использовать п канальный мосфет. Например, IRF5305. Схема усиления в общем виде выглядит вот так. В этой части изображено то, что уже есть на материнской плате. Вот два пина с ШИМ сигналом для кулера. А с права мосфет который, позволит подключить более мощную нагрузку. Надо понимать, что при этом произойдут некоторые незаметные, но важные изменения. Раньше постоянное напряжение было на плюсовом проводе, а транзистор периодически открывал минусовой. Сейчас минус становится постоянным контактом, а мосфет будет периодически открывать плюс.
Если в эту схему добавить электролитический конденсатор, то можно будет скомпенсировать, то, что программно не удается сделать ШИМ со 100% заполнением. В этой схеме конденсатор заряжается, когда на него поступает напряжение, и разрежается через вот этот резистор, когда напряжения нет. При этом нужно, чтобы он не успевал разрядиться ниже напряжения открытия мосфета. Тогда на выходе мосфета получится постоянный сигнал, без каких либо пульсаций. Брать конденсатор слишком большим не стоит, иначе мосфет будет оставаться открытым дольше после того, как ШИМ сигнал исчезнет, и лазер будет продолжать выжигать, когда он уже должен был выключиться. Подходящие номиналы конденсатора и резистора буду подбирать опытным путем с помощью осциллографа. Это самый точный способ.
Если вы хотите просто получить сигнал с большей мощностью, а не сделать его постоянным при появлении ШИМ сигнала, то из этой схемы нужно убрать конденсатор.
Эту схему так же можно использовать для подключения более мощного лазера, как с конденсатором, так и без. Они обычно подключаются по трем контактам. На два из них нужно подать постоянное напряжение, а на третий импульсный сигнал по плюсовому проводу. Эта схема как раз производит такой сигнал из сигнала по минусовому проводу. Только на выход надо будет подключить резистор для защиты лазера номиналом примерно на 1 кОм.
Конечно, это странновато, аппаратными средствами решать программные ошибки. Обычно все бывает наоборот. Такие сложности возникают потому, что для этого принтера нет исходников прошивки.
Можно протестировать отдельно, как будет себя вести конденсатор с резистором подключенные к контактам кулера.
Буду использовать вот такое подключение.
В качестве конденсатора буду использовать электролитический конденсатор на 10 микрофарад и 50 вольт. Резистор на 2,2 кОм.
Вот такой сигнал я получил на осциллографе. Видно, что напряжение не проседает ниже 4 вольт. Этого вполне достаточно чтобы усиливающий мосфет оставался всегда открытым, когда идет такой ШИМ сигнал. Это позволит использовать 100% мощности лазера и сделает резку еще быстрее и ровнее.
Если настроить триггеры на осциллографе, то можно поймать хвост сигнала. Т.е. тот момент времени, когда ШИМ на кулере исчезнет. Здесь меня интересует длительность этого хвоста до отметки примерно в 2 вольта. Это около 30 миллисекунд. Именно столько мосфет будет оставаться открытым после того как ШИМ сигнал пропадет. 30 миллисекунд это очень мало, от такой задержки качество резки никак не пострадает. После мосфет должен закрыться быстро. Такого плавного хвоста на выходе мосфета не будет.
Вот такая схема у меня получилась в итоге. На ней указаны все номиналы.
Каждый раз подключать лазер при резке неудобно. Поэтому я решил сделать из двух зеленых разъемов один. Переставлю пины лазера на место двух неиспользуемых пинов, а переключать режимы работы принтера буду с помощью галетного переключателя. Получается, что принтер может работать как 3D принтер. Это первое положение Галетного переключателя. Как Лазерный гравер, это второе положение переключателя. И в режиме резки по траектории. Это третье положение переключателя. При этом лазер будет включен на 100% мощности.
В качестве галетного переключателя буду использовать ПМ 3П15Н. У него есть три позиции и 15 групп контактов. Этого более чем достаточно. Группы контактов можно будет сделать сдвоенными.
Галетный переключатель было бы удобно расположить на передней панели принтера, но там для него не нашлось места. Поэтому расположу его вот здесь. Рядом с разъёмами.
Сверлю отверстие под переключатель.
Спаиваю электрическую схему.
Чтобы не запутаться, буду использовать разноцветные провода и вот такую схему.
Вот такой переключатель у меня получился в итоге.
Устанавливаю это все в корпус.
Я все, таки немного ошибся в конце. Перепутал два провода местами. Это стало понятным после того, как я начал позванивать схему. Исправляю свою ошибку.
Теперь нужно протестировать что, все работает как надо и ничего не сломалось. Посмотрю вначале на осциллографе, как выглядит включение лазера в режиме резки.
Сигнал стал прямой линией как я и хотел. Теперь лазер будет работать непрерывно в этом режиме.
Вот так выглядит начало сигнала на лазере, а вот так его конец. Хвост стал гораздо более вертикальным. Это хорошо.
Распечатаю шайбу, чтобы закрыть винты галетного переключателя.
В качестве теста резки по траектории вырежу наклейку на эту шайбу. Буквы Р Г П значат резка, гравировка и печать.
Наклеиваю наклейку на шайбу. Устанавливаю шайбу.
Поучилось вполне сносно. Благодаря, яркой наклейки переключатель будет заметный.
В этом видео я выяснил, что лазер штатном режиме гравировки работает лишь на 2/3 мощности. И исправил это, добавив режим резки.
Наверное, лазер проживет даже дольше, если на него подать постоянное напряжение, а не дергать его ШИМ сигналом. Проблем с охлаждением у него не должно быть.
Предложил вам различные схемы для подключения лазера так, чтобы им можно было управлять из GCODA. Эти схемы можно комбинировать, как вам будет удобней.
Полезные ссылки будут в описании под видео. Если я захочу, как то дополнить это видео, например если разработчики исправят что-то в прошивке или сделают команду для программного управления лазером, то я об этом тоже отпишусь в описании под видео.
В следующем видео расскажу, как сделать код для резки по траектории и проведу тесты вырезания.