Подключение электроники Ramps 1.4 к 3D принтеру

На пути создания собственного 3D принтера у Вас могут возникнуть некоторые трудности, начиная от выбора комплектующих и заканчивая всевозможными проблемами, связанными с прошивкой. Для того, чтобы Вы смогли быстро и качественно собрать свой 3D принтер, мы решили поделиться своим опытом и знаниями. В этой статье пойдет речь о том, какую электронику лучше выбрать для 3D принтера и как ее подключить. Мы не будем затрагивать механическую часть проекта, а сосредоточимся лишь на электронной части. Если Вы хотите собрать сначала механику, то советуем почитать рекомендации по сборке принтера Prusa i3 Steel. Надеемся, данная статья будет Вам полезна! Поехали!

Выбор управляющей платы

Выбор управляющей платы

Первое с чем следует определиться — какую именно управляющую плату приобрести. Выбор немаленький:

И это далеко не весь список. Так что же выбрать?

Если Вы новичок, и этой Ваш первый 3D принтер, то мы рекомендуем самое бюджетное и довольно хорошее решение — связка Arduino Mega 2560 + Ramps 1.4. В свое время именно на этой управляющей  плате мы сделали свой первый принтер и были довольны.

Почему именно она?

Во-первых, это самое недорогое и простое решение, которое позволит осуществить вашу задумку!

Во-вторых, в интернете Вы найдете очень много информации о том, как и куда подключать эту электронику, как прошивать и т.д и т.п.

В-третьих, Ramps 1.4 поддерживает два экструдера (можно печатать, как одним цветом, так и двумя), к ней можно подключить нагревательный стол (для возможности печати ABS пластиком), есть дополнительные свободные пины, к которым впоследствии Вы сможете подключить дополнительные прибамбасы для принтера.

В-четвертых, модульная конструкция позволяет легко заменять испорченные детали, что позволит сэкономить немного денег.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели Nema 17

В 3D-принтерах движение кареток происходит с помощью биполярных шаговых двигателей. Они, как правило, имеют четыре вывода (с двумя обмотками), последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Поэтому вращение шагового двигателя (ШД) дискретно, то есть вал поворачивается на заданный угол. В 3D принтерах обычно используют двигатели, которые за один полный оборот совершают 200 шагов, а именно, один шаг равен 1.8 градусам.

Количество шаговых двигателей зависит от конкретной модели принтера. В проектах RepRap Prusa i2, i3, i3 Steel и подобных используются пять шаговых двигателей. Четыре двигателя позиционируют  каретку по осям X, Y и Z (один двигатель на ось X, один двигатель на ось Y и два двигателя на ось Z) и пятый двигатель необходим для экструдера (для подачи пластика).

Из большого разнообразия шаговых двигателей необходимо выбрать самые оптимальные. Двигатели бывают разных типоразмеров, так называемый форм-фактор. Для 3D принтеров RepRap, да и для большинства других принтеров, используют Nema 17.

При выборе шаговых двигателей также стоит обратить внимание на следующие два параметра: момент удержания и ток, который потребляет двигатель. Для двигателей, которые перемещают каретку, достаточно 1.4 кг*см (но лучше больше), а для экструдера минимум 4 кг*см. Для управления ШД используют драйвера A4988, которые имеют ограничение в токе до 2 А, поэтому двигатели нужно подобрать такие, чтобы потребляемый ток был меньше 2 А, в противном случае двигатель просто не будет работать на полную мощность.

Мы используем следующие шаговые двигатели: 17HS8401 или 17HS4401  током 1.7 А и моментом удержания 4 кг x см, их вполне хватает на подачу пластика и для позиционирования кареток.

Драйвера шаговых двигателей

Выбор драйверов a4988 и drv8825

Для управления ШД Вам понадобится специальный драйвер. Чаще всего для 3D принтеров используют драйвера A4988 или Drv8825. Драйвер A4988 поддерживает ток до 2 А и 1/16 шага, а драйвер Drv8825 поддерживает ток до 2.2 А и 1/32 шага. Если шаговый двигатель имеет шаг 1.8 градусов и за полный оборот совершает 200 шагов, то при использовании драйвера A4988 шаг станет 0,1125 градусов ( 0,05625 градусов для Drv8825) и за полный оборот он совершит 3200 шагов (для Drv8825 6400 шагов), что в свою очередь увеличит точность позиционирования.

Для каждого ШД необходим один драйвер, либо один драйвер на два шаговых двигателя, подключенных последовательно или параллельно (как для оси Z Prusa i3 Steel). Во время работы двигателей драйвера сильно нагреваются, поэтому обязательно установите на них радиаторы  и, по возможности, обеспечьте постоянный обдув вентилятором.

Нагревательный стол

Нагревательный стол MK2B

Если Вы хотите, чтобы Ваш 3D принтер печатал ABS пластиком или другими видами пластика, для которых требуется подогрев рабочей поверхности, то Вам необходимо приобрести нагревательный стол. Один из самых распространенных столов — MK2b, размеры рабочей зоны составляют 200 мм на 200 мм, а максимальная температура 120 градусов. Такой стол имеет четыре крепежных отверстия, с помощью которых его можно зафиксировать на платформе. Нагревательный стол MK2B можно подключить как к 12 вольтовому источнику, так и к 24 вольтовому, достаточно лишь припаять провода питания к соответствующим контактам.

Чаще всего столы делаются из текстолита, поэтому необходимо использовать дополнительно стекло (зеркало), так как при нагреве текстолит деформируется и поверхность будет неровная. Стекло фиксируется сверху  с помощью канцелярских прищепок или другими приспособлениями. Текстолитовый нагревательный стол MK2b+стекло можно заменить одним алюминиевым столом MK2b, он немного дороже, но в этом случае Вам не потребуется фиксировать дополнительно стекло. Алюминиевый стол греется дольше, но лучше держит температуру.

Термисторы

В 3D принтерах присутствуют нагревательные элементы (нагревательный стол и экструдер), температуру которых нужно контролировать. Для этих целей используется обычный терморезистор (термистор) или термопара.

 

NTC термистор 100 кОм

NTC термистор 100 кОм

Самый простой способ измерения температуры в 3D принтерах — это использование термистора. Список термисторов, которые можно использовать приведен тут. Мы остановились на термисторе, который имеет большой диапазон рабочих температур, а именно  NTC термистор 100 кОм 3950. Такой термистор можно приобрести в двух вариантах: с припаянным проводом и без, рекомендуем приобрести сразу с припаянным.

Если Вы хотите использовать термопару, то вам понадобится дополнительная плата, например ExtThermoCouple 1.0, или какая-нибудь другая плата на основе микросхемы AD597.

Концевые выключатели (endstop)

Концевые выключатели

Для того, чтобы каретка принтера могла «найти» свое крайнее положение, то есть точку отсчета (с координатами (0,0,0)) необходимо использовать endstop или, как их называют в России, концевые выключатели (концевики). Концевые выключатели бывают разных типов, но в основном используют следующие: механические, оптические и крайне редко магнитные.

Механические концевики представляют по сути просто кнопку, которая включается при достижении кареткой самого концевика. Они недорогие и поэтому самые распространенные. Механические концевики бывают в разных исполнениях, на некоторых присутствует светодиод, который загорается красным цветом при нажатии кнопки, на других светодиодов нет, и стоят они гораздо дешевле.

Оптические концевики срабатывают, когда специальная «преграда»  попадает в зазор между светодиодом и фоторезистором. Они более точные и надежнее, чем механические, но немного дороже, поэтому по возможности лучше поставить их.

Обычно на каждую ось ставится по одному концевому выключателю, который определяет минимальное положение. Максимальное положение задается программным путем (меняется в прошивке). Можно поставить на одну ось и два концевика, тогда они будут определять минимальное и максимальное положение, но особого смысла в этом нет. В итоге, всего Вам понадобится только 3 концевых выключателя (ось X, ось Y и ось Z).

Экструдер

Печатающая головка 3D-принтера называется экструдером (от англ. extrude – выдавливать). Название отражает принцип действия: печатающая головка выдавливает пластик через специальное сопло. В настоящие время появилось большое количество различных экструдеров, у всех свои плюсы и минусы. Исходя из нашего опыта, можем посоветовать хотэнд E3D. Оригинальные хотэнды e3D можно купить на сайте производителя. Мы используем не оригинальные, а клоны от китайских производителей, которые по качеству печати не уступают оригинальным, и стоят намного дешевле. Но следует помнить, что не все китайские хотэнды качественные, нужно будет поискать хорошего производителя. Также, e3D хотэнды при правильной эксплуатации очень редко забиваются и могут печатать практически всеми видами пластиков. При необходимости можно менять сопла разных диаметров, начиная от 0.2 мм и заканчивая 1.2 мм (Volcano).

LCD дисплей

Если Вы хотите автономно управлять Вашим 3D принтером, без компьютера, то вам понадобится дисплей. Самые распространенные и недорогие модели это:

Все они имеют встроенный разъем под SD карту, тем самым вы без проблем сможете запускать печать прямо с дисплея. RepRapDiscount Smart Controller самый простой и недорогой 4х строчный LCD дисплей с SD card reader и с встроенным поворотным энкодером. В отличии от дисплея Smart Controller,  Full Graphic Smart Controller имеет лучшее разрешение и отображает больше данных о процессе печати, но стоит немного дороже.

Блок питания

Обычно для питания принтера используют 12 В. Для этого понадобится источник питания напряжением 12 В способный выдавать ток не менее 20 Ампер.  С этим помогут справиться следующие блоки питания:

  1. Обычный компьютерный блок питания. Самый недорогой и простой способ, но потребуются дополнительные манипуляции. Блок питания стандарта ATX напрямую не подключить. Как включить компьютерный блок питания без материнской платы, можно почитать здесь или в других источниках.
  2. Самый предпочтительный для нас вариант — использовать блок питания для светодиодных систем. Он немного дороже, но с ним работать куда приятней. Все, что вам надо будет сделать — это прикрутить провода во встроенные колодки и все. Мы используем блок питания мощностью 350 Вт 12 В. При необходимости без проблем подойдет и блок питания на 24 В 350 Вт.

Подключение

После того, как все необходимые комплектующие выбраны и закуплены, можно приступать к подключению всех частей к Ramps 1.4. Для начала соедините плату расширения Ramps и Arduino Mega 2560. Тут ошибиться достаточно сложно. Необходимо все штырьки Ramps аккуратно вставить в соответствующие разъемы Arduino.

Обратите внимание! При установке платы RAMPS на Arduino возможно замыкание проводников нижней стороны платы Ramps на разъем USB arduino. Рекомендуется изолировать их друг от друга (например двусторонним скотчем), также можно «откусить» лишний припой с нижней стороны платы Ramps.

Подключение Arduino и Ramps

Подключение Arduino и Ramps

 

После того, как мы это сделали, получаем аккуратный «бутерброд», к которому можно начать подключать остальную электронику.

Ramps 1.4

Прежде чем приступить к подключению электроники к управляющей плате, необходимо посмотреть на схему. Можно зайти на сайт Reprap и в статье о ramps 1.4 ,посмотреть как все подключается. В интернете присутствует большое количество различных схем, вы можете выбрать подходящую вам.

Схема подключения Ramps 1.4 к электронике 3D принтера

Данная схема по сути ничем не отличается от других, поэтому вы можете пользоваться и другими источниками, результат будет один и тот же. Теперь давайте пройдемся более подробно по каждому пункту.

Подключение шаговых двигателей

На плате Ramps есть 5 разъемов для подключения шаговых двигателей и соответственно 5 разъемов для драйверов. Каждая ось подписана, что позволяет безошибочно подключить в соответствующий разъем. Пины для подключения шаговых двигателей на RAMPS обозначены так — 2B, 2A, 1A, 1B. Пины 2B, 2A — одна обмотка двигателя, а 1A, 1B — другая.

Подключение шаговых двигателей к Ramps

Так как мы используем шаговые двигатели Nema 17 (биполярные), то они имеют, как правило, четыре вывода (две обмотки). Чтобы определить какие провода соответствуют одной обмотке, необходимо их прозвонить (мультиметром), та пара проводов, которая будет звониться, соответствует одной обмотке, и эту пару необходимо подключить в пины 2B,2A, а другую пару — в пины 1A,1B. Также можно посмотреть datasheet вашего двигателя, там указаны какие провода относятся к одной обмотке. Дополнительную информацию о двигателях можно посмотреть на сайте reprap.

Стоит помнить, что иногда цветовые схемы проводов могут отличаться, поэтому самый проверенный и надежный способ для определения проводов одной обмотки — использовать мультиметр. Если вы неправильно подключите двигатель, то ничего страшного не случится, при подаче сигнала, двигатель просто не будет вращаться, или будет вибрировать (издавать характерные звуки).

Также стоит обратить внимание на подключение двигателей оси Z. Так как на ось Z необходимо два шаговых двигателя, то их можно подключить двумя разными способами:

  1. Параллельно — каждый штекер в своё гнездо, на плате ramps для оси Z предусмотрено два гнезда, поэтому проблем не возникнут. Это стандартное подключение к RAMPS, но могут быть проблемы с рассинхронизацией двигателей, если есть разница в сопротивлении обмоток двигателя.
  2. Последовательно, как показано на схеме. Последовательное подключение предпочтительнее, рекомендуем именно его.

Nema 17 ось Z

Для данного двигателя красный и серый провода – это одна обмотка, а желтый и зеленый – другая. Помните, что цвета могут отличаться, но суть одна и та же.

Подключение драйверов шаговых двигателей

Чтобы шаговыми двигателями можно было управлять, нужно поставить по одному драйверу на каждую ось и один драйвер на экструдер. Для этих целей на плате Ramps 1.4 существует пять разъемов, куда без проблем можно вставить драйвера.

Подключение драйверов к Ramps

Прежде чем установить драйвера шд, необходимо выставить микрошаг драйвера. Для установки микрошага драйвера пользуйтесь джамперами (перемычками), которые обычно идут в комплекте вместе с ramps.

Джамперы Ramps 1.4

Ramps 1.4 микрошаг

Перемычки установки микрошага на RAMPS 1.4 находятся под драйверами шаговых двигателей. Всего под каждый драйвер можно установить максимум три перемычки. В зависимости от того, сколько и в каком порядке вы их поставили, будет определяться, какой шаг выставлен.

Если вы используете драйвер шагового двигателя A4988 с минимальным микрошагом 1/16, то расположение перемычки берем исходя из таблицы:

Перемычка (Да/Нет)        размер шага
 1       2       3
 нет    нет      нет      полный шаг
 да     нет      нет      полушаг
 нет    да       нет      1/4 шага
 да     да       нет      1/8 шага
 да     да       да       1/16 шага

Большинство использует микрошаг 1/16 (все перемычки установлены), поэтому прежде чем устанавливать драйвера, устанавливаем все перемычки под все драйвера!

Если вы используете драйвер шагового двигателя Drv8825 с минимальным микрошагом 1/32, то расположение перемычек берем исходя из таблицы:

Перемычка (Да/Нет)        размер шага
 1       2       3
 нет    нет      нет      полный шаг
 да     нет      нет      полушаг
 нет    да       нет      1/4 шага
 да     да       нет      1/8 шага
 нет    нет      да       1/16 шага
 да     нет      да       1/32 шага
 нет    да       да       1/32 шага
 да     да       да       1/32 шага

Обратите внимание! На драйвере шагового двигателя DRV8825 подстроечный резистор располагается на другой стороне платы, по сравнению с A4988, поэтому обратите внимание на правильную ориентацию драйвера при установке их в разъемы плат управления.

После того, как все перемычки поставлены, можно приступать к установке драйверов, в нашем случае драйвера будут A4988. Так же сразу следует на каждый драйвер прикрепить радиатор (на фото не показано), это можно сделать либо с помощью термоклея или простым двухсторонним скотчем.

Установка джамперов на Ramps 1.4

Установка драйверов на Ramps 1.4

 

Обратите внимание! При неправильной установке драйвера, возможно его повреждение. Подстроечный резистор «смотрит» в сторону гнезда дисплея. Так же на самом драйвере и на разъемах ramps, все ножки подписаны, поэтому лишний раз перепроверьте.

Концевые выключатели

На плате ramps предусмотрено шесть разъемов для подключения концевых выключателей, их порядок следующий: X min, X max, Y min, Y max, Z min, Z max. Подключать концевики нужно соблюдая полярность. Если смотреть на разъемы концевиков со стороны разъемов питания RAMPS, то порядок пинов будет следующий: Signal, GND, +5 В.

Подключение концевых выключателей к Ramps 1.4

Подключение концевых выключателей к Ramps 1.4

Всего нужно подключить три концевика, min X, min Y и min Z. Остальные пины оставить свободными.

Обратите внимание! При подключении концевых выключаталей, самое главное не перепутать пины, то есть необходимо на концевом выключателе определить, какой из трех проводов отвечает за «Signal», «-» и за «+» и подключить в соответствующие пины на плате ramps. Если вы перепутаете, то велика вероятность, что при срабатывании концевика, Arduino выйдет из строя. Обычно на концевых выключателях идет следующая маркировка:

зеленый цвет — «Signal»

черный цвет — ««

красный цвет — «+«

Механический концевой выключатель

Также широко распространены 2-х проводные механические концевики, в данном случае «+» на плате ramps не используем и подключаем слудующим образом:

  1. Соедините контакт помеченный на плате»S» с контактом «NC» микропереключателя.
  2. Соедините контакт помеченный на плате «GND» или «-» с контактом «C» микропереключателя.

Концевой переключатель

Подключение термисторов

RAMPS поддерживает три датчика температуры, разъемы для них подписаны — T0, T1, T2. В T0 подключают термистор хотэнда, а в T1 термистор нагревательного стола. Полярность у термисторов отсутствует, поэтому подключаем как хотим.  T2 служит для термистора второго хотэнда, если у вас один хотэнд, тогда его не трогаем.

Подключение концевиков к Ramps

Подключение нагревательного стола и нагрева хотэнда

Разъемы для подключения нагревательных элементов обозначены D8, D9, D10. В D8 подключают нагревательный стол, а в D10 подключается нагрев хотэнда. В D9 подключают вентилятор для программной регулировки обдува печатающихся деталей, либо нагрев второго хотэнда (в зависимости от того, что укажете в прошивке).

Подключение хотенда и нагревательного стола 3D принтера к Ramps

Обратите внимание, что провода, по которым идет ток для подогрева стола должны быть рассчитаны на ток минимум в 10А. Мы используем провод сечением не менее 1,5 квадрата.

MK2B Pin 2

MK2B Pin 1

MK2B можно подключить как к 12 В так и к 24 В. На нагревательном столе есть 3 контакта помеченные цифрами 1, 2 и 3. В зависимости от того, какой источник питания вы хотите использовать (12 или 24 В) подключение осуществляется по-разному. Для 12 В:  контакт 1 припаиваем к «+»  и контакты 2 и 3 к «-».  Для 24 В:  контакт 1 не используем, контакт 2 припаиваем к «+»и контакт 3 к «-». В зависимости от того какой у вас источник напряжения, необходимо припаять провода к соответствующим контактам.

Подключение LCD дисплея

На плате Ramps есть специальный разъем для подключения дисплея, поэтому подключить любой LCD дисплей не составит труда.

Подключение LCD дисплея к Ramps 1.4

Для этого необходимо взять переходник, идущий в комплекте с дисплеями, и вставить в разъем платы ramps, как показано на картинке.Подключение LCD дисплея 3D принтера к RampsПосле чего взять два шлейфа и ими соединить между собой дисплей и ramps в соответствующие разъемы (на дисплее и на плате они подписаны как EXP1 и EXP2). Дисплей готов к работе.

Подключение LCD дисплея 3D принтера к Ramps

Обратите внимание! Зачастую при дальнейшем использовании вашего дисплея, на экране будут появляться «иероглифы», непонятные символы и тому подобное, для предотвращения этого можно сделать следующее:

  • дисплей крепить к корпусу не на металлические стойки, а нейлоновые (или на другие виды, кроме металла);
  • заземлить все платы;
  • перевернуть сетевую вилку;
  • подключиться к другой розетке;
  • и самое главное, каждый провод, идущий от дисплея к плате ramps, обернуть алюминиевой фольгой (фольги не жалеть!).

Подключение питания

Для подачи питания в RAMPS предусмотрено два разъема: 12 В 5 А и 12 В 11 А.

Подключение питания к Ramps 1.4

Нижняя пара, отмеченная «12 В 5 A»  для питания шаговых двигателей и нагревателя экструдера (D9, D10). Источник питания должен обеспечивать не менее 5A.

Пара коннекторов, отмеченных «12 В 11 A» обеспечивает питания нагревательного стола и второго выхода (D8), например для второго экструдера. Данный источник питания должен обеспечивать не менее 11A (Если оба входа питаются от одного источника, то он должен обеспечивать не менее 16A).

Если смотреть на разъемы питания (при отсутствии маркировки), то положительный контакт находится слева, а отрицательный справа.

Разъем питания в 5А не обеспечивает питание Arduino, питание будет обеспечено только при наличии напряжения в разъеме 11А.

Обратите внимание! При подключение питания, не перепутайте «+» с «-«, лишний раз перепроверьте!

Заключение

Когда все подключили и еще раз перепроверили, то можно подать питание на плату Ramps. Если ничего не дымит и не искрит, то можно приступать к записи прошивки на Arduino. Именно этим мы и займемся в следующей статье.

 Подключение электроники 3D принтера к Ramps