Индуктивный датчик приближения

У Вас есть 3Д принтер или Вы думаете собрать/купить его, и не знаете о таком датчике? Срочно сюда!


Как обычно давайте сначала чуть углубимся в теорию.

Индуктивный датчик — бесконтактный датчик, предназначенный для контроля положения объектов из металла. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величины воздушного зазора.



В данной схеме мы видим катушку в составе колебательного контура, частота колебаний которого (и вытекающая из этого индуктивность) зависит от расстояния между катушкой и феромагнитным материалом. Измеряя индуктивность (или амплитуду колебаний) можно делать выводы относительно расстояния между катушкой и феромагнитным материалом.

Это принцип используется в индуктивных датчиках приближения. Упрощенная функциональная схема выглядит следующим образом. Генератор создает колебания в катушке, при изменении амплитуды колебаний выше (или ниже) порогового значения, срабатывает триггер и подает на выход логический ноль (или единицу, в зависимости от настроек).



1. Генератор создает электромагнитное поле взаимодействия с объектом
2. Триггер переключает состояние логического выхода
3. Комплексная защита защищает датчик от переполюсовки, помех по питанию
4. Ключевая схема создает выходной сигнал датчика
Такие датчики крайне широко используются в промышленности, например, в станкостроении, автомобильной отрасли и т.д.



Зачем такой датчик потребовался мне? Небольшая предыстория.
В свое время, году в 2011-2012 (за давностью уже точно не помню) на Kickstarter появился новый многообещающий стартап – 3Д принтер Makibox. Обещания были просто космические- за 200 USD (на секундочку, 2012 год!) полностью функциональный, отлично выглядящий и работающий 3Д принтер с подогреваемым столом. Доставку обещали включить в цену. Ближайшие доступные конкуренты тогда стоили около 800-1000 USD.



Выглядел он на фотках просто шикарно. Дальше началась вполне обычная для Кикстартера песня – срыв сроков поставки на год, повышение цены и т.д. Мне просто фантастически повезло, т.к. я был в первых рядах, то почти через 2 года с момента оплаты, я получил в первой и последней партии свой принтер за 350 USD (так подросла цена) с 4 катушками пластика (компенсация за «не помню что»). С учетом пластика получилось весьма недурственно. Затем фирма лопнула и тысячи вкладчиков остались ни с чем.

У меня даже сохранилось видео работы Макибокса. Ниже кадр первого запуска и первая деталь, которая даже не смогла допечататься.



Проблемы посыпались сразу и валом. Печатающая головка (hot end) намертво забивалась пластиком в течении первых пяти минут работы с гарантией 99%, через пару дней экспериментов накрылся экструдер (система подачи пластикового прутка), конструкция принтера была настолько непродуманная и хлипкая, что изделия гуляли и извивались во всех направлениях.

Надо сказать, что я все равно крайне был доволен тем, что ввязался в эту авантюру. Во-первых, я знал, на что шел. И в моем случае риск себя оправдал. А во-вторых, устраняя все огрехи конструкции, я досконально разобрался во всех аспектах и нюансах 3Д печати.

Печатающая головка был заменена на другую — E3D v.5. Экструдер напечатан новый, с жесткостью конструкции была проведена большая работа. И принтер начал печатать.

Но полностью устранить конструктивные просчеты было невозможно, а ходовые гайки из обычной пластмассы вызывали грусть, и понимание неизбежности скорого вырабатывания ресурса принтера.

И я решил собрать свой принтер. Технологию перемещения печатающей головки выбрал CoreXY.

Вертикальную подачу стола я хотел сделать обязательно на ремнях, чтобы исключить искажения геометрии детали вдоль оси Z (wobbling). Также в голове сидели мысли – как бы подойти к решению проблемы выставления стола принтера «в горизонт».

На горизонтальности стола надо остановиться поподробнее. Это имеет непосредственно отношение к теме обзора и супер важно для качественной печати. Обычно все столы крепятся через систему пружинной регулируемой подвески в 3-х или 4-х точках.



И перед печатью необходимо долго и упорно гонять печатающую головку над столом и, крутя винты регулировки, добиваться максимально одинакового и точно заданного зазора (обычно 0.2-0.3 мм), причем на горячем (80-90 градусов) столе. Задача не самая, по правде говоря, интересная и увлекательная, да и обжечься можно. А т.к. настройки из-за вибрации и нагрева- охлаждения регулярно сбиваются, то эту процедуру надо повторять периодически. Причем процедура крайне важная – не будет идеального зазора и «горизонта» — деталь не приклеится к столу частично или полностью, и значит отвалится при печати или будет ужас какая кривая.

Поиски и раздумья привели меня к open source (свободно распространяемой) конструкции SmartRap Core. Привлек меня в ней именно набор всех моих хотелок в одном флаконе: это и CoreXY, и вертикальная подача стола на ремне и герой нашего обзора – индуктивный датчик, используемый для калибровки стола.



Так как проект “открытый”, то существует большое сообщество энтузиастов, предлагающих всякие альтернативные улучшения и «фишечки». Посидев пару деньков над OpenSCAD, я определился с параметрами конструкции, распечатал необходимые детали, заказал недостающее в Китае.

Электроника, стол с подогревом, и шаговые двигатели взял с донора MakiBox. Дозаказать пришлось лишь 3 шкива под зубчатый ремень, собственно сам ремень, индуктивный датчик и несколько подшипников. Все влезло менее чем в 20 долларов.

И вот принтер собран.







Оптимизируя цену и конструкцию я погнался за двумя зайцами. Первый заяц – тишина. Я слышал как работают 3Д принтеры с линейными подшипниками – это громко. Они все же лязгают и для них нужны закаленные линейные направляющие.



И второй заяц, за которым я погнался – цена. Все же 12 подшипников и 6 осей стоят денег.

И надо сказать, что своих зайцев я догнал. В качестве осей взял незакаленные оси из разобранных струйных принтеров, 8мм в диаметре, а в качестве подшипников – выточил подшипники скольжения из маслонаполненного капролона. Оси из принтеров мне ничего не стоили, а на капролон я потратил 280 рублей и еще осталось на 3 или 4 комплекта. Работает механика практически бесшумно. Конечно с «песней» шаговых двигателей ничего поделать невозможно, но это меньшее из зол.





И наконец, герой нашего обзора. Фотку датчика отдельно возьму из сети, т.к. свой уже закреплен на 3Д принтере



И вот он на моем станке





Что делает индуктивный датчик? В прошивке 3Д принтера (я использую Marlin) есть раздел в котором описывается калибровка стола принтера. Можно указать 4 точки, в которых будет измеряться расстояние от датчика до стола.

Далее все очень и очень просто. Датчик проезжает по этим четырем точкам, опускает – поднимает стол и определяет расстояние между датчиком и столом. Растояние между столом и печатающей головкой в этих точках определяется как (Расстояние между датчиком и столом) – (Расстояние между датчиком и печатающей головкой).

Затем все эти величины учитываются прошивкой 3Д принтера, и начинается печать.

Так выглядит протокол обмена информацией в окне программы Repetier Host.



G28 – команда Homing (определение начальных положений по осям). Принтер гоняет печатающую головку до касания концевых датчиков осей
G29 – Это как раз Auto Leveling (Авто калибровка уровня). Проход по четырем точкам
Ниже результаты работы, расчет отклонения значений измерений четырех точек и необходимых поправок при печати.

И как водится, на самом принтере печатаем узлы для дополнительных компонентов. Напечатал держатель катушки с нитью.





И как всегда небольшое видео работы индукционного датчика и автокалибровки уровня стола принтера.



Резюме. Крайне недорогой прибор, который может серьезно облегчить жизнь владельцу 3Д принтера. Настоятельно рекомендуется к покупке.

Удачи и массы удовольствия от Ваших увлечений!