Расчет длины плеча 3d принтера дельта. Delta3D - Игровые движки - Файлы для игроделов - Создание игр. Подводные камни дельта-принтеров
Привет всем!
Возникла тут необходимость напечатать элементы интерьера, высота которых превышает 200 мм. А для всех моих прототипов - это потолок. Да и, честно говоря, не хотелось бы нарушать основной принцип, который называется "не мешай машине работать". Когда все настроено, идеально откалибровано и отлажено - меньше всего хочется разрушать отлаженный механизм. А желание освоения чего-то нового, неизвестного подсказывает, что, гораздо интереснее (хоть и затратнее) - сделать новый принтер с нуля специально для высоких принтов.
Тем более, что я давно мечтал дополнить свой фаб-лаб недостающей кинематической моделью дельта-принтера. Самый известный опенсорсный принтер с параллельной кинематикой называется Rostock. Его мы и попробуем освоить. Вернее, не сам росток, а его уменьшенную копию, которая называется Rostock mini.
Отличается он от своего старшего брата прежде всего размерами. Здесь применяется стол с подогревом от Printrbot"а. Его размеры 150х150 мм (против стандартных 200х200). Высота здесь тоже меньше, чем у Rostock и составляет около 200 мм (против 400 мм), но никто не мешает ее увеличить просто изменив длину направляющих. Для моих целей высоты печати в 300 мм будет достаточно, а габариты моделей впишутся в 150х150 мм, поэтому будем собирать.
Исходники для печати лежат на Thingiverse.com . Подетальная спецификация и процесс сборки также описан на сайте Reprap . В архиве с исходниками, помимо файлов stl для печати, лежат также файлы dxf для лазерной резки. Разработчики рекомендуют рамы вырезать из акрила толщиной 6 мм. Я решил сделать их металлическими и покрасить порошковой краской. Ищем знакомых на производстве, где есть лазерная резка и покрасочные камеры и заказываем детальку, которая называется frame.dxf из архива:
Это основа будущего принтера. Я решил сделать их из стали толщиной 2 мм и покрасить в черный цвет. Получилось неплохо, но лучше красить все-таки матовой краской, а не глянцевой, как сделали мне, иначе на черном цвете видны все прикосновения:
Дальше самая нудная и долгая часть мероприятия - печать всех необходимых для сборки деталей. К счастью, их не так много как в других принтерах - печать не займет очень много времени. К тому же дизайн позволяет сделать распечатку большим соплом (я печатаю 0,4 мм) и с максимально возможной скоростью. Единственное, без чего не обойтись при печати ABS пластиком - это стол с подогревом. Детали относительно большие и на холодном столе края обязательно отлипнут. Если есть возможность печати PLA пластиком, то можно попробовать и на холодном столе.
Первым делом я напечатал крепление моторов (их надо 3 штуки). Файл называется motor_end.stl и после печати выглядит вот так:
Вид с другой стороны:
Сразу после печати в детальку вставляем 6 гаек М3. Это очень легко сделать при помощи паяльника. Особенно, если посадочное место слегка "поплыло". После этого прикидываем все это дело на платформу:
Важно, чтобы посадочные отверстия идеально совпадали) К слову, перед тем как печатать такие большие детали, неплохо было бы проверить соответствие реальных размеров заданным на более простых деталях. Бывает, что калибровочные кубики вроде и неплохо получаются, а при более высоких принтах размер уходит. Вот.
Оно же с другой стороны:
Подшипники закрепляются при помощи пластиковых хомутов. Гайки М3 также паяльником сажаем на места. А вот винты М3 на картинке у меня вставлены неправильно. Должно быть как на этом фото:
Красная деталь в архиве называется jointx12.stl и служит для подвижной связи двух осей вращения. Так как эта штука будет вращаться и тереться обо все поверхности, то ее необходимо печатать из PLA. Если PLA нет - его надо будет чем-то заменить. Идеальным вариантом будет найти стержень из фторопласта подходящего диаметра и вручную просверлить отверстия (одно вдоль всей оси, второе по центру сбоку). Если неохота заморачиваться на этой детали - печатаем, чем есть, потом без труда можно будет заменить ее на более подходящий вариант. Главное - обильно смазать трущие поверхности силиконовой смазкой. Что-то мне подсказывает, что свой росток мини я буду собирать именно таким образом.
Следующая деталь у меня на очереди - это платформа, на которой будет находится печатающая головка (файл называется platform.stl). Выглядит она так:
После печати планирую собрать нижнюю часть принтера с моторами, направляющими и этой самой платформой. Тем временем запущу на печать деталь idler_end_1deg.stl (их тоже надо 3 штуки), при помощи которой можно будет собрать все остальное:
Пока платформа печатается - нарезаем направляющие в нужный размер. У меня это китайский каленый пруток диаметром 8 мм. Длина направляющих оригинального Rostock mini составляет 492 мм, что позволяет печатать детали высотой 192 мм. Разработчик предупреждает нас о том, что не стоит сильно увеличивать высоту печати, т.к. это значительно снизит жесткость конструкции. Нельзя не согласиться, поэтому после сборки всей конструкции надо будет подумать о том, как нам эту самую жесткость обеспечить. В оригинальном принтере Rostock автор решил эту проблему при помощи куска фанеры:
Честно говоря, мне этот вариант совершенно не нравится из-за эстетических соображений. В качестве альтернативы будем использовать вот такое решение:
Акрил в данном случае смотрится гораздо лучше.
Еще надо будет определиться с тем, где будет располагаться мотор экструдера. Да и вообще, какой экструдер использовать. У автора шаговый двигатель с редуктором, который крепится на нижней раме:
Моторчик очень достойный, в редукторе применяются металлические шестерни:
Беда в том, что этот моторчик стоит почти 3000 рублей с доставкой (из-за бугра, естественно). На всякий случай оставлю здесь ссылку на этот моторчик на ebay .
Видел в сети решения, где экструдер наподобие MK7 крепят прямо на летающей платформе. Очень интересно будет попробовать аналогичный вариант. У меня как раз есть двигатель, который почти ничего не весит, но обладает при этом очень приличным крутящим моментом. Про него я пораньше писал:
Придется провести немало тестов, чтобы убедиться в жизнеспособности выбранного решения.
Продолжение следует...
Среди различных конструкций 3D-принтеров наиболее удачной считается система «дельта». Ее кинематика имеет ряд преимуществ перед классическими 3D-принтерами с декартовой системой координат. Кроме того, дельта-принтеры выглядят интересно, а процесс их работы просто завораживает.
Проблемы декартовых 3D-принтеров и превосходство дельты
80% всех принтеров являются декартовыми. У них оси перемещения независимы друг от друга. Каждая отвечает только за свой вектор перемещения, просчеты для одной оси никак не могут повлиять на перемещение других.
Проблема декартовых принтеров заключается в слишком долгом перемещении из точки А в точку Б. Много времени уходит на разгон и торможение системы, прежде чем печатающая головка достигнет своей позиции. В итоге печать одной детали вместо двух часов может затянуться на четыре.
Конечно, можно повысить скорость перемещения, уменьшить время разгона и торможение, разогнав шаговые двигатели до более высоких скоростей и подкорректировав настройки в прошивке. Но электроника может не справиться с поставленной задачей, да и к тому же физику никто не отменял: детали головки слишком тяжелые, чтобы их вовремя ускорить или затормозить на больших скоростях, и поэтому головка просто не сможет резко разогнаться или вовремя остановиться. У двигателей появится пропуск шагов, это неизбежно приведет к смещению слоев детали.
У дельта-принтеров такая проблема отсутствует вовсе. При небольшой скорости двигателя головка движется максимально быстро за счет уникальной системы тяг. С такой конструкцией принтер производит печать на сверхскоростях, при этом затрачивает гораздо меньше усилий на перемещение печатающей головки.
Подводные камни дельта-принтеров
Оси перемещения у дельта 3D-принтера зависимы друг от друга. Небольшое изменение одной оси ведет к перемещению печатающей головки по всем трем координатам. Чтобы передвинуть головку хотя бы в одну сторону, нужно сделать расчеты по сложной формуле, которая должна учитывать всю конструкцию принтера, рабочую поверхность, длину тяг, габариты самого устройства и люфты.
Если вы решили собрать , готовьтесь к тому, что калибровка займет недели. Недостаток именно в настройке, так как малейший люфт или отклонение в геометрии конструкции вызовет серьезные искажения детали при печати.
Еще один недостаток дельты - это его габариты в высоту. Кроме выделенной области под печать часть объема принтера нужна для перемещения самой головки.
Немного слов об электронике Delta 3D-принтера
Поскольку дельта-принтер производит расчеты по сложным формулам, при его сборке вам придется побеспокоиться о хорошем контроллере. Для такого принтера желательно иметь 32-битную плату. Если взять обычную 8-битную, могут возникнуть проблемы при перемещении на длинные расстояния. Ресурсов вычисления будет катастрофически не хватать, и головка будет двигаться не по прямому, а по дугообразному пути. Помимо того, стоит побеспокоиться о точной - о том, как её выполнить, мы уже рассказывали ранее.
Несмотря на все недостатки, конструкция дельты считается наиболее удачной. Если правильно сделать геометрию, свести до минимума люфты и поставить хорошую электронику, вы будете радоваться своему самодельному принтеру очень долго.
Delta3D Open Source Game-Based Simulation Engine - это открытый игровой 3D-движок. Данный движок предлагает мощные возможности, качественный код и неплохой визуализатор. Это полностью специализированный игровой движок, подходящий для работы над различными проектами. Подходит для организации виртуальных тренировок для обучения, использования в образовательных проектах, визуального моделирования, реализации проектов для производственной и развлекательной сфер. Изначально движок разрабатывался для создания военных симуляторов армии США, но на данный момент на нём реализовано большое количество проектов из всех областей, включая и компьютерные игры.
Delta3D предлагает гибкий API с основными элементами и необходимыми возможностями для разработки трёхмерных визуализаций. Он может использоваться для создания игр, моделирования ситуаций и прочих графических приложений. Его модульная конструкция включает другие известные проекты Open Source: Open Scene Graph, Open Dynamics Engine, Character Animation Library, Open Audio Library, OpenAL и др.
Вместе с движком поставляется дополнительный инструментарий: игровой редактор, редактор частиц, различные вьюверы и пр. Основная цель Delta3D создание единого гибкого программного интерфейса приложений с базовыми элементами, необходимыми для всех приложений визуализации. Delta3D предоставляет целый ряд таких инструментов: Simulation для имитирования/симуляции, систему тренировки и обучения Training, игровой редактор Game Editor (STAGE), загрузчик и компилятор BSP Compiler, редактор частиц (дым, взрывы и пр.), просмоторщик моделей - 3D Model Viewer, HLA Stealth Viewer и т.д.
Программирование движка производится на языке C++ и скриптование на Python. OpenGL рендер поддерживает окружающую среду (облака, туман, скайбоксы, время суток, погодные эффекты). Рендеринг местности поддерживает бесконечные ландшафты. Поддерживаются 3D-модели в форматах: .3dc, .3ds, .ac, .dw, .flt, .geo, .ive, .logo, .lwo, .lws, .md2, .obj, .osg, .tgz, .x и т.д. Текстуры и прочая графика в форматах: .bmp, .dds, .gif, .jpg, .pic, .png, .pnm, .rgb, .tga, .tiff, .txp и т.д. Для звука - .wav. А также работает с архивами.zip.
Поддерживаются различные устройства управления: клавиатура, мышь, джойстик и т.д. Модели движений: Fly, UFO, Walk, Orbit, First Person и т.д. Поддерживаются различные режимы для камеры, полный контроль над 2D/3D-звуком и качественная работа со звуковыми фильтрами и устройствами.
Реализована физика, освещение, полная поддержка OpenGL 2.0 и GLSL Vertex и Fragment шейдеры. Имеется интеграция с Fast Light Toolkit (FLTK), поддерживается процедурное размещение растительности LCC. Проекты сохраняются в базы XML. Реализована сетевая система клиент-сервер, благодаря чему возможно осуществление многопользовательских онлайн проектов.
Движок является кроссплатформенным: неофициально работает на Mac OSX; официально поддерживается Windows (Microsoft Visual Studio) и Linux (GCC). Движок может использоваться на разных компиляторах. Распространяется Delta3D по лицензионному соглашению GNU Lesser General Public License (LGPL), а его некоторые отдельные инструменты по лицензии MIT.
Вместе с движком также поставляются различные полезные примеры, тесты и демонстрации, которые позволяют быстрее и нагляднее освоить работу с ним. Туториал Delta3D рассказывает не только обо всех аспектах работы с движком, но и описывает базовые элементы программирования на C++. Движок весьма популярен, поэтому технических материалов для его изучения более чем достаточно.
Официальный сайт: http://www.delta3d.org
Для моделирования работы дельта-робота в интернете есть различные ресурсы. Я пока предпочитаю делать расчетную модель ручками.
И так, из ТЗ установлены:
— область печати не менее 290 мм;
— высота печати не менее 300 мм.
Сразу хочется предупредить новеньких из тех, кто хочет область печати «побольсы!!! побольсы!!!» — задумайтесь.
Мне действительно необходима такая область печати (мелкосерийно необходимы наборы деталек, укладывающиеся как раз в диаметр 275 мм)
99% печатаемых деталей помещается в кубик размерами 150х150х120 мм, а бОльшие размеры можно прекрасно склеивать (свинчивать) из нескольких отдельно напечатанных деталей.
Теперь относительно высоты — с ней также нежелательно «разгоняться» до заоблачных вершин. В интернете классно выглядит ракета полметра высотой, но куда вы ее собираетесь запихивать девать? Места то в доме хватит? Излишняя высота дельта-робота существенно сказывается на жесткости рамы. Пока что самая высокая деталь, мной печатанная, ограничивалась 190 мм высотой. 300 мм высоты хватит для печати 99,9% деталей, хоть шлема Дарта Вейдера в полный размер.
Тем, кого до конца не убедил — посчитайте, сколько займет время печати в таком объеме даже соплом 0,8 мм и заполнением 15%. Ответ — несколько суток, любой сбой в течение которых ведет к новой печати или допечатке и склейке детали из нескольких кусков (технология прерванной печати пока что отработана не до конца и получается у единиц с пляской с бубнами, я же — ленивая жо… и не хочу этим заниматься, я хочу вставить карту памяти в принтер или отправить файл по ви-фи и нажать кнопку «Печать», а потом прийти и забрать готовое изделие). Пока же у меня самая длительная печать заняла 22 часа.
Не гонитесь за печатной областью, будьте реалистами. Для почти всех домашних поделок прекрасно подойдет кубик (или даже дрыгостол на рельсах и профиле) с областью печати 150х150х120 мм.
Продолжаем.
Теорию о дельта-роботах приводить не буду, если вы здесь, значит — 3D-Вики уже прочитали.
Такие слова, как ТЯГА , ЭФФЕКТОР , ХОТЭНД , СОПЛО и БАШНЯ в дельта-принтере должны быть уже знакомы и не вызывать удивления.
Приведу картинку, стянутую честно с Reprap.
Что за странные надписи здесь изображены?
Основных величин, нужных для математической модели нашего дельта-принтера, нужно 2 (и даже одна):
Radius на картинке.
В прошивке Marlin эта величина называется DELTA_RADIUS
DELTA_RADIUS равен величине проекции тяги (тяга — эта та из 6 штук, на которой к башням подвешена печатающая голова) на плоскость стола, когда сопло находится в его центре.
Так как тяги не могут расположиться вертикально из-за их физических размеров и возможных коллизий с прочими конструктивными элементами принтера (без некоторых ухищрений, которые мы не будем реализовывать), величина DELTA_RADIUS всегда должна превышать радиус области печати принтера, который в прошивке задается величиной DELTA_PRINTABLE_RADIUS
Но эта величина неудобна к оперированию, как правило — изначально речь идет об области печати.
Согласно принятой практики конструирования дельта-роботов с линейной кинематикой (а есть и другие), угол между тягой и башней должен составлять 30-40 градусов, соответственно угол тяги к столу, означенный на картинке как ARM ANGLE , будет составлять 50-60 градусов.
Согласно ТЗ, DELTA_PRINTABLE_RADIUS должен составлять 290/2=145 мм.
Теперь необходимо определить следующую величину DELTA_RADIUS
Можно принять его в размере 1.15-1.20 от величины DELTA_PRINTABLE_RADIUS , а можно принять его на величину МАКСИМАЛЬНОЕ_ПРИБЛИЖЕНИЕ = 20-30 мм больше, чем DELTA_PRINTABLE_RADIUS
Увеличение этого параметра ведет к повышению скорости движения эффектора и снижению точности (дельта-принтер наиболее быстр в центре и наиболее точен на периферии) а также росту габаритов оборудования, и наоборот.
Для справки — для принтера Kossel XXL эти величины составляют:
DELTA_PRINTABLE_RADIUS 140.0
DELTA_RADIUS 174.1
Принимаем для моего случая:
DELTA_RADIUS 145+25=170
Определим необходимую длину тяги, на картинке она указана как ARM LENGTH, в прошивке Marlin она определяется величиной DELTA_DIAGONAL_ROD :
DELTA_DIAGONAL_ROD = DELTA_RADIUS / COS (ARM ANGLE) = 170 / COS (60) = 340 мм
Идем в интернет-магазин и смотрим подходящие по длине тяги. Вот пример , комплект подходящих тяг длиной 335 мм, если ссылка не работает, то на алиэкспрессе это называется:
3D Printer aluminum alloy Diagonal Push Rod Arm silver/black bearing carbon rod Fisheye for Rostock Delta Kossel Mini
В бюджет постройки записываем: 2350 рублей .
Можно купить и раздельно подшипники, как и трубки, есть также различные варианты на магнитных креплениях.
У меня в наличии с донора есть тяги длиной 335 мм на подшипниках типа «фиш-ай», их пока и буду использовать.
Теперь проверяем угол тяг к столу при максимальном удалении эффектора от башни.
Проверка 1:
МАКСИМАЛЬНОЕ_УДАЛЕНИЕ = DELTA_PRINTABLE_RADIUS + DELTA_RADIUS = 170 + 145 = 315 мм
315<335 — удовлетворяет условию применения имеющихся тяг
Найдем угол между тягой и столом на максимальном удалении эффектора от башни, соответствующее самому нижнему положению каретки тяги на башне (нижний ограничитель движения каретки), как показано на рисунке ниже:
MINIMUM_ANGLE = ARCCOS (DELTA_DIAGONAL_ROD/ МАКСИМАЛЬНОЕ_УДАЛЕНИЕ) = ARCCOS (315/335) = 20 градусов
как правило, минимальный угол должен составлять не менее 15 градусов и найденное значение 20 удовлетворяет данному условию.
Найдем длину хода каретки при перемещении эффектора от точки максимального удаления от башни до точки максимального приближения эффектора к башне.
h’ = (DELTA_DIAGONAL_ROD ^2 — МАКСИМАЛЬНОЕ_УДАЛЕНИЕ^2) ^ 0.5 = (335*335 — 315*315) ^ 0.5 = 114
h»= (DELTA_DIAGONAL_ROD ^2 — МАКСИМАЛЬНОЕ_ПРИБЛИЖЕНИЕ^2) ^ 0.5 = (335*335 — 25*2
ДЛИНА_ХОДА_КАРЕТКИ = h» — h’ + ВЫСОТА_ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ_ОБЛАСТИ_ПЕЧАТИ = 334 — 114 + 300 = 520 мм
В качестве направляющих на первом этапе строительства принтера можно принять:
— роликовые каретки непосредственно по конструкционному профилю самих башен;
— втулки на круглых валах;
— рельсы.
Холивар вокруг выбора типа направляющих бесконечен. Круглые валы длиной около 1м из китая заказывать невыгодно, да и к их калибровке большой вопрос. Отца русской демократии может спасти вариант .
Основной предъявой к роликам является их износ и люфт, я не имел возможности этого оценить, но у знакомого на лазерном резаке ролики работают не первый год при интенсивной нагрузке. Существенного износа роликов на V-профиле не заметил. Возможно — неудачи коллег связаны с использованием несовместимых роликов и профиля.
Третий вариант — рельсы с каретками типа MGN9H или MGN12H. Качественные рельсы выйдут недешево, а noname китай — это всегда лотерея. Рекомендую заказывать 4 рельса и 5 кареток, как и набор шариков. Тогда высока вероятность, что что-то получится собрать дендроидно-фекальным способом.
У меня в наличии с донора есть 3 рельсы длиной по 600 мм с каретками MGN9H. Их и будем применять.
Бюджет дополняется расходами на 3 рельсы в размере: 5550 рублей
Найдем максимальную высоту печати цилиндрической части детали:
МАКСИМАЛЬНАЯ_ВЫСОТА_ПЕЧАТИ_ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ_ЧАСТИ = ДЛИНА_НАПРАВЛЯЮЩЕЙ — ДЛИНА_КАРЕТКИ — (h» — h’)= 600 — 40 — (334 -114) = 340 мм
Где ДЛИНА_НАПРАВЛЯЮЩЕЙ — длина рельса 600 мм, ДЛИНА_КАРЕТКИ = 40 мм — длина каретки MGN9H (ну ладно, для любителей точности пусть будет 39.9 мм), h» и h’ были найдены ранее.
Условиям ТЗ имеющееся решение удовлетворяет. Расчетные предельные размеры гарантированной области печати проектируемого принтера составляют Ф290 х H340 мм
Величину DELTA_HEIGHT и геометрические размеры рамы определим в следующей статье.
Текущий бюджет постройки (рельсы и тяги):
5 550 + 2 350 = 7 900 рублей.
Строим «правильную» дельту-3. Пространственная модель
