ЧПК „Випалювач“ (Частина перша)

ЧПК – то взагалі тема цікава, обширна і важка. Я веду його розробку в якості свого хобі. Спочатку це було просто як забавка, а потім в IDE Lazarus на мові Object Pascal написав програму, що аналізує зображення і передає команди в Arduino Nano по послідовному інтерфейсу UART. Але з отриманням нових знань з інституту, переписав дану програму на мові програмування C++ з використанням фреймворку Qt 5. Намагався, все робити з розрахунком на спроможність повторити цей проект всім бажаючим. Якщо по проекту у Вас є якісь запитання, то можете зв’язатися зі мною.

Опис

Даний ЧПК верстак базується здебільшого тільки на Arduino Nano і під’єднати до нього комп’ютер з встановленою ОС Linux-like або Windows, або встановити на платі OrangePi Zero що зробить ЧПК незалежним від зовнішнього комп’ютера. Система з OrangePi завантажує фото із флеш-накопичувача в оперативну пам’ять, після цього накопичувач можна вийняти з USB-роз’єма і почати процес випалювання.

В проекті використовується два крокові двигуни: 28BYJ-48 5В (Вісь Y) та двигун, який я виковиряв із принтеру KP39HM2-328 12В 0.08А (Вісь X). До першого двигуна в комплекті йде драйвер на мікросхемі ULM2003. До другого двигуна придбав драйвер EasyDriver.

Механіка

В плані механіки жодних обмежень. В своєму програмному забезпеченні я намагався створити умови якомога більш універсальні в плані механіки, а не заточені саме під мій координатний стіл. Ви можете змайструвати стіл на свій смак (головне, щоб двигун по вісі Y був той самий, а по вісі X аналогічний (12В і до 1А). Все інше у Ваших руках.

Мій стіл виготовлений із ДВП, профільної труби, одного принтеру (механіка вісі X), та меблеві направляючі для шухляд.

Схема

Побудову електронних мізків для ЧПК я почав із проектування схеми в програмі для автоматичного проектування (САПР) KiCAD.

Схема ЧПК випалювача

У системі є чотири лінії живлення:

  • +12V – дванадцятивольтова лінія для живлення двигуна вісі X та вентилятора;
  • +5V – п’ятивольтова лінія для живлення вісі Y, та Orange Pi (у випадку, якщо не вистачає чергового живлення +5VSB);
  • +5VSB – п’ятивольтова лінія чергового живлення, для живлення Arduino Nano, реле, зумер, кнопку живлення OrangePi Zero та його перехід до +5VA через реле K1, та вентилятора;
  • +5VA – живлення наявністю якої контролює Arduino Nano через реле K1, живить РК-екран, OrangePi Zero, USB та вентилятор.

Є 7 роз’ємів для швидкого з’єднання/роз’єднання модулів, що лежать поза межами плати:

  • J1 – Роз’єм для під’єднання живлення від БЖ;
  • J2 – Приєднується матрична клавіатура на 16 кнопок;
  • J3 – Роз’єм рідкокристалічного екрану;
  • J4 – Роз’єм двигуна вісі X;
  • J5 – Роз’єм двигуна вісі Y;
  • J6 – Роз’єм для вентилятора охолодження OrangePi Zero;
  • J7 – Роз’єм USB для флеш-накопичувача.

Принцип роботи вузлів

Вузол живлення:

В даному вузлі розташований роз’єм через який надходить струм від блока живлення. Конденсатор на 1000 мкФ не менше ніж на 6 В. Контактна частина реле що замикає між собою +5VSB або +5V (в залежності від положення джамперу JP1) на +5VA. Сигнал PS_ON при замиканні на землю вмикає основні напруги живлення: +12V та +5V (Принцип роботи комп’ютерного блока живлення).

Вузол роз’ємів:

Роз’єм USB напряму з’єднаний із OrangePi Zero. Роз’єм клавіатури з’єднаний з Orange Pi Zero, але через резистори R1-R4 (560 Ом), які запобігають можливості короткого замикання між пінами Orange Pi Zero та резистори R5-R8 (4.7 КОм), які є підтяжкою до землі. Принцип роботи матричної клавіатури простий – по черзі на рядки KROW1-4 подається логічна одиниця (у випадку OrangePi Zero — це 3.3 В). Якщо користувач натискає кнопку на матричній клавіатурі, то на одному із стовпчиків KCOL з’являється логічна одиниця (2.95 В) лише в тому випадку, якщо логічна одиниця висить на правильному рядку, інакше всі будуть всі вхідні піни будуть мати логічний нуль, тому все що залишається, це в паралельному потоці перебирати рядки і читати стан на стовпчиках, якщо є сигнал на одному із стовпчиків, то в залежності від номера стовпчика і поточного рядка, можна визначити яку саме кнопку натиснув користувач.

Екран хоч і живиться п’ятивольтовою лінією і використовує п’ятивольтову логіку, та ми нічого з нього читати не будемо, тому його під’єднано напряму до OrangePi Zero.

Роз’єм живлення вентилятора під’єднано до +12V та +5VA через діоди, Коли немає напруги 12 В, але є живлення на OrangePi Zero її потрібно охолоджувати, тому в цей час вентилятор працює на живленні OrangePi Zero, але коли з’являється напруга 12 В, вентилятор починає працювати від них, а діод D2 запирається.

Вузол керування живленням нагрівача:

При присутності логічної одиниці (5В) на сигналі HEAD_POWER_ON відкривається транзистор Q2, який замикає сигнал PS_ON на землю, що вмикає напругу +12V та +5V. Коли сигнал HEAD_POWER_ON є логічним нулем (0В), тоді транзистор Q2 закривається і сигнал PS_ON залишається висіти в повітрі, що і вимикає напругу +12V та +5V.

Вузол керування живленням апельсинки:

При присутності логічної одиниці на сигналі OPI_POWER_ON відкривається транзистор Q1, що забезпечує живлення котушки реле K1, замкнувшись реле забезпечує 5В на лінії +5VA.

Коли кнопка SW1 не натиснута, на сигналі BTN_PWR, присутній логічний нуль через резистор R13. При натисканні кнопки, на резисторі з’являється падіння напруги номіналом 5В, що забезпечує логічну одиницю на сигналі  BTN_PWR.

Вузол переходу рівнів логіки:

Даний вузол забезпечує перехід логіки для з’єднання Arduino Nano з OrangePi Zero через інтерфейс UART. Для з’єднання необхідно з’єднати два сигнали TX із Arduino до RX OrangePi і TX із OrangePi до RX Arduino. Транзистори Q3, Q6 утворюють повторювач, який перетворює сигнал TX_OPI із 3.3В в 5В, та передає на сигнал RX_Arduino. Резистори R24, R25 також утворюють повторювач на основі резистивного дільника.

Транзистор Q5 утворює інвертор сигналу, що говорить ардуїні, що OrangePi вимкнулась, і можна вимкнути її живлення. Це зроблено для коректного вимикання ОС Linux на OrangePi Zero.

Друкована плата

Файли проекту KiCAD ЧПК випалювача (схема, плата, PDF плати) можна завантажити з мого репозиторія на GitHub.

Друкована плата ЧПК випалювача
Розміщення деталей на платі ЧПК випалювача

Плату виготовив за допомогою праски і лазерного принтеру, травлення відбувалося у розчині перекису водню і лимонної кислоти. Для краси, з іншої сторони плати наніс шар псевдошовкографії за допомогою, все тієї ж праски і лазерного принтеру.

ЧПК випалювач, фото плати

Блок живлення та живлення жала

Для живлення я використав комп’ютерний блок живлення. В ньому вже наявні потрібні напруги в 12В, 5В та чергові 5В, плюс є дріт PS_ON який вмикає/вимикає живлення 12В та 5В.

Схему налаштування струму на жалі, обрав лінійну (хоча на мою думку краще використати на основі ШІМ-контролера). Моя схема:

Схема живлення жала

Якщо використовувати схема на базі ШІМ-контролеру, то тоді замість 5В потрібно під’єднати до лінії в 3.3В. Дріт до колекторів і емітерів транзисторів та саме живлення схеми провів подвійним проводом, до жала взяв 1.5 мм². До резисторі R1, R2 можна вести звичайним проводом. Транзистори помістив на кулер комп’ютерного процесора через термопасту (Так так, мені вже пропонували занурити всю електроніку до рідкого азоту, але посудина Дьюара занадто дорого для мене).

Основна переробка комп’ютерного БЖ — це відпаювати непотрібні дроти і залишити тільки ті, які потрібні:

  • один 12В (жовтий)для живлення друкованої плати;
  • три* 5В (червоний), один для живлення друкованої плати, і два для живлення жала;
  • один чергові 5В (фіолетовий) для живлення друкованої плати;
  • один PS_ON (зелений) йде до плати;
  • два* 3.3В (помаранчевий) для живлення жала;
  • три „землі“ (чорний), один до друкованої плати, а два інших для живлення жала.

* — в залежності від вибору напруги живлення жала.

Всі інші можна спокійно відпаяти з плати БЖ.

Друга частина

З повагою до читачів.

Facebook Comments