Bau eines 3D-FFF-Druckers mit Hilfe des Delta-Roboters Omron/Adept Quattro
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hier die generelle Funktionsweise beschreiben, Systementwurf zeigen!
Autoren: David Schütte, Tristan Thörner, Adam Kaczmarek, Richard Stanislawski
Einleitung
Im Rahmen des Praktikums Produktionstechnik im Bachelor-Studiengang Mechatronik wollen wir einen Picker-Roboter (Industrie-Delta-Roboters Omron Quattro s650H) zu einem 3D-Drucker umbauen. Aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit und Präzision eignet sich dieser sehr gut für die Anwendung im 3D-Druck.
Inhalt
Der Versuch unterteilt sich in die zwei Unterpunkte Ansteuerung des Roboters und Ansteuerung des Extruders. In diesem Projekt ging es rein darum die Komponenten mittels verschiedener Computerprogramme anzusteuern und somit "zum laufen zu bringen". Der mechanische Aufbau erfolgte bereits vorher und hat mit diesem Versuch nichts zu tun.
Ansteuerung des Roboters
Inbetriebnahme des Roboters
Damit der Roboter eingeschaltet und in Betrieb genommen werden kann, müssen einige Schritte beachtet werden:
1. Schritt: Der Schlüssel am Panel des Schaltschranks muss auf die Einstellung "Computer" gedreht werden, damit der Roboter per Software gesteuert werden kann. (Bild einfügen)
2. Schritt: Den Drehschalter 90° im Uhrzeigersinn drehen, um die Stromversorgung zu aktivieren. (Bild einfügen) Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Leistungsschutzschalter im Schaltschrank auch aktiviert wurden.
3. Schritt: Den Adept Smartcontroller CX per Ethernet-Verbindung über den RJ45 (LAN-Kabel) Anschluss zum PC verbinden. Falls der Controller über die Ethernet-Verbindung nicht erkannt wird, muss der PC neu gestartet werden.
4. Schritt: Um eine IPv4 TCP-Verbindung zwischen dem Controller und dem PC herstellen zu können, muss erstmal die Standard IP des Controllers abgelesen werden. Diese befindet sich unter dem Controller oder im Idealfall, falls dieser bereits festgeschraubt ist, auf dem Controller.
5. Schritt: Die Software Automation Control Environment (kurz ACE) starten und bei der Auswahl im Menü den Punkt "Controller verbinden" auswählen.
ACE Vorbereitung vor dem 3D - Druck
ACE-Datei: "Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker\03_Vorgehen nach V-Modell\05_Entwicklung\Programmierung\ACEVplusProgamm\3D-Druck.BA.awp". (Pfad: https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker) Revision 4322
1. Schritt: Ace 3.8 starten.
2. Schritt: In Ace die Datei "3D-Druck.BA" laden. Hierbei je nach Bedarf Emulationsmodus (ab-) wählen.
3. Schritt: Im linken Verzeichnis unter "V+ Benutzermodule"-> "matlab.verb" rechtsklick auf "matlab.verb()" und auf "Task 0" ausführen.
Matlab Vorbereitung vor dem 3D - Druck
Matlab GUI: "Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker\03_Vorgehen nach V-Modell\05_Entwicklung\Programmierung\3D_Drucker\GUI\START_GUI.mlapp". (Pfad: https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker) Revision 4322
1. Schritt: "START_GUI" - MatlabApp öffnen
2. Schritt: Warten bis sich die GUI öffnet. Für 3D-Druck ACE+RAMPS verbinden.
3. Schritt: Den Namen der .gcode/.txt Datei (welche sich im Verzeichnis der Matlab App befinden muss) in das Textfeld eingeben und importieren.
4. Schritt: Optional Simulation ausführen. Simulation wird nach Abschluss im Fenster rechts unten angezeigt.
5. Schritt: Druck ausführen über entsprechende Schaltfläche.
Ansteuerung des Druckers
Der Drucker wurde mittels Matlab angesteuert. Die Schnittstelle zwischen MatLab und dem Drucker ist ein Arduino Mega auf den eine Ramps Platine aufgebaut wurde. Über diese Verbindung können sämtliche Druckspezifische Informationen zwischen Computer und Roboter ausgetauscht werden. Lediglich die Steuerung der Bewegungsabläufe wird nicht über den Ardiuno und die Ramps Platine sondern über ACE und den damit verbundenen Controller gesteuert.
Funktionaler Systementwurf
Die Funktion des Projektes lässt sich anhand des folgenden Ablaufplanes erläutern. Originaldatei in SVN
Zu Beginn wird der Gcode des Druckauftrags in Matlab eingelesen und nach Verfahr- und Druckfunktionsbefehle differenziert. Die Verfahrbefehle werden an ACE gesendet, von wo aus die Zielkoordinaten über einen SmartController in Maschinenbefehle umgewandelt und an den Roboter gesendet werden. Alle anderen Befehle werden an eine Arduino RAMPS Platine gesendet von wo aus die einzelnen Operationen des entsprechenden Befehls verarbeitet werden. Dies sind beispielsweise Einstellungen der Druckbetttemperatur oder die Bestimmung der Fördermenge des Fillaments.
Der Aufbau der Anlage
Die 3D-Druck-Anlage wird durch ein GUI gesteuert.
Das GUI
Erstellen von G-Code
Um einen G-Code für das 3D-Druck-System zu generieren, müssen folgende Schritte durchgeführt werden:
1. Sicherstellen, dass der korrekte Start-G-Code verwendet wird:
1.1. Das Programm „Ultimaker Cura 3.3.1“ starten.
1.2. Unter „Preferences“ auf „Configure Cura“ klicken.
1.3. Auf „Printers“ klicken.
1.4. Auf „Machine Settings“ klicken.
1.5. Sicherstellen, dass der „Start-G-Code“ unter „Printer“ dem G-Code in der Datei https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker/05_Entwicklung/Cura/Start-G-Code.txt entspricht.
2. Den G-Code generieren:
2.1. Eine STL-Datei in das Cura-Fenster ziehen.
2.2. Auf „Prepare“ klicken.
2.3. Auf „Save to File“ klicken und den G-Code als *.gcode oder *.txt-Datei speichern.
Starten eines FFF-Drucks
Um mit dem 3D-Druck eines Modells zu beginnen, müssen folgende Schritte durchgeführt werden:
1. Das 3D-Druck-Programm starten:
1.1. Alle Türen der Anlage schließen
1.2. Den Hauptstecker des Systems einstecken.
1.3. Den Hauptschalter des Systems einschalten.
1.4. Das USB-Kabel des Systems mit dem Steuerungscomputer verbinden.
2. Das Bewegungsprogramm starten:
2.1. Die Datei https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker/05_Entwicklung/Bewegungsprogramm/Bewegungsprogramm.awp mit ACE 3.6 oder 3.8 öffnen.
2.2. Auf „Controller verbinden“ klicken.
2.3. Auf „Antriebsleitung aktivieren“ klicken.
2.4. Im „Workspace Editor“ unter „SmartController 198 > V+ Benutzermodule > main“ auf „main()“ rechtsklicken und unter „Auf Task ausführen“ auf „Task 0“ klicken.
3. Das GUI starten:
3.1. Die Datei https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker/05_Entwicklung/GUI/GUI.exe ausführen.
3.2. Unter „Druckvorgang“ auf „Datei suchen“ klicken und eine *.gcode oder *.txt-Datei auswählen.
3.3. Unter „TCP/IP-Verbindung“ die Adresse „172.16.102.198“ auswählen.
3.4. Unter „TCP/IP-Verbindung“ auf „Verbinden/Trennen“ klicken.
3.5. Den korrekten USB-Port unter „USB-Verbindung“ auswählen.
3.6. Unter „USB-Verbindung“ auf „Verbinden/Trennen“ klicken.
3.7. Auf „Drucken“ klicken.
Beenden eines FFF-Drucks
Nachdem mit dem System gearbeitet wurde, müssen folgende Schritte durchgeführt werden:
1. Das USB-Kabel von dem Steuerungscomputer trennen.
2. Den Hauptschalter des Systems ausschalten.
3. Den Hauptstecker des Systems ausstecken.
Nivellieren des Heizbetts
Um sicherzugehen, keine Kollision zwischen der Düse und dem Heizbett stattfindet und die erste extrudierte Schicht gut haftet, kann das Heizbett, wie folgt, nivelliert werden:
1. Unter „Starten eines FFF-Drucks“ die Schritte „1. Das 3D-Druck-Programm starten:“ und „2. Das Bewegungsprogramm starten:“ durchführen.
2. Die Datei https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/Delta_Roboter_Adept_als_3DDrucker/05_Entwicklung/GUI/GUI.exe ausführen.
3. Unter „Druckbett-Nivellierung“ auf einen Messpunkt klicken, um eine Position anzufahren.
4. Warten, bis die Bewegung des Roboters abgeschlossen ist.
5. Eine Tür der Anlage öffnen.
6. Die nächstgelegene Nivellierungsschraube des Heizbetts so drehen, dass sich eine 1mm-Fühlerlehre mit leichtem Widerstand zwischen der Düse und dem Heizbett bewegen lässt.
7. Die Tür schließen.
8. Das nun gestoppte Bewegungsprogramm ähnlich wie in „Starten eines FFF-Drucks“ beschrieben, wieder fortsetzen.
9. Mit Punkt 3 fortfahren, bis alle Messpunkte abgearbeitet sind.