Компания 3DVISION постоянно совершенствует производимое оборудование. Пришло время рассказать о развитии архитектуры системы управления нового принтера VISION 300, причем преимущественно с программной точки зрения.
Сейчас мы работаем с принтером первой альфа-версии, который пережил три разных системы управления и четыре версии печатающей головы, и последняя получилась такой, какой изначально задумывалась: всеядной, неприхотливой в обслуживании и надежной.

•  Зона печати —     300×300×300 мм.
•  Печать двумя материалами, при температурах до 350 градусов.
•  Термостатная рабочая камера, +80°C.
•  Оригинальная конструкция печатающей головки.
•  Электроника собственного производства на основе ARMCortex-F4 и IntelPentiumG.
•  Интерфейс Ethernet для поддержки сетевого управления.
 

Рис. 1. Испытания новой печатающей головки принтера
 

По части электроники мы также добились решения, которое устраивает по всем параметрам, так как теперь разработанные печатные платы позволяют в полной мере реализовать весь требуемый функционал. Активно ведутся работы по модернизации дизайна корпуса, улучшению технологичности его сборки и добавлению различных функций, которые помогут пользователю в процессе эксплуатации. Ниже приведем перечень того, что находится в разработке:
1. Устройство автоматической загрузки материала. Трассы до печатающей головы достаточно длинные, и проталкивать пруток руками неудобно.
2. Датчики наличия материалов в системе и система контроля фактического расхода материалов. Неприятно, когда в процессе печати требуется следить за количеством материала. Теперь машина будет останавливаться и предупреждать пользователя перед началом печати о том, что материала не хватит на все изделие.
3. Сменные печатающие столы. Новшество обкатывается на текущей версии принтера. Оно избавит от необходимости работать шпателем в термостатной камере при 80°C. Плюс данное решение обеспечит лучшее прилипание деталей к поверхности.
4. Датчик автоматической калибровки стола. Система только недавно появилась на устройстве, и сейчас производится ее отладка. Печатный стол проектируется так, чтобы не требовать ручной калибровки, а также ее полуавтоматического исполнения. А вот небольшие перекосы печатной области вполне устранимы при помощи программной компенсации высот при печати подложки детали.
5. К сожалению, от участия пользователя в калибровке расстояния между соплами уйти не удалось. Для данной калибровки придется ждать, пока принтер построит тестовую деталь, а затем оценить визуально, какие компенсации требуются по осям X и Y и ввести их в мастер калибровки расстояния между соплами.
6. Дизайн. Тут приходится признаться, что эта часть учитывалась в последнюю очередь. Понятно, что подавляющему большинству пользователей приятно видеть у себя стильное устройство, а не кубик из металла на заклепках.
Серьезную часть времени наша команда потратила на отладку текущих узлов, добавление режимов диагностики, совершенствование управляющего интерфейса, невидимого конечному пользователю, и организацию его взаимодействия с пользователем. В рамках общей программной архитектуры устройства можно отметить следующие результаты (рис. 2).

Рис 2. Функциональная схема ПО принтера Vision 300

Архитектурно большинство из приведенных выше квадратиков (сущностей) представляют собой программные классы, которые так или иначе участвуют в работе принтера.
Синие квадратики — сущности, на работу которых выделяется процессорное время. Они имеют право предпринимать какие-то действия в рамках своей сферы деятельности: сделать шаг двигателем, включить вентилятор, обменяться данными с микросхемой управления двигателем или термопарой, аккуратно разобрать по мелким задачам заданный файл. Оранжевые — пассивные сущности, которые находятся под управлением синих квадратиков: это либо просто хранилища данных, либо нагрузки в виде шаговых моторов или же датчиков.
Теперь разберем функционирование системы поподробнее, учитывая структуру блока электроники (рис. 3).

Рис. 3. Блок электроники принтера Vision 300

Материнская плата как исполнительная сущность состоит из следующих программных подсистем:
1) Система управления связью.
Протокол прикладного уровня обеспечивает постоянную во времени синхронизацию таблицы регистров ПК, встроенного в принтер, и материнской платы. Таблица регистров представляет из себя набор параметров, которые передаются или принимаются с исполнительной части принтера. Причем данный протокол разбит на две части. Одна из них регистровая общего назначения для тех параметров, которые могут подождать несколько сотен миллисекунд, а вторая командная, с фиксированной длиной пакета, в котором содержатся команды, которые нужно выполнить планировщику перемещений, менеджеру температур или сервису самодиагностики немедленно.
2) Сервис самодиагностики, необходимый в связи с тем, что все «активные» части ПО материнской платы могут отказать. Например, контроллер шаговых двигателей может перестать получать ответы от микросхемы управления шаговыми двигателями, или менеджер температур может получить не совсем корректные значения, явным образом выходящие за рабочий диапазон. Все они уведомляют о неисправностях сервис самодиагностики. А он уже отправляет код ошибки на ПК, приостанавливает работу и объявляет об этом пользователю в виде кода и краткого описания ошибки.
Для понимания приведем перечень блоков аппаратных ошибок:
• ошибки связи (6 штук);
• ошибки напряжений и токов источников питания (14 штук);
• ошибки печатающей головы (30 штук);
• ошибки осей Х и Y (18 штук);
• ошибки печатного стола (10 штук);
• ошибки внутреннего объема (12 штук).
3) Планировщик траектории.
Этот сервис, когда ему разрешили работать, начинает делить все переходы по координатам на отрезки ускорений постоянной скорости и замедлений и передавать их контроллеру шаговых двигателей. Здесь формируются профили скорости двигателей и непосредственно происходит печать детали.
4) Контроллер шаговых двигателей.
Это абсолютно исполнительный сервис, лишенный возможности что-то решать. Единственное его предназначение — сделать необходимое количество шагов необходимым двигателем, при этом не пропуская их.
5) Менеджер температур.
Также исполнительный сервис, задача которого держать заданную температуру в термостатной камере, в печатающей голове, а также контролировать температуру блока электроники и материнской платы. Данный сервис вправе выдать ошибку и приказать принтеру остановить печать.
6) Сервис управления датчиками.
Данный сервис опрашивает все датчики, которые доступны в принтере. Речь идет о датчиках температуры и датчиках тока, установленных в абсолютно каждом узле. Задача сервиса лишь вовремя получать исходные значения, обрабатывать их должным образом и отправлять остальным сервисам, которые уже используют их в своей работе.

Рис. 4. Внешний вид основного экрана управления принтером

Второй частью системы управления принтером является ПК, установленный внутри, работающий на операционной системе Debian 9 на базе ядра Linux. ПО данного ПК содержит в себе следующие узлы:
1) Блок обработки входных данных пользователя.
Данный сервис получает данные от веб-сервера, разбирает их на наборы команд, определяет возможность их применения в данный момент, опрашивает все остальные сервисы принтера, раздает им задачи и производит запись логов всего происходящего в процессе. По сути, в нем реализована вся высокоуровневая логика работы устройства. Именно этот сервис принимает решения, что делать при ошибках, когда печатать, а когда ждать.
2) Веб-сервер.
Данный сервер обеспечивает возможность сетевого подключения к принтеру при помощи браузера, если это нужно. Он же позволяет удаленно отправлять на печать задания, отслеживать степень их готовности, в будущем позволит наблюдать за процессом печати при помощи камеры. И именно этот сервер позволяет подключить в одну сеть несколько принтеров и управлять всеми удаленно.
3) Интерфейс пользователя.
Это тот набор иконок и текста, который видит пользователь на экране принтера или  на экране своего ноутбука. Один из наименее проработанных на
данный момент узлов принтера (рис. 4). Так как интерфейс доступен на сенсорном экране, он должен быть простым и пальце-ориентированным. Вся дополнительная информация доступна при удаленном подключении по сети Ethernet.
В завершении данной статьи хотелось бы отметить тот факт, что разрабатываемое нами оборудование, с одной стороны, имеет крайне сильную конкуренцию со стороны более низкого ценового сегмента, а с другой — практически не имеет ее в своем, по той простой причине, что рынок нацелен на дешевые и простые решения для домашнего использования. Оборудование, которое предлагает рынок, никогда не сможет похвастаться безотказной печатью инженерными пластиками в режиме 24/7 с соблюдением геометрических размеров. А в этой нише, если присмотреться, практически ничего нет, если не брать в расчет оборудование от 50000$. С нашей точки зрения, в РФ реально сделать оборудование, не уступающее импортному по функциональности и надежности, но серьезно выигрывающее в ценах как на приобретение, так и на обслуживание. Для этого требуется лишь подойти к разработке с должной ответственностью перед будущими пользователями, чем мы и занимаемся. ■      

Илья Игоревич Виноградов, Дмитрий Михайлович Королев — компания 3DVISION

Услуги: mail@3dvision.su
Поставки оборудования и расходных материалов: info@3dvision.su
Тел.: +7 (812) 385–72–92
+7 (495) 662‑98‑58, 8 (800) 333‑07‑58
https://3dvision.su
https://www.instagram.com/3dvision.su
https://vk.com/3dvisionsu

Источник: журнал "Аддитивные технологии" № 1-2019