Quais batentes finais são mais precisos?


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Eu já vi paradas mecânicas (microinterruptor), ópticas e magnéticas (ímã + sensor de hall).

Existem diferenças na exatidão da mudança no local certo? Em caso afirmativo, quais são os mais precisos?

Respostas:


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Existem alguns critérios diferentes que devemos usar para selecionar um tipo de opção:

  • Precisão / repetibilidade: o interruptor é acionado sempre no mesmo local? Quanto spread existe na posição de gatilho? As mudanças ambientais ou as configurações da máquina afetam a posição do gatilho?
  • Distância de contato: o interruptor registra com folga suficiente para sua parada brusca para que o eixo de retorno possa parar antes de colidir com alguma coisa?
  • Rejeição de ruído: o interruptor só aciona quando deveria?

É importante perguntar: quanta precisão de comutação realmente precisamos? Um sistema de transmissão típico de impressora 3D que usa um motor de passo de micro passo pode apenas posicionar com precisão a carga móvel em +/- 1/16 de micro passo (mesmo se estiver usando micro passo mais fino do que isso) devido a efeitos indutores de erro, como torque de fricção e erro de ângulo de retenção magnético. Isso é cerca de +/- 0,01 mm para a maioria das impressoras. A chave de retorno precisa ser tão precisa quanto o posicionamento do motor! Nada se ganha com, digamos, paradas finais de precisão de 0,001 mm.

Essa precisão de +/- 0,01 mm é alcançável para todos os tipos de interruptores de fim de curso, com seleção e configuração adequadas.

Depois, existem três tipos de comutação "padrão" em uso nas impressoras 3D amadores / amadores:

  • Chaves mecânicas, normalmente chaves fim de curso NO / NC, que puxam para cima ou para baixo um pino de sinal conectando um circuito elétrico quando acionado
  • Chaves ópticas, que usam transistores para detectar quando um obstáculo ("sinalizador") está bloqueando a janela entre o emissor e o sensor
  • Interruptores de efeito Hall, que usam transistores para detectar quando um campo magnético excede um limite de intensidade de campo específico

Interruptores mecânicos

A precisão / repetibilidade depende da qualidade do comutador, do comprimento do braço da alavanca conectado (maior aumenta a distância de contato, mas é pior para a precisão) e da velocidade de impacto do carro com o comutador. É possível ter um bom interruptor mecânico ou um mau interruptor mecânico. Normalmente, essa é uma opção padrão razoável, porque é simples e barata.

Um pequeno interruptor mecânico com um braço de alavanca curto (ou o braço de alavanca removido) geralmente alcançará a precisão de comutação necessária de +/- 0,01 mm. Interruptores muito baratos, altas velocidades de contato e braços longos da alavanca podem fornecer uma resolução inadequada para o retorno Z ou sondagem, mas ainda serão adequados para fins de retorno X e Y de baixa precisão.

Onde interruptores mecânicos tendem a causar problemas é na rejeição de ruído. Placas controladoras diferentes usam maneiras diferentes de conectar o comutador: algumas usam dois fios e só enviam um sinal quando acionadas. Quando não é acionado, o fio de sinal é deixado flutuando ou puxado fracamente pelo microcontrolador, enquanto conectado a um fio longo que atua como uma antena para captar ruído EM. É MUITO comum que a fiação do aquecedor ou de passo emita EMR desagradável devido ao controle de corrente PWM. Os cabos de extremidade final de dois fios devem sempre ficar longe da fiação do stepper e do aquecedor. Blindar e torcer os condutores também é uma boa idéia.

Uma abordagem mais robusta é usar interruptores de três fios que ativam a linha de sinal alto ou baixo, dependendo da posição do interruptor. Estes tendem a rejeitar melhor o ruído.

Interruptores mecânicos muito baratos podem falhar durante a vida útil da impressora. No entanto, a maioria dos interruptores de limite é classificada para milhões de ciclos, o que é improvável que ocorra durante a vida útil de qualquer impressora normal.

Os interruptores mecânicos são fáceis de alinhar e acionar manualmente durante a solução de problemas.

Interruptores ópticos

Eles dependem de uma bandeira que bloqueia uma janela entre um emissor de luz e um detector. Isso é sem contato e pode ser bastante confiável, mas apresenta alguns desafios. A posição exata do acionador (e, portanto, a precisão) pode depender dos níveis de luz ambiente na sala, porque o sensor está monitorando a luz para diminuir abaixo de uma intensidade específica. Portanto, pode ser muito repetitivo / preciso a curto prazo, mas terá alguma deriva se o sensor entrar e sair do sol durante o dia.

A troca tende a ser mais consistente e confiável se a bandeira entrar na janela pelo lado, e não pela parte superior.

Os interruptores ópticos puxam ativamente a linha de sinal para cima ou para baixo e, portanto, apresentam boa rejeição de ruído elétrico.

Interruptores de efeito Hall

Eles medem a intensidade do campo magnético próximo e disparam quando excede uma certa quantidade em uma certa polaridade. Isso é altamente preciso / repetível (melhor que +/- 0,01 mm) e extremamente resistente a ruídos e condições ambientais. (A menos que sua impressora esteja próxima de algo que emita grandes campos magnéticos.)

Os interruptores de corredor que vi têm um potenciômetro ajustável para ajustar a distância do gatilho. Esse é um recurso interessante ao tentar calibrar manualmente um Delta ou um leito Z para a altura da primeira camada.

A principal desvantagem dos interruptores de salão é que eles precisam de um ímã para acionar o comutador. Pode ser difícil acionar manualmente durante a solução de problemas e requer a conexão de um ímã em algum lugar do carro em movimento. A cola funciona bem ... mas não cole o ímã no lugar para trás!


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Não vejo a "Precisão / repetibilidade" respondida para os diferentes tipos de comutador. Você nomeia os efeitos que influenciam. Penso que a questão é se um bom interruptor mecânico é mais preciso que um interruptor de efeito Hall. Ou se a luz ambiente tornar um interruptor óptico menos preciso que um interruptor mecânico ruim. E quais são as variações de qualquer maneira. Estamos falando de milímetros de diferença ou µm? Seriam necessários alguns valores de precisão alcançável para comparar os três tipos de parada final.
Lars Pötter

Simplesmente depende demais da opção específica usada para dar uma resposta concreta. Em particular, dois interruptores mecânicos diferentes podem ter uma precisão muito diferente. Um interruptor de limite barato com um braço de alavanca muito longo pode ter +/- 0,5 mm com uma posição de gatilho dependente da velocidade, mas isso é incomumente ruim. Minha experiência é que todos os interruptores de fim de curso "típicos" (hall, ópticos, mecânicos de curto alcance) são iguais ou maiores à precisão do que a resolução de posicionamento de um drivetrain típico de motor de passo (+/- um microstep 1/16 ou mais ou menos) e, portanto, a repetibilidade exata da posição do gatilho é irrelevante.
Ryan Carlyle

Deixe-me adicionar alguns detalhes à resposta para esclarecer um pouco isso.
Ryan Carlyle

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Boa resposta, no entanto, você tem alguma fonte para a precisão dos switches (comuns) serem tão altos? A afirmação "use transistores para detectar" é um pouco supérflua, pois quase tudo usa transistores e transistores não são realmente a chave para sua operação. RE grandes campos magnéticos; você considerou que os próprios motores de passo emitem um pouco de magnetismo. Descobri que, uma vez acionados, meus batentes finais do corredor permaneciam acionados devido ao campo magnético dos motores e, para que eles "disparassem", tive que adicionar um ímã da polaridade oposta perto deles.
Tom van der Zanden

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A repetibilidade é muito mais importante que a precisão. A palavra "precisão" indica, grosso modo, quão pequena é a diferença de distância que pode ser determinada, e você acha que não há sentido em exceder o limite do motor de passo - exceto que o próprio leito pode ser ajustado com muito mais precisão nos quatro cantos parafusos. Portanto, se você conseguir uma repetibilidade super rígida, poderá "alojar" a própria cama nessa posição.
precisa saber é o seguinte

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Thomas Sanladerer realizou exatamente a comparação que você pergunta . Veja o vídeo inteiro.

O resultado é que os sensores indutivos são os mais precisos, mas são altamente dependentes do material do leito escolhido.

Os interruptores mecânicos (sem o braço metálico) são tão precisos e mantêm a mesma precisão em todos os materiais da cama (no entanto, você precisa de um mecanismo para recolhê-los, o que pode ou não diminuir a precisão).

Outros sensores são menos precisos.

De qualquer forma, a maioria deles já é muito melhor do que o necessário, pois qualquer coisa abaixo de 50 mícrons é boa e basicamente todos atingem essa precisão.

Escolha com base em outros fatores, como peso, instalação, preço. Indutivo, após uma calibração baseada em seu leito específico, pode ser o mais fácil, pois eles não precisam de retração, mas são volumosos. O BLtouch é provavelmente a segunda opção, os microinterruptores mecânicos a terceira.


Boa descoberta de uma pergunta antiga e um bom resumo dos testes de Tom. No entanto, ele não testou um circuito de disjuntor óptico - onde uma luz sempre atinge um detector de foto e a parte móvel empurra uma parede entre eles. Essa configuração é muito precisa.
Trish

Não tenho certeza de que ele possa superar os outros: como está escrito em outra resposta, esse tipo de fim de curso é baseado na luz que atinge o sensor caindo abaixo de um certo limite. Como é uma medida baseada na luz (infravermelha), a luz ambiente irá impactá-la. Pode ser preciso em um ambiente específico, mas não imune a várias alterações no ambiente.
FarO 16/10/19

Estou falando de sensores ópticos do tipo barreira à luz. Um LED envia energia brilhante total para um sensor e uma "asa" se move. Tais batentes finais não foram testados por Tom, mas são usados ​​extensivamente em máquinas pesadas, pois são à prova de falhas e uma fonte de luz quebrada ou qualquer item que caia no sensor dispara. parada de emergência.
Trish

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Eu não acho que exista uma resposta simples.

Na minha opinião, para um sensor doméstico, a precisão não importa. O firmware geralmente permite definir um deslocamento entre a posição indicada e a posição real. O que realmente importa é a repetibilidade. Sempre que o sensor indica a posição, a posição é a mesma.

Interruptores mecânicos

Descobri através do teste de vários interruptores mecânicos que o evento "make" é menos repetível que o evento "break". Para obter melhores resultados, movo-me para a posição que fecha a chave e depois movo na direção oposta até a chave abrir. Se bem me lembro, obtive repetibilidade "make" de cerca de 0,02 "(0,5 mm) e repetibilidade" break "de cerca de 0,005" (0,13 mm).

Interruptores ópticos

Para uma impressora 3D delta, eu uso sensores ópticos. Os sensores ópticos possuem iluminação e sensor embutidos, geralmente em lados opostos de uma estrutura bifurcada. O lado do sensor possui um slot que mascara a luz recebida, ajudando a protegê-la da luz ambiente. A ranhura está ao longo de um eixo que está alinhado com o garfo ou é normal para ele. A bandeira que você usa para o interruptor deve cobrir completamente o slot e, para uma boa repetibilidade, a borda da bandeira deve estar paralela ao slot. Em outras palavras, alguns sensores esperam que a bandeira entre pelo lado, enquanto outros esperam que a bandeira entre pelo topo. Qualquer um funcionará, mas você precisará escolher o sensor certo para a configuração da sua máquina.

Luz ambiente com interruptores ópticos

Talvez a luz ambiente possa ser um problema. Nesse caso, poderia ser solucionado sombreando o sensor.

Vamos supor que os LEDs no sensor tenham a mesma eficiência que as luzes ambiente do LED. Para referência, aqui está uma folha de especificações para um interruptor óptico típico usado em sensores ópticos: http://www.isocom.com/images/stories/isocom/isocom_new_pdfs/H21A.pdf A embalagem do sensor óptico foi projetada para reduzir a suscetibilidade à luz ambiente.

A intensidade da luz diminui conforme a distância ^ 2 e os iluminadores no sensor estão muito próximos. Qual o efeito da luz da sala no sensor?

Na minha loja, uso lâmpadas de substituição LED de 8 pés para as lâmpadas fluorescentes. Com isso, tenho 72 watts de iluminação LED, que, digamos, iluminam uniformemente a semi-esfera abaixo do teto. Uma esfera completa é de 12,56 sr (esteradianos ou estéreo-radianos); portanto, a meia esfera é de 6,28 esteradianos, para uma potência de 11,46 W / sr. No sensor, isso deve ser dividido pelo quadrado da distância, digamos 8 pés. Isso nos dá (11,46 W / sr) / (96in ^ 2) = 0,119 W / área.

O LED iluminante tem uma potência (normalmente) de 1,2 V * 0,05 A ou 0,06 W. O cone de luz de um LED típico é de cerca de 30 graus, que é 1 sr, para uma potência de 0,06 W / sr. Dimensionado para uma estimativa da distância entre o emissor e o sensor de 4 mm ou 0,157 ", é (0,06 W / sr) / (0,157 em ^ 2) = 2,43 W / área.

Parece improvável que a luz ambiente geral seja um problema. Se fosse, a montagem do sensor poderia ser projetada para proteger o sensor da exposição direta à luz ambiente.

É importante que os sensores ópticos garantam que a bandeira de interrupção seja realmente opaca à luz do iluminador. Como eu descobri, o PLA vermelho não é especialmente opaco à luz infravermelha, então eu precisava pintar as bandeiras com uma tinta pigmentada preta.

Interruptores de efeito Hall

Não tenho experiência com interruptores de limite magnéticos com efeito Hall. Outras respostas aqui os elogiaram porque eles têm um ajuste que pode ser usado para definir o ponto de detecção preciso. Não gosto de ajustes porque eles flutuam. Os vasos estão sujeitos a desgaste, oxidação e variação lenta e rápida em sua resistência. Eu preferiria ter algo não ajustável e repetível no hardware e usar o software para manter a calibração.

Exemplo de escolha híbrida

Em uma máquina CNC de arquitetura delta de 6 eixos que eu construo, uso uma abordagem híbrida para detectar a posição inicial. Os interruptores mecânicos indicam uma posição próxima da residência e o pulso de índice de um codificador rotativo define a posição inicial precisa. O firmware de retorno à página inicial se move em direção à casa até que a chave mecânica seja fechada, depois se afasta até abrir, depois volta para a casa até detectar o pulso do índice. Como existem seis eixos, existem seis conjuntos desses comutadores e codificadores. O uso de um comutador mecânico para o retorno aproximado fazia sentido para esta máquina, porque o sensor de índice é atingido uma vez por rotação, portanto, não é um indicador exclusivo de residência, e essa máquina cria muita poeira e lascas, o que poderia bloquear um sensor óptico .

Portanto, sem uma resposta absoluta, minha preferência é por interruptores ópticos para repetibilidade.


Os valores de precisão que você obteve para interruptores mecânicos parecem ser extremamente altos. É verdade que eles não são perfeitos, mas se os interruptores mecânicos tivessem apenas uma repetibilidade de cerca de 0,5 ou 0,13 mm, quase todas as impressões nesses conhecidos kits de impressoras 3D chinesas baratas falhariam, o que claramente não é o caso.
Fritz

Infelizmente, o link morreu ... você conhece o título do documento, para que possamos pesquisá-lo no Google?
Greenonline


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Eu acho que existem vários fatores envolvidos em quais sensores são melhores, mas a ordem geral para mim seria Hall, Optical seguido por mecânico. Todos os tipos estarão sujeitos a algumas variações devido a vibrações e alterações na impressora durante o uso. Portanto, é a facilidade de ajuste, bem como a precisão da parada, que conta na avaliação.

Na minha experiência, os sensores de efeito hall são os mais precisos e fáceis. Eles não contam com chaveamento físico (como no mecânico), o que significa que não há "desgaste" no componente e o ponto de chaveamento permanecerá fixo. Eles possuem um potenciômetro que pode ser ajustado para alterar a posição da parada sem qualquer intervenção mecânica, permitindo um ajuste muito preciso. Eles podem ser muito precisos.

As ópticas são igualmente precisas, mas geralmente possuem um componente fixo que corta o feixe para ligar / desligar o sensor. O ajuste da parada geralmente será mecânico, pois os pontos de montagem precisarão ser ajustados - isso reduz sua precisão. Existem várias montagens ajustáveis ​​para aliviar isso em sentido inverso ou semelhante.

Os interruptores mecânicos são semelhantes aos ópticos em termos de ajuste, com a imprecisão adicional do mecanismo real dos interruptores que pode se degradar ao longo do tempo.


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Se você der uma olhada no RepRap Wiki , eles explicam brevemente essas três opções:

  • Mecânico

    " Os batentes mecânicos são a forma mais básica de batentes finais, feita de um comutador comum, com dois fios. A alteração do estado do comutador sinaliza os componentes eletrônicos.

  • Óptica

    "Estes batentes ópticos observam o nível de luz e reagem a mudanças repentinas".

  • Magnético

    "Esses batentes de extremidade; sensores de efeito Hall são um transdutor que varia sua tensão de saída em resposta a um campo magnético. Os sensores de efeito Hall são usados ​​para aplicações de comutação de proximidade, posicionamento, detecção de velocidade e detecção de corrente".

Em relação à sua pergunta, isso depende da sua circunstância. No entanto, na maioria das vezes, um bom interruptor mecânico é repetível e serve bem a seu propósito.

Eu, pessoalmente, colocaria interruptores ópticos e magnéticos na categoria de um componente multifuncional. Ou seja, esses dois tipos de comutadores (geralmente) fornecem um intervalo valioso para a detecção de objetos. Isso pode levar potencialmente (dependendo da sua máquina) a um comando pressionado que diz à sua máquina que diminua a velocidade quando estiver perto da parada suave.

Mais uma vez, pessoalmente, eu desconfiaria de usar um batente óptico com potencial ruído de luz branca proveniente da iluminação da sala ou de outras fontes. Eu poderia estar errado na minha preocupação com alguns módulos que abordam esse tipo de problema.

Portanto, se diminuirmos entre mecânico e magnético: - Magnético forneceria uma abordagem mais suave, reduzindo (potencialmente) a quantidade de desgaste - No entanto, eu suponho que os interruptores magnéticos exijam "discagem", dependendo dos componentes usados ​​no sensor . Isso pode levar a uma faixa indesejada de disparo do sensor. - Chaves mecânicas são simples. Eles estão tocando ou não tocando (ligado ou desligado) - Um possível profissional (ou contra) é a capacidade de manipular o gatilho manualmente, com mais facilidade. Eu já tive uma situação em que precisei acionar manualmente o fim de curso como parte de uma etapa de solução de problemas. Mas, se você acidentalmente bater no seu batente final enquanto a máquina estiver em funcionamento, não adianta.


Você sabe se este "comando pressionado que diz à sua máquina para desacelerar" é usado em qualquer máquina?
Lars Pötter

Não conheço o uso do mundo real na impressão 3D, por isso disse que é uma opção em potencial. Vi configurações semelhantes na usinagem CNC tradicional com um sensor de terceiros. O sensor faz o que quer e essencialmente envia um comando do código G para o controlador da máquina. Normalmente, o comando é uma sub-rotina que executa várias funções, como mover a máquina para uma distância segura, parar e notificar o operador. Consulte a Caron Engineering para obter um exemplo com a configuração do TMAC.
tbm0115 5/05

Isso não responde à pergunta, que pergunta "quais paradas são as mais precisas?". Não há nada aqui que resolva isso - essa resposta parece estar teorizando principalmente sobre uma "abordagem mais suave", que nem sequer é suportada por nenhum firmware.
Tom van der Zanden

@ TomvanderZanden Eu propositadamente, fico longe de responder a essa parte da pergunta, pois ela é primariamente baseada em opiniões.
tbm0115 5/05

Você poderia responder essa parte de maneira bastante objetiva se procurasse em algumas planilhas de dados as características de repetibilidade de várias paradas finais.
Tom van der Zanden

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Uma questão separada, não abordada em outras respostas, é que as paradas finais para os eixos X / Y têm requisitos diferentes dos do eixo Z.

Eixos X / Y

Quando a impressora oferece calibração XYZ (como o Prusa i3 MK2), as propriedades dos interruptores X e Y desempenham um papel, uma vez que, para a sonda Z, a sonda deve estar centrada acima dos fiduciais (círculos de cobre) na cama. A parte XY da calibração mede a posição dos fiduciais em relação ao ponto de disparo da parada final. Em seguida, a calibração Z mede a altura de cada fiducial.

Quando a calibração XYZ não é oferecida, geralmente não há necessidade de um posicionamento muito repetitivo em relação às extremidades de deslocamento X e Y, e na maioria das impressoras você pode simplesmente mover os motores até que eles comecem a pular etapas e chamar isso de um dia - será preciso para dentro de alguns passos.

Eixo Z

O eixo Z sempre exige alto nível de precisão e repetibilidade, e há duas abordagens gerais para determinar sua posição:

  1. Sem paradas finais no sistema de acionamento do eixo Z, uma sonda é montada na cabeça de impressão e é usada para detectar quando a cabeça está a uma certa distância acima da base de impressão. Isso pode ser usado para calibração de 9 pontos da forma do leito e, assim, elimina a necessidade de nivelamento do leito.

  2. Paradas finais usadas no sistema de acionamento do eixo Z. Nenhum sensor na cabeça de impressão. A cama precisa ser nivelada separadamente em relação ao bico - assim, os parafusos de nivelamento da cama.

Delta Z

Para a Delta, você basicamente possui três drivers de eixo Z e, semelhante à unidade Cartesiana XYZ, não é necessário parar para finalizar se houver uma sonda na cabeça de impressão. Você também pode executar o nivelamento da cama multiponto com essa sonda.

Outras abordagens

Os batentes finais X e Y se tornam desnecessários quando você usa o controle de passo em loop fechado, como Mechaduino ou sensores de posição digitais lineares (por exemplo, como usado em máquinas CNC).

A sonda Z ainda é útil se você não quiser executar o nivelamento da cama manualmente.


Embora esses sejam pontos interessantes sobre paradas de final de curso, ele não aborda a questão real.
Tom van der Zanden

Você tem alguma referência a um delta em execução sem paradas? Estou bastante certo de que os batentes finais são necessários para estabelecer a posição do eixo, caso contrário, o movimento é estragado.
precisa saber é

Cinemicamente eles não são necessários. Semelhante a uma montagem Prusa com eixo Z duplo, você começa com uma posição "razoavelmente" no meio da cama, então todos os três eixos Z se movem para baixo até que a sonda detecte o primeiro fiducial. É um círculo grande (por exemplo, 1 polegada de diâmetro) e estabelece a origem Z e radial (pense no leito em coordenadas polares). O segundo fiducial é um setor estreito e estabelece a origem angular. Agora você pode encontrar outros pequenos fiduciais para executar a calibração Z completa (ou calibração XYZ completa após a montagem). Para XYZ cal, você precisa de uma cama personalizada Prusa. Para Z, apenas uma placa circular de metal serve.
Reintegrar Monica

@KubaOber Você poderia, por favor, explicar como você decidiria onde "razoavelmente meio da cama" está em um delta sem sensores? A posição inicial poderia ser literalmente em qualquer lugar ...
piit79

Você não pode. Você faz isso manualmente ou usa um leito maioritariamente metálico, onde os dados são negativos, ou seja, lacunas. Os sensores indutivos são bons em detectar esses. Isso também ajudaria a detectar a borda da cama, para que você não precise de nenhum sensor adicional além do indutivo. Eu corro um delta assim.
Restabeleça Monica
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