CC BY
11УДК 62-519
УДАЛЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТЬЮ
Никульшин С.А., студент группы 16АТП(ба)ОП, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: sergey.nik.98@mail.ru
Решетова Е.Ю., студент группы 16АТП(ба)ОП, Оренбургский государственный
университет, Оренбург
e-mail: reshetova.elizaveta@mail.ru
Краснов П.В., студент группы 16АТП(ба)ОП, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: vasilich1999kk@gmail.com
Научный руководитель: Русяев А.С., канд. техн. наук, доцент кафедры систем автоматизации производства, Оренбургский государственный университет, Оренбург.
Актуальность системы удаленного управления 3 D-принтером связана с повышением производительности за счет увеличения рабочего времени, соблюдения требований электро-и пожарной безопасности, требований охраны труда. Решения по удаленному управлению проанализированы на основе прошивки, считанной с реальной системы управления 3 D-принтера. Команды управления проэмулированы в среде Proteus и проверены на оборудовании. Визуальный контроль осуществляется с помощью Pi-камеры, подключенной к одноплатному компьютеру на основе Linux - Raspberry Pi 3 или Raspberry Zerro. Данное программное обеспечение позволяет осуществить удаленный контроль за показателями 3 D-принтера, получить видеопоток изображения рабочей зоны и, в случае аварии, реализовать удаленное нажатие кнопки аварийной остановки.
Ключевые слова: удаленное управление, 3 D-принтер, система числового программного управления (ЧПУ) 3D-принтера, процесс трёхмерной печати, технология FDM, Raspberry Pi 3, удаленный рабочий стол, визуальный контроль.
Зачем нужен удаленный доступ к 3D-принтеру? Удаленный доступ - функция, дающая пользователю возможность подключаться к системе с помощью другого устройства практически отовсюду. Удаленный доступ используют для контролирования и управления процессом печати и устранения сбоев в ее работе на расстоянии, для повышения производительности за счет увеличения рабочего времени. Кроме того, экономится заработный фонд сотрудников, которые выполняют обслуживание оборудования, формирование заданий на работу и получение готовой продукции [1].
Современная пользовательская электроника в настоящее время не может функционировать без пристального контроля со стороны человека, либо системы автоматического регулирования. Как следствие, появляется необходимость в таких системах, обладающих достаточной мобильностью в отработке чрезвычайных ситуаций и позволяющих осуществлять наблюдение за системными переменными и их заданием путем различных высокоуровневых интерфейсов.
Поэтому данная система удаленного управления позволяет соблюдать требования электро- и пожарной безопасности (нельзя эксплуатировать без контроля пользователя) и охраны труда (из-за выделения газов опасных для человека, находиться рядом с 3 D-принтером не рекомендуется).
В процессе эксплуатации бюджетного 3 D-принтера возникает ряд проблем, связанных с не совершенностью аппаратной базы и программного обеспечения, а именно: отсутствием возможности дистанционного контроля и управления параметрами системы и отсутствием возможности автоматической обработки аварийных ситуаций.
Как показала практика, без решения данных проблем невозможно достичь оптимальной производительности 3D-печати. Требуется создать удаленное наблюдение и удаленный контроль за процессом печати 3 D-принтера, а также автоматическую отработку аварийных ситуаций, которые могут возникнуть при его эксплуатации.
Данное решение поставленной задачи вписывается в технологию Industrial 4.0. Однако в большинстве случаев не реализовано для технологий аддитивного производства, под которыми понимается трехмерная печать различными способами и материалами.
Это связанно:
- невысокой надежностью оборудования (большая величина отказов);
- процесса печати от множества факторов, изменяющихся во времени;
- различным качеством расходного материала.
Кроме того, бытовой 3D-принтер должен обладать доступностью, а значит, его стоимость должна быть сравнима со стоимостью ПК. Это не позволяет производителям решить обозначенные проблемы. Как результат дешевый 3 D-принтер не может эксплуатироваться без постоянного контроля пользователя. В то же время выделяющиеся вредные и токсичные газы в процессе печати по технологии FDM (технология послойного наплавления) рекомендует не находится в помещении с работающим 3 D-принтером. Решить данное противоречие можно было бы путем выбора аналога системы управления, используемого в промышленном производстве.
Управление работой FDM-принтера, включая регулировку температуры сопла и платформы, темпа подачи нити и работы шаговых моторов, обеспечивающих позиционирование экструдера, выполняется достаточно простыми электронными контроллерами. Большинство контроллеров основываются на платформе Arduino, имеющей открытую архитектуру. Программный язык совпадает по структуре с большинством команд G-кода, который обозначается как код ИСО 7-бит и используется в большинстве современных станков с ЧПУ. G-код компилируется программами, называемыми «слайсерами» - стандартным программным обеспечением 3D-принтеров, сочетающим некоторые функции графических редакторов с возможностью установки параметров печати через графический интерфейс.
В самом начале работы, была поставлена задача проверки: возможно ли управление печатью с помощью подключения напрямую к компьютеру через USB-порт? По завершению установки драйверов при подключении, в диспетчере устройств определился COM-порт. После чего в командной строке удалось связаться с SD-принтером посредством G-кодов. Получилось удаленно запустить процесс печати и контролировать температурные показатели с помощью командной строки.
Далее необходимо узнать, каким образом можно осуществить удаленное управление? Для этого нужно знать прошивку 3 D-принтера. Прошивка для 3D принтера - это написанный программный код, основной задачей которого является считывать и воспроизводить G-код. В сети Интернет, было найдено большое количество готовых прошивок, в том числе и необходимая для работы прошивка. На основании полученных знаний, в программе ISIS 7 Professional был создан эмулятор этого 3 D-принтера, вид программы представлен на рисунке 1.
»M.» I tlS^ »• « м ■ •
ПиШМ flwiM -мл.
Рисунок 1 - Экранная форма работы эмулятора в режиме реального времени
Исходя из результатов проделанной работы, можно сделать вывод о том, что все команды воспринимаются и существует обратная связь. Мы определили систему этих команд удаленного управления. Некоторые команды и обратная связь представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты работы с эмулятором в ISIS 7 Professional
Команды, отправленные эмулятору Назначение Строки, полученные от эмулятора в ISIS 7 Professional
M21 Выбор файла для ok 0
печати на SD-карте SD init fail
M105 Вывод температуры экструдерной головки и печатающего стола ok 0 T:83.97 /0 B:138.45 /0 B@:0 @:0
M106 Включить обдув ok 0
детали перед печатью Fanspeed:255
M107 Выключить обдув детали перед печатью ok 0 Fanspeed:0
M112 Аварийная остановка
Вывод координат
M114 печатающей головки в ok 0
настоящий момент времени X:-30.00 Y:-8.00 Z:0.00 E:0.00
ok 0
FIRMWARE_NAME:ANET_A8_20160525
Вывод сводной http://www.anet3d.com/ VERSION:ANET V1.0
M115 статистики работы MACHINE_TYPE:ANET_A8
3D-принтера EXTRUDER_COUNT:1 Printed filament:891.05m Printing time:5 days 18 hours 10 min
M117 Вывод сообщения на
экран
Следующим этапом является работа непосредственно с 3Э-принтером. Были сделаны первые шаги по реализации визуального контроля за рабочей областью 3Э печати.
Кроме прямого соединения, доступ возможен через брандмауэр и NAT прокси, ЛВС (локальной вычислительной сетью), возможно получение доступа к удалённой машине посредством WEB-браузера. TeamViewer может использоваться бесплатно некоммерческими пользователями [3].
Для начала, была подключена WEB-камера, установленная у 3D-принтера для контроля рабочей зоны стола, через ЛВС к компьютеру на операционной системе Windows [4]. ЛВС или локальная вычислительная сеть (англ. Local Area Network, LAN) -компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий. Как итог - быстрое подключение, хорошее изображение, но работа осуществляется только на территории одного здания. К этой сети невозможно подключиться другим устройствам, не привязанным к ней.
Вторым вариантом является подключение к WEB-камере программного обеспечения TeamViewer. TeamViewer - пакет программного обеспечения для удалённого контроля компьютеров совместного использования, обмена файлами, видеосвязи и веб-конференций. TeamViewer содержит функцию полного шифрования данных на базе обмена личными или публичными ключами RSA и шифровании сеансов AES (256 бит) [2]. Эта технология основана на тех же стандартах, что и https/SSL, и соответствует всем современным стандартам обеспечения безопасности.
Так же была попытка наблюдения за печатью с помощью отправки фотографий на почтовый ящик. В качестве аппаратной базы использовалась WEB-камера и персональный компьютер на Windows [5]. Для реализации данного процесса был разработан программный алгоритм в среде разработки Delphi 7. Решение имело ряд недостатков, вследствие перебоев с доставкой сообщений и неприемлемым качеством изображения. Как итог, данное мероприятие оказалось ненадежным, и удалось получить только несколько кадров за несколько часов работы принтера. На основании этого, было принято решение перейти на одноплатный компьютер на системе Linux. Raspberry Pi3 или Raspberry Z - отличный вариант для данного проекта.
Аппаратная база представляла собой связку Raspberry Pi 3 и Pi камеру. Данный выбор обусловлен относительно небольшой ценой комплекса, достаточной для обработки видеопотока производительностью и компактностью. Для реализации поставленной задачи было применено подключение по RDP (Remote Desktop Protocol). Удаленный рабочий стол позволил подключиться к Raspberry Pi 3 через персональный компьютер по локальной сети и получить контроль над ней. Однако необходимо получать данные с любого устройства, имеющего Ethernet-соединение. Для этого требуется на Raspberry Pi 3 создать страничку, на которую будут выгружаться видеопоток и данные с датчиков 3 D-принтера.
В текстовом редакторе системы Linux были написаны строки на HTML, для создания простенькой WEB-страницы. После этих операций видеопоток на страничке HTML оказался довольно стабильным, но с небольшими задержками и малым разрешение картинки, однако поставленная цель была достигнута.
В заключение можно сделать вывод о том, что, во-первых, данная система позволяет отслеживать наличие процесса печати, а также осуществлять контроль за параметрами 3D-принтера. Во-вторых, кроме удаленного наблюдения и управления, необходимо также получение данных с акустического и вибрационных датчиков (возможный износ механики или засорение экструзионной головки), которые проявляются в скрежете или хрусте. В-третьих, программное средство должно не только предоставлять данные удаленному пользователю, но и самостоятельно принимать решения о прекращении печати и обесточивания оборудования в случае возгорания или аппаратной поломки, серьезного дефекта печати (отрыв детали от платформы).
Литература
1. Сердюк, А.И. Стратегия и тактика формирования технического предложения по созданию гибких производственных систем механообработки / А.И. Сердюк, А.И. Сергеев, М.А. Корнипаев // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2006. - № 2. -С. 138-145.
2. Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/TeamViewer - (дата обращения: 27.02.2018).
3. MasterService - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://masterservis24.ru/167-podklyuchenie-k-udalennomu-rabochemu-stolu.html - (дата обращения: 13.03.2018).
4. Альхаяль Абдулкарим. Модернизация локальной вычислительной сети / Альхаяль Абдулкарим, Д.Б. Флакс, М.Ю. Перухин, Э.У. Даутова // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - № 3 . - Том 16. - С. 240-241.
5. wikiHow - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikihow.com/использовать-удаленный-рабочий-стол-в-Windows-7 - (дата обращения: 11.03.2018).
