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ÉLECTRONIQUE
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L'électronique de la Polybox 3D a pour objectif d'être adaptée aux ambitions de cette machine. Elle prévoit un large éventail de fonctionnalités, permettant de s'adapter aux besoins de l'utilisateur, grâce à une conception réalisée au sein de notre laboratoire.
Voici la présentation de l'électronique embarquée dans la Polybox 3D !
Croquis du compartiment électronique - Vue de dessus de la Polybox 3D
La force de l'électronique conçue par notre équipe est de mettre à disposition une électronique à la fois adaptée et modulable, proposant un maximum de possibilités pour l'utilisateur. En effet, l'électronique est divisée en un ensemble de cartes électroniques ayant chacune un rôle déterminé. La conception a été réaliser avec l'utilisation d'un maximum de standards possibles, que ce soit pour les composants électroniques ou la connectique.
Pour une accessibilité optimale pour l'utilisateur, chaque type de carte électronique possède une couleur spécifique de vernis épargne. Le vernis épargne recouvrant et protégeant le circuit imprimé, l'utilisateur pourra identifié rapidement quel type de carte il s'agit, grâce à sa couleur. De plus, le schéma structurel de chaque carte électronique est laissé à disposition sur notre site internet dans la catégorie "Téléchargements".
Tout cela apporte à l'électronique embarquée une maintenance simplifiée et accessible, encourageant la constitution d'une communauté d'utilisateurs avancés.
L'ensemble des cartes électroniques embarquées dans la Polybox se situe sur le dessus de la machine Polybox 3D, à l'abri de toutes substances pouvant être propulsées au niveau de la zone de travail de la machine. Ce compartiment est accessible par une trappe dédiée. Elle est divisée en deux sous-ensemble. Un sous-ensemble commande et un sous-ensemble puissance.
PCB de l'électronique embarquée
Commande
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Unité centrale :
Carte mère, processeur, mémoire, Mesa 5i25, cartes DB-25
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Carte Poly'Commande (PCB Vert)
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Cartes Due - ARM Cortex M3 32 bits : Atmel SAM3X8E
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Carte inertielle
Puissance
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Blocs d'alimentations standards type ATX
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Carte Poly'Puissance (PCB Rouge)
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Cartes Poly'Mot (PCB Bleu)
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Cartes Poly'Pilotis (PCB Noir)
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Cartes Poly'Boost (PCB Jaune)
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Cartes Poly'Mot.XL (PCB Bleu)
Nos cartes électroniques
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Carte Poly'Commande
La carte Poly'Commande, réalisée par notre équipe, gère la transmission des informations et des commandes entre l'unité centrale, les cartes de type Due ARM Cortex-M3 et les différents modules de la machine. Elle communique avec l'unité centrale via la connexion USB présente sur la carte ARM Cortex-M3 dite "Maître", ainsi que 3 ports parallèle DB-25 pour la fonction centre d'usinage. Elle recueille toutes les informations de la machine, c'est-à-dire toutes les informations en provenance de tous les actionneurs présents dans la machine. Enfin, elle peut accueillir jusqu'à 5 cartes de type Due ARM Cortex-M3 elle possède une connectique standard de type IDC-40, Molex KK, Molex Mini-Fit, JST et DB-25).
Voici une liste des principales fonctions assurées par la carte Poly'Commande :
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Acquisition, traitement et redirection des commandes pour la fonction centre d'usinage.
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Acquisition des données sur le positionnement des différents axes (Début de course, fin de course et position de repos).
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Acquisition des données en provenance des capteurs de position : Carte Poly'Inertiel et touches de contact.
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Gestion de l'éclairage blanc et de l'éclairage couleur (RVB).
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Gestion des ventilateurs du compartiment électronique, de la zone de travail et des buses.
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Acquisition de l'état de la trappe d'accès à la zone de travail et de la trappe d'accès au compartiment électronique (ouvert ou fermé).
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Acquisition des états des interrupteurs actionnés par l'utilisateur sur la machine :
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arrêt d'urgence (ATU),
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allumage ou extinction de l'éclairage global,
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activation ou désactivation des modules de chauffe (Lits chauffants et cellules à effet Peltier),
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activation ou désactivation du bloc outil central.
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Détection de la présence ou de l'absence du plateau tournant pour la fonction Shooting Lab.
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Acquisition de la température :
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de la zone de travail (niveau bas, milieu et niveau haut),
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du compartiment électronique partie commande,
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des buses chauffantes du bloc outil impression 3D,
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des colonnes froides (niveau haut et niveau bas) du bloc outil impression 3D,
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des lits chauffants (4 mesures de température).
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Gestion des fonctions addtionnelles de microlubrification et aspiration pour la fonction centre d'usinage.
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Régulation des tensions d'alimentation pour la partie commande.
Le reste des fonctionnalités sont traitées par les cartes Due ARM Cortex-M3 et communique via 3 connecteurs standards de type IDC-40 vers la carte Poly'Puissance.
Poly'Commande version 1.0
Carte Poly'Puissance
La carte Poly'Puissance communique avec la carte Poly'Commande grâce à 3 connecteurs de type IDC-40 situés sur la partie gauche de la carte. Cette carte permet de gérer, comme son nom l'indique, toutes les fonctionnalités associées à la partie puissance, hormis l'ensemble motorisation des axes de déplacement (Tx, Ty, Tz, Rx, Ry et Rz).
Deux connecteurs DB-25 et un connecteur DB-9, associés à l'électronique de gestion du bloc outil impression, sont prévus pour connecter toute la fonction impression 3D sur le bloc outil central. Un connecteur DB-25 correspond au nécessaire pour la gestion d'une buse d'impression en sachant que le bloc outil impression possède 2 buses d'impression. Les 2 connecteurs DB-25 sont compatibles entre eux, pour éviter toutes erreurs possibles. Une identification électronique est prévue pour connaitre précisément et rapidement dans l'interface utilisateur quel connecteur est relié au bloc outil impression.
Un connecteur DB-15 est dédié à la connexion de la fonction centre d'usinage sur le bloc outil central.
Ainsi, grâce à une connectique dédiée, l'utilisateur peut aisément connecter le bloc outil central à la fonction qu'il souhaite utiliser.
Poly'Puissance version 1.0
Voici une liste des fonctions gérées par la carte Poly'Puissance :
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Gestion et surveillance des 2 blocs d'alimentation dédiés à la partie puissance, via un connecteur de type Molex Mini Fit 24 broches.
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Gestion des différents éléments du bloc outil impression 3D, à savoir :
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Les résistances chauffantes des 2 buses d'impression,
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Les cellules à effet Peltier optionnelles pour les colonnes froides (ventilateurs compris)
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La motorisation des 2 extrudeurs,
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Le suivi d'avancement du fil d'impression pour chaque buse,
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Les 2 ventilateurs optionnels pour les buses d'impressions.
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Gestion des 4 lits chauffants standards et nécessaires pour couvrir la surface de travail disponible pour la fonction impression 3D. Ils peuvent être gérés soit ensemble soit indépendamment à l'aide d'un module de commande alloué à chaque lit chauffant. Ainsi, l'énergie nécessaire au plateau chauffant est adaptable en fonction de ce que l'utilisateur désire imprimer.
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Gestion des cellules à effet Peltier présents dans la zone de travail. Jusqu'à 4 cellules à effet Peltier de 96W peuvent être gérées ensemble ou indépendamment à l'aide d'un module de commande dédié à chaque cellule à effet Peltier. Celles-ci permettent d'élever la température de l'air dans la zone de travail pour la fonction impression 3D afin de limiter les grands écarts de température entre la pièce et les buses chauffantes durant l'impression. Cette fonction permet d'améliorer la qualité d'impression. Elle est associée à la commande, située en partie commande, d'un ventilateur de 120mm dit pulseur et d'un ventilateur de 120mm dit extracteur. Ces ventilateurs donnent la possibilité de baisser la température de l'air de la zone de travail sans ouvrir la trappe d'accès à la zone de travail. Nous fournissons ainsi une solution complète à l'utilisateur pour contrôler la température de l'air de la zone de travail.
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Gestion de la commande de l'outil pour le bloc outil centre d'usinage. L'outil pour l'usinage peut être un outil du commerce de type Proxxon pour de petits usinages, ou un moteur sélectionné par l'équipe PolyBox 3D : un moteur DC de 300W de base.
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Gestion des lasers et de 3 moteurs NEMA 17 optionnels pour la fonction scan 3D.
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Acquisition de la température du compartiment électronique partie puissance.
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Régulation des tensions d'alimentation pour la carte Poly'Puissance et pour la ou les carte(s) Poly'Pilotis.
Poly'Mot 23 version 1.0
Cette carte permet de piloter les moteurs, de type NEMA 23, associés aux différents axes de déplacement au sein de la PolyBox 3D (Axes Tx, Ty, Tz, Rx, Ry et Rz).
Empilée sur la carte Poly'Pilotis, elle reçoit les commandes envoyées depuis la Poly'Commande.
Une carte Poly'Mot.23 permet de gérer un moteur pas à pas 2 phases avec une tension d'alimentation maximale de +45V et une intensité maximale de 4A en sortie, avec une résolution allant jusqu'à 1/128ème de pas.
Le paramétrage du pilotage du moteur pas à pas peut être effectué manuellement directement sur la carte, ou supervisé depuis la partie commande.
Carte Poly'Mot 23
Carte Poly'Boost
Cette carte permet d'établir une fonction élévation de tension pour une alimentation de puissance. Elle embarque un contrôleur DC/DC élévateur synchrone à 2 phases fournissant une sortie de forte puissance (environ 180W maximum).
A partir d'une tension d'entrée prévue de base à +12V, la carte peut fournir de façon statique une tension de sortie pouvant aller jusqu'à +45V. La fréquence de hachage étant de l'ordre de 350 kHz.
Un paramétrage du contrôleur DC/DC est laissé disponible pour les utilisateurs avancés via un ensemble de résistances et de cavaliers. Deux lignes facultatives sont réservés pour une éventuelle activation ou désactivation et supervision externe de contrôleur DC/DC.
Une fonction de filtrage est présente en entrée et en sortie de la carte.
La force de cette carte est d'éviter le recours à des modules de dissipation thermique d'ordinaire assez volumineux pour évacuer la chaleur générée par les composants de puissance.
Pour la machine PolyBox3D, nous utilisons cette carte pour obtenir des tensions de +36V et de +45V.
Voici une liste non exhaustive des possibilités de la carte :
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Pour une tension de sortie de +24V, l'intensité maximale de sortie est de 7,5A.
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Pour une tension de sortie de +36V, l'intensité maximale de sortie est de 5A.
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Pour une tension de sortie de +45V, l'intensité maximale de sortie est de 4 A.
Poly'Boost version 1.2
Cette carte permet d'accueillir jusqu'à 3 cartes Poly'Boost et 3 cartes Poly'Mot.23.
Elle redirige les données transitant entre la partie commande et les cartes Poly'Mot.23 et Poly'Boost.
Elle communique principalement avec la carte Poly'Commande via un connecteur IDC-40.
Il est possible d'empiler uniquement des cartes Poly'Mot.23 et de leur relier directement sur la carte Poly'Pilotis une alimentation de puissance ayant une plage de tension de +12V à +45V. La carte Poly'Boost peut donc être une option si nécessaire.
De base, la Polybox 3D est équipée de 2 cartes Poly'Pilotis.
Poly'Pilotis version 1.0
Carte Poly'Pilotis
Carte Poly'Mot 17
La carte Poly'Mot.17 est utilisée pour la gestion des 2 moteurs de type NEMA 17 présent sur le bloc outil impression et la gestion de 3 moteurs optionnels de type NEMA 17 dédiés à la fonction scan 3D. Cette carte se connecte sur la carte Poly'Puissance.
Basée autour d'un driver A4982 en boitier TSSOP-24, elle permet de gérer des moteurs pas à pas 2 phases, sur une plage de tension de +12V à +35V associée à une intensité maximale de 2A et une résolution pouvant aller jusqu'à 1/16 ème de pas.
Un trimmer (potentiomètre de petite taille) permet de fixer l'intensité maximale en sortie du driver.
La force de cette carte est de présenter une dissipation thermique mieux dimensionnée et une maintenance plus facile (si besoin), comparés aux autres cartes à base de driver A498x.
Poly'Mot 17 version 1.0
Équipements additionnels
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L'unité centrale correspond au système de traitement des commandes et des informations transmises au sein de la Polybox 3D. Elle permet à l'utilisateur, via un écran tactile situé à l'avant de la Polybox, d'interagir avec l'ensemble de la machine, de visualiser l'état de la machine et de piloter toutes les tâches désirées. L'unité centrale communique en direct avec la partie commande de notre électronique grâce à un port USB.
Un ensemble de cartes est associé à l'unité centrale :
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Une carte de la société Mesa Electronics, la Mesa 5i25, connectée via un port PCI à l'unité centrale et connectée via un port parallèle DB-25 à notre électronique. Le but de cette carte est de gérer les commandes nécessaires pour la fonction centre d'usinage (CN), commandes qui sont transmises directement à notre électronique.
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Deux cartes de communication équipées d'un port parallèle DB-25, connectée via un port PCI à l'unité centrale. Le but de ces deux cartes est de compléter la carte Mesa 5i25 pour transmettre des commandes et recevoir des retours d'informations en mode centre d'usinage (CN).
Unité centrale
5 cartes électroniques de type Due embarquant un microprocesseur 32 bits ARM Cortex-M3 Atmel SAM3X8E équipent la carte Poly'Commande. Elles s'empilent sur la carte Poly'Commande grâce à une connectique carte à carte standard. Une carte est configurée en carte dite "Maître" et communique via protocole I2C avec les 4 autres cartes qui sont des extensions baptisées "E1", "E2", "E3" et "E4".
Carte Due ARM Cortex-M3
Un bloc d'alimentation type ATX est dédiée l'unité centrale et le sous-ensemble commande.
Deux autres blocs d'alimentation type ATX sont dédiées au sous-ensemble puissance. Suivant les fonctionnalités souhaitées par l'utilisateur, un seul bloc d'alimentation ATX peut suffire pour le sous-ensemble puissance.